一種含有新型薄膜的硅基MEMS 壓力-溫度集成傳感器

陳 果 ,王 江 ,吳世海 ,王 韜 ,張萬里

(1.電子科技大學 電子科學與工程學院,四川 成都 610054;2.貴州航天智慧農業有限公司,貴州 貴陽 550025)

MEMS 傳感器因能夠利用CMOS 工藝制作,并且具有體積小、耐高溫、易集成和低功耗等優點而被廣泛應用在航空航天、汽車駕駛和農業等領域[1-4]。這些領域中需要特別關注工作環境中的壓強和溫度狀態,所以亟需研發一款能同時測量這兩個參數的集成式傳感器。

MEMS 壓阻式壓力傳感器是一種利用壓阻效應來檢測壓力的傳感器,它的可靠性強,制作工藝非常簡單,靈敏度也很高。例如,單存良等[5]提出的壓阻式壓力傳感器在常溫下的靈敏度為0.0828 mV/kPa。但是,常用的壓力敏感膜片為方形或者圓形,這些膜片的靈敏度與所能夠承受的壓強范圍呈負相關,設計者往往是根據不同的應用場景對壓力傳感器的靈敏度或者測壓范圍做出折中處理[6-7]。另一方面,對于溫度測試的傳感器而言,基于薄膜電阻的溫度傳感器因為制作簡便和精度高的優點被廣泛使用[8-10],例如Won等[11]提出的電阻薄膜溫度傳感器的靈敏度為11.3 Ω/℃。如果單獨制作壓強或者溫度傳感器并放置在極端環境中測試物理參數不僅封裝復雜,而且體積較大。所以,將具有溫度和高壓強靈敏度功能的傳感器集成在一塊芯片基底上逐漸成為主流,這樣利于器件的小型化,并且能進一步降低生產成本。

本文提出了一種含有新型壓力敏感膜的壓阻式壓力傳感器,以提高傳感器的靈敏度。仿真表明,當膜厚相同時這種新型的壓力敏感薄膜邊緣處的局部應變更大,所以靈敏度更高。在四個應變最大區域處各設置了一個壓敏電阻,并且這四個壓敏薄膜電阻被連接為惠斯通電橋的形式來實現壓-電轉換。在加工這種含有新型薄膜的壓力傳感器時,還在薄膜外的零應變區制作出了一個對溫度敏感的金屬鉬薄膜電阻。然后通過實驗測試得到器件的壓力靈敏度和溫度靈敏度。

1 傳感器設計和加工

1.1 壓力傳感器

基于MEMS 壓阻式的壓力傳感器結構如圖1 所示,傳感器為邊長4 mm 的正方形。圖1(b)所示的虛線表示的是提出的新型壓力敏感膜的形狀,實線為傳感器邊緣。壓力敏感膜片與傳感器的中心重合,并且短邊L1=424 μm、長邊L2=1054 μm。L1與L2之間的夾角α1=125°、相鄰兩長邊L2之間的夾角α2=217°。

圖1 (a) 壓力傳感器的三維模型圖;(b) 傳感器的俯視圖Fig.1 (a) The three-dimensional model of the pressure sensor;(b) The top view of the sensor

本文利用有限元方法(FEM)分析薄膜的應變分布,找出壓力敏感膜片的應變最大區域以放置薄膜電阻組成惠斯特電橋。仿真時選用固體力學的物理場接口,然后選擇穩態研究,并且根據傳感器的三維結構圖畫出器件模型。根據參考文獻[12]中表2 所列出的材料常數設置好模型中各層薄膜的材料參數,并將傳感器頂部設置為邊界載荷承受壓強,模型底部選擇為固定約束,如圖2(a)所示,然后進行穩態研究。

圖2 (a) 邊界選擇;(b) 仿真得到的壓力敏感膜的應變分布(壓強200 kPa)Fig.2 (a) Boundary selection;(b) The strain distribution of the pressure sensitive membrane obtained by simulation (Pressure is 200 kPa)

圖2(b)表示由仿真得到當壓力敏感膜片承受200 kPa 壓強時薄膜上的應變分布,此時應變被聚焦在兩條長邊L2相交的局部區域,把壓敏電阻R1、R2對稱地分布到這些位置,如圖1(b)所示,并且R1=R2=100 Ω。當壓強被施加到薄膜上時,薄膜發生形變,R1的橫截面增加,導致電阻值減小;而R2的長度會增加,所以電阻值增加。兩組R1和R2分別作為惠斯通電橋一側的橋臂。給壓敏電阻連接上電壓源,然后通過惠斯通電橋測得輸出電壓幅值隨壓強變化。

1.2 溫度傳感器

本文中的溫度傳感器是基于金屬薄膜電阻,環境溫度增加時,薄膜電阻的電阻率線性增加,所以薄膜電阻值隨著溫度上升[13],并且基本呈現出線性變化。金屬鉬的電阻溫度系數(TCR)與鉑近似相等,并且鉬金屬與CMOS 工藝兼容,所以本文采用“之” 字形的鉬薄膜電阻。電阻器RT的結構以及利用開爾文四線法測量RT的連接方法顯示在圖3 中,并且電阻的寬度(W)×長度(L)為18 μm×204 μm,厚度為0.2 μm。另外,為了避免環境壓強對溫度靈敏度的干擾,薄膜電阻被放置在壓力敏感膜片之外。

實驗測試時,為了盡可能消除導線和測試設備帶來的誤差,采用開爾文四線法檢測薄膜電阻的阻值。在圖3 中,先給待測的溫敏電阻RT施加電流I,由于RT的值遠小于電壓表內阻,所以外加電流I基本流過RT。再利用電壓表測量RT兩端的電壓V,所以測溫電阻的值為:

圖3 溫敏電阻RT以及開爾文四線法的連接方法Fig.3 Thermistor RT and the connection method of Kelvin four wire method

1.3 加工流程

本文中,對壓強敏感的電阻R1、R2和對溫度敏感的電阻RT被集成在一塊芯片襯底上面。加工過程中,首先準備SOI 晶圓,埋氧層(BOX)的厚度為1 μm,器件硅層的厚度為50 μm。然后再使用化學氣相沉積(PVD)在SOI 晶圓上沉積金屬鉬薄膜層,厚度為0.2 μm。接著利用光刻和刻蝕將鉬薄膜圖形化為壓敏電阻、溫敏電阻和導線。再利用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)的方法沉積0.5 μm 厚的SiO2作為頂部絕緣層,這層SiO2層不僅能保護電阻,也能實現焊盤與電極隔離。緊接著光刻和刻蝕SiO2層,分別形成壓敏/溫敏電阻到頂部的通孔;然后再利用PVD 沉積一層厚度為0.5 μm 的鋁薄膜,并且鋁膜被圖形化成金屬焊盤。最后將體硅進行機械減薄至50 μm,再利用深反應離子刻蝕(DRIE)將體硅層刻蝕,釋放形成壓力敏感薄膜。傳感器的整個加工流程如圖4 所示,而圖5 表示加工得到的傳感器實物圖。溫敏電阻RT與壓敏電阻R1、R2的分布也顯示在圖5 中,這里的虛線表示薄膜邊緣。

圖4 傳感器的加工流程。(a) 在SOI 晶圓上面沉積0.2 μm的鉬薄膜;(b) 鉬膜被圖形化為壓敏電阻、溫敏電阻和導線;(c) 沉積0.5 μm 的SiO2作為絕緣層;(d) 刻蝕形成通孔;(e) 沉積0.5 μm 的鋁膜;(f) 鋁膜被圖形化為焊盤;(g) 襯底硅被機械減薄并利用DRIE 釋放出薄膜Fig.4 The fabrication flow of the sensor.(a) A 0.2 μm molybdenum film is deposited on the SOI wafer;(b) The molybdenum film is patterned into pressure-sensitive resistors,temperature-sensitive resistors and wires;(c) 0.5 μm SiO2 is deposited as an insulating layer;(d) Vias is formed by etching;(e) 0.5 μm aluminum film is deposited;(f) The aluminum film is patterned into pads;(g)The substrate silicon is mechanically thinned and the film is released by DRIE

圖5 傳感器的實物圖與電阻分布Fig.5 The physical image of the sensor and the resistance distribution

2 測試與結果

2.1 測試系統

將制作好的集成了壓強和溫度傳感功能的傳感器芯片利用無機硅酸鹽材料粘接到金屬底座上,然后用金線將芯片上的鋁焊盤與金屬底座上面的針腳進行鍵合,傳感器的整個測試框圖如圖6。測試壓強傳感器的輸出特性時,首先用電壓源V1給壓敏電阻施加恒定的電壓,再通過加壓設備將壓力敏感膜所承受的壓強從0 kPa 升到120 kPa,步長為30 kPa,壓敏電阻發生形變導致阻值發生改變,所以輸出電壓V2的幅值會逐漸增加。

實驗測量溫敏電阻RT的“溫度-電阻” 特性時,整個傳感器芯片被放置到水浴鍋中,再利用溫度控制器調整水浴鍋中的溫度,范圍控制在16～115 ℃。然后再將電阻RT的四個端子連接到電源(Keithley 2700),并把電源設置到四線法測電阻的狀態,等待溫度穩定后,再讀取RT電阻值的數據。

2.2 測試結論

圖6 為利用傳感器測試系統測試壓力傳感器與溫度傳感器的輸出特性,首先測試傳感器的壓力靈敏度。電壓源V1給惠斯通電橋一端的壓敏電阻R1、R2施加3.3 V的恒定電壓,然后用壓力設備將壓強施加到傳感器的膜片上時,薄膜電阻R1的值減小,且R2電阻值增加。最后通過惠斯通電橋的另一端的電壓表顯示輸出的電壓值。在這里,為了準確測量傳感器的靈敏度,進行了一次升壓和降壓測試實驗,得到了壓力傳感器的輸出電壓隨外加壓強而變化的數據關系,對得到的數據進行線性擬合獲得傳感器靈敏度,結果顯示在圖7 中。

圖6 傳感器的測試系統框圖。(a) 壓強傳感器的測試框圖;(b) 溫度傳感器的測試框圖Fig.6 Block diagram of the test system.(a) Test block diagram of pressure sensor;(b) Test block diagram of temperature sensor

從圖7 中看到,當傳感器的這種新型壓力敏感薄膜所承受的壓強從3 kPa 上升到了129 kPa 時,經由惠斯通電橋檢測得出的輸出電壓值從21.67 mV 線性增加至25.12 mV,所以線性擬合得到壓力傳感器的靈敏度等于27.34 μV/kPa,遲滯誤差為1.2%,精度計算為±2.348%FS。由于在加工時存在誤差,導致了R1、R2的電阻值不完全相等,所以在常壓下的輸出電壓值為21.8 mV。

圖7 實驗測試得到的輸出電壓隨著壓強而增加Fig.7 The output voltage obtained by experimental tests increases with the pressure

壓強測試完成后,在常壓下對同一個器件上面的溫敏電阻RT的靈敏度進行測試。首先按照圖6(b)所示的方式將溫度傳感器連接為四線法,并且與電源相連。然后將整個器件放置到水浴鍋中,用溫度控制器實時地調節水溫。以常溫(16 ℃)為起點,終點溫度設置為115 ℃,對溫敏電阻RT進行一次升溫、降溫的測試,并且從電源顯示屏上面讀取電阻值,將得到的結果記錄在圖8 中。

圖8 實驗測試得到的電阻與溫度關系。(a) 電阻隨著溫度而增加;(b) 不同壓強下的電阻-溫度Fig.8 The relationship between resistance and temperature obtained from experimental test.(a) The resistance increases with temperature;(b) Resistance-temperature at different pressures

從圖8(a)中看到,常壓下實驗測試得到的升溫與降溫過程所引起的溫敏電阻RT的變化曲線完全重合,未發現遲滯現象。另外,溫敏電阻RT的阻值隨著溫度上升而線性增加。溫敏電阻RT在16 ℃時的阻值為1041 Ω,當溫度穩定在113 ℃時,阻值上升到1289 Ω,利用線性擬合得到溫度傳感器RT的靈敏度為2.55 Ω/℃,并且遲滯誤差為0.1%,精度為±0.145%FS。另外,當溫度到達指定點時,通過加壓設備將傳感器所承受的壓強升高,分別為0,75 和120 kPa,測得了不同壓強時的靈敏度,如圖8(b)所示。盡管靈敏度隨著壓強略有降低,但是幅度非常小,僅為0.02 Ω/℃(從2.55 Ω/℃到2.53 Ω/℃),所以壓力敏感膜外的溫度傳感器幾乎不受壓強的影響。

3 結論

本文提出了一種含有新型壓力敏感膜的壓阻式壓力傳感器,這種新型的壓力敏感薄膜能夠將整個膜片的應變聚焦在局部區域。并且采用惠斯通電橋來實現壓強到電信號的轉換,電橋上的四個薄膜電阻被放置在壓力敏感膜片上的應變最大處。同時,還在傳感器的壓力敏感膜外的零應變區刻蝕形成了一個溫度傳感器,采用開爾文四線法測量溫敏電阻RT的值。然后加工制作出集成了溫度與壓強傳感功能的傳感器芯片進行實驗測試。測試表明該壓力傳感器能在3～129 kPa的壓強范圍內正常工作,并且靈敏度為27.34 μV/kPa,遲滯誤差為1.2%,精度計算為±2.348%FS。溫度傳感器在16～113 ℃溫度范圍內能正常工作,線性度較好,靈敏度為2.55 Ω/℃,遲滯誤差為0.1%,精度為±0.145%FS,仿真和測試都表明溫度傳感器幾乎不會受外加壓強的擾動。本文的不足之處在于制作壓力傳感器時,由于加工工藝的誤差,導致電橋的電阻不相同,零點漂移較大,這需要在將來進一步優化。