基于SOI技術(shù)高溫壓力傳感器的研制

陳　勇，郭方方，白曉弘，衛(wèi)亞明，程小莉 ，趙玉龍

(1．長慶油田油氣工藝研究院，陜西西安　710018；2．低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安　710018；3．西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院，機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安　710049)

0　引言

為了滿足石油化工、航空航天等高溫惡劣工況條件下的壓力測(cè)試要求，基于硅隔離SOI(Silicon on Insulator)技術(shù)的耐高溫壓力傳感器得到了廣泛的應(yīng)用[1]。目前我國油氣田領(lǐng)域高性能傳感器主要依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約了我國石化行業(yè)的發(fā)展。

針對(duì)油氣田等特殊領(lǐng)域壓力測(cè)量問題，文中所提出的高溫壓力傳感器采用MEMS工藝，基于先進(jìn)的高能氧離子注入SIMOX技術(shù)，制作了全硅結(jié)構(gòu)的壓阻力敏芯片，解決了傳統(tǒng)擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器難于在120 ℃以上高溫下工作的問題，并通過波紋膜片進(jìn)行介質(zhì)隔離，提高了傳感器芯片的熱穩(wěn)定性和可靠性，研制的高溫壓力傳感器可以在0～200 ℃的條件下工作，具有工作溫度高、體積小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足石油化工等自動(dòng)化領(lǐng)域中的壓力測(cè)量要求。

1　高溫壓力傳感器力敏芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓阻式壓力傳感器的基本原理是利用硅的壓阻效應(yīng)將被測(cè)壓力的變化轉(zhuǎn)換成敏感元件電阻值的變化，然后通過轉(zhuǎn)換電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出。當(dāng)材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻或電阻率發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象就叫做壓阻效應(yīng)[2]。半導(dǎo)體硅、鍺材料中的壓阻效應(yīng)比金屬材料中的壓阻效應(yīng)要大得多。當(dāng)應(yīng)力作用在半導(dǎo)體晶體上時(shí)，電阻的變化主要由電阻率的變化引起。在正交坐標(biāo)系中，當(dāng)坐標(biāo)軸與晶軸一致時(shí)，電阻的相對(duì)變化ΔR/R與應(yīng)力之間的關(guān)系滿足：

(1)

式中：σl和σt為沿電阻縱向與橫向的應(yīng)力；πl(wèi)和πt為沿縱向和橫向壓阻系數(shù)。

根據(jù)硅壓阻效應(yīng)的原理，利用硅平面離子注入工藝或平面擴(kuò)散工藝把待摻雜的元素注入擴(kuò)散到硅片內(nèi)，形成構(gòu)成惠斯登電橋的敏感電阻，并利用惠斯登電橋完成電信號(hào)轉(zhuǎn)換。這樣就制成了可以將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的硅壓阻式壓力傳感器。

根據(jù)薄膜變形理論和傳感器的性能要求，對(duì)壓力傳感器力敏芯片結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行理論分析，提出的力敏芯片結(jié)構(gòu)為周邊固支方膜結(jié)構(gòu)。為了使傳感器具有良好的線性度，膜厚h的設(shè)計(jì)必須滿足中心最大撓度要小于膜厚的要求，規(guī)定中心撓度要小于膜厚的1/5。同時(shí)，壓力傳感器的抗過載能力，就是傳感器在承受150 MPa的載荷時(shí)能夠保持高的靈敏度及穩(wěn)定的工作性能。

在壓力p作用下，方形膜的最大應(yīng)力發(fā)生在各邊中心：

(2)

最大撓度發(fā)生在平板中心：

(3)

式中：p為均布?jí)毫?；a為方膜邊長；h為方膜厚度；E為楊氏模量；μ為泊松比。

采用有限元數(shù)值法分析其應(yīng)力應(yīng)變分布，通過ANSYS有限元分析，得到壓力傳感器力敏芯片應(yīng)力應(yīng)變模擬結(jié)果如圖1所示，與理論計(jì)算相符。基于壓阻效應(yīng)的力敏芯片中力敏電阻條應(yīng)布置在最大應(yīng)力點(diǎn)處，以充分利用最大應(yīng)變，提高傳感器靈敏度。圖2為方膜壓阻力敏芯片結(jié)構(gòu)圖。

圖1　方膜力敏芯片應(yīng)力應(yīng)變分布

圖2　方膜力敏芯片結(jié)構(gòu)圖

2　高溫壓力傳感器力敏芯片制作工藝

油氣井環(huán)境的高溫高壓特點(diǎn)對(duì)壓力傳感器提出了較高的熱穩(wěn)定性要求。傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器由于其力敏電阻與硅基底是P-N結(jié)隔離，在使用溫度大于120 ℃時(shí)，因P-N結(jié)產(chǎn)生漏電流而使傳感器的性能惡化甚至失效。因而，傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器難以解決高溫120 ℃以上的壓力測(cè)量問題。針對(duì)石油化工、航空航天等領(lǐng)域壓力監(jiān)測(cè)環(huán)境的高溫高壓要求，在傳感器的加工工藝中采用了硅隔離(SOI)芯片制造技術(shù)[4]。用SOI材料研制耐高溫壓阻力敏芯片的目的就是通過SiO2絕緣層將力敏芯片的檢測(cè)電路層與硅基底隔離開，避免了高溫下檢測(cè)電路與基底之間的漏電流產(chǎn)生，提高力敏芯片的耐高溫特性。

采用MEMS(Micro Electro Mechanical systems，微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)和SIMOX(separation by implantation of oxygen，注氧隔離)技術(shù)制作浮雕式硅壓阻力敏芯片，由SIMOX技術(shù)制作的SiO2層將芯片內(nèi)的測(cè)量電路層與硅基底隔離開來，實(shí)現(xiàn)在200 ℃以上高溫環(huán)境下的壓力測(cè)量。同時(shí)，通過低溫靜電硅玻鍵合封裝技術(shù)將SOI硅壓阻力敏芯片與耐高溫PYREX7740玻璃片在真空環(huán)境下封裝結(jié)合，形成壓力傳感器的彈性敏感單元[5]。由于半導(dǎo)體硅的良好的機(jī)械特性，同時(shí)作為傳感器轉(zhuǎn)換電路的壓阻惠斯登測(cè)量電橋集成制造在全硅結(jié)構(gòu)正方形平膜結(jié)構(gòu)上，傳感器的彈性和敏感元件與轉(zhuǎn)化電路之間集成為一體。這種結(jié)構(gòu)可以顯著降低壓力傳感器在測(cè)量過程中的遲滯、重復(fù)性誤差，從而提高傳感器的測(cè)量精度。具體高溫壓力傳感器芯片的加工工藝流程如圖3所示。

圖3　高溫高壓傳感器芯片加工工藝流程

3　高溫壓力傳感器力敏芯片封裝工藝

為了保證油氣田等領(lǐng)域壓力傳感器在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，設(shè)計(jì)了可靠的鍵合引線工藝和隔離封裝工藝。高溫壓力傳感器引線鍵合采用具有深腔焊功能的引線鍵合設(shè)備來完成，以保證引線鍵合的質(zhì)量和提高傳感器應(yīng)用的可靠性。

高溫壓力傳感器在封裝結(jié)構(gòu)上采用薄膜隔離式充硅油結(jié)構(gòu)，其基本原理是利用硅油的不可壓縮性能與膜片良好的線性位移特性，外界壓力直接作用于波紋膜片，并通過膜片傳遞到硅油，最后由硅油將壓力傳遞給力敏芯片。通過采用隔離式結(jié)構(gòu)，避免了被測(cè)介質(zhì)與敏感元件的直接接觸，在提高傳感器的穩(wěn)定性的同時(shí)提升其適應(yīng)能力[6]。圖4為傳感器封裝結(jié)構(gòu)原理圖。圖5為壓力傳感器芯片封裝圖。

1—電極；2—玻璃絕緣子；3—銷釘孔；4—基座；5—壓環(huán)；6—PYREX7740玻璃；7—波紋膜片；8—金絲；9—全硅SOI壓力芯片；10—O型密封圈；11—絕緣套；12—補(bǔ)償板；13—高溫硅油；14—引線

圖5　高溫壓力傳感器封裝結(jié)構(gòu)圖

4　高溫壓力傳感器測(cè)試試驗(yàn)

高溫壓力傳感器的測(cè)試試驗(yàn)是在室溫條件下，通過活塞式壓力計(jì)加載壓力進(jìn)行的。為了測(cè)試壓力傳感器的高壓性能，加載壓力范圍為0～150 MPa．采用5 V直流穩(wěn)壓源為壓力傳感器施加激勵(lì)。試驗(yàn)測(cè)得壓力傳感器輸出特性曲線如圖6所示，表1為具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由曲線圖可以得出，傳感器的靜態(tài)特性參數(shù)分別為：非線性0.28%FS，遲滯0.39%FS，精度0.56%FS。因此，設(shè)計(jì)的高溫壓力傳感器具有較好的性能。

圖6　壓力傳感器測(cè)試結(jié)果

表1　壓力傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)

5　結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的高溫壓力傳感器具有耐高溫、量程大、精度高和微型化的特點(diǎn)，且能保持長期工作的穩(wěn)定性。研究開發(fā)的基于SOI力敏芯片的耐高溫壓力傳感器的工作溫度為0～200 ℃，量程達(dá)150 MPa，因此適用于石油化工等高溫高壓環(huán)境下的壓力測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

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[4]趙玉龍，趙立波，蔣莊德．基于硅隔離技術(shù)的耐高溫壓力傳感器．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(11)：1156-1158．

[5]顏鷹．MEMS高溫壓力傳感器若干關(guān)鍵技術(shù)的研究：[學(xué)位論文]．武漢：華中科技大學(xué)，2005．

[6]趙玉龍，牛喆，周冠武，等．油氣田監(jiān)測(cè)高性能微傳感器及數(shù)字化系統(tǒng)．中國工程科學(xué)．2013，15(1)：99-105．