隨著半導體材料和工藝的進步，人們在解決常規 擴散硅壓力傳感器不能滿足高溫環境測壓的要求這 一難題時，提出了多種結構的高溫壓阻式壓力傳感 器 ，包括：多晶硅壓力傳感器、ＳＯＳ（藍寶石上硅）壓力傳感器、ＳｉＣ壓力傳感器和 ＳＯＩ （ 絕緣體上單晶硅）壓力傳感器等。 ＳＯＩ 單晶硅壓力傳感器通過 ＳｉＯ２ 實現應變電阻間的電氣隔離，解 決了ＰＮ 結隔離壓力傳感器工作溫度高于125℃ 時的失效問題。 同時可以利用ＳＯＩ 材料頂層單晶硅膜優越 的壓阻效應及ＳＯＩ材料底層襯底單晶硅良好的各向異性腐蝕特性進行ＭＥＭＳ感壓膜結構制造。 高溫壓阻式壓力傳感器制作工藝與常規擴散硅壓力傳感器工藝相兼容，易于批量生產，成本低、適應溫度寬。 此外，傳感器不需外圍設施降溫，具有體積小、質量輕和易于二次裝配等優點。 因為沒有ＰＮ結隔離問題，傳 感器不易受光、電磁和ＥＳＤ（靜電放電）干擾，與ＰＮ結 相關的噪聲被排除，有利于提高傳感器的穩定性和可靠性。

１ 傳感器芯片設計

      傳感器芯體采用方形膜片結構，膜片在外界壓力的作用下發生形變，將壓力信號傳遞給膜片上的力敏電阻，力敏電阻隨應力膜片的形變而發生電阻值的改變，將力信號轉化為電壓信號輸出。 電阻的變化不僅與壓阻系數有關，還與應力大小及分布情況有關。 壓力傳感器的應變電阻排布如圖１ 所示，受力后，電阻 的相對變化量為：

式中：π 為壓阻系數；σ 為應力。

圖 １ 應變電阻排布

硅膜片受力作用后，２ 組電阻值相對變化量相反。

２ 傳感器制備

      在傳感器國家工程研究中心硅基壓力傳感器制 作工藝的基礎上，設計高溫壓力傳感器芯片工藝流 程。 同 ＯＥＭ 壓力傳感器工藝相比，不同點主要體現在晶圓材料、電極工藝和封裝工藝等方面。

２.１ 注氧隔離技術（ＳＩＭＯＸ）ＳＯＩ 晶圓

      ＳＩＭＯＸ技 術ＳＯＩ晶圓工藝如圖２所 示，主要包括：（１）氧離子注入，利用高能離子注入設備在硅表 層下產生一個高濃度的注氧層；（２）高溫退火，注入的氧與硅反應，在高濃度注氧 層附近形成隱埋ＳｉＯ２層，并消除離子注入引入的損傷。 形成氧化物埋層的臨界劑量大約為１.４×1018ｃｍ ^－２ ，典型的注入劑量約為２×1018ｃｍ ^－２ 。 為避免高劑量注入工 藝中缺陷和應力引入問題，工藝改進為多重注入。 注 入的氧劑量為中等，低于形成氧化埋層的閾值劑量。 一次注入并退火后沒能形成連續的氧化物埋層，僅在 氧離子射程附近形成氧化物沉淀。 如果把注入和退火過程重復２～３次，使總劑量達到閾值劑量。 這樣既 能形成連續的氧化物埋層，又減少了注入時在硅膜引 入的缺陷和應力，獲得高質量的ＳＯＩ材料。 ＳＩＭＯＸ技 術制作ＳＯＩ材料的頂部硅層較薄 ，也可以通過外延工藝獲得足夠厚度的器件層。

２.２ 傳感器芯片工藝

      傳感器芯片制作工藝截面如圖３所示，工藝包括： 硅片清洗→氧化→光刻電阻條→離子注入→退火→ ＬＰＣＶＤ淀積氮化硅→光刻引線孔、背面硅杯→多層復

圖２ ＳＩＭＯＸ 技術ＳＯＩ 晶圓工藝

      合電極制備→合金→正面圖形保護→背面腐蝕硅杯 →芯片與玻璃陽極鍵合→分割芯片。

圖 ３ 傳感器工藝示意圖

      常規壓力傳感器采用Ａｌ電極引線系統，工藝簡單，成本低廉。 對于高溫敏感芯片來說，電橋電阻之 間良好的歐姆接觸是敏感芯片電性能參數可靠性的保證。 壓力傳感器的工作電流在ｍＡ級，電極通常較 寬，工作溫度低于200 ℃ 時，Ａｌ電極可以保證可靠工 作。 但是，當工作溫度超過200℃ 時，由于熱電應力 作用，Ａｌ／Ｓｉ界面退化產生溶坑，在接觸處易形成空 洞，引起脫鍵合或虛鍵合。 同時，Ａｌ向Ｓｉ的熱電遷移 造成歐姆接觸變壞 感器穩定工作 ，導致Ａｌ電極引線系統不能保證傳 ，必須采用復合電極系統作為高溫壓力 傳感器電極引線。 采用Ｔｉ－Ｐｔ－Ａｕ多層金屬化電極， 用Ｔｉ做接觸層及粘附層，用Ｐｔ做阻擋層，用Ａｕ做導 電層，工作溫度可以高達400℃ ，Ｃｒ－Ｎｉ－Ａｕ多層金屬 化電極的關鍵是各層膜的應力匹配。

２.３ 壓力傳感器裝配

      芯片直接與被測介質或大氣環境接觸，會被黏污 或吸附潮氣，影響器件的穩定性；而背面加壓封裝結 構的傳感器非線性大，同時信號傳導引線的固定和絕 緣結構既復雜，又會引發不可預見的問題。 借助于隔 離膜片和隔離液的作用將敏感元件或傳感器芯片與 外界環境隔離，以保護硅芯片免受外界環境中不良因 素如灰塵、潮氣等不良影響。 借鑒傳感器國家工程研究中心ＯＥＭ壓力傳感器結構，采用低應力的剛性連接和保護液填充封裝工藝技術。 為減小因保護液的熱膨脹造成的壓力附加，減小保護液充灌量，縮短內引線的長度，提高內部結構的可靠性，選用可伐合金材料制作的深孔燒結管座，管座采用凹形結構，陶瓷填充物嵌于底座上的凹槽內，芯片與外引線的內端面 處于同一平面。

      高溫壓力傳感器封裝的工藝流程如圖４所示。 傳 感器能否在高溫下使用，并經受長期的溫度循環沖 擊，封裝是傳感器設計和開發成功的關鍵。 為確保壓 力傳感器的準確度和性能的長期穩定性，消除彈性敏 感元件在機械加工和熱處理中產生的殘余內應力以 及裝配形成的應力集中等不穩定因素，采用溫度沖擊、器件通電老化、感壓膜片反復加載和機械振動等老化工藝消除殘余內應力，加速內應力的釋放，使壓力傳感器性能趨于穩定。

３ 測試結果與分析 

      在高溫條件下的性能檢測，要解決壓力標定裝置工作介質的耐高溫能力，又要解決工裝卡具與敏感器件的密封和熱膨脹系數的匹配技術，使測試過程不因測試加壓的泄漏和隨機干擾而引入系統誤差。 鑒于氣體優良的滲透效應，通常微壓、中高壓采用氣體壓力計進行加壓，高溫氟膠圈超過250℃ 時，密封效果會出現降低，采用氬弧焊或電子束焊焊接工藝將傳感器和卡具焊接在一起，以保證高溫（高壓、超高壓）條件下測試的安全性。

      傳感器裝到卡具上后，放入高溫烘箱中，分別在50、100、150、200、250、300℃ 條件下，對４只傳感器的靜態特性進行多次重復測試，并采用最小二乘法對測 試數據進行線性擬合。 結果表明，在50～ 300℃ 溫度范圍內，設計制作的ＳＯＩ結構單晶硅壓力傳感器具有較好的靜態特性，靈敏度在29～33ｍＶ／ ＭＰａ，非線性誤 差小于0.25％Ｆ·Ｓ，重復性優于0.2％Ｆ·Ｓ ，可在高溫環境或針對高溫壓力進行準確測量。 傳感器靈敏度與溫度關系曲線如圖５所示，在50～100℃ 溫度范圍內，傳感器靈敏度基本保持不變，表明在這個溫度范圍內，力敏電阻正溫度系數和壓阻系數負溫度系數實現了很好互補，設計的摻雜濃度在恒流供電情況下， 實現了自補償。 不過，在100～ 300℃ 范圍內，傳感器靈敏度隨溫度升高而增大。 傳感器靈敏度受壓阻系數、力敏電阻溫度系數和封裝結構附加應力等多種因 素影響，傳感器靈敏度隨溫度升高，可以采用溫度補 償技術進行修正。

圖 ５ 傳感器靈敏度與溫度關系

      傳感器非線性與溫度關系如圖６所示，可以看出４只傳感器的非線性隨溫度增加而減小，這一結果和文獻一致［７］ ，即壓阻效應的非線性隨溫度增加而減小。 ４只傳感器中，力敏電阻阻值與溫度的關系 σ［１１０］ 如圖７所示，50℃ 時，電阻值為４.６ｋΩ 左右，在50～300℃范圍內，電阻隨溫度線性增加，具有很好的線性 度。 因此，可以在芯片上設計測溫電阻，測溫信號用于壓力傳感器靈敏度補償，進一步提高ＳＯＩ結構高溫壓力傳感器的性能。

圖 ６ 傳感器非線性與溫度關系

圖 ７ 電阻與溫度關系

４ 結論 

      依托于傳感器國家工程研究中心硅基壓力傳感 器生產線，以注氧隔離（ ＳＩＭＯＸ）技術ＳＯＩ晶圓為基礎，完成單晶硅高溫壓力傳感器研制與測試。 結果表明，在50～300 ℃ 溫度范 圍，傳感器具有很好的靜態特性，可以對高溫環境下 壓力或高溫壓力進行準確測量。 隨著ＳＯＩ晶圓材料質 量的提高和制作工藝的發展，高穩定性ＳＯＩ單晶硅高 溫壓力傳感器必將成為高溫壓力傳感器的主流產品， 也將成為常規ＰＮ結隔離壓力傳感器的換代產品。

      從上述測量結果可以得到，傳感器標度系數為1.48μｍ／ｍＶ，具有較高的靈敏度。 但在零點附近回程誤差較大，是由于差動運算放大器本身的直流偏置 輸出引起的，約為９ｍＶ，約為滿量程的３‰。

參考文獻： 

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