MEMS 微壓壓力傳感器的靈敏度優(yōu)化

彭時秋，朱賽寧

（無錫中微晶園電子有限公司，江蘇 無錫 214000）

1 引 言

微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）壓力傳感器憑借其體積小、功耗低和價格便宜等優(yōu)點，廣泛地應用于工控、汽車電子、消費電子和醫(yī)療電子等領域［1-4］。

微型硅壓阻式壓力傳感器利用多晶硅為彈性體，采用先進微型化制作工藝集成硅膜片作為敏感元件制作而成。傘海生等［5-6］為了消除壓力傳感器壓敏電阻的影響，將壓敏電阻置于應力薄膜的下表面并通過陽極鍵合技術密封在真空壓力腔中，所研發(fā)的硅壓阻式壓力傳感器可適用潮濕、酸堿、靜電顆粒等極端惡劣環(huán)境。趙玉波等［7］為解決高溫200 ℃應用環(huán)境的壓力測量問題，使用高能氧離子注入SIMOX 技術形成埋層二氧化硅層，研究設計了耐高溫壓力傳感器。李闖等［8］研究了基于絕緣體上硅（Silicon On Insulator，SOI）的E 型 結 構 可 動 膜 片 一 體 化結構的壓力傳感器芯片，與傳統(tǒng)C 型膜結構相比解決了靈敏度與線性度無法同時滿足工程需求的難題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及智能移動設備的普及，微壓壓力傳感器的市場需求不斷增長，尤其在消費電子和醫(yī)療領域，例如，微壓壓力傳感器可應用于智能穿戴電子中的氣壓計、非侵入性醫(yī)療應用利基市場中心血管治療的導管和氧氣監(jiān)測等。靈敏度是評價壓力傳感器性能最重要的指標參數(shù)之一，然而由于工作壓力較低，靈敏度已成為阻礙微壓壓力傳感器發(fā)展的一大因素［9-11］。目前，市場常見的40 kPa 量程的壓力傳感器，典型的靈敏度參數(shù)約為0.25～0.35 mV/kPa，普遍偏低［12-14］。有研究使用半島膜、梁膜等結構以及增加壓力膜尺寸的方式來改善MEMS 壓阻式壓力傳感器的靈敏度，但這些方法存在加工工藝復雜、芯片體積偏大的缺點。因此，提高小型化微壓傳感器的靈敏度具有重要意義。

針對微壓壓力傳感器靈敏度較低的問題，本文采用COMSOL Mutilphysics 軟件仿真分析了壓敏膜層的厚度、壓敏電阻的位置分布、壓敏電阻的長度等結構參數(shù)對壓力傳感器靈敏度的影響，根據(jù)仿真結果對壓敏結構參數(shù)進行優(yōu)化，設計了芯片版圖并進行流片封裝，完成了40 kPa 表壓式壓力傳感器成品的研制。

2 工作原理

壓阻式壓力傳感器的工作原理主要是基于多晶硅或硅的壓阻效應，壓阻材料在應力作用下晶格發(fā)生變形，載流子遷移率發(fā)生變化引起電阻率發(fā)生變化，從而影響其阻值。

典型的壓阻式壓力傳感器的基本結構主要包括壓敏薄膜、壓敏電阻、背腔和金屬互連結構等。壓阻式壓力傳感器通常采用周邊固支膜片結構的擴散型電阻芯片，將4 個壓敏電阻根據(jù)設計結果分布在壓敏薄膜上的不同位置處并相互連接成環(huán)，形成惠斯通電橋，如圖1 所示。在外界環(huán)境的壓力作用下，壓阻材料會發(fā)生形變，壓敏電阻阻值發(fā)生變化。在電信號激勵作用下，惠斯通電橋失去平衡，從而可以根據(jù)電橋輸出端的電學量變化得到被測壓力［15］。

圖1 惠斯通電橋電路原理Fig.1 Circuit structure of Wheatstone bridge

圖1 中，無外界壓力作用下，壓敏薄膜不發(fā)生變形，壓敏電阻不變化。通常壓敏電阻條布置方式為：一對壓敏電阻條（R1，R3）平行于壓敏膜邊，另一對壓敏電阻條（R2，R4）平行于壓敏膜邊。當正向外界壓力作用于膜片表面時，壓敏薄膜向下彎曲，產(chǎn)生形變。此時，壓敏電阻發(fā)生變化。對于單晶硅而言，不同晶向下的壓阻系數(shù)不同，其中兩對壓敏電阻對如R1和R3，R2和R4，一對電阻增大，另一對電阻減小，且R1與R3的電阻變化量相同，R2與R4的電阻變化量相同。在外界電壓Vin的激勵下電橋的輸出電壓Vout發(fā)生變化。此時，惠斯通電橋的輸出電壓Vout可表示為：

壓敏電阻電阻值的變化量與材料的壓阻系數(shù)和所受應力有關，對于同種單晶硅材料，晶向是影響壓阻系數(shù)的主要因素。外界壓力作用時，在單晶硅晶軸坐標系中，電阻率變化受縱向l、橫向t和垂直方向s三個方向的綜合影響，其中垂直方向上的影響相對于縱向和橫向來說極小，可忽略不計。材料電阻率ρ、壓敏電阻阻值變化量與壓阻系數(shù)π及所受應力σ之間的關系為：

式中：πl(wèi)和πt分別表示沿著壓敏電阻條長度方向上的縱向壓阻系數(shù)和縱向應力，πt和πt分別表示沿著壓敏電阻條寬度方向上的橫向壓阻系數(shù)和橫向應力。

采用積分求平均法計算壓敏電阻長度上的電阻量更符合實際情況、更精確，以R1電阻變化為例，其電阻變化量ΔR1可以表示為：

式中l(wèi)1是壓敏電阻條R1的路徑。因為△R1=△R3，△R2=△R4，在采用恒壓源對惠斯通電橋供電時，最終傳感器的輸出靈敏度可以表示為：

式中L是壓敏電阻條的長度。

3 高靈敏度微壓MEMS 壓力傳感器設計

根據(jù)設計指標，高靈敏度微壓MEMS 壓力傳感器的壓力量程應為40 kPa，壓敏薄膜邊長為1 080 μm×1 080 μm。P 型壓敏電阻的最大壓阻系數(shù)大于N 型壓敏電阻，并且單晶硅在＜100＞面上沿＜11ˉ0＞和＜110＞上的壓阻系數(shù)最大。為提高靈敏度，本次設計采用N＜100＞單晶硅襯底和P 型壓敏電阻，并沿＜11ˉ0＞和＜110＞晶向布置壓敏電阻條。微壓MEMS 壓力傳感器的靈敏度主要取決于壓敏結構的尺寸參數(shù)，包括壓敏膜厚、壓敏電阻長度及布局。本文采用有限元仿真研究各壓敏結構參數(shù)對靈敏度的影響。

3.1 壓敏薄膜厚度分析

針對壓力傳感器壓敏膜層結構，利用COMSOL Mutilphysics 有限元分析軟件進行仿真。由于薄膜的平面尺寸與厚度相差過大，為簡化網(wǎng)格劃分減小計算量，選擇軟件中結構力學模塊下的殼接口建立幾何模型，建立的薄膜尺寸為1 080 μm×1 080 μm，四周固支寬度均為160 μm。細長壓敏電阻簡化為線段，其長度為120 μm，分布于薄膜四周（1，2，3，4），如圖2 所示。

圖2 壓敏膜層建模Fig.2 Modeling of sensitive film

邊界條件設置：首先給所建立的幾何模型添加材料，選擇壓阻材料N 型單晶硅，添加至全部幾何區(qū)域。四周固支端施加固定約束，壓力P作用于薄膜處。網(wǎng)格剖分選擇自由三角形網(wǎng)格分別對四周固支端和薄膜兩個部分進行網(wǎng)格剖分。

壓敏薄膜受到的壓力設置從0～40 kPa 變化，不同厚度情況下輸出電壓如圖3 所示，壓敏薄膜上的應力分布如圖4 所示。

圖3 輸出電壓與膜厚的關系Fig.3 Relationship between output voltage and film thickness

圖4 應力分布云圖Fig.4 Stress distribution chart

隨著薄膜厚度的增加，相同壓力下傳感器的輸出電壓減小。因此，為了提高壓力傳感器的靈敏度，壓敏傳感膜厚度越薄越好。但壓敏傳感膜越薄，制作時膜片容易變形損壞，導致壓力傳感器失效。在0～40 kPa 滿量程內(nèi)，壓敏膜層厚度需滿足破壞原則及線彈性原則［16］：

式中：P為壓力量程，h為壓敏膜厚，a為壓敏膜邊長尺寸，σm是硅的破壞應力，σmax是最大應力，ωmax是最大形變量。通過計算得到40 kPa 量程傳感器滿足線彈性原則的最小膜厚為12.19 μm。

3.2 壓敏電阻位置分析

壓敏電阻在壓敏薄膜上位置不同，所受應力不同，傳感器的輸出靈敏度也隨之變化。因此，以電阻邊緣距離壓敏膜層邊緣的不同間距為條件進行仿真，條件分別為5，10，15，20，25 及30 μm，仿真結果如圖5 所示?？梢钥吹?，輸出電壓隨著間距的增大而減小，在壓敏膜片上距離四周邊緣中間5 μm 的位置輸出電壓最高。因此，在設計方案中，為了兼顧雙面光刻套刻精度±5 μm 的工藝窗口，壓敏電阻擺放在膜片邊緣中點10 μm 的位置，此時壓敏電阻受到的應力相對較大，壓力傳感器的輸出靈敏度也相對大。

圖5 輸出電壓與壓敏電阻位置的關系Fig.5 Relationship between output voltage and location of varistor

3.3 壓敏電阻長度分析

為了研究壓敏電阻長度對傳感器靈敏度的影響，以電阻長度60，80，100，120，140 及160 μm為條件對輸出電壓進行仿真，仿真結果如圖6 所示?？梢钥吹剑敵鲭妷弘S著壓敏電阻長度的增加而減小。但如果壓敏電阻的面積過小，則壓敏電阻單位面積上的功耗過大，壓力傳感器工作時壓敏電阻的自加熱效應非常明顯。嚴重情況下，壓敏電阻的自加熱效應會導致壓力傳感器不能正常工作。在設計方案時，考慮壓敏電阻實際制作時長度過短，摻雜注入、退火時的橫擴效應會影響電阻值的控制精度，將壓敏電阻長度設定為120 μm。

圖6 輸出電壓與壓敏電阻長度的關系Fig.6 Relationship between output voltage and length of varistor

3.4 芯片版圖設計

基于現(xiàn)有的工藝條件，并根據(jù)有限元仿真結果對芯片壓敏結構尺寸進行優(yōu)化，優(yōu)化參數(shù)如表1 所示。根據(jù)優(yōu)化后參數(shù)，仿真計算靈敏度結果高達0.412 mV/kPa。設計版圖如圖7 所示。

表1 傳感器壓敏結構優(yōu)化參數(shù)Tab.1 Optimized structural parameters of varistor

圖7 壓力傳感器芯片設計版圖Fig.7 Layout of pressure sensor

4 壓阻式壓力傳感器制作

硅壓阻式壓力傳感器芯片采用標準CMOSMEMS 工藝進行制作。傳感器的芯片厚度為400 μm，單個芯片的版圖尺寸為2 mm×2 mm，背腔版圖尺寸為1.544 mm×1.544 mm，壓敏薄膜厚度為15 μm。實驗中，低應力氮化硅層使用BTI 公司的BDF-41 型號LPCVD 低壓氣相淀積設備淀積，厚度為350 nm，金屬膜層則采用愛發(fā)科公司的EI-501Z 蒸發(fā)臺設備進行制備，背槽腐蝕使用25%TMAH 試劑腐蝕［17-18］，最終完成傳感器圓片流片并封裝測試性能。壓力傳感器芯片的整合工藝流程如圖8 所示，主要步驟包括：（1）熱生長二氧化硅；（2）壓敏電阻制作：光刻、注入、退火；（3）電阻連接和電極焊盤結構制作：光刻、注入、退火；（4）接觸孔光刻、腐蝕；（5）金屬互聯(lián)結構形成：鋁蒸發(fā)、光刻、腐蝕；（6）背腔形成：光刻、濕法腐蝕硅深槽。加工完成的芯片實物如圖9 所示。關鍵尺寸SEM 測試參數(shù)如表2 所示，與設計值基本一致。

圖8 芯片制作流程Fig.8 Fabrication process flow of chip

圖9 芯片實物Fig.9 Picture of chip

表2 傳感器芯片實測值Tab.2 Actual values of pressure sensor chip（μm）

5 測量實驗與結果

將制作完成的壓力傳感器芯片采用SOP6 塑封封裝形式，其塑封工藝主要經(jīng)過：劃片、裝片、鍵合、注塑、彎腳成型這5 個工序，最終完成表壓壓力傳感器成品封裝，封裝結構及成品如圖10所示。

圖10 壓力傳感器封裝圖片F(xiàn)ig.10 Picture of packaged pressure sensor

5.1 測試系統(tǒng)搭建

搭建的測試系統(tǒng)如圖11 所示，對壓力傳感器成品的性能進行測試。測試系統(tǒng)主要包括壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、信號輸入與輸出系統(tǒng)。其中，壓力控制系統(tǒng)由德國的Druck pace5000 壓力控制儀、氣體管道及密封環(huán)組成，Druck pace5000 的壓力為0～200 kPa，調(diào)節(jié)精度和控制穩(wěn)定性分別高達0.02% FS 和±0.005%FS；溫度控制系統(tǒng)由高低溫試驗箱保證；測試采用恒壓模式，輸出為電壓信號，輸入電壓源與輸出測量均 采 用Keithley 2400 源 表，Keithley 2400 源 表 電壓源量程為0～200 V，電壓測量分辨率高達100 nV。

圖11 壓力傳感器測試系統(tǒng)示意圖Fig.11 Schematic diagram of pressure sensor

5.2 性能測試結果分析

壓力傳感器的壓力測試量程為0～40 kPa，將壓力測試間隔定為2.5 kPa，輸入電壓為5 V。在0，25 和50 ℃3 個不同溫度下測試不同壓力點的傳感器輸出，測試結果如圖12 所示。

圖12 壓力傳感器不同溫度下的輸出曲線Fig.12 Output curves of pressure sensor at different temperatures

從圖12 可以看出，輸出電壓隨著施加壓力的增大呈線性增大的趨勢，這說明在壓力作用下，位于硅膜上的壓敏電阻條阻值區(qū)域受到的應力增大，導致其阻值增大。在5 V 激勵電壓的作用下，壓敏結構優(yōu)化后壓力傳感器常溫下的滿量程輸出為88.937 mV，靈敏度高達0.444 mV/kPa，靈敏度的實測結果與仿真計算結果誤差較小，為7.77%。此誤差來源于工藝誤差，如壓敏電阻條的光刻精度、背腔濕法腐硅槽的均勻性等。常溫下壓力傳感器的線性度較好，非線性度僅為0.073 6%FS。

對比不同溫度下傳感器的輸出結果可知，隨著溫度的升高，輸出電壓從91.638 mV 下降到83.317 mV，靈敏度從0.458 mV/kPa 下降到0.416 mV/kPa，下降了約10%。這是因為隨著溫度的升高，壓敏電阻的壓阻系數(shù)減小，其阻值減小。

通過測量傳感器芯片在加壓和降壓過程中的輸出電壓，對傳感器的遲滯特性進行研究。加壓條件下，氣壓從0 kPa 升高到40 kPa；降壓條件下，氣壓從40 kPa 降低到0 kPa。測試結果顯示，上行與下行輸出電壓的最大偏差為0.034 mV，經(jīng)計算得到遲滯僅為0.038%FS，回滯特性良好。最終測得的傳感器成品參數(shù)如表3 所示。

表3 傳感器成品參數(shù)實測值Tab.3 Actual values of parameters of pressure sensor

6 結 論

本文根據(jù)硅壓阻式壓力傳感器的工作原理，通過仿真研究了壓力傳感器芯片壓敏結構參數(shù)，如壓敏膜厚、壓敏電阻長度及位置對傳感器靈敏度的影響，基于仿真結果對一款40 kPa 壓力傳感器進行了結構優(yōu)化，最后完成了芯片制作、封裝和測試。測試結果表明，優(yōu)化后傳感器滿量程輸出約為89 mV，靈敏度高達0.444 mV/kPa，比常規(guī)同量程壓力傳感器的最高靈敏度0.35 mV/kPa，提升了26.8%。研制的MEMS 壓力傳感器線性度和回滯特性優(yōu)良，非線性度和遲滯分別為0.073 6%FS 和0.038%FS。該研究結果對于提高微壓MEMS 壓阻式壓力傳感器的靈敏度具有一定的參考價值。