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基于信噪比的MEMS 壓力傳感器設(shè)計(jì)與分析

0 引言

      MEMS壓阻式壓力傳感器以其小體積、低成本、高性能等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于電器制造、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)療、氣象觀測(cè)以及航空航天等各項(xiàng)領(lǐng)域 。 MEMS壓阻式壓力傳感器的研究主要集中在傳感器靈敏度、 線性度以及量程等幾個(gè)方面,隨著測(cè)量要求的提升,對(duì)傳感器的分辨率提出了更高的要求。 噪聲的大小決定了傳感器的最小可檢測(cè)信號(hào),這是影響壓力傳感器性能的重要因素之一。

      為了探究MEMS壓力傳感器壓敏電阻結(jié)構(gòu)對(duì)信噪比的影響本文進(jìn)行了基于MEMS硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析。 首先使用ANSYS仿真, 探究各結(jié)構(gòu)傳感器加壓下的應(yīng)力分布,通過(guò)仿真數(shù)據(jù) 計(jì)算得到各結(jié)構(gòu)的傳感器噪聲與信噪比。 隨后使用SOI(絕緣體上硅制作部分傳感器芯片,通過(guò)部分刻蝕SOI 硅膜引入了凸起的壓敏電阻形成惠斯登電橋結(jié) 構(gòu),比較輸出信號(hào)的噪聲和信噪比,從而論證仿真理論分析的正確性,得到傳感器噪聲、信噪比與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 本文研究結(jié)果對(duì)高信噪比MEMS壓阻式壓 力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值

1 MEMS傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模擬仿真

1.1 MEMS 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      本文提出的MEMS壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖 1所示。 為提高傳感器的靈敏度,采用SOI硅片制作了凸起的傳感器壓敏電阻結(jié)構(gòu)傳感器有不同電阻長(zhǎng)度 、折疊條數(shù)的各種壓敏電阻結(jié)構(gòu)、N 、 W 、以及VW 。 為單條型壓敏電阻組成的傳 感器,凸起的壓敏電阻兩兩對(duì)稱,形成惠斯登電橋相對(duì)位置的鋁盤(pán)同為輸入端或輸出端,通電下傳感器將外加壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓值輸出。

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圖 1 MEMS硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

壓敏電阻阻值在應(yīng)力作用下發(fā)生變化由于應(yīng)變 效應(yīng)引起的電阻率變化遠(yuǎn)小于壓阻效應(yīng)帶來(lái)的電阻率變化 ,其阻值變化率可近似表示為

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式中:R 為初始電阻;ΔR 為應(yīng)力作用下電阻阻值變化 量;ρ 為電阻率;Δρ 為電阻率變化量;π 為壓阻系數(shù);σ 為應(yīng)力。

本文的 P 型壓敏電阻的摻雜濃度為 1017 cm -3 ,對(duì) 應(yīng)的電阻率約 0.202 Ω·cm。

因?yàn)樵?μm 厚度的應(yīng)變薄膜上,壓阻條受到的剪 切向應(yīng)力很小,所以式(1)可化為

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式中:πl 與 πt 分別為縱向、橫向壓阻系數(shù),πl = 73.5× 10 -11 Pa -1 ,πt = - 67. 8 × 10 -11 Pa -1 ;σl 與 σt 為對(duì)應(yīng)縱 向、橫向應(yīng)力。

      理想條件下各電阻初始阻值、對(duì)稱位置電阻阻值變化率相等,,Δ= Δ,Δ= Δ,以左下角和右上角鋁盤(pán)為輸入端,左上角和右下 角鋁盤(pán)為輸出端,在輸入電壓in條件下,輸出電壓out可表示為

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      式中 σR1x、σR1y、σR3x、σR3y分別為圖1中電阻 R1 、R3 在 x、y 方向上的應(yīng)力。為保證傳感器輸出信號(hào)的線性度與靈敏度,需要選擇合適的膜片厚度。 膜片過(guò)厚會(huì)降低靈敏度,過(guò)薄會(huì)降低線性度與抗負(fù)載能力考慮到加工工藝水平, 本文選取膜片厚度20μm。 0~300kPa 滿量程 范圍內(nèi)傳感器膜片邊長(zhǎng)和厚度需滿足下式

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式中:P 為外加氣壓大; E 為硅的彈性模量, E=170 GPa;v 為泊松比,v= 0.278。

根據(jù)式( 4) 計(jì)算可得彈性方形敏感膜片的長(zhǎng)度 ≤1184μm,本文選取的膜片邊長(zhǎng)為900μm。 本文制 作傳感器使用SOI硅襯,厚度650μm,根據(jù)濕法腐蝕角度為57.74°,計(jì)算得C型硅杯窗口的大小為1172μm, 選取的傳感器芯片尺寸為3000μm×3000μm。

1.2 有限元建模與仿真分析

      為研究各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性與輸出變化,利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)各結(jié)構(gòu)MEMS壓阻式壓力傳感器進(jìn)行建模與仿真分析。 在本文中壓敏電阻材 料為摻硼硅,厚度為4.5μm,表面覆蓋了一層同樣結(jié) 構(gòu)的1μm厚二氧化硅保護(hù)層。 壓敏電阻結(jié)構(gòu)下方為1 μm的絕緣二氧化硅層,20μm的應(yīng)變薄膜,底層為硅杯,硅杯底部與玻璃基底通過(guò)陽(yáng)極鍵合。

      圖 2 給出了外加100kPa 壓力、不引入電阻的薄膜應(yīng)變情況,σx 和 σy 分別為 x、y 方向上的應(yīng)力。 圖2表明應(yīng)變薄膜邊緣中央應(yīng)力最大,故一般優(yōu)先將壓敏 電阻放置在此。 圖3為引入長(zhǎng)度50μm 的單條型電阻后應(yīng)力分布。

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圖 2 薄膜應(yīng)力分布

      根據(jù)圖 2、圖3中應(yīng)力分布,設(shè)計(jì)不同長(zhǎng)度l、折疊數(shù)目n的壓敏電阻結(jié)構(gòu)并依次仿真,l、n 由邊緣中央 向薄膜中央和兩側(cè)進(jìn)行增長(zhǎng)。 結(jié)合式(3)得100 kPa、 6V輸入下傳感器輸出與電阻結(jié)構(gòu)n、l 的仿真擬合關(guān)系曲線,如圖4所示。 由圖4可知,Vout與傳感器結(jié)構(gòu)

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圖 3 引入電阻后應(yīng)力分布

      有關(guān),隨l的增大先升后降,75 μm左右時(shí)出現(xiàn)極大值;當(dāng)l足夠長(zhǎng)時(shí),Vout隨n增大而增加。

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out、的關(guān)系

2 傳感器噪聲與信噪比分析

2.1 傳感器噪聲分析

      壓力傳感器噪聲構(gòu)成復(fù)雜,主要由熱噪聲、閃爍 噪聲組成。 噪聲總的功率譜密度可以視為各噪聲功 率譜密度之和:

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式中:VJ2和 Vf2分別為熱噪聲和閃爍噪聲功率譜密度。

熱噪聲又稱電阻噪聲,是由壓敏電阻中電荷載流 子由于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,表現(xiàn)形式近似于白噪聲。 熱噪聲的功率譜密度與溫度有關(guān),與電阻所加電壓頻率無(wú)關(guān)。 其表達(dá)式為

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式中:波爾茲曼常數(shù) K= 1.38×10 -23 J/ K;溫度 T= 300 K; R 為電阻阻值;ρ 為電阻率;w 為電阻寬度,w = 10 μm;t 為電阻厚度,t = 4.5 μm。

閃爍噪聲由器件的局部起伏引起發(fā)射電子緩慢 起伏導(dǎo)致,其功率譜密度與頻率成反比,通常出現(xiàn)在低頻范圍,計(jì)算公式為

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式中為摻雜濃度,=1017cm -3 ;in為輸入電壓;為 載流子數(shù)目;為噪聲頻率Hooge 因子,是與傳感器制作工藝有關(guān)的參數(shù),通常10-7<10-3,根據(jù)傳感 器材料和摻雜濃度,本文取 10-5 。

根據(jù)式(5)、式(6)、式(7),得出了在 6V 恒壓輸 入、l為50μm、n 不同條件下,噪聲功率譜密度 V2 noise與 頻率f的關(guān)系,如圖5 所示;以及在6V恒壓輸入, 1 Hz處噪聲功率譜密度V2noise與壓敏電阻結(jié)構(gòu)n、l 的關(guān) 系,如圖6所示。

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圖5V noise與f的關(guān)系

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圖6 1Hz處V noise與n,l的關(guān)系

      由圖5與圖6可知各結(jié)構(gòu)傳感器主要受閃爍噪聲影響。 其中低頻范圍由閃爍噪聲主導(dǎo),只有在高頻部分熱噪聲才會(huì)逐漸成為噪聲主要成分,且振幅很小。 在同一低噪聲頻率點(diǎn)上,噪聲功率譜密度隨著n,l的增加而減小。

2.2 傳感器信噪比分析

      電路總噪聲為測(cè)量頻帶內(nèi)的噪聲功率譜密度之和,通過(guò)式(3)和式(5),信噪比SNR即Vout / Vnoise可以 表示為

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式中 fmax和 fmin分別為噪聲的上下限截止頻率。

       圖 7 顯示了在6V輸入、1~30Hz帶寬內(nèi)傳感器SNR 和n、l關(guān)系。 由圖7可知,信噪比受芯片結(jié)構(gòu)影響,其隨n的增大而增大,隨l的增大先升后降,最佳電阻長(zhǎng)度一般出現(xiàn)在125μm左右。

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7 SNR ,關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 傳感器制備

      本文采用標(biāo)準(zhǔn)MEMS工藝制作了傳感器芯片。 制作工藝流程主要包括以下步驟清洗SOI硅片,離子注入熱氧化形成保護(hù)層,光刻刻蝕壓敏電阻、接觸孔,濺射鋁,光刻刻蝕鋁、底部硅杯窗口腐蝕硅杯去除底部保護(hù)層,陽(yáng)極鍵合玻璃基底。

      經(jīng)上述工藝制備的傳感器芯片如圖8所示。 本文制得單條型芯片3個(gè),長(zhǎng)度分別為50、100、150μm;多 條型芯片長(zhǎng)度固定為50μm,折疊條數(shù)分別為2,3,4, 6。 圖9給出了其中1個(gè)傳感器焊接金絲以及封裝完 成后的實(shí)物圖  。

3.2 氣壓測(cè)量標(biāo)定 。

      標(biāo)定測(cè)試平臺(tái)如圖10所示,采用PLATINUM 真空氣壓泵和const162臺(tái)式氣壓泵分別產(chǎn)生0 ~ 100 kPa和100~300kPa的壓力載荷。 27 ℃室溫下,在壓力范圍0~300 kPa內(nèi),以步進(jìn)為30 kPa 選取壓力載荷樣本點(diǎn),輸出特性測(cè)試如圖11所示,圖11( a)為單條型,l不同的壓敏電阻輸出信號(hào)與氣壓關(guān)系,圖 11(b)為 l = 50 μm,n 不同的壓敏電阻輸出信號(hào)與氣壓關(guān)系。 由 圖 11 可以看出,在 0~ 300 kPa 量程范圍內(nèi),傳感器工 作良好,線性度較高。

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圖 8 MEMS壓阻式壓力傳感器芯片

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圖 10標(biāo)定測(cè)試平臺(tái)

3.3 傳感器噪聲測(cè)量

      保持溫度不變,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下恒壓源輸入,輸出信號(hào)Vout中存在來(lái)自多方面的噪聲,如電源噪聲、傳 感器本身的噪聲、測(cè)試儀器的噪聲、外界環(huán)境噪聲等。 為排除輸入端電源噪聲,使用電池作為電源;為降低 測(cè)試儀器的噪聲,本實(shí)驗(yàn)使用HB-521 微弱信號(hào)檢測(cè)裝置中的鎖相放大器;為屏蔽外界電磁場(chǎng)干擾,使用 金屬屏蔽盒,各裝置之間使用同軸電纜作為導(dǎo)線連接。 實(shí)驗(yàn)裝置如圖 12 所示。

      將傳感器的輸出信號(hào)Vout接入HB-521 鎖相放大器中放大,鎖相放大器中心頻率設(shè)置15Hz,時(shí)間常數(shù)設(shè)為 10 ms。 使用 ,長(zhǎng)度 50 μm 的壓力傳感器,在 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下輸入 3、6、9、12 V 電壓測(cè)得噪聲電壓 noise的幅頻曲線如圖 13 所示。

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圖 11 Vout輸出曲線

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圖 12 噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置圖

鎖相放大器測(cè)得的總噪聲包括傳感器噪聲、放大 器噪聲和電源噪聲,其關(guān)系可表示為

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式中:Vsum 、Vsensor、Vamp 、Vpower 分別為總噪聲、傳感器噪 聲、放大器噪聲和電源噪聲。

在電源方面采用了噪聲很小的電池作為電源,其 噪聲可忽略放大器噪聲可通過(guò)鎖相放大器直接測(cè)量 小電阻得到。

噪聲電壓 noise、、in之間的關(guān)系如圖 14 所示。

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(a)輸入 3 V,Vnoise幅頻曲線

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(b)輸入 6 V,noise幅頻曲線

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(c)輸入 9 V,noise幅頻曲線

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(d)輸入 12 V,Vnoise幅頻曲線

圖 13 Vnoise幅頻曲線

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(a)n = 1,l = 50、100、150 μm

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(b)n = 1、2、3、4、6,l = 50 μm

圖 14 Vnoise與 Vin關(guān)系

      實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)閃爍噪聲是低頻段的主要噪聲源in 成正比。 當(dāng) in過(guò)低,如輸入3 V 電壓時(shí)受放大器噪 聲影響,noise測(cè)量結(jié)果誤差較大,當(dāng)in較大時(shí)噪聲測(cè) 量結(jié)果比較準(zhǔn)確。 從圖 14 可以看出,noisein整體 成正比關(guān)系同時(shí) noise、增大而減小

根據(jù)測(cè)得的 noise、out和式(8)可以得到信噪比與 電阻結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖 15 所示。 由圖可知 SNR 不隨 in 而改變in較低時(shí)由于 noise難以精確測(cè)量,SNR 偏差 較大。 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的 SNR 與理論值差距在 20%之內(nèi),實(shí) 測(cè)值與理論值之間吻合度較好,證明理論分析的可 靠性 

結(jié)論

      本文對(duì)基于信噪比的 MEMS 壓力傳感器進(jìn)行設(shè) 計(jì)與分析,首先通過(guò) ANSYS 有限元模擬仿真各結(jié)構(gòu)傳 感器的應(yīng)力分布;其次采用 MEMS工藝設(shè)計(jì)制作了部 分傳感器芯片,并加工封裝;然后利用壓力發(fā)生裝置 對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定;最后輸入不同電壓,探究 MEMS 壓阻式壓力傳感器的噪聲、信噪比與傳感器壓 敏結(jié)構(gòu)關(guān)系。 可得到以下結(jié)論:

(1)通過(guò)模擬仿真發(fā)現(xiàn)傳感器壓敏結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲輸出信號(hào)和信噪比均存在影響。 增加壓敏電阻折疊 條數(shù)通常有助于獲得更低的噪聲以及更高的輸出信 號(hào)和信噪比文中基于輸出信號(hào)和信噪比的最佳電阻 長(zhǎng)度分別出現(xiàn)在 75 μm 125 μm 左右。

(2)本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了噪聲與輸入電壓成正比 關(guān)系,同時(shí) noise、增大而減小,SNR 不隨輸入電壓 變化而改變。 SNR 主要與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān),證明了理 論分析的正確性本文研究結(jié)果對(duì)于提高傳感器信 噪比、研制高精度傳感器具有一定的參考價(jià)值。

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