一種航空配套微壓傳感器芯片設計及制備

李 闖,趙立波,王尊敬,徐留根,張 磊,涂孝軍

(1.蘇州長風航空電子有限公司,傳感器事業部,蘇州 215151; 2.西安交通大學,機械制造系統工程國家重點實驗室,西安 710049)

近年來,微壓傳感器因其具有體積小,重量輕,靈敏度高等優點,被廣泛應用于風洞測試、飛行器高度檢測和生物醫學等領域[1-2]。例如,在監測飛行器高度過程中,壓力與高度成線性變化關系,通過測量飛行器所在環境的壓力便可以反映出飛行器高度的變化。在此過程中,大氣壓力將從數百千帕變化到幾百帕,這就需要傳感器具有很高的靈敏度和線性度來反映微小壓力的變化,進而提供準確的高度變化[3]。

壓力傳感器的關鍵結構為芯片可動膜片,在相同的壓力下,膜片局部應力集中程度越高,壓敏電阻感受到的拉壓應力越多,傳感器的靈敏度指標就越高[4]。同時,為避免傳感器非線性誤差隨著靈敏度的增加而增加,需要同時降低敏感膜片中心的應變,這就需要增加膜片局部位置的剛性,限制膜片中心處的位移過大[5]。因此,如何解決靈敏度與線性度的固有矛盾,設計出高靈敏度、高線性度的傳感器,是保證傳感器微小可靠、精確測量的關鍵。

在微壓芯片設計方面,近年來國內外均研制了多種結構的可動膜片以提高其靈敏度和線性度。西安交通大學蔣莊德課題組先后設計了CBM[6]、BMMI[7]、BMDI[8]、BMQI[9]等梁膜一體化結構,有效提高了壓力芯片的輸出電壓和線性度。Park等[10]通過優化壓力芯片可動膜片的尺寸,目的是大幅提高壓力傳感器的輸出特性。Kumar等[11]通過設計的環形溝槽結構壓力芯片,有效的同步提高了傳感器的輸出靈敏度和精度。

本文介紹了一種新型溝槽梁膜雙重應力集中結構微壓傳感器芯片及其制備方法,傳感器能夠對微壓(0～1 psi)進行精確測量,并具有高靈敏度和高線性度的輸出特性,可以滿足飛行器高度、風洞測試等高靈敏度高線性度微壓測試的要求。

1 芯片設計及仿真

1.1 理論基礎

硅壓阻壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應制成的。該傳感器的核心部分是一塊單晶硅膜片,在硅膜片特定方向上擴散四個等值的半導體電阻,即R1,R2,R3,R4,并連成惠斯通電橋。在初始無壓力作用時,4個壓敏電阻R1=R2=R3=R4=R,零點輸出電壓的理論值為0。當有壓力作用時,可動膜片發生變形,使得4個電阻的阻值發生變化,其中R1、R3減小,R2、R4增大,假設電阻的變化量|ΔR|相等,則輸出電壓可轉化為:

式中:πl為縱向壓阻系數,πt為橫向壓阻系數,σl為材料的縱向應力,σt為材料的橫向應力。

為了獲得較高的靈敏度,本文選用P型硅材料沿(100)晶面的<110>晶向排布制作壓阻。此時壓阻系數可以表達為:

(2)

則惠斯通電橋的輸出電壓可表達為:

由式(4)可知,輸出電壓Uout正比于應力變化(σl-σt),則靈敏度S亦正比于應力變化(σl-σt)。

非線性誤差體現的是壓力傳感器輸出的線性程度,如圖1所示。其定義為:

式中,PNL為非線性誤差值,ΔUmax為實際輸出與理論輸出的最大偏差值,Uom為滿量程輸出。

1.2 芯片設計

壓力芯片選用N型(100)SOI作為基底材料,芯體感知壓力面均勻分布著四段不連續90°彎折的溝槽,這里將不連續處定義為肋板,如圖1(a)所示。芯體感知壓力反面中心處刻蝕出一個十字梁剛性結構,如圖1(b)所示。

圖1 壓力芯片三維圖

圖2 壓力芯片正視圖和剖視圖

1.3 芯片仿真分析

為了更好的顯示壓力芯體可動膜片的結構尺寸,芯片正視圖和剖視圖如圖2所示。其中,L為可動膜片邊長,H為可動膜片厚度,b為溝槽寬度,g為溝槽深度,a為十字梁寬度,h為十字梁厚度?；谇捌诘脑O計經驗[12-15],芯體的結構尺寸(μm)大致范圍如下:

利用COMSOL Multiphysics?進行非線性靜態分析及模態分析。由于正方形膜片呈上下左右對稱結構,為減少計算量并提高計算效率,只需選取二分之一建模并設置邊界條件,如圖3所示。結果表明,應力集中發生類兩個溝槽的不連接處,即肋板處。將壓敏電阻置于此處,可以有效提高傳感器的靈敏度。同時,根據應力分布情況,可動膜片90%以上的應力均集中在肋板附近,這表明本文模型可以最大限度的集中應變能,提高壓敏電阻感受應變的效率。在承受1 psi(1 psi=6 895 Pa)載荷作用下,敏感膜片的等效應力約為52.5 MPa,約為400個微應變,從而使傳感器具有較高的靈敏度。

圖3 壓力芯片可動膜片等效應力分析

為提高傳感器的線性輸出的精度,需要參考小變形理論進行芯體結構尺寸的設計,即膜片中心最大應變尺寸需小于膜片厚度的1/10,否則傳感器的線性輸出將變為非線性輸出,影響測壓精度[16]?？蓜幽て牡刃兦闆r如圖4所示,膜片中心最大應變為2.81 μm,小于膜片自身厚度的1/10,滿足小變形理論形變要求,使得傳感器具有較高的線性度。

1.4 芯片結構尺寸優化

由于壓力傳感器的靈敏度和線性度分別與可動膜片的應力和應變直接相關,本節將把應力和應變作為傳感器靈敏度和線性度的主要分析對象。利用仿真分析,結構尺寸可變參數均和膜片應力應變成線性變化關系,如圖5所示。因此,通過仿真分析,可以得到可動膜片尺寸參數對于等效應力應變的影響規律。

圖4 壓力芯片可動膜片等效應變分析

圖5 芯片尺寸變量對于等效應力和等效應變的影響

通過綜合分析各尺寸變量對于等效應力及應變的影響,可動膜片主要尺寸膜片邊長與膜厚對于等效應力和應變的影響規律一致,即膜片等效應力、應變均隨著膜片邊長與膜厚尺寸的增加而增加,這說明膜片邊長與膜厚對于傳感器靈敏度和線性度的影響規律相反,為充分平衡傳感器靈敏度和線性度間的矛盾,最終確定可動膜片的尺寸如表1所示。

表1 可動膜片優化后的尺寸

2 芯片制備及封裝

壓力芯片的制備方法包括如下步驟:選用SOI硅片作為芯體材料,使用4H2SO4∶1H2O2清洗硅片表面后,將其置于1 000 ℃高溫爐中,時間為30 min,形成(300±20)nm SiO2絕緣層。通過離子注入工藝,制備P型壓敏電阻條,離子注入濃度為4.86×1014atoms/cm,離子注入能量為70 keV,經1 000 ℃、30 min退火后,壓敏電阻方阻阻值為(210±10)Ω/Sq。利用低壓力化學氣相沉積工藝,在硅片正反面沉積(200±20)nm Si3N4保護層。制備惠斯通電橋,需要在硅片正面測控濺射Cr-Au層,之后通過光刻工藝制備金屬導線并同時制備焊盤,Cr層厚度為50 nm,Au層厚度為200 nm。利用正面刻蝕版,對上層單晶硅進行光刻,之后采用反應離子刻蝕RIE制備溝槽圖形,刻蝕速率為1.8 μm/min,刻蝕時間為5 min。硅片背面采用深硅刻蝕DRIE工藝,為保證十字梁結構的尺寸精度,刻蝕步驟分為兩步:第一步,利用第一張掩膜版刻蝕十字梁圖形,刻蝕深度為35 μm;第二步,利用另一張掩膜版,深刻蝕敏感膜片應變腔體,刻蝕深度為300 μm。最后,利用真空鍵合工藝,將硅片基底與BF33玻璃進行真空鍵合,形成密封真空腔體。最終制備的壓力芯體實物圖如圖6所示。

圖6 壓力芯片實物圖

壓力芯片在封裝結構上采用薄膜隔離充油封裝工藝,在油腔與波紋片所形成的密閉容腔里面填充高溫硅油,利用硅油的不可壓縮性能與膜片良好的線性位移特性,外界壓力直接作用于波紋膜片,并通過膜片傳遞到硅油,最后由硅油將壓力傳遞給芯片。通過采用這一隔離式結構,可避免被測介質與敏感元件的直接接觸,在提高傳感器的穩定性的同時提升其適應能力。為了測試壓力傳感器的輸出性能,需要將壓力芯體組件裝配到傳感器中。傳感器主要由壓力芯體、管接頭、外殼、后蓋及插座組成。壓力傳感器的裝配實物圖如圖7所示。

圖7 壓力傳感器裝配實物圖

3 測試結果與分析

傳感器裝配結束后,需測試傳感器的靜態性能,主要包括橋臂電阻、零點輸出、滿量程輸出、靈敏度、非線性誤差、重復度、遲滯、綜合精度及傳感器重量,測試結果如表2所示。

表2 壓力傳感器靜態性能

測試結果表明,本文設計的微壓傳感器具有較高的靈敏度和線性度,實現了靈敏度和線性度的同步提高,解決了傳統壓力芯片靈敏度與線性度之間的固有矛盾,滿足了飛行器高度等高靈敏度和高線性度微壓測試的需求。

圖8 壓力芯片截面結構應力分析

本文所設計的芯片結構之所以會獲得高靈敏度線性輸出,源于其可動膜片的特殊結構。圖8(a)所示為在無加載狀態時,壓力芯體的截面結構圖。假設芯體只有溝槽結構,當壓力作用在敏感膜片時,由于肋板上方左右結構厚度不一致,導致剛度不同,因此在肋板上下產生兩個作用力,即f1和f2,肋板處發生第一次應力集中,如圖8(b)所示。假設芯體只有十字梁結構,肋板下方同樣出現剛度不一致,在肋板上下仍然產生兩個作用力,即f3和f4,肋板處發生第二次應力集中,如圖8(c)所示。正是由于敏感膜片的特殊結構,使得肋板處發生兩次應力集中過程,通過應力疊加,從而增大了壓敏電阻的應力變化量,有利于傳感器靈敏度的提高。此外,敏感膜片背面十字梁增大了可動膜片局部剛度,降低了敏感膜片中心的位移,明顯改善了傳感器的線性度。通過正面溝槽結合背面十字梁雙重應力集中結構的設計,傳感器的靈敏度和線性度實現了同步提高,保證了傳感器的精確測量。

4 結論

本文采用曲線擬合優化結構尺寸并結合MEMS加工工藝制作出了具有高靈敏度和高線性度特點的壓力傳感器。其芯片為溝槽梁膜雙重應力集中結構,在提升應力集中效果的同時,降低了可動膜片中心應變,改善了壓力傳感器靈敏度與線性度之間的內在矛盾。根據試驗結果得到傳感器的靈敏度為30.9 mV/V/psi,非線性誤差為0.25%FS,綜合精度為0.34%FS,滿足飛行器高度、風洞測試等高靈敏度和高線性度微壓測試的需求。