一種用于惡劣環境下的貼片式MEMS壓力傳感器

(1.航空發動機高空模擬技術重點實驗室，四川 綿陽 621700； 2.中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川 綿陽 621700)

在航空發動機高空模擬試驗中，壓力是最常見的測量參數之一，主要包括發動機內流道氣體壓力和油路液體壓力等。目前，航空發動機氣體壓力測量主要采用壓力探針將被測壓力通過一段較長的引壓管與壓力傳感器相連通，由于引壓管的影響，使壓力測量的頻響不高，測量結果也存在滯后現象，限制了對動態范圍進一步擴充的使用要求。因此，最理想的做法就是將壓力傳感器直接集成在壓力探針引壓孔內部，即所謂一體化設計，消除引壓管對壓力測量的影響。然而，該方法實現起來是非常有挑戰性的，具體表現在：壓力探針內部結構緊湊，引壓孔尺寸非常小，同時還要承受較大的氣流沖擊和機械振動等極其惡劣的工作環境。因此，一體化壓力傳感器的小型化以及工作的穩定性和可靠性是其設計的關鍵。

根據工作原理的不同，壓力傳感器可以分為電容式、壓電式、壓阻式、聲表面波式等類型[1]。MEMS壓阻式壓力傳感器以其結構簡單、響應速度快、靈敏度高等突出優點得到廣泛的研究與應用。但將其集成在壓力探針中，并適應惡劣工作環境，仍存在一些影響其穩定性及可靠性的因素：① 傳統的壓阻式壓力傳感器芯片通常是將壓敏電阻制作在敏感膜片的上表面，電阻器直接與外界接觸，其檢測性能極易受到外界雜質的影響，無法保證其工作的穩定性；② 傳統的壓阻式壓力傳感器芯片在封裝時，因其焊盤尺寸小，一般是通過壓焊鋁絲與外電路連接，但壓焊的鋁絲直徑極細(約10 μm)，在振動或氣壓脈動的沖擊下，鋁絲容易脫落或斷裂，導致傳感器的失效，難以有效保證其工作的可靠性。

為了規避上述問題，通常將壓力傳感器芯片封裝在充滿硅油的不銹鋼密閉腔體中，不銹鋼膜片將感知到的壓力通過硅油間接傳遞到壓力傳感器芯片[2]。這種方法雖然有效杜絕了傳感器使用中惡劣環境的影響，但間接傳遞過程極大降低了壓力傳感器的響應速度，而且封裝后整體尺寸非常大，無法集成在壓力探針引壓孔內部。基于此，本文提出了一種新的壓阻式壓力傳感器芯片結構設計方案，將壓敏電阻制作在敏感薄膜下表面，并結合硅-玻璃陽極鍵合技術將壓敏電阻及內部連接電路封裝于玻璃基底的壓力腔中，從而避免外界雜質對壓敏電阻的影響。同時，在薄膜上方設計兩個用于與外部信號處理電路連接的大焊盤，通過錫焊(或釬焊)將傳感器芯片與外部電路連接，極大地提高了連接的可靠性，可有效保證測量過程中信號的傳輸。

1 傳感器芯片的設計

1.1 芯片總體結構設計

針對航空發動機高空模擬試驗中壓力探針與MEMS壓力傳感器一體化集成設計的需求，基于半導體壓阻效應原理，提出了一種高可靠性貼片式壓力傳感器芯片結構設計方案。壓敏電阻由傳統的暴露型改為隱藏型，無需進行復雜的封裝處理，就能實現壓敏電阻與外界惡劣環境的隔離，極大地提高了壓敏電阻阻值在油污、粉塵顆粒等惡劣環境下的穩定性。在此基礎上，為了解決芯片與外部電路連接的鋁絲易斷裂或脫落的難題，將傳統的小焊盤改成大焊盤(尺寸需大于0.5 mm×0.5 mm)，并用錫焊(或釬焊)技術代替傳統的壓焊鋁絲技術來實現與外部電路的連接，提高了壓力傳感器的電氣連接強度，有效降低了傳感器在脈動沖擊和振動環境下的故障率。

傳統壓阻式壓力傳感器通常都制作成全橋型壓力傳感器(即敏感薄膜上由4個橋臂電阻組成一個閉環或開環惠斯通電橋)，需要設計至少4個用于與外部電路連接的大焊盤[3]，傳感器芯片的整體尺寸至少需要增大2倍，使得傳感器芯片無法安裝在壓力探針的引壓孔內部。為了解決錫焊(或釬焊)連接技術與芯片尺寸變大的矛盾，將傳統的全橋型壓力傳感器改成單電阻型壓力傳感器，在敏感薄膜上只制作有一個壓敏電阻和兩個大焊盤，使得芯片既能滿足探針與傳感器一體化設計的小型化需求，又具有較高的可靠性和一定的靈敏度。芯片的總體結構如圖1(a)所示，該芯片主要由玻璃基底、焊盤、壓敏電阻和硅薄膜組成。該傳感器的工作原理如圖1(b)所示，利用恒流源給壓力傳感器壓敏電阻供電，在外界壓力作用下，敏感薄膜發生變形，硅薄膜的壓阻效應使得壓敏電阻阻值發生變化，通過測量電阻兩端的電壓變化即可反映出壓力的變化量。

圖1 壓力傳感器芯片總體結構圖

1.2 芯片詳細參數的設計

1.2.1 薄膜結構尺寸設計

薄膜的形狀通常有方形和圓形兩種，在相同條件下，由于方形薄膜靈敏度比圓形薄膜高，因此芯片敏感薄膜的形狀選為方形[4]。方形薄膜的尺寸設計主要包括：薄膜的邊長和薄膜的厚度。參照壓力傳感器行業的參數標準，滿量程電阻變化率不小于2%。電阻變化率的計算方法為[5]

(1)

式中，π44為壓阻系數，在P型硅中π44=138.1×10-11Pa-1；p為傳感器量程的最大值(此處p=0.7 MPa);a為薄膜的邊長;h為薄膜的厚度。要使壓力傳感器具有較好的線性度，薄膜在壓力作用下需處于小變形狀態下[6]。根據小撓度理論，在均布壓力作用下方形薄膜的最大撓度Wmax計算方法為

(2)

式中，E為楊氏模量，單晶硅材料的楊氏模量為180 GPa；ν為泊松比，單晶硅材料的泊松比為0.28。此外，根據強度設計要求，薄膜最大應力應不大于單晶硅材料屈服應力的30%。方形薄膜的最大應力計算方法為

(3)

式中，σm為屈服應力，單晶硅的屈服應力為2.0 GPa。

根據式(1)～式(3)中可得出方形薄膜邊長與厚度的比值a/h的范圍為13.6～43.7。綜合考慮傳感器的靈敏度和線性度的要求，并在制作工藝條件滿足的情況下，盡量減小傳感器的整體尺寸。最終將傳感器方形薄膜的尺寸確定為：邊長a=400 μm，厚度h=15 μm。

1.2.2 壓敏電阻結構尺寸設計

壓敏電阻形狀一般采用窄條形結構，為了降低壓敏電阻自身的發熱量，單位面積功耗Pc(計算方法見式(4))需控制在5×10-5W/μm2以下[7]。

(4)

式中，I為恒流源電流(此處電流為1 mA)；Rp為壓敏電阻阻值；W、L分別為條形壓敏電阻寬度和長度；Rs為方塊電阻。

為盡量降低溫度變化對壓敏電阻的影響，并綜合考慮摻雜濃度對壓阻系數的影響，最終確定壓敏電阻區域的摻雜濃度為8×1018cm-3。通過試驗測定得到，在該摻雜濃度下，方塊電阻Rs約為200 Ω。根據式(4)可以計算出，條形壓敏電阻的寬度需大于7 μm。因此，將壓敏電阻條寬設計為8 μm，壓敏電阻的阻值Rp一般設計為5 kΩ，結合方塊電阻值計算得到壓敏電阻條長度為200 μm。

1.2.3 壓敏電阻及內部連接電路布局方案設計

為了提高壓力傳感器靈敏度，壓敏電阻布置在晶面為(100)，晶向為<110>的N型硅基底上，并使壓敏電阻盡可能地布置在最大應力區域(即薄膜邊緣中心區域)[8]，將壓敏電阻設計為5折，每折的長度為40 μm。此外，為減小壓敏電阻拐角處負阻效應的影響，對拐角處區域加寬，并進行重摻雜。由于濃硼擴散會使硅表面變得不平整，為了使密閉壓力腔中的電信號與外界形成良好的電連接，又不破壞壓力腔的密封性，在薄膜邊緣設計了過渡區域，該區域使用離子注入代替濃硼擴散實現電連接。其他用于電信號引出區域將進行濃硼擴散，使擴散區域電阻率降低，用于制作連接導線和歐姆接觸的連接錨點。壓敏電阻及內部連接電路在方形薄膜上的布局如圖2所示。

圖2 壓敏電阻及內部連接電路在方形薄膜上的布局圖

2 傳感器芯片的制作工藝

2.1 材料的選擇

傳感器芯片制作材料的選擇是影響傳感器各項性能的重要因素之一。由于在相同摻雜濃度下，P型硅的壓阻系數比N型的高，而溫度系數比N型的小，所以選用P型摻雜來制作壓敏電阻[8]。考慮到壓敏電阻需與襯底形成PN結隔離，因此壓敏薄膜材料選用N型單晶硅。為了簡化工藝流程，選擇絕緣體上硅晶片(SOI)來制作壓敏薄膜，將SOI中的掩埋氧化層作為濕法腐蝕自停止層，從而實現敏感薄膜厚度的精確控制。SOI硅片具體參數為：器件層(Si)的厚度為15 μm；絕緣層(SiO2)的厚度為1.5 μm；支撐層(Si)的厚度為380 μm，N型4 in晶片，晶面為100。

考慮到傳感器通常工作溫度范圍為-40～125 ℃，在這個溫度范圍內Pyrex7740玻璃與硅的熱匹配性良好，并且Pyrex7740玻璃與硅片的陽極鍵合比硅硅鍵合更容易實現[9]。因此選擇Pyrex7740玻璃作為制作壓力腔的基底材料來。

2.2 制作工藝流程

傳感器芯片的制備工藝流程主要分為4個步驟。

① SOI硅片上壓敏電阻及連接電路的制作(見圖3(a))。首先利用熱氧化法在SOI硅片制備一層厚度約為800 nm的SiO2，通過光刻和濕法腐蝕去除重摻雜區域氧化層，利用保留下來的SiO2作為遮擋層，對重摻雜區域進行濃硼擴散，使擴散區域電阻率降低，用于制作連接導線和歐姆接觸的連接錨點；然后利用鋁作為遮擋層，采用離子注入技術對壓敏電阻區域注入硼離子，形成阻值約為5 kΩ的電阻條；最后通過磁控濺射技術和剝離工藝在重摻雜區域制作鋁電極，在氮氣氛圍中經過退火處理使鋁電極與重摻雜區域形成良好的歐姆接觸，從而將壓敏電阻信號引出。

② Pyrex7740玻璃上壓力腔及連接電路的制作(見圖3(b))。首先在玻璃基片上濺射厚度約為200 nm的金屬鉻，通過光刻和腐蝕工藝打開400×400的方形窗口，利用金屬鉻和光刻膠作為阻擋層，在緩沖氧化物刻蝕液(BOE溶液)腐蝕出深度約為5 μm的壓力腔；再利用光刻膠作為阻擋層，在玻璃基底上鋁電極區域腐蝕出深度約為200 nm的凹槽；然后在凹槽中濺射鋁，制作成鋁電極。

③ SOI硅片與Pyrex7740玻璃的陽極鍵合(見圖3(c))。首先將SOI硅片和Pyrex7740玻璃用丙酮和酒精清洗干凈并吹干；然后將SOI硅片和Pyrex7740玻璃片分別固定在鍵合機的陽極和陰極，使制作有鋁電極的兩個面對準并貼合在一起；最后在陽極和陰極之間施加一定的溫度、壓力和高電壓等外部條件，使硅/玻璃界面發生電化學反應形成Si-O-Si鍵，實現硅/玻璃的良好封接。

④ SOI硅片減薄與焊盤的制作(見圖3(d))。首先用KOH溶液腐蝕SOI硅片的支撐層，由于KOH溶液幾乎不腐蝕SiO2，因此利用SOI硅片中的掩埋絕緣層作為濕法腐蝕自停止層，通過腐蝕減薄后SOI硅片只剩下15 μm厚的硅薄膜和1.5 μm厚的SiO2層；然后用SiO2做遮擋層，干法刻蝕SOI器件層Si，以鋁為干法刻蝕自停止層，暴露出鋁電極窗口；最后在鋁電極窗口和芯片上表面濺射金屬鎳和金，通過光刻和剝離工藝在芯片上表面形成兩個大焊盤，通過鋁-鎳-金的連接成功將隱藏在密閉壓力腔中的壓敏電阻信號引到兩個大焊盤上。

圖3 制作工藝流程圖

壓力傳感器芯片制作工藝實物如圖4所示，圖4(a)為重摻雜區域濃硼擴散后效果圖，圖4(b)為壓敏電子區域光刻后的效果圖，圖4(c)為在SOI重摻雜區域制作的鋁電極，圖4(d)為在玻璃基底上制作的鋁電極。

3 測試結果與分析

在專用測試設備上對制作完成的絕壓傳感器芯片性能進行了測試，在沒有任何補償及后處理電路的情況下，給壓力傳感器芯片通上1 mA的恒流源。通過加壓泵給壓力傳感器加壓，并采用高精度壓力傳感器測量所施加的壓力，通過高精度電壓采集設備測量壓力傳感器輸出電壓。壓力施加范圍從100～700 kPa，每隔50 kPa記錄一次數據。壓力傳感器芯片在不同溫度條件下的輸出特性如圖5所示。

圖4 壓力傳感器制作工藝實物圖

圖5 不同溫度下輸出電壓與施加壓力的關系圖

從圖5中看以看出，壓力與輸出電壓之間具有良好的線性關系，不同溫度下的非線性度均小于0.3%。但由于受溫度的影響，傳感器在不同溫度下的輸出特性曲線存在較大差異。并且傳感器會產生靈敏度溫度漂移，不同溫度條件下，傳感器的靈敏度如表1所示。

表1 不同溫度下的靈敏度

從表1可以看出，傳感器的靈敏度隨著溫度的升高而逐漸降低。因此，需在不同溫度下對傳感器進行標定，結合曲線擬合補償算法對傳感器的溫度影響進行修正。在實際使用過程中，通過實時測量氣流中的壓力和溫度值，利用溫度測量值對壓力測量結果進行修正，從而進一步提高壓力檢測精度。

4 結束語

為了滿足壓力探針與MEMS壓力傳感器一體化集成設計的需求，提出了一種單電阻貼片式MEMS壓力傳感器芯片結構設計方案，解決了一體化壓力傳感器在惡劣環境下小型化和可靠性的問題。

根據傳感器的靈敏度、線性度以及強度要求設計了傳感器芯片的結構尺寸，并通過MEMS工藝技術完成了壓力傳感器芯片的制作，單個成品器件的整體尺寸為1.5 mm×1 mm×0.5 mm。性能測試結果表明：在25～125 ℃溫度范圍內，非線性度小于0.3%，靈敏度優于106 mV·mA-1·MPa-1。