基于電學修正多晶硅納米薄膜的壓力傳感器*

陸學斌孫 偉于 斌

(1.湖州職業(yè)技術學院物流與信息工程學院，浙江 湖州 313000；2.湖州職業(yè)技術學院建筑工程學院，浙江 湖州 313000；3.哈爾濱理工大學計算機科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

在石油鉆機和一些汽車工業(yè)領域中，高溫壓力傳感器的需求依然存在。由于離子注入壓敏電阻和襯底之間的PN結不可避免地存在反向電流泄漏[1-2]，傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感器已失去了使用空間。多晶硅作為一種多用途材料，近些年已被廣泛應用于微電子、集成電路和微電子機械系統(tǒng)(MEMS)[3-6]。自從1974年第一個多晶硅壓力傳感器被發(fā)明以來[7]，已有多種多晶硅壓力傳感器被研究報道[8-12]。在這些研究中，傳感器的壓敏電阻通常由微米級厚度的多晶硅膜(普通多晶硅薄膜)制成。這些壓力傳感器在一定程度上可以同時實現(xiàn)低溫度系數(shù)和高靈敏度。

作為一種尺度在納米級別的薄膜材料，納米材料通常表現(xiàn)出獨有或優(yōu)良的特性[13-14]。和普通多晶硅薄膜相比較，納米尺度的多晶硅薄膜(多晶硅納米薄膜)表現(xiàn)出了高應變系數(shù)和低溫度系數(shù)的特性[15-16]。電學修正是在壓敏電阻上逐步施加增量直流電流而使其電阻發(fā)生變化的一種方法，電學修正后的壓敏電阻穩(wěn)定性更高，利用電學修正可以進一步提高傳感器制造封裝后壓敏電阻的穩(wěn)定性和匹配性[17-19]。

利用80 nm厚的多晶硅納米薄膜作為壓敏電阻，設計制作了一種壓力傳感器，封裝后利用電學修正方法對壓敏電阻進行了微調(diào)匹配。對壓力傳感器的制作過程進行了完整描述，對傳感器的壓力和溫度特性進行了測量和分析。

1 實驗材料和方法

1.1 多晶硅納米薄膜樣品制備

選擇＜111＞晶向的單晶硅(厚度為510μm)作為襯底，然后通過熱氧化生長出厚度為0.86μm的氧化層。在620℃下，采用低壓化學氣相沉積技術(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)在氧化層上沉積了80 nm厚的多晶硅納米薄膜樣品。低壓化學氣相沉積的能量為20 keV、硼離子注入摻雜劑量為3.5×1015cm-2。根據(jù)硼離子在硅中的固溶性，可以估算樣品的摻雜濃度為3.0×1020cm-3。為了對硼離子進行電激活，在1 080℃高溫和氮氣保護條件下，樣品退火30 min。采用光刻和濕法刻蝕技術制備了長為400μm、寬為100μm的多晶硅納米薄膜壓敏電阻。利用蒸鍍技術將鋁膜蒸發(fā)到襯底上形成電極。最后通過光刻獲得了帶有多晶硅納米薄膜壓敏電阻的懸臂梁。懸臂梁的最終尺寸長26 mm、寬4 mm。使用懸臂梁上的多晶硅納米薄膜電阻樣品測量壓阻、溫度和電學修正特性。

1.2 多晶硅納米薄膜壓力傳感器

利用Tanner L-edit軟件完成多晶硅納米薄膜壓力傳感器的版圖設計，如圖1所示。該版圖包含多晶硅電阻層、金屬層、硅杯層和鈍化掩膜層。

圖1 壓力傳感器版圖

完整的多晶硅納米薄膜壓力傳感器制作工藝流程如下:①選擇厚度為400μm的(110)單晶硅片作為襯底；②采用熱氧化法在襯底兩側生長SiO2層作為電學隔離層；③利用LPCVD方法在襯底背面制備氮化硅層，該氮化硅作為KOH蝕刻硅杯的掩蔽膜；④利用LPCVD方法，在620℃條件下，在硅片正面沉積了厚度為80 nm的多晶硅納米薄膜；⑤通過等離子體增強化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)方法在多晶硅納米薄膜上沉積SiO2層，該SiO2層用于調(diào)節(jié)多晶硅納米薄膜壓敏電阻的摻雜濃度；⑥通過離子注入硼對樣品進行摻雜；摻雜濃度估算為3.0×1020cm-3；⑦為了電激活硼離子并使摻雜均勻，樣品在1 100℃下在氮氣保護下退火0.5 h；⑧去除PECVD生成的SiO2層，然后利用光刻獲得多晶硅納米薄膜壓敏電阻，共計8個；⑨利用蒸鍍工藝，將金屬鋁膜蒸發(fā)到硅片上，然后通過光刻方法形成金屬連線，該金屬連線將多晶硅納米電阻條連接成惠斯通電橋形式；⑩采用KOH定時刻蝕方法，通過各向異性刻蝕形成厚度為60μm的2∶1矩形硅膜片；○1硅片在真空條件下鍵合在Pyrex玻璃上；○12采用PECVD方法在襯底正面沉積了一層氮化硅薄膜進行表面鈍化；○13壓力傳感器采用固態(tài)封裝隔離技術進行封裝，隔離液為不可壓縮無機硅油；○14最后利用電學修正技術對惠斯通電橋中的多晶硅納米薄膜電阻進行修正。

制備完成的多晶硅納米薄膜壓力傳感器的照片如圖2所示。在圖2(a)中，有四組惠斯通半橋電橋，通過選擇合適的半橋并在封裝后進行電學修正，可以保證惠斯通電橋中的四個壓敏電阻精確匹配。

圖2 壓力傳感器實物圖

2 實驗結果

2.1 多晶硅納米薄膜壓阻、溫度和電學修正特性

為了獲得多晶硅納米薄膜壓敏電阻的壓阻和溫度特性，在25℃到200℃之間對樣品進行測試。應變系數(shù)、歸一化電阻和測試溫度之間的關系如圖3所示。對圖3中的測量結果進行最小二乘擬合，可計算出應變系數(shù)的溫度系數(shù)(Temperature Coefficient of Gauge Factor，TCGF)和電阻的溫度系數(shù)(Temperature Coefficient of Resistance，TCR)分別為-0.10%/℃和0.009 7%/℃。

圖3 應變系數(shù)、歸一化電阻和測試溫度之間的關系

利用電學修正可以調(diào)整惠斯通電橋中的多晶硅納米薄膜壓敏電阻。為了進行電學修正，對多晶硅納米薄膜電阻施加持續(xù)30 s的直流電流，直流電流的幅度以10 mA的步長逐步增加。每次電學修正后，使用Keithley 2000數(shù)字萬用表測量壓敏電阻的阻值。多晶硅納米薄膜壓敏電阻的電學修正特性如圖4所示。由圖4可知，對多晶硅納米薄膜壓敏電阻施加超過一定閾值的直流電流，壓敏電阻的阻值幾乎線性減小，修正范圍可在10%以內(nèi)。

圖4 多晶硅納米薄膜壓敏電阻的電學修正特性

利用LPCVD方法制備的多晶硅納米薄膜在每個晶圓上的一致性可達到2%，在不同批次晶圓之間的一致性約在5%[20]。利用LPCVD方法制備的多晶硅納米薄膜的匹配度較高，電學修正可以使多晶硅納米薄膜電阻之間進一步匹配。

2.2 多晶硅納米薄膜壓力傳感器特性

使用精密壓力源(Mensor PCS400)對多晶硅納米薄膜壓力傳感器施加范圍為0～0.6 MPa的壓力。穩(wěn)壓直流電源(KENWOOD PW36-1.5ADP)為惠斯通電橋提供5 V恒定電壓。在每個施加的壓力下，通過數(shù)字萬用表(Keithley 2000)測量惠斯通電橋的輸出。測試溫度由溫度控制箱(ESPE EG-04AGP)控制。在本文中，測試溫度點分別為25℃、50℃、100℃、150℃和200℃。不同溫度下壓力傳感器的輸入—輸出曲線如圖5所示，其中每條曲線中的數(shù)據(jù)為三次循環(huán)行程的算術平均值。

圖5 不同溫度下壓力傳感器的輸入—輸出特性曲線

對圖5的測試結果進行最小二乘法擬合，得到傳感器的靈敏度和失調(diào)與測試溫度之間的關系，如圖6所示。在圖6中，在25℃、50℃、100℃、150℃和200℃攝氏度時，靈敏度分別為22.19(mV/V)/MPa、21.24 (mV/V)/MPa、20.41 (mV/V)/MPa、19.52(mV/V)/MPa、18.30(mV/V)/MPa，靈敏度的溫度系數(shù)為-0.10%/℃；失調(diào)分別為1.653 mV、1.648 mV、1.633 mV、1.621 mV和1.615 mV，失調(diào)的溫度系數(shù)為-0.013%/℃。

圖6 靈敏度和失調(diào)與溫度的關系

3 分析與討論

四個多晶硅納米薄膜壓敏電阻連接成惠斯通電橋形式。使用直流電壓源供電，供電電壓為VB(恒定)，則電橋輸出VO為:

式中:R i(i＝1，2，3，4)為惠斯通電橋電阻。

在式(1)中，當R1R3等于R2R4時，失調(diào)為零。通常情況下，R1R3不等于R2R4，壓力傳感器的失調(diào)為:

式中:S0＝R1R3-R2R4，K0＝(R1＋R2)(R3＋R4)。

失調(diào)的溫度系數(shù)為:

式中:αi(i＝1，2，3，4)為電阻的溫度系數(shù)，為參考溫度下電阻初始值。

由式(3)可知，電阻之間的匹配和電阻溫度系數(shù)之間的匹配對于降低傳感器的失調(diào)及失調(diào)溫度系數(shù)至關重要。通常電阻的溫度系數(shù)比較小，所以傳感器失調(diào)的溫度系數(shù)幾乎可以忽略不計。本文中，電阻的溫度系數(shù)為0.009 7%/℃，傳感器失調(diào)的溫度系數(shù)為-0.013%/℃。

壓阻式壓力傳感器的靈敏度和壓敏電阻的應變系數(shù)成正比。對于恒定電壓供電的壓力傳感器，靈敏度的溫度系數(shù)(Temperature Coefficient of Sensitivity，TCS)為:

式中:S為靈敏度，GF為壓敏電阻的應變系數(shù)。

實驗測得壓力傳感器靈敏度的溫度系數(shù)為-0.10%/℃，該數(shù)據(jù)和壓敏電阻應變系數(shù)的溫度系數(shù)(-0.10%/℃)是吻合的。

將本文制備的壓力傳感器和之前制備的壓力傳感器[21]進行性能比較，如表1所示。通過表1可知，二者具有幾乎相同的靈敏度，但由于本文制備的壓力傳感器中的多晶硅納米薄膜壓敏電阻進行了電學修正，所以表現(xiàn)出更低的溫度系數(shù)和失調(diào)。

表1 未電學修正和電學修正壓力傳感器的性能比較

4 結論

本文設計并制備了一款壓力傳感器，其中的壓敏電阻由多晶硅納米薄膜制備而成。傳感器封裝后，利用電學修正技術達到壓敏電阻之間的精確匹配。由于經(jīng)過電學修正的多晶硅納米薄膜電阻具有較好的壓阻和溫度特性，壓力傳感器表現(xiàn)出高靈敏度、低溫度系數(shù)和低失調(diào)。