楊 梅 ,于 煒 ,張 瑩 ,史 煜

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心四川綿陽 621000)

0 引 言

目前,大量生產(chǎn)的硅壓阻式壓力傳感器,主要用于10kPa～60MPa壓力范圍的測量。在這樣的壓力作用下,采用傳統(tǒng)平膜片的傳感器輸出和精度一般為20～70mv/V和0.1%～0.5%,為了實現(xiàn)更低壓力的測量,則必須采用特殊的膜片結構。平膜結構雖然可以通過減小膜片厚度來實現(xiàn)很高的靈敏度,但同時也帶來了嚴重的非線性。這種非線性是由于壓力在膜片上產(chǎn)生的膜應力和彎曲應力的非線性造成的。對于低壓的測量,雖然帶有中間剛性硬芯的E型膜片結構可以實現(xiàn)較好的線性,但是這種膜片也具有一些缺點,例如,尺寸一般較大,制作工藝復雜,對振動敏感等。1991年Reimann提出了一種基于平面應力集中原理制作的新型硅壓力傳感器。筆者介紹的這種雙面腐蝕形成的梁-膜結構的微壓傳感器的設計就是采用這種應力集中原理,芯片結構的力學特性分析及初步測試結果表明這種結構的微壓傳感器具有較高的靈敏度和較低的非線性,成功地實現(xiàn)了對微小壓力的測量。

1 梁-膜結構壓力傳感器應變膜片結構設計

1.1 梁-膜結構的特點

梁-膜結構膜片的結構如圖1所示,它是由4個彈性梁和一個剛性中心膜構成,在這一結構膜片上,電阻按照利用橫向和縱向壓阻效應的原則分布在4個活動梁上。利用有限元軟件ANSYS仿真計算對這一結構的尺寸、梁、膜的厚度等參數(shù)進行了詳細的最優(yōu)化分析并與均勻平膜結構進行比較,表明梁-膜結構靈敏度高,在膜片很薄時能有效地解決平膜片線性差的缺點,具有很好的線性度,是制作微壓傳感器的最佳結構。

從梁-膜結構膜片的應力分布圖上可以看到,當膜片受壓時,4根梁上同時產(chǎn)生了大小相等,方向相同的集中應力,應力曲線平直無突變,在梁的根部應力最大,由邊緣至中心呈遞減的梯度分布。因此,應變電阻要盡量布置在梁的根部,排列盡量集中,以避免應力梯度引起的非線性。

1.2 結構設計計算

對于帶有4個矩形梁和一個剛性中心膜片的膜片結構進行有限元分析可以看到,其應力最大區(qū)域在4個矩形梁的根部位置。這種膜片上的應力分布很復雜,難于進行計算,可以計算正方形均勻平膜片的應力分布,對其靈敏度進行理論推算。

一個邊長為 2a的正方膜,晶面(100),晶向(110)。坐標取在膜中心,當兩邊平行于坐標軸時,其縱向應力與橫向應力之差的最大值即(σ1-σt)的最大值在正方形邊的中點處,當4個橋臂電阻分布如圖2所示時

圖2 梁-膜結構硅膜片(平面圖)Fig.2 Silicon diagram of the beam-film structure(plan view)

對于采用恒壓源供電的全橋電路,電橋輸出Us,Uo為電源電壓

利用(1)、(2)、(3)式得

π44=100×10-12cm2/達因 v=0.3

設壓力 P=100Pa,Uo=6V,2a=6000μ m,h=15μ m

則輸出電壓為Us=13.43mv

根據(jù)有限元分析,梁式結構的靈敏度應為均勻平膜片結構的1.5倍左右,那么,梁式結構輸出大約為

由于理論計算對某些邊界條件的簡化,一般來說,預期實驗測定值要比理論值大約低30%,那么預期實驗值應為14mV左右。

由此可以確定,采用這種梁式結構可以獲得更集中的應力,更高的傳感器靈敏度和更好的線性,能用于制作100Pa這樣的微壓傳感器。

2 制作工藝

2.1 工藝參數(shù)

材料：N型(100)無位錯單晶,電阻率 p=8～10Ω.cm,襯底濃度 Nb≈6×1014/cm3,硅片厚度300μ m,雙面拋光 。

工藝參數(shù)：淡硼應變電阻擴散表面濃度Ns=3×1018/cm3,結深 xj=3μ m,方塊電阻為 100Ω/□。濃硼引線電阻擴散表面濃度Ns=2×1020/cm3,結深xj=3μ m,方塊電阻為9Ω/ □。

2.2 制作工藝流程

硅片雙面拋光→高溫氧化→正面光刻→擴散電阻→一次刻孔→低溫氧化→二次刻孔→淀積氮化硅→背面光刻→背面腐蝕→真空鍍鋁→反刻鋁→正面等離子刻蝕→芯片分離→鏡檢篩選→壓焊金絲→芯片老化→初測、篩選→封裝→老化→補償→標定。

2.3 膜片成形關鍵技術

(1)梁-膜結構的正面需成形硬芯、梁,由于正面形成的槽的深度只有5μ m,因此采用了等離子刻蝕工藝。

(2)梁-膜結構的背面需腐蝕形成一個深度達285μ m的腔體,利用單晶硅各向異性的特點,采用各向異性腐蝕工藝。采用綜合性能指標較好的乙二胺、鄰苯二酚、水組成的三元腐蝕液,稱為EPW,在密閉冷卻回流裝置中,加熱到95℃±1℃緩慢攪拌下對硅片進行腐蝕,制成均勻的硅膜片。

(3)梁-膜結構硅膜片正反面均需用光刻工藝刻蝕出所需的形狀,要求正反面位置要精確對準,因此雙面光刻工藝是制作梁-膜結構硅膜片的一項十分重要的工藝。

(4)梁-膜結構的正、反面結構的形成不能同時進行,必須在一面進行刻蝕時,對另一面進行保護。正面采用低溫淀積氮化硅工藝在膜片表面淀積一層氮化硅膜進行保護,同時可以起到對膜片表面鈍化的作用。反面保護采用二氧化硅層。

3 測試結果及分析

3.1 壓力傳感器測試結果

我們對樣件進行測試標定,標定結果見表1。

表1 傳感器樣件標定結果Table 1 Performance for this transducer

3.2 梁-膜結構壓力傳感器主要技術指標

外形尺寸：直徑20mm,長60mm(帶管嘴);測量范圍：0～100Pa;滿量程輸出 ：12mV ～18mV;線性誤差：＜0.5%F.S;重復型誤差：＜0.6%F.S;總精度：1%F.S;零點漂移：＜0.2%F.S/h;零點溫度漂移：＜0.5%F.S/℃。

3.3 試驗應用

低速風洞模型氣動力試驗,必須作洞壁干擾修正,一直采用英國德魯克公司的100Pa壓力傳感器進行洞壁測壓。該傳感器的技術指標為：測量范圍：0～100Pa;滿量程輸出：10.395 V;線性誤差：0.035%F.S;遲滯誤差 ：0.312%F.S;重復型誤差 ：0.521%F.S;總精度：0.687%F.S。我們研制的傳感器的技術指標接近該指標,風洞試驗結果表明,在低速風洞洞壁測壓試驗中,研制的100Pa梁-膜結構微壓傳感器完全可以替代國外傳感器。

3.4 結 論

通過小批量的生產(chǎn)實踐證明,設計是成功的,應用的新技術、新工藝是可行的。100Pa壓力時,滿量程輸出14 mv左右,線性精度小于0.5%F.S,重復性誤差小于0.6%F.S,總精度1%F.S,技術指標接近國外傳感器水平,已多次用于風洞試驗,目前國內尚無如此小量程的壓阻式壓力傳感器。

4 結束語

在用于100Pa這樣的微壓測量時,基于“平面”應力集中原理制作的這種梁-膜結構的傳感器具有靈敏度高和線性誤差小的特點,與一般的結構相比,這種膜片在受到微壓時即產(chǎn)生較大的應力集中,使傳感器在測量微壓時有較高的靈敏度,其特別的結構能解決一般結構膜片在很薄時由膜應力和彎曲應力產(chǎn)生的嚴重的非線性。同時,在制作應變電阻時,采用了先進的淡硼電阻,濃硼引線的擴散方式,既提高了傳感器的靈敏度,又改善了傳感器的溫度性能和穩(wěn)定性。該設計實踐表明,有限元方法是用于壓阻式壓力傳感器優(yōu)化設計的一種有效的工具,同時,選擇合理的結構,采用先進的工藝,才能制作出高水平的傳感器。

[1]林杰.在工業(yè)應用中日趨重要的微傳感器[J].儀表技術與傳感器,1995,1：8-12.

[2]張炎,林鴻溢.帶質量塊懸臂梁加速度傳感器的特殊工藝[J].傳感器技術,1994.13(1)：15-18.

[3]任建軍,楊恒,李昕欣,沈紹群,鮑敏杭.單面多層結構硅微壓傳感器的研制[J].傳感技術學報.1997.10(4)：1-6.

[4]吳紫峰,田雷,溫鵬宇.微型雙島硅膜制作中的削角補償方法研究[J].傳感器技術.1996.15(6)：21-23.

[5]PUERS B,SANSEN W.Compensation structures forconvex conner micromachining in silocon[J].Sensor and Acttuators,1990,A21-A22：1036-1041.

[6]黃慶安.硅微機械加工技術[M].北京：科學出版社,1996.