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單晶硅高溫壓阻式壓力傳感器隨著半導體材料和工藝的進步,人們在解決常規(guī) 擴散硅壓力傳感器不能滿足高溫環(huán)境測壓的要求這 一難題時,提出了多種結構的高溫壓阻式壓力傳感 器 ,包括:多晶硅壓力傳感器、SOS(藍寶石上硅)壓力傳感器、SiC壓力傳感器和 SOI ( 絕緣體上單晶硅)壓力傳感器等。 SOI 單晶硅壓力傳感器通過 SiO2 實現(xiàn)應變電阻間的電氣隔離,解 決了PN 結隔離壓力傳感器工作溫度高于125℃ 時的失效問題。 同時可以利用SOI 材料頂層單晶硅膜優(yōu)越 的壓阻效應及SOI材料底層襯底單晶硅良好的各向異性腐蝕特性進行MEMS感壓膜結構制造。 高溫壓阻式壓力傳感器制作工藝與常規(guī)擴散硅壓力傳感器工藝相兼容,易于批量生產,成本低、適應溫度寬。 此外,傳感器不需外圍設施降溫,具有體積小、質量輕和易于二次裝配等優(yōu)點。 因為沒有PN結隔離問題,傳 感器不易受光、電磁和ESD(靜電放電)干擾,與PN結 相關的噪聲被排除,有利于提高傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。 1 傳感器芯片設計 傳感器芯體采用方形膜片結構,膜片在外界壓力的作用下發(fā)生形變,將壓力信號傳遞給膜片上的力敏電阻,力敏電阻隨應力膜片的形變而發(fā)生電阻值的改變,將力信號轉化為電壓信號輸出。 電阻的變化不僅與壓阻系數有關,還與應力大小及分布情況有關。 壓力傳感器的應變電阻排布如圖1 所示,受力后,電阻 的相對變化量為: 式中:π 為壓阻系數;σ 為應力。 圖 1 應變電阻排布 硅膜片受力作用后,2 組電阻值相對變化量相反。 2 傳感器制備 在傳感器國家工程研究中心硅基壓力傳感器制 作工藝的基礎上,設計高溫壓力傳感器芯片工藝流 程。 同 OEM 壓力傳感器工藝相比,不同點主要體現(xiàn)在晶圓材料、電極工藝和封裝工藝等方面。 2.1 注氧隔離技術(SIMOX)SOI 晶圓 SIMOX技 術SOI晶圓工藝如圖2所 示,主要包括:(1)氧離子注入,利用高能離子注入設備在硅表 層下產生一個高濃度的注氧層;(2)高溫退火,注入的氧與硅反應,在高濃度注氧 層附近形成隱埋SiO2層,并消除離子注入引入的損傷。 形成氧化物埋層的臨界劑量大約為1.4×1018cm -2 ,典型的注入劑量約為2×1018cm -2 。 為避免高劑量注入工 藝中缺陷和應力引入問題,工藝改進為多重注入。 注 入的氧劑量為中等,低于形成氧化埋層的閾值劑量。 一次注入并退火后沒能形成連續(xù)的氧化物埋層,僅在 氧離子射程附近形成氧化物沉淀。 如果把注入和退火過程重復2~3次,使總劑量達到閾值劑量。 這樣既 能形成連續(xù)的氧化物埋層,又減少了注入時在硅膜引 入的缺陷和應力,獲得高質量的SOI材料。 SIMOX技 術制作SOI材料的頂部硅層較薄 ,也可以通過外延工藝獲得足夠厚度的器件層。 2.2 傳感器芯片工藝 傳感器芯片制作工藝截面如圖3所示,工藝包括: 硅片清洗→氧化→光刻電阻條→離子注入→退火→ LPCVD淀積氮化硅→光刻引線孔、背面硅杯→多層復 圖2 SIMOX 技術SOI 晶圓工藝 合電極制備→合金→正面圖形保護→背面腐蝕硅杯 →芯片與玻璃陽極鍵合→分割芯片。 圖 3 傳感器工藝示意圖 常規(guī)壓力傳感器采用Al電極引線系統(tǒng),工藝簡單,成本低廉。 對于高溫敏感芯片來說,電橋電阻之 間良好的歐姆接觸是敏感芯片電性能參數可靠性的保證。 壓力傳感器的工作電流在mA級,電極通常較 寬,工作溫度低于200 ℃ 時,Al電極可以保證可靠工 作。 但是,當工作溫度超過200℃ 時,由于熱電應力 作用,Al/Si界面退化產生溶坑,在接觸處易形成空 洞,引起脫鍵合或虛鍵合。 同時,Al向Si的熱電遷移 造成歐姆接觸變壞 感器穩(wěn)定工作 ,導致Al電極引線系統(tǒng)不能保證傳 ,必須采用復合電極系統(tǒng)作為高溫壓力 傳感器電極引線。 采用Ti-Pt-Au多層金屬化電極, 用Ti做接觸層及粘附層,用Pt做阻擋層,用Au做導 電層,工作溫度可以高達400℃ ,Cr-Ni-Au多層金屬 化電極的關鍵是各層膜的應力匹配。 2.3 壓力傳感器裝配 芯片直接與被測介質或大氣環(huán)境接觸,會被黏污 或吸附潮氣,影響器件的穩(wěn)定性;而背面加壓封裝結 構的傳感器非線性大,同時信號傳導引線的固定和絕 緣結構既復雜,又會引發(fā)不可預見的問題。 借助于隔 離膜片和隔離液的作用將敏感元件或傳感器芯片與 外界環(huán)境隔離,以保護硅芯片免受外界環(huán)境中不良因 素如灰塵、潮氣等不良影響。 借鑒傳感器國家工程研究中心OEM壓力傳感器結構,采用低應力的剛性連接和保護液填充封裝工藝技術。 為減小因保護液的熱膨脹造成的壓力附加,減小保護液充灌量,縮短內引線的長度,提高內部結構的可靠性,選用可伐合金材料制作的深孔燒結管座,管座采用凹形結構,陶瓷填充物嵌于底座上的凹槽內,芯片與外引線的內端面 處于同一平面。 高溫壓力傳感器封裝的工藝流程如圖4所示。 傳 感器能否在高溫下使用,并經受長期的溫度循環(huán)沖 擊,封裝是傳感器設計和開發(fā)成功的關鍵。 為確保壓 力傳感器的準確度和性能的長期穩(wěn)定性,消除彈性敏 感元件在機械加工和熱處理中產生的殘余內應力以 及裝配形成的應力集中等不穩(wěn)定因素,采用溫度沖擊、器件通電老化、感壓膜片反復加載和機械振動等老化工藝消除殘余內應力,加速內應力的釋放,使壓力傳感器性能趨于穩(wěn)定。 3 測試結果與分析 在高溫條件下的性能檢測,要解決壓力標定裝置工作介質的耐高溫能力,又要解決工裝卡具與敏感器件的密封和熱膨脹系數的匹配技術,使測試過程不因測試加壓的泄漏和隨機干擾而引入系統(tǒng)誤差。 鑒于氣體優(yōu)良的滲透效應,通常微壓、中高壓采用氣體壓力計進行加壓,高溫氟膠圈超過250℃ 時,密封效果會出現(xiàn)降低,采用氬弧焊或電子束焊焊接工藝將傳感器和卡具焊接在一起,以保證高溫(高壓、超高壓)條件下測試的安全性。 傳感器裝到卡具上后,放入高溫烘箱中,分別在50、100、150、200、250、300℃ 條件下,對4只傳感器的靜態(tài)特性進行多次重復測試,并采用最小二乘法對測 試數據進行線性擬合。 結果表明,在50~ 300℃ 溫度范圍內,設計制作的SOI結構單晶硅壓力傳感器具有較好的靜態(tài)特性,靈敏度在29~33mV/ MPa,非線性誤 差小于0.25%F·S,重復性優(yōu)于0.2%F·S ,可在高溫環(huán)境或針對高溫壓力進行準確測量。 傳感器靈敏度與溫度關系曲線如圖5所示,在50~100℃ 溫度范圍內,傳感器靈敏度基本保持不變,表明在這個溫度范圍內,力敏電阻正溫度系數和壓阻系數負溫度系數實現(xiàn)了很好互補,設計的摻雜濃度在恒流供電情況下, 實現(xiàn)了自補償。 不過,在100~ 300℃ 范圍內,傳感器靈敏度隨溫度升高而增大。 傳感器靈敏度受壓阻系數、力敏電阻溫度系數和封裝結構附加應力等多種因 素影響,傳感器靈敏度隨溫度升高,可以采用溫度補 償技術進行修正。 圖 5 傳感器靈敏度與溫度關系 傳感器非線性與溫度關系如圖6所示,可以看出4只傳感器的非線性隨溫度增加而減小,這一結果和文獻一致[7] ,即壓阻效應的非線性隨溫度增加而減小。 4只傳感器中,力敏電阻阻值與溫度的關系 σ[110] 如圖7所示,50℃ 時,電阻值為4.6kΩ 左右,在50~300℃范圍內,電阻隨溫度線性增加,具有很好的線性 度。 因此,可以在芯片上設計測溫電阻,測溫信號用于壓力傳感器靈敏度補償,進一步提高SOI結構高溫壓力傳感器的性能。 圖 6 傳感器非線性與溫度關系 圖 7 電阻與溫度關系 4 結論 依托于傳感器國家工程研究中心硅基壓力傳感 器生產線,以注氧隔離( SIMOX)技術SOI晶圓為基礎,完成單晶硅高溫壓力傳感器研制與測試。 結果表明,在50~300 ℃ 溫度范 圍,傳感器具有很好的靜態(tài)特性,可以對高溫環(huán)境下 壓力或高溫壓力進行準確測量。 隨著SOI晶圓材料質 量的提高和制作工藝的發(fā)展,高穩(wěn)定性SOI單晶硅高 溫壓力傳感器必將成為高溫壓力傳感器的主流產品, 也將成為常規(guī)PN結隔離壓力傳感器的換代產品。 從上述測量結果可以得到,傳感器標度系數為1.48μm/mV,具有較高的靈敏度。 但在零點附近回程誤差較大,是由于差動運算放大器本身的直流偏置 輸出引起的,約為9mV,約為滿量程的3‰。 參考文獻: [1] 陳麗斐,楊曉銳,郭兵楊,等.基于帕累托磁性液體微壓差傳感器優(yōu)化設計[J] .燕山大學學報,2018年,42(2):151 - 158。 [2] 喻志森,楊曉銳,張瑞雪,等.磁性液體慣性傳感器仿真分析及實驗研究[j].儀器儀表與傳感器,2017(2):23-26。 [3] 蘇樹強,李德才.磁性液體傾角傳感器研究[j]。計量學 報,2016,37(4):366-370. [4 ]羅森威格。鐵水動力學[M]。劍橋:劍橋大學出版社,1986。 [5] 劉菡萏,徐威,王石剛.磁性靶向藥物遞送的數學建模[j].上海交通大學學報,2008,42(1):1-4。 [6 ]奧拉魯,佩特雷斯庫,赫塔努。磁致動器的研究進展[J]。應用電磁力學學報,2010,32(1):267-274。 [7 ]李志強,李澤加,李志強,等。鐵磁流體磁芯位移傳感器的分析[j] / /電機與工程學報,2010,34 (4):357 - 357 |