MEMS 顱壓監測傳感器的設計與分析

許高斌,董娜娜,高 雅,李明珠,馮建國

(合肥工業大學 微電子學院 安徽省微電子機械系統工程技術研究中心,安徽 合肥 230000)

顱內壓[1]就是顱腔內容物對顱腔壁產生的壓力,顱內壓能夠準確地反映患者顱內病變情況,科學合理地顱內壓監測能夠為預防和治療顱腦疾病提供有效參考。腦室內壓力監測是目前ICP 監測應用最廣泛的方法,集精確、經濟、可靠為一體。而腦室內壓力監測的關鍵在于外部壓力傳感器的性能。

根據工作原理,壓力傳感器[2]分為壓阻式、電容式、諧振式。相比較其他幾種傳感器,壓阻式具有體積小、測量精度高、加工工藝成熟、穩定性好等優點,適用于醫療監測。

目前研究提高壓阻式微壓傳感器靈敏度的主要措施有優化傳感器結構、采用新原理、使用新材料、改進加工工藝等[3-5]。

對于優化傳感器結構,2013 年西安交通大學[6]提出四島-梁膜結構高靈敏度壓力傳感器,量程為0～500 Pa,適用于航空航天;2015 年南京工業大學[7]提出三層十字梁膜結構,量程為0.5～40 kPa,適用于環境監測;2016 年西安交通大學[8]提出半島-島復合結構,量程為0～500 Pa,適用于汽車制造領域;2017 年北京大學[9]提出箭形膜結構,量程為0～3 kPa,適用于醫療中測量眼壓和顱內壓;2018 年馬德里理工大學[10]提出四梁-膜以及中心加質量塊結構,量程為0～5 kPa,適用于汽車工業和航空航天。

國內市面上的MEMS 產品中,微壓傳感器的測量范圍大部分還不是很理想,因此對于低測量范圍的微壓傳感器有很大的需求,提高傳感器性能對微壓傳感器在各個相關領域的發展和應用有著積極的作用。

顱內壓傳感器在國內外腦外科手術中廣泛使用,但目前該類芯片完全依賴進口,且定價偏高,是目前國內壓力傳感器的熱門研究方向。

由于本次傳感器設計用于醫療監測,提升微弱生物信號監測性能和高度集成是重點,同時穩定性和可靠性也要保證。通過刻蝕部分膜結構引入四短梁扇形結構,基于平面應力集中效應,提高了靈敏度,用有限元分析方法優化參數提高了集成度,改進電阻放置位置提高了穩定性。

1 工作原理與基礎理論

1.1 工作原理

壓阻式壓力傳感器是基于硅的壓阻效應[11],當某一方向受到應力時,電阻率發生明顯變化,敏感膜作為感壓元件,分布在其中的壓敏電阻受到擠壓或拉伸,惠斯通電橋失衡,通過測量輸出電壓,間接獲得應力大小,將不易測量的壓力轉換為易獲取的電壓信號。其工作原理如圖1 所示。

圖1 壓阻式壓力傳感器工作原理Fig.1 Working principle of piezoresistive pressure sensor

1.2 基本理論

惠斯通電橋電路[12]通常由四個等值電阻構成,R=R1=R2=R3=R4,四個電阻為硅壓敏電阻,無壓力時輸出電壓為零。施加壓力引起敏感膜發生彈性形變時,敏感膜正反面形變程度不同,R1、R3發生橫向拉伸,R2、R4發生縱向拉伸,假設四個電阻阻值變化量為ΔR,那么:

惠斯通電橋電路圖如圖2。

圖2 惠斯通電橋電路圖Fig.2 Wheatstone bridge circuit diagram

對于SOI 器件,壓敏電阻的電阻阻值變化又可表示為:

式中:πl為橫向壓阻系數;σl為橫向應力;πt為縱向壓阻系數;σt為縱向應力。

壓敏電阻是P 型硅時:

式中:πl=π44/4;πt=-π44/4;π44為壓阻系數,值為138.1×10-11Pa-1。

由公式(3)可知,當壓敏電阻材料選定時,輸出電壓與縱橫應力差正相關,通過集中應力分布可提高傳感器靈敏度。

2 器件設計

2.1 敏感膜的設計

參考顱內壓監測標準,設定量程為0～40 kPa,芯片尺寸為1100 μm×900 μm。由文獻可知,方形膜的應力集中效果最好,對微壓的響應更快速,因此選擇方形膜,邊長定為460 μm。對于敏感膜來說,傳統結構為平膜,改進結構有E 型膜、十字梁型膜、十字架梁型膜等。針對顱壓測量的環境以及提升微弱生物信號監測性能和高度集成的要求,提出四短梁扇形膜結構,通過改變傳感器結構和確定壓敏電阻位置,使傳感器靈敏度和線性度有明顯提高。

敏感膜厚度的確定需滿足線性原則和可靠性原則[13]。

線性原則是確保輸出電壓隨施加壓力的變化成線性關系,膜的最大撓度ωmax小于膜厚的1/5,即:

式中:p為傳感器的最大量程;a為敏感膜的邊長;E為硅的彈性模量;h為敏感膜的厚度。

可靠性原則是確保傳感器工作時的抗過載能力,膜上的最大應力σmax低于硅破壞應力的1/5,即:

式中:σm為硅的破壞應力。綜上計算h＞5.2 μm。

為了確定合理的膜片厚度,綜合傳感器靈敏度、可靠性和加工工藝的復雜程度,選擇膜厚為6 μm。

2.2 改進結構設計

垂直施加均勻應力[14]時,硅膜表面曲率的分布是不變的,總形變存儲的能量U的表達式如下:

式中:E為楊氏模量;h為膜厚;ν為泊松比;A為硅膜面積;ω為撓度。從公式(6)可知,相比較傳統平膜,加入梁、島等結構能使應力更加集中于某塊區域,這部分區域的應變儲能明顯提高。

在理論分析后,在梁-膜結構基礎上增加了扇形結構,增大膜面積的同時應力更加集中。通過有限元分析優化傳感器結構參數,確定短梁長寬均為70 μm,扇形半徑與梁的角度為105°,半徑R為82 μm。從50 μm 開始,間隔10 μm 依次增加短梁長,在70 μm 時有最大應力,最大彈性形變量隨短梁長度變化不明顯,由此確定短梁長為70 μm,仿真結果如圖3 所示。

圖3 短梁長與最大應力、彈性形變的關系Fig.3 Relationship between short beam length and maximum stress,elastic deformation

傳感器整體結構俯視圖如圖4 所示,在6 μm 厚度平膜上刻蝕2 μm 的敏感結構。

圖4 整體結構示意圖Fig.4 Overall structure diagram

2.3 仿真分析

為了驗證結構的合理性,用ANSYS 進行應力、縱橫應力差、彈性形變仿真。壓力垂直均勻施加在膜表面時,四周應力近似為零,敏感膜可等效成一個四周固定的薄板。在膜的四邊施加固定約束,表面施加40 kPa 的壓力,為了簡化仿真過程,將SOI 材料簡化為硅。

由應力仿真可知,如圖5 所示,應力集中于四個短梁根部,和理論分析結果一致,應力最大值為147.12 MPa,由圖6 彈性形變仿真可知,形變量最大處位于膜中心位置,為1.6588 μm,形變量遠高于平膜。

圖5 敏感膜受壓應力分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of stress distribution of sensitive membrane under compression

圖6 敏感膜受壓彈性形變示意圖Fig.6 Schematic diagram of elastic deformation of sensitive film under compression

在確定應力集中的區域后,考慮壓敏電阻的分布位置。根據經驗選取長50 μm、寬20 μm 的壓敏電阻,在膜上應力集中的區域畫兩條路徑,橫向路徑和縱向路徑,取兩條路徑下應力差分布的線性區間,壓敏電阻放置于此。

在電阻分布區域取多條路徑,取不同路徑下應力差的平均值,在膜表面施加5～45 kPa 的載荷,45 kPa為量程最大值的1.125 倍。由公式(3)計算出對應的輸出電壓,結果如圖7 所示。

圖7 施加壓力與輸出電壓的關系Fig.7 The relationship between applied pressure and output voltage

3 制備工藝

基于標準MEMS 制備工藝[15],給出本次設計的工藝流程,如圖8 所示。首先將SOI 硅片用清洗工藝處理,利用光刻、刻蝕工藝形成劃片槽與對準印記,然后淀積SiO2作為掩蔽層,如圖8(a)所示。利用光刻對SiO2圖案化,后利用反應離子刻蝕進行干法刻蝕,形成離子擴散窗口,離子注入形成P 型壓敏電阻,如圖8(b)所示。去除SiO2掩蔽層,重新沉積SiO2,通過光刻刻蝕開電極孔區與四短梁扇形結構,擴散工藝重摻雜硼離子形成歐姆接觸區,見圖8(c)。如圖8(d)所示,再次去除SiO2后,利用感應耦合等離子體增強化學氣相淀積工藝淀積SiO2作為金屬布線與襯底之間的隔離層,然后刻蝕打開金屬電極孔。利用光刻工藝將金屬引線圖案化,后利用磁控濺射工藝濺射Ti、Au、Pt 形成歐姆接觸,見圖8(e)。正面工藝完成后,利用垂直深刻蝕反應離子刻蝕形成背腔結構,如圖8(f)。最后,利用陽極鍵合工藝形成襯底玻璃陽極鍵合,如圖8(g)所示。通過上述工藝流程完成壓力傳感器的制備。

圖8 敏感芯片的制備工藝流程Fig.8 Preparation process flowcharts of the sensitive chip

4 結論

基于SOI 工藝,提出了一種用于顱壓監測的MEMS 壓阻式壓力傳感器,通過硅-玻璃陽極鍵合工藝完成傳感器封裝。在進行力學、電學分析計算和有限元仿真后,理論分析了敏感膜結構參數對靈敏度和線性的影響,優化了參數并提出了新的敏感膜結構,經仿真驗證后,靈敏度達到3.164 mV/kPa,符合顱內壓力的測試環境和精度要求。相較于表1 所列文獻的壓力傳感器,靈敏度有明顯提高。本次壓力傳感器的設計為醫療傳感器提供新思路,設計的成品通過替代進口可以有效降低國家醫療成本。

表1 本文設計的傳感器與已發表文獻對比Tab.1 Comparison between the sensor designed in this paper and the published literatures