高靈敏壓力傳感器過載保護結構設計*

揣榮巖，孫 瑞，劉曉為，王 健

(1.沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽110870;2.哈爾濱工業大學MEMS中心，哈爾濱150001)

采用MEMS技術的小量程、高靈敏壓力傳感器通常有平膜、島膜、梁膜等結構［1-2］，在設計過載保護時，一般采用凸臺等方法實現，形成方法有背部刻蝕技術、硅直接鍵合(SDB)技術、玻璃刻蝕技術等［3-4］。然而這些結構的腔體尺寸較大，進一步提高靈敏度受到限制，而且降低了硅片利用率，增加了制造工藝的復雜度，提高了生產成本［5］。目前小量程、高靈敏壓力傳感器的研究熱點集中在犧牲層結構壓力傳感器，這主要是因為犧牲層結構壓力傳感器彈性膜片很薄，厚度可做到2 μm，甚至更薄。在這樣薄的結構上，如果(采用擴散硅或多晶硅薄膜作為犧牲層結構壓力傳感器的應變電阻，其厚度相對較大，對彈性膜片應力分布影響很大，不利于犧牲層結構壓力傳感器的性能優化，因此采用多晶硅納米薄膜制作應變電阻更能發揮犧牲層技術的優點。

通常壓力傳感器的應變電阻是在單晶硅片上擴散或注入雜質的方式實現［6］，為了改善溫度特性，后來也采用了多晶硅薄膜［7］，但普通多晶硅薄膜的應變因子較小，不利于提高靈敏度。最新研究結果表明［8］，多晶硅納米薄膜具有顯著的隧道壓阻效應，表現出比常規多晶硅薄膜更優越的壓阻特性，重摻雜條件下其應變因子仍可達到34，具有負應變因子溫度系數，數值小于1×10-3/℃，電阻溫度系數可小于2×10-4/℃。因此，在犧牲層結構壓力傳感器上，采用多晶硅納米薄膜作應變電阻，可以提高靈敏度，擴大工作溫度范圍，降低溫度漂移［9］。然而，犧牲層結構非常薄，如何提高傳感器的過載能力顯得尤為重要。對此，本文在保證傳感器滿量程范圍內線性響應的前提下，調整犧牲層厚度，通過彈性膜片與襯底的適當接觸來有效提高傳感器的過載能力。

1 犧牲層結構壓力傳感器

犧牲層結構壓力傳感器是指彈性膜片利用犧牲層技術制作而成的壓力傳感器，結構示意圖如圖1所示，其中 AB(A′B′)為膜片寬度 a，AA′(BB′)為膜片長度b，H1為膜片厚度，H2為犧牲層厚度。

圖1 犧牲層結構壓力傳感器

在表面微加工中，由淀積到襯底和犧牲層上的薄膜作為結構層，對微小結構的尺寸更易控制，器件的尺寸得以減小。然而，這些結構層的機械性能高度依賴于淀積和隨后的加工過程，相對低的淀積速率雖然限制了所制作器件的厚度［10］，但是由于結構層厚度低，所以能制作出量程更小、靈敏度更高的壓力傳感器。

本文以量程0.1 MPa的犧牲層結構壓力傳感器為例，設計出電壓源E=5 V時，滿量程輸出為60 mV的壓力芯片。為了滿足靈敏度的設計要求，改變彈性膜片的寬度、長度、厚度和犧牲層厚度對應力分布進行模擬仿真(模擬仿真時多晶硅楊氏模量EX=1.7×1011N/m2，泊松比PRXY=0.24，多晶硅納米薄膜應變因子G=30)，經過優化后［11］，得到滿足設計要求的彈性膜片尺寸:長度 a=300 μm、寬度 b=150 μm、膜片厚度 H1=3 μm、犧牲層厚度 H2=3.5 μm。

針對所設計的壓力傳感器芯片，進行了投片實驗，其主要工藝步驟如下:①在硅襯底上，采用PECVD方法淀積一層二氧化硅作為犧牲層;②采用PECVD方法淀積一層二氧化硅，經過光刻形成腐蝕通道;③在犧牲層上采用LPCVD方法淀積一層多晶硅作為結構層，經過光刻形成腐蝕孔;④用氫氟酸溶液釋放犧牲層，再采用LPCVD方法淀積一層多晶硅，從而使腔體密封;⑤熱氧化一層二氧化硅作為絕緣層，在其上采用LPCVD方法淀積多晶硅納米薄膜作為電阻層;⑥采用PECVD方法淀積一層二氧化硅作為鈍化層，并利用離子注入方法對電阻層進行局部摻雜，形成應變電阻;⑦利用光刻技術對鈍化層進行光刻，從而形成引線孔。最后，蒸鋁形成金屬布線。

試制的芯片實拍照片如圖2所示。

圖2 壓力芯片照片

采用氣體加壓的方式對芯片樣品進行了測試。測試溫度條件為室溫，激勵源為1 mA恒流源，其輸出特性測試結果如圖3所示。

圖3 壓力芯片輸出特性測試結果

由圖3可見，隨著壓力載荷的增加，輸出電壓并未隨之線性增加，其增加的程度逐漸減小，而且滿量程輸出未達到設計要求。經過分析，出現圖3所示的現象應該是由于芯片的密封腔體有泄漏引起的。雖然有泄漏，但芯片仍然表現出了壓力敏感特性，而且利用多晶硅納米膜研制的硅杯結構壓力傳感器能夠滿足設計要求［9］。因此，改善工藝解決泄漏問題后，犧牲層結構多晶硅納米膜壓力傳感器的性能應該能滿足設計要求。

2 犧牲層厚度對過載能力的影響

對于上述0.1 MPa傳感器，當最大應力達到硅的斷裂強度4.5×108N/m2時，膜片底部與襯底不發生接觸，過載能力不高。如果減小犧牲層厚度使膜片斷裂前與襯底接觸便可提高過載能力，犧牲層厚度越小過載能力越強，但不可避免會引入非線性形變，因此本文將利用靜態線性分析與非線性接觸分析相結合的方法，對犧牲層厚度進行優化設計，提高壓力傳感器的過載能力。

2.1 過載能力及極限過載能力

對于采用濕法腐蝕的擴散硅壓力傳感器，其壓力敏感結構上的二氧化硅和氮化硅等絕緣或保護層厚度比彈性膜厚度小很多，一般在結構分析和應力分布分析中可以忽略它們的影響［12-13］。但是，本文的犧牲層結構壓力傳感器的多晶硅彈性膜片厚度為3 μm、二氧化硅絕緣層厚度為 0.5 μm，二氧化硅層厚度相對于多晶硅而言不可以忽略，所以在優化模擬仿真時需要考慮其對應力分布的影響。

利用有限元法對上述0.1 MPa傳感器的力敏結構進行模擬分析，可知當加載壓力使膜片上的最大應力剛好達到硅的斷裂強度時，膜片中心的撓度為1.6 μm。顯然，犧牲層厚度 H2＜1.6 μm 時，膜片在斷裂前可與襯底接觸，因此，需要采用非線性接觸分析來計算過載能力;而犧牲層厚度H2≥1.6 μm時，無需考慮膜片與襯底接觸問題。

犧牲層厚度H2＜1.6 μm時，隨著犧牲層厚度的減小，使膜片與襯底剛好接觸所加載的壓力也隨之減小，當犧牲層厚度減小使該加載壓力減小到剛好滿量程壓力時，犧牲層厚度不可再減小，否則傳感器在量程范圍內將出現了非線性形變，這樣便確定了減小犧牲層厚度提高過載能力的極限值。經過仿真，膜片長度 a=300 μm、寬度 b=150 μm、膜片厚度H1=3 μm時，對應的犧牲層厚度最小值為0.3 μm。下面利用有限元分析軟件對此參數的壓力傳感器進行非線性接觸分析。按照模型建立、網格劃分、接觸對建立、加載、求解的順序進行模擬仿真。當最大應力達到硅的斷裂強度時，加載壓力為1.55 MPa，仿真結果如圖4所示，其中點O處于膜片中心。

圖4 四分之一彈性膜片極限變形剖面圖

在壓力傳感器實際設計中，出于工藝精度的考慮，相比滿量程加載時，犧牲層厚度的最小值應該留有余量。若以量程的50%為余量，則犧牲層厚度最小值應為加載0.15 MPa時對應的尺寸。經過仿真后，留有余量的犧牲層厚度最小值為0.5 μm，此時當膜片最大應力達到硅的斷裂強度時，加載壓力為1.35 MPa。

犧牲層厚度H2＞1.6 μm時，進行線性分析仿真，以H2=3.5 μm為例，按照模型建立、網格劃分、加載、求解的順序進行線性模擬仿真。當最大應力達到硅的斷裂強度時，加載壓力為0.47 MPa，其應力分布的仿真結果如圖5所示。

圖5 四分之一彈性膜片極限變形時應力分布圖

2.2 犧牲層厚度與過載能力間的關系

利用非線性接觸分析與線性分析的仿真方法，對犧牲層厚度 H2在 0.3 μm ～3.5 μm 之間變化時進行具體的仿真，給出了膜片最大應力達到硅的斷裂強度時，襯底和膜片之間的距離ΔH與犧牲層厚度H2的關系，如圖6所示。同時也給出了膜片最大應力達到硅的斷裂強度時所施加的壓力載荷Pmax(過載能力)與犧牲層厚度H2關系，如圖7所示。

圖6 犧牲層厚度H2與襯底和膜片間距ΔH關系

圖7 過載能力Pmax與犧牲層厚度H2關系

由圖7可見，犧牲層厚度H2小于1.6 μm時，由于彈性膜片在斷裂前受到襯底的支撐，傳感器的過載能力隨犧牲層厚度的減小得到顯著提高。

3 討論

通過前面對過載能力的分析可以看到，對于犧牲層結構壓力傳感器，可以通過減小犧牲層厚度的方法提高過載能力，但犧牲層厚度不可過小，否則傳感器在量程范圍內將出現了非線性形變。對于量程為0.1 MPa的犧牲層結構壓力傳感器，犧牲層厚度最小值為0.3 μm，其過載能力為 1.55 MPa，明顯大于犧牲層厚度較大且彈性膜片斷裂前不和襯底接觸的壓力傳感器的過載能力，比犧牲層厚度為3.5 μm傳感器的過載能力(0.47 MPa)提高223%。在實際設計中，為了保證傳感器在正常工作壓力范圍內的線性精度，應該根據工藝精度，適當增加犧牲層厚度。如果將上述最小犧牲層厚度值(0.3 μm)增加到0.5 μm，則相應的過載能力降低為1.35 MPa，仍然比犧牲層厚度為3.5 μm 傳感器的過載能力(0.47 MPa)高180%。

從圖6的仿真結果可以看到，當H2≤1.6 μm時，ΔH=0，彈性膜片在斷裂時已經和襯底接觸，傳感器的過載能力可得到有效提高。這一點可從圖7的仿真結果得到進一步說明，當H2≤1.6 μm時，膜片最大應力達到硅的斷裂強度時所施加的壓力載荷Pmax隨H2減小急劇變大，這是因為此時膜片與襯底接觸，傳感器應變非線性變化程度增加，抗過載能力得到了極大的提高;當 H2＞1.6 μm 時，Pmax隨著 H2變大緩慢增加，基本保持在最小值附近。因此通過適當控制犧牲層厚度，可以有效提高傳感器的抗過載能力。

4 結論

針對犧牲層結構壓力傳感器的過載保護設計，本文在保證傳感器滿量程范圍內線性響應的前提下，調整犧牲層厚度，通過彈性膜片與襯底的適當接觸來有效提高傳感器的過載能力。利用有限元法，對傳感器彈性膜片的應力分布進行了靜態線性分析和非線性接觸分析，得到了下述結論。

對于犧牲層結構壓力傳感器，可以通過減小犧牲層厚度的方法提高過載能力，但犧牲層厚度不可過小，否則傳感器在量程范圍內將出現了非線性形變。

對于量程為0.1 MPa的犧牲層結構壓力傳感器，通過適當控制犧牲層厚度，可以使傳感器的過載能力提高180%～220%。

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