血壓計用MEMS壓力傳感器設計與制造

彭時秋， 朱賽寧， 肖步文

(無錫中微晶園電子有限公司，江蘇 無錫 214000)

0 引 言

微機電系統(micro-electro-mechanical system，MEMS)壓力傳感器是傳感器行業中市場規模最大的細分市場之一，具有體積小、功耗低、價格便宜等優點。其中應用較廣泛的是在汽車電子領域及工業控制領域，量程大多在MPa級別[1，2]。隨著時代的發展及人們對健康的重視度提高，血壓儀開始走進用戶家庭，并在健康保健方面發揮著重要的作用。核心器件為40 kPa量程微壓壓力傳感器，市場應用規模極大。

但在MEMS微壓傳感器實際設計及制造過程中，同時能夠滿足最優狀態的設計結構和工藝較難達到。因此，研究如何設計及制造高靈敏度和線性度的微壓傳感器具有重要意義。目前一般采取凸形壓敏電阻或異性結構的方式優化[3]，還可以通過調整工藝和版圖的方式調節靈敏度，如使用多晶硅制作壓力敏感膜片和壓敏電阻[4]。另外，為適用于高溫、高壓等嚴酷環境，部分新材料如SOI、碳化硅及石墨烯等新材料也被研究人員利用制作壓力傳感器[5]。

受到上述工作的啟發，本文根據COMSOL Mutilphysics仿真軟件，針對40 kPa電子血壓計用微壓壓力傳感器芯片的結構進行了設計。采用COMSOL軟件仿真優化了壓敏電阻的放置位置，得到可獲得較高輸出靈敏度以及較小非線性的電阻位置，解決了靈敏度與線性度無法同時滿足工程需求的難題；并基于公司自有的0.5 μm CMOS-MEMS工藝線流片及標準塑封工藝，完成了壓力傳感芯片的研制。

最后對封裝成品進行不同氣壓下的性能測試，分析并比較了測試結果。

1 壓阻式壓力傳感器工作原理

壓力傳感器一般由硅片襯底、壓敏電阻、金屬焊盤(bonding Pad)、背腔及玻璃片等結構組成。其中壓敏電阻用于感受硅膜上受到的壓力，并將力學信號轉換為電信號，背腔結構則決定了壓力感應膜的大小和厚度，并為傳感器提供了參考壓力[6,7]。

壓阻式壓力傳感器的工作原理是利用多晶硅或者單晶硅的壓阻效應，將4只壓敏電阻按照設計布局排放在特定的晶向上形成惠斯通電橋。當在硅敏感薄膜上施加外力后，敏感膜兩側會有壓差形成，敏感膜片發生變形，在壓敏電阻上產生與被測壓強呈近似線性關系的應力，使壓敏電阻阻值發生變化，此時電橋就會失衡，從電橋輸出端就可以獲得反映被測壓強大小的電壓信號。

惠斯通電橋電路如圖1所示。圖1中Vo為輸出電壓，Vs為電路激勵電源。電阻R1和R3主要承受縱向應力的作用，在負載作用下被拉長；相對應的，R2和R4主要承受橫向應力的作用，在縱向應力和橫向應力作用下，電阻分別有著不同的壓阻系數，因此R2，R4與R1，R3有著相反的電阻值改變[8]。

圖1 惠斯通電橋電路結構

電橋的輸出電壓可表示為

(1)

理論上，在初始狀態下，4只壓敏電阻阻值設計相等，此時惠斯通電橋處于平衡狀態，輸出電壓為零。當受到壓力時，敏感電阻值相對變化量與壓阻系數π及應力σ之間的關系為[9]

(2)

式中πl,πt分別為單晶硅主軸系的縱向及橫向的壓阻系數，σl,σt分別為縱向及橫向壓力，Gl,Gt為縱向和橫向應變系數，εl，εt為縱向和橫向應變。因此,輸出電壓又可表示為

(3)

采用恒壓源對惠斯通電橋供電，最終傳感器的輸出靈敏度S可以表示為

(4)

式中PM為滿量程壓力，V(PM)和V(0)分別為滿量程和零點輸出電壓。

2 壓阻式壓力傳感器芯片設計與制作

本文中壓力傳感器的設計壓力量程為40 kPa，該量程屬于微壓量程，綜合加工工藝難度、加工成本和市場需求等方面考慮后，本文決定采用P型壓敏電阻、方形壓力感應膜片和背腔四甲基氫氧化銨(TMAH)濕法腐蝕[10]的總體設計思路，采用差壓式壓力傳感器的經典結構，尺寸選定為：芯片長度及寬度均為2 mm，厚度為0.4 mm。另外，壓敏薄膜厚度、壓敏薄膜邊長、壓敏電阻大小及位置直接影響傳感器靈敏度與線性度，本文將采用模擬仿真的方式結合工藝難度進行設計。

2.1 壓敏膜層設計

壓阻式壓力傳感器壓敏膜層如過厚容易導致器件靈敏度低，如過薄，則非線性度增加，且壓敏電阻的制作與工藝控制較難，必須同時兼顧。因此使用COMSOL軟件進行仿真，結合工藝加工難度，確認薄膜尺寸。

壓敏傳感膜受到的壓力設置0～100 kPa內改變，不同壓敏膜上應力情況如圖2所示。當壓敏傳感膜厚度小于等于10 μm時，應力隨壓力呈非線性變化，意味著電阻也將呈非線性變化，導致輸出非線性。當硅膜厚度大于10 μm時，應力隨壓力呈線性變化。同時，隨著薄膜厚度增加，相同壓力下應力不斷減小，產生的響應也將隨之減小。因此，在背槽刻蝕工藝過程，需要控制硅膜厚度大于10 μm。為了提高壓力傳感器的靈敏度，壓敏傳感膜尺寸越大、厚度越薄越好。但越大越薄的壓敏傳感膜制作時，背部濕法腐蝕的開口也越大，底部支撐傳感器的面積就越小，膜片也容易變形損壞，導致壓力傳感器失效。

圖2 壓敏傳感膜上應力與受壓壓力及膜厚的關系

綜合靈敏度、加工良率及可靠性，壓敏傳感膜的厚度選定為15 μm。在0～40 kPa滿量程范圍內,傳感器薄膜邊長a和膜厚h需滿足下式[11]

(5)

式中 泊松比σ=0.278，硅的彈性模量E=170 GPa，滿量程壓力P=40 kPa。根據式(5)計算出壓敏傳感膜的長度a≤1 469.5 μm，本文選取膜片邊長為1 000 μm，根據硅的濕法腐蝕結構得到背部濕法腐蝕的開窗大小L為1 544 μm。

2.2 壓敏電阻設計

壓敏電阻值決定了壓力傳感器的工作電流和功耗。在供電電壓一定的情況下，壓力傳感器的功耗與壓敏電阻值呈反比。本文將壓敏電阻的阻值設定為5 kΩ。當供電電壓為5 V時，壓力傳感器的工作電流為1 mA，功耗為5 mW，可以滿足血壓計應用端需求。

為獲得較高的靈敏度，一般都將壓敏電阻設計成多折形狀。但當折數過多時，會使實際阻值與設計阻值之間偏差過大，同時負壓阻效應也會增大，因此本文設計的電阻形狀設為1折。

為了提高壓力傳感器的靈敏度降低非線性指標，需要通過COMSOL軟件仿真尋找膜片內應力最大的位置。首先進行建模，建立模型面積：1 mm×1 mm，模型厚度為15 μm，邊界載荷P=100 kPa，作用面為1 mm×1 mm面積，將壓力設置為逐漸增加，將簡化的硅襯底四周和底面設定為固定約束。

圖3為使用COMSOL軟件對壓敏膜層上應力進行仿真的結果。從圖3(a)中可以看到，壓敏膜片上應力主要集中在膜片四周邊緣中間的位置。從圖3(b)中可以看到，壓敏膜片邊緣的中點處500～550 μm處應力達到最大，兩端應力迅速減小。因此，在設計方案中，壓敏電阻擺放在圖3中方框范圍內時壓敏電阻受到的應力最大，壓力傳感器的輸出也越大，可以獲得最高輸出靈敏度以及最小非線性。

圖3 應力分布仿真

最終設計的傳感器芯片主要參數：材料片厚度為400 μm；芯片尺寸為2 000 μm×2 000 μm；彈性膜長度為1 000 μm；彈性膜厚度為15 μm；電阻長度為130 μm；電阻寬度為10 μm；阻值為5 kΩ；量程為40 kPa。設計版圖如圖4所示。

圖4 壓力傳感器芯片設計版圖

2.3 壓力傳感器流程設計與制作

本文利用公司自有標準CMOS-MEMS工藝產線對注入劑量、退火條件、氮化硅介質層應力進行工藝拉偏和整合，最終完成傳感器芯片的制作并封裝測試對比性能。整合的工藝流程圖如圖5，主要工藝步驟包括：1)硅片準備；2)薄氧氧化；3)P—區光刻、腐蝕、注入；4)P+區光刻、腐蝕、注入；5)退火；6)介質層；7)孔光刻腐蝕；8)金屬互連結構形成；9)背槽光刻腐蝕。

圖5 芯片工藝流程示意

3 實驗結果與分析

圓片完成后，使用SOP6塑封封裝形式，經過劃片、裝片、鍵合、注塑、彎腳成型等工序完成成品封裝，成品及測試原理如圖6所示。

圖6 壓力傳感器測試原理

測試時，采用德國Druck壓力控制儀器PACE5000提供標準的輸出壓力,將壓力傳感器放在高低溫試驗箱(GDS—50)中，通過導氣管接通傳感器與壓力控制器。輸入端使用Keithley 2400源表提供5 V電壓，使用HIO DT4282萬用表測試輸出電壓。

在壓力傳感器測試過程中，測試的壓力范圍為0～40 kPa，每隔2.5 kPa為一個壓力測試點，在25,0,50 ℃三個溫度下測試不同壓力點下傳感器的輸出電壓，并記錄升壓降壓時不同壓力點處的輸出電壓，將測試數據繪圖分析輸出特性如圖7所示。

圖7 輸出特性曲線

從圖7(a)可以看到，壓力傳感器的輸出電壓與加載的輸入壓力呈良好的線性關系。隨著壓力的増大，傳感器的輸出電壓也隨之增大，說明在壓力作用下，位于硅膜上的壓敏電阻條阻值隨硅膜形變的增大而増大。在常溫下，壓力傳感器滿量程輸出約為89 mV。但在高溫50 ℃和低溫0 ℃時，壓力傳感器輸出電壓略有漂移，隨著溫度升高呈現下降趨勢。在室溫25 ℃、供電電壓為5 V時，壓力傳感器輸出靈敏度為0.445 mV/V/kPa，非線性為0.073 6 %FS。從圖7(b)可以看出，上行輸出電壓與下行輸出電壓兩條曲線幾乎重合，傳感器的遲滯很小，為0.038 %FS。本文設計的壓力傳感器的遲滯特性良好，小于典型值0.05 %FS。

4 結 論

本文通過對硅壓阻式MEMS壓力傳感器的工作原理分析，對血壓計用40kPa壓力傳感器進行了結構設計、仿真及版圖設計，基于自有CMOS-MEMS工藝線完成工藝設計及圓片流片，完成了壓力傳感器芯片的制作。經過封裝后測試評估，MEMS壓力傳感器滿量程輸出達到89 mV，靈敏度性能達到0.445 mV·V-1·kPa-1，遲滯0.038 %FS,非線性度達到0.073 6 %FS，達到了預期目標。本文的研究結果對于微壓MEMS壓阻式壓力傳感器的設計研發具有一定的參考價值。