郭玉剛， 饒 浩， 陶茂軍， 田 雷， 吳佐飛

(1.中國航空發(fā)動機集團控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214063；2.中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域如航空航天、國防建設(shè)、能源開發(fā)等，需要傳感器工作在120 ℃以上的環(huán)境中，使得高溫壓力傳感器的需求與日俱增,其中，絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)單晶硅高溫壓力傳感器憑借其特有的優(yōu)勢受到了市場的青睞[1～3]。如以美國Kulite公司的XTEH—10L—190(M)系列產(chǎn)品為代表的超高溫壓力傳感器，通過無引線封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其最高工作溫度達到600 ℃以上[4,5]。國內(nèi)的研究機構(gòu)也進行相關(guān)產(chǎn)品的研究，中國電子科技集團公司第四十九研究所的SOI壓力傳感器已經(jīng)產(chǎn)品化[6]，采用無引線技術(shù)的SOI壓力傳感器樣機最高工作溫度已經(jīng)達到了450 ℃[7]。西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、中北大學(xué)等高校也進行相關(guān)的研究，目前仍處于原理樣機階段，長期穩(wěn)定性等重要參數(shù)較Kulite產(chǎn)品仍有較大差距[8]。為深入了解SOI壓力傳感器在發(fā)動機高溫工作條件下的可靠性、長期穩(wěn)定性等關(guān)鍵特性，本文研制了一種0～2 MPa壓力量程的SOI高溫壓力傳感器芯片，為后續(xù)SOI壓力傳感器長期在-55～150 ℃工作溫度下的性能研究打下基礎(chǔ)。

1 芯片設(shè)計

1.1 工作原理

壓阻式壓力傳感器通常采用惠斯通電橋的全橋電路形式，4個橋臂電阻器應(yīng)盡可能滿足:1)等平均應(yīng)力(絕對值)并最大限度利用應(yīng)力；2)等壓阻系數(shù)；3)等電阻值；4)等溫度系數(shù)和等靈敏度系數(shù)[9，10]。其等效電路如圖1。

圖1 惠斯通電橋電路

電橋輸出公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

當(dāng)被測壓強作用在敏感膜表面時，在敏感電阻器上產(chǎn)生與被測壓強呈近似線性關(guān)系的應(yīng)力，引起敏感電阻值的變化，在一定電源激勵下從惠斯通電橋輸出端可以獲得反應(yīng)被測壓強大小的電壓信號。

1.2 芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文采用上述常規(guī)設(shè)計方案，選用了厚度為525 μm的(100)晶向單晶硅襯底SOI材料片，芯片設(shè)計量程為絕壓0～2 MPa，方形敏感膜尺寸為1 000 μm×1 000 μm，芯片整體尺寸為2.5 mm×2.5 mm。對不同敏感膜厚度條件下的芯片結(jié)構(gòu)進行有限元仿真，確定最終滿足應(yīng)用要求的敏感膜厚度為65μm。根據(jù)芯片結(jié)構(gòu)尺寸建立有限元模型，定義單晶硅各向異性材料參數(shù)[11]，選用高階三維20節(jié)點實體結(jié)構(gòu)單元Solid186以及映射網(wǎng)格劃分方式，并進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，建模及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 SOI高溫壓力傳感器芯片有限元模型

在敏感膜上施加2 MPa壓力載荷后可以得到敏感膜上應(yīng)力分布的云圖，從而確定敏感電阻的位置以及其所承受的平均應(yīng)力，仿真結(jié)果圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果中可以看出，在方形敏感膜的邊沿中心處具有最大應(yīng)力值，敏感電阻器處于該位置可以獲得最高輸出靈敏度以及最小非線性。

1.3 芯片版圖設(shè)計

根據(jù)芯片關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸定義以及有限元仿真結(jié)果，將敏感電阻器分布在敏感膜邊緣中心應(yīng)力集中區(qū)域，并充分利用敏感膜邊緣外側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)以提高芯片靈敏度，最終形成芯片整體版圖如圖4所示。

圖4 SOI高溫壓力傳感器芯片版圖

版圖分為4個層次，分別為敏感電阻層、引線孔層、金屬層以及硅杯窗口層，其中關(guān)鍵層次為敏感電阻層。為充分利用應(yīng)力集中區(qū)，敏感電阻器采用蛇形排列結(jié)構(gòu)，電阻條寬設(shè)計值為5 μm，敏感電阻器設(shè)計方案如圖5所示。

圖5 敏感電阻器結(jié)構(gòu)

2 芯片制備

本文設(shè)計的SOI高溫壓力傳感器芯片由中國電子科技集團公司第四十九研究所協(xié)助加工，采用其自主開發(fā)的工藝條件[6]，具體工藝實現(xiàn)步驟如下所述:

1)將SOI材料片清洗后進行薄層氧化，厚度50 nm，作為離子注入的緩沖層；

2)對SOI材料片器件層(正面)進行濃硼離子注入，注入能量80 keV，采用高摻雜注入條件，使表面濃度達到2×1020cm-3，可以保證器件在更高的溫度下工作，且使芯片在恒流源供電模式下工作時可以進行溫度自補償；

3)將器件層進行第一次光刻后，采用反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)干法刻蝕工藝對器件層進行刻蝕加工，形成壓力敏感電阻器圖形；

4)將圓片進行第二次氧化，在敏感電阻表面形成厚度200～250 nm二氧化硅絕緣層的同時，利用氧化工藝1 050 ℃的高溫條件對注入的濃硼雜質(zhì)進行退火；

5)采用低壓化學(xué)氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)工藝在圓片的正反表面淀積形成厚度為100～150 nm的氮化硅薄膜，器件層(正面)上的氮化硅用于補償二氧化硅的壓應(yīng)力，背面的氮化硅則用于濕法腐蝕的掩蔽層；

6)對圓片進行第二次光刻，將敏感電阻器上特定區(qū)域的氮化硅以及二氧化硅刻蝕去除，形成金屬引線孔；

7)在圓片正面蒸發(fā)厚度1.2 μm的金屬鋁，金屬通過絕緣介質(zhì)層(氮化硅、二氧化硅)上的引線孔與敏感電阻器連接，再進行第三次光刻(金屬層光刻)及刻蝕后形成金屬電極及互聯(lián)引線,最后在真空條件下進行合金，使金屬鋁與敏感電阻器之間形成良好的歐姆接觸，合金溫度為480 ℃，時間為30 min；

8)使用雙面光刻機對圓片背面的氮化硅進行光刻，并用濕法腐蝕工藝去除特定區(qū)域的氮化硅和氧化硅，暴露出待腐蝕的單晶硅區(qū)域；

9)將圓片的正面進行保護，背面采用氮化硅及二氧化硅介質(zhì)層進行掩蔽，置于溫度恒定在78～82 ℃之間、濃度35 %的氫氧化鉀溶液中對暴露的單晶硅區(qū)域進行腐蝕，通過控制腐蝕的時間，得到期望的硅杯結(jié)構(gòu)以及65 μm厚的敏感膜；

10)腐蝕完成后，去除圓片背面的氮化硅及二氧化硅，將圓片與500 μm厚的Pyrex7740玻璃進行陽極鍵合；

11)將陽極鍵合后的圓片進行切割、分片，最終進行封裝與測試，完成芯片研制。

最終得到的SOI高溫壓力傳感器芯片如圖6所示。

圖6 SOI高溫壓力傳感器芯片照片

3 封裝及測試

選用可伐合金材質(zhì)的充油芯體外殼進行SOI高溫壓力傳感器芯片的封裝，為盡量減小由封裝引入的應(yīng)力，粘片膠水采用邵氏硬度小于50的硅膠并嚴格控制點膠量，芯片與外殼之間采用線徑1.2 mil(1 mil=0.025 4 mm)的金線互聯(lián)。同樣為排除封裝的影響，未進行波紋膜片的焊接以及硅油充注的工藝，封裝后的樣件如圖7所示。

圖7 SOI高溫壓力傳感器樣件

SOI高溫壓力傳感器芯片封裝后的樣件通過工裝夾具與壓力控制器連接，傳感器連同工裝夾具一同置于高低溫烘箱內(nèi)，當(dāng)烘箱內(nèi)設(shè)定的溫度穩(wěn)定后即可對樣件施加特定的壓力值，記錄傳感器輸出端的電壓信號值。采用1 mA恒流源供電測試:

1)在恒溫25 ℃條件下，對樣件及測試系統(tǒng)進行預(yù)壓和氣密性檢查后，進行3次0～2 MPa正反行程壓力循環(huán)標定測試，確定樣件的基本性能參數(shù)，包括零點輸出、滿量程輸出、非線性、遲滯、重復(fù)性以及輸入輸出阻抗；

2)按照25 ℃→-55 ℃→25 ℃→150 ℃→25 ℃的順序依次進行測試，每個測試點溫度恒定后保溫2 h，確保樣件受熱均勻后在進行數(shù)據(jù)采集；

3)在恒溫150 ℃條件下，采集SOI高溫壓力傳感器30 kPa壓力條件下的信號輸出，每間隔1 h進行1次數(shù)據(jù)采集，共進行了6 h測試，期間傳感器保持上電工作狀態(tài)，測試其在高溫條件下的短時穩(wěn)定性。

SOI高溫壓力傳感器測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 SOI高溫壓力傳感器溫度特性測試數(shù)據(jù)

表2 150 ℃ 下短時穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

SOI高溫壓力傳感器測試結(jié)果為:在1 mA恒流激勵下，傳感器在25℃時零點輸出為-2.54 mV，2 MPa壓力載荷下的滿量程輸出為103.62 mV，壓力遲滯及重復(fù)性均小于0.05 %FS，非線性小于0.15 %FS，輸入輸出阻抗均為4.4 kΩ；在-55～150 ℃溫度范圍內(nèi)，零點溫漂小于20 μV/℃，靈敏度溫漂由于恒流源下溫度自補償?shù)淖饔枚∮?.02 %FS/℃，零點溫度遲滯小于0.1 %FS；150 ℃溫度下6 h內(nèi)零點漂移小于0.05 mV。

4 結(jié) 論

本文研制的SOI高溫壓力傳感器芯片具有較好的常溫靜態(tài)特性，在高溫條件下也具有良好的工作特性及穩(wěn)定性；實際測試數(shù)據(jù)與設(shè)計值吻合，驗證了設(shè)計方案的合理性。后續(xù)將針對本文設(shè)計的SOI高溫壓力傳感器進行可靠性分析以及150℃條件下的長期穩(wěn)定性測試。