李 闖，趙立波，王尊敬，張 磊，殷 振

(1.蘇州長風航空電子有限公司傳感器事業(yè)部，江蘇蘇州 215151；2.西安交通大學機械學院，陜西西安 710049；3.蘇州科技大學機械工程學院，江蘇蘇州 215009)

0 引言

在航空發(fā)動機測試領域，壓力傳感器主要安裝在發(fā)動機附件機匣、燃滑油管路、控制器及泵調節(jié)器上，用于發(fā)動機各截面、燃滑油、液壓系統(tǒng)等環(huán)境下的壓力測量，通過監(jiān)測發(fā)動機主要部件的壓力參數(shù)及其變化，將信號輸送給控制系統(tǒng)，進而實現(xiàn)對發(fā)動機的健康評估、故障預測和診斷[1]。然而，隨著大涵道比、大推力航空發(fā)動機研制任務的開展，對于400 ℃環(huán)境下的高溫壓力傳感器探頭提出了實際的需求，因此單晶硅的PN結隔離、薄膜隔離充油封裝等傳統(tǒng)工藝已無法滿足目前航空發(fā)動機對于高溫使用環(huán)境的要求[2-4]。

對于傳統(tǒng)C型膜壓力芯片而言，傳感器靈敏度低和非線性誤差大是影響傳感器精確測量的2個最主要問題。其原因在于靈敏度正比于芯片的膜厚比，線性度反比于膜厚比的4次方[5]。單純的增加可動膜片的長度或者減少厚度，很難同時提高傳感器的靈敏度和線性度[6]。因此，通過設計E型可動膜片并優(yōu)化其結構對于提高傳感器的靈敏度和線性度具有很大幫助。

為了解決上述問題，本文研制了一種基于SOI的E型膜結構耐高溫壓力芯片，同時為減小傳感器的體積和質量，設計了無引線倒封裝的SOI壓阻式壓力傳感器芯片，避免了金絲鍵合和充油封裝帶來的體積增大問題。無引線倒封裝傳感器在400 ℃下進行性能測試，結果表明該傳感器性能優(yōu)良，可以用于400 ℃以下高溫壓力的測量，同時具有較小的體積和質量。

1 理論基礎

硅壓阻壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應制成的。當傳感器安裝在發(fā)動機上時，其測試端頭應處于密封狀態(tài)。該傳感器的核心部分是壓力芯片的可動膜片，在膜片特定方向上擴散4個等值的半導體電阻，即R1、R2、R3、R4，并連成惠斯登電橋。當膜片受到外界壓力作用，電橋失去平衡，若對電橋加以激勵電源(恒流或恒壓)，便可得到與被測壓力成正比的輸出電壓，傳感器即根據(jù)此原理測量被測結構的壓力特性[7-8]。

對于惠斯登電橋，需在R1和R3之間外加激勵電源。恒流源供電可避免溫度變化對電橋輸出的影響，但對傳感器精度影響較大；恒壓源供電無法消除溫度的影響，但具有減小零點溫度漂移和提高精度的優(yōu)點，同時可以多個傳感器共用一個電源，簡化電路，減小成本[9-10]，本文選用恒壓源供電。

對于恒壓源惠斯登電橋的輸出電壓為

(1)

傳感器的靈敏度表達式為

(2)

式中：Uout為輸出電壓；Uin為輸入電壓；Uout(pmax)為滿量程電壓；Uout(p0)為零點輸出電壓；R1，R2，R3，R4為4個壓敏電阻的阻值；pmax為滿量程壓力；p0為零點壓力。

在無壓力作用時，4個壓敏電阻R1=R2=R3=R4=R，零點輸出電壓的理論值為0。當有壓力作用時，可動膜片發(fā)生變形，使得4個電阻的阻值發(fā)生變化，其中R1、R3減小，R2、R4增大，假設電阻的變化量|ΔR|相等，則輸出電壓可轉化為

1、進一步完善最密切聯(lián)系原則理論體系，使其能更好地適應中國的國際私法實踐。由于各國的國情和社會制度各不相同，導致了各國的國際私法體系也不盡相同。對于中國而言，我國的國際私法體系尚處于起步階段，理論構建不甚完備，且?guī)в兄袊厣鐣髁x法治理論的色彩，在立法和司法中不可避免的與行政法、民法、刑法等其他實體法或是程序法相互影響交融，雖然是國際私法，但仍保留了以國家利益和社會利益為本位的立法思想。所以，如何將國際上先進科學的國際私法理論與我國實際國情相結合是十分重要的議題。與此同時，我國學者也要積極自主構建適于我國司法實踐的最密切聯(lián)系原則的適用方法，使其理論構建更加完備。

(3)

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

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。此時壓阻系數(shù)可以表達為

(4)

(5)

式中：π11和π12為正應力系數(shù)；π44為剪應力系數(shù)。

則惠斯登電橋的輸出電壓可表達為

(6)

由式(6)可知，輸出電壓Uout正比于應力變化(σl-σt)，則靈敏度S亦正比于應力變化(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

(7)

式中:PNL為非線性誤差值；ΔUmax為實際輸出與理論輸出的最大偏差值；Uom為滿量程輸出。

圖1 非線性誤差定義圖

非線性誤差主要源于兩個方面。一方面為過載導致的力敏薄膜失效，從根本上破壞了壓阻效應的線性輸出；另一方面為力敏薄膜發(fā)生過分形變，即薄膜的變形量超過了膜厚的1/5，導致小變形理論失效，從而使得線性輸出向非線性輸出轉變[11]。

2 芯片設計

2.1 SOI結構

SOI晶圓是利用傳統(tǒng)的鍵合和氧離子注入相結合的方式制備的材料，具體為在硅材料中注入離子，產生一個分布均勻的離子注入層SiO2，該注入層用來充當化學腐蝕阻擋層，同時SiO2絕緣層還具有良好的絕緣性，以此來提高壓力傳感器在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性[13]。

(a)PN結隔離壓力芯片

(b)SiO2隔離壓力芯片圖2 PN結隔離和SiO2隔離壓力芯片比較

2.2 芯片尺寸

本文設計的壓力傳感器量程為0～1.5 MPa，靈敏度優(yōu)于10 mV/V，非線性誤差小于0.2%FS，過載壓力3 MPa。單晶硅的彈性模量E=165 GPa，泊松比ν=0.28，破壞應力σm=7×108N/m2?？紤]到實際工作中需要有過載保護，最大允許使用應力為0.33σm?？紤]到大量程壓力工況下，E型可動膜片結構有利于同時提高傳感器的靈敏度和線性度，并具有一定的抗過載能力，因此本文設計了方形E型可動膜片。根據(jù)靈敏度、非線性誤差及最大許用應力的需求分析，并結合小變形理論和過載保護理論[14]，得出下式：

(8)

式中：L為可動膜片邊長；H為可動膜片膜厚；ωmax為可動膜片中心最大撓度；Fmax為最大許用應力；pmax為過載壓力；p為作用在芯片上的壓力。

最終得到18.2≤L/H≤40.6。根據(jù)前期設計經驗[15]，并結合流片工藝，確認可動膜片邊長750 μm，膜厚30 μm。

E型可動膜片中心質量塊主要的作用在于增加膜片局部厚度，提升局部剛度，從而在不影響應力集中的情況下限制可動膜片中心應變，有望通過優(yōu)化質量塊尺寸達到同步提升傳感器的靈敏度和線性度的目的。根據(jù)理論，中心質量塊的邊長一般為可動膜片邊長的2/5[16]，因此中心質量塊邊長設定為300 μm。根據(jù)前期的仿真分析結果[17]，隨著質量塊厚度的增加，可動膜片的綜合應力及中心撓度均呈下降趨勢，這意味著傳感器的靈敏度和非線性誤差對于質量塊厚度呈現(xiàn)相反的變化趨勢。通過對可動膜片固有頻率的仿真分析，膜片的固有頻率與質量塊厚度成正比關系。因此，通過平衡傳感器的線性度和固有頻率，最終確定中心質量塊厚度為120 μm。

考慮到流片工藝以及未來批量化生產要求，確定了壓力芯片的外廓尺寸為2.2 mm×2.2 mm×0.6 mm，芯片上的電極尺寸為0.15 mm×0.15 mm，如圖3所示。壓力芯片接線定義如表1所示。

圖3 壓力芯片感壓面主要尺寸

表1 壓力芯片接線定義

2.3 無引線倒封裝結構

為了提高傳感器的使用溫度并減小傳感器的體積和質量，本文設計了無引線倒封裝結構壓力芯片。在SOI芯片正面制作敏感電阻并連接成惠斯登電橋，芯片背面通過濕法刻蝕形成應力敏感膜片；芯片正面與玻璃基座通過靜電封接形成參考壓力腔及應力隔離結構，并將硅片上復合耐高溫電極通過BF33玻璃基座上預制的通孔裸露出來，無引線倒封裝壓力芯片結構如圖4所示。

圖4 無引線倒封裝壓力芯片結構

本文設計的無引線倒封裝壓力芯片具有體積小、質量輕、耐高溫、靈敏度和線性度高等特點。此硅-玻鍵合的無引線倒封裝結構的壓力芯片與金屬殼體通過匹配材料燒結形成密封支撐結構，密封燒結材料為玻璃-陶瓷復合粉體。同時壓力芯片電極與金屬殼體內的引腳通過金屬-玻璃復合粉體燒結制成，實現(xiàn)壓力芯片信號與金屬引線的電氣連接。金屬引線通過釬焊與外部引線電纜連接，探頭外殼與安裝殼體部分通過激光焊進行連接，在安裝殼體內部灌封環(huán)氧樹脂從而進行密封，在金屬外殼上通過機加工形成M5×0.75安裝螺紋，從而實現(xiàn)壓力傳感器的機械接口設計，總體結構如圖5所示。

圖5 無引線倒封裝傳感器總體結構

3 芯片加工及封裝

選取300 μm厚的SOI作為芯片基底，用去離子水清洗吹干后置于200 ℃的高溫下20 min，在芯片正面進行硼元素擴散，再利用ICP干法刻蝕制備出壓敏電阻，然后利用PECVD在基底上沉積厚度為200 nm的SiO2層，用來保護敏感電阻以及高溫環(huán)境下的漏電流。對歐姆接觸區(qū)進行濃硼摻雜，之后進行高溫退火以減小接觸電阻。通過磁控濺射在基底表面沉積金、鉑、鉻金屬膜，鉻作為鉑與基底之間的黏附層，鉑作為阻擋層，金作為電極連接層，在無引線封裝芯片中起引出電極的作用。三層金屬膜在丙酮溶液中利用超聲波進行處理，經去離子水清洗后進行光刻曝光，除去光刻膠后將基底置于金刻蝕劑中，去除引線及接觸孔之外的金層。芯片正面與BF33玻璃在400 ℃高溫下進行氣密封靜電鍵合形成壓力參考腔，將硅片上的電極通過玻璃基座上的預制孔連接出來，之后進行劃片、封裝及測試，制備好的芯片如圖6所示。

(a)壓力芯片正視圖

(b)壓力芯片側視圖圖6 無引線倒封裝壓力芯片

無引線倒封裝主要涉及芯片與殼體密封低溫燒結工藝和芯片電極與外部引線連接工藝。對于芯片與殼體密封低溫燒結工藝，控制熱機械應力是關鍵。熱機械應力由芯片黏合結構中的材料、襯底材料與黏合材料的熱膨脹系數(shù)不匹配而引起，熱應力會導致器件在高溫環(huán)境中發(fā)生應力釋放并做出異常反應，在極端環(huán)境下有可能對連接結構造成永久性機械損傷。因此，在此道工序中控制機械熱應力是關鍵。對于芯片電極與外部引線連接工藝，金屬、玻璃粉的成分、配比、燒結溫度、燒結氣氛、燒結過程的工裝夾具等是此道工序的關鍵，最后確定含銀粉玻璃與耐高溫多層電極在高溫下燒結，然后采用緩慢逐級退火的方式進行冷卻，確保芯片電極與外部引線互連。最終無引線倒封裝壓力傳感器實物圖如圖7所示。

圖7 無引線倒封裝傳感器實物圖

4 測試結果

壓力傳感器測試系統(tǒng)如圖8所示。本測試系統(tǒng)主要由壓力源、壓力控制系統(tǒng)、高低溫箱激勵電源及數(shù)據(jù)采集器組成，供電為10±0.01 VDC電壓。為保證測試的精度和準確性，需要在傳感器螺紋末端安裝定制規(guī)格的紫銅墊片進行密封。加壓和降壓過程必須等壓力顯示穩(wěn)定后(壓力波動范圍在±0.1%)，再進行輸出電壓的讀取。在0～1.5 MPa范圍內選取6個測試點，共進行3次正行程(加壓)和負行程(降壓)循環(huán)，對于壓力傳感器高溫性能測試，將烘箱溫度設置為400 ℃，溫度恒定后保溫10 min，確保樣件受熱均勻后再進行數(shù)據(jù)采集，測試結果如表2所示。

圖8 壓力傳感器測試示意圖

表2 傳感器400 ℃下輸出特性

傳感器在400 ℃下靈敏度為80 mV/MPa，線性度0.17%FS，遲滯0.01%FS，重復性0.05%FS，綜合精度0.18%FS。此外，傳感器最大外廓尺寸為S10 mm×20 mm，傳感器質量為15.5 g。

5 結論

本文設計了一種基于SOI材料的E型膜結構硅壓阻式壓力芯片，并通過無引線倒封裝工藝制成了壓力傳感器。測試結果表明，該傳感器具有較寬的使用溫度范圍和較高的測試精度，同時傳感器還具有體積小、質量輕的特點，在進行溫度補償和配備高溫信號處理電路后可在航空發(fā)動機測試領域中應用。