基于MEMS工藝的SOI高溫壓力傳感器設計*

李丹丹，梁　庭，李賽男，姚　宗，熊繼軍*

（1.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

基于MEMS工藝的SOI高溫壓力傳感器設計*

李丹丹1，2，梁庭1，2，李賽男1，2，姚宗1，2，熊繼軍1，2*

（1.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051；
2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

利用MEMS（微機電系統）工藝中的擴散，刻蝕，氧化，金屬濺射等工藝制備出SOI高溫壓力敏感芯片，并通過靜電鍵合工藝在SOI芯片背面和玻璃間形成真空參考腔，最后通過引線鍵合工藝完成敏感芯片與外部設備的電氣連接。對封裝的敏感芯片進行高溫下的加壓測試，高溫壓力測試結果表明，在21℃（常溫）至300℃的溫度范圍內，傳感器敏感芯片可在壓力量程內正常工作，傳感器敏感芯片的線性度從0.9 985下降為0.9 865，控制在較小的范圍內。高溫壓力下的性能測試結果表明，該壓力傳感器可用于300℃惡劣環境下的壓力測量，其高溫下的穩定性能為壓阻式高溫壓力芯片的研制提供了參考。

高溫壓力傳感器；壓阻；敏感薄膜；SOI（絕緣體上硅）；MEMS（微機電系統）

EEACC:7110；7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.009

高溫MEMS敏感器件由于可靠性高，在軍事上廣泛被采用［1］。硅壓力傳感器作為微型傳感器中一種，利用半導體材料的壓阻效應和良好的彈性，通過集成電路工藝和微機械加工工藝等MEMS加工工藝研制，在近幾年得到了快速廣泛的發展［2-4］。絕緣體上硅（Silicon on Insulator，SOI）高溫壓力傳感器是一種新型的半導體高溫壓力傳感器，它比擴散硅壓力傳感器具有更高的工作溫度，比多晶硅高溫壓力傳感器具有更高的靈敏度，具有耐高溫、抗輻射和穩定性好等優點［5］，能夠解決石油、汽車、航空和航天等領域對高溫壓力傳感器的迫切需求，在高溫領域有很大的潛力［6］。但是，SOI高溫壓力傳感器在高溫下工作性能不是很穩定，自發熱問題嚴重，這是SOI壓阻式高溫壓力傳感器的研究重點［7］，同時由于SiO2和Si的熱膨脹系數相差較大，溫度變化時，內部產生熱應力會引起傳感器的零點溫度漂移［8］。

本文在SOI商用晶圓基礎上，針對一種經MEMS工藝優化設計制備的耐高溫SOI壓力敏感芯片，在不同溫度下對其進行不同載荷的性能測試，分析并比較了傳感器在高溫高壓載荷下輸出電壓信號的影響。

1　SOI壓阻式壓力傳感器工作原理

該SOI高溫壓力傳感器是基于單晶硅材料的壓阻效應而制成的一種傳感器，對于SOI晶圓而言，當選用（100）面作為制作傳感器的基準面，在其在受到外力作用時，其電阻的相對變化可簡化為［9］:

式中:σl、σt分別表示電阻內部所受到的縱向應力和橫向應力（N/m2）；68.8、-69.3分別為硅的縱向壓阻系數和橫向壓阻系數（m2/N）。

采用如圖1所示的惠斯通電橋測量，輸入電壓Vin不變，輸出電壓Vout可表示為:

零點輸出情況下，Vout為零，即:

R1R3-R2R4=R1（1+?1T）R3（1+?3T）-

R2（1+?2T）R4（1+?4T）=0（3）

式中:?1代表橋臂電阻的電阻率溫度系數，此條件下可通過合適的摻雜濃度值使得引起零點溫度漂移的惠斯通電橋橋臂上各電阻阻值和溫度系數差異性忽略不計。

當敏感薄膜收到外力作用產生形變時引起表面電阻阻值發生改變，此時的電橋輸出為:

式中:Rp1為敏感薄膜形變引起的橋臂電阻增量，由于半導體壓阻效應的各向異性，可通過特殊工藝使得 R1=R2=R3=R4=RP，ΔRP1=ΔRP2=ΔRP3=ΔRP4=ΔRP此時的輸出電壓可表示為:

通過對壓力傳感器加載一定的壓力信號，當該壓力使得傳感器敏感薄膜產生形變時，惠斯通電橋的輸出電壓會發生改變。因此，通過拾取輸出電壓信號隨加載壓力變化的特點，就可以間接測出外界壓力信號值。

圖1　惠斯通電橋

2　SOI壓阻式壓力傳感器設計

為了保證傳感器高溫下的性能穩定性，我們通過設計合理的傳感器參數和結構，保證傳感器在正常溫度內能夠準確工作，以實現對傳感器的優化。

2.1壓敏電阻和敏感薄膜厚度設計

從微加工角度來看，擴散雜質表面濃度的大小影響著電阻條的溫度系數和應變計溫度系數，當應變為ε時，P型硅電阻的摻雜濃度影響電阻的溫度系數（TCR）和電阻的應變計溫度系數（TCG）溫度變化值之間的關系式為［10］:

式中:G為剪切模量，α為TCR，β為TCG。

若滿足α+β=0，由電阻及應變計因子引起的溫度漂移將得到補償，通過實驗得到的摻雜濃度值為3×1018cm-3和2×1020cm-3，選擇3×1018cm-3的濃度對電阻條進行擴散，同時歐姆接觸區域選擇2×1020cm-3的濃度進行擴散。為盡量降低自加熱產生的熱量，并使電阻的產熱和散熱達到平衡，單位面積功耗Ps≤5×10-3mW/μm2［11］，又單位面積功耗的表達式為:

式中:Vin為輸入電壓，為5 V，Rs代表方塊電阻，L和W分別表示電阻條的長和寬。該商用SOI晶圓頂層硅厚度為2 um，經過計算可得摻雜后的方塊電阻Rs= 107.5 Ω，代入式7，可得L≥108 μm。

又單個電阻值的表達式為:

式中:ρ代表電阻率，當摻雜濃度控制在3×1018cm-3時，ρ=0.021 5 Ω·cm，d表示頂層硅厚度，d=2 μm，代入式（8），可得W≥8 μm。

對于方形硅薄膜來說，如要滿足薄膜變形的小撓度理論模型，則薄膜表面最大應力差值應滿足［12］:

可以得到:

式中:P表示量程2 MPa，a表示敏感膜邊長1 000 um，h表示敏感膜厚度，表示泊松比0.278，σm表示硅的破壞應力，為6×109N/m2，代入式10，可得h≥15.7 μm。

考慮到加工水平和工藝尺寸限制，在設計中選擇使用L=150 μm，W=10 μm，聯合深硅刻蝕工藝和敏感薄膜過載保護，使得敏感膜厚度h=50 μm。如圖2所示。

圖2　電阻條電子顯微鏡掃描圖

2.2金屬引線設計

從集成電路制造早期開始就選擇鋁作為金屬互連的材料，以薄膜的形式在硅片中連接不同器件，鋁作為互連線有較低電阻率，廉價，工藝兼容等優點，隨著芯片集成度越來越高，互連線的特征圖形尺寸越來越細，鋁已經不能滿足現代高性能、高集成度的VLSI對互連線材料的要求，其根本原因是鋁具有的電遷徙問題以及電阻率的限制，同時鋁熔點僅為600℃，導致在淀積完鋁膜后不能再對硅片進行高溫處理，使得工藝靈活性有所降低。為了保證金屬引線在高溫環境下的性能，同時為了避免金屬與半導體在接觸中形成金屬與半導體的化合物，采用物理氣相沉積（PVD）的Ti/Pt/Au三層金屬的結構，粘附層金屬鈦可以很好的阻擋金屬在硅材料的擴散，同時在半導體和金屬之間有很好的附著能力。金屬互連線，如圖3所示。過渡層金屬鉑（Pt）可以防止金（Au）與鈦（Ti）之間形成高阻化合物。金（Au）作為導電層，在高溫下有有較好的高溫穩定性，可以有效解決在高溫惡劣環境下，焊盤和引線力學和電學性能不穩定的情況。

圖3　金屬互連線示意圖

3　SOI壓阻式壓力傳感器制備

在SIMOX技術商用SOI晶圓的基礎上，通過如圖4所示的加工工藝流程，制備得到耐高溫SOI壓力敏感芯片。

圖4　工藝流程圖

先對SOI晶圓摻雜，然后用ICP刻蝕機刻蝕出電阻條（圖4（a）），再做氧化層保護電阻，腐蝕出電極孔并對歐姆接觸區進行重摻雜（圖4（b）），其次通過金屬濺射的方法布好金屬互連線并對SOI晶圓背面深硅刻蝕（圖4（c），4（d）），然后跟Pyrex玻璃陽極鍵合形成密閉參考壓力腔（圖4（e）），最后經過跟外部引線鍵合后形成最終的耐高溫壓力傳感器芯片，如圖5所示。

圖5　芯片正面和背面示意圖

圖6　常溫下的加壓測試

4　測試分析及討論

首先對傳感器進行常溫下的加壓測試，測試平臺如圖6（a）所示，傳感器置于壓力罐內，通過外部引線連接到5 V恒壓源和高精度萬用表（Agilent 34410A），壓 力 罐 通 過 壓 力 控 制 器（Druck PACE5000）對其進行加壓控制。為避免壓力控制器加壓過程中可能帶來的測量誤差，我們設定加壓步進為50 kPa，在壓力從0～600 kPa的加壓過程中，傳感器的輸出電壓隨外部氣壓變化如圖所示，由于是初次測試，傳感器的敏感膜剛開始產生形變，所以在第一次氣壓上升過程中，測試數據偏離，氣壓繼續增大時，數據恢復正常。從圖6（b）可以看出，隨著外部氣壓的上升，傳感器的輸出電壓也跟著上升，在0～600 kPa的測試壓力范圍內，傳感器的輸出電壓－外部氣壓曲線呈現出良好的線性特征，常溫常壓下的零位輸出為47.16 mV，對測量得到的輸出電壓－外部氣壓數據進行線性擬合，線性擬合度為0.998 5，氣壓上升時的靈敏度為1.364×10-4mV/Pa，氣壓下降時的靈敏度為1.345×10-4mV/Pa，遲滯性小于0.4%。

然后對傳感器進行高溫下的加壓測試，其高溫（300℃）壓力測試裝置如圖7（a）所示，通過JT-300高溫真空壓力爐提供一個高溫高壓的測試環境，SOI壓力傳感器置于高溫壓力爐中，傳感器檢測電路通過高溫壓力爐頂部的接插件和外部恒壓源與高精度萬用表（Agilent 34410A）相接，通過讀取輸出電壓值隨施加氣壓的變化，研究高溫高壓下傳感器的性能參數。鑒于儀器限制，300℃的高溫環境下，在0～500 kPa的測試壓力范圍內，傳感器的輸出電壓－外部氣壓曲線如圖7（b）所示，此時的輸出電壓為72.62 mv，對測量得到的輸出電壓－外部氣壓數據進行線性擬合，線性擬合度為0.986 5，氣壓上升時的靈敏度為，氣壓下降時的靈敏度為，遲滯性小于0.54%。

對比常溫環境可以發現，300℃的高溫環境下，傳感器的零位輸出電壓和靈敏度均產生了一定的漂移，同時由于制作工藝的誤差，常溫下傳感器的零位輸出電壓不為零。對不同溫度-傳感器零位輸出和不同溫度-傳感器靈敏度輸出數據進行線性擬合，擬合曲線如圖8（a）、8（b）所示，可知不同溫度下傳感器的零位和靈敏度均產生漂移，所以后期應用時，需外接電阻對傳感器的零位、零位溫漂以及靈敏度溫漂進行補償。

圖7　高溫下的加壓測試

圖8　不同溫度下的傳感器零位輸出和靈敏度輸出擬合曲線

5　結論

本文設計并制備了一種基于SOI的高溫壓力傳感器，通過對制備的傳感器進行常溫高壓和高溫高壓的測試，得到并討論了該傳感器的高壓性能參數，探討了不同溫度下的加壓環境中傳感器的非線性誤差，遲滯性和靈敏度。隨著溫度的升高，傳感器的產生一定的溫度漂移，在21℃（常溫）至300℃的溫度范圍內，傳感器敏感芯片可在壓力量程內正常工作，其輸出電壓－外部氣壓曲線呈現出良好的線性特征，具有良好的輸出特性，這為合理設計、應用SOI微結構壓力傳感器提供了一種參考依據。

［1］ 耿振亞，宋國慶，張冬梅.基于MEMS實現SOI壓力傳感器的工藝研究［J］.傳感器世界，2010，16（1）:28-31.

［2］ 姜潤翔，張曉兵，龔沈光.泥沙掩埋對壓阻式壓力傳感器的影響及其對策研究［J］.傳感技術學報，2013，26（8）:1178-1182.

［3］ Giulio Fragiacomo，Kasper Reck，Lasse Lorenzen.Novel Designs for Application Specific MEMS Pressure Sensors［J］.Sensors，2010，10（11）:9541-9563.

［4］ 史曉晶，陳德勇，王軍波.一種新型微機械諧振式壓力傳感器研究［J］.傳感技術學報，2009，22（6）:790-793.

［5］ 海潮和，韓鄭生，周小茵.提高SOI器件和電路性能的研究［J］.半導體學報，2006（S1）:322-327.

［6］ 張曉莉，陳水金.耐高溫壓力傳感器研究現狀與發展［J］.傳感器與微系統，2011，30（2）:1-4.

［7］ Guo S W，Harald E，Kimiko C.High Temperature Smart-Cut SOI Pressure Sensor［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2009，154 （2）:255-260.

［8］ 許高斌，李凌宇，陳興，等.SOI基納米硅薄膜超微壓壓力傳感器研究［J］.電子測量與儀器學報，2013，27（12）:1107-1113.

［9］ 王偉.SOI高溫壓力傳感器設計及制備技術研究［D］.中北大學，2013:8-9.

［10］Guo S W，Tian X D，Wang W.Temperature Characteristics of Microcrystalline and Polyerystalline Silicon Pressure Sensor［J］.Sensors and Actuators A:Physical，1990，21（1）:133-136.

［11］孫以材，劉玉嶺，孟慶浩.壓力傳感器的設計制造與應用［M］.北京:冶金工業出版社，2000，4:126-127.

［12］San Haisheng，Zhang Hong，Zhang Qiang，et al.Silicon-Glass-Based Single Piezoresistive Pressure Sensors for Harsh Environment Applications［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2013，23（7）:75020-75027.

李丹丹（1991-），女，湖南岳陽人，中北大學儀器與電子學院碩士研究生，精密儀器及機械專業，導師熊繼軍老師，副導梁庭老師，主要研究方向為SOI高溫硅壓阻式壓力傳感器的設計和制備，對硅壓阻式壓力傳感器的工作原理和制備過程有一定的了解，熟悉MEMS加工工藝流程和工藝設計等；

梁庭（1979-），男，山西長治人，博士，副教授，主要從事MEMS高溫壓力傳感器、微光學集成氣體傳感器、寬禁帶半導體傳感器以及MEMS微加工工藝等的研究；

熊繼軍（1971-），男，湖北浠水人，博士，教授，主要從事納機電器件基礎研究、微系統集成和動態測試技術等方面的研究，xiongjijun@nuc.edu.cn。

Design of SOI High Temperature Pressure Sensor
Based on MEMS Process*

LI Dandan1，2，LIANG Ting1，2，LI Sainan1，2，YAO Zong1，2，XIONG Jijun1，2*
（1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

By using the process of diffusion，etching，oxidation，sputtering in MEMS（micro electro mechanical system）process，the SOI high temperature pressure sensor chip is prepared，and the vacuum chamber is formed between the back of sensor chip with the glass through the electrostatic bonding process，finally the sensor chip and the peripheral equipment is connected through the wire bonding process.Test the packaged sensor chip under high temperature with high pressure，the test results shows that in the temperature range 21℃（at room temperature）to 300℃，the sensor chip can work normally in the pressure scale，the linearity of the sensor chip is decreased from 0.9 985 to 0.9 865，controlled in a small range.The performance test results under high temperature pressure shows that the pressure sensor can be used for pressure measurement in 300℃harsh environment，the stable performance under high temperature has provided reference for the development of piezoresistive pressure chip.

high temperature pressure sensor；piezoresistance；sensitive membrane；SOI（Silicon on Insulator）；MEMS（Micro Electro Mechanical System）

TN305.1

A

1004-1699（2015）09-1315-06

項目來源:國家杰出青年科學基金項目（51425505）

2015-04-08修改日期:2015-07-01