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SOI高溫壓力傳感器的研究敏感器件 (傳感器)的作用就像人的五官一樣， 信號的攝取、處理和轉(zhuǎn)換都離不開它。沒有新型敏感器件的開發(fā)和發(fā)展 ，自動控制 、遙感遙測 、空間科 學(xué)的研究就不可能達(dá)到今天這樣高度發(fā)達(dá)的水平 。 隨著信息技術(shù)的深 入發(fā)展 ，傳感器的作用也日益顯出不可或缺的重要性 �？茖W(xué)的發(fā)展對傳感器的要求 也越來越高 。但無論哪一種傳感器，應(yīng)力膜應(yīng)力分布的情況都直接與傳感器性能(靈敏度 、精密度、可靠性等)密切相關(guān)。隨著信息技術(shù)深入發(fā)展，傳感器的作用Et益重要 ，目前使用的半導(dǎo)體壓力傳感器壓 敏電橋采用P型擴(kuò)散電阻 ，彈性膜時(shí)n型硅襯底 ，電 阻間以及電阻與彈性膜之間靠反偏P—n結(jié)隔離 ，當(dāng)工作溫度超過120℃時(shí)，p_n結(jié)漏電流加劇，使傳感器特性嚴(yán)重失效 ，因而不適合在高溫條件下工作與其他高溫壓力傳感器相比，多晶硅高溫壓力傳感器具有多晶硅薄膜的成熟工藝、與半導(dǎo)體平面工藝兼容、易于進(jìn)行微機(jī)械加工、芯片易于批量制作等突出優(yōu)點(diǎn)。但是由于多晶硅高溫壓力傳感器采用摻雜多晶硅做應(yīng)變電阻，而多晶硅具有結(jié)構(gòu)上的長程無序性，使得多晶硅的壓阻系數(shù)要明顯小于單晶硅的壓阻系數(shù) ，因而多晶硅電阻膜的靈敏度要小于單晶 硅電阻膜的靈敏度。在相同尺寸下，SOI器件的p_n結(jié)漏電流比體硅器件低3個(gè)數(shù)量級，因此SOI材料適合用于制作高溫半導(dǎo)體器件。為了進(jìn)一步提高硅壓力傳感器的性能，一種很自然的想法就是用單晶硅電阻膜來替代多晶硅電阻膜，同時(shí)仍用SiO2與襯底隔離，形成單晶硅SOI結(jié)構(gòu)，從而獲得良好的高溫性能和更高的靈敏度。 l、壓力傳感器的研制 我們設(shè)計(jì)的SOI高溫壓力傳感器可用于測量鍋爐、管道、高溫反應(yīng)容器內(nèi)的壓力、井下壓力和各種發(fā)動機(jī)腔體內(nèi)的壓力。量程：0～1.0MPa最高使用溫度為220℃；靈敏度為200～240mV／(V · MPa)左右。圖1為壓力傳感器的剖面結(jié)構(gòu)。
圖1 壓力傳感器的剖面結(jié)構(gòu) 其中金屬底座的直徑為15mm；玻璃支座的直徑為環(huán)形，外徑為8.32mm，內(nèi)徑為 1.8mm，高度 為 2.3mm；壓力腔外殼高度為13mm，內(nèi)徑為15 mm，外徑為18mm；如圖(1)所示芯片為方形膜 ，邊長為4.5mm，應(yīng)力膜邊長為2.234mm，膜厚為100m，如圖(3)所示。 1.1 芯片的制作工藝 如圖(2)所示，制作過程傳感器采用直接鍵合的單晶硅SOI材料。整個(gè)SOI硅片厚度約550 m。 (a)選取電阻率為8～10Q·cm的P型硅片，整個(gè)SOI層的厚度大約為550m。(b)對單晶膜進(jìn)行高濃度B擴(kuò)散。(c)等離子干法刻蝕電阻條圖形。 (d)LPCVD雙面淀積Sisr、i保護(hù)膜 。(e)背面光刻腐蝕窗口，各向異性腐蝕硅杯。(f)光 刻引線孔 ，金屬化 。最后封裝等待測試 。
圖2 SOI高溫壓力傳感器的工藝流程 2 計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 整個(gè)過程中所采用的模型是正方膜SOI壓力傳感器，它帶有一層二氧化硅和一層氮化硅如圖(2)。整個(gè)傳感器芯片的邊長為4500 m，其中應(yīng)變膜的邊長為2234 m，厚度為100 m，體硅上依次覆蓋了0.5 m的二氧化硅和0.3 m厚的氮化硅膜。模擬中硅的楊氏膜量取為127GPa、泊松比為0.278，二氧化硅的楊氏膜量取為75GPa、泊松比為0.17，氮化硅的楊氏膜量取為300GPa、泊松比為0.24、界壓強(qiáng)為1MPa。模擬時(shí)的單位制為厘米 ·千克 ·秒制 。模擬結(jié)果為傳感器應(yīng)力膜片上表面壓阻元件橫向應(yīng)力和縱向應(yīng)力 ，該數(shù)值與傳感器理論輸出之間的關(guān)系為 ：
其 中：
圖3 方形膜結(jié)構(gòu)示意圖
圖 4 SOI壓力傳感器芯片表面的應(yīng)力分布圖
其中：丌11，丌12，丌14分別為壓阻元件的縱向，橫向以及剪切向壓阻系數(shù) l1，m1，n1 ， 分別為壓阻元件縱向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦 l2，m2，n2分別為壓阻元件橫向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦。 在SOI壓力傳感器的壓制過程中，襯底采用P型(100)Si片 ，在應(yīng)力集中的區(qū)域形成電阻區(qū)，如圖4所示，其橫向和縱向均為(110)和(111)，從而可以得到 ：
通過查表 ，對于P型硅導(dǎo)電壓阻有 ：
可得到： 在惠斯通電橋中，1，3變化近似相同，2，4近 似相同。可得到 我們首先對應(yīng)力膜在不同壓力 (0～1.0MPa) 不同溫度(20~220℃)下進(jìn)行有限元模擬。① 建立模型；② 加負(fù)載，設(shè)定邊界條件，求解 ；邊界條件為模擬外加壓力的壓力邊界條件，把芯片硅杯底面的 自由度設(shè)為固定值0，芯片應(yīng)力膜上表面施加壓力為 1MPa。③ 查看模擬結(jié)果；得出不同情況下應(yīng)力膜片表面應(yīng)力分布情況如圖4所示 以及縱向應(yīng)力
圖 5 不同溫度、不同壓強(qiáng)下的變化 通過式 將測得的數(shù)據(jù)與模擬得到壓力傳感器輸出電壓相比較 ，得出圖(5)的曲線。從圖(5)可以看出，模擬 結(jié)果與實(shí)際測得結(jié)果相差不大 ，說明 SOI壓力傳感 器 的設(shè)計(jì)符合實(shí)際要求 。無論是實(shí)際測量還是模擬 得到的數(shù)據(jù) ，傳感器的輸入和輸 出即使在很高的溫 度下也能保 持較 高 的線 性關(guān) 系，并且 在 兩個(gè)溫度 (20℃和 220℃)下 的曲線變化規(guī)律基本一致，充分說明傳感器在所測試溫度范圍內(nèi)工作情況良好。另外從圖6可以看出圖6SOI壓力傳感器 的輸出特性曲線零點(diǎn)電壓相對較大，這說明電阻的均勻性不 是很理想 ，進(jìn)一步減小零點(diǎn)電壓的途徑是 ：① 改善工藝過程 ，提高擴(kuò)散雜質(zhì)的均勻性 。② 可是嘗試用離子注入來代替擴(kuò)散摻雜。③ 引入零點(diǎn)補(bǔ)償電阻 。
圖 6 SO1壓力傳感器的輸出特性曲線 為了和多晶硅壓力傳感器進(jìn)行比較 ，我們采用同樣的工藝步驟如圖(2)，相同的測試手段 、參數(shù)以及版圖用多晶硅材料制備壓力傳感器 。在室溫環(huán)境下 ，對設(shè)計(jì)的多晶硅壓力傳感器進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)性能 試驗(yàn) ，并用最小二乘法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合 ，得出了多晶硅壓力傳感器得輸出特性曲線 ，圖 (7)給出了SOI壓力傳感器和多晶硅壓力傳器的輸出電壓與外加壓強(qiáng)的變化曲線 。
圖 7 SO1壓力傳感器和多晶硅壓力傳感器的輸出特性比較 圖(7)為SOT壓力傳感器和多晶硅壓力傳感器的輸出特性比較，可以計(jì)算出SO1壓力傳感器的靈敏度為200~240mV／V·MPa，而多晶硅靈敏度為100mV／V ·MPa左右 ，可見單晶硅SOI高溫壓力傳感器靈敏度比多晶硅高溫壓力傳感器靈敏度有較大提高，大約是多晶硅壓力傳感器靈敏度的2～3倍 。這主要是由于壓敏電阻使用單晶硅材料比使用多晶硅材料有更大的壓阻系數(shù)的原因。 3 結(jié) 論 (1)無論是實(shí)際測量還是模擬得到的數(shù)據(jù) ，SOI 高溫壓力傳感器的輸入和輸出即使在很高的溫度下 也能保持較高的線性關(guān)系。 (2)單晶硅SOI高溫壓力傳感器靈敏度比多晶 硅高溫壓力傳感器靈敏度有較大提高。 (3)單晶硅型SOI高溫壓力傳感器具有明顯的開發(fā)優(yōu)勢 。 參考文獻(xiàn)： [1] ZhaoYulong，ZhaoLibo，JiangZhuangde+A NovelHigh TemperaturePressureSensoron the BasisofSOILayers．SensorsandActuatorsA，2003，108：108—111． [2] KrullW A，LeeJC，DemonstrationofBenefitsofSOIforHigh TemperatureOperation[C]／／ProceedingofIEEE SIs／s0I TechnologyW orkshop，Georgia：1998：69—70． [3] Min-hang Bao，MicroMechnicalTransducers：Pres-SureSen— sor，Accelerometersand Gyroscopes[M]．ElsevierPublish— er，2000，Chapter5． [4] CRC MaterialsScienceandEnlgineering Handbook[M]．46， 289，537． [5] Chih-Tang Peng ，Ji-Cheng Lin，Chun-Te Lin，Kuo-Ning Chiang ．PerformanceandPackageEffectoIaNovelPiezoresistive Pressure Se nso r Fabricated by Front—Side Etching Technology．Se nso rsandActuatorsA，2005，119：28 — 37． [6] 張維新 ，朱秀文 ，毛贛如 ．半導(dǎo)體壓力傳感 器[M]．天津 ：天津 大學(xué)出版社 ，1991：158—159． [7] 劉濤，楊鳳鵬 ．精通 ANSYSEM]．北京：清華大學(xué)出版社， 2002：15-17． [8] 強(qiáng)錫富 ．傳感器[M]．北京 ；機(jī)械 工業(yè) 出版社 ，1993：32—36． 班寧產(chǎn)品匯總 |
為縱 向應(yīng)力 ，
為橫向應(yīng)力丌1，丌2分別為對應(yīng)的系數(shù) ，分別表示應(yīng)力與通過壓阻元件的電流方向相一致和垂直時(shí)的系數(shù)。從圖4可以得出傳感器芯片表面不同條件下的縱向應(yīng)力
。
和橫向應(yīng)力
，從而確定應(yīng)力膜片上電阻的排放位置如圖3，進(jìn)而設(shè)計(jì)出傳感器芯片版圖。將
代入式 (3)得 出膜厚為 100／tm 的壓力傳感器 ，已通過模擬得到不同溫度、不同壓強(qiáng)下的具體數(shù)值。
