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SOI高温压力传感器的研究

       敏感器件 (传感器)的作用就像人的五官一样, 信号的摄取、处理和转换都离不开它。没有新型敏感器件的开发和发展 ,自动控制 、遥感遥测 、空间科 学的研究就不可能达到今天这样高度发达的水平 。 随着信息技术的深 入发展 ,传感器的作用也日益显出不可或缺的重要性 。科学的发展对传感器的要求 也越来越高 。但无论哪一种传感器,应力膜应力分布的情况都直接与传感器性能(灵敏度 、精密度、可靠性等)密切相关。随着信息技术深入发展,传感器的作用Et益重要 ,目前使用的半导体压力传感器压 敏电桥采用P型扩散电阻 ,弹性膜时n型硅衬底 ,电 阻间以及电阻与弹性膜之间靠反偏P—n结隔离 ,当工作温度超过120℃时,p_n结漏电流加剧,使传感器特性严重失效 ,因而不适合在高温条件下工作其他高温压力传感器相比,多晶硅高温压力传感器具有多晶硅薄膜的成熟工艺、与半导体平面工艺兼容、易于进行微机械加工、芯片易于批量制作等突出优点。但是由于多晶硅高温压力传感器采用掺杂多晶硅做应变电阻,而多晶硅具有结构上的长程无序性,使得多晶硅的压阻系数要明显小于单晶硅的压阻系数 ,因而多晶硅电阻膜的灵敏度要小于单晶 硅电阻膜的灵敏度。在相同尺寸下,SOI器件的p_n结漏电流比体硅器件低3个数量级,因此SOI材料适合用于制作高温半导体器件。为了进一步提高硅压力传感器的性能,一种很自然的想法就是用单晶硅电阻膜来替代多晶硅电阻膜,同时仍用SiO2与衬底隔离,形成单晶硅SOI结构,从而获得良好的高温性能和更高的灵敏度。

l、压力传感器的研制

       我们设计的SOI高温压力传感器可用于测量锅炉、管道、高温反应容器内的压力、井下压力和各种发动机腔体内的压力。量程:0~1.0MPa最高使用温度为220℃;灵敏度为200~240mV/(V · MPa)左右。图1为压力传感器的剖面结构。

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图1 压力传感器的剖面结构

       其中金属底座的直径为15mm;玻璃支座的直径为环形,外径为8.32mm,内径为 1.8mm,高度 为 2.3mm;压力腔外壳高度为13mm,内径为15 mm,外径为18mm;如图(1)所示芯片为方形膜 ,边长为4.5mm,应力膜边长为2.234mm,膜厚为100m,如图(3)所示。

1.1 芯片的制作工艺 

       如图(2)所示,制作过程传感器采用直接键合的单晶硅SOI材料。整个SOI硅片厚度约550 m。 (a)选取电阻率为8~10Q·cm的P型硅片,整个SOI层的厚度大约为550m。(b)对单晶膜进行高浓度B扩散。(c)等离子干法刻蚀电阻条图形。 (d)LPCVD双面淀积Sisr、i保护膜 。(e)背面光刻腐蚀窗口,各向异性腐蚀硅杯。(f)光 刻引线孔 ,金属化 。最后封装等待测试 。

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图2 SOI高温压力传感器的工艺流程

2 计算机模拟与实验结果分析

      整个过程中所采用的模型是正方膜SOI压力传感器,它带有一层二氧化硅和一层氮化硅如图(2)。整个传感器芯片的边长为4500 m,其中应变膜的边长为2234 m,厚度为100 m,体硅上依次覆盖了0.5 m的二氧化硅和0.3 m厚的氮化硅膜。模拟中硅的杨氏膜量取为127GPa、泊松比为0.278,二氧化硅的杨氏膜量取为75GPa、泊松比为0.17,氮化硅的杨氏膜量取为300GPa、泊松比为0.24、界压强为1MPa。模拟时的单位制为厘米 ·千克 ·秒制 。模拟结果为传感器应力膜片上表面压阻元件横向应力和纵向应力 ,该数值与传感器理论输出之间的关系为 :

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      其 中: image.png为纵 向应力 ,image.png 为横向应力丌1,丌2分别为对应的系数 ,分别表示应力与通过压阻元件的电流方向相一致和垂直时的系数。从图4可以得出传感器芯片表面不同条件下的纵向应力image.png和横向应力 image.png

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图3 方形膜结构示意图

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图 4 SOI压力传感器芯片表面的应力分布图

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      其中:丌11,丌12,丌14分别为压阻元件的纵向,横向以及剪切向压阻系数 l1,m1,n1 , 分别为压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的方向余弦 l2,m2,n2分别为压阻元件横向应力相对于立方晶轴的方向余弦。 在SOI压力传感器的压制过程中,衬底采用P型(100)Si片 ,在应力集中的区域形成电阻区,如图4所示,其横向和纵向均为(110)和(111),从而可以得到 :

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通过查表 ,对于P型硅导电压阻有 :

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可得到:image.png

在惠斯通电桥中,1,3变化近似相同,2,4近 似相同。可得到image.png

       我们首先对应力膜在不同压力 (0~1.0MPa) 不同温度(20~220℃)下进行有限元模拟。① 建立模型;② 加负载,设定边界条件,求解 ;边界条件为模拟外加压力的压力边界条件,把芯片硅杯底面的 自由度设为固定值0,芯片应力膜上表面施加压力为 1MPa。③ 查看模拟结果;得出不同情况下应力膜片表面应力分布情况如图4所示 以及纵向应力image.png 和横向应力image.png,从而确定应力膜片上电阻的排放位置如图3,进而设计出传感器芯片版图。将image.png代入式 (3)得 出膜厚为 100/tm 的压力传感器 ,已通过模拟得到不同温度、不同压强下的具体数值。

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图 5 不同温度、不同压强下的变化

       通过式image.png其 中,V。为激励 电压, j 、 、厂p为压力传感器 的输 出电压 。我们在测试过程 中 采用的激励电压为 1V。从而得到模拟条件下的不 同温度下的压力传感器的输出电压。 我们测试压 力传感器 采用 的温度 点为 :20℃、 60℃ 、80℃ 、100℃ 、120℃ 、150℃ 、180℃ 、200℃ 和 220℃。在每个温度点恒温两个小时后再进行测量 。 测试时电桥使用恒压源供电,工作电压为1V。在某个温度点测试时 ,应按正程一逆程 一正程 一逆程 一 正程一逆程测试三个循环,每个循环内测试点不少于5个 ,实际测试中每间隔0.1GPa取一个测试点,温度与压强与模拟过程中采取的间隔一样 ,一般取后两个循环的数据为测试原始数据。每个测试点 ,施加的压力保持1rain以上再读取传感器的输数据 。最后通过最小二乘法对测试数据进行拟合得出传感器的输出特性 。 

      将测得的数据与模拟得到压力传感器输出电压相比较 ,得出图(5)的曲线。从图(5)可以看出,模拟 结果与实际测得结果相差不大 ,说明 SOI压力传感 器 的设计符合实际要求 。无论是实际测量还是模拟 得到的数据 ,传感器的输入和输 出即使在很高的温 度下也能保 持较 高 的线 性关 系,并且 在 两个温度 (20℃和 220℃)下 的曲线变化规律基本一致,充分说明传感器在所测试温度范围内工作情况良好。另外从图6可以看出图6SOI压力传感器 的输出特性曲线零点电压相对较大,这说明电阻的均匀性不 是很理想 ,进一步减小零点电压的途径是 :① 改善工艺过程 ,提高扩散杂质的均匀性 。② 可是尝试用离子注入来代替扩散掺杂。③ 引入零点补偿电阻 。

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图 6 SO1压力传感器的输出特性曲线

      为了和多晶硅压力传感器进行比较 ,我们采用同样的工艺步骤如图(2),相同的测试手段 、参数以及版图用多晶硅材料制备压力传感器 。在室温环境下 ,对设计的多晶硅压力传感器进行静态力学性能 试验 ,并用最小二乘法对测试数据进行拟合 ,得出了多晶硅压力传感器得输出特性曲线 ,图 (7)给出了SOI压力传感器和多晶硅压力传器的输出电压与外加压强的变化曲线 。

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图 7 SO1压力传感器和多晶硅压力传感器的输出特性比较 

       图(7)为SOT压力传感器和多晶硅压力传感器的输出特性比较,可以计算出SO1压力传感器的灵敏度为200~240mV/V·MPa,而多晶硅灵敏度为100mV/V ·MPa左右 ,可见单晶硅SOI高温压力传感器灵敏度比多晶硅高温压力传感器灵敏度有较大提高,大约是多晶硅压力传感器灵敏度的2~3倍 。这主要是由于压敏电阻使用单晶硅材料比使用多晶硅材料有更大的压阻系数的原因。  

3 结 论

(1)无论是实际测量还是模拟得到的数据 ,SOI 高温压力传感器的输入和输出即使在很高的温度下 也能保持较高的线性关系。

(2)单晶硅SOI高温压力传感器灵敏度比多晶 硅高温压力传感器灵敏度有较大提高。

(3)单晶硅型SOI高温压力传感器具有明显的开发优势 。

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