MEMS高溫壓力傳感器若干關(guān)鍵技術(shù)的研究課件

1、MEMS高溫壓力傳感器若干關(guān)鍵技術(shù)的研究 對一種新型MEMS高溫壓力傳感器進行了研究，該壓力傳感器以硅片為彈性片，敏感材料為Ni-Cr合金，是利用濺射合金薄膜壓力敏感元件和先進的加工工藝制作而成。這種壓力傳感器克服了壓阻型壓力傳感器不能在高溫下工作的缺點和傳統(tǒng)的濺射薄膜壓力傳感器尺寸大的缺點，工藝過程簡單，工藝周期短，工藝成本相對較低，體積小、重量輕、耐高溫，特別適用于對流體介質(zhì)的測量，是油田生產(chǎn)下井壓力傳感器的理想選擇。 本文研究的是濺射薄膜壓力傳感器，它以硅片為彈性片，敏感材料為Ni-Cr合金，利用濺射合金薄膜壓力敏感元件和先進的加工工藝技術(shù)制作而成。Ni-Cr合金電阻與溫度有良好的線性關(guān)

2、系，傳感器的所有薄都是在高真空之下以分子形式結(jié)合在一起 的，避免了高溫時p-n結(jié)隔離失效問題，從而可以在高溫300下工作，這是目前大 多數(shù)傳感器所不能達(dá)到的。應(yīng)變電阻轉(zhuǎn)換原理金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)金屬材料應(yīng)變電阻以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主，對于其它金屬及合金K=1.84.8，對于鎳鉻合金K=1.92.5。實驗表明：康銅、鎳鉻材料電阻變化率與應(yīng)變之間的關(guān)系是線性關(guān)系。濺射薄膜壓力傳感器的轉(zhuǎn)換原理現(xiàn)在討論的是導(dǎo)線電阻變化與應(yīng)變之間的關(guān)系，本文分析對于如圖所示的電阻與應(yīng)變關(guān)系。2）濺射薄膜傳感器芯片的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，濺射薄膜傳感器芯片的基本結(jié)構(gòu)由五部分組成：彈性片選用硅片；絕緣薄膜，以某種特殊的硅類玻璃濺

3、射形成（如SiO2），厚度23微米，在100V直流電壓得測試條件下，絕緣電阻大于105M；應(yīng)變電阻薄膜，采用鎳鉻合金，厚度為幾千埃；引出電極，采用Au或Ag或Cu；保護薄膜，SiO2為材料屏蔽整個敏感芯子表面。變換電路及補償電路壓力傳感器的變換電路經(jīng)常采用的有恒壓電橋電路、恒流電橋電路及雙恒流源電橋電路，以此將壓力變化引起的應(yīng)變電阻的阻值的變化量轉(zhuǎn)換為電壓變化量。由于恒壓電橋具有簡單、成本低的特點，這里本文采用恒壓電橋電路。如圖2-5恒壓電橋電路。圖中四個電阻R1、R2、R3、R4。電橋AC兩端接直流電源，BD兩端為電橋電壓輸出端。計算可得：不難看出，設(shè)計敏感元件和電橋接線時使四個應(yīng)變電阻中一

4、對對邊受拉力為正應(yīng)變，另一對對邊受壓力為負(fù)應(yīng)變。鄰邊電阻阻值大小按相反的方向變化，且應(yīng)變量的絕對值相等，不妨設(shè)1=3=，2=4=代入得由上式看出，當(dāng)傳感器彈性元件上敏感元件所在處的應(yīng)變值滿足上式時，恒壓電橋的輸出電壓與彈性元件上的應(yīng)呈線性關(guān)系。恒壓電橋電路下面討論溫度補償電路初始零點補償對于恒壓電橋電路，只有當(dāng)R1R3=R2R4時，電橋才會平衡。但橋路中的電阻應(yīng)變敏感元件的阻值總會存在一定的偏差，使得電橋不平衡，可以在橋路中串聯(lián)電阻R0補償，使電橋平衡。（1）零點漂移補償影響零點漂移的因素很多，主要是溫度發(fā)生變化，彈性元件的溫度系數(shù)發(fā)生變化，濺射的電阻應(yīng)變元件和彈性元件材料的線膨脹系數(shù)不同，電

5、阻應(yīng)變元件性能不均勻等原因造成的。本文這里將電阻溫度系數(shù)比較大并且性能穩(wěn)定的鎳絲線繞電阻Rt串入到溫度變化引起的電阻變化比較小的橋臂上，以補償溫度變化引起的電阻變化的不平衡性。（2）靈敏度漂移補償由于彈性元件材料的彈性模量E及應(yīng)變敏感元件的靈敏系數(shù)K隨溫度的變化而變化，造成了傳感器靈敏度的變化。當(dāng)溫度升高時，彈性元件的E要減小，如果外力不變，則應(yīng)變要增加，電橋輸出增加，傳感器敏感系數(shù)變大。補償方法是在電橋的電源電路中介入一個溫度補償電阻RS。壓力傳感器芯片應(yīng)變模擬分析壓力傳感器中的力敏電阻是一種應(yīng)力敏感元件，它制備在承壓彈性膜上，而彈性膜上的應(yīng)變可引起力敏電阻阻值的變化。因此，計算彈性膜上的應(yīng)

6、變分布是十分重要的。常用的彈性膜片主要有方膜、長方膜、圓膜三種形式。在選用膜片時，不僅需要最大限度地利用應(yīng)變的分布，還要考慮制膜工藝。一般希望得到方膜和長方膜，因為此時相對圓膜來說，受力后的橋輸出較大；同時結(jié)合壓力傳感器的制作工藝，用各向異性腐蝕法制備的硅杯，從易于加工的角度講，方膜和長方膜都優(yōu)于圓形膜片。因此在這里，壓力傳感器選用的是方形膜片。方形膜片應(yīng)變的理論分析對壓力傳感器來說，一般由硅片用研磨法或腐蝕法制成硅杯，硅杯底構(gòu)成彈性膜。有限元應(yīng)力計算中應(yīng)把壓力傳感器中的承壓膜看成是周邊固接。為了便于與實際情況接近，需要分析整個硅杯的受力和形變情況，這就要用三維有限元法。ANSYS彈性膜應(yīng)變分

7、布模擬ANSYS軟件是大型通用有限元分析軟件。它具有精度高、適應(yīng)性強以及計算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點，是工程運用上的重要工具。本節(jié)就用ANSYS對彈性膜片的應(yīng)變分布、實體結(jié)構(gòu)溫度場中應(yīng)變分布進行分析。實體建模這里選取的壓力傳感器芯片的平面幾何尺寸如下圖所示，芯片邊框的厚度為250m，彈性膜厚為100m。如圖所示，內(nèi)圈區(qū)為實際彈性膜區(qū)域，外圈的虛線為背面硅杯窗口。本文先Pro/E建立好上圖所示尺寸的模型，然后把模型存為IGS文件。IGS是一種被普遍接受的中間標(biāo)準(zhǔn)格式，用來在不同的CAD和CAE系統(tǒng)之間交換幾何模型。ANSYS的IGS輸入能力在工業(yè)界是最強的。在Pro/E建好的模型，如圖3-2所示，導(dǎo)入

8、到ANSYS中。下面所有的模擬都采用“毫米千克秒”這種單位制。2.5el +1.2et就是壓敏電阻相對變化，因此了解它在芯片表面的分布情況對傳感器版圖的設(shè)計至關(guān)重要。求所需應(yīng)變的分布。定義徑向和切向的應(yīng)變分別為strain1和strain2， 令strain=2.5strain1+1.2strain2?？汕蟮谜麄€膜片的應(yīng)變strain分布如圖模型應(yīng)變分布如圖所示，可以看到應(yīng)變在芯片上的分布，在中心和膜邊緣中心附近綜合應(yīng)變較大。工藝步驟描述1）雙面光刻厚度為250m，N型（100）硅片；2）在硅片的正背面上用熱氧化法分別沉積厚度為3003）在硅片的反背上用LPCVD沉積厚度為1000?的氮4）在

9、正面上濺射沉積Ni-Cr合金2000?；5）在正面刻蝕Ni-Cr電阻；6）在正面上用LPCVD沉積2微米的氮化硅，形成保7）背面刻蝕Si3N4形成硅杯窗口；8）背面刻蝕SiO2形成硅杯窗口；9）各向異性腐蝕硅杯；10）在正面上刻蝕氮化硅，形成接觸孔；11）濺射一層Al；12）反刻Al；13）沉積一層鈍化層，將傳感器的上表面除了壓焊點 外均用Si3N4保護起來，避免外界環(huán)境對器件的不良影響，提高器件的可靠性和壽命。14）刻蝕壓焊點。所設(shè)計器件的剖面圖見5-1所示。傳感器制備的主要工藝硅片的清洗單晶硅片在其形成中經(jīng)過切割、研磨、拋光表面精細(xì)加工等加工過程后，最后形成的硅片表面殘存各種油脂如防銹油、

10、潤滑油等。這些物質(zhì)極易污染晶片，硅片表面是否清潔是影響每道工序質(zhì)量乃至整個器件質(zhì)量的主要因素之一，因此在器件制作之前首先清除原材料表面的雜質(zhì)污染即要對硅片進行清洗。其次，再各工序過程中，均可引入雜質(zhì)和灰塵。總之，在器件制作過程中，雜質(zhì)來源是多方面的，來自工藝流程、環(huán)境、材料、設(shè)備、用具、操作者，這些因素直接或間接的與硅片接觸，造成其表面被雜質(zhì)污染。清洗硅片時應(yīng)去除覆蓋在表面上的一層疏水性的有機物殘渣，因為它對清除離子型和原子型雜質(zhì)有阻礙作用。再去除無機金屬離子或原子雜質(zhì)。對于拋光硅片，還需要去除鏡面上的吸附顆粒。光刻工藝光刻工藝是利用成像和光敏膠膜在基底上圖形化。光刻是微細(xì)加工中最重要的步驟。

11、從基底開始，光刻膠置于基底的平滑表面成為首層。然后，帶有光刻膠的基底在一束光通過繪有預(yù)定圖案的掩模版中的透明部分而曝光。當(dāng)光照后，光刻膠會改變其溶解性。光照后易溶解的光刻膠稱為正膠，反之，處于陰影處更易溶解的稱為負(fù)膠。當(dāng)曝光的基底經(jīng)溶劑處理后，這兩種光刻膠具有相反的效應(yīng)。原來的光刻膠材料經(jīng)處理后產(chǎn)生原版本的圖案。處于陰影中的光刻膠的基底部分被保護以免被腐蝕。因而，在除去光刻膠后，基底上就產(chǎn)生了一個永久的圖案。鍍膜工藝薄膜是指存在于襯底上的一層厚度一般為零點幾個納米到數(shù)十微米的薄層材料。薄膜材料種類很多，根據(jù)不同使用目的可以是金屬、半導(dǎo)體硅、絕緣體玻璃，陶瓷等。從導(dǎo)電性考慮，可以使金屬、半導(dǎo)體、

12、絕緣體或超體；從結(jié)構(gòu)考慮，可以是單晶體、多晶體、非晶體或超晶格材料；從化學(xué)組成來考慮，可以使單質(zhì)、化合物或無機材料、有機材料等。制備薄膜的方法很多，歸納起來有如下幾種：1）氣相方法制膜，包括化學(xué)氣相沉積(CVD)，如熱、光或等離子體CVD，和物理氣相沉積(PVD)，如真空蒸發(fā)、濺射鍍膜、離子鍍膜、分子束外延、離子注入成膜等；2）液相方法制膜，包括化學(xué)鍍、電鍍等；3）其它方法制膜，包括噴涂、印刷、涂敷等等。金屬Cr作為掩模的各向異性腐蝕各向異性腐蝕硅杯是制作壓力傳感器至關(guān)重要的工藝，硅杯應(yīng)力膜質(zhì)量的好壞直接影響傳感器的輸出特性，它主要取決于腐蝕液及腐蝕條件的選擇。性能優(yōu)秀的各向異性腐蝕液應(yīng)具有良

13、好的方向選擇，易于控制，能與硅集成電路平面工藝兼容。不同腐蝕條件下腐蝕效果的差別很大，常用的各向異性腐蝕劑分為三類：第一類是有機腐蝕劑，包括EPW（乙二胺，鄰苯二酸和水）和聯(lián)胺等；第二類是無機腐蝕劑，包括堿性腐蝕液；第三類是氫氧化銨（TAMH）類，如四甲基氫氧化胺。第一類腐蝕劑EPW和聯(lián)胺選擇性中等，速度中等，但有毒制癌，廢液難于處理，一般不采用。第二類中KOH晶面腐蝕選擇性好，速度較快，但容易腐蝕SiO2掩模層，使得硅杯腐蝕深度較淺。傳感器的制作流程1）清洗選取雙面拋光N型（100）單晶硅，電阻率=0.01cm，厚度d=250m。采用先前介紹的清洗方法進行清洗。2）SiO2膜層制備利用磁控濺射鍍膜機在硅片正面基底上鍍上厚度為50