李 闖,趙立波,王尊敬,徐留根,張 磊,涂孝軍

(1.蘇州長風(fēng)航空電子有限公司,傳感器事業(yè)部,蘇州 215151; 2.西安交通大學(xué),機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

近年來,微壓傳感器因其具有體積小,重量輕,靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于風(fēng)洞測試、飛行器高度檢測和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-2]。例如,在監(jiān)測飛行器高度過程中,壓力與高度成線性變化關(guān)系,通過測量飛行器所在環(huán)境的壓力便可以反映出飛行器高度的變化。在此過程中,大氣壓力將從數(shù)百千帕變化到幾百帕,這就需要傳感器具有很高的靈敏度和線性度來反映微小壓力的變化,進(jìn)而提供準(zhǔn)確的高度變化[3]。

壓力傳感器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為芯片可動(dòng)膜片,在相同的壓力下,膜片局部應(yīng)力集中程度越高,壓敏電阻感受到的拉壓應(yīng)力越多,傳感器的靈敏度指標(biāo)就越高[4]。同時(shí),為避免傳感器非線性誤差隨著靈敏度的增加而增加,需要同時(shí)降低敏感膜片中心的應(yīng)變,這就需要增加膜片局部位置的剛性,限制膜片中心處的位移過大[5]。因此,如何解決靈敏度與線性度的固有矛盾,設(shè)計(jì)出高靈敏度、高線性度的傳感器,是保證傳感器微小可靠、精確測量的關(guān)鍵。

在微壓芯片設(shè)計(jì)方面,近年來國內(nèi)外均研制了多種結(jié)構(gòu)的可動(dòng)膜片以提高其靈敏度和線性度。西安交通大學(xué)蔣莊德課題組先后設(shè)計(jì)了CBM[6]、BMMI[7]、BMDI[8]、BMQI[9]等梁膜一體化結(jié)構(gòu),有效提高了壓力芯片的輸出電壓和線性度。Park等[10]通過優(yōu)化壓力芯片可動(dòng)膜片的尺寸,目的是大幅提高壓力傳感器的輸出特性。Kumar等[11]通過設(shè)計(jì)的環(huán)形溝槽結(jié)構(gòu)壓力芯片,有效的同步提高了傳感器的輸出靈敏度和精度。

本文介紹了一種新型溝槽梁膜雙重應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)微壓傳感器芯片及其制備方法,傳感器能夠?qū)ξ?0～1 psi)進(jìn)行精確測量,并具有高靈敏度和高線性度的輸出特性,可以滿足飛行器高度、風(fēng)洞測試等高靈敏度高線性度微壓測試的要求。

1 芯片設(shè)計(jì)及仿真

1.1 理論基礎(chǔ)

硅壓阻壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的。該傳感器的核心部分是一塊單晶硅膜片,在硅膜片特定方向上擴(kuò)散四個(gè)等值的半導(dǎo)體電阻,即R1,R2,R3,R4,并連成惠斯通電橋。在初始無壓力作用時(shí),4個(gè)壓敏電阻R1=R2=R3=R4=R,零點(diǎn)輸出電壓的理論值為0。當(dāng)有壓力作用時(shí),可動(dòng)膜片發(fā)生變形,使得4個(gè)電阻的阻值發(fā)生變化,其中R1、R3減小,R2、R4增大,假設(shè)電阻的變化量|ΔR|相等,則輸出電壓可轉(zhuǎn)化為:

式中:πl(wèi)為縱向壓阻系數(shù),πt為橫向壓阻系數(shù),σl為材料的縱向應(yīng)力,σt為材料的橫向應(yīng)力。

為了獲得較高的靈敏度,本文選用P型硅材料沿(100)晶面的<110>晶向排布制作壓阻。此時(shí)壓阻系數(shù)可以表達(dá)為:

(2)

則惠斯通電橋的輸出電壓可表達(dá)為:

由式(4)可知,輸出電壓Uout正比于應(yīng)力變化(σl-σt),則靈敏度S亦正比于應(yīng)力變化(σl-σt)。

非線性誤差體現(xiàn)的是壓力傳感器輸出的線性程度,如圖1所示。其定義為:

式中,PNL為非線性誤差值,ΔUmax為實(shí)際輸出與理論輸出的最大偏差值,Uom為滿量程輸出。

1.2 芯片設(shè)計(jì)

壓力芯片選用N型(100)SOI作為基底材料,芯體感知壓力面均勻分布著四段不連續(xù)90°彎折的溝槽,這里將不連續(xù)處定義為肋板,如圖1(a)所示。芯體感知壓力反面中心處刻蝕出一個(gè)十字梁剛性結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示。

圖1 壓力芯片三維圖

圖2 壓力芯片正視圖和剖視圖

1.3 芯片仿真分析

為了更好的顯示壓力芯體可動(dòng)膜片的結(jié)構(gòu)尺寸,芯片正視圖和剖視圖如圖2所示。其中,L為可動(dòng)膜片邊長,H為可動(dòng)膜片厚度,b為溝槽寬度,g為溝槽深度,a為十字梁寬度,h為十字梁厚度?；谇捌诘脑O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[12-15],芯體的結(jié)構(gòu)尺寸(μm)大致范圍如下:

利用COMSOL Multiphysics?進(jìn)行非線性靜態(tài)分析及模態(tài)分析。由于正方形膜片呈上下左右對稱結(jié)構(gòu),為減少計(jì)算量并提高計(jì)算效率,只需選取二分之一建模并設(shè)置邊界條件,如圖3所示。結(jié)果表明,應(yīng)力集中發(fā)生類兩個(gè)溝槽的不連接處,即肋板處。將壓敏電阻置于此處,可以有效提高傳感器的靈敏度。同時(shí),根據(jù)應(yīng)力分布情況,可動(dòng)膜片90%以上的應(yīng)力均集中在肋板附近,這表明本文模型可以最大限度的集中應(yīng)變能,提高壓敏電阻感受應(yīng)變的效率。在承受1 psi(1 psi=6 895 Pa)載荷作用下,敏感膜片的等效應(yīng)力約為52.5 MPa,約為400個(gè)微應(yīng)變,從而使傳感器具有較高的靈敏度。

圖3 壓力芯片可動(dòng)膜片等效應(yīng)力分析

為提高傳感器的線性輸出的精度,需要參考小變形理論進(jìn)行芯體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì),即膜片中心最大應(yīng)變尺寸需小于膜片厚度的1/10,否則傳感器的線性輸出將變?yōu)榉蔷€性輸出,影響測壓精度[16]?？蓜?dòng)膜片的等效應(yīng)變情況如圖4所示,膜片中心最大應(yīng)變?yōu)?.81 μm,小于膜片自身厚度的1/10,滿足小變形理論形變要求,使得傳感器具有較高的線性度。

1.4 芯片結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

由于壓力傳感器的靈敏度和線性度分別與可動(dòng)膜片的應(yīng)力和應(yīng)變直接相關(guān),本節(jié)將把應(yīng)力和應(yīng)變作為傳感器靈敏度和線性度的主要分析對象。利用仿真分析,結(jié)構(gòu)尺寸可變參數(shù)均和膜片應(yīng)力應(yīng)變成線性變化關(guān)系,如圖5所示。因此,通過仿真分析,可以得到可動(dòng)膜片尺寸參數(shù)對于等效應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律。

圖4 壓力芯片可動(dòng)膜片等效應(yīng)變分析

圖5 芯片尺寸變量對于等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的影響

通過綜合分析各尺寸變量對于等效應(yīng)力及應(yīng)變的影響,可動(dòng)膜片主要尺寸膜片邊長與膜厚對于等效應(yīng)力和應(yīng)變的影響規(guī)律一致,即膜片等效應(yīng)力、應(yīng)變均隨著膜片邊長與膜厚尺寸的增加而增加,這說明膜片邊長與膜厚對于傳感器靈敏度和線性度的影響規(guī)律相反,為充分平衡傳感器靈敏度和線性度間的矛盾,最終確定可動(dòng)膜片的尺寸如表1所示。

表1 可動(dòng)膜片優(yōu)化后的尺寸

2 芯片制備及封裝

壓力芯片的制備方法包括如下步驟:選用SOI硅片作為芯體材料,使用4H2SO4∶1H2O2清洗硅片表面后,將其置于1 000 ℃高溫爐中,時(shí)間為30 min,形成(300±20)nm SiO2絕緣層。通過離子注入工藝,制備P型壓敏電阻條,離子注入濃度為4.86×1014atoms/cm,離子注入能量為70 keV,經(jīng)1 000 ℃、30 min退火后,壓敏電阻方阻阻值為(210±10)Ω/Sq。利用低壓力化學(xué)氣相沉積工藝,在硅片正反面沉積(200±20)nm Si3N4保護(hù)層。制備惠斯通電橋,需要在硅片正面測控濺射Cr-Au層,之后通過光刻工藝制備金屬導(dǎo)線并同時(shí)制備焊盤,Cr層厚度為50 nm,Au層厚度為200 nm。利用正面刻蝕版,對上層單晶硅進(jìn)行光刻,之后采用反應(yīng)離子刻蝕RIE制備溝槽圖形,刻蝕速率為1.8 μm/min,刻蝕時(shí)間為5 min。硅片背面采用深硅刻蝕DRIE工藝,為保證十字梁結(jié)構(gòu)的尺寸精度,刻蝕步驟分為兩步:第一步,利用第一張掩膜版刻蝕十字梁圖形,刻蝕深度為35 μm;第二步,利用另一張掩膜版,深刻蝕敏感膜片應(yīng)變腔體,刻蝕深度為300 μm。最后,利用真空鍵合工藝,將硅片基底與BF33玻璃進(jìn)行真空鍵合,形成密封真空腔體。最終制備的壓力芯體實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 壓力芯片實(shí)物圖

壓力芯片在封裝結(jié)構(gòu)上采用薄膜隔離充油封裝工藝,在油腔與波紋片所形成的密閉容腔里面填充高溫硅油,利用硅油的不可壓縮性能與膜片良好的線性位移特性,外界壓力直接作用于波紋膜片,并通過膜片傳遞到硅油,最后由硅油將壓力傳遞給芯片。通過采用這一隔離式結(jié)構(gòu),可避免被測介質(zhì)與敏感元件的直接接觸,在提高傳感器的穩(wěn)定性的同時(shí)提升其適應(yīng)能力。為了測試壓力傳感器的輸出性能,需要將壓力芯體組件裝配到傳感器中。傳感器主要由壓力芯體、管接頭、外殼、后蓋及插座組成。壓力傳感器的裝配實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 壓力傳感器裝配實(shí)物圖

3 測試結(jié)果與分析

傳感器裝配結(jié)束后,需測試傳感器的靜態(tài)性能,主要包括橋臂電阻、零點(diǎn)輸出、滿量程輸出、靈敏度、非線性誤差、重復(fù)度、遲滯、綜合精度及傳感器重量,測試結(jié)果如表2所示。

表2 壓力傳感器靜態(tài)性能

測試結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的微壓傳感器具有較高的靈敏度和線性度,實(shí)現(xiàn)了靈敏度和線性度的同步提高,解決了傳統(tǒng)壓力芯片靈敏度與線性度之間的固有矛盾,滿足了飛行器高度等高靈敏度和高線性度微壓測試的需求。

圖8 壓力芯片截面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

本文所設(shè)計(jì)的芯片結(jié)構(gòu)之所以會獲得高靈敏度線性輸出,源于其可動(dòng)膜片的特殊結(jié)構(gòu)。圖8(a)所示為在無加載狀態(tài)時(shí),壓力芯體的截面結(jié)構(gòu)圖。假設(shè)芯體只有溝槽結(jié)構(gòu),當(dāng)壓力作用在敏感膜片時(shí),由于肋板上方左右結(jié)構(gòu)厚度不一致,導(dǎo)致剛度不同,因此在肋板上下產(chǎn)生兩個(gè)作用力,即f1和f2,肋板處發(fā)生第一次應(yīng)力集中,如圖8(b)所示。假設(shè)芯體只有十字梁結(jié)構(gòu),肋板下方同樣出現(xiàn)剛度不一致,在肋板上下仍然產(chǎn)生兩個(gè)作用力,即f3和f4,肋板處發(fā)生第二次應(yīng)力集中,如圖8(c)所示。正是由于敏感膜片的特殊結(jié)構(gòu),使得肋板處發(fā)生兩次應(yīng)力集中過程,通過應(yīng)力疊加,從而增大了壓敏電阻的應(yīng)力變化量,有利于傳感器靈敏度的提高。此外,敏感膜片背面十字梁增大了可動(dòng)膜片局部剛度,降低了敏感膜片中心的位移,明顯改善了傳感器的線性度。通過正面溝槽結(jié)合背面十字梁雙重應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),傳感器的靈敏度和線性度實(shí)現(xiàn)了同步提高,保證了傳感器的精確測量。

4 結(jié)論

本文采用曲線擬合優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸并結(jié)合MEMS加工工藝制作出了具有高靈敏度和高線性度特點(diǎn)的壓力傳感器。其芯片為溝槽梁膜雙重應(yīng)力集中結(jié)構(gòu),在提升應(yīng)力集中效果的同時(shí),降低了可動(dòng)膜片中心應(yīng)變,改善了壓力傳感器靈敏度與線性度之間的內(nèi)在矛盾。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到傳感器的靈敏度為30.9 mV/V/psi,非線性誤差為0.25%FS,綜合精度為0.34%FS,滿足飛行器高度、風(fēng)洞測試等高靈敏度和高線性度微壓測試的需求。