MEMS微压压力传感器的灵敏度优化

1、MEMS微压压力传感器的灵敏度优化微机电系统(Micro机lectro-Mechanical System, MEMS)压力 传感器凭借其体积小、功耗低和价格廉价等优点，广泛地应用于工控、 汽车电子、消费电子和医疗电子等领域微型硅压阻式压力传感器利用多晶硅为弹性体，采用先进微型化制作 工艺集成硅膜片作为敏感元件制作而成。伞海生等5-6为了消除 压力传感器压敏电阻的影响，将压敏电阻置于应力薄膜的下外表并通 过阳极键合技术密封在真空压力腔中，所研发的硅压阻式压力传感器 可适用潮湿、酸碱、静电颗粒等极端恶劣环境。赵玉波等7为解 决高温200 C应用环境的压力测量问题，使用高能氧离子注入SIM0X 技

2、术形成埋层二氧化硅层，研究设计了耐高温压力传感器。李闯等8 研究了基于绝缘体上硅(Silicon On Insulator, SOI)的E型结构 可动膜片一体化结构的压力传感器芯片，与传统C型膜结构相比解决 了灵敏度与线性度无法同时满足工程需求的难题。随着物联网的开展及智能移动设备的普及，微压压力传感器的市场需 求不断增长，尤其在消费电子和医疗领域，例如，微压压力传感器可 应用于智能穿戴电子中的气压计、非侵入性医疗应用利基市场中心血 管治疗的导管和氧气监测等。灵敏度是评价压力传感器性能最重要的 指标参数之一，然而由于工作压力较低，灵敏度已成为阻碍微压压力 传感器开展的一大因素目前，市场常见的4

3、0 kPa量程的压力传感器，典型的灵敏度参数约为0.250.35 mV/kPa,普遍偏低 备淀积，厚度为350 nm,金属膜层那么采用爱发科公司的EI-501Z蒸 发台设备进行制备，背槽腐蚀使用25%TMAH试剂腐蚀17-18,最终 完成传感器圆片流片并封装测试性能。压力传感器芯片的整合工艺流 程如图8所示，主要步骤包括：（1）热生长二氧化硅；（2）压敏电阻 制作：光刻、注入、退火；（3）电阻连接和电极焊盘结构制作：光刻、 注入、退火；（4）接触孔光刻、腐蚀；（5）金属互联结构形成：铝蒸 发、光刻、腐蚀；（6）背腔形成：光刻、湿法腐蚀硅深槽。加工完成 的芯片实物如图9所示。关键尺寸SEM测试参

4、数如表2所示，与设计 值基本一致。图8芯片制作流程Fig.8Fabrication process flow of chip图9芯片实物Fig.9Picture of chip表2传感器芯片实测值Tab. 2Actual values of pressure sensor chip （inn）参 数设计数值实测数值压敏膜厚度1515.82压敏电阻长度120228. 94电阻宽度1010. 10电阻距敏感膜边缘间距108. 625测量实验与结果将制作完成的压力传感器芯片采用S0P6塑封封装形式，其塑封工艺 主要经过：划片、装片、键合、注塑、弯脚成型这5个工序，最终完 成表压压力传感器成品封装，封

5、装结构及成品如图10所示。图10压力传感器封装图片Fig. lOPicture of packaged pressure sensor1测试系统搭建搭建的测试系统如图11所示，对压力传感器成品的性能进行测试。测试系统主要包括压力控制系统、温度控制系统、信号输入与输出系 统。其中，压力控制系统由德国的Druck pace5000压力控制仪、气 体管道及密封环组成，Druck pace5000的压力为0200 kPa,调节精 度和控制稳定性分别高达0. 02% FS和0. 005%FS；温度控制系统由 高低温试验箱保证；测试采用恒压模式，输出为电压信号，输入电压 源与输出测量均采用Keithley

6、 2400源表，Keithley 2400源表电压 源量程为0200 V,电压测量分辨率高达100 nVo图11压力传感器测试系统示意图Fig. USchematic diagram of pressure sensor5.2性能测试结果分析压力传感器的压力测试量程为040 kPa,将压力测试间隔定为2.5 kPa,输入电压为5 V。在0, 25和50 3个不同温度下测试不同 压力点的传感器输出，测试结果如图12所示。图12压力传感器不同温度下的输出曲线Fig. 120utput curves of pressure sensor at different temperatures从图12可以

7、看出，输出电压随着施加压力的增大呈线性增大的趋势, 这说明在压力作用下，位于硅膜上的压敏电阻条阻值区域受到的应力 增大，导致其阻值增大。在5V激励电压的作用下，压敏结构优化后 压力传感器常温下的满量程输出为88. 937 mV,灵敏度高达0.444 mV/kPa,灵敏度的实测结果与仿真计算结果误差较小，为7. 77%。此 误差来源于工艺误差，如压敏电阻条的光刻精度、背腔湿法腐硅槽的 均匀性等。常温下压力传感器的线性度较好，非线性度仅为0.073 6%FSO比照不同温度下传感器的输出结果可知，随着温度的升高，输出电压 从91. 638 mV下降到83. 317 mV,灵敏度从0. 458 mV/

8、kPa下降到0. 416 mV/kPa,下降了约10%。这是因为随着温度的升高，压敏电阻的压阻 系数减小，其阻值减小。通过测量传感器芯片在加压和降压过程中的输出电压，对传感器的迟 滞特性进行研究。加压条件下，气压从0 kPa升高到40 kPa；降压 条件下，气压从40 kPa降低到0 kPa。测试结果显示，上行与下行 输出电压的最大偏差为0.034 mV,经计算得到迟滞仅为0. 038%FS, 回滞特性良好。最终测得的传感器成品参数如表3所示。表3传感器成品参数实测值Tab. 3Actual values of parameters of pressure sensor参 数测试值量程/kPa

9、40灵敏度/ (mV-kPa-1) 0. 444精度/%FS0. 1 非线性度/%FS0.073 6迟滞/%FS0.038零点漂移/mV1.43灵敏度温度 系数/ (%FS-1) -0. 19电阻温度系数/ (%FS-1) 0. 1最大过 载压力/kPal206结论本文根据硅压阻式压力传感器的工作原理，通过仿真研究了压力传感 器芯片压敏结构参数，如压敏膜厚、压敏电阻长度及位置对传感器灵 敏度的影响，基于仿真结果对一款40 kPa压力传感器进行了结构优 化，最后完成了芯片制作、封装和测试。测试结果说明，优化后传感 器满量程输出约为89 mV,灵敏度高达0.444 mV/kPa,比常规同量程 压力

10、传感器的最高灵敏度0. 35 mV/kPa,提升了 26.8机 研制的MEMS 压力传感器线性度和回滞特性优良，非线性度和迟滞分别为0.073 6%FS和0. 038%FSo该研究结果对于提高微压MEMS压阻式压力传感器 的灵敏度具有一定的参考价值。12-14。有研究使用半岛膜、梁膜等结构以及增加压力膜尺寸的方 式来改善MEMS压阻式压力传感器的灵敏度，但这些方法存在加工工 艺复杂、芯片体积偏大的缺点。因此，提高小型化微压传感器的灵敏 度具有重要意义。针对微压压力传感器灵敏度较低的问题，本文采用COMSOL Mutilphysics软件仿真分析了压敏膜层的厚度、压敏电阻的位置分 布、压敏电阻的

11、长度等结构参数对压力传感器灵敏度的影响，根据仿 真结果对压敏结构参数进行优化，设计了芯片幅员并进行流片封装, 完成了 40 kPa表压式压力传感器成品的研制。2工作原理压阻式压力传感器的工作原理主要是基于多晶硅或硅的压阻效应，压 阻材料在应力作用下晶格发生变形，载流子迁移率发生变化引起电阻 率发生变化，从而影响其阻值。典型的压阻式压力传感器的基本结构主要包括压敏薄膜、压敏电阻、 背腔和金属互连结构等。压阻式压力传感器通常采用周边固支膜片结 构的扩散型电阻芯片，将4个压敏电阻根据设计结果分布在压敏薄膜 上的不同位置处并相互连接成环，形成惠斯通电桥，如图1所示。在 外界环境的压力作用下，压阻材料会

12、发生形变，压敏电阻阻值发生变 化。在电信号激励作用下，惠斯通电桥失去平衡，从而可以根据电桥 输出端的电学量变化得到被测压力15。图1惠斯通电桥电路原理Fig. ICircuit structure of Wheatstone bridge图1中，无外界压力作用下，压敏薄膜不发生变形，压敏电阻不变化。通常压敏电阻条布置方式为：一对压敏电阻条(RI, R3)平行于压敏 膜边，另一对压敏电阻条(R2, R4)平行于压敏膜边。当正向外界压 力作用于膜片外表时，压敏薄膜向下弯曲，产生形变。此时，压敏电 阻发生变化。对于单晶硅而言，不同晶向下的压阻系数不同，其中两 对压敏电阻对如R1和R3, R2和R4,

13、 一对电阻增大，另一对电阻减 小，且R1与R3的电阻变化量相同，R2与R4的电阻变化量相同。在 外界电压Vin的激励下电桥的输出电压Vout发生变化。此时，惠斯 通电桥的输出电压Vout可表示为：Vout=(R1+A RI) (R4+ AR4) - (R2+AR2)(R3+ AR3)(R1+ AR1+R2+AR2 )X (R3+RR3+R4+RR4)Vin压敏电阻电阻值的变化量与材料的压阻系数和所受应力有关，对于同 种单晶硅材料，晶向是影响压阻系数的主要因素。外界压力作用时, 在单晶硅晶轴坐标系中，电阻率变化受纵向1、横向t和垂直方向s 三个方向的综合影响，其中垂直方向上的影响相对于纵向和横向

14、来说极小，可忽略不计。材料电阻率P、压敏电阻阻值变化量与压阻系 数冗及所受应力。之间的关系为：A p p = A RR= nlol+jitot式中：冗1和冗t分别表示沿着压敏电阻条长度方向上的纵向压阻系 数和纵向应力，兀t和nt分别表示沿着压敏电阻条宽度方向上的横 向压阻系数和横向应力。采用积分求平均法计算压敏电阻长度上的电阻量更符合实际情况、更 精确，以R1电阻变化为例，其电阻变化量AR1可以表示为：ARl=lll f 1112 兀 44(。1-。t)dl式中11是压敏电阻条R1的路径。因为aRl=ZR3, AR2=AR4,在采 用恒压源对惠斯通电桥供电时，最终传感器的输出灵敏度可以表示为:

15、Vout=n44 ；0Ll(o 1- o t)dl- 7 0L2 ( o 1- o t) dl4L+n 44 / OLl(ol- o t)dl- JOL2(o 1- o t)dlVin(4) 式中L是压敏电阻条的长度。3高灵敏度微压MEMS压力传感器设计根据设计指标，高灵敏度微压MEMS压力传感器的压力量程应为40 kPa, 压敏薄膜边长为1 080 umXl 080 urn。P型压敏电阻的最大压阻系 数大于N型压敏电阻，并且单晶硅在100面上沿0和H0上的压 阻系数最大。为提高灵敏度，本次设计采用N100单晶硅衬底和P型 压敏电阻，并沿11- 0和110晶向布置压敏电阻条。微压MEMS压力

16、传感器的灵敏度主要取决于压敏结构的尺寸参数，包括压敏膜厚、压 敏电阻长度及布局。本文采用有限元仿真研究各压敏结构参数对灵敏 度的影响。压敏薄膜厚度分析针对压力传感器压敏膜层结构，利用COMSOLMutilphysics有限元分 析软件进行仿真。由于薄膜的平面尺寸与厚度相差过大，为简化网格 划分减小计算量，选择软件中结构力学模块下的壳接口建立几何模型, 建立的薄膜尺寸为1 080 umXl 080 um,四周固支宽度均为160 umo 细长压敏电阻简化为线段，其长度为120 um,分布于薄膜四周(1, 2, 3, 4),如图2所示。图2压敏膜层建模Fig. 2Modeling of sensit

17、ive film 边界条件设置：首先给所建立的几何模型添加材料，选择压阻材料N 型单晶硅，添加至全部几何区域。四周固支端施加固定约束，压力P 作用于薄膜处。网格剖分选择自由三角形网格分别对四周固支端和薄 膜两个局部进行网格剖分。压敏薄膜受到的压力设置从040 kPa变化，不同厚度情况下输出电 压如图3所示，压敏薄膜上的应力分布如图4所示。图3输出电压与膜厚的关系Fig. 3Relationship between output voltage and film thickness图4应力分布云图Fig. 4Stress distribution chart随着薄膜厚度的增加，相同压力下传感器的

18、输出电压减小。因此，为 了提高压力传感器的灵敏度，压敏传感膜厚度越薄越好。但压敏传感 膜越薄，制作时膜片容易变形损坏，导致压力传感器失效。在040 kPa 满量程内，压敏膜层厚度需满足破坏原那么及线弹性原那么16：。max=O. 308Pa2h20. 2 0 m max=0. 0138Pa4Eh30. 2h式中：P为压力量程，h为压敏膜厚，a为压敏膜边长尺寸，。0)是硅 的破坏应力，omax是最大应力，a max是最大形变量。通过计算得 到40 kPa量程传感器满足线弹性原那么的最小膜厚为12.19 口0)。压敏电阻位置分析压敏电阻在压敏薄膜上位置不同，所受应力不同，传感器的输出灵敏 度也随之

19、变化。因此，以电阻边缘距离压敏膜层边缘的不同间距为条 件进行仿真，条件分别为5, 10, 15, 20, 25及30 nm,仿真结果 如图5所示。可以看到，输出电压随着间距的增大而减小，在压敏膜 片上距离四周边缘中间5 um的位置输出电压最高。因此，在设计方 案中，为了兼顾双面光刻套刻精度5 um的工艺窗口，压敏电阻摆 放在膜片边缘中点10 um的位置，此时压敏电阻受到的应力相对较 大，压力传感器的输出灵敏度也相对大。图5输出电压与压敏电阻位置的关系Fig. 5Relationship between output voltage and location of varistor压敏电阻长度分析为了研究压敏电阻长度对传感器灵敏度的影响，以电阻长度60, 80, 100, 120, 140及160 um为条件对输出电压进行仿真，仿真结果如 图6所示。可以看到，输出电压随着压敏电阻长度