與CMOS工藝兼容的皮拉尼傳感器研究*

汪家奇，唐禎安

(大連理工大學半導體技術學院，電子科學與技術學院，遼寧大連116024)

真空傳感器是真空科學研究與真空測試技術中的重要器件。皮拉尼傳感器廣泛用于105Pa～10-1Pa的粗真空的測量[1]。它包含暴露于被測氣體環(huán)境之中的加熱體，它被流經(jīng)的電流所加熱，被周圍的氣體散熱所冷卻。如果氣壓降低，氣體散熱減少，因此在加熱電流恒定的情況下，加熱體的溫度就會上升，反之亦然[2]。通常加熱體的電阻是溫度的函數(shù)，并且要求其溫度系數(shù)較大，通過測量加熱體兩端的電壓及流經(jīng)的電流，就可以計算得到加熱體的電阻，繼而求得其溫度以及對應的氣壓。

皮拉尼傳感器的研究經(jīng)歷小型化，微型化的趨勢，目前的微型化皮拉尼傳感器的研究集中在硅微MEMS皮拉尼傳感器[3-4]以及同標準CMOS工藝兼容的皮拉尼傳感器上[5-6]。本文研制了一款與標準CMOS工藝兼容的集成皮拉尼傳感器，它是以鎢微熱板為敏感元件，在片上集成恒電流驅動電路，利用該芯片可單獨完成氣壓的測量，其對10-1Pa～105Pa的氣壓有響應，對1 Pa～100 Pa氣壓具有線性響應。

1 傳感器設計及加工

皮拉尼傳感器以微熱板為敏感元件，其加熱電阻的材料是傳感器設計的關鍵，它決定了皮拉尼傳感器的功耗，靈敏度，長期穩(wěn)定性等參數(shù)。加熱電阻通常的材料有多晶硅[7]，摻雜硅[8]，金屬[9-10](包括鋁，鉑等)，納米管[11]等，需要結合工藝與應用條件來選擇。本文采用鎢作為加熱電阻，它具有高熔點(3 417℃)，抗電遷徙的特性，較高的溫度系數(shù)，性能穩(wěn)定，并且鎢作為CMOS工藝中的通孔材料，能夠同CMOS工藝完全兼容。

傳感器采用0.5 μm標準CMOS工藝進行設計和加工，它包含兩層多晶硅(Poly1，Poly2)和三層金屬(Metal1，Metal2，Metal3)，在 Metal1 與 Metal2 之間的連接是采用鎢作為連接的。以這層鎢為加熱電阻，在鎢電阻的下面預先埋下0.34 μm的多晶硅Poly2作為犧牲層，在CMOS工藝中光刻壓焊孔的同時也光刻微熱板的腐蝕窗口，形成刻蝕窗口，如圖1(a)所示。圖1(b)說明在刻蝕壓焊孔的同時把微熱板的腐蝕窗口打開，由于刻蝕壓焊口的工藝采用的是過刻蝕，所以確?？涛g到預先埋下的犧牲層，在刻蝕工藝之后，作為犧牲層的多晶硅Poly2會暴露出來。以上兩個步驟是在芯片加工廠完成的。經(jīng)過劃片之后，要進行post-CMOS加工，如圖1(c)所示。利用不腐蝕鋁焊盤的TMAH(四甲基氫氧化銨)溶液來腐蝕Poly2犧牲層，大約需要8 h溶解Poly2犧牲層[12]。

圖1 微熱板的工藝步驟

圖2是鎢微熱板的顯微鏡和SEM照片，它的尺寸是80 μm×80 μm，采用 4臂支撐的結構，鎢加熱電阻是蛇形的，其寬度為2 μm。微熱板在結構釋放之后，無明顯變形與結構坍塌。

圖2 鎢微熱板的顯微鏡與SEM照片

2 傳感器的恒電流驅動電路

恒電流驅動電路是指無論外界測量的氣壓如何變化，流經(jīng)傳感器加熱電阻的電流為恒值，其原理圖如圖3所示。其中R1為微熱板電阻，R2為制作在襯底上的參考電阻，Vref為參考電壓，Vout為輸出電壓。當Vref為恒定值時，根據(jù)運算放大器的虛短原理，流經(jīng)R2的電流為恒定值，又根據(jù)運算放大器的虛斷原理，流經(jīng)R1的電流為恒定值，這樣實現(xiàn)了流經(jīng)微熱板的電流為恒值的要求。

圖3 恒電流驅動電路

恒流電路的輸出表達式為:

流經(jīng)微熱板的電流使微熱板升溫，隨著氣壓的降低，氣體導熱減小，而加熱電流不變，微熱板的溫度上升，由于鎢加熱電阻具有正溫度系數(shù)，輸出電壓會隨著氣壓的降低而增大。

本文結合上述0.5 μm標準CMOS工藝設計了一種5 V單電源工作、輸入輸出電壓都能實現(xiàn)滿電源幅度的CMOS運算放大器，它由偏置電路、輸入級、增益級、輸出級四部分組成。圖4是皮拉尼傳感器的SEM照片，包括4個微熱板串聯(lián)構成陣列及運算放大器。

圖4 皮拉尼傳感器的SEM照片

3 對氣壓的測試結果

選取微熱板電阻為570 Ω，參考電阻為360 Ω的傳感器進行測量，參考電壓為1.25 V電壓，將傳感器測試板放入真空腔中，按照測試系統(tǒng)的操作規(guī)范將真空腔內真空度從標準大氣壓降至10-1Pa，再從10-1Pa升至標準大氣壓，測試系統(tǒng)自動記錄傳感器的輸出值及對應的氣壓值，從圖5的測試結果看，傳感器對105Pa～10-1Pa的氣壓有響應。

另外，針對于皮拉尼傳感器常用的響應區(qū)間1 Pa～100 Pa進行了較為精確的測量，如圖6所示，傳感器的線性度為4.95%，靈敏度為0.23 mV/Pa。因此，1 Pa～100 Pa是該款傳感器可應用的測量區(qū)間。

圖5 傳感器對105Pa～10-1Pa的響應

圖6 傳感器對1 Pa～100 Pa的響應

4 結論

本文針對于基于MEMS工藝的皮拉尼傳感器進行了進一步的探索，研制了一款利用0.5 μm標準CMOS工藝加工的皮拉尼傳感器。該傳感器利用恒流驅動的鎢微熱板進行氣壓測量，對105Pa～10-1Pa的氣壓有響應，尤其對1 Pa～100 Pa的真空度有線性響應，具有廣泛的應用價值。

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