（机械电子工程专业论文）微热板式微气压传感器电热力耦合分析及测试.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着微机械加工技术和m e m s 技术的快速发展，微型化成为传感器发展的重要方 向。采用与标准i c 工艺相兼容技术制作而成的微热板式微气压传感器由于具有体积小、 功耗低、量程宽、热响应快等优点，已成为国内外m e m s 领域的重要研究方向。本文主 要从理论分析、结构优化、以及性能测试等方面对微热板式微气压传感器进行了研究。 主要包括以下内容： 用经典传热理论和稀薄气体动力学对微热板式微气压传感器进行了电热理论分析 并建立了传感器电热理论分析模型；采用有限元分析软件c o v e n t o r w a r e 对三种薄膜厚 度分布不同的微热板进行了热力分析，仿真结果表明，微热板结构层薄膜厚度分布的不 同会影响微热板的变形方向；之后，结合微热板传热理论分析与热力有限元模拟建立了 微热板式微气压传感器电热力耦合分析理论模型；采用m a t l a b 软件对理论模型计算 求解，研究分析了微气压传感器在恒流、恒温工作模式下微热板的热变形对传感器耦合 信号输出的影响。 介绍了微热板式微气压传感器设计中的关键问题，采用a n s y s 软件对悬浮微热板 的三种不同支撑方式作了分析比较。仿真结果表明，环形支撑结构微热板不仅固体热损 耗小，而且能够有效缓解薄膜材料膨胀引起的热变形。 针对传感器动态性能测试的要求，完善了测控系统气压自动控制算法，设计了一种 参数在线自调整模糊控制器，并实现气压自动控制。实验结果表明，该控制器具有动态 响应快，稳态误差小的特点，在整个气压范围内能够获得较好的控制效果。另外，开展 了微热板式微气压传感器的测试研究，测试了传感器在恒电流、恒电压和恒温三种工作 模式下的响应特性。测试结果表明，恒电流与恒电压工作模式下，在1 0 5 x 1 0 4 p a 气压 范围内传感器较灵敏，但气压更高时由于工作温度太低，传感器灵敏度很低，在1 0 1 0 5 p a 气压范围内传感器输出电压摆幅仅为几百毫伏；恒温工作模式下传感器输出电压随气压 增加而增加，输出摆幅达到几伏，在1 0 - - - 1 0 5 p a 范围内都有较高灵敏度。此外，从多次 测试过程响应曲线的变化情况可以看出，传感器的重复性比较好，稳定性比较高。 关键词：微热板；微气压传感器；耦合分析；气压控制；参数自调整 微热板式微气压传感器电热力耦合分析及测试 c o u p l e d e l e c t r o - t h e r m a l - - m e c h a n i c a la n a l y s i sa n dt e s to fm i c r og a s p r e s s u r es e n s o rw i t hm i c r o h o t p l a t e a b s t r a c t a st h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c a n dm i c r o m a c h i n i n g t e c h n o l o g y ， m i c r o m a t i o nh a sb e c o m ea l li m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o no fas e n s o r a sm i c r og a s p r e s s u r es e n s o rb a s e do nm i c r o - h o t p l a t e ( m h p ) f a b r i c a t e du s i n gt h et e c h n o l o g yc o m p a t i b l e 谢也s t a n d a r di cp r o c e s sh a sl e s sv o l u m e ，l o w e rp o w e r , w i d e rr a n g e ，a n dm o r ef a s tt h e r m a l r e s p o n s e ，e t c ，s oi th a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o ni nm e m sf i e l da th o m ea n d a b r o a d t 缸sp a p e r m a i n l yr e s e a r c h e dm h p b a s e d m i c r op r e s s u r es e n s o rf r o mt h e o r ya n a l y s i s ， s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，a n dp e r f o r m a n c et e s t t h em a i nc o n t e n t sa sf o l l o w s ： e l e c t r o - t h e r m a lt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h es e n s o ri sc o n d u c t e du s i n gc l a s s i c a lh e a t t r a n s f e rt h e o r ya n dr a r e f i e dg a sd y n a m i c s ，a n de l e c t r o - t h e r m a lt h e o r e t i c a la n a l y s i sm o d e li s b u i l t ；t h e r m a l - m e c h a n i c a la n a l y s i so ft h e 匝p 、丽t hd i f f e r e n tt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n so ft h i n f i l m si sc o n d u c t e du s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ec o v e n t o r w a r e t h es i m u l a t e d r e s u l t ss h o wt h a t t h em mt h e r m a ld e f o r m a t i o nd i r e c t i o ni s r e l a t e dw i t ht 1 1 i c k n e s s d i s t r i b u t i o n so ft h i nf i l m s t h e n ，c o m b i n i n gt h em h pe l e c t r o t h e r m a lt l l e o r e t i c a la n a l y s i sa n d t h e r m a l - m e c h a n i c a lf m i t ee l e m e n tm o d e l i n g ，c o u p l e de l e c t r o t h e r m a l m e c h a n i c a lt h e o r e t i c a l a n a l y s i sm o d e lo fs e n s o ri sb u i l t t l l et h e o r ym o d e li ss o l v e du s i n gm a t l a b ，a n ds t u d y i n g t h em h pt h e r m a ld e f o r m a t i o ne f f e c to nt h ec o u p l e ds i g n a lo u t p u to fs e n s o ra tc o n s t a n tc u r r e n t c o n d i t i o na n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o nr e s p e c t i v e l y t 1 1 ek e yp r o b l e m si nm h p b a s e dm i c r og a sp r e s s u r es e n s o rd e s i g na r ei n t r o d u c e d ，t h r e e d i f f e r e n ts u p p o r ts t y l e so fs u s p e n d e dm 口a r ea n a l y z e da n dc o m p a r e du s i n ga n s y s s o f t w a r e t h es i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tc i r c u l a rs u p p o r ts t r u c t u r em h pn o to n l yh a s1 i t t l e s o l i dh e a tl o s s ，b u ta l s oc a nr e l e a s et h e r m a ld e f o r m a t i o ni n d u c e db yt h ee x p a n s i o no ft h i n f i l m s a i m i n ga tt h er e q u i r e m e n to ft h es e n s o rd y n a m i cp e r f o r m a n c et e s t ，p e r f e c tp r e s s u r e a u t o m a t i cc o n t r o la l g o r i t h mo ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，a n dd e s i g naf u z z y c o n t r o l l e ro fo n l i n ea d j u s t i n gp a r a m e t e r st or e a l i z eg a sp r e s s u r ea u t o m a t i cc o n t r 0 1 1 1 1 e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rh a sc h a r a c t e r i s t i c so ff a s td y n a m i cr e s p o n s ea n d s m a l le r r o r ，a n dc a na c q u i r eb e r e rc o n t r o lr e s u l to v e rt h ee n t i r ep r e s s u r er a n g e f u r t h e r m o r e t h em h p - b a s e dm i c r og a sp r e s s u r es e n s o rt e s tr e s e a r c hi sa l s od e v e l o p e d ，a n dt e s tt h es e n s o r r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ca tt h ec o n d i t i o n so fc o n s t a n tc u r r e n t ，c o n s t a n tv o l t a g ea n dc o n s t a n t t e m p e r a t u r e t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tf o rc o n s t a n tc u r r e n ta n dc o n s t a n tv o l t a g eo p e r a t i n g 大连理工大学硕士学位论文 m o d e ，t h es e n s o ri sa p p a r e n t l ys e n s i t i v ei nt h ep r e s s u r er a n g eo flo 5x l0 4 p a w h i l et h e s e n s i t i v i t yf a l l sd o w na th i g h e rg a sp r e s s u r ed u et ot o ol o ww o r k i n gt e m p e r a t u r e ，a n dt h e o u t p u tv o l t a g ea m p l i t u d ei so n l yaf e wh u n d r e d so fm i l l i v o l t sf r o m 10p at o10 p a f o r c o n s t a n tt e m p e r a t u r em o d e ，t h es e n s o ro u t p u tv o l t a g ei n c r e a s e si fe l e v a t i n gg a sp r e s s u r e ，a n d h i g h e rs e n s i t i v i t ya p p e a r si nt h ep r e s s u r er a n g eo f1 0 - 1 0 p as ot h a tt h eo u t p u tv o l t a g e a m p l i t u d ei sa b o u taf e wv o l t s i na d d i t i o n ，f r o mm a n yt i m e st e s tp r o c e s s ，t h es e n s o rh a sg o o d r e p e a t a b i l i t ya n ds t a b i l i t y k e yw o r d s ：m i c r o - h o t p l a t e ；m i c r og a sp r e s s u r es e n s o r ；c o u p l e da n a l y s i s ；g a sp r e s s u r e c o n t r o l ；p a r a m e t e r ss e l f - a d j u s t i n g 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：垡垫拯塞邀氢廷笾盛墨壑热左揭佥佥堑丞型达 作者签名： 主丛垂坌 日期：型年生月l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：邀憝拯盛邀氢匡笾盛墨鱼热盘揭佥佥堑丞型达 作者签名： 瑟垂短 日期：21 受年j 三月j 鱼日 导师签名： 金互兰l 望 日期： 垒2 塑年上月丝日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 本章概述了微型热传导气压传感器的工作原理及国内外研究概况，同时对微热板加 热技术及微热板研究中存在的关键问题作了简要介绍，最后，介绍了本文的主要研究内 容。 1 1 微型热传导气压传感器 近年来，随着微机械加工技术和m e m s 技术的快速发展，微型化成为传感器发展 的一个重要方向。采用与标准i c 工艺相兼容技术制作而成的微型传感器，并将其与执 行器、接口电路集成一体组成微系统【l 】，这一研究领域引起了国内外学者的高度重视。 其中，真空测量是许多真空系统与设备的重要组成部分。本文研究的微型热传导气压传 感器就是用来实现真空范围内气压测量的真空传感器。传统的真空传感器种类繁多，通 常体积、重量、功耗等方面较大，因而限制了它们在某些领域的具体应用。采用微电子 技术和微机械加工技术制作而成的微型气压传感器，不仅在减小传感器体积，重量，降 低功耗，提高性能等方面有较大进步，而且可以运用在现有传感器由于尺寸、性能等原 因无能为力的领域。因此，扩大了传感器的现有应用范围，提高了现有系统的整体性能。 在众多基于不同原理的真空传感器中，基于气体热传导原理制作而成的真空传感器由于 具有结构简单、使用寿命长、量程较宽等优点，一直是各种真空装置中最普遍采用的传 感器之一，广泛用于金属冶炼、食品加工，薄膜制备，电子封装等领域，可以实现 1 0 一1 0 5 p a 范围内气压的测量 2 1 。 1 1 1工作原理 热传导气压传感器的工作原理是基于气体的热导率与气压之间的关系。当气压变化 时，传感器中加热器通过气体导热消耗的加热功率发生改变，引起加热器自身电阻阻值、 加热电阻两端电压、或加热功率等电信号变化，通过检测这些电信号的变化可以间接的 实现气压的测量。传统的热传导真空传感器是在玻璃管或者金属管壳中固定一根细金属 丝，热丝通电后温度升高并通过周围气体向管壳传递热量。不同气压下通过气体热传导 传出的热量也不相同。这样检测热丝电阻大小或维持热丝温度不变需要的加热功率的变 化可实现气压的测量。而微型热传导气压传感器是采用半导体工艺或微机械加工技术加 工而成的悬浮在衬底之上内含加热电阻的微结构，它与衬底间通过气体热传导散失的热 量随着气压的变化而改变，通过检测微结构中加热电阻阻值变化或加热电阻两端电压变 化可以实现气压测量。采用微机械加工技术，传感器可以做的非常小，具有功耗低，灵 敏度高，热响应快，易与i c 集成等优点。 微热板式微气压传感器电热力耦合分析及测试 1 1 2 国内外研究概况 真空传感器在化工、航天、半导体加工、电子封装及科学研究等领域具有广泛的应 用价值。自1 9 0 6 年皮拉尼真空计出现以来【3 】，热传导真空传感器因结构简单、量程较宽、 寿命长等特点一直是各种真空装置中最普遍采用的传感器之一。但这类传感器因为体积 大，所以有热响应慢、受环境影响大、不能用于高真空测量等缺点。随着微电子与微机 械加工技术的迅速发展【4 弓】，使得微型化成为真空传感器的一个重要研究方向睁7 1 。微型 化可以减小真空传感器的体积，便于实现一体化与集成化瞵j 。所以，近些年各国研究者 采用微机械加工技术在微型气压传感器方面开展了大量的研究工作，已经成功研制出一 批结构不同，工作原理不同，驱动方式不同的微型气压传感器。 在真空测量方面，根据工作原理不同，目前国际上以成功研制出的微型气压传感器 主要有压阻式、电容式、压电式等，但是这些传感器基本上都是利用膜片变形来工作的， 传感器的测量下限、灵敏度均受到膜片尺寸与机械强度的限制，通常需要真空参考腔， 显然，这增加了用微机械加工技术实现的难度并且封装成本较甜9 1 。基于气体热传导原 理的微型热传导式气压传感器与传统的热传导式真空传感器相比，具有尺寸小、功耗低、 量程宽、热响应速度快等优点，有望拓宽热传导式气压传感器在便携式气压测试仪、微 电子封装、微机电系统等更多领域中的运用，因此，备受国内外许多研究者的关注。 文献中报道过的有，台湾交通大学的b r u c e 等采用正面体硅微加工技术和表面牺牲 层技术研制了多种微热板结构的热传导真空传感器，如图1 1 所示。微热板结构均采用 四桥支撑，加热电阻采用铂金薄膜电阻。其中，采用体硅微机械加工技术加工的传感器 通过采用恒温测试电路及温度补偿、衬底恒温控制措施使气压测量下限达到了10 。4 p a ， 而牺牲层技术加工的传感器，微热板下气隙间距仅有0 3 1 x r n ，实现了大约1 0 p a 1 07 p a 的压力测型1 0 。1 1 1 。美国加州大学伯克利分校m a s t r a n g e l o 研究小组采用正面体微加工技 术，研制了种长4 0 0 i n n ，宽3 9 m 的微桥热传导传感器，结构如图1 2 所示。实现气压 测量范围1 0 1 0 4 p a 1 2 4 1 。此外，英国剑桥大学【1 5 】早在上世纪9 0 年代就研究分析了微热 板式气压传感器的工作原理，为该类传感器应用于气压测量提供理论依据。美国斯坦福 大学【1 6 1 ，美国密西根大学1 7 棚】，加拿大滑铁卢大学【2 0 】等也开展了采用微细加工技术设计 制造气压传感器的研究工作。在国内，北京大学【2 1 1 ，大连理工大掣2 2 五5 】也一直在致力于 微型热传导气压传感器的研究工作，并取得了一定阶段性的成果。 在传感器加工工艺方面，微型热传导气压传感器的加工方法主要有正面体微加工和 表面牺牲层技术两种。早期的研究采用前者加工工艺较多，最近十多年运用表面牺牲层 技术加工较多。采用表面牺牲层技术加工的微传感器，加热器与衬底之间的气隙间距可 以做的很小，通常仅有几百纳米，大大提高了传感器的测量范围。 大连理工大学硕士学位论文 圈11 台湾交通大学研制的微热板式热传导真空传感器 f i g l1 m h p 。b a s e d t h e r m a lc o n d u c t i o nv a c u u m $ e i i s o , f a b f i c 目e db y t a i w a nj i a o t o n g u n i v e r s i t y _ h 叶抽州p 嘶b m钟l “o _ 柚椭 “尸” 篱霍銎、五二粪黧i瑟矗一睡 、，b p 、 。，7 7 、s 罔i2 加州大学侗克利分校研制的徽桥熟传导真空传感器 f i g 12 m i c r o b r i d g e - b a s e d t h e r m a lv a s e n s o r f a b r i c a t e db y u n i v e m i l yo f c a l i f o r n i a , b e r k e l e y 在传感器结构方面，微型热传导气压传感器主要有微悬臂i 圳、微桥【2 “、微热板三种。 其中，微桥、微悬臂结构理论分析容易，设计简单，易加工且成品率较高，但是这两种 结构的微气压传感器气体热传导在加热功率中占的比重小，使得传感器的灵敏度较低， 很难扩大传感器的测量范围。而微热板结构由于加热面积大，使得气体热传导占的比重 较大，有利于提高传感器的灵敏度和测量范围，同时微热板结构还可以作为承载其它元 器件的热平台，日益成为微加热器的主流。然而，由于面积大也带来需要解决的一系列 微热板式微气压传感器电热力耦合分析及测试 问题，如微热板的机械稳定性，残余应力的控制等。目前，微热板结构是近几年微型热 传导气压传感器的研究主流。 在传感器工作模式方面，目前主要有恒电流、恒电压、恒温等三种【2 8 】。在不同工作 模式下，由于电学特性不同，使传感器呈现出不同的响应特性。恒电流工作模式是给传 感器加热电阻通一恒定电流，测量加热电阻两端的电压信号随气压的变化关系。恒电压 工作模式是将传感器加热电阻作为惠斯通电桥的一个桥臂。测试时，在低气压端调平电 桥，当气压变化时，电桥失去平衡，电桥输出即为传感器响应信号。恒温工作模式是通 过恒温电路使得传感器电热电阻的温度保持不变，当气压改变导致气体导热量变化时， 电路通过调节加热功率维持加热电阻的热平衡。三种工作模式中，恒电流、恒电压模式 测试电路简单，但是由于低气压端与高气压端温差较大，因此加热电阻的热稳定性难以 一致。同时，高气压端通常温度较低，温度变化很小，所以传感器灵敏度较低。恒温工 作模式由于加热电阻温度不随气压变化，因此高气压端与低压端的灵敏度容易保证，在 整个气压测量范围内传感器具有较好的响应特性，但是恒温测试电路实现起来较复杂。 在今后相当长的时间内，发展高性能的以硅等半导体材料为主的微型热传导气压传 感器已成为必然。微型化、集成化则成为热传导气压传感器发展的主流。并且随着各种 微型热传导气压传感器的出现和性能的不断提高，有望应用在微电子封装、集成式真空 计、便携式气压测试仪或其它m e m s 器件与系统等领域，因而具有广阔的应用前景。 1 2 微热板加热技术 1 2 1 微热板简介 微热板是采用微电子技术和微机械加工技术在硅衬底上制成的一种微型平板式加 热器。微热板的主体材料一般是二氧化硅，氮化硅等介质或其复合结构。其厚度一般约 为几微米。在微热板上或其中间夹有金属或半导体电阻，可以通电使微热板达到预定的 工作温度。板的上表面可以淀积需要加热工作的敏感材料。微热板具有加热功率低、热 电响应快、与集成电路工艺兼容性好、易于实现与微传感器及其它微电子器件的集成化 等突出的优点，因而成为微传感器和微电子机械系统中的重要部件，已引起学者们广泛 的研究兴趣。 微热板作为一种微型加热器，它的温度分布和热特性直接影响传感器的工作性能， 目前主要集中于对微热板的热特性、降低功耗以及制作工艺方面的研究【2 9 】，已取得了很 大进展。匈牙利人z s v tz v d r y 等用有限元法f e m 建立了绝缘微热板的三维模型，通过 限定不同的边界条件，得到了微热板的温度分布【3 们。国内浙江大学在设计微结构矩阵时， 也用有限元分析的方法进行了模拟设计【3 。国内清华大学的顾毓沁，张荣海等人用红外 大连理工大学硕士学位论文 热成像技术对微热板进行了热测试和分析，获得了微小区域的温度分布和一些工作特 性，对传感器的研制和改进提供了实验数据 3 2 - 3 3 l 。 1 2 2 微热板研究中的关键问题 微热板除了与微电子技术和微机械加工技术密切相关外，其设计和加工还涉及传热 学、力学、材料学以及物理、化学等诸多学科，可以说它既依赖于这些相关学科的发展， 又为它们提出了许多需要解决的问题。其中最为关键的有以下几个方面】： ( 1 ) 微热板的设计问题。微热板的设计包括热设计和结构设计两个方面。热设计将 解决微热板的加热功率、温度分布和热动态响应速率等问题，以追求低功率加热，均匀 加热，快速加热和快速变温的目的。结构设计将解决微热板的机械强度问题，以追求高 的生产成品率和较高的机械强度。实际上，热设计和结构设计两者是分不开的。而且， 由于二者对微热板的几何参数的要求存在矛盾，因此，在设计微热板时两者必须统筹考 虑。设计的困难在于受到半导体集成电路工艺和微机械加工工艺特殊性的限制，微热板 的设计首先要保证工艺的可行性。另一方面，构成微热板的单层薄膜材料的厚度一般为 几百纳米，这些薄膜的热力学参数如热导率、杨氏模量等和其体型材料的物性参数很不 相同，并且这些参数还随工艺条件，衬底材料以及薄膜表面和界面状况的不同有很大的 分散性，大部分薄膜材料的物性参数测量也十分困难。因此，微热板的设计，必须而且 只能采用理论近似分析和实验探索相结合的方式，通过理论与实验的多次反复来达到设 计的目的。 ( 2 ) 微热板的加工技术。近年来，微电子机械系统技术的飞速发展为微热板的加工 提供了更加先进的方法和经验。但是，无论是半导体平面工艺方面还是微机械加工技术 方面，对基于微热板的微型传感器来说都还有一些问题需要解决。比如表面微机械加工 中相互匹配的结构层、牺牲层材料的选择，牺牲层的腐蚀，台阶平坦化，结构层机械强 度的保证以及残余应力、残余变形的控制等问题都需要解决。 ( 3 ) 微热板的性能测试。为了改进微热板的性能，需要对已加工微热板的实际情况 有深入的了解。因此，需要具备一套高精度的测试系统来实现微热板不同性能参数的测 试。比如，检测微热板的温度分布、薄膜材料厚度、物性参数等，这些相关测试系统的 完备将有助于微热板性能的研究改进。 1 3 本文研究的内容 本课题来源于国家自然科学基金重点项目“适用于s o c 的声、热、力微传感器系统 基础研究”( n o 9 0 6 0 7 0 0 3 ) 的子课题“微气压传感器的研究”。 微热板式微气压传感器电热力耦合分析及测试 从应用基础研究的角度出发，以研制一种用于测量气体微小压力的微加热式微气压 传感器为目标，研究此型传感器中的非线性热学行为和对气体压力的依赖关系，建立微 气压传感器的设计方法和性能评估方法。并探索具有低功耗( m w 级) 、响应快( 1 0 微秒级) 的低压力的微加热式传感器设计理论，这无疑具有重要的理论意义和应用价值j 因此， 本文从理论分析、结构设计优化及性能测试三方面对微热板式微气压传感器进行了较为 系统的研究。 本文共分五章，第一章绪论，主要讲述了微型热传导气压传感器的工作原理及国内 外研究概况，同时介绍了微热板加热技术及微热板研究中存在的关键问题；第二章主要 介绍了微热板式微气压传感器及其测试方法；第三章从理论角度对微热板式微气压传感 器进行了电热力耦合分析；第四章主要介绍了微热板式微气压传感器的结构优化；第五 章介绍了测控系统气压自动控制及传感器性能测试；最后一章是本文的结论。 一6 一 大连理工人学硕士学位论文 2 微热板式微气压传感器及其测试 本章主要介绍了微热板式微气压传感器的加工工艺流程，以及其基本的特性。同时 从影响传感器测试的因素出发，介绍了测试系统应满足的具体要求。另外，本章还简要 介绍了微气压传感器三种主要测试电路包括恒流，恒电压和恒温电路。 21 微热板式微气压传感器 微热板是各种加热式微传感器普遍采用的一种微加热器形式。它具有较高的加热效 率和较快的热响应速度。其热特性随气压变化灵敏，非常适用于研制微热板式气压传感 器。本文研究的微热板式气压传感器采用c m o s 工艺和表面牺牲层技术制各，具有体 积小、功耗低、量程宽、热响应快、易与i c 集成等优点，而且可以充分弥补硅压力传 感器在检测0 叭1a t a n 微小气压范围的不足。 211 微热板式微气压传感器的加工工艺流程 对于多晶硅加热电阻的微热板式微气压传感器，根据所总结的传感器设计思想并结 台实际的工艺条件，设计得到的传感器加工工艺流程如表21 所示p 5 】： 表21 微热板式微气压传感器的加工工艺流程 t a b2 1 f a b r i c a t i n gp r o c e s s e s o f t h e m h p b a s e d m i c r og a sp r e s s u r es e n s o r 编号 工艺 剖面圉 i 硅片熟氧化 淀积、刻蚀多晶硅牺 。 牲层 3 平坦化处理 淀积 4 s i 0 2 - s i g n 4 - s i 0 2 复合 5制备多晶硅电阻 淀积二氧化硅隔离 = 吝 微热板式微气j b 传嬉器电热力耦台分析及测试 如图2l 所示为一个采用上述工艺制作而成的微热板式微气压传感器的电子扫而电 镜图。图中微热板结构清晰u r 见，传感姑在衬底上带有多晶硅补偿i b 阻。在探针台上， 把探针移至微热板中司，用探针轻压微热板可清楚看见支撑桥发生了明显的变形，但是 当移开探针厉，微热板又恢复到初始位置，说明微热板成功悬空。图2 2 为传感器芯片 及用d i p 封装后的实物图。 幽21 传感器扫描电镜目 f i g2 is f mp i c t u r eo f t h ef a b r i c a t e ds e f l s o r 蚓22 传感器芯片及用d i p 封装后实物斟 f i g2 2 t h ef a b r i c a t e ds c i l 5 0 r sc h i pa n d p a c k a g e dw i t hd i p 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 微热板式微气压传感器的基本特性 本课题所研究的微热板式微气压传感器的基本特性需要在测试中进行评定，其基本 特性参数包括：灵敏度特性，初期稳定特性，加热特性，最佳工作条件和响应时间等。 灵敏度特性是指传感器在最佳工作条件下，接触某一种气体，其电阻值随气压变化 的特性。初期稳定特性是指微热板式微气压传感器经一定时间不通电放置后，再通电工 作，电阻值达到稳定时所需要的时间。一般情况下，初期稳定时间与器件种类、存放环 境及通电功耗有关。加热特性是指传感器在加热状态下工作，加热温度直接影响器件的 性能。一般地说，温度越高，响应越快。最佳工作条件是指根据传感器的稳定性、灵敏 度、响应时间等参数所选定的最佳测量电压、加热电压( 或电流、功率) 及负载电阻等 条件。响应时间是指在最佳工作条件下，传感器环境气压变化到规定值后，负载电阻上 的电信号变化到规定值所需的时间。 在微热板式微气压传感器的实验中，其中传热特性分析尤为重要。在传感器结构中， 微热板通过支撑桥导热、微热板下气体的导热以及对流、热辐射四种途径消耗加热功率。 其中，以前两者为主。如图2 3 是文献 2 5 1 计算得到的微热板在不同气压下的热响应曲 线。由图可知，微热板的瞬态热响应受气压影响较大。气压越低，响应曲线上升部分的 斜率越大，微热板升温速度越快，但由于热平衡温度较高，使得达到热平衡所需时间越 长。这是因为气压较低时，在微热板平均温度相同的条件下，气体导热消耗的加热功率 减小，使得微热板平均温度随时间的变化加快；另外，气体导热消耗的加热功率减小， 会使得用来增加微热板内能的能量增加，因此热平衡温度越高。 0 0 0 00 0 0 50 0 1 00 0 1 50 0 2 00 0 2 5 时间( s ) 图2 3 不同气压下微热板瞬态热响应曲线 f i g 2 3 t r a n s i e n tr e s p o n s ec u r v e so fm h pu n d e r d i f f e r e n tg a sp r e s s u r ec o n d i t i o n s 图2 4 各种传热途径消耗的加热功率随气 压的关系 f i g 2 4 c a l c u l a t e dh e a tl o s s e sa sf u n c t i o n o fa m b i e n tg a sp r e s s u r e 微热板式微气压传感器电热力耦合分析及测试 图2 4 是微热板达到热稳定状态时，各种传热途径消耗的加热功率随气压的变化关 系。从图中可以看出，在低气压端微热板传热以支撑桥导热q 为主，而高气压端以气 体导热级为主。气压低于l o p a 时，由于参与导热的气体分子少，热导率太低，使得气 体导热消耗的加热功率很小；在1 0 1 0 4 p a 气压范围内，气体热导率增大，气体导热量 随气压上升而增加。当超过1 0 4 p a 后，气体导热向粘滞态过渡，热导率随气压变化减小， 气体导热消耗的加热功率趋于稳定。支撑桥导热消耗的加热功率随气压变化的关系曲线 和气体导热相反，在1 0 - - - 1 0 4 p a 气压范围内随气压上升而减小，而该范围之外变化缓慢。 这主要是因为支撑桥导热与气压没有直接关系，只受微热板温度影响。对于热辐射，由 于微热板温升和面积都比较小，在整个气压范围内热辐射消耗的加热功率q ，都很小。 图中q 为微热板消耗的总的加热功率。由图可见，随着气压的升高，微热板结构消耗 的总的加热功率是有所减小的。 2 2 微热板式微气压传感器的测试 2 2 1 影响微气压传感器测试的因素 为了使微气压传感器测试时具有良好的特性，必须使其处于最佳的工作状态。由于 测试环境对传感器的正常工作及其性能有直接的影响，特别是对于精密测量和调试，则 希望这些外部环境能够尽可能地保持稳定，使得其干扰最小。 在传感器的测试中，影响传感器性能的主要因素有【3 6 j ： ( 1 ) 传感器的工作温度。这主要由加热器的电压和电流决定。改变加热电压或电流， 将改变器件工作温度，从而改变器件性能，所以加热电压或电流必须稳定。 ( 2 ) 环境温度和湿度。环境的温度和湿度对器件性能有直接的影响，标准的环境条 件，必须是对环境温度和湿度能进行控制。整个实验测试过程是在超净实验室里操作控 制系统进行的，里面环境温度和湿度都非常适宜且保持稳定，外界环境对实验结果影响 很小，测试效果比较理想。 ( 3 ) 环境气流。由于气流会对传感器表面与环境间的传热产生影响，所以测试的气 压环境应该避免有气流或气流稳定可控。这在动态测试中尤其需要引起重视 2 8 j 。 ( 4 ) 气体组分。由于气压传感器的原理是基于对气体的热导率监测来反映气压变化， 所以对于要求精密测量气压的传感器，应该考虑所测试环境的气体组分变化对信号响应 的影响。故实验中应该保持气体组分的稳定，针对此种情况还可以进行传感器的耦合实 验。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 2 自动测试系统的基本要求 为达到实验目的，对所研究的传感器特性及有关参数进行测试，测试系统的各个组 成部分应该满足系统的整体要求。 ( 1 ) 系统气压测试范围。由于课题研究的传感器主要是为了检测0 0 1 l a t m f 1 0 1 3 2 5 p a 1 0 1 3 2 5 p a ) 气压范围的不足，故测试系统必须提供一个真空测试环境。考虑 到研究传感器更宽量程的适用性，设计系统的气压测试范围为1 0 弓p a - 1 0 5 p a 。 ( 2 ) 测试及控制性能要求。测试参数的设置和获取能够自动实现，并能够对主要实 验仪器和设备进行程控；为了能够对传感器进行静态、动态性能测试，要求真空室的气 压可以根据实验需要进行程控，获得静态或动态恒压设置。 ( 3 ) 实验用气要求 不同的气体有不同的导热系数，所以利用气体热导率与气压的关系进行工作的微热 板式微气压传感器对不同种类的气体有不同的响应。所以，为了研究传感器在不同气体 环境中的工作性能，需要测试系统能提供多种气体的测试环境。 ( 4 ) 电源要求 对于高精度测量，测试电源和加热电源要用高精度、稳定的恒压源或恒流源。加热 电源能够程控，具备多种功能，能为多方案的实验提供仪器支持。 针对上述要求，本项目小组开发的计算机测控系统如图2 5 所示。它是以计算机为 控制中心，通过微机r s 2 3 2 通讯串1 2 控制k e i t h l e y2 4 0 0 电源的输出，适时、灵活地对 置于真空系统中的微热板式微气压传感器进行恒压电桥、恒流和恒温模式的加热，实现 仪器控制的自动化，并通过串口实现测试电路的控制。发挥1 2 位a d 卡的数据采集能 力，实时采集测试实验中气压传感器对不同气压的响应信号，并将采集到的数据分别以 文本和数据库的形式存储在计算机上以供进一步分析处理。计算机利用d a 卡输出两路 控制量，分别控制两个质量流量控制器。当真空室气压高于l k p a 时，采用大流量的质 量流量控制器对进气量调节，从而实现真空室气压的控制；当真空室气压低于l k p a 时， 采用小流量的质量流量控制器对进气量精确调节，从而实现低气压的控制。其控制算法 由计算机编程实现，并与a d 卡采集的真空室气压反馈信号共同构成闭环系统，达到精 确控制真空室气压的目的。另外，质量流量控制器通过的气体可以是多种气体的混合， 也可以是单组分气体，从而可以实现不同气体成分时微热板式微气压传感器的性能测试 工作。 该系统由仪器设备硬件部分和程序设计软件部分构成。硬件部分包括计算机、测试 电路、驱动电路、程控电源、高速模入( a d ) 卡、高速模出( d a ) 卡、真空系统和 质量流量控制器组成。这些仪器设备为测试系统的软件实现提供了良好的硬件支持。软 微热板式微气压传感器电热力耦合分析及测试 件设计部分，方而，利用计算机的高速数据处理能力、数据采集技术、仪器设备控制 技术，实现测试系统的数据采集、传感器加热状态控制以及实验气压调节功能；另一方 面，可以灵活设计不同的实验方案，连续检测被测气压传感器的响应信号，并根据响应 信号比较完整地反映出气压传感器的性能参数，实时地观测多个被测传感器对同一气压 条件的响应情况，从而可以评价传感器的性能，提高了测试的效率。 图25 计算机测控系统的结构 f i g2 5 f r a m eo f c o m p u t e r t e s ta n dc o n t r o ls y s t e m 些登 大连理工大学硕士学位论文 r l v t r s j ( c ) 恒温 图2 6 测试电路 f i g 2 6 t e s tc i r c u i t s ( 1 ) 恒电流模式 图2 6 ( a ) 为恒电流工作模式下的测试电路，匙为加热电阻，工作肘先在小于气压测 量下限的参考条件下调节电流磊使微热板温度达到一定值后保持电流不变，这样当气压 升高时，气体导热增加使微热板温度降低，r 。阻值减小，通过测量r 。两端电压k 的变 化实现气压的测量。 ( 2 ) 恒电压模式 恒电压模式实际上是惠斯顿电桥外加的直流电源为恒压源，图2 6 ( b ) 是恒电压工作 模式下的测试电路。图中匙为加热电阻，制作在悬空微热板上，电阻大小随气压变化而 变化；凡为温度补偿电阻，与足材料相同，制作在与足。同芯片的基底上，基底导热系 数很大，所以凰温度基本上只与基底温度有关，受环境温度影响，与气压无关。畏l 、 r 2 为搭建测试电桥的分立元件，不随温度变化，且r 2 可调。传感器工作时先在小于气 压测量下限的参考条件下调r 2 使电桥平衡，电桥输出为零。这样当气压升高时，气体 热导率增加，微热板通过气体传导散失的热量增加，微热板温度降低，r 。阻值减小，电 桥失去平衡，输出电压虼。 ( 3 ) 恒温模式 图2 6 ( c ) 是恒温工作模式的测试电路。r l 、r 2 、匙、凡构成电桥，当高开环增益的 运算放大器接入桥路后，流入运算放大器输入端的电流近似为零，运放正负输入端电压 巧、圪始终相等，若电阻尺l 、r 2 大小相等，流过r 。、风的电流也相等