硅基MEMS梁-復合膜-島壓阻式壓力傳感器設計研究

江 浩,黃 晶,3,袁宇鵬,3*,李春洋,苗晉威,李光賢

(1.中電科芯片技術(集團)有限公司 , 重慶 401332;2.國知創芯(重慶)科技有限公司,重慶 401332;3.中國電子科技集團公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

微機電系統(MEMS)傳感器可通過微細加工工藝進行批量制造、封裝、測試,其具有微型化、質量小、功耗低、成本低及多功能等競爭優勢。其中,MEMS壓力傳感器主要用于控制和監測,因其精度高、成本低、適合大批量生產,為消費電子和工業過程控制產品用低成本大量使用MEMS傳感器打開方便之門,使壓力控制簡單、易用和智能化,故而成為各類傳感器中歷史悠久、應用廣泛的傳感器[1]。MEMS壓阻式壓力傳感器因具有成熟度高,成本低,結構簡單,易測量的優勢而成為當前市場占比最大的MEMS壓力傳感器類型。

在設計MEMS壓阻式壓力傳感器研究中,核心元件為壓力敏感膜片,其主要有平膜結構、島膜結構和異形膜結構3種。平膜結構簡單,通過改變膜片尺寸改變靈敏度,彭時秋等設計的一款量程為40 kPa的MEMS硅壓阻式微壓壓力傳感器,有效提升了傳感器的靈敏度[2];相較于平膜結構,島膜結構依靠膜上的硅島達到過載保護和降低非線性,蘇州長風航空電子的李闖等從E型膜片結構設計、關鍵尺寸計算以及有限元分析等方面考慮,設計的壓力傳感器量程為0～1 MPa,靈敏度為15.1 mV/V,非線性誤差為0.2%FSS[3];異形膜結構較復雜,一般針對于特殊傳感器的性能指標進行設計,通常能夠同時兼顧壓力傳感器的靈敏度高、非線性度低的優點,如薛偉等設計的一種基于十字梁結構的高壓壓力傳感器[4],許高斌等設計的四短梁扇形膜結構的壓力傳感器[5],均通過改進膜結構使應力分布集中,較好地兼顧了傳感器的靈敏度與線性度。

針對靈敏度和線性度較難兼顧的問題,本文設計芯片采用異型膜與島結合,以達到滿足應力集中的同時保證低非線性度。

1 壓阻式壓力傳感器工作原理

壓阻式壓力傳感器主要由硅襯底、壓敏電阻、背部空腔、金屬焊盤和玻璃基座構成。基于硅壓阻效應將力信號轉換為電信號,即彈性敏感膜片受外界力作用后應變,壓敏電阻阻值改變,輸出信號發生改變,背部空腔結構尺寸影響輸出信號的靈敏度及非線性度。

壓阻式壓力傳感器主要利用單晶硅或多晶硅的壓阻效應,將4個擺放方向一致的壓敏電阻沉積在硅襯底上,通過惠斯通電橋連接。施加力后,膜片兩側應力變化不一致,壓敏電阻阻值變化不一致,實現電橋不平衡。通過檢測電壓變化可讀取負載壓力大小,而通常將壓阻條擺放在應力集中區以獲得較高靈敏度。

惠斯通電橋原理圖如圖1所示。圖中,通過高溫熱擴散或離子注入的方法在硅膜表面進行摻雜得到電阻R1、R2、R3和R4,U為供電電壓,U0為輸出電壓。理想條件下,當無外力作用時,4個電阻阻值相等,電橋平衡,輸出電壓U0=0。當存在外界壓力時,壓阻效應使得垂直于膜邊的電阻R1和R3在外力作用下產生正增量,而平行膜邊的電阻R2和R4在外力作用下產生負增量,假設4個電阻變化量相等,即|R1|=|R2|=|R3|=|R4|。通過電橋電路得到輸出電壓U0[6]為

(1)

圖1 惠斯通電橋原理圖

式中:R為壓敏電阻阻值;ΔR為電阻阻值變化量;ΔR/R為壓敏電阻阻值變化率;U為供電電壓。根據Si的壓阻效應原理,當彈性敏感平膜片受到外界壓力作用時,其載流子遷移率發生變化,進而導致電阻率改變,電阻阻值也隨之改變。因此,壓敏電阻的變化率可表示為

(2)

式中:σl為縱向應力;σt為橫向力;σs為垂向應力,與橫縱向應力相比很小,可以忽略;πl,πt,πs分別為縱向、橫向和剪切壓阻系數。

采用恒壓源供電時可得到靈敏度S[7]為

(3)

式中U(PM)、U(P0)分別為滿量程輸出電壓和零點輸出電壓。

2 壓阻式壓力傳感器設計

2.1 壓力傳感器的力學結構設計

壓力傳感器性能與敏感膜片的結構尺寸相關。以敏感膜片厚度為例,當敏感膜片較厚時,會降低壓力傳感器的滿量程輸出,導致靈敏度過低。而當敏感膜片過薄時,壓力傳感器的非線性度增加。因此,在進行結構設計時,在理論計算上需要綜合考慮線性約束、靈敏度約束和可靠性約束。

針對異形膜的理論計算較復雜,為了得到更精準的結果,在理論計算的基礎上利用有限元仿真軟件進行仿真驗證優化。線性原則是為了保證傳感器輸出信號和施加載荷呈線性變化,敏感膜的最大變形量(ωmax)應小于膜厚的1/8[8],即:

(4)

式中:q為壓力載荷;a為膜片最大邊長;δ為膜厚;E為硅彈性模量,一般取170 GPa。

靈敏度約束是為了保證傳感器輸出信號幅值,要求在U=5 V恒壓源下滿量程輸出電壓大于60 mV[9],即:

(5)

式中π11為P型摻雜壓阻系數,一般取138.1×10-11Pa-1。

可靠性原則是為了保證傳感器工作的可靠性,有較大的抗過載能力,要求敏感膜表面最大應力σmax小于材料破壞應力[10],即:

(6)

根據式(4)-(6)可得所設計力學結構膜片尺寸:

(7)

利用有限元仿真軟件進行仿真優化,對比發現在膜片邊長與膜片厚度比值固定的前提下,膜片厚度只影響位移大小及應力分布,不影響最大應力值及最大應力差大小,因而考慮芯片大小,設置芯片膜片邊長與膜片厚度比值為50,厚度為40 μm,邊長為2 000 μm,由經驗公式[11]可得膜邊長∶島邊長=1∶2.3,島邊長取870 μm,同時考慮到工藝問題,設置島厚度為300 μm;平膜與中心膜總厚度為40 μm,對所選的4種結構尺寸進行相應的仿真優化,結構圖如圖2所示,優化后的結構尺寸如表1所示。

表1 不同結構芯片相關結構尺寸

圖2 不同結構示意圖

對確定尺寸后的4種結構進行相應的力學仿真,結果如圖3所示。由圖可見,梁膜結構應力集中區應力均比E型結構大,且梁-復合膜-島結構較其他結構應力更大,故具有更高的靈敏度。

圖3 不同結構芯片在120 kPa壓力下X方向上的應力

圖4為4種結構在120 kPa下的撓度對比。由圖可見,撓度均低于4 μm,而壓力結構整體膜厚40 μm,撓度均低于整體膜厚的1/10,4種結構都達到較低的非線性度。

圖4 不同結構芯片在120 kPa壓力下的撓度

2.2 壓力傳感器的電學設計

采用惠斯通電橋結構輸出的壓力傳感器信號為毫伏級的小電壓信號,要求傳感器的輸出阻抗盡量小,否則會對后續小信號提取電路的輸入阻抗提出更高要求,同時還極易引入噪聲,通常要求常溫下每只壓敏電阻值小于3.5 kW。

在摻雜節深固定的情況下,摻雜濃度過低會導致壓敏電阻值過大,增加傳感器輸出阻抗。經計算顯示,在常用摻雜節深范圍內(0.2～2.0 μm),壓敏電阻值小于3.5 kW時對應的摻雜濃度取值范圍為Ns≥7×1017cm-3。

壓敏電阻摻雜工藝常采用擴散與離子注入兩種方法實現。相對于擴散法,離子注入能夠分別控制摻雜劑量與節深,精確控制目標電阻值和其摻雜濃度。因此,本設計采用離子注入工藝進行硼元素摻雜,目前該工藝能夠實現的摻雜濃度限制為Ns≥5×1020cm-3。

綜合考慮,將摻雜濃度定為3×1019cm-3。壓敏電阻上電工作時會產生熱量并向外耗散,故要求其單位面積的額定工作功率應小于硅材料表面單位面積的熱耗散功率閾值(5×10-3mW/μm2),即[12]:

(8)

式中:w為壓敏電阻條的寬度;L為壓敏電阻條的長度;R□為方塊電阻。

當壓力傳感器采用5 V恒壓源供電時,額定電流為

(9)

式中n為方塊電阻的個數。

考慮到傳感器低輸出阻抗的要求,其壓敏電阻值應小于3.5 kΩ,有:

RB=nR□<3.5(kΩ)

(10)

綜上所述,設計壓敏電阻結構尺寸的關鍵是選取合適的方阻R□和電阻條寬度w,這兩個參數相互關聯,相互影響,不能分開獨立設計,應根據電阻條形狀進行綜合考慮,實際應用中采用先確立電阻條形狀尺寸,再驗證相關參數滿足設計要求的方法完成。經計算得到壓敏電阻具體參數:摻雜濃度為3×1019cm-3,壓阻條寬度為3 μm,壓阻條長度為360 μm。

3 輸出結果

對梁-復合膜-島、十字梁-平膜-島、短梁-平膜-島、E型4種結構進行壓敏條的設計,對力學優化后的4種結構進行應力差仿真,由此得到相應的應力集中區范圍。

圖5為梁-復合膜-島結構芯片在120 kPa壓力下的中軸線應力差云圖。由圖可見,在距離坐標原點約950 μm處有最大應力。將經過電學設計計算的壓阻條進行彎折處理并均勻放置在該處,利用COMSOL添加電流場并進行物理場耦合計算,得到相應的仿真輸出。

圖5 梁-復合膜-島結構芯片在120 kPa壓力下的中軸線上應力差線圖

4種結構的輸出電壓隨壓力變化如圖6所示。由圖可見,梁-復合膜-島結構有最佳靈敏度,導出仿真數據集并進行相應的靈敏度與非線性度計算,得到結果與十字梁-平膜-島結構、短梁-平膜-島結構相比,梁-復合膜-島結構在保證非線性度的基礎上靈敏度有明顯提升,并較E型結構靈敏度提升2倍以上。

圖6 4種結構的輸出電壓隨壓力的變化

4 結束語

對設計量程0～60 kPa的壓力傳感器進行了相關參數理論計算及仿真優化,同時利用有限元仿真軟件對E型、短梁-平膜-島、十字梁-平膜-島和梁-復合膜-島結構進行了有關輸出對比。由仿真結果得到梁-復合膜-島結構芯片靈敏度為1.171(V·mV-1)/kPa,比其他3種結構均提升了7%以上,較E型結構提升了2倍,非線性度為0.029%FSS。優化結果滿足MEMS微壓壓力傳感器的高靈敏度、高線性度等要求,可被廣泛用于醫療領域,如智能穿戴電子中的氣壓計、非侵入性醫療應用利基市場中心血管治療的導管和氧氣監測等。