隨著半導(dǎo)體材料和工藝的進(jìn)步，人們?cè)诮鉀Q常規(guī) 擴(kuò)散硅壓力傳感器不能滿足高溫環(huán)境測(cè)壓的要求這 一難題時(shí)，提出了多種結(jié)構(gòu)的高溫壓阻式壓力傳感 器 ，包括：多晶硅壓力傳感器、ＳＯＳ（藍(lán)寶石上硅）壓力傳感器、ＳｉＣ壓力傳感器和 ＳＯＩ （ 絕緣體上單晶硅）壓力傳感器等。 ＳＯＩ 單晶硅壓力傳感器通過(guò) ＳｉＯ２ 實(shí)現(xiàn)應(yīng)變電阻間的電氣隔離，解 決了ＰＮ 結(jié)隔離壓力傳感器工作溫度高于125℃ 時(shí)的失效問(wèn)題。 同時(shí)可以利用ＳＯＩ 材料頂層單晶硅膜優(yōu)越 的壓阻效應(yīng)及ＳＯＩ材料底層襯底單晶硅良好的各向異性腐蝕特性進(jìn)行ＭＥＭＳ感壓膜結(jié)構(gòu)制造。 高溫壓阻式壓力傳感器制作工藝與常規(guī)擴(kuò)散硅壓力傳感器工藝相兼容，易于批量生產(chǎn)，成本低、適應(yīng)溫度寬。 此外，傳感器不需外圍設(shè)施降溫，具有體積小、質(zhì)量輕和易于二次裝配等優(yōu)點(diǎn)。 因?yàn)闆](méi)有ＰＮ結(jié)隔離問(wèn)題，傳 感器不易受光、電磁和ＥＳＤ（靜電放電）干擾，與ＰＮ結(jié) 相關(guān)的噪聲被排除，有利于提高傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。

１ 傳感器芯片設(shè)計(jì)

      傳感器芯體采用方形膜片結(jié)構(gòu)，膜片在外界壓力的作用下發(fā)生形變，將壓力信號(hào)傳遞給膜片上的力敏電阻，力敏電阻隨應(yīng)力膜片的形變而發(fā)生電阻值的改變，將力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出。 電阻的變化不僅與壓阻系數(shù)有關(guān)，還與應(yīng)力大小及分布情況有關(guān)。 壓力傳感器的應(yīng)變電阻排布如圖１ 所示，受力后，電阻 的相對(duì)變化量為：

式中：π 為壓阻系數(shù)；σ 為應(yīng)力。

圖 １ 應(yīng)變電阻排布

硅膜片受力作用后，２ 組電阻值相對(duì)變化量相反。

２ 傳感器制備

      在傳感器國(guó)家工程研究中心硅基壓力傳感器制 作工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)高溫壓力傳感器芯片工藝流 程。 同 ＯＥＭ 壓力傳感器工藝相比，不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在晶圓材料、電極工藝和封裝工藝等方面。

２.１ 注氧隔離技術(shù)（ＳＩＭＯＸ）ＳＯＩ 晶圓

      ＳＩＭＯＸ技 術(shù)ＳＯＩ晶圓工藝如圖２所 示，主要包括：（１）氧離子注入，利用高能離子注入設(shè)備在硅表 層下產(chǎn)生一個(gè)高濃度的注氧層；（２）高溫退火，注入的氧與硅反應(yīng)，在高濃度注氧 層附近形成隱埋ＳｉＯ２層，并消除離子注入引入的損傷。 形成氧化物埋層的臨界劑量大約為１.４×1018ｃｍ ^－２ ，典型的注入劑量約為２×1018ｃｍ ^－２ 。 為避免高劑量注入工 藝中缺陷和應(yīng)力引入問(wèn)題，工藝改進(jìn)為多重注入。 注 入的氧劑量為中等，低于形成氧化埋層的閾值劑量。 一次注入并退火后沒(méi)能形成連續(xù)的氧化物埋層，僅在 氧離子射程附近形成氧化物沉淀。 如果把注入和退火過(guò)程重復(fù)２～３次，使總劑量達(dá)到閾值劑量。 這樣既 能形成連續(xù)的氧化物埋層，又減少了注入時(shí)在硅膜引 入的缺陷和應(yīng)力，獲得高質(zhì)量的ＳＯＩ材料。 ＳＩＭＯＸ技 術(shù)制作ＳＯＩ材料的頂部硅層較薄 ，也可以通過(guò)外延工藝獲得足夠厚度的器件層。

２.２ 傳感器芯片工藝

      傳感器芯片制作工藝截面如圖３所示，工藝包括： 硅片清洗→氧化→光刻電阻條→離子注入→退火→ ＬＰＣＶＤ淀積氮化硅→光刻引線孔、背面硅杯→多層復(fù)

圖２ ＳＩＭＯＸ 技術(shù)ＳＯＩ 晶圓工藝

      合電極制備→合金→正面圖形保護(hù)→背面腐蝕硅杯 →芯片與玻璃陽(yáng)極鍵合→分割芯片。

圖 ３ 傳感器工藝示意圖

      常規(guī)壓力傳感器采用Ａｌ電極引線系統(tǒng)，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。 對(duì)于高溫敏感芯片來(lái)說(shuō)，電橋電阻之 間良好的歐姆接觸是敏感芯片電性能參數(shù)可靠性的保證。 壓力傳感器的工作電流在ｍＡ級(jí)，電極通常較 寬，工作溫度低于200 ℃ 時(shí)，Ａｌ電極可以保證可靠工 作。 但是，當(dāng)工作溫度超過(guò)200℃ 時(shí)，由于熱電應(yīng)力 作用，Ａｌ／Ｓｉ界面退化產(chǎn)生溶坑，在接觸處易形成空 洞，引起脫鍵合或虛鍵合。 同時(shí)，Ａｌ向Ｓｉ的熱電遷移 造成歐姆接觸變壞 感器穩(wěn)定工作 ，導(dǎo)致Ａｌ電極引線系統(tǒng)不能保證傳 ，必須采用復(fù)合電極系統(tǒng)作為高溫壓力 傳感器電極引線。 采用Ｔｉ－Ｐｔ－Ａｕ多層金屬化電極， 用Ｔｉ做接觸層及粘附層，用Ｐｔ做阻擋層，用Ａｕ做導(dǎo) 電層，工作溫度可以高達(dá)400℃ ，Ｃｒ－Ｎｉ－Ａｕ多層金屬 化電極的關(guān)鍵是各層膜的應(yīng)力匹配。

２.３ 壓力傳感器裝配

      芯片直接與被測(cè)介質(zhì)或大氣環(huán)境接觸，會(huì)被黏污 或吸附潮氣，影響器件的穩(wěn)定性；而背面加壓封裝結(jié) 構(gòu)的傳感器非線性大，同時(shí)信號(hào)傳導(dǎo)引線的固定和絕 緣結(jié)構(gòu)既復(fù)雜，又會(huì)引發(fā)不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題。 借助于隔 離膜片和隔離液的作用將敏感元件或傳感器芯片與 外界環(huán)境隔離，以保護(hù)硅芯片免受外界環(huán)境中不良因 素如灰塵、潮氣等不良影響。 借鑒傳感器國(guó)家工程研究中心ＯＥＭ壓力傳感器結(jié)構(gòu)，采用低應(yīng)力的剛性連接和保護(hù)液填充封裝工藝技術(shù)。 為減小因保護(hù)液的熱膨脹造成的壓力附加，減小保護(hù)液充灌量，縮短內(nèi)引線的長(zhǎng)度，提高內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可靠性，選用可伐合金材料制作的深孔燒結(jié)管座，管座采用凹形結(jié)構(gòu)，陶瓷填充物嵌于底座上的凹槽內(nèi)，芯片與外引線的內(nèi)端面 處于同一平面。

      高溫壓力傳感器封裝的工藝流程如圖４所示。 傳 感器能否在高溫下使用，并經(jīng)受長(zhǎng)期的溫度循環(huán)沖 擊，封裝是傳感器設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)成功的關(guān)鍵。 為確保壓 力傳感器的準(zhǔn)確度和性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，消除彈性敏 感元件在機(jī)械加工和熱處理中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力以 及裝配形成的應(yīng)力集中等不穩(wěn)定因素，采用溫度沖擊、器件通電老化、感壓膜片反復(fù)加載和機(jī)械振動(dòng)等老化工藝消除殘余內(nèi)應(yīng)力，加速內(nèi)應(yīng)力的釋放，使壓力傳感器性能趨于穩(wěn)定。

３ 測(cè)試結(jié)果與分析 

      在高溫條件下的性能檢測(cè)，要解決壓力標(biāo)定裝置工作介質(zhì)的耐高溫能力，又要解決工裝卡具與敏感器件的密封和熱膨脹系數(shù)的匹配技術(shù)，使測(cè)試過(guò)程不因測(cè)試加壓的泄漏和隨機(jī)干擾而引入系統(tǒng)誤差。 鑒于氣體優(yōu)良的滲透效應(yīng)，通常微壓、中高壓采用氣體壓力計(jì)進(jìn)行加壓，高溫氟膠圈超過(guò)250℃ 時(shí)，密封效果會(huì)出現(xiàn)降低，采用氬弧焊或電子束焊焊接工藝將傳感器和卡具焊接在一起，以保證高溫（高壓、超高壓）條件下測(cè)試的安全性。

      傳感器裝到卡具上后，放入高溫烘箱中，分別在50、100、150、200、250、300℃ 條件下，對(duì)４只傳感器的靜態(tài)特性進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)試，并采用最小二乘法對(duì)測(cè) 試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。 結(jié)果表明，在50～ 300℃ 溫度范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)制作的ＳＯＩ結(jié)構(gòu)單晶硅壓力傳感器具有較好的靜態(tài)特性，靈敏度在29～33ｍＶ／ ＭＰａ，非線性誤 差小于0.25％Ｆ·Ｓ，重復(fù)性優(yōu)于0.2％Ｆ·Ｓ ，可在高溫環(huán)境或針對(duì)高溫壓力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。 傳感器靈敏度與溫度關(guān)系曲線如圖５所示，在50～100℃ 溫度范圍內(nèi)，傳感器靈敏度基本保持不變，表明在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，力敏電阻正溫度系數(shù)和壓阻系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)實(shí)現(xiàn)了很好互補(bǔ)，設(shè)計(jì)的摻雜濃度在恒流供電情況下， 實(shí)現(xiàn)了自補(bǔ)償。 不過(guò)，在100～ 300℃ 范圍內(nèi)，傳感器靈敏度隨溫度升高而增大。 傳感器靈敏度受壓阻系數(shù)、力敏電阻溫度系數(shù)和封裝結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力等多種因 素影響，傳感器靈敏度隨溫度升高，可以采用溫度補(bǔ) 償技術(shù)進(jìn)行修正。

圖 ５ 傳感器靈敏度與溫度關(guān)系

      傳感器非線性與溫度關(guān)系如圖６所示，可以看出４只傳感器的非線性隨溫度增加而減小，這一結(jié)果和文獻(xiàn)一致［７］ ，即壓阻效應(yīng)的非線性隨溫度增加而減小。 ４只傳感器中，力敏電阻阻值與溫度的關(guān)系 σ［１１０］ 如圖７所示，50℃ 時(shí)，電阻值為４.６ｋΩ 左右，在50～300℃范圍內(nèi)，電阻隨溫度線性增加，具有很好的線性 度。 因此，可以在芯片上設(shè)計(jì)測(cè)溫電阻，測(cè)溫信號(hào)用于壓力傳感器靈敏度補(bǔ)償，進(jìn)一步提高ＳＯＩ結(jié)構(gòu)高溫壓力傳感器的性能。

圖 ６ 傳感器非線性與溫度關(guān)系

圖 ７ 電阻與溫度關(guān)系

４ 結(jié)論 

      依托于傳感器國(guó)家工程研究中心硅基壓力傳感 器生產(chǎn)線，以注氧隔離（ ＳＩＭＯＸ）技術(shù)ＳＯＩ晶圓為基礎(chǔ)，完成單晶硅高溫壓力傳感器研制與測(cè)試。 結(jié)果表明，在50～300 ℃ 溫度范 圍，傳感器具有很好的靜態(tài)特性，可以對(duì)高溫環(huán)境下 壓力或高溫壓力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。 隨著ＳＯＩ晶圓材料質(zhì) 量的提高和制作工藝的發(fā)展，高穩(wěn)定性ＳＯＩ單晶硅高 溫壓力傳感器必將成為高溫壓力傳感器的主流產(chǎn)品， 也將成為常規(guī)ＰＮ結(jié)隔離壓力傳感器的換代產(chǎn)品。

      從上述測(cè)量結(jié)果可以得到，傳感器標(biāo)度系數(shù)為1.48μｍ／ｍＶ，具有較高的靈敏度。 但在零點(diǎn)附近回程誤差較大，是由于差動(dòng)運(yùn)算放大器本身的直流偏置 輸出引起的，約為９ｍＶ，約為滿量程的３‰。

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