張 瑞，梁 庭，劉雨濤，王心心,王濤龍，熊繼軍

(1．中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051；2．中北大學(xué)，電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

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大量程SOI壓阻式壓力傳感器設(shè)計(jì)

張 瑞1,2，梁 庭1,2，劉雨濤1,2，王心心1,2,王濤龍1,2，熊繼軍1,2

(1．中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051；2．中北大學(xué)，電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

文中設(shè)計(jì)了一種淺凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的SOI壓阻式壓力傳感器。這種膜片結(jié)構(gòu)解決了由于壓力量程擴(kuò)展導(dǎo)致傳感器的靈敏度和線性度無(wú)法同時(shí)滿足使用要求的問(wèn)題?？紤]電阻的設(shè)計(jì)約束以及淺凸臺(tái)制作過(guò)程中的光刻和刻蝕偏差，采用U型電阻保持高靈敏度和線性度。利用ANSYS軟件模擬了膜片結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，驗(yàn)證了理論分析的正確性；仿真優(yōu)化了電阻的形狀和位置，預(yù)估了傳感器的性能。介紹了敏感單元的加工工藝。設(shè)計(jì)的傳感器靈敏度為93．4 μV/(V·kPa )，非線性誤差小于0．22%，可實(shí)現(xiàn)對(duì)量程高達(dá)10 MPa壓力的測(cè)量。

SOI壓阻式壓力傳感器；有限元分析(FEA)；淺凸臺(tái)結(jié)構(gòu)

0 引言

在石油化工、自動(dòng)化等高溫領(lǐng)域，壓力測(cè)試的量程不斷擴(kuò)展[1]。SOI(絕緣體上硅)材料在高溫環(huán)境下的電學(xué)和力學(xué)性能優(yōu)異，很適合用來(lái)制造耐高溫器件[2]。MEMS壓阻式傳感器加工工藝簡(jiǎn)單，信號(hào)轉(zhuǎn)換易實(shí)現(xiàn)，線性度好[3]。因此，研制大量程SOI壓阻式壓力傳感器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)傳統(tǒng)的平膜壓力傳感器來(lái)說(shuō)，當(dāng)測(cè)量范圍增大后，靈敏度將會(huì)受到很大影響。為了測(cè)量較高的壓力，力敏膜片厚度應(yīng)當(dāng)適量增加使其工作在線性范圍內(nèi)；當(dāng)被測(cè)壓力變低時(shí)，傳感器的靈敏度會(huì)顯著下降。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要改進(jìn)傳感器的膜片結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的大量程壓力傳感器的測(cè)量范圍為0～10 MPa，采用了E型淺凸臺(tái)的膜片結(jié)構(gòu)和U型電阻使傳感器同時(shí)保持較高的靈敏度和線性度，并具有一定的抗過(guò)載能力。

1 傳感器靈敏度理論分析

傳感器的靈敏度表達(dá)式為

(1)

式中：Uin為滿量程輸入；PM為施加在芯片表面的最大壓力；U(PM)為相應(yīng)的輸出信號(hào)，U(PM)越大，傳感器的靈敏度越高。

SOI壓阻式壓力傳感器利用壓敏電阻的壓阻效應(yīng)測(cè)量力敏膜片的應(yīng)力變化。電阻連接形成惠斯登電橋，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。圖1為惠斯登電橋連接示意圖。

圖1 惠斯登電橋連接示意圖

當(dāng)沒(méi)有壓力作用在傳感器芯片上時(shí),R1=R3=R2=R4=R，輸出電壓Uout=0。當(dāng)壓力作用于芯片表面時(shí)有ΔR1=ΔR4≈ΔR，ΔR2=ΔR3≈-ΔR。由此得電橋的輸出電壓為

(2)

電阻的變化率可以表示為

(3)

式中：πl(wèi)為縱向壓阻系數(shù)；πt為橫向壓阻系數(shù)；σl和σt分別為縱向應(yīng)力(方向沿圖2中的Y軸方向)和橫向應(yīng)力(方向沿圖2中的X軸方向)。

為了獲得高靈敏度，壓敏電阻的材料應(yīng)該選用P型硅，并將電阻沿(100)晶面的<110>晶向進(jìn)行排布。此時(shí)，πl(wèi)和πt可以簡(jiǎn)化為

(4)

(5)

將式(3)～式(5)代入式(2)可以得到電橋輸出電壓的最終表達(dá)式為

(6)

由式(6)可知，Uout正比于縱、橫向應(yīng)力的差值(σl-σt)。因此傳感器靈敏度的高低取決于(σl-σt)的大小。

2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

根據(jù)靈敏度理論分析結(jié)果，利用有限元(FEA)分析，介紹了設(shè)計(jì)膜片結(jié)構(gòu)和壓敏電阻過(guò)程，以滿足性能要求和工藝限制。

2．1 膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于相同載荷情況下方膜的最大應(yīng)力大于圓膜，并且易于加工生產(chǎn)[4]，因此膜片形狀為方形。根據(jù)應(yīng)力集中效應(yīng)，在平膜上增加凸臺(tái)可以提高縱、橫向應(yīng)力差值，還可以提高芯片線性度，很適合測(cè)量大的壓力變化。圖2為傳感器芯片結(jié)構(gòu)示意圖。傳感器的整體尺寸為2 000 μm×2 000 μm×300 μm(l0·l0·H)。力敏膜片的邊長(zhǎng)l1為1 000 μm，厚度為30 μm。當(dāng)l2/l1=0．5時(shí)，膜片應(yīng)力分布的對(duì)稱性好。所以相應(yīng)的方形凸臺(tái)的邊長(zhǎng)(l2)為500 μm。

圖2 四周固支的中心帶方形淺凸臺(tái)芯片結(jié)構(gòu)

2．2 膜片結(jié)構(gòu)仿真

選用有限元分析軟件ANSY14．5對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)建立有限元分析模型，然后對(duì)其進(jìn)行靜力分析得到結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，從而驗(yàn)證理論分析和設(shè)計(jì)的正確性。

為了簡(jiǎn)化和提升仿真速度，可以將SOI材料簡(jiǎn)化為硅材料?？紤]到作用壓力增大時(shí)力敏膜片有可能出現(xiàn)非線性形變，所以在仿真時(shí)啟用了ANSYS的大形變分析。圖3為不同膜片結(jié)構(gòu)的中心形變隨工作壓力變化的關(guān)系圖。觀察該圖可知，在0～10 MPa的壓力范圍內(nèi)平膜為非線性形變，而增加了凸臺(tái)的膜片結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出很好的線性。

圖3 不同膜片結(jié)構(gòu)的中心形變隨工作壓力變化關(guān)系圖

凸臺(tái)厚度也會(huì)影響傳感器的靈敏度和抗過(guò)載能力。凸臺(tái)的厚度越小，傳感器的靈敏度越高。更重要的是，過(guò)厚的凸臺(tái)受加速度的影響較大，相當(dāng)于加速度計(jì)的質(zhì)量塊，最終會(huì)影響傳感器性能的穩(wěn)定[5]。為了降低測(cè)試的難度和復(fù)雜性，凸臺(tái)厚度也應(yīng)該盡可能小。圖3的結(jié)果表明，凸臺(tái)厚度僅為50 μm時(shí)，在20 MPa的壓力范圍內(nèi)膜片形變?nèi)允蔷€性的，所以選擇凸臺(tái)厚度為50 μm。當(dāng)作用壓力為10 MPa時(shí)，膜片的中心形變?yōu)?1．486 3 μm，最大Von Mises應(yīng)力約為2 530 MPa，如圖4所示。此應(yīng)力值小于硅的斷裂應(yīng)力(7 000 MPa)。因此，淺凸臺(tái)膜片結(jié)構(gòu)能夠用于大量程范圍內(nèi)的壓力測(cè)量。

圖4 膜片的Von Mises應(yīng)力分布圖

圖5的分析路徑為(0,1 000,300)→(2 000,1 000,300)，可以看出淺凸臺(tái)結(jié)構(gòu)使膜片的縱、橫向應(yīng)力差值得到了顯著提高，應(yīng)力呈現(xiàn)很好的對(duì)稱性，與理論分析結(jié)果吻合。(σl-σt)的最大值分別位于x1=520，x2=736，x3=1 264和x4=1 480處。表1列出了在這4個(gè)位置的應(yīng)力差值仿真計(jì)算結(jié)果，拉應(yīng)力集中在x1=520和x4=1 480處，壓應(yīng)力集中在x2=736和x3=1 480處。4個(gè)壓敏電阻應(yīng)分別布置在這4個(gè)區(qū)域以提高傳感器的靈敏度，如圖2所示。

圖5 縱、橫向應(yīng)力路徑分析曲線

坐標(biāo)/μmσl-σt/MPa坐標(biāo)/μmσl-σt/MPax1=520152．04x3=1264-115．87x2=736-115．31x4=1480152．41

2．3 壓敏電阻設(shè)計(jì)

高應(yīng)力差值區(qū)域窄而集中，為了獲得高靈敏度電阻的寬度應(yīng)盡量小。結(jié)合功耗、阻值大小、尺寸等限制因素，每個(gè)電阻的阻值定為2．5 kΩ，長(zhǎng)度為250 μm，寬度10 μm，方塊電阻Rs=100 Ω/□。

圖6和圖7的分析路徑分別為(520，0,300)→(520,2 000,300)和(736,0,300)→(736,2 000,300)，對(duì)應(yīng)的分別是拉應(yīng)力電阻和壓應(yīng)力電阻所在位置。

圖6 拉應(yīng)力電阻所在位置路徑分析曲線

可以看出兩類電阻都已經(jīng)延伸至低應(yīng)力差值區(qū)域，這不僅會(huì)增加傳感器的非線性，而且會(huì)降低靈敏度。為此，采用U型電阻來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，如圖2所示。另一方面，由于膜片背面結(jié)構(gòu)光刻時(shí)的對(duì)準(zhǔn)誤差和刻蝕工藝的陡直度偏差，膜片和凸臺(tái)邊界的偏移是不可避免的。在σl-σt差值最大的區(qū)域應(yīng)力非線性地迅速變化，邊界的偏移會(huì)嚴(yán)重影響電阻的受力情況。采用U型電阻可以補(bǔ)償這種影響。每個(gè)電阻以相應(yīng)的X軸為對(duì)稱中心放置，用金屬連接。金屬長(zhǎng)度是由光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)的最大偏差(±2 μm)和刻蝕機(jī)的陡直度偏差(±2°)共同決定的。表2為平膜和淺凸臺(tái)膜片的靈敏度和非線性誤差的對(duì)比結(jié)果。雖然和30 μm厚的平膜相比，淺凸臺(tái)膜片的靈敏度下降了19．5%,但非線性誤差同時(shí)也降低了99.3%,量程增大了5倍。所以犧牲一小部分靈敏度來(lái)增大測(cè)試范圍是值得的，傳感器的設(shè)計(jì)是合理的。

圖7 壓應(yīng)力電阻所在位置路徑分析曲線

膜片結(jié)構(gòu)厚度/μm靈敏度/(μV·V-1·kPa-1)非線性誤差/%FS平膜3011631118凸臺(tái)50934022

3 工藝流程

圖8為大量程SOI壓力傳感器的工藝流程。

首先，將SOI片減薄到300 μm厚；接著對(duì)器件層的N型硅進(jìn)行擴(kuò)散摻雜；然后通過(guò)干法刻蝕得到壓敏電阻。再淀積一層SiO2作為絕緣層。接下來(lái)是連接電阻和形成電極?？涛g電極孔并進(jìn)行重?fù)诫s形成歐姆接觸區(qū)域；濺射Ti-Pt-Au并經(jīng)過(guò)剝離和退火形成電極和焊盤。最后背面ICP刻蝕兩次形成淺凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于SOI片的大量程壓阻式壓力傳感器，該傳感器具有較高的靈敏度和優(yōu)異的線性度，可以滿足高溫環(huán)境下高達(dá)10 MPa壓力的測(cè)試需求。與其他的大量程壓力傳感器相比，本文所設(shè)計(jì)的傳感器制備簡(jiǎn)單，便于批量化生產(chǎn)。后續(xù)將進(jìn)行關(guān)鍵工藝驗(yàn)證、傳感器的制備與測(cè)試。

[1] NIU Z，ZHAO Y L，TIAN B．Design optimization of high pressure and high temperature piezoresistive pressure sensor for high sensitivity．Review of Scientific Instruments,2014,85:1-8．

[2] ZHAO Y L,ZHAO L B,JIANG Z D.A novel high temperature pressure sensor on the basis of SOI layers．Sensors and Actuators A,2003,108:108-111．

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[4] YOZO,YASUKAWA A．Optimum design considerations for silicon piezoresistive pressure sensors．Sensors and Actuators A,1997,62:539-542．

[5] HUANG X,ZHANG D C．A high sensitivity and high linearity pressure sensor based on a peninsula-structured diaphragm for low-pressure ranges．Sensors and Actuators A,2014,216:176-189．

Design of Piezoresistive SOI Pressure Sensor for Wide Measurement Range

ZHANG Rui1,2,LIANG Ting1,2,LIU Yu-tao1,2,WANG Xin-xin1,2,WANG Tao-long1,2,XIONG Ji-jun1,2

(1．Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement(North University of China),Ministry of Education, Taiyuan 030051,China;2．Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory, North University of China,Taiyuan 030051,China)

A piezoresistive SOI pressure sensor with a shallow-boss configuration was designed．This sensor solved the contradiction between sensitivity and linearity for measurement range extension．U-shaped piezoresistors were adopted by taking design restraints,photolithography and etching deviation for shallow-boss structure fabrication into account．In order to verify the theoretical analysis,ANSYS software was conducted to simulate the mechanical properties of diaphragm structure．Simulation results also were used to optimize location and geometry of piezoresistors and evaluate the performance of the sensor．Process flow was presented．The sensitivity of the device is 93．4 μV/ (V·kPa ) and the nonlinearity error is less than 0．22%．The device can realize pressure measurement within the range of 10 MPa．

piezoresistive SOI pressure sensor;finite element analysis (FEA)；shallow boss structure

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51425505)； 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405454)

2015-04-02 收修改稿日期：2015-05-03

TP212

A

1002-1841(2015)07-0021-03

張瑞(1990—)，在讀碩士研究生，主要研究高溫壓力傳感器。 E-mail:15135088678@163．com 梁庭(1979—)，副教授，博士，主要從事MEMS傳感器及工藝研究。E-mail：liangting nu@163．com