表面微機械MEMS溫度傳感器研究*

劉慶海,黃見秋

(東南大學MEMS教育部重點實驗室,南京 210096)

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表面微機械MEMS溫度傳感器研究*

劉慶海,黃見秋*

(東南大學MEMS教育部重點實驗室,南京 210096)

提出一種基于表面微機械工藝的MEMS溫度傳感器,其基本原理是:由于材料熱膨脹系數的差異,復合懸臂梁在熱應力作用下發生彎曲,進而影響壓阻單元中的應力分布,壓阻變化通過惠斯登電橋讀出,由電橋輸出電壓變化表征溫度的變化。相比于其他溫度傳感器,這種微機械溫度傳感器的靈敏度高、尺寸小、精度高。針對提出的溫度傳感器結構,文中給出了傳感器的設計原理、制備工藝以及信號檢測電路的設計。經測試,傳感器的靈敏度為9.2 mV/℃,具有良好的穩定性。

壓阻效應;懸臂梁;表面微機械;溫度傳感器

溫度和日常生活密切相關,也是科學實驗和生產活動必不可少的重要物理量之一。溫度傳感器占有較高的市場份額,每年銷售額可達幾億美元,已然成為信息化社會不可或缺的元件。溫度測量的主要方法是利用材料性能參數隨溫度變化來表征溫度。這些性能參數有:機械形變、熱電阻、熱電動勢、材料的熱膨脹等[1]。目前使用最為廣泛的溫度傳感器有:第一,雙金屬溫度計,由兩種或多種具有不同熱膨脹系數的金屬片疊組成多層金屬片。當溫度變化時,多層金屬片發生應力形變,以分度標尺的形式指示溫度。此類溫度傳感器制作簡單,成本低,但是測溫范圍較窄、測溫精度低。第二,熱電偶溫度傳感器。由兩種不同的導體兩端分別相連構成回路。當兩個連接點存在溫度梯度時,回路中產生電動勢,這種溫度梯度產生電動勢的效應稱為熱電效應。冷端的開路電壓正比于兩端的溫度差。此類溫度傳感器測溫范圍寬,精度高,但是靈敏度極低。第三,電阻式溫度傳感器。利用金屬或半導體對溫度的敏感特性表征溫度。由金屬材料制成的為熱電阻,由半導體材料制成的為熱敏電阻。熱電阻測溫線性度好,但是體積大、價格高、靈敏度低。熱敏電阻靈敏度高、體積小,但是測溫線性度很差,測溫范圍窄。隨著微制造工藝和單片集成技術的日趨成熟,各類微型溫度傳感器已出現在我們的日常生活中。與傳統的溫度傳感器相比,微型溫度傳感器具有小型化,智能化和低成本等優點。常見的硅基微型溫度傳感器有:硅雙極型集體管、PN結以及熱電阻,而CMOS工藝技術是制備這類硅基元件的主流技術。

本文提出了一種利用表面工藝制備的壓阻式MEMS復合梁溫度傳感器。基于壓阻原理設計了MEMS溫度傳感器結構。當溫度變化時,復合梁的雙層材料因熱膨脹系數的失配產生彎曲而形成熱應力。壓阻的變化通過惠斯登電橋讀出,利用應力的變化表征溫度的變化。文中對傳感器工藝以及版圖進行了設計。在傳感器制備的基礎上設計了測試電路并搭建測試系統,經測試,傳感器的靈敏度為9.2mV/℃,具有良好的穩定性。

1 傳感器工作原理

當半導體受到應力作用時,由于載流子遷移率的變化會使得電阻率發生變化,這種現象被稱為壓阻效應[2]。半導體材料的壓阻效應通常由兩種方式形成:一種是利用半導體材料的體電阻做成粘貼式應片,另一種是在半導體材料的基片上,用集成電路工藝制成擴散型壓敏電阻或離子注入型壓敏電阻。式(1)為壓阻的變化與所受應力的關系式。

(1)

式中:R為壓阻電阻值,ρ為電阻率,π為壓阻系數,σ為應力。

半導體發生彈性形變后,在應力得到釋放后,電阻能恢復到應變前的阻值電阻值的變化量與應力的關系由壓阻系數σ決定。單晶硅的壓阻系數是與晶向、摻雜類型、襯底溫度有關。對于P型和N型硅來說,壓阻系數的值隨著溫度的摻雜濃度的增加而降低。而表面雜質濃度降低時,溫度增加,壓阻系數下降得快;表面雜質濃度高時,溫度增加,壓阻系數下降的慢。為了降低溫度影響,擴散電阻的表面雜質濃度高些較好,但擴散雜質較高時,壓阻系數會降低。當設計硅壓阻時必須仔細選擇合適的摻雜濃度。選擇合適的摻雜濃度可以忽略溫度對壓阻系數的影響。這樣,壓阻值的變化就正比于所受的應力。這種效應為機械能和電能之間的能量和信號轉換提供了一種簡單直接的機制,具有實際應用價值。壓阻式傳感器具有易于集成、靈敏度高、信號檢測電路簡單、體積小、可靠性好等優點。對于一般的壓阻式傳感器來說,傳感器溫漂往往需要抑制和補償,但是從另一個角度來看,可以通過結構設計來增加溫度對壓阻效應的影響,進而檢測溫度的變化。壓阻式復合梁溫度傳感器的基本原理是[3]:復合懸臂梁在熱應力作用下彎曲。在鋁膜和硅的接觸面上產生剪切應力,使得位于硅懸臂梁根部表面的壓阻的阻值發生變化。其基本原理如圖1所示,由于結構中的絕緣介質層很薄,懸臂梁形變主要受鋁和硅材料的影響[4],鋁的熱膨脹系數遠大于硅。當溫度上升時,復合梁向下彎曲,如圖1(a)所示,溫度下降時,復合梁向上彎曲,如圖1(b)所示。

圖1 復合梁感溫機制

復合梁的形變會在根部壓阻上產生應力變化。壓阻的變化最后通過惠斯登電橋讀出。基本的惠斯頓電橋由4個連接成環狀的電阻組成。兩個電阻分別隔開了兩個節點,輸入電壓加在這兩個節點之間,另外兩個節點之間的電壓降構成了輸出,環中的一個或多個電阻可以是敏感電阻,其阻值隨著設定的變量而變化。通過一系列公式推導,可得惠斯通電橋的電壓輸出U0與環境溫度T的關系為[5]:

U0=kIπ(1-μ)(α1-α2)(T-T0)

(2)

式中:k為系數常量,由材料特性確定,π為壓阻系數,μ為硅材料的泊松比,(α1-α2)為鋁材料與硅材料的熱膨脹系數差。當傳感器的各個參數確定后,上式中除溫度T外均為定值,所以電橋的輸出電壓與待測溫度T成線性關系。

當溫度從-20 ℃增加到40 ℃時,懸臂梁的最大位移會減小而壓阻上的最大應力會增加。懸臂梁的長度顯著影響著懸臂梁的最大位移矢量,但是壓阻上的最大應力幾乎與懸臂梁的長度無關[6]。所以,在保證靈敏度不變情況下,傳感器的尺寸可以進一步被減小。

圖2 壓阻式復合懸臂梁溫度傳感器結構

圖2給出了懸臂梁以及壓阻。圖示結構主要包括以下幾個部分:硅襯底、壓阻、二氧化硅、氮化硅、鋁膜溫度敏感層等。

2 傳感器制備工藝

本文的傳感器采用懸臂梁結構,通常制作懸臂梁的方法是采用SOI硅片,背面腐蝕的方法,然后釋放結構。本文通過外延封腔工藝形成單面加工,表面微機械成型的懸臂梁結構[7],其優點在于傳感器集成度高,工藝誤差小,傳感器一致性好,利于批量生產。

2.1 材料的選擇

為了提高壓阻的溫度響應,本文設計了多層懸臂梁復合結構。當溫度變化時,由于多層材料的熱膨脹系數的差異而導致復合梁的形變,進而對壓阻產生較明顯的應力作用,提高傳感器的靈敏度。所以,選擇合適的懸臂梁材料能夠優化傳感器的靈敏度。

盡管懸臂梁很容易通過多晶硅表面加工工藝制得,但是往往很難控制多晶硅層中的殘余應力和應力梯度。單晶硅是微機械系統中較為常見的機械材料。本文中壓阻上的懸臂梁為一層單晶硅微機械層[8],通過硅的外延工藝制得,能夠保證敏感結構具有優秀的機械性和壓阻特性。鋁材料常被用于集成電路中的電學連接,制備工藝非常成熟。而且鋁的熱膨脹系數分別是硅和二氧化硅的10倍和50倍左右。所以本論文中采取鋁膜作為感溫結構的敏感材料。

2.2 傳感器的制備工藝

懸臂梁結構是通過外延單晶硅表面微加工工藝制備而得[9]。傳感器具體加工工藝過程是:首先,通過各項異性的干法腐蝕工藝制得通孔陣列,然后,通過通孔陣列采用各項同性的根切工藝形成空腔,如圖3(1);第二,通過低壓化學氣相沉淀形在硅片上形成外延硅,完成密封,如圖3(2);第三,通過硼擴散工藝形成作為應力敏感元素的壓阻模塊,如圖3(3);第四,通過重摻雜工藝形壓阻上的歐姆接觸,如圖3(4);第五,通過淀積工藝形成LPEOS和LPSiN的復合膜,如圖3(5);第六,通過刻蝕形成電介層,如圖3(6);第七,電鍍形成鋁膜層,并通過刻蝕形成用于電學連接的焊盤,如圖3(7);最后,通過正面的干法腐蝕工藝釋放懸臂梁結構,如圖3(8)。實際中,在硅的外延工藝后,傳感器的制備是采用了標準的CMOS工藝技術,最后通過MEMS后處理工藝完成了懸臂梁結構的釋放。

圖4給出了壓阻式復合懸臂梁溫度傳感器的SEM照片。復合懸臂梁的尺寸為100μm×400μm。垂直放置的兩對壓阻式懸臂梁形成了惠斯通電橋形式。壓阻單元制作在每個懸臂梁固支端中心位置以最大化壓阻上所受的應力。懸臂梁結構是由Al/電質介/Si復合而成。

圖3 基于硅外延工藝的壓阻式懸臂梁制作工藝

圖4 壓阻式懸臂梁的SEM圖

通過與前處理工藝以及后處理工藝結合,本文提出的溫度傳感器可以與CMOS工藝兼容[10]。傳統的體加工工藝需要從背面掏腔和雙面對準技術形成懸臂梁結構,形成的懸臂梁尺寸精度較低。通過MEMS表面微加工形成懸臂梁溫度敏感結構,傳感器只需進行單面加工,節省芯片面積同時提高了加工精度[11]。

3 傳感器測試系統

傳感器在控溫恒溫槽中進行了測試,通過測試電路將傳感器溫度響應進行輸出,對傳感器性能進行了驗證。

3.1 測試電路系統設計

本論文設計的壓阻式溫度傳感器的輸出為惠斯通電橋結構,傳感器的測試采用開環連接方式,如圖5所示,傳感器共有5只輸入輸出引腳[12]。

圖5 開環式惠斯登電橋測試原理

在選擇電橋的供電方式上,這里選擇溫漂較小的恒流源供電方式。電橋的一組對角線實現供電,恒定電流I1、I2分別從a端和e端流入電橋。另一組對角線是傳感器的信號輸出端,b端和d端。圖5中的c端接地。由于該輸出信號是mV級的,如果將此微弱信號直接輸入到單片機內部,將無法被采集到,所以需要一個放大器將信號放大,然后輸入到單片機。單片機采集到的數據通過串行的方式,經過數據線SDA和時鐘線SCL將數據通過液晶顯示出來。整個測試電路系統的原理圖如圖6所示。

圖6 測試電路系統原理圖

電路中的電壓放大器采用的是AD623集成單電源儀表放大器。放大器的增益通過外接電阻設置成100倍,放大傳感器輸出的微弱信號。放大器的參考電平可以平移調整放大器的輸出電壓區間,通常設置成MCU供電電壓的一半。系統中的MCU采用SiliconLabs公司的C8051F350單片機。在電路中,單片機的作用是:提供給傳感器兩個恒定電流;放大器輸出電壓的ADC采樣;實現與液晶顯示的串口通信。供電模塊是采用LM1117-3.3DC-DC芯片實現3.3V的供電電壓。

通過單片機控制實現ADC采樣、串口通信以及恒定電流的提供等功能的調用[13]。采用模擬I2C方式實現與液晶模塊的串口通信。單片機采集的數據最后通過液晶顯示出來。由于歐姆效應,電阻存在自加熱作用,影響溫度響應的準確度。所以,電橋輸入采用脈沖式電流供電,如圖7所示。這樣既避免了自加熱效應又大幅度的降低了功耗。

圖7 惠斯通電橋的脈沖式供電

圖8給出了搭建好的整個測試系統,圖中的控溫恒溫槽用于產生不同的溫度條件。

圖8 測試系統和讀出電路

3.2 測試結果

為了便于對比,文中給出了無可動結構的固定式壓阻結構和懸臂梁式壓阻溫度傳感器的測試結構。傳感器的測試溫度范圍為-20 ℃～40 ℃。

圖9 懸臂梁式壓阻感溫敏感特性和固定式壓阻感溫敏感特性

從圖9可以看出,無可動結構的固定式壓阻結構和懸臂梁式壓阻溫度傳感器都具有單調線性的溫度響應。但是比較后發現,采用懸臂式的壓阻傳感器的靈敏度有了較大的提高,大約為9.2mV/℃。相比于固定式結構(1.3mV/℃),靈敏度約提高了7倍。當靈敏度明顯提高后,測溫的精確度會有明顯地提高。同時,懸臂梁式的壓阻傳感器有著較好的線性度,簡化了后期的溫度標定過程。

圖10中的曲線為懸臂式壓阻溫度傳感器多次測量的結果。實驗中對懸臂式壓阻溫度傳感器進行了四輪反復升溫和降溫測量,傳感器的輸出特性保持一致。顯示出較好的重復性。

圖10 懸臂式壓阻溫度傳感器長期可靠性測量

4 結論

本文的壓阻式懸臂梁采用表面微加工工藝制得,傳感器結構主體為外延單晶硅材料。相比于體加工工藝,尺寸精度有了較大地改善。采用了復合懸臂梁結構,溫度傳感器的靈敏度為9.2mV/℃,相比于固定式壓阻結構有較大的提高,可以用于溫度測量。在-20 ℃～40 ℃的測量范圍內,溫度傳感器表現出較好的線性度和重復性,具有較好的性能。

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A Surface Micromachined MEMS Temperature Sensor*

LIUQinghai,HUANGJianqiu*

(Key Laboratory of MEMS of the Ministry of Education,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Presented a surface micromachined MEMS temperature sensor. Its basic principle was:Composite cantilever beamsbent with thermal stresses induced by differences of thermal expansion coefficients. The stresses in thepiezoresistors changed with the deformation of beams and a voltagewas output by the Wheatstone bridge to characterize the temperature. Compared with other temperature sensors,the piezoresistivemicromachined temperature sensors had advantages of higher sensitivity,smaller size and higher precision. The paper reported the design principle,fabrication process and the signal conditioning circuitof the sensor. According to the test results,the sensitivity ofthe sensor is 9.2 mV/℃ and it presents excellent repeatability.

piezoresistiveeffect;cantilever;surface micromachining;temperature sensor

劉慶海(1988-),男,碩士研究生,主要從事MEMS溫度傳感器的研究,liuqh_yz@163.com;

黃見秋(1981-),男,副研究員,主要從事CMOS MEMS、微型溫度傳感器、微型濕度傳感器、傳感器測試結構等方面的研究,hjq@seu.edu.cn。

項目來源:國家863計劃項目(2012AA040502)

2015-01-06 修改日期:2015-02-10

C:7320R

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.005

TP212.1

A

1004-1699(2015)03-0325-05