机载压阻式压力传感器设计与加工

・６２・　仪表技术　２００７年第６期　

机载压阻式压力传感器设计与加工　

张栋，李永红　（中北大学，山西太原０３００５１）　摘要：介绍一种压阻式压力传感器的设计原理和加工技术，设计出了敏感电路和硅膜结构，根据所设计压力传感器的结构特　点和国内现有加工设备，采用了体硅加工技术和表面加工技术相结合的方法进行加工研究并给出了加工模型。　关键词：ＭＥＭＳ；压力传感器；加工工艺；光刻；腐蚀；扩散　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—２３９４（２００７）０６—００６２—０３　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＥＭＳ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＺＨＡＮＧ　Ｄｏｎｇ，ＬＩ　Ｙｏｎｇ—ｈｏｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏａｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｓｔｒｅｓｓ　ｍｉｃｒｏ—ｓｅｎｓｏｒ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｉｔ　ｐｒｅｓ—　ｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｂｕｌｋ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｍｉｃｒｏ—ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ　ｌａｙｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｓｔｒｅｓｓ　ｍｉｃｒｏ—ｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｓｔｅｐｓ　ｏｎ　ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｌｉｇｈｔ　ｓｃｒｉｂｅ；ｅｒｏｓｉｏｎ；ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　

１微压阻式压力传感器工作原理　压阻式传感器是利用半导体的电阻率随应力变化　的性质所制成的半导体器件。在弹性变形限度内，硅　的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅的电阻值发　生变化，而当应力去除后，硅的电阻值又恢复到原来的　数值。压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制　成的。根据欧姆定律，对于导体或半导体材料，其电阻　Ｒ可以用下式表示：　Ｒ＝ｐＬ／Ａ　其中Ｐ是电阻率，　是导体长度，Ａ是导体的截面积。　对上式微分后得：　百ｄＲ＝警＋　一警　百　＋　一　

对于单晶硅而言，上式中　与　两项很小，即尺　寸的变化率较小，可忽略不计，而　一项比较大，也就　Ｐ　是电阻率的变化率较大，故单晶硅电阻的变化主要是　由Ｐ引起的，因而电阻的相对变化可以写为：ＡＲ／Ｒ＝　△ｐ／ｐ＝７１＂０＂，其中仃是压阻系数，　是应力。对于正方　形芯片，可以表述为：ＡＲ／Ｒ＝仃ｌ１　Ｌ＋仃Ｉ２　Ｍ＋仃４４　Ｔ，　其中仃　为纵向压阻系数，表示沿某晶轴方向的应力　对沿该晶轴方向电阻的影响；仃。　为横向压阻系数，表　示沿某晶轴方向的应力对与其垂直的另一晶轴方向电　阻的影响；仃“为剪切压阻系数，表示剪切应力对与其　相应的某电阻率张量分量的影响。这三个系数的实际　值与压电电阻和硅晶体晶格的夹角有关，由实验测定　如表１所示。　表１　室温下（１ＯＯ）取向的硅的电阻率和压阻系数　材料　电阻率　ｌｌ（１０　。Ｐａ一　）　ｌ２（１０　Ｐａ一　）　“（１０　Ｐａ　）　Ｐ型硅　７．８　＋６．６　—１．１　＋１３８．１　Ｎ型硅　１１．７　—１０２．２　＋５３．４　—１３．６　当硅膜比较薄时，可以略去沿硅膜厚度方向的应　力，将三维问题简化为二维问题。任何一个膜上电阻　在应力作用下的电阻相对变化为：　△　—Ｒ—　仃Ｉｌ　Ｌ＋仃“　Ｔ　电路设计如图１所示。　

图１　芯片电路顶视图　收稿日期：２００７—０２　作者简介：张栋（１９７９一），男，硕士研究生，研究方向为现代传感器技术；李永红（１９６５一），男，教授。

　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第６期　仪表技术　・６３・　设计图中Ｒ１与Ｒ４是一对扩散在应变膜上对称　的应变电阻；Ｒ２、Ｒ３是一对与应变电阻相同材料及工　艺的温度补偿电阻。　２微系统加工技术　２．１扩散技术　扩散技术在微加工中是一种常用工艺，是指使用　其他基底材料对硅片进行掺杂。一般被用于氧化硅表　面，在基底表面沉积所需要的不同材料的薄膜，以及在　集成电路加工中在单晶基底表面生成外延层。在常用　的化学气相沉积（ＣＶＤ）工艺中起着重要的作用。　扩散工艺数学模型的基础是菲克定律，即在有特　定浓度的液体Ｂ中，液体Ａ的浓度与两种液体的浓度　差成正比，但是与扩散作用发生的距离成反比。菲克　定律可以用数学的形式表达如下：　Ｃ　＝一Ｄ　ＡＣ　其中的常数Ｄ是液体Ａ的扩散率，通常当作材料　特性。对于大部分材料，扩散率Ｄ随着温度增加而增　加。通过调节温度以达到控制扩散率，并通过控制时　间来测算出在硅基底表面下某一深度的扩散浓度。　２．２光刻技术　光刻工艺是利用光成像和光敏胶膜在基底上图形　化，它是目前唯一可在基底上制作亚微米精度图形的　技术。在微系统制造中，光刻主要用来做掩模版、体硅　工艺的空腔腐蚀、表面工艺中的牺牲层薄膜的沉积以　及微器件触发信号电路的图形化处理。　基底可由单晶硅和其他基底材料（ＳｉＯ：和ｓｉ，Ｎ　）　构成，光刻胶均匀涂于基底的平滑表面成为首层，再将　带有光刻胶的基底在一束通过绘有预定图案的掩模版　中的光线下而曝光。光刻胶被光照射后会改变其溶解　性，正胶被光照射后，接触光线的部分易溶解；负胶被　光照射后，未接触光线的阴影处更易溶解。当已曝光　的基底经溶剂处理后，处于阴影中的光刻胶的基底部　分被保护（被腐蚀），除去光刻胶后，在基底上就产生　了一个永久的预想的图案。　２．３腐蚀技术　腐蚀是微加工技术中的重要工艺之一，它是指在需　要的地方通过物理或化学的方法对原有材料的去除，常　用于形成ＭＥＭＳ（微机电系统）和微系统中微器件的几　何形状。两种常用的腐蚀技术为湿法腐蚀和干法腐蚀。　湿法腐蚀是指用稀释的化学溶液来腐蚀基底，是将要腐　蚀的基底置人具有确定化学成分和固定温度的腐蚀液　体里进行的腐蚀。腐蚀的速率取决于基底上被腐蚀的　材料和溶液中化学反应物的浓度和溶液的温度。干法　腐蚀是利用气体的腐蚀性，而不是利用化学药剂和清洗　法来去除基底材料。干法腐蚀有三种实用技术：等离子　刻蚀、离子研磨以及反应离子刻蚀法。　３芯片结构设计　根据上述工作原理和设计电路，硅片的结构设计　如图２所示。　

图２硅芯片设计结构图　在硅膜片两边有两个压力腔，一个是和被测压力　相连接的高压腔，另一个是真空腔。在硅膜片的特定　方向上扩散２个等值的半导体电阻Ｒ１和Ｒ４，并与其　他２个等值的半导体电阻连成惠斯登电桥形式，以作　为力一电变换的敏感元件。为使电桥的灵敏度最大，　将在压力作用下阻值增加的两个电阻对接，阻值减少　的两个电阻对接。当膜片受外界压力作用时，电桥失　去平衡，若对电桥加激励电源（恒流或恒压），便可得　到与被测压力成比例的输出电压，从而达到测量压力　的目的。　芯片整体尺寸是Ａ　Ａ　Ｈ，芯片的厚度日受硅片　的加工标准厚度限制，芯片高度需要适当确定，需要必　要的隔离，以隔离约束底座对芯片产生的机械影响。　芯片的所有尺寸都是相互关联的。薄膜的尺寸是ａ　ａ　ｈ，其中长度ａ是由尺寸ｂ和腐蚀角决定的，对基底　（１００）平面进行湿法腐蚀，就形成了５４．７４度的夹角。　压阻式压力传感器的结构参数主要有：硅片厚度日，硅　片边长　，薄膜边长ａ，薄膜厚度ｈ，薄膜厚度受到工艺　（主要是金属引线剥离工艺）的影响，最低必须在　２００￣ｍ以上。结构优化的目的是要在工艺条件许可　的情况下，获得最佳的设计性能，设计参量为：ａ、ｂ、ｃ、　ｈ、Ａ、Ｈ。所有尺寸设计保证芯片固定的应力保持在塑　性屈服强度以下。　根据设计形状和要求有约束条件：（１）２（Ｈ—ｈ）／　（ｂ—ａ）＝ｔａｎ５４．７４。；（２）２ｃ＋ｂ＝Ａ；（３）失效条件：　＜　许可　，其中　…是硅最大塑性应力，　许可微器件设　计许可应力。这是一个典型的非线性多元优化问题。　首先确定设计参数ａ、ｂ、ｃ、ｈ、Ａ、Ｈ之间的函数关系，为　了便于问题的求解，我们做出如下假设：（１）假设设计　芯片为标准正方体，这是为了有利于理论计算和分析　

结果进行比较，同时依据工艺发展的趋势，制造这样的　维普资讯 http://www.cqvip.com ・６４・　仪表技术　２００７年第６期　结构更容易，成本更低；（２）假设应力符合叠加原理；　（３）不考虑硅薄膜的自身重量。从而可以确定各尺寸　间的比例关系。　４制作工艺流程　ＭＥＭＳ技术是从微电子加工技术发展而来，许多　用于生产集成电路的加工技术在ＭＥＭＳ和微系统中　可以用来构造复杂的三维形体。在所有的微系统制造　工艺中，工件的几何形状由掩模来定义，而掩模由光刻　技术处理获得。通过腐蚀去掉多余的牺牲材料，离子　的注入和扩散主要用来控制局部材料的性质和特点，　以达到改变选择区域硅基底的电导的目的。传感器的　加工采用双抛（１００）Ｐ型硅晶片，采用二氧化硅为掩　模，利用光刻技术、腐蚀技术、扩散注入离子等技术，制　造出压力芯片单元。该压力传感器采用了体硅加工技　术和表面加工技术相结合，在Ｔ＝９５０℃下进行湿氧　化，要求ｔ。　＝１５００Ａ。腐蚀出电阻位置，离子注入能量　为１００ｋｅｙ，剂量３．３×１０”／ｃｍ　的硼。光刻出导线引线　区，用ＫＯＨ腐蚀出硅腔，将金属层图形化做出导线。　如图３所示。　５　结论　图３压力传感器芯片工艺图　氧化硅　

通过对微压力传感器的设计和工艺研究，可以看　到微制造工艺由工件几何形状决定了加工的工艺流　程，而加工工艺是制约微机电系统器件能否达到预期　设计要求的关键因素。　参考文献：　［１］李德胜，王东红，孙金玮，金鹏．ＭＥＭＳ技术及其应用［Ｍ］．　哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社。２００２．　［２］李伟东，吴学忠，李圣怡．一种压阻式微压力传感器［Ｊ］．仪　表技术与传感器，２００６，（７）：３—５．　［３］傅建中，胡旭晓．微系统原理与技术［Ｍ］．北京：机械工业　出版社。２００５．　（许雪军编发）　

ＮＩ对仪器仪表的发展趋势的认识和讨论　日前，美国国家仪器公司邀请了几位行业媒体的编辑，介　绍了ＮＩ对仪器发展趋势的一些看法，和大家一起进行了饶有　兴趣的讨论。　首先，谈到了Ｗｅｂ　２．０和ｉｐｈｏｎｅ。　Ｗｅｂ　２．０是一个开放的平台，但任何人或公司都不拥有它，　它是通过分享或参与体系搭建起来的，是对集体智慧的充分利　用，而不再是大企业的资源垄断。　苹果公司最新的产品ｉｐｈｏｎｅ是一个典型的例子，它看起来　是一个电话，但它的界面是开放的，根据不同的功能要求而改　变。把它放置为电话，它的界面就变成了电话的界面；如要用　作传送文本信息，其界面就成了键盘；用作ＭＰ３，又会变成ＭＰ３　的界面了。这样，用户可以在一个产品上自己定义和使用不同　的功能。这种基于软件的方式，使ｉｐｈｏｎｅ成为一个类似Ｐｃ机　的可扩展的平台，任何人都可以基于这个平台来发展新的功　能。　这种趋势同样存在于仪器仪表领域。我们知道，支撑虚拟　仪器发展的关键技术有：　１．模数转换器（ＡＤＣ）；　２．处理器；　３．总线；　４．应用软件等。　当支持虚拟仪器的各主要支柱技术发展到一定高度的时　候，人们就可以从一个更高的高度来审视仪器设计的发展。　这样的发展趋势，不但表现在ＮＩ的仪器发展上，其他的仪　器制造商的产品，如安捷伦公司的ＵＳＢ数据采集产品、吉时利　公司的ＰＸＩ产品和泰克公司的示波器也都是循这条路前进着。　从用户的角度看，最大的、最感兴趣的变化是“用户定义的　测量”了。只要连接不同的ＡＤＣ模块，用同一平台就可以变成　用户需要的测量仪器了。这就是ＮＩ“以前”的“仪表技术１．０”　（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　１．０），而现在发展的、以软件为核心构成的、用户能　自定义测量的仪器叫做“仪器技术２．０”（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　２．０）。这种　发展趋势和前面介绍的网络发展的趋势十分相近。这是因为　技术的发展在走着同一条路线，只不过一个发生在网络领域，　被称作Ｗｅｂ　２．０，而另一个发生在仪器仪表领域，被称为Ｉｎｓｔｒ－　ｕｍｎｅｔ　２．０　ｏ　在Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　２．０的架构下，人们会发觉，仪器与控制系统　的界线已经十分模糊了。人们都知道ＮＩ生产的是测试仪器，　以软件为核心的仪器。但，一个控制系统的最下层正是各种　ＡＤＣ模块，各种控制器的核心正是处理器。系统间各环节、各层　级之间的大量信息传输正是通过各种总线，各种系统都正用各　自认为合适的、个性化的编程手段。现代控制系统肯定是以软　件为核心来构建的，系统的功能也是由用户根据自己生产过程　的需要来定义的。所以，当仪器技术发展到可以用一个抽象的　名称Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　２．０来代表的时候。仪器与控制系统的界限的确　很难十分清晰。Ｉｎｓｔｒｍｅｎｔ　２．０仪器自然地迈入了一个相邻的领　域——工业控制。　事实上，ＮＩ已经走出了这一步。从测试仪表走到测试系　统，又在走向工业控制系统。他们一方面强调了对仪器技术发　展趋向的认识。以引领潮流；另一方面显示了要把自己的路走　得更宽、更广的决心。