基于全硅工艺的硅谐振压力传感器设计与制备

李 亨, 王淞立, 赵 虎, 申建武, 黄嘉珊, 张 龙

(西安思微传感科技有限公司，陕西 西安 710000)

硅谐振压力传感器是一种MEMS压力传感器，也是目前精度最高的压力传感器，其综合精度通常优于±0.02%F.S.，在航空航天大气数据测量、气象监测和压力计量领域均有广泛应用。

硅谐振压力传感器通过其内部谐振子谐振频率的变化反映外部压力的变化。当传感器外部压力发生变化时，其敏感膜发生形变，敏感膜的形变通过凸台传递给谐振子，进而改变谐振子的刚度。当谐振子刚度变化时，其谐振频率也发生变化。

国外研究机构在研究硅谐振压力传感器方面起步较早，20世纪80年代就已经开展了相关技术的研究[1]。目前，英国Druck公司、法国Thales公司和日本YOKOGAWA株式会社三家公司均已实现硅谐振压力传感器的商业化应用。

20世纪80年代，英国Druck公司的Greenwood等[2]利用浓硼自停止工艺开发出Druck公司的第一代产品RPT系列，其综合精度优于±0.02%F.S.。2009年，Druck公司的Kinnell等[3]完成第二代产品RPS8000系列的开发，其综合精度优于±0.01%F.S.。1995年，法国Thales公司的Mandle等[4]研制出P90系列产品，该系列产品在航空领域获得广泛应用，其综合精度优于±0.01%F.S.。20世纪80年代，日本YOKOGAWA株式会社的Harada等[5]利用自对准选择性外延生长和选择性刻蚀技术开发出EJA/EJX系列产品[5]，其精度分布于±0.04%F.S.至±0.065%F.S.之间。

上述三家企业中，Druck公司和Thales公司的产品均为绝压压力传感器，综合精度达到±0.01%F.S.等级。YOKOGAWA株式会社的产品包括绝压压力变送器和差压压力变送器，其中差压压力变送器产品在该细分领域为最高精度产品。

进入21世纪，国内研究机构如中科院电子所[6]、西北工业大学[7]、北京航空航天大学[8]、厦门大学[9]等科研机构相继开展了硅谐振压力传感器相关技术的研究，均取得一进科研成果。

国内研究机构制备硅谐振压力传感器多采用硅-玻璃工艺，国外多采用全硅工艺。采用硅-玻璃工艺制造的硅谐振压力传感器容易受到因材料不匹配带来的各项干扰，包括温度系数不单调、迟滞大和残余热应力的问题：① 当温度系数不单调或迟滞大时，会影响曲线拟合精度，且对传感器一致性带来影响；② 当存在残余热应力时，热应力的释放会影响传感器长期稳定性。

以上问题主要存在于基于硅-玻璃工艺制造的硅谐振压力传感器中，导致传感器综合精度的提升受到限制。为解决硅-玻璃工艺产生的各种问题，提出采用全硅工艺制备硅谐振压力传感器。

全硅工艺的硅谐振压力传感器表芯部分采用“硅-硅-硅-玻璃”四层结构设计，最顶层为电极层，第二层为结构层，第三层为密封层，上面三层之间通过晶圆级硅-硅键合工艺连接，内部形成真空腔体，有利于减小谐振子工作阻尼。传感器表芯中工作部分的三层结构均采用单晶硅材料。

全硅工艺能够有效抑制因材料不匹配造成的各项干扰，提升硅谐振压力传感器综合精度。

1 硅谐振压力传感器设计

1.1 传感器结构与谐振方案设计

硅谐振压力传感器的工作模态通常有面内振动和面外振动之分，面外振动的工作模态会导致谐振子振动能量通过硅岛向敏感膜传递，从而降低谐振子的品质因子Q。面内振动的工作模态分为同相模态和反向模态。采用同相模态时，谐振结构的重心会随着振动而改变，使硅岛上受到的力矩总和不为零，振动能量产生耗散，谐振子的品质因子Q也会因此降低；当采用反相模态时，谐振结构有固定的振动重心，作用在硅岛上的力矩总和为零，根据文献[3]，谐振子的品质因子可因此至少提高一倍。当谐振子工作模态采用反相模态，能降低周围环境振动对传感器的耦合，有利于提升传感器的频率分辨率，此类结构最典型的设计为双端音叉谐振器(Double-Ended Tuning Fork Resonator,DETF Resonator)。

表芯中谐振子采用DETF结构方案，其结构由谐振梁、质量块和梳齿等组成，如图1所示。谐振梁在静电力的作用下沿着平行于敏感膜的方向振动，动齿和定齿之间因振动产生位移变化，进而导致电容发生变化。当谐振子在工作模态下工作时，动齿和定齿间电容变化的频率与谐振频率相同。谐振子工作模态频率可通过式(1)计算[10]:

图1 DETF谐振结构

(1)

式中：σ为谐振梁轴向应力;σcr为谐振梁弯曲应力;wr、lr和hr分别为谐振梁的宽度、长度和厚度；ws、ls和hs分别为耦合梁的宽度、长度和厚度；mmass+0.3714mr+0.3714ms为谐振子的等效质量，其中mmass为质量块质量，mr为谐振梁质量，ms为耦合梁质量。

硅谐振压力传感器表芯部分的截面如图2所示，当有压力作用在敏感膜上时，敏感膜发生形变，形变经过硅岛放大后传递给谐振梁，使其轴向受到应力，改变谐振梁刚度，进而改变谐振频率。表芯部分采用单敏感膜-双谐振梁耦合的结构方案，该方案有利于压缩尺寸和批量化制造。耦合梁的设计不仅能够减小谐振时振动能量对敏感膜层的传递，提高谐振子的品质因子Q，还可增加工作模态与相邻模态之间的频率间隔，使谐振子工作更加稳定。

图2 压力传感器芯片截面图

1.2 谐振子参数详细设计

谐振子采用静电激励、电容检测的工作方式，该工作方式具有振动线性度高、工艺实现简单的优点。平行梳齿静电驱动器如图3所示，该结构通过相互平行的直齿啮合而成，通过变面积的方式实现动齿和定齿间电容变化。

图3 平行梳齿静电驱动器

梳齿电容由齿与齿之间重叠部分产生的电容和齿端面与侧壁之间重叠部分产生的电容组成，其总电容由式(2)求得：

(2)

式中:Ccomb为梳齿总电容；Cg为梳齿交叠面电容；Cf为梳齿端面电容；n为动齿数；ε为介电常数；c为梳齿交叠面长度；h为梳齿厚度；g为梳齿交叠面间隙；w为梳齿宽度；a为梳齿端面间隙。

式(2)中的各项参数如图3所示，当动齿发生位移时，定齿与动齿间总电容的变化量可由式(3)计算。

(3)

当定齿与动齿间存在电压时，其静电力为

(4)

式中：Fcomb为驱动力；x为梳齿位移；U为驱动电压。

由式(4)可知，梳齿电容产生的静电力由两部分组成，一部分由电容Cg产生，该项静电力与位移无关；另一部分由电容Cf产生，该项静电力与位移形成非线性关系。

在硅谐振压力传感器表芯部分的设计中，需要综合考虑谐振子刚度与驱动力的大小，使谐振子工作模态的振幅在合适的范围内，保证系统在获得足够检测信噪比的同时产生较低的非线性。当谐振子工作模态的振幅被限定在齿间重叠长度的三分之二及谐振梁长度的1%以内时，可以有效地避免谐振梁在幅频响应的非线性区内振动。

通过优化设计，芯片结构的主要设计参数如表1所示。

表1 芯片设计参数表

1.3 模态分析与灵敏度分析

利用COMSOL有限元仿真软件对芯片模态以及灵敏度进行分析，芯片各阶模态振型及频率如图4所示，工作模态基础频率为35640 Hz，工作模态频率与相邻模态频率间隔较大，可有效避免工作模态的串扰问题。

图4 各阶模态振型及频率

当有压力作用时，各阶模态固有频率发生改变，各阶模态频率随压力的变化如图4所示。压力、频率变化值如图5所示。

图5 压力、频率变化值

由图5可知，在全量程压力范围内，各阶模态频率不存在数值交叉的情况，同时传感器的灵敏度为13.5 Hz/kPa。

2 硅谐振压力传感器制备工艺

硅谐振压力传感器采用频率信号作为输出，其谐振子谐振频率的稳定性决定了传感器的性能。环境温度影响谐振子谐振频率的因素主要有：① 材料杨氏模量温度系数——硅材料杨氏模量存在负温度系数，其温度系数为-64.73 ppm/K[11]。当环境温度变化时，杨氏模量会发生变化，谐振频率也会随之发生改变。② 热应力——硅谐振压力传感器上存在不同材料，其热膨胀系数存在差异。环境温度变化时，不同材料间会产生热应力，导致谐振子谐振频率发生变化。

相对于材料杨氏模量温度系数，由材料之间热膨胀系数不匹配引起的热应力对传感器频率输出的影响占主导地位。传统的硅-玻璃结构芯片由于硅材料与玻璃材料的热膨胀系数不匹配，环境温度变化时，谐振子产生较大的热应力，导致传感器的输出频率会随温度存在较大漂移。而基于全硅工艺的硅谐振压力传感器采用“硅-硅-硅-玻璃”四层结构设计，传感器表芯中工作部分的三层结构均采用单晶硅材料，在环境温度变化时，谐振子上的热应力较小，传感器的输出频率也较为稳定。

全硅工艺采用晶圆级硅-硅键合作为整体工艺方案，在电极层形成膜结构和硅岛结构，配合结构层的谐振子实现基本功能，其主要工艺流程如图6所示。

基于全硅工艺的硅谐振压力传感器为三明治结构，其工艺步骤如下。

① 如图6(a)所示，对硅片进行标准清洗，甩干，在硅片表面生长Si3N4。

② 如图6(b)所示，在硅的正反两面进行Si3N4的图形化。完成刻蚀掩膜制备后，对硅片进行刻蚀，完成成形工艺。

图6 主要工艺流程图

③ 如图6(c)所示，去除Si3N4，对硅片进行清洗，在硅片表面生长SiO2层，完成敏感膜层的制作。

④ 如图6(d)所示，将敏感膜层与另一个硅片用硅-硅键合工艺键合在一起，进行减薄处理。

⑤ 如图6(e)所示。使用深干法刻蚀工艺形成结构层。深干法刻蚀工艺可能会出现“长草”等问题，如图7所示，左图为正常的深干法刻蚀形貌，而右图则是在钝化过程严重时产生的“长草”现象。

图7 干法刻蚀图及“长草”示意图

⑥ 如图6(f)所示，将密封层与结构层再次进行晶圆级硅-硅真空低温键合，完成对腔体的密封。

⑦ 图6(g)所示，刻蚀电极层形成敏感膜，芯片局部结构如图8所示。

图8 芯片局部结构示意图

此外，低温硅-硅键合工艺还可以大幅度降低圆片翘曲，提高芯片的成活率。

3 全温标定与测试结果

硅谐振压力传感器综合精度测试包括全温标定和精度测试两个步骤。全温标定是用来求解系数的过程，硅谐振压力传感器输出的方波频率为模拟量，无法直接表征压力值，通过全温标定形成方波频率与压力值的对应关系。全温标定过程中选取用于标定的温度点和压力点，当测试条件满足时，记录标准压力、温度频率和压力频率数据，用高阶多项式模型拟合出其关系，通过最小二乘法解算为系数，用于实测压力值计算。全温标定过程中选取的温度点如表2所示，压力点如表3所示。

表2 标定温度点

表3 标定压力点

完成全温标定后，开始精度测试，精度测试过程中选取的压力点同表3所示，温度点如表4所示。

表4 测试温度点

根据全温标定步骤解算出的系数对精度测试过程中采集到的数据进行计算可得实测压力值，其计算公式为

(5)

其中：

x=(xH-X0_Rd)/Coff_X0_Rd

y=(yT-Y0_Rd)/Coff_Y0_Rd

式中：xH为压力频率值；yT为温度信号值；m为压力点个数；n为温度点个数；x为压力计算值；X0_Rd为压力频率平均值；Coff_X0_Rd为压力频率标准差；y为温度计算值；Y0_Rd为温度信号平均值；Coff_Y0_Rd为温度信号标准差；Pc为实测压力值；Kij为系数。

完成压力值计算后，根据式(6)计算精度：

(6)

式中：Ui为精度；yFS为满量程输出压力值；Pci为第i个点的实测压力值；PS为标准压力值。

综合精度是表征硅谐振压力传感器精度测试过程中最大误差的指标，经计算，被试品最大误差为0.0037%F.S.，综合精度优于±0.01%F.S.，测试结果如图9所示。

图9 综合精度测试结果

压力迟滞是表征硅谐振压力传感器在定温条件下压力正反行程差异的指标，经计算，被试品最大压力迟滞为0.0027%F.S.，优于±0.003%F.S.，测试结果如图10所示。

图10 压力迟滞测试结果

温度迟滞是表征硅谐振压力传感器在定压条件下温度升降行程差异的指标，经计算，被试品最大温度迟滞为0.0036%F.S.，温度迟滞优于±0.005%F.S.，测试结果如表5所示。

表5 温度迟滞测试结果

4 结束语

基于硅-玻璃工艺制备的硅谐振压力传感器综合精度多为±0.02%F.S.水平，达到±0.01%F.S.水平的传感器比例较低。相比于硅-玻璃工艺，全硅工艺制备硅谐振压力传感器的优点包括：① 全硅工艺中晶圆级键合均为硅-硅键合，该工艺极大地克服了因材料不匹配带来的各项干扰。② 采用全硅工艺制造的硅谐振压力传感器温度系数单调，且一致性好，其温度系数主要由硅杨氏模量温度系数决定。③ 材料种类单一，可以有效消除迟滞、残余热应力等问题，最大限度地抑制了影响传感器综合精度的各项问题。

测试结果表明，采用全硅工艺制备的硅谐振压力传感器的综合精度优于±0.01%F.S.，且温度迟滞和压力迟滞指标分别优于±0.005%F.S.和±0.003%F.S.，关键性能指标具备明显优势。

硅谐振压力传感器作为一种高精度压力传感器，综合精度成为评价其最终性能的最关键指标。基于全硅工艺的硅谐振压力传感器因其具有更好的综合精度，在航空大气数据测量系统、地面压力控制器和气象测量等方面具有更广阔的应用前景。