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SOI高溫壓力傳感器的研究敏感器件 (傳感器)的作用就像人的五官一樣， 信號的攝取、處理和轉換都離不開它。沒有新型敏感器件的開發和發展 ，自動控制 、遙感遙測 、空間科 學的研究就不可能達到今天這樣高度發達的水平 。 隨著信息技術的深 入發展 ，傳感器的作用也日益顯出不可或缺的重要性 。科學的發展對傳感器的要求 也越來越高 。但無論哪一種傳感器，應力膜應力分布的情況都直接與傳感器性能(靈敏度 、精密度、可靠性等)密切相關。隨著信息技術深入發展，傳感器的作用Et益重要 ，目前使用的半導體壓力傳感器壓 敏電橋采用P型擴散電阻 ，彈性膜時n型硅襯底 ，電 阻間以及電阻與彈性膜之間靠反偏P—n結隔離 ，當工作溫度超過120℃時，p_n結漏電流加劇，使傳感器特性嚴重失效 ，因而不適合在高溫條件下工作與其他高溫壓力傳感器相比，多晶硅高溫壓力傳感器具有多晶硅薄膜的成熟工藝、與半導體平面工藝兼容、易于進行微機械加工、芯片易于批量制作等突出優點。但是由于多晶硅高溫壓力傳感器采用摻雜多晶硅做應變電阻，而多晶硅具有結構上的長程無序性，使得多晶硅的壓阻系數要明顯小于單晶硅的壓阻系數 ，因而多晶硅電阻膜的靈敏度要小于單晶 硅電阻膜的靈敏度。在相同尺寸下，SOI器件的p_n結漏電流比體硅器件低3個數量級，因此SOI材料適合用于制作高溫半導體器件。為了進一步提高硅壓力傳感器的性能，一種很自然的想法就是用單晶硅電阻膜來替代多晶硅電阻膜，同時仍用SiO2與襯底隔離，形成單晶硅SOI結構，從而獲得良好的高溫性能和更高的靈敏度。 l、壓力傳感器的研制 我們設計的SOI高溫壓力傳感器可用于測量鍋爐、管道、高溫反應容器內的壓力、井下壓力和各種發動機腔體內的壓力。量程：0～1.0MPa最高使用溫度為220℃；靈敏度為200～240mV／(V · MPa)左右。圖1為壓力傳感器的剖面結構。
圖1 壓力傳感器的剖面結構 其中金屬底座的直徑為15mm；玻璃支座的直徑為環形，外徑為8.32mm，內徑為 1.8mm，高度 為 2.3mm；壓力腔外殼高度為13mm，內徑為15 mm，外徑為18mm；如圖(1)所示芯片為方形膜 ，邊長為4.5mm，應力膜邊長為2.234mm，膜厚為100m，如圖(3)所示。 1.1 芯片的制作工藝 如圖(2)所示，制作過程傳感器采用直接鍵合的單晶硅SOI材料。整個SOI硅片厚度約550 m。 (a)選取電阻率為8～10Q·cm的P型硅片，整個SOI層的厚度大約為550m。(b)對單晶膜進行高濃度B擴散。(c)等離子干法刻蝕電阻條圖形。 (d)LPCVD雙面淀積Sisr、i保護膜 。(e)背面光刻腐蝕窗口，各向異性腐蝕硅杯。(f)光 刻引線孔 ，金屬化 。最后封裝等待測試 。
圖2 SOI高溫壓力傳感器的工藝流程 2 計算機模擬與實驗結果分析 整個過程中所采用的模型是正方膜SOI壓力傳感器，它帶有一層二氧化硅和一層氮化硅如圖(2)。整個傳感器芯片的邊長為4500 m，其中應變膜的邊長為2234 m，厚度為100 m，體硅上依次覆蓋了0.5 m的二氧化硅和0.3 m厚的氮化硅膜。模擬中硅的楊氏膜量取為127GPa、泊松比為0.278，二氧化硅的楊氏膜量取為75GPa、泊松比為0.17，氮化硅的楊氏膜量取為300GPa、泊松比為0.24、界壓強為1MPa。模擬時的單位制為厘米 ·千克 ·秒制 。模擬結果為傳感器應力膜片上表面壓阻元件橫向應力和縱向應力 ，該數值與傳感器理論輸出之間的關系為 ：
其 中：
圖3 方形膜結構示意圖
圖 4 SOI壓力傳感器芯片表面的應力分布圖
其中：丌11，丌12，丌14分別為壓阻元件的縱向，橫向以及剪切向壓阻系數 l1，m1，n1 ， 分別為壓阻元件縱向應力相對于立方晶軸的方向余弦 l2，m2，n2分別為壓阻元件橫向應力相對于立方晶軸的方向余弦。 在SOI壓力傳感器的壓制過程中，襯底采用P型(100)Si片 ，在應力集中的區域形成電阻區，如圖4所示，其橫向和縱向均為(110)和(111)，從而可以得到 ：
通過查表 ，對于P型硅導電壓阻有 ：
可得到： 在惠斯通電橋中，1，3變化近似相同，2，4近 似相同。可得到 我們首先對應力膜在不同壓力 (0～1.0MPa) 不同溫度(20~220℃)下進行有限元模擬。① 建立模型；② 加負載，設定邊界條件，求解 ；邊界條件為模擬外加壓力的壓力邊界條件，把芯片硅杯底面的 自由度設為固定值0，芯片應力膜上表面施加壓力為 1MPa。③ 查看模擬結果；得出不同情況下應力膜片表面應力分布情況如圖4所示 以及縱向應力
圖 5 不同溫度、不同壓強下的變化 通過式 將測得的數據與模擬得到壓力傳感器輸出電壓相比較 ，得出圖(5)的曲線。從圖(5)可以看出，模擬 結果與實際測得結果相差不大 ，說明 SOI壓力傳感 器 的設計符合實際要求 。無論是實際測量還是模擬 得到的數據 ，傳感器的輸入和輸 出即使在很高的溫 度下也能保 持較 高 的線 性關 系，并且 在 兩個溫度 (20℃和 220℃)下 的曲線變化規律基本一致，充分說明傳感器在所測試溫度范圍內工作情況良好。另外從圖6可以看出圖6SOI壓力傳感器 的輸出特性曲線零點電壓相對較大，這說明電阻的均勻性不 是很理想 ，進一步減小零點電壓的途徑是 ：① 改善工藝過程 ，提高擴散雜質的均勻性 。② 可是嘗試用離子注入來代替擴散摻雜。③ 引入零點補償電阻 。
圖 6 SO1壓力傳感器的輸出特性曲線 為了和多晶硅壓力傳感器進行比較 ，我們采用同樣的工藝步驟如圖(2)，相同的測試手段 、參數以及版圖用多晶硅材料制備壓力傳感器 。在室溫環境下 ，對設計的多晶硅壓力傳感器進行靜態力學性能 試驗 ，并用最小二乘法對測試數據進行擬合 ，得出了多晶硅壓力傳感器得輸出特性曲線 ，圖 (7)給出了SOI壓力傳感器和多晶硅壓力傳器的輸出電壓與外加壓強的變化曲線 。
圖 7 SO1壓力傳感器和多晶硅壓力傳感器的輸出特性比較 圖(7)為SOT壓力傳感器和多晶硅壓力傳感器的輸出特性比較，可以計算出SO1壓力傳感器的靈敏度為200~240mV／V·MPa，而多晶硅靈敏度為100mV／V ·MPa左右 ，可見單晶硅SOI高溫壓力傳感器靈敏度比多晶硅高溫壓力傳感器靈敏度有較大提高，大約是多晶硅壓力傳感器靈敏度的2～3倍 。這主要是由于壓敏電阻使用單晶硅材料比使用多晶硅材料有更大的壓阻系數的原因。 3 結 論 (1)無論是實際測量還是模擬得到的數據 ，SOI 高溫壓力傳感器的輸入和輸出即使在很高的溫度下 也能保持較高的線性關系。 (2)單晶硅SOI高溫壓力傳感器靈敏度比多晶 硅高溫壓力傳感器靈敏度有較大提高。 (3)單晶硅型SOI高溫壓力傳感器具有明顯的開發優勢 。 參考文獻： [1] ZhaoYulong，ZhaoLibo，JiangZhuangde+A NovelHigh TemperaturePressureSensoron the BasisofSOILayers．SensorsandActuatorsA，2003，108：108—111． [2] KrullW A，LeeJC，DemonstrationofBenefitsofSOIforHigh TemperatureOperation[C]／／ProceedingofIEEE SIs／s0I TechnologyW orkshop，Georgia：1998：69—70． [3] Min-hang Bao，MicroMechnicalTransducers：Pres-SureSen— sor，Accelerometersand Gyroscopes[M]．ElsevierPublish— er，2000，Chapter5． [4] CRC MaterialsScienceandEnlgineering Handbook[M]．46， 289，537． [5] Chih-Tang Peng ，Ji-Cheng Lin，Chun-Te Lin，Kuo-Ning Chiang ．PerformanceandPackageEffectoIaNovelPiezoresistive Pressure Se nso r Fabricated by Front—Side Etching Technology．Se nso rsandActuatorsA，2005，119：28 — 37． [6] 張維新 ，朱秀文 ，毛贛如 ．半導體壓力傳感 器[M]．天津 ：天津 大學出版社 ，1991：158—159． [7] 劉濤，楊鳳鵬 ．精通 ANSYSEM]．北京：清華大學出版社， 2002：15-17． [8] 強錫富 ．傳感器[M]．北京 ；機械 工業 出版社 ，1993：32—36． 班寧產品匯總 |
為縱 向應力 ，
為橫向應力丌1，丌2分別為對應的系數 ，分別表示應力與通過壓阻元件的電流方向相一致和垂直時的系數。從圖4可以得出傳感器芯片表面不同條件下的縱向應力
。
和橫向應力
，從而確定應力膜片上電阻的排放位置如圖3，進而設計出傳感器芯片版圖。將
代入式 (3)得 出膜厚為 100／tm 的壓力傳感器 ，已通過模擬得到不同溫度、不同壓強下的具體數值。
