壓力傳感器的過載保護實現(xiàn)

　　本文利用有限元法，對犧牲層結構壓阻式壓力傳感器彈性膜片的應力分布進行了靜態(tài)線性分析和非線性接觸分析。通過這兩種分析方法的結合，準確的模擬出過載狀態(tài)下傳感器的應力分布。在此基礎上給出了壓力傳感器的一種結構設計方法，從而可使這種壓力傳感器過載保護能力提高180% ～ 220%。

　　采用MEMS 技術的小量程、高靈敏壓力傳感器通常有平膜、島膜、梁膜等結構，在設計過載保護時，一般采用凸臺等方法實現(xiàn)，形成方法有背部刻蝕技術、硅直接鍵合( SDB) 技術、玻璃刻蝕技術等。然而這些結構的腔體尺寸較大，進一步提高靈敏度受到限制，而且降低了硅片利用率，增加了制造工藝的復雜度，提高了生產(chǎn)成本。目前小量程、高靈敏壓力傳感器的研究熱點集中在犧牲層結構壓力傳感器，這主要是因為犧牲層結構壓力傳感器彈性膜片很薄，厚度可做到2 μm，甚至更薄。在這樣薄的結構上，如果采用擴散硅或多晶硅薄膜作為犧牲層結構壓力傳感器的應變電阻，其厚度相對較大，對彈性膜片應力分布影響很大，不利于犧牲層結構壓力傳感器的性能優(yōu)化，因此采用多晶硅納米薄膜制作應變電阻更能發(fā)揮犧牲層技術的優(yōu)點。

　　通常壓力傳感器的應變電阻是在單晶硅片上擴散或注入雜質(zhì)的方式實現(xiàn)，為了改善溫度特性，后來也采用了多晶硅薄膜，但普通多晶硅薄膜的應變因子較小，不利于提高靈敏度。最新研究結果表明，多晶硅納米薄膜具有顯著的隧道壓阻效應，表現(xiàn)出比常規(guī)多晶硅薄膜更優(yōu)越的壓阻特性，重摻雜條件下其應變因子仍可達到34，具有負應變因子溫度系數(shù)，數(shù)值小于1 × 10 - 3 /℃，電阻溫度系數(shù)可小于2 × 10 - 4 /℃。因此，在犧牲層結構壓力傳感器上，采用多晶硅納米薄膜作應變電阻，可以提高靈敏度，擴大工作溫度范圍，降低溫度漂移。然而，犧牲層結構非常薄，如何提高傳感器的過載能力顯得尤為重要。對此，本文在保證傳感器滿量程范圍內(nèi)線性響應的前提下，調(diào)整犧牲層厚度，通過彈性膜片與襯底的適當接觸來有效提高傳感器的過載能力。

　　1 犧牲層結構壓力傳感器

　　犧牲層結構壓力傳感器是指彈性膜片利用犧牲層技術制作而成的壓力傳感器，結構示意圖如圖1所示，其中AB( A'B') 為膜片寬度a，AA'( BB') 為膜片長度b，H1為膜片厚度，H2為犧牲層厚度。

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　　圖1 犧牲層結構壓力傳感器

　　在表面微加工中，由淀積到襯底和犧牲層上的薄膜作為結構層，對微小結構的尺寸更易控制，器件的尺寸得以減小。然而，這些結構層的機械性能高度依賴于淀積和隨后的加工過程，相對低的淀積速率雖然限制了所制作器件的厚度，但是由于結構層厚度低，所以能制作出量程更小、靈敏度更高的壓力傳感器。

　　本文以量程0.1 MPa 的犧牲層結構壓力傳感器為例，設計出電壓源E =5 V 時，滿量程輸出為60 mV的壓力芯片。為了滿足靈敏度的設計要求，改變彈性膜片的寬度、長度、厚度和犧牲層厚度對應力分布進行模擬仿真( 模擬仿真時多晶硅楊氏模量EX = 1.7 ×1011 N/m2，泊松比PRXY =0.24，多晶硅納米薄膜應變因子G =30) ，經(jīng)過優(yōu)化后，得到滿足設計要求的彈性膜片尺寸: 長度a = 300 μm、寬度b = 150 μm、膜片厚度H1 =3 μm、犧牲層厚度H2 =3.5 μm。

　　針對所設計的壓力傳感器芯片，進行了投片實驗，其主要工藝步驟如下: ①在硅襯底上，采用PECVD 方法淀積一層二氧化硅作為犧牲層; ②采用PECVD 方法淀積一層二氧化硅，經(jīng)過光刻形成腐蝕通道;③在犧牲層上采用LPCVD 方法淀積一層多晶硅作為結構層，經(jīng)過光刻形成腐蝕孔; ④用氫氟酸溶液釋放犧牲層，再采用LPCVD 方法淀積一層多晶硅，從而使腔體密封; ⑤熱氧化一層二氧化硅作為絕緣層，在其上采用LPCVD 方法淀積多晶硅納米薄膜作為電阻層;⑥采用PECVD 方法淀積一層二氧化硅作為鈍化層，并利用離子注入方法對電阻層進行局部摻雜，形成應變電阻; ⑦利用光刻技術對鈍化層進行光刻，從而形成引線孔。最后，蒸鋁形成金屬布線。

　　試制的芯片實拍照片如圖2 所示。

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　　圖2 壓力芯片照片

　　采用氣體加壓的方式對芯片樣品進行了測試。測試溫度條件為室溫，激勵源為1 mA 恒流源，其輸出特性測試結果如圖3 所示。

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　　圖3 壓力芯片輸出特性測試結果

　　由圖3 可見，隨著壓力載荷的增加，輸出電壓并未隨之線性增加，其增加的程度逐漸減小，而且滿量程輸出未達到設計要求。經(jīng)過分析，出現(xiàn)圖3 所示的現(xiàn)象應該是由于芯片的密封腔體有泄漏引起的。雖然有泄漏，但芯片仍然表現(xiàn)出了壓力敏感特性，而且利用多晶硅納米膜研制的硅杯結構壓力傳感器能夠滿足設計要求。因此，改善工藝解決泄漏問題后，犧牲層結構多晶硅納米膜壓力傳感器的性能應該能滿足設計要求。