胡英杰 王偉忠 楊擁軍 卞玉民 李旭浩 王 晗

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050299；2.河北美泰電子科技有限公司，石家莊 050299）

傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技術(shù)是微機(jī)械和微電子技術(shù)的融合，該技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步為智能型高端傳感器的研發(fā)提供了前提和保障?；诠璨牧系腗EMS 壓力傳感器是應(yīng)用較廣泛的MEMS 傳感器[1]。美國(guó)Kulite 公司在壓力傳感器開(kāi)發(fā)方面處于世界領(lǐng)先地位，研發(fā)的基于硅壓阻效應(yīng)的ETL-GTS 系列壓力傳感器產(chǎn)品，工作溫度為-55 ～500 ℃，準(zhǔn)確度為0.5%FSO，壓力量程覆蓋范圍較寬（35 kPa ～7 MPa），已成功用于壓氣機(jī)內(nèi)部壓力和燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室壓力的監(jiān)測(cè)[2]。該傳感器芯片基于壓阻效應(yīng)，敏感結(jié)構(gòu)為單島膜結(jié)構(gòu)，并采用無(wú)引線(xiàn)封裝的方式實(shí)現(xiàn)壓力芯片的封裝。國(guó)內(nèi)很多高校及研究機(jī)構(gòu)也在開(kāi)展壓力傳感器的研究工作。中北大學(xué)針對(duì)壓阻式高溫壓力傳感器的溫度補(bǔ)償需求進(jìn)行了信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)與測(cè)試，采用高溫信號(hào)調(diào)理電路提高傳感器的輸出靈敏度，通過(guò)溫度補(bǔ)償降低輸出靈敏度[3]。西安交通大學(xué)提出了一種新型凸起隔膜結(jié)合半島-島結(jié)構(gòu)，使得膜片在應(yīng)力集中區(qū)域外消散的應(yīng)變能量顯著降低[4]。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所自主開(kāi)發(fā)了基于倒裝焊技術(shù)的FC 系列平膜壓力芯片，實(shí)現(xiàn)了量程0 ～42 MPa 壓力傳感器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[5]，性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

壓阻式壓力傳感器廣泛應(yīng)用于流程工業(yè)、裝備工業(yè)、航空航天等重大領(lǐng)域，但是存在靈敏度和零點(diǎn)輸出對(duì)溫度變化較敏感的問(wèn)題。靈敏度和零點(diǎn)漂移問(wèn)題的產(chǎn)生原因：一是環(huán)境溫度改變對(duì)壓阻效應(yīng)的影響；二是傳感器持續(xù)工作在密封環(huán)境中時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱對(duì)輸出的影響；三是由材料熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的封裝熱應(yīng)力對(duì)傳感器輸出的影響。因此，壓阻式壓力傳感器一般需要通過(guò)溫度補(bǔ)償手段提升傳感器的應(yīng)用性能[6]。

1 壓力敏感芯片結(jié)構(gòu)

針對(duì)高溫高動(dòng)態(tài)的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，基于絕緣體上硅（Silicon On Insulator，SOI）材料和倒裝焊技術(shù)設(shè)計(jì)壓力敏感芯片，如圖1 所示。壓力敏感芯片主要分為應(yīng)力敏感單元（分界線(xiàn)下方）和支撐單元（分界線(xiàn)上方）兩部分。利用低溫硅-硅鍵合技術(shù)和高精度磨拋技術(shù)，采用SOI 硅片與普通單晶硅片開(kāi)發(fā)的多層SOI 硅片材料實(shí)現(xiàn)傳感器應(yīng)力敏感單元的制作。利用多層SOI 硅片電阻器件層加工P 型硅壓敏電阻，將壓敏電阻與壓力敏感膜硅層之間的SiO2作為介質(zhì)隔離層，達(dá)到耐高溫的目的[7]。利用干法刻蝕技術(shù)在多層SOI 材料硅襯底層加工硅槽，釋放壓力敏感膜。采用Ti、TiN、Pt、Au 加工耐高溫金屬布線(xiàn)并組成惠斯通電橋，從而將被測(cè)壓力引起的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出。

圖1 壓力敏感芯片結(jié)構(gòu)剖面圖

在壓力敏感芯片的加工中，采用硅通孔（Through Silicon Via，TSV）金屬布線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片雙層電路連接，并采用可以長(zhǎng)期耐受500 ℃高溫的低溫硅-硅直接鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)支撐單元與敏感膜單元的圓片級(jí)封裝，同時(shí)在敏感單元電阻面與支撐單元硅槽面形成壓力參考真空腔體，對(duì)電阻進(jìn)行真空密封保護(hù)。

2 壓力傳感器的封裝

壓力傳感器的芯片封裝采用倒裝焊方式，將芯片底部焊盤(pán)通過(guò)導(dǎo)電玻璃焊接到陶瓷電路板（見(jiàn)圖2），并通過(guò)金屬防護(hù)網(wǎng)保護(hù)芯片。芯片表面有二氧化硅絕緣層。芯片與防護(hù)網(wǎng)可以非常接近，基本不存在管腔效應(yīng)，使得傳感器與傳感器芯片的固有頻率基本一致，從而達(dá)到提升傳感器動(dòng)態(tài)特性的目的。

圖2 壓力傳感器結(jié)構(gòu)爆炸視圖

傳感器封裝結(jié)構(gòu)金屬保護(hù)網(wǎng)、金屬殼體采用熱膨脹系數(shù)與硅相近的可伐合金加工。陶瓷基座采用莫來(lái)石陶瓷，其與硅的熱膨脹系數(shù)極為相近。

封裝時(shí)，采用倒裝焊工藝實(shí)現(xiàn)壓力芯片、溫度探頭與陶瓷電路板的固定與連接。先將芯片焊盤(pán)、電路板焊盤(pán)及焊膏常溫下定位，然后通過(guò)階梯高溫熔融焊膏，冷卻后通過(guò)焊膏張力完成倒裝焊，最后點(diǎn)硅凝膠進(jìn)行保護(hù)，提升傳感器的防水性和可靠性。陶瓷基板下部有金屬引腳用于和后端電路實(shí)現(xiàn)電連接。后端電路集成有用于溫度補(bǔ)償?shù)膶?zhuān)用集成電路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）芯片，能夠顯著減小補(bǔ)償電路的體積。通過(guò)高強(qiáng)度低應(yīng)力密封膠將陶瓷基座與金屬殼體黏在一起，針對(duì)不同量程進(jìn)行密封試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)3 倍以上量程的密封耐受強(qiáng)度。最后，通過(guò)激光焊實(shí)現(xiàn)金屬防護(hù)網(wǎng)、金屬殼體等的連接，保證傳感器的密封性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3 ASIC 溫度補(bǔ)償電路

壓阻系數(shù)和壓敏電阻值隨溫度變化，因此基于硅壓阻效應(yīng)的壓力敏感芯片的零點(diǎn)與靈敏度隨溫度變化有較大的漂移。在-55 ～225 ℃，壓敏電阻的壓阻系數(shù)隨著溫度的上升而下降，即傳感器的滿(mǎn)量程輸出隨著溫度的上升逐漸下降，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

針對(duì)壓力傳感器的精度需求，設(shè)計(jì)了橋阻式專(zhuān)用集成電路芯片進(jìn)行溫度補(bǔ)償。橋阻式專(zhuān)用集成電路芯片是高精度橋式變送器信號(hào)處理的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）集成電路，工作原理如圖3 所示。該ASIC 芯片包含1 個(gè)16 級(jí)可編程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）、1 個(gè)可編程變送器激勵(lì)、1 個(gè)內(nèi)部帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）、4 個(gè)16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）和1 個(gè)通用放大器。選用合適的算法，可實(shí)現(xiàn)每1.5 ℃的跨度補(bǔ)償，最多可進(jìn)行110 個(gè)溫度點(diǎn)的補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償系數(shù)可通過(guò)補(bǔ)償算法獲得，保存到EEPROM 即可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。壓力傳感器工作在+8 V電壓下，功耗電流不大于2 mA。電路中使用溫漂系數(shù)為±2.5×10-5的精密電阻，保證電路在使用溫度范圍內(nèi)的精度。傳感器的零點(diǎn)和滿(mǎn)量程可通過(guò)片內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，DAC）進(jìn)行數(shù)字修正。

圖3 橋阻式專(zhuān)用集成電路芯片工作原理

4 壓力傳感器性能測(cè)試

該壓力傳感器采用全自動(dòng)壓力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。該系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓電源、壓力控制器、溫度控制箱以及數(shù)字采集儀組成。輸入從6 kPa 增加到700 kPa，每隔100 kPa 選取輸出結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該壓力傳感器具有良好的線(xiàn)性輸出，如圖4 所示。傳感器非線(xiàn)性度為0.165%，工作環(huán)境溫度能夠達(dá)到200 ℃。

圖4 傳感器輸出特性曲線(xiàn)

通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)的溫箱進(jìn)行壓力傳感器的零點(diǎn)輸出測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。可以看出，ASIC 電路接入前，隨著溫度從-20 ℃升到80 ℃，壓力傳感器零位輸出電壓從9.97 mV 增加到22.40 mV，變化量為12.43 mV。ASIC 電路接入后，隨著溫度的變化，傳感器零位輸出從9.92 mV 增加到10.19 mV，變化量?jī)H為0.27 mV，補(bǔ)償效果顯著。

圖5 傳感器零點(diǎn)溫度特性曲線(xiàn)

該MEMS 壓力傳感器采用激波管進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器的輸出響應(yīng)時(shí)間達(dá)到10 μs，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

圖6 激波管實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)域輸出

5 結(jié)語(yǔ)

利用低溫硅-硅鍵合技術(shù)，采用自主開(kāi)發(fā)的多層SOI 材料制備的MEMS 壓力傳感器敏感芯片，具有耐高溫工作的特點(diǎn)。采用倒裝焊的無(wú)引線(xiàn)封裝形式，無(wú)須充油封裝，顯著縮短了輸出響應(yīng)時(shí)間，且避免了傳統(tǒng)封裝中因金絲鍵合產(chǎn)生的脫焊失效風(fēng)險(xiǎn)。此外，研究完成了用于MEMS 壓阻式壓力傳感器的ASIC 專(zhuān)用電路設(shè)計(jì)和功能驗(yàn)證，將ASIC 電路集成于壓力傳感器內(nèi)部，主要對(duì)傳感器進(jìn)行信號(hào)放大、調(diào)理及溫度補(bǔ)償，并進(jìn)行數(shù)字化輸出，有效縮小了傳感器的系統(tǒng)體積，提升了其整體性能。