張艷敏，王 權(quán)，2，李昕欣

(1．江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江　212013；2．傳感技術(shù)國家重點實驗室，上海　200050；3．中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上?！?00050)

0　引言

壓阻式壓力傳感器由于微機械加工技術(shù)的發(fā)展使其敏感元件微型化，生產(chǎn)批量化、低成本化，確立了在壓力測量領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，較之傳統(tǒng)的膜合電位計式、力平衡式、變電感式、變電容式、金屬應(yīng)變片式及半導(dǎo)體應(yīng)變片式傳感器技術(shù)上先進得多，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、可靠性好、精度較高、低功耗、易于微型化與集成化等一系列優(yōu)點，在工業(yè)、汽車和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。

傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感器采用擴散或離子注入的方法，摻雜獲得4個硅應(yīng)變電阻，在單晶硅片正面上構(gòu)成惠斯登電橋的應(yīng)力敏感檢測模式，電阻和襯底之間一般形成PN結(jié)隔離。為了滿足測試量程的需要，背面一般采用氫氧化鉀腐蝕減薄，也常稱為體微機械加工[4-6]。為制作絕對壓力傳感器，必須先采用兩塊硅片預(yù)加工后，高溫鍵合形成真空腔，然后拋光減薄到所需要的厚度，再在鍵合體的正面通過體微機械加工，形成所需要的圖形，以構(gòu)成檢測電路。然而，當(dāng)器件溫度在100 ℃以上時，電阻和襯底之間形成的PN結(jié)漏電流很大，使器件無法工作，無法滿足在高溫度環(huán)境下壓力測試的使用。對硅片背部進行濕法深腐蝕，減薄形成膜片，又浪費了硅片上大量的面積，使得硅片的利用面積降低。獲得絕對壓力測試的真空參考腔的過程，初始成本高，工序繁多。最后，體微機械加工的壓力傳感器芯片為滿足封裝的需要，還必須和專用的玻璃進行靜電鍵合以增加封裝強度，才能滿足實際測試需要。

表面微機械加工技術(shù)[7-9]是以基底材料作機械支撐，然后在其表面上利用薄膜沉積和腐蝕犧牲層等技術(shù)進行微機械元件的加工制作。表面微機械加工的壓力傳感器芯片面積可以很小，更與現(xiàn)有微電子封裝技術(shù)兼容，使得無論是芯片制作成本，還是后期的封裝成本都遠遠小于體微機械加工的壓力傳感器芯片。最為重要的是：表面微機械加工的壓力傳感器芯片工藝與IC工藝相兼容，可以將信號調(diào)節(jié)電路，微處理器等集成在一起，而且可以將其他測試功能用同樣的工藝集成在一起，如加速度測試、溫度測試等，使得芯片多功能化，更符合目前測試系統(tǒng)集成化、小型化和低成本化的發(fā)展要求。

文中設(shè)計了不同測試量程的狹長型矩形薄膜絕對壓力傳感器芯片，芯片制造基于表面微機械加工工藝，采用低應(yīng)力氮化硅(LS SiN)薄膜作為壓力傳感器芯片的核心結(jié)構(gòu)層，多晶硅薄膜淀積在LS SiN 薄膜上，干法腐蝕制作形成力敏電阻條，電阻通過金屬鋁的連接形成惠斯登檢測電路。封裝后對制備的壓力傳感器的穩(wěn)定性進行了測試，結(jié)果顯示此傳感器可用于半導(dǎo)體大工廠兼容的工藝規(guī)?；统杀局圃?，并且具有很好的長期穩(wěn)定性。

1　芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計

壓阻式壓力傳感器利用硅電阻的壓阻效應(yīng)[10]來檢測外加壓力的大小。如圖1所示，硅電阻是應(yīng)力敏感原件，通常制備在承壓彈性膜上。當(dāng)膜區(qū)受到外加壓力作用時，產(chǎn)生變形，根據(jù)壓阻效應(yīng)，膜上的應(yīng)力變化引起硅電阻的阻值變化，4個硅電阻構(gòu)成惠斯登電橋，在電壓的激勵下，電橋失衡，輸出端有電壓差，通過檢測輸出的電壓可以檢測出外加壓力的大小。

圖1　高長寬比矩形薄膜表面微機械加工壓力傳感器示意圖

為提高輸出靈敏度，將彈性膜設(shè)計為長矩形。根據(jù)膜區(qū)的應(yīng)力分布圖，充分利用多晶硅電阻的縱向壓阻效應(yīng)，盡量利用膜上張應(yīng)力的部分[11]，將一對電阻條的一部分放到了薄膜的外面，另一對電阻布置在膜的中心位置，這樣既保證了4個等值的電阻構(gòu)成惠斯登測試電橋，又使得一對電阻完全處于張應(yīng)力區(qū)域，電阻條被拉伸，電阻變大，另一對電阻處于壓應(yīng)力區(qū)域，電阻條被壓縮，電阻變小。通過對薄膜結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸進行適當(dāng)?shù)男薷模梢垣@得量程從1 kPa～1 MPa的絕對壓力傳感器芯片。

2　芯片制造

設(shè)計中的絕對壓力傳感器硅芯片，工藝制作流程如圖2所示。

圖2　壓力傳感器芯片制作流程圖

(a)將清洗烘干后的硅片在氧化爐中熱氧化，后進入低壓汽相化學(xué)沉積(LPCVD)爐淀積低應(yīng)力氮化硅(LS SiN)。

(b)在LPCVD爐中淀積低溫氧化硅(LTO)。第一次光刻LTO，在38 ℃緩沖的氫氟酸中腐蝕LTO，后在120 ℃的濃硫酸中去膠，去離子水沖洗后，烘干。

(c)進入LPCVD爐中生長摻磷的低溫氧化硅(PSG)。第二次光刻定義PSG的形狀。

(d)將清洗烘干后的硅片進入LPCVD 爐中生長LS SiN。

(e)在LPCVD爐中淀積多晶硅薄膜(Poly)，通過硼擴散或硼離子注入使多晶硅薄膜摻雜，并將硅片在高溫950 ℃～1 200 ℃氮氣保護下，退火40 min。第三次光刻Poly電阻條的形狀，采用干法電感耦合的等離子體刻蝕。

(f)將烘干后的硅片第四次光刻定義腐蝕孔，采用活動離子腐蝕RIE刻蝕LS SiN，再在40%HF 犧牲層腐蝕。

(g)進入LPCVD爐中生長由四乙氧基硅烷(Si(OC2H5)4)為硅源分解的氧化硅(TEOS)封住腐蝕孔。第五次光刻定義TEOS栓。

(h)烘干后的片子進入LPCVD爐中，生長LS SiN絕緣層。第六次光刻定義接觸孔，用RIE刻 LS SiN。

(i)濺射鋁Al薄膜，第七次光刻Al，在Al腐蝕液中腐蝕Al，烘干。在合金爐中高溫450 ℃，氮氣保護下合金。

最后劃片，貼片和檢測。劃片后的芯片照片如圖3所示。

(a)60 kPa

(b)200 kPa

(c)450 kPa

(d)700 kPa

3　測試

對封裝后的絕對壓力傳感器硅芯片長期輸出穩(wěn)定性進行測試。試驗設(shè)備為GE DP1 104數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)壓力表，精度為0.05%FS，具有5位數(shù)字分辨率；數(shù)字萬用表為ESCORT 3146A型；直流穩(wěn)壓電源型號JC2733；烘箱等。以60 kPa設(shè)計量程的壓力傳感器為例，測試了該壓力傳感器九個月內(nèi)在周圍環(huán)境下及16 kPa和65 kPa兩組外加壓力下的輸出電壓，測試結(jié)果如圖4所示，圖中結(jié)果顯示輸出電壓值是上下隨機波動，沒有朝著一個方向漂移，表明密封的真空參考壓力腔沒有泄漏，因此穩(wěn)定性得到了保證。

圖4　壓力傳感器長期穩(wěn)定性

4　結(jié)束語

設(shè)計了表面微機械加工的高長寬比矩形薄膜壓力傳感器芯片，采用由低應(yīng)力氮化硅(LS SiN)薄膜作為芯片的核心結(jié)構(gòu)層，多晶硅薄膜淀積在LS SiN 薄膜上，經(jīng)干法腐蝕形成力敏電阻條。4類不同壓力量程的壓力傳感器芯片經(jīng)制備、封裝后，以量程60 kPa壓力傳感器為例，測量其長期穩(wěn)定性，試驗結(jié)果表明，隨著時間的推移和溫度的變化，壓力傳感器輸出結(jié)果變化不大，具有較強的抗干擾能力。該壓力傳感器工作穩(wěn)定，準(zhǔn)確性好，可以用于汽車輪胎壓力監(jiān)控(TPMS)和電腦硬盤保護等領(lǐng)域，具有很高的實用價值和應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]LI X，LIU Q，PANG S X，et al．High-temperature piezoresistive pressure sensor based on implantation of oxygen into silicon wafer．Sensors and Actuators A：Physical，2012，179：277-282．

[2]WEI C Z，ZHOU W，WANG Q，et al．TPMS (tire-pressure monitoring system) sensors：Monolithic integration of surface-micromachined piezoresistive pressure sensor and self-testable accelerometer．Microelectronic Engineering，2012，91：167-173．

[3]JACQ C，MAEDER T，HAEMMERLE E，et al．Ultra-low pressure sensor for neonatal resuscitator．Sensors and Actuators A：Physical，2011，172(1)：135-139．

[4]TUFTE N，CHAPMAN P W，LONG D．Silicon diffused-element piezoresistive diaphragms．Journal of Applied Physics，1962，33(11)：3322-3327．

[5]KANNDA Y．A graphical representation of the piezoresistance coefficients in silicon．IEEE Transactions on Electron Devices，1982，29(1)：64-70．

[6]KOVACS G T A，MALUF N I，PETERSEN K E．Bulk micromachining of silicon．Proceedings of the IEEE，1998，86(8)：1536-1551．

[7]GUCKEL H．Surface micromachined pressure transduers．Sensors and Actuators A：Physical，1991，28(2)：133-146．

[8]LISEC T，KREUTZER M，WAGNER B．Surface micromachined piezoresistive pressure sensors with step-type bent and flat membrane structure．IEEE Transactions on Electron Devices，1996，43(9)：1547-1552．

[9]HOWE R T．Surface micromachining for microsensors and microactuators．Journal of Vacuum Science & Technology B，1988，6(6)：1809-1813．

[10]BAO M H．Micro mechanical transducers-pressure sensors，accelerometers and gyroscopes．Elsevier：Amsterdam，the Neitherlands，2000：265-267．

[11]BAO M H．Analysis and design principles of MEMS devices．Elsevier：Amsterdam，the Neitherlands 2005：247-304．