彭時(shí)秋，朱賽寧

（無(wú)錫中微晶園電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

1 引 言

微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）壓力傳感器憑借其體積小、功耗低和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于工控、汽車電子、消費(fèi)電子和醫(yī)療電子等領(lǐng)域［1-4］。

微型硅壓阻式壓力傳感器利用多晶硅為彈性體，采用先進(jìn)微型化制作工藝集成硅膜片作為敏感元件制作而成。傘海生等［5-6］為了消除壓力傳感器壓敏電阻的影響，將壓敏電阻置于應(yīng)力薄膜的下表面并通過(guò)陽(yáng)極鍵合技術(shù)密封在真空壓力腔中，所研發(fā)的硅壓阻式壓力傳感器可適用潮濕、酸堿、靜電顆粒等極端惡劣環(huán)境。趙玉波等［7］為解決高溫200 ℃應(yīng)用環(huán)境的壓力測(cè)量問(wèn)題，使用高能氧離子注入SIMOX 技術(shù)形成埋層二氧化硅層，研究設(shè)計(jì)了耐高溫壓力傳感器。李闖等［8］研究了基于絕緣體上硅（Silicon On Insulator，SOI）的E 型 結(jié) 構(gòu) 可 動(dòng) 膜 片 一 體 化結(jié)構(gòu)的壓力傳感器芯片，與傳統(tǒng)C 型膜結(jié)構(gòu)相比解決了靈敏度與線性度無(wú)法同時(shí)滿足工程需求的難題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及智能移動(dòng)設(shè)備的普及，微壓壓力傳感器的市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)，尤其在消費(fèi)電子和醫(yī)療領(lǐng)域，例如，微壓壓力傳感器可應(yīng)用于智能穿戴電子中的氣壓計(jì)、非侵入性醫(yī)療應(yīng)用利基市場(chǎng)中心血管治療的導(dǎo)管和氧氣監(jiān)測(cè)等。靈敏度是評(píng)價(jià)壓力傳感器性能最重要的指標(biāo)參數(shù)之一，然而由于工作壓力較低，靈敏度已成為阻礙微壓壓力傳感器發(fā)展的一大因素［9-11］。目前，市場(chǎng)常見(jiàn)的40 kPa 量程的壓力傳感器，典型的靈敏度參數(shù)約為0.25～0.35 mV/kPa，普遍偏低［12-14］。有研究使用半島膜、梁膜等結(jié)構(gòu)以及增加壓力膜尺寸的方式來(lái)改善MEMS 壓阻式壓力傳感器的靈敏度，但這些方法存在加工工藝復(fù)雜、芯片體積偏大的缺點(diǎn)。因此，提高小型化微壓傳感器的靈敏度具有重要意義。

針對(duì)微壓壓力傳感器靈敏度較低的問(wèn)題，本文采用COMSOL Mutilphysics 軟件仿真分析了壓敏膜層的厚度、壓敏電阻的位置分布、壓敏電阻的長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力傳感器靈敏度的影響，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)壓敏結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了芯片版圖并進(jìn)行流片封裝，完成了40 kPa 表壓式壓力傳感器成品的研制。

2 工作原理

壓阻式壓力傳感器的工作原理主要是基于多晶硅或硅的壓阻效應(yīng)，壓阻材料在應(yīng)力作用下晶格發(fā)生變形，載流子遷移率發(fā)生變化引起電阻率發(fā)生變化，從而影響其阻值。

典型的壓阻式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)主要包括壓敏薄膜、壓敏電阻、背腔和金屬互連結(jié)構(gòu)等。壓阻式壓力傳感器通常采用周邊固支膜片結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散型電阻芯片，將4 個(gè)壓敏電阻根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果分布在壓敏薄膜上的不同位置處并相互連接成環(huán)，形成惠斯通電橋，如圖1 所示。在外界環(huán)境的壓力作用下，壓阻材料會(huì)發(fā)生形變，壓敏電阻阻值發(fā)生變化。在電信號(hào)激勵(lì)作用下，惠斯通電橋失去平衡，從而可以根據(jù)電橋輸出端的電學(xué)量變化得到被測(cè)壓力［15］。

圖1 惠斯通電橋電路原理Fig.1 Circuit structure of Wheatstone bridge

圖1 中，無(wú)外界壓力作用下，壓敏薄膜不發(fā)生變形，壓敏電阻不變化。通常壓敏電阻條布置方式為：一對(duì)壓敏電阻條（R1，R3）平行于壓敏膜邊，另一對(duì)壓敏電阻條（R2，R4）平行于壓敏膜邊。當(dāng)正向外界壓力作用于膜片表面時(shí)，壓敏薄膜向下彎曲，產(chǎn)生形變。此時(shí)，壓敏電阻發(fā)生變化。對(duì)于單晶硅而言，不同晶向下的壓阻系數(shù)不同，其中兩對(duì)壓敏電阻對(duì)如R1和R3，R2和R4，一對(duì)電阻增大，另一對(duì)電阻減小，且R1與R3的電阻變化量相同，R2與R4的電阻變化量相同。在外界電壓Vin的激勵(lì)下電橋的輸出電壓Vout發(fā)生變化。此時(shí)，惠斯通電橋的輸出電壓Vout可表示為：

壓敏電阻電阻值的變化量與材料的壓阻系數(shù)和所受應(yīng)力有關(guān)，對(duì)于同種單晶硅材料，晶向是影響壓阻系數(shù)的主要因素。外界壓力作用時(shí)，在單晶硅晶軸坐標(biāo)系中，電阻率變化受縱向l、橫向t和垂直方向s三個(gè)方向的綜合影響，其中垂直方向上的影響相對(duì)于縱向和橫向來(lái)說(shuō)極小，可忽略不計(jì)。材料電阻率ρ、壓敏電阻阻值變化量與壓阻系數(shù)π及所受應(yīng)力σ之間的關(guān)系為：

式中：πl(wèi)和πt分別表示沿著壓敏電阻條長(zhǎng)度方向上的縱向壓阻系數(shù)和縱向應(yīng)力，πt和πt分別表示沿著壓敏電阻條寬度方向上的橫向壓阻系數(shù)和橫向應(yīng)力。

采用積分求平均法計(jì)算壓敏電阻長(zhǎng)度上的電阻量更符合實(shí)際情況、更精確，以R1電阻變化為例，其電阻變化量ΔR1可以表示為：

式中l(wèi)1是壓敏電阻條R1的路徑。因?yàn)椤鱎1=△R3，△R2=△R4，在采用恒壓源對(duì)惠斯通電橋供電時(shí)，最終傳感器的輸出靈敏度可以表示為：

式中L是壓敏電阻條的長(zhǎng)度。

3 高靈敏度微壓MEMS 壓力傳感器設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，高靈敏度微壓MEMS 壓力傳感器的壓力量程應(yīng)為40 kPa，壓敏薄膜邊長(zhǎng)為1 080 μm×1 080 μm。P 型壓敏電阻的最大壓阻系數(shù)大于N 型壓敏電阻，并且單晶硅在＜100＞面上沿＜11ˉ0＞和＜110＞上的壓阻系數(shù)最大。為提高靈敏度，本次設(shè)計(jì)采用N＜100＞單晶硅襯底和P 型壓敏電阻，并沿＜11ˉ0＞和＜110＞晶向布置壓敏電阻條。微壓MEMS 壓力傳感器的靈敏度主要取決于壓敏結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，包括壓敏膜厚、壓敏電阻長(zhǎng)度及布局。本文采用有限元仿真研究各壓敏結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)靈敏度的影響。

3.1 壓敏薄膜厚度分析

針對(duì)壓力傳感器壓敏膜層結(jié)構(gòu)，利用COMSOL Mutilphysics 有限元分析軟件進(jìn)行仿真。由于薄膜的平面尺寸與厚度相差過(guò)大，為簡(jiǎn)化網(wǎng)格劃分減小計(jì)算量，選擇軟件中結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊下的殼接口建立幾何模型，建立的薄膜尺寸為1 080 μm×1 080 μm，四周固支寬度均為160 μm。細(xì)長(zhǎng)壓敏電阻簡(jiǎn)化為線段，其長(zhǎng)度為120 μm，分布于薄膜四周（1，2，3，4），如圖2 所示。

圖2 壓敏膜層建模Fig.2 Modeling of sensitive film

邊界條件設(shè)置：首先給所建立的幾何模型添加材料，選擇壓阻材料N 型單晶硅，添加至全部幾何區(qū)域。四周固支端施加固定約束，壓力P作用于薄膜處。網(wǎng)格剖分選擇自由三角形網(wǎng)格分別對(duì)四周固支端和薄膜兩個(gè)部分進(jìn)行網(wǎng)格剖分。

壓敏薄膜受到的壓力設(shè)置從0～40 kPa 變化，不同厚度情況下輸出電壓如圖3 所示，壓敏薄膜上的應(yīng)力分布如圖4 所示。

圖3 輸出電壓與膜厚的關(guān)系Fig.3 Relationship between output voltage and film thickness

圖4 應(yīng)力分布云圖Fig.4 Stress distribution chart

隨著薄膜厚度的增加，相同壓力下傳感器的輸出電壓減小。因此，為了提高壓力傳感器的靈敏度，壓敏傳感膜厚度越薄越好。但壓敏傳感膜越薄，制作時(shí)膜片容易變形損壞，導(dǎo)致壓力傳感器失效。在0～40 kPa 滿量程內(nèi)，壓敏膜層厚度需滿足破壞原則及線彈性原則［16］：

式中：P為壓力量程，h為壓敏膜厚，a為壓敏膜邊長(zhǎng)尺寸，σm是硅的破壞應(yīng)力，σmax是最大應(yīng)力，ωmax是最大形變量。通過(guò)計(jì)算得到40 kPa 量程傳感器滿足線彈性原則的最小膜厚為12.19 μm。

3.2 壓敏電阻位置分析

壓敏電阻在壓敏薄膜上位置不同，所受應(yīng)力不同，傳感器的輸出靈敏度也隨之變化。因此，以電阻邊緣距離壓敏膜層邊緣的不同間距為條件進(jìn)行仿真，條件分別為5，10，15，20，25 及30 μm，仿真結(jié)果如圖5 所示?？梢钥吹剑敵鲭妷弘S著間距的增大而減小，在壓敏膜片上距離四周邊緣中間5 μm 的位置輸出電壓最高。因此，在設(shè)計(jì)方案中，為了兼顧雙面光刻套刻精度±5 μm 的工藝窗口，壓敏電阻擺放在膜片邊緣中點(diǎn)10 μm 的位置，此時(shí)壓敏電阻受到的應(yīng)力相對(duì)較大，壓力傳感器的輸出靈敏度也相對(duì)大。

圖5 輸出電壓與壓敏電阻位置的關(guān)系Fig.5 Relationship between output voltage and location of varistor

3.3 壓敏電阻長(zhǎng)度分析

為了研究壓敏電阻長(zhǎng)度對(duì)傳感器靈敏度的影響，以電阻長(zhǎng)度60，80，100，120，140 及160 μm為條件對(duì)輸出電壓進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6 所示。可以看到，輸出電壓隨著壓敏電阻長(zhǎng)度的增加而減小。但如果壓敏電阻的面積過(guò)小，則壓敏電阻單位面積上的功耗過(guò)大，壓力傳感器工作時(shí)壓敏電阻的自加熱效應(yīng)非常明顯。嚴(yán)重情況下，壓敏電阻的自加熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致壓力傳感器不能正常工作。在設(shè)計(jì)方案時(shí)，考慮壓敏電阻實(shí)際制作時(shí)長(zhǎng)度過(guò)短，摻雜注入、退火時(shí)的橫擴(kuò)效應(yīng)會(huì)影響電阻值的控制精度，將壓敏電阻長(zhǎng)度設(shè)定為120 μm。

圖6 輸出電壓與壓敏電阻長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.6 Relationship between output voltage and length of varistor

3.4 芯片版圖設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)有的工藝條件，并根據(jù)有限元仿真結(jié)果對(duì)芯片壓敏結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化參數(shù)如表1 所示。根據(jù)優(yōu)化后參數(shù)，仿真計(jì)算靈敏度結(jié)果高達(dá)0.412 mV/kPa。設(shè)計(jì)版圖如圖7 所示。

表1 傳感器壓敏結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)Tab.1 Optimized structural parameters of varistor

圖7 壓力傳感器芯片設(shè)計(jì)版圖Fig.7 Layout of pressure sensor

4 壓阻式壓力傳感器制作

硅壓阻式壓力傳感器芯片采用標(biāo)準(zhǔn)CMOSMEMS 工藝進(jìn)行制作。傳感器的芯片厚度為400 μm，單個(gè)芯片的版圖尺寸為2 mm×2 mm，背腔版圖尺寸為1.544 mm×1.544 mm，壓敏薄膜厚度為15 μm。實(shí)驗(yàn)中，低應(yīng)力氮化硅層使用BTI 公司的BDF-41 型號(hào)LPCVD 低壓氣相淀積設(shè)備淀積，厚度為350 nm，金屬膜層則采用愛(ài)發(fā)科公司的EI-501Z 蒸發(fā)臺(tái)設(shè)備進(jìn)行制備，背槽腐蝕使用25%TMAH 試劑腐蝕［17-18］，最終完成傳感器圓片流片并封裝測(cè)試性能。壓力傳感器芯片的整合工藝流程如圖8 所示，主要步驟包括：（1）熱生長(zhǎng)二氧化硅；（2）壓敏電阻制作：光刻、注入、退火；（3）電阻連接和電極焊盤(pán)結(jié)構(gòu)制作：光刻、注入、退火；（4）接觸孔光刻、腐蝕；（5）金屬互聯(lián)結(jié)構(gòu)形成：鋁蒸發(fā)、光刻、腐蝕；（6）背腔形成：光刻、濕法腐蝕硅深槽。加工完成的芯片實(shí)物如圖9 所示。關(guān)鍵尺寸SEM 測(cè)試參數(shù)如表2 所示，與設(shè)計(jì)值基本一致。

圖8 芯片制作流程Fig.8 Fabrication process flow of chip

圖9 芯片實(shí)物Fig.9 Picture of chip

表2 傳感器芯片實(shí)測(cè)值Tab.2 Actual values of pressure sensor chip（μm）

5 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

將制作完成的壓力傳感器芯片采用SOP6 塑封封裝形式，其塑封工藝主要經(jīng)過(guò)：劃片、裝片、鍵合、注塑、彎腳成型這5 個(gè)工序，最終完成表壓壓力傳感器成品封裝，封裝結(jié)構(gòu)及成品如圖10所示。

圖10 壓力傳感器封裝圖片F(xiàn)ig.10 Picture of packaged pressure sensor

5.1 測(cè)試系統(tǒng)搭建

搭建的測(cè)試系統(tǒng)如圖11 所示，對(duì)壓力傳感器成品的性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)主要包括壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、信號(hào)輸入與輸出系統(tǒng)。其中，壓力控制系統(tǒng)由德國(guó)的Druck pace5000 壓力控制儀、氣體管道及密封環(huán)組成，Druck pace5000 的壓力為0～200 kPa，調(diào)節(jié)精度和控制穩(wěn)定性分別高達(dá)0.02% FS 和±0.005%FS；溫度控制系統(tǒng)由高低溫試驗(yàn)箱保證；測(cè)試采用恒壓模式，輸出為電壓信號(hào)，輸入電壓源與輸出測(cè)量均 采 用Keithley 2400 源 表，Keithley 2400 源 表 電壓源量程為0～200 V，電壓測(cè)量分辨率高達(dá)100 nV。

圖11 壓力傳感器測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.11 Schematic diagram of pressure sensor

5.2 性能測(cè)試結(jié)果分析

壓力傳感器的壓力測(cè)試量程為0～40 kPa，將壓力測(cè)試間隔定為2.5 kPa，輸入電壓為5 V。在0，25 和50 ℃3 個(gè)不同溫度下測(cè)試不同壓力點(diǎn)的傳感器輸出，測(cè)試結(jié)果如圖12 所示。

圖12 壓力傳感器不同溫度下的輸出曲線Fig.12 Output curves of pressure sensor at different temperatures

從圖12 可以看出，輸出電壓隨著施加壓力的增大呈線性增大的趨勢(shì)，這說(shuō)明在壓力作用下，位于硅膜上的壓敏電阻條阻值區(qū)域受到的應(yīng)力增大，導(dǎo)致其阻值增大。在5 V 激勵(lì)電壓的作用下，壓敏結(jié)構(gòu)優(yōu)化后壓力傳感器常溫下的滿量程輸出為88.937 mV，靈敏度高達(dá)0.444 mV/kPa，靈敏度的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果誤差較小，為7.77%。此誤差來(lái)源于工藝誤差，如壓敏電阻條的光刻精度、背腔濕法腐硅槽的均勻性等。常溫下壓力傳感器的線性度較好，非線性度僅為0.073 6%FS。

對(duì)比不同溫度下傳感器的輸出結(jié)果可知，隨著溫度的升高，輸出電壓從91.638 mV 下降到83.317 mV，靈敏度從0.458 mV/kPa 下降到0.416 mV/kPa，下降了約10%。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，壓敏電阻的壓阻系數(shù)減小，其阻值減小。

通過(guò)測(cè)量傳感器芯片在加壓和降壓過(guò)程中的輸出電壓，對(duì)傳感器的遲滯特性進(jìn)行研究。加壓條件下，氣壓從0 kPa 升高到40 kPa；降壓條件下，氣壓從40 kPa 降低到0 kPa。測(cè)試結(jié)果顯示，上行與下行輸出電壓的最大偏差為0.034 mV，經(jīng)計(jì)算得到遲滯僅為0.038%FS，回滯特性良好。最終測(cè)得的傳感器成品參數(shù)如表3 所示。

表3 傳感器成品參數(shù)實(shí)測(cè)值Tab.3 Actual values of parameters of pressure sensor

6 結(jié) 論

本文根據(jù)硅壓阻式壓力傳感器的工作原理，通過(guò)仿真研究了壓力傳感器芯片壓敏結(jié)構(gòu)參數(shù)，如壓敏膜厚、壓敏電阻長(zhǎng)度及位置對(duì)傳感器靈敏度的影響，基于仿真結(jié)果對(duì)一款40 kPa 壓力傳感器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后完成了芯片制作、封裝和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化后傳感器滿量程輸出約為89 mV，靈敏度高達(dá)0.444 mV/kPa，比常規(guī)同量程壓力傳感器的最高靈敏度0.35 mV/kPa，提升了26.8%。研制的MEMS 壓力傳感器線性度和回滯特性優(yōu)良，非線性度和遲滯分別為0.073 6%FS 和0.038%FS。該研究結(jié)果對(duì)于提高微壓MEMS 壓阻式壓力傳感器的靈敏度具有一定的參考價(jià)值。