MEMS高温压力传感器若干关键技术的研究

1、MEMS高温压力传感器若干关键技术的研究 对一种新型MEMS高温压力传感器进行了研究，该压力传感器以硅片为弹性片，敏感材料为Ni-Cr合金，是利用溅射合金薄膜压力敏感元件和先进的加工工艺制作而成。这种压力传感器克服了压阻型压力传感器不能在高温下工作的缺点和传统的溅射薄膜压力传感器尺寸大的缺点，工艺过程简单，工艺周期短，工艺成本相对较低，体积小、重量轻、耐高温，特别适用于对流体介质的测量，是油田生产下井压力传感器的理想选择。 本文研究的是溅射薄膜压力传感器，它以硅片为弹性片，敏感材料为Ni-Cr合金，利用溅射合金薄膜压力敏感元件和先进的加工工艺技术制作而成。Ni-Cr合金电阻与温度有良好的线性关

2、系，传感器的所有薄都是在高真空之下以分子形式结合在一起 的，避免了高温时p-n结隔离失效问题，从而可以在高温300下工作，这是目前大 多数传感器所不能达到的。应变电阻转换原理金属材料的应变电阻效应金属材料应变电阻以结构尺寸变化为主，对于其它金属及合金K=1.84.8，对于镍铬合金K=1.92.5。实验表明：康铜、镍铬材料电阻变化率与应变之间的关系是线性关系。溅射薄膜压力传感器的转换原理现在讨论的是导线电阻变化与应变之间的关系，本文分析对于如图所示的电阻与应变关系。溅射式的敏感元件溅射薄膜压力传感器是溅射工艺直接在弹性元件上制成电阻应变敏感元件，它的附着力强，制成传感器的蠕变小，稳定性好。下面就

3、介绍薄膜溅射的基本原理和溅射薄膜压敏芯片的基本结构。1）薄膜溅射的基本原理溅射型薄膜压力传感器敏感元件的制作是采用溅射技术。溅射是一种纯物理工艺，它应用辉光放电从靶上移走材料，发射出的材料向硅片表面扩散，并且被收集在表面。2）溅射薄膜传感器芯片的基本结构如图所示，溅射薄膜传感器芯片的基本结构由五部分组成：弹性片选用硅片；绝缘薄膜，以某种特殊的硅类玻璃溅射形成（如SiO2），厚度23微米，在100V直流电压得测试条件下，绝缘电阻大于105M；应变电阻薄膜，采用镍铬合金，厚度为几千埃；引出电极，采用Au或Ag或Cu；保护薄膜，SiO2为材料屏蔽整个敏感芯子表面。变换电路及补偿电路压力传感器的变换电

4、路经常采用的有恒压电桥电路、恒流电桥电路及双恒流源电桥电路，以此将压力变化引起的应变电阻的阻值的变化量转换为电压变化量。由于恒压电桥具有简单、成本低的特点，这里本文采用恒压电桥电路。如图2-5恒压电桥电路。图中四个电阻R1、R2、R3、R4。电桥AC两端接直流电源，BD两端为电桥电压输出端。计算可得：改变为R+R1、R+ R2、R+ R3、R+R4时可得：设电阻变化率为K，各电阻相应变量为1 ，2，3，4。简化可得：不难看出，设计敏感元件和电桥接线时使四个应变电阻中一对对边受拉力为正应变，另一对对边受压力为负应变。邻边电阻阻值大小按相反的方向变化，且应变量的绝对值相等，不妨设1=3=，2=4=

5、代入得由上式看出，当传感器弹性元件上敏感元件所在处的应变值满足上式时，恒压电桥的输出电压与弹性元件上的应呈线性关系。恒压电桥电路下面讨论温度补偿电路初始零点补偿对于恒压电桥电路，只有当R1R3=R2R4时，电桥才会平衡。但桥路中的电阻应变敏感元件的阻值总会存在一定的偏差，使得电桥不平衡，可以在桥路中串联电阻R0补偿，使电桥平衡。温度补偿 由于弹性元件各处的材料性能不可能完全相同，溅射的电阻应变元件的温度特性也存在着或多或少的差异，当传感器所处的环境温度变化时，电桥就会有输出，造成测量误差，它分两种情况：一种是不受载荷时，由于温度变化引起的电桥有输出称为“零点漂移”；另一种是在有负载时，电桥的输

6、出灵敏度随温度变化而变化称为“灵敏度漂移”。（1）零点漂移补偿影响零点漂移的因素很多，主要是温度发生变化，弹性元件的温度系数发生变化，溅射的电阻应变元件和弹性元件材料的线膨胀系数不同，电阻应变元件性能不均匀等原因造成的。本文这里将电阻温度系数比较大并且性能稳定的镍丝线绕电阻Rt串入到温度变化引起的电阻变化比较小的桥臂上，以补偿温度变化引起的电阻变化的不平衡性。（2）灵敏度漂移补偿由于弹性元件材料的弹性模量E及应变敏感元件的灵敏系数K随温度的变化而变化，造成了传感器灵敏度的变化。当温度升高时，弹性元件的E要减小，如果外力不变，则应变要增加，电桥输出增加，传感器敏感系数变大。补偿方法是在电桥的电源

7、电路中介入一个温度补偿电阻RS。补偿后的电路压力传感器中的力敏电阻是一种应力敏感元件，它制备在承压弹性膜上，而弹性膜上的应变可引起力敏电阻阻值的变化。因此，计算弹性膜上的应变分布是十分重要的。常用的弹性膜片主要有方膜、长方膜、圆膜三种形式。在选用膜片时，不仅需要最大限度地利用应变的分布，还要考虑制膜工艺。一般希望得到方膜和长方膜，因为此时相对圆膜来说，受力后的桥输出较大；同时结合压力传感器的制作工艺，用各向异性腐蚀法制备的硅杯，从易于加工的角度讲，方膜和长方膜都优于圆形膜片。因此在这里，压力传感器选用的是方形膜片。方形膜片应变的理论分析对压力传感器来说，一般由硅片用研磨法或腐蚀法制成硅杯，硅杯

8、底构成弹性膜。有限元应力计算中应把压力传感器中的承压膜看成是周边固接。为了便于与实际情况接近，需要分析整个硅杯的受力和形变情况，这就要用三维有限元法。ANSYS弹性膜应变分布模拟ANSYS软件是大型通用有限元分析软件。它具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点，是工程运用上的重要工具。本节就用ANSYS对弹性膜片的应变分布、实体结构温度场中应变分布进行分析。实体建模这里选取的压力传感器芯片的平面几何尺寸如下图所示，芯片边框的厚度为250m，弹性膜厚为100m。如图所示，内圈区为实际弹性膜区域，外圈的虚线为背面硅杯窗口。本文先Pro/E建立好上图所示尺寸的模型，然后把模型存为IGS文件。I

9、GS是一种被普遍接受的中间标准格式，用来在不同的CAD和CAE系统之间交换几何模型。ANSYS的IGS输入能力在工业界是最强的。在Pro/E建好的模型，如图3-2所示，导入到ANSYS中。下面所有的模拟都采用“毫米千克秒”这种单位制。定义材料属性、网格划分、载荷施加、求解定义单位类型及材料属性网格划分载荷施加求解查看结果对于镍铬合金，c=2，=0.3取m=8,L1=300m,S1=S2=4m，L2=60m，可计算得到p=p=0.85,q=q=0.15;Kl=2.4，Kt=1.3。将这些参数代入，可得镍铬合金的电阻变化与应变得关系为2.5el +1.2et就是压敏电阻相对变化，因此了解它在芯片表

10、面的分布情况对传感器版图的设计至关重要。求所需应变的分布。定义径向和切向的应变分别为strain1和strain2， 令strain=2.5strain1+1.2strain2。可求得整个膜片的应变strain分布如图模型应变分布如图所示，可以看到应变在芯片上的分布，在中心和膜边缘中心附近综合应变较大。传感器的工艺设计和试制工艺流程设计传感器的制作工艺是非常复杂的过程，包括芯片部分的集成电路平面工艺和后部的传感器的补偿标定等，下面给出了制造工艺流程中部分关键工序。为了在版图设计中实现MEMS工艺的模拟显示，需要了解制作传感器的工艺流程。工艺流程如下：工艺步骤描述1）双面光刻厚度为250m，N型

11、（100）硅片；2）在硅片的正背面上用热氧化法分别沉积厚度为3003）在硅片的反背上用LPCVD沉积厚度为1000?的氮4）在正面上溅射沉积Ni-Cr合金2000?；5）在正面刻蚀Ni-Cr电阻；6）在正面上用LPCVD沉积2微米的氮化硅，形成保7）背面刻蚀Si3N4形成硅杯窗口；8）背面刻蚀SiO2形成硅杯窗口；9）各向异性腐蚀硅杯；10）在正面上刻蚀氮化硅，形成接触孔；11）溅射一层Al；12）反刻Al；13）沉积一层钝化层，将传感器的上表面除了压焊点 外均用Si3N4保护起来，避免外界环境对器件的不良影响，提高器件的可靠性和寿命。14）刻蚀压焊点。所设计器件的剖面图见5-1所示。传感器制

12、备的主要工艺硅片的清洗硅片的清洗单晶硅片在其形成中经过切割、研磨、抛光表面精细加工等加工过程后，最后形成的硅片表面残存各种油脂如防锈油、润滑油等。这些物质极易污染晶片，硅片表面是否清洁是影响每道工序质量乃至整个器件质量的主要因素之一，因此在器件制作之前首先清除原材料表面的杂质污染即要对硅片进行清洗。其次，再各工序过程中，均可引入杂质和灰尘。总之，在器件制作过程中，杂质来源是多方面的，来自工艺流程、环境、材料、设备、用具、操作者，这些因素直接或间接的与硅片接触，造成其表面被杂质污染。清洗硅片时应去除覆盖在表面上的一层疏水性的有机物残渣，因为它对清除离子型和原子型杂质有阻碍作用。再去除无机金属离子

13、或原子杂质。对于抛光硅片，还需要去除镜面上的吸附颗粒。光刻工艺光刻工艺是利用成像和光敏胶膜在基底上图形化。光刻是微细加工中最重要的步骤。从基底开始，光刻胶置于基底的平滑表面成为首层。然后，带有光刻胶的基底在一束光通过绘有预定图案的掩模版中的透明部分而曝光。当光照后，光刻胶会改变其溶解性。光照后易溶解的光刻胶称为正胶，反之，处于阴影处更易溶解的称为负胶。当曝光的基底经溶剂处理后，这两种光刻胶具有相反的效应。原来的光刻胶材料经处理后产生原版本的图案。处于阴影中的光刻胶的基底部分被保护以免被腐蚀。因而，在除去光刻胶后，基底上就产生了一个永久的图案。镀膜工艺薄膜是指存在于衬底上的一层厚度一般为零点几个

14、纳米到数十微米的薄层材料。薄膜材料种类很多，根据不同使用目的可以是金属、半导体硅、绝缘体玻璃，陶瓷等。从导电性考虑，可以使金属、半导体、绝缘体或超体；从结构考虑，可以是单晶体、多晶体、非晶体或超晶格材料；从化学组成来考虑，可以使单质、化合物或无机材料、有机材料等。制备薄膜的方法很多，归纳起来有如下几种：1）气相方法制膜，包括化学气相沉积(CVD)，如热、光或等离子体CVD，和物理气相沉积(PVD)，如真空蒸发、溅射镀膜、离子镀膜、分子束外延、离子注入成膜等；2）液相方法制膜，包括化学镀、电镀等；3）其它方法制膜，包括喷涂、印刷、涂敷等等。金属Cr作为掩模的各向异性腐蚀各向异性腐蚀硅杯是制作压力

15、传感器至关重要的工艺，硅杯应力膜质量的好坏直接影响传感器的输出特性，它主要取决于腐蚀液及腐蚀条件的选择。性能优秀的各向异性腐蚀液应具有良好的方向选择，易于控制，能与硅集成电路平面工艺兼容。不同腐蚀条件下腐蚀效果的差别很大，常用的各向异性腐蚀剂分为三类：第一类是有机腐蚀剂，包括EPW（乙二胺，邻苯二酸和水）和联胺等；第二类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液；第三类是氢氧化铵（TAMH）类，如四甲基氢氧化胺。第一类腐蚀剂EPW和联胺选择性中等，速度中等，但有毒制癌，废液难于处理，一般不采用。第二类中KOH晶面腐蚀选择性好，速度较快，但容易腐蚀SiO2掩模层，使得硅杯腐蚀深度较浅。传感器的制作流程1）清洗选取双面抛光N型（100）单晶硅，电阻率=0.01cm，厚度d=250m。采用先前介绍的清洗方法进行清洗。2