硕士论文-集成温度压力传感器应用研究——轮胎压力监控系统.pdf

分类号! 殴1 2 U D C 蟹! ：型 Y9 8 7 s 0 3 密级一 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 塞盛量廑廷立佳盛置廛旦塑窒 二= 整脸压力监控丕统 指导教师壑遒硒塞旦蝗 虫重型堂暄皇王堂班窒压 申请学位级别亟堂焦 学科专业名称塑垄电王堂 论文提交日期2 Q 逝生垒且 论文答辩日期2 Q Q 亘生亘旦 培养单位生国整堂医皇王堂堑窒压 学位授予单位主国型堂医班塞生医 答辩委员会主席煎盎受塞虽 摘要 轮胎压力监控系统是一种通过放置于汽车轮胎内的压力传感器实现监测轮 胎压力情况的系统，主要用于防止轮胎压力异常导致的交通事故。因此研究轮胎 压力监控系统具有重要意义。 本论文设计了基于氮化硅薄膜的温度、压力集成传感器。考虑到M E M S 加 工工艺兼容性：温度检测采用热敏电阻；气压检测采用应变电阻法检测。这种设 计方案结构简单、制作工艺易于实现。对设计方案进行了理论分析和模拟，制做 了集成温度、压力传感器芯片，试验了多种工艺方案。 还设计T N 度、压力测试系统，完成了芯片的性能测试。传感器温度和压力 精度分别为0 1 和3 h P a 。根据测试结果分析了温度对压力测量的影响，并进行 了理论推导。提出了两种温度补偿方案。 基于本论文设计的集成传感器，使用C C l 0 2 0 做射频单元C C 8 0 5 1 F ) 【】【x 做控 制器，设计了一套低功耗的系统电路方案。测试了电路的工作性能，估算了系统 的使用寿命。系统射频发射功率可达1 0 d B m ，理论使用寿命约为4 5 年。 关键词：轮胎压力监控系统温度、压力集成传感器M E M S 温度补偿低功耗使 用寿命 、 A b s t r a c t T i r eP r e s s u r eM o n i t o r i n gS y s t e m ( T P M S ) i sak i n do f s y s t e mw h i c hm o n i t o r st h e t i r ep r e s s u r et h r o u g ht h ep r e s s u r es e n s o ri m b e d d e di n t ot h et i r e so ft h ec a r I ti su s e d t op r e v e n tt h et r a f f i ca c c i d e n t sf r o ma b n o r m a lt i r ep r e s s u r e S oi ti ss i g n i f i c a n tt o r e s e a r c ha n dd e v e l o ps u c hs y s t e mf o rd r i v i n gs a f e t y T h i sp a p e rd e s c r i b e sad e s i g na n df a b r i c a t i o no fi n t e g r a t e ds e n s o rc h i pf o rT P M S b a s e do nS i 3 N 4m e m b r a n e ，w h i c hi n c l u d e t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e s e n s o r , C o n s i d e r i n gM E M Sp r o c e s s i n gc o m p a t i b i l i t y , P tr e s i s t a n c ei su s e dt om e a s u r e t e m p e r a t u r ea n ds t r a i ng a u g et om e a s u l et h ep r e s s u r e T h i sd e s i g nh a st h ea d v a n t a g e s o fs i m p l es t r u c t u r ea n de a s yp r o c e s s i n g T h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e n s o rh a v eb e e n c a l c u l a t e da n ds i m u l a t e d T h ei n t e g r a t e ds e n s o rc h i po ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei s m a d eo u ta n ds e v e r a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa r ee x p e r i m e n t e d T h i sp a p e ra l s od e s i g n e dam e a s u r es y s t e mt of i n i s ht h ec h a r a c t e r i s t i c sm e a s u r e o fi n t e g r a t e ds e n s o rc h i po ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e T h ea c c u r a c yo ft e m p e r a t u r e s e n s o ri s0 1 a n dt h ea c c u r a c yo f p r e s s u r es e n s o ri s3 h P a B a s e do nt h et e s tr e s u l t s , t h ea n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r ea f f e c tt Op r e s s u r ei sd o n ea n dt h et h e o r yc a l c u l a t i o ni s g i v e n T w ok i n d so f t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na r ed e s i g n e d B a s e do nt h ei n t e g r a t e ds e n s o rd e s i g n e di n t h i sp a p e ra n du s i n gC C l 0 2 0a sR F u n i ta n dC 8 0 5 1 F x x xa sM C U ，al o wp o w e rc o n s u m p t i o nc i r c u i ts y s t e mi sd e s i g n e d T h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec i r c u i ts y s t e ma r et e s t e da n dt h el i f e t i m ea l s oc a l c u l a t e d a p p r o x i m a t e l y T h eR Fp o w e ro ft h es y s t e mc a nr e a c h1 0 d B ma n dt h el i f e t i m ei s a b o u t4 5y e a r si d e a l l y K e y w o r d s ：T i r eP r e s s u r eM o n i t o r i n gS y s t e m ，i n t e g r a t e ds e n s o rc h i po ft e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r e ，M E M S ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l i f e t i m e 研究成果声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导 下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致 谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位 或证书所使用过的材料。与我同工作的合作者对此研究工作所做的 任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 签名：王青 日期：弘一彳妒，甲 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论 文的规定，其中包括：电子所有权保管、并向有关部门送交学位论 文的原件与复印件；电子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复 制并保存学位论文；电子所可允许学位论文被查阅或借阅；电子 所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；电子所可以公 布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：王彳 U 导师签名：j7 怯 夕i 通过前面的调研知道，国内外对温度压力传感器和轮胎压力监控系统电路 的研究取得了不错的成果，但还存在着下面一些不足： 在传感器方面，目前利用M E M S 技术制作的传感器能达到很高的精度， 但工艺复杂，制作难度大，成本高，限制了传感器的应用范围。 在轮胎压力监控电路方面，国外一些大的厂商开发了自己的专门用于此 系统的芯片及电路，国内的一些研究主要是在此系列芯片的基础上展开 的。 因此，本文研究工作的目的是：研制出一种M E M S 温度、压力集成传感器， 传感器的制作工艺简单，成本低，精度高：自主设计一套适合于轮胎压力监控的 系统电路，元件采用在市场易于采购的普通元件。 1 4 本文的主要研究内容 本文将讨论从温度、压力集成传感器机理到器件设计、制作、测试、以及轮 胎压力监控系统电路的设计与实现的全部相关问题。 第二章：传感器芯片的设计与制作。本章研究适合于轮胎压力监控系统 ( T P M s ) 系统的传感器的机理，并进行了理论计算与模拟。根据理论的指导， 初步设计了传感器的结构和工艺步骤。采用M E M S 技术制作了传感器芯片。在 本章中还研究了在芯片制作过程中遇到的各种问题并提出了相应的解决方法，对 集成温度压力传感器应用研究轮胎压力监控系统 传感器提出了改进方案。 第三章：传感器芯片的测试。设计了传感器性能标定的测试系统。在实验 室现有条件下对传感器芯片的性能进行了测试。 第四章：传感器压力单元温度补偿。对温度对传感器压力单元的影响进行 了详细的测试与理论分析。根据分析的结果提出了传感器温度补偿的方案。 第五章：轮胎压力监控系统电路的设计与制作。根据轮胎压力监控系统的 工作特点设计了系统处理电路，制作了系统电路板，对系统的工作性能进行了测 量与分析。 第六章：轮胎压力监控系统的软件设计与功耗评估。设计了轮胎压力监控 系统的工作软件，并估算了系统能耗和使用寿命。 第七章：结论。总结全文，并提出下一步的研究方向。 总的来说，本文的论述结构可以描述为：传感机理研究一结构设计一器件 的制作一芯片测试一系统电路的设计与制作。 第二章传感器芯 的改计与制作 2 1 引言 第二章传感器芯片的设计与制作 本文研究的用于轮胎压力监控系统的传感器是温度、压力集成传感器。压 力单元用于直接监测轮胎压力状况，温度单元用于测量轮胎内的温度，因为在汽 车高速行驶的时候，轮胎内的温度也会比较高，如果轮胎内的温度上升的过高， 对于汽车的安全行驶也是存在很大的影响的，所以集成了温度传感器。并且汽车 轮胎的温度在行驶状态、非行驶状态、冬季、夏季等不同的外界条件下差别也很 大，有必要测量内部温度，并可以用来对压力传感器进行温度补偿，提高测量的 精度。 2 2 温度、压力集成传感器设计方案选择 温度传感器的原理比较简单，结构和工艺方法上实现起来也相对容易。压力 传感可选择的方案也比较多，有些类型的压力传感器能达到很高的精度，但工艺 方法比较复杂，实现起来困难且造价比较昂贵。汽车轮胎压力监控系统( T P M S ) 所需要的压力传感器技术指标大概为：工作温度在。3 0 一1 0 0 ，精度0 1 ：测 量范围在0 - - 0 5 M p a 。而且对精度的要求不是很高，因此需要对几种供选择的技 术方案进行理论分析与模拟，综合考虑精度与工艺步骤的难易程度来选择合适的 结构与工艺方案。 本章主要对三种类型的压力传感器进行理论分析与模拟：电容式压力传感 器、硅压阻式压力传感器、应变电阻式压力传感器。 2 2 1 温度传感器原理及结构 测量温度利用了会属电阻的阻值随温度变化而发生变化的特性，其变化关 系是R t = R 0 ( I + a t + 1 3 t 2 + 1 ，一定温度范围内，在保证精度要求不是极高的 情况下，高次项可以省去，这样金属电阻的阻值就与环境温度成线性关系。当在 电阻两端通一微量电流时，可以通过测量两端的电压变化测出电阻的值，而后就 集成温度眶力传感器应用研究轮胎压力监控系统 可以测量周围环境的温度。金属材料选用铂金，因为铂金在很宽的温度范围内电 阻率的变化是与温度成线性变化。根据铂电阻系数0 0 0 3 7 4 。C 估算，在电阻设计 初始值为2 0 0 Q 的情况下，分辨率为0 7 5 Q 4 C ，可以满足精度要求。 图2 1 测量温度铂金电阻结构示意图 图2 1 所示为测温电阻的结构示意图。电阻的形状做成z 字型，这样可以在 尽可能小的面积内使得电阻的设计阻值尽量的大，从而增加测温单元的灵敏度。 并且电阻是做在一层镂空的氮化硅薄膜上的，这样可以减少电阻与基底的接触， 使电阻更多的与周围的空气的接触，减少电阻向基底传热的影响，加快电阻对环 境温度变化的反映。 2 2 2 压力传感器方案选择 对于压力传感器的理论分析需要借助计算机软件的帮助，因为在气压的作 用下传感器承压薄膜的变化一般都是非线性。 计算机模拟计算的方法很多，其中包括有限元法( F E M ，即F i n i t eE l e m e n t M e t h o d ) ，边界元法( B E M ，即B o u n d a r yE l e m e n tM e t h o d ) ，有限差分法( F D M ， 即F i n i t eD i f f e r e n e eE l e m e n tM e t h o d ) 等。每一种方法各有其应用的领域，而其中 有限元法应用的领域越来越广，现己广泛应用于结构力学、结构动力学、热力学、 流体力学、电路学、电磁学等领域。本文所使用的就是有限元法。 国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：A N S Y S ，N A S T R A N ， A S K A ，A D I N A ，S A P 等。以A N S Y S 为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途 的有限元法分析软件，可用来求解结构、流体、力学、电磁场及碰撞等问题，已 0 第二章传感器；E U l 的砹计与制作 成为现代工程学问题必不可少的有力：I ：具。 本文采用A N S Y S 软件进行了计算机模拟计算，此外还借助了M A T L A B 数 学工具。 2 2 2 1 电容式 电容式压力传感器主要是利用电容的变化检测溥膜的形夏，从f 口买士见对雎 力的检测。 平行板电容器的电容公式为： C ：曼 ( 2 1 ) 其中s 是两极板之间的电介质的介电常数， S 是两极板的正对面积，d 是 两极板之间的距离。当薄膜弯曲时所示，根据公式( 2 1 ) ，可得： c 一 _ d 。+ d x d ( y 历 2 2 ) 其中d o 是薄膜不弯曲时，上下电极板之间的距离。W ( x ，y ) 是薄膜弯曲时的 挠度函数。W ( x ，y ) 是求出电容的关键。当薄膜的挠度远远小于薄膜的厚度时， 可以用如下公式近似计掣2 4 】： 瞰朋= h f ( P o ) c o S 2 ( 芋) c o s 2 ( ( 2 - 3 ) 其中坐标系是平面直角坐标系，其原点是正方形薄膜中心，坐标轴平行于 薄膜的边。其中h 和分别是薄膜的厚度和边长。f ( P a ) 是一个函数，h f ( P a ) 实 际上是薄膜的中心挠度。f ( P a ) 由下面的方程决定2 4 1 ： 垫半( 高+ O 1 6 6 6 f ( P o ) 】3 + 2 n r 4 h 2I 眦- f ) 】_ 笋删协4 ， P a 是作用在膜上的绝对压强，E 和v 分别为薄膜材料的杨氏模量和泊松比。 当薄膜的挠度与薄膜厚度相比很大则可近似用下面公式计算( v = 0 2 4 ) t 2 s ： ( J ，) = c o s ( 芋) c o s ( 孚) ( 2 5 ) LL W o = 0 8 0 2 a 瘙 z a ) 集成温度雎力传感器应用研芗e 轮胎压力监控系统 其中巩是薄膜中心挠度，a 是薄膜半边长。( 2 5 ) 式有较大的误差，它只 是根据对称性和边界条件写出的，只作为估算使用。此外还要考虑薄膜材料的屈 服极限问题，薄膜上最大应力应该小于材料的屈服极限。 在本设计方案中薄膜在外界压强作用下形变的挠度远远大于薄膜的厚度， 所以采用( 2 2 ) 和( 2 5 ) 式对传感器的电容进行理论估算。把式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 带入式( 2 - 2 ) ： c ：8 蠊d 希咖 Q - 7 ，o + w o c o s ( 寻) c o s ( 等) 上面的多重积分比较复杂，不容易推导出电容C 的解析解，因此采用数值 积分方法来解出在不同的压强条件下电容c 的理论估计值。 对于上面的二重积分可以采用随机模拟【2 6 1 ( 蒙特卡罗) 中的均值估计法进 行计算。这种方法计算简单，特别是对于比较困难的多重积分尤为明显。 因为蒙特卡罗法要求积分区域属于0 x 1 , 0 Y 1 ，而( 2 7 ) 中的积分区 域不在此区问，需要对( 2 - 7 ) 进行变换。 令x = L u ，y = L v ，并带入式( 2 7 ) f w f _ 州1 蓼虿蚴一 ：i 两1 舫比V = 蒯批瓦瓦矗而丽撕 ( 2 8 ) 理论估计时假设：L = 2 m m ，a = l m m ，h = 5 a n ，d 。= 3 5 a m ，外界压强取1 0 点： 1 1 0 5 P a ，2 1 0 5 P a ，l O x l 0 5 P a 。首先利利用A N S Y S 模拟出在不同气压下芯 片的最大挠度，得如表2 1 所示的数据。 l 气压( 1 0 5 P a ) 1234567891 0 I 挠度( r t m ) 1 7 31 8 92 0 52 2 02 3 62 5 22 6 82 8 32 9 93 1 5 表格2 1 不同压强情况下的最大挠度 笙三翌生堕堂：堡! ! 箜壁生兰塑堑 根据表格2 1 给出的最大挠度数值，利用M A T L A B 对电容C 进行数值积分 运算，得到如图2 2 所示的传感器电容值与外界压强的关系曲线。 不。 图2 2 电容与压强关系曲线 利用A N S Y S 模拟出在1 O X1 0 6 p a 压强作用下薄膜的应力情况，如图2 3 所 图2 3A N S Y S 模拟在I O X1 0 6 P a 压强作用下薄膜的应力 通过图2 3 可以看出在1 M P a ( 一般汽车轮胎压力为0 2 0 5 M P a ) 最大处的 集成温度压，传感器应用研究轮胎眶力艇控系统 应力为8 5 3 M P a 小于氮化硅的强度9 5 0 M P a 。因此满足传感器工作环境的要求。 图2 4 电容式压力传感器截面示意图 图2 4 是电容式压力传感器示意图。这种传感器的设计是以硅片为基底。在 硅基底上是一层氧化硅，起到绝缘作用。在这之上是使用铂金制作的电阻和电容 下极板。在电容下极板之上是由氮化硅作为结构形成的一个真空腔室。在这层氮 化硅之上采用铂金制作电容上极板。最下面是玻璃，用来和硅基底键合，把真空 腔室密封。 设计的这种结构的传感器M E M S 工艺步骤大致如下： 图2 5 电容式压力传感器工艺过程简图 图2 5 给出了制作电容式压力传感器大致的工艺步骤。首先是在硅基底上沉 第二章传感器：卷片的设计与制作 积一层薄的氧化硅，这层氧化硅使得下面步骤制作的电阻和电容极板与硅基底绝 缘。然后使用l i R o f f 的工艺方法在氧化硅薄层上制作出设计好的z 字型的电阻 和电容下极板。之后在蒸发一层比较厚的铝，这层铝是为了能够形成压力真空腔 室的牺牲层。用负胶做掩膜在7 0 - 8 0o c 的磷酸中腐蚀出需要的图形，然后再 次采用l m o f r 的工艺方法在氮化硅上制作出电容上极板。利用深刻蚀或湿法腐 蚀的方法把硅基底腐蚀一个通孔，并使用H F 溶液把氧化硅也腐蚀透。借助上一 步腐蚀出的通孔，使用7 0 8 0 的磷酸溶液把铝牺牲层去处掉。这样就形成了 电容空腔，最后把硅基底和玻璃键合，把空腔密封成真空。 2 2 2 2 硅压阻式 硅压阻式压力传感器主要利用了硅的压阻效应。对于硅来说，在外界条件 使其形状发生变化的时候，由压阻效应产生的电阻的变化比由机械形变产生的电 阻变化大很多，所以硅电阻的变化可以近似的表示为： A R R 府s( 2 9 ) 其中7 1 是压阻系数，7 = f 4 0 8 0 ) x 1 0 。1 m 2 N ；E 是杨氏弹性模量， E = 1 6 4 X 1 0 “m 2 。 通过上面的理论分析可以看出，此方案传感器电阻变化与承压薄膜的形变 成正比 A R R f 4 0 8 0 ) x 1 6 4 e ( 2 1 0 ) 利用A N S Y S 软件模拟出在l 1 0 5 P a ，2 X 1 0 5 P a ，1 0 ) ( 1 0 5 P a 压强下氮化硅 薄膜的应变。取薄膜靠近中心区域与边界区域的应变数值分析在不同压强下应变 的规律，如图2 7 所示。 一生垡塾丝坚型堡壁壁些旦堕壅二丝堕坚查些丝墨竺 图2 7 薄膜应变曲线图 通过图2 7 可以看出虽然不同区域的应变曲线斜率有所不同，但它们都与外 界压强线性关系。所以电阻的变化也与外界压强成线性关系。 图2 8 硅压阻式压力传感器示意图 图2 8 是硅压阻式压力传感器结构示意图。在硅基底的合适的区域扩散硼形 成压敏电阻，然后腐蚀硅基底在压敏电阻区域形成承压悬膜。最后也是采用和玻 璃键合的方式形成真空压力腔。 这种设计方案需要的工艺步骤大致如下： 图2 9 硅压阻式压力传感器工艺过程简图 6 第二章传感器芯片的设计与制作 图2 9 给出了硅压阻式压力传感器底： 艺过程简图。首先采用在硅基底特定 区域扩散硼的方式使某些区域形成压敏电阻。之后在硅背面沉积一层氮化硅，离 - T N 蚀出窗口，作掩膜。采用深刻蚀或者是湿法腐蚀的方式把扩硼硅电阻下面的 硅基底腐蚀掉，形成承压悬膜。最后把芯片密封在玻璃上形成真空腔。 2 2 2 3 应变电阻式 这种方案的压力测量主要是利用金属电阻的应变效应。金属导体的电阻随 着它受的机械形变( 伸长或缩短) 的大小而发生变化的现象，称为金属电阻应变 效应。 设一根长，截面为S ，电阻率为P 的金属丝，初始电阻为R ，则有： 月= p 喜 。：， 设金属丝在轴向外力F 作用下，长度，的变化了讲，截面S 的变化了豳， 半径r 的变化了d r ，电阻率的变化了咖，引起R 变化了d R 。对( 2 1 1 ) 进行微 分，可得： 一d R ：_ d l 一一d S + 塑：譬一2 , t r + 塑。( 1 + 2 弦：拓 R ， S P ，r p 、 ( 2 1 2 ) 其中为铂金的泊松比，占为轴向应变，取决于氮化硅膜的应变大小，为 横截面半径，因为金属在发生形变的过程中电阻率P 几乎不发生变化，所以忽略 了电阻率P 的变化。 氮化硅薄膜的应变公式推导比较复杂，这里不作详细推导。利用有限元分 析软件A N S Y S 来分析氮化硅薄膜在不同的外界压力下的应变情况，这个分析结 果在2 2 2 2 小节中的图2 7 已经给出。应变电阻式压力传感器与硅压阻式基本原 理相同，只是电阻随外界压强变化的比例系数有所不同。 图2 1 0 应变电阻式压力传感器结构示意图 图2 1 0 是传感器结构的示意图，在这种设计方案中使用氮化硅作为承压悬 集成温度艇J J 传感 | 应用研究轮胎压力监控系统 膜。在氮化硅悬膜上制作铂电阻，伴随着承压悬膜的变化，铂电阻的阻值也发生 改变，通过测量铂电阻的变化来实现对压力的测量。 这种设计方案需要的工艺步骤大致如下： 图2 1 l 应变电阻式压力传感器工艺过程筒图 图2 1 l 给出了传感器制作过程的简单示意图。首先在硅基底上L P C V D 一 层氮化硅薄膜，既作为承压薄膜又起到绝缘的作用。在这层氮化硅薄膜上使用l i R o f r 的方法制作铂电阻。采用铝做掩膜把背面的氮化硅刻蚀出窗口。利用氮化 硅作掩膜使用湿法或干法腐蚀的方式腐蚀透硅基底。最后把芯片真空密封在玻璃 上形成压力真空腔。 2 2 2 4 方案比较及选择 上面的章节给出了三种压力传感器的设计方案。下面从两个方面对这三种 方案进行比较，根据轮胎压力具体的应用来选择比较合适的设计方案。 工艺难易程度 在第一种设计方案中工艺存在以下几个难点： 形成真空腔室的氮化硅薄膜形状复杂，不易制作出满足要求的结构。 氮化硅薄膜有台阶转角，容易破碎。 铝牺牲层不容易去除干净。 电容下极板不易引出焊盘。 第二章传感器出”的设计与制作 第二种设计方案存在以下几个难点： 在硅基底上扩散硼的工艺难度比较大，不容易实现。 硅需要腐蚀到指定的厚度，厚度只有几个微米，不容易控制，有一 定的难度。 相比较上面两种方案，第三种设计工艺都很简单、易于实现。 传感器性能 第一种设计方案： 输出电容比较小，p F 量级。 输出电容与外界压强是非线性关系。 第二种设计方案： 输出电阻变化比较大。 输出电阻与外界压强成良好的线性关系。 传感器时漂严重。 第三种设计方案： 相对于第二种设计方案输出电阻变化比较小。 输出电阻与外界压强成良好的线性。 通过上面的分析可以看出从性能方面考虑，第二种方案比较好。但是考虑 到在轮胎压力控制系统中的压力传感器精度要求不是很高的特点，第三种方案最 好，因为虽然第二种设计方案的传感器精度高，但是它的制作工艺难度比较大， 而且时漂问题的解决比较困难。综合考虑，本文选择第三种设计方案作为实行方 案。 2 3 传感器芯片的制作 根据2 2 小节中讨论的结果采用一种基于氮化硅的温度、压力集成传感器的 设计方案。 根据轮胎内工作环境以及胎压测量的需要，大致确定以下的传感器参数指 标：温度测量的范围：1 0 0 + 5 0 C ，精度：0 2 O 5 。C ；压力测量范围：O M P a 0 5 M P a 。 根据式( 7 ) 、( 8 ) 可以看出金属丝电阻相对变化与轴向应变成线性关系， 集成温度压力传感器应用研究一一轮胎压力监控系统 系数为k 。作为电阻应变材料，必须满足如下要求： k 值大，且在相当大的应变范围内保持常数。 电阻系数P 大，同样的电阻值要求下，所需电阻长度小，利于减小体积。 电阻温度系数小。 耐高低温，P 和k 受温度影响小。 加工焊接性能强。 M E M S 制作简单易行。 在M E M S 中常用的铂电阻可以满足上述要求，而且铂金的物理化学稳定性 好【2 9 1 。因此采用硅、氮化硅、铂金作为主要材料，温度采用热敏电阻原理，压力 采用应变电阻原理，设计一种温度、压力集成传感器。 2 3 1 传感器结构 在2 - 2 l 和2 2 2 3 两小节中已经对传感器的基本结构进行了分析和讨论。通 过图2 7 可以看出把应变电阻设置在氮化硅薄膜的边缘会得到最大的应变变化。 但是从图2 3 可以看出应力最大区域很小，而且它附近区域的应力分布很不均匀， 而且从图2 7 中也可看出薄膜中间区域的应变变化也比较明显，应力分布比较均 匀。所以把应变电阻设置在氮化硅薄膜的中间区域。 传感器的尺寸初步设计为： 总大小一5 m m 7 m m 氮化硅厚度一5 a m 镂空薄膜大小一O 6 m m O 6 m m 承压薄膜大小一2 m m 2 m m 测温电阻阻值一约3 0 0 D 测压电阻阻值一约3 k Q 传感器的截面图如图2 1 0 所示，俯视图如下图所示： 第二章传感器芯 的设计与制作 图2 1 2 传感器俯视示意图 传感器表面有氮化硅薄膜，左面两个结构是测量温度的传感器单元。菱形 的电阻位于镂空的氮化硅薄膜上面。右边结构是测量压力的传感器单元。中间两 条电阻位于悬空的氮化硅薄膜上面，其余两条在未悬空的氮化硅上。氮化薄膜弯 曲时，中间两条电阻阻值变化，上下两条电阻不变化，从而电桥失去平衡，测量 电桥的不平衡输出就可以实现对压力变化的测量。氮化硅薄膜厚度5 I n n ，铂金厚 度1 0 0 0 A ，电阻丝宽度l O I t m ，间距2 0 1 t m ，每个电阻值大小约3 B q 。为了减少Y 轴应力的影响，电阻丝转弯处Y 方向线条宽度为2 0 9 m 。引线宽度5 0 p m ，焊盘 大小5 0 0 1 t m 。薄膜的边长、厚度，电阻丝的厚度、长度均可调节，它们决定传感 器的灵敏度和量程。 测温单元之所以设计成位于镂空的氮化硅薄膜上是为了减少测温铂电阻与 硅基底的接触，增加与周围空气的接触，能使得铂金电阻更准确的反映周围环境 的温度。把测温单元设计成两个是希望能利用温度单元对压力测量单元进行适当 的温度补偿，因为采用这种应变电阻式压力测量，测量的结果受周围环境温度的 影响比较大，增加一个测温电阻，采用适当的结构可以对压力进行补偿，提高传 感器测量的精度。 集成温度蚯力传感器应用研究轮胎压力临控系统 2 32 工艺步骤 集成传感器芯片的工艺流程如图2 1 3 所示。集成传感器芯片是在双面抛光 ( 1 0 0 ) 衬底硅片上实现的。 ( 1 ) L P C V D 氮化硅 ( 3 ) 腐蚀铝牺牲层 ( 5 ) 去除铝牺牲层 ( 7 ) 背面蒸发铝牺牲层 ( 9 ) 离子刻蚀背面氮化硅 ( 2 ) 蒸发铝牺牲层 ( 4 ) 离子刻蚀氮化硅 ( 6 ) 溅射铂金电极 ( 8 ) 腐蚀铝牺牲层 ( 1 0 ) 去除铝牺牲层 ( 1 1 ) 湿法腐蚀硅( 1 2 ) 与玻璃进行密封 二 硅l 氮化硅I 铝 黝铂匿圈玻璃 图2 1 3 传感器工艺流程 在开始工艺之前必须对硅片进行清洗，因为M E M S 工艺流程过程中对硅片 表面的清洁度要求很高，而原始的硅片表面虽然经过了一定的处理，但还是不能 达到M E M S 工艺的要求。清洗硅片的第一步是使用丙酮和乙醇棉球擦拭硅片表 面。然后采用丙酮、乙醇溶液和去离子水分别超声清沈5 分钟，以去除硅片表面 的石蜡。在此过程中丙酮和乙醇超声清洗的顺序不能颠倒，因为丙酮溶于乙醇， 第二章传感器芯片的改汁与制作 乙醇溶于水，但丙酮不溶于水。之后在浓硫酸溶液中煮沸，再使用去离子水煮沸， 这样可以把硅片表面的有机物去除。然后使用配比为l ：2 ：5 的H C L ：H 2 0 2 ： H 2 0 混合溶液、去离子水和配比为l ：2 ：8 的N H 4 ：H 2 0 2 ：H 2 0 混合溶液分别 煮沸，这样可以去除硅片表面的金属离子和络合物( 也可以使用5 的D Z I 和 D Z 2 溶液进行超声清洗) 。最后使用去离子水进行多次煮沸和冲洗并烘干，经过 处理后的硅片就达到了M E M S 工艺的要求。 图2 1 3 中的每步的工艺分别为： ( 1 ) 采用L P V C D 的方法在清洁的硅片表面沉积一层氮化硅薄膜，厚度为 5 1 a m ，这层氮化硅是传感器芯片的主要结构，既是承压悬膜，还绝缘铂金电阻和 硅基底，并且在湿法腐蚀的过程中起掩膜作用。 ( 2 ) 蒸发一层铝牺牲层，厚度约为3 0 0 0 A ，它在离子刻蚀的过程中起掩膜 作用。 ( 3 ) 使用负性光刻胶B N 3 0 3 作为掩膜，光刻后使用4 0 - - 5 0 ( 2 的浓磷酸腐 蚀铝，把铝腐蚀成需要的图形。 ( 4 ) 使用R 1 E 离子刻蚀机把氮化硅薄膜刻蚀出温度单元所需的镂空小孔。 ( 5 ) 使用磷酸或者N a O H 溶液去处铝层。 ( 6 ) 使用正性光刻胶A Z l 5 0 0 ，采用l i f t - - o f f 的工艺方法，在氮化硅上制 作出温度和压力单元的铂金电阻。 ( 7 ) 与步骤2 ) 相似，在背面蒸发铝牺牲层，厚度约为3 0 0 0 A 。 ( 8 ) 与步骤3 ) 相似，使用负性光刻胶B N 3 0 3 作为掩膜，光刻后使用4 0 一5 0 的浓磷酸腐蚀铝，把铝腐蚀成需要的图形。 ( 9 ) 与步骤4 ) 相似，把氮化硅薄膜刻蚀出需要的图形。 ( 1 0 ) 与步骤5 ) 相同。 ( 1 1 ) 使用K O H 溶液各向异性腐蚀硅，形成悬空的氮化硅薄膜。 ( 1 2 ) 使用真空密封胶在真空的环境下把芯片密封在玻璃上，形成测量压 力所需的真空腔室完成芯片的制作。 完成芯片的制作之后为了对芯片进行测量和使用，还需要使用金丝球焊把 芯片电阻的焊盘引到可以与外电路进行连接的P C B 板上。 集成温度压力传感器应用研究轮胎压力监控系统 2 3 3 重要工艺简介 芯片加工过程中包括多种工艺，每步工艺对器件来说都至关重要，下面对 一些用到或后面可能用到的重要工艺进行简单说明。 L P C V D 方法沉积氮化硅工艺【3 0 】 化学气相沉积( C V D ) 法是把含有构成薄膜元素的一种或多种化合物、单 质气体供给基片，借助于气相作用或在基片上的化学反应生成所需的薄膜。它的 特点是：能够制成各种材料的金属膜、非金属膜和合金膜；附着性好：沉积速度 快；薄膜的纯度高和致密性好；设备简单等。实验中采用低压强化学气相沉积 ( L P C V D ) 法来生长s i 3 N 4 。该方法由于压强低，使反应管的内部大部分是反应 气体。这样，反应气体向基片表面的扩散进行得更充分。对基片间隙、气体流量 和压强进行最佳选择，可使膜厚的分布均匀性成倍地得到提高，放片量也可成倍 增加，从而提高效率。 氮化硅分为高应力和低应力两种。高应力氮化硅结构致密，内部应力高， 耐腐蚀可作绝缘层、掩膜和各种结构，但是厚度只能为5 0 0 0 h 一下，否则由于应 力过大，容易使薄膜龟裂。这种氮化硅可以做绝缘层和掩膜。实验设备为美国 A S M 公司的L P C V D 设备。 低应力氮化硅结构疏松，内部应力低，耐腐蚀性一般，一般做各种悬空薄 膜和梁等。这重氮化硅厚度可以达到1 5 岬。本实验中用到的悬空薄膜为这种低 应力氮化硅。实验设备为国产L P C V D 设备。 溅射P t 电极 溅射工艺在压强非常小( 高真空，5 1 0 7 T o r t ) 的情况下用等离子体来实现， 这种温度下，化学反应几乎不能发生，称为物理沉积。在靶极( 阴极) 与阳极之 间加一个正交磁场和电场，从靶极发出的电子，由于受磁场的作用运动路程加长， 与工作气体的电离几率增大，在阴极附近形成高密度的等离子体。在电场的作用 下，正离子轰击靶极溅射出大量的金属原子或分子，以很大的能量在基片上沉积 成膜。 实验中所用的设备为H 4 6 5 0 0 - - 4 型双室溅射设备。该设备具有四靶双室结 构，适用于集成电路、半导体器件、微波器件等中的薄膜制备。 在溅射过程中，真空度、气体压力、溅射功率等工艺条件都会不同程度地 2 4 第二章传感器芯1 的啦汁与制作 影响沉积速率和溅射质量。真空度越高，薄膜质量就越好；氩气的压力直接影1 1 向 薄膜的性能；溅射功率与沉积速率成正比，但也不宜过高，功率过高容易造成光 刻胶转移的现象。 反应离子刻蚀【3 0 】 在反应离子刻蚀过程中，气体( 0 2 或S F 6 ) 在高频或直流电场中受到激发并分 解成为等离子体，然后与基片起反应形成挥发性物质，再由抽气泵排出去。0 2 主要用于对各种光刻胶等刻蚀，或者起清洁表面的作用。s F 6 气体主要用于对氮 化硅和硅等的刻蚀。本实验中主要用S F 6 刻蚀氮化硅。 如果被刻蚀的氮化硅层比较厚( 大于l I | t m ) ，就不能使用光刻胶作为掩膜， 一般用金属A l 作掩膜。将基片处理干净后，先在整个表面蒸发约3 0 0 0 A 厚的 A l ，然后进行光刻，光刻后用4 0 5 0 C 磷酸腐蚀A 1 ，形成A l 图形作为掩膜，洗 净后，可在刻蚀机上通s F 6 气体进行刻蚀。 湿法腐蚀【3 1 湿法腐蚀包括各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。本实验中所使用的主要是各 向异性腐蚀。湿法腐蚀的溶液一般使用K O H 的水溶液或者是K O H 、去离子水和 异丙醇混合溶液【3 2 】，配制比例分别为3 0 9 ：9 0 m l ( K O H ：H 2 0 ) ，2 4 9 ：6 0 r a l ： 2 0 r a l ( K O H ：H 2 0 ：( C H 3 ) 2 C H O H ) 。其主要反应是： S i + 2 0 H + 4 H 2 0 = S i ( O H ) 6 - 2 + 2 H 2 S i ( O H ) 6 - 2 + 6 ( C H 3 ) 2 C H O H = S i ( O C 3 H 7 ) 6 。+ 6 H 2 0 在配比为3 0 9 ：9 0 m l ( K O H ：H 2 0 ) 的K O H 溶液中，硅在 晶向与 晶向的腐蚀速率大约为3 0 ：1 【3 3 。在配比为2 4 9 ：6 0 m l ：2 0 m l ( K O H - H 2 0 ： ( C H 3 ) 2 C H O H ) 的混合溶液中，硅在 晶向与 晶向的腐蚀速率大约为 1 0 0 ：1 【3 4 】甚至达到2 0 0 ：1 t 3 5 1 。并且经定向腐蚀之后的 晶向硅片会形成一个 5 4 7 。角的v 型侧壁。综合上面的两种因素就导致了湿法腐蚀的掩膜图形的面积 要比最终得到的图形的面积大，这样在设计方案的过程中就需要根据选择的溶液 性质以及v 型侧壁计算好掩膜图形的面积以得到符合要求的结构。虽然K O H 、 去离子水和异丙醇混合溶液在选择比方面具有良好的性质，但是它腐蚀出来的硅 的表面比较粗糙，而且溶液混合不易均匀，所以在本文中的湿法腐蚀的溶液都是 采用的K O H 溶液。 集成温度压力传感器应用研究轮胎压力监控系统 腐蚀前首先要准备好硅片。前面的步骤中已经用氮化硅做掩膜。硅片的背 面用氮化硅保护，如果没有氮化硅保护，可以涂一层黑胶进行保护。然后在6 8 或者8 0 。C 的恒温槽中对硅片进行腐蚀，6 8 。C 腐蚀速率约0 6 l _ t m m i n ，平整度较 好，8 0 。C 腐蚀速率大约为1 4 1 a m m i n ，平整度较差。腐蚀完毕后，用负胶清洗液 浸泡2 4 小时去除黑胶，或者是在发烟硝酸里浸泡一个小时。脱离后得到分离的 小芯片，处理干净后，如果有腐蚀不足的情况，可以稍稍用K O H 溶液浸泡。 光刻3 0 】 光刻是整个工艺过程中用到最多的步骤，也是最为重要的步骤，有必要对 其工艺进行详细介绍。本实验中，光刻的步骤为：甩胶、前烘、曝光、显影、坚 膜【3 6 1 。 在光刻过程中经常使用到两种光刻胶：正性光刻胶和负性光刻胶。正性光 刻胶的性质是在光刻中被紫外线照射到的部分在显影之后会剥离掉；负性光刻胶 是在光刻中未被紫外线照射到的部分在显影之后会剥离掉。 甩胶时，正性光刻胶一般使用B P 2 1 2 ，负性光刻胶一般使用B N 3 0 3 。正胶 一般转速控制在5 5 0 - - 1 5 0 0 r p m ，如果做溅射剥离工艺，一般用5 5 0 r p m ，以保证 胶的厚度足够被剥离。负胶一般转速控制在1 0 0 0 - - 3 0 0 0 r p m ，如果做很长时间的 离子刻蚀的掩膜，可以适当增加厚度。旋转涂胶时间一般1 3 分钟，涂胶时间 越长，胶的均匀性越好。 前烘，温度一般为8 0 C ，时间为3 0 分钟。如果正胶厚度低于8 0 0 r p m 则前 烘时间可以延长到4 0 分钟，前烘时间过长容易龟裂。 曝光采用德国K A R L S U S S 公司的双面光刻机，曝光波长光波长范围3 5 0 n m - - 4 5 0 n m ，对准精度1 岫。负胶曝光时间为3 秒，正胶曝光时间2 3 秒。线条 很细时可以减少胶厚和曝光时间，但曝光时间不足则会出现显影后胶表面褶皱的 现象。 显影过程中，负胶采用专用显影液和清洗液，正胶采用1 或O 6 N a O H 溶液。负胶显影时间一般依次为1 分钟显影液、1 分钟清洗液、1 分钟显影液。 在一定范围内，时间变化对显影效果影响不大。正胶显影时间为：5 2 0 秒，然 后用去离子水漂洗。正胶显影时间对显影效果影响很大。显影时间由胶厚与暴光 时间决定，如果显影时间不足会使正胶表面残留，反之如果显影时间过长则会破 第二章传感器芯 的设计与制作 坏图形，因此，必须精确控制显影时问。 坚膜是显影之后对光刻胶重新烘烤，加强胶的附着力。正胶坚膜温度一般 为8 0 。C 或1 2 0 。C ，时问3 0 分钟，如果是做溅射剥离工艺为了使正胶能够容易的 脱落应采用低温烘烤或者是不烘烤，并在做溅射工艺前使用反应离子刻蚀打氧气 3 分钟以去除显影残留的胶以增加溅射的牢固性。负胶坚膜温度为1 8 0 ，时间 3 0 分钟，可以适当延长。坚膜之后光刻胶边缘会有所流动，造成线条变细。尤 其线条小于5 9 m 尤其明显，此时可以不进行坚膜，而在室温下放置晾干。 玻璃与芯片密封 在完成氮化硅悬膜的制作之后，为了能够测量外界气压的变化，还需要对 悬膜的腔室进行密封形成真空腔室。本实验中采用了一种简单方便的方式，对芯 片进行真空密封。首先把切割好的与芯片大小匹配的玻璃片进行清洗，然后使用 7 0 4 真空配比密封胶把芯片与玻璃粘合在一起。7 0 4 配比胶经过2 4 小时才能固化。 因此在芯片和玻璃粘合后，放置于一个密闭的腔室内，使用真空泵把腔室内气