硅基MEMS梁-復(fù)合膜-島壓阻式壓力傳感器設(shè)計(jì)研究

江 浩,黃 晶,3,袁宇鵬,3*,李春洋,苗晉威,李光賢

(1.中電科芯片技術(shù)(集團(tuán))有限公司 , 重慶 401332;2.國(guó)知?jiǎng)?chuàng)芯(重慶)科技有限公司,重慶 401332;3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器可通過(guò)微細(xì)加工工藝進(jìn)行批量制造、封裝、測(cè)試,其具有微型化、質(zhì)量小、功耗低、成本低及多功能等競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。其中,MEMS壓力傳感器主要用于控制和監(jiān)測(cè),因其精度高、成本低、適合大批量生產(chǎn),為消費(fèi)電子和工業(yè)過(guò)程控制產(chǎn)品用低成本大量使用MEMS傳感器打開(kāi)方便之門,使壓力控制簡(jiǎn)單、易用和智能化,故而成為各類傳感器中歷史悠久、應(yīng)用廣泛的傳感器[1]。MEMS壓阻式壓力傳感器因具有成熟度高,成本低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易測(cè)量的優(yōu)勢(shì)而成為當(dāng)前市場(chǎng)占比最大的MEMS壓力傳感器類型。

在設(shè)計(jì)MEMS壓阻式壓力傳感器研究中,核心元件為壓力敏感膜片,其主要有平膜結(jié)構(gòu)、島膜結(jié)構(gòu)和異形膜結(jié)構(gòu)3種。平膜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通過(guò)改變膜片尺寸改變靈敏度,彭時(shí)秋等設(shè)計(jì)的一款量程為40 kPa的MEMS硅壓阻式微壓壓力傳感器,有效提升了傳感器的靈敏度[2];相較于平膜結(jié)構(gòu),島膜結(jié)構(gòu)依靠膜上的硅島達(dá)到過(guò)載保護(hù)和降低非線性,蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子的李闖等從E型膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵尺寸計(jì)算以及有限元分析等方面考慮,設(shè)計(jì)的壓力傳感器量程為0～1 MPa,靈敏度為15.1 mV/V,非線性誤差為0.2%FSS[3];異形膜結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,一般針對(duì)于特殊傳感器的性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì),通常能夠同時(shí)兼顧壓力傳感器的靈敏度高、非線性度低的優(yōu)點(diǎn),如薛偉等設(shè)計(jì)的一種基于十字梁結(jié)構(gòu)的高壓壓力傳感器[4],許高斌等設(shè)計(jì)的四短梁扇形膜結(jié)構(gòu)的壓力傳感器[5],均通過(guò)改進(jìn)膜結(jié)構(gòu)使應(yīng)力分布集中,較好地兼顧了傳感器的靈敏度與線性度。

針對(duì)靈敏度和線性度較難兼顧的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)芯片采用異型膜與島結(jié)合,以達(dá)到滿足應(yīng)力集中的同時(shí)保證低非線性度。

1 壓阻式壓力傳感器工作原理

壓阻式壓力傳感器主要由硅襯底、壓敏電阻、背部空腔、金屬焊盤和玻璃基座構(gòu)成?；诠鑹鹤栊?yīng)將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),即彈性敏感膜片受外界力作用后應(yīng)變,壓敏電阻阻值改變,輸出信號(hào)發(fā)生改變,背部空腔結(jié)構(gòu)尺寸影響輸出信號(hào)的靈敏度及非線性度。

壓阻式壓力傳感器主要利用單晶硅或多晶硅的壓阻效應(yīng),將4個(gè)擺放方向一致的壓敏電阻沉積在硅襯底上,通過(guò)惠斯通電橋連接。施加力后,膜片兩側(cè)應(yīng)力變化不一致,壓敏電阻阻值變化不一致,實(shí)現(xiàn)電橋不平衡。通過(guò)檢測(cè)電壓變化可讀取負(fù)載壓力大小,而通常將壓阻條擺放在應(yīng)力集中區(qū)以獲得較高靈敏度。

惠斯通電橋原理圖如圖1所示。圖中,通過(guò)高溫?zé)釘U(kuò)散或離子注入的方法在硅膜表面進(jìn)行摻雜得到電阻R1、R2、R3和R4,U為供電電壓,U0為輸出電壓。理想條件下,當(dāng)無(wú)外力作用時(shí),4個(gè)電阻阻值相等,電橋平衡,輸出電壓U0=0。當(dāng)存在外界壓力時(shí),壓阻效應(yīng)使得垂直于膜邊的電阻R1和R3在外力作用下產(chǎn)生正增量,而平行膜邊的電阻R2和R4在外力作用下產(chǎn)生負(fù)增量,假設(shè)4個(gè)電阻變化量相等,即|R1|=|R2|=|R3|=|R4|。通過(guò)電橋電路得到輸出電壓U0[6]為

(1)

圖1 惠斯通電橋原理圖

式中:R為壓敏電阻阻值;ΔR為電阻阻值變化量;ΔR/R為壓敏電阻阻值變化率;U為供電電壓。根據(jù)Si的壓阻效應(yīng)原理,當(dāng)彈性敏感平膜片受到外界壓力作用時(shí),其載流子遷移率發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致電阻率改變,電阻阻值也隨之改變。因此,壓敏電阻的變化率可表示為

(2)

式中:σl為縱向應(yīng)力;σt為橫向力;σs為垂向應(yīng)力,與橫縱向應(yīng)力相比很小,可以忽略;πl(wèi),πt,πs分別為縱向、橫向和剪切壓阻系數(shù)。

采用恒壓源供電時(shí)可得到靈敏度S[7]為

(3)

式中U(PM)、U(P0)分別為滿量程輸出電壓和零點(diǎn)輸出電壓。

2 壓阻式壓力傳感器設(shè)計(jì)

2.1 壓力傳感器的力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力傳感器性能與敏感膜片的結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)。以敏感膜片厚度為例,當(dāng)敏感膜片較厚時(shí),會(huì)降低壓力傳感器的滿量程輸出,導(dǎo)致靈敏度過(guò)低。而當(dāng)敏感膜片過(guò)薄時(shí),壓力傳感器的非線性度增加。因此,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),在理論計(jì)算上需要綜合考慮線性約束、靈敏度約束和可靠性約束。

針對(duì)異形膜的理論計(jì)算較復(fù)雜,為了得到更精準(zhǔn)的結(jié)果,在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上利用有限元仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證優(yōu)化。線性原則是為了保證傳感器輸出信號(hào)和施加載荷呈線性變化,敏感膜的最大變形量(ωmax)應(yīng)小于膜厚的1/8[8],即:

(4)

式中:q為壓力載荷;a為膜片最大邊長(zhǎng);δ為膜厚;E為硅彈性模量,一般取170 GPa。

靈敏度約束是為了保證傳感器輸出信號(hào)幅值,要求在U=5 V恒壓源下滿量程輸出電壓大于60 mV[9],即:

(5)

式中π11為P型摻雜壓阻系數(shù),一般取138.1×10-11Pa-1。

可靠性原則是為了保證傳感器工作的可靠性,有較大的抗過(guò)載能力,要求敏感膜表面最大應(yīng)力σmax小于材料破壞應(yīng)力[10],即:

(6)

根據(jù)式(4)-(6)可得所設(shè)計(jì)力學(xué)結(jié)構(gòu)膜片尺寸:

(7)

利用有限元仿真軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化,對(duì)比發(fā)現(xiàn)在膜片邊長(zhǎng)與膜片厚度比值固定的前提下,膜片厚度只影響位移大小及應(yīng)力分布,不影響最大應(yīng)力值及最大應(yīng)力差大小,因而考慮芯片大小,設(shè)置芯片膜片邊長(zhǎng)與膜片厚度比值為50,厚度為40 μm,邊長(zhǎng)為2 000 μm,由經(jīng)驗(yàn)公式[11]可得膜邊長(zhǎng)∶島邊長(zhǎng)=1∶2.3,島邊長(zhǎng)取870 μm,同時(shí)考慮到工藝問(wèn)題,設(shè)置島厚度為300 μm;平膜與中心膜總厚度為40 μm,對(duì)所選的4種結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行相應(yīng)的仿真優(yōu)化,結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)芯片相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸

圖2 不同結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)確定尺寸后的4種結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)仿真,結(jié)果如圖3所示。由圖可見(jiàn),梁膜結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力均比E型結(jié)構(gòu)大,且梁-復(fù)合膜-島結(jié)構(gòu)較其他結(jié)構(gòu)應(yīng)力更大,故具有更高的靈敏度。

圖3 不同結(jié)構(gòu)芯片在120 kPa壓力下X方向上的應(yīng)力

圖4為4種結(jié)構(gòu)在120 kPa下的撓度對(duì)比。由圖可見(jiàn),撓度均低于4 μm,而壓力結(jié)構(gòu)整體膜厚40 μm,撓度均低于整體膜厚的1/10,4種結(jié)構(gòu)都達(dá)到較低的非線性度。

圖4 不同結(jié)構(gòu)芯片在120 kPa壓力下的撓度

2.2 壓力傳感器的電學(xué)設(shè)計(jì)

采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)輸出的壓力傳感器信號(hào)為毫伏級(jí)的小電壓信號(hào),要求傳感器的輸出阻抗盡量小,否則會(huì)對(duì)后續(xù)小信號(hào)提取電路的輸入阻抗提出更高要求,同時(shí)還極易引入噪聲,通常要求常溫下每只壓敏電阻值小于3.5 kW。

在摻雜節(jié)深固定的情況下,摻雜濃度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致壓敏電阻值過(guò)大,增加傳感器輸出阻抗。經(jīng)計(jì)算顯示,在常用摻雜節(jié)深范圍內(nèi)(0.2～2.0 μm),壓敏電阻值小于3.5 kW時(shí)對(duì)應(yīng)的摻雜濃度取值范圍為Ns≥7×1017cm-3。

壓敏電阻摻雜工藝常采用擴(kuò)散與離子注入兩種方法實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于擴(kuò)散法,離子注入能夠分別控制摻雜劑量與節(jié)深,精確控制目標(biāo)電阻值和其摻雜濃度。因此,本設(shè)計(jì)采用離子注入工藝進(jìn)行硼元素?fù)诫s,目前該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)的摻雜濃度限制為Ns≥5×1020cm-3。

綜合考慮,將摻雜濃度定為3×1019cm-3。壓敏電阻上電工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量并向外耗散,故要求其單位面積的額定工作功率應(yīng)小于硅材料表面單位面積的熱耗散功率閾值(5×10-3mW/μm2),即[12]:

(8)

式中:w為壓敏電阻條的寬度;L為壓敏電阻條的長(zhǎng)度;R□為方塊電阻。

當(dāng)壓力傳感器采用5 V恒壓源供電時(shí),額定電流為

(9)

式中n為方塊電阻的個(gè)數(shù)。

考慮到傳感器低輸出阻抗的要求,其壓敏電阻值應(yīng)小于3.5 kΩ,有:

RB=nR□<3.5(kΩ)

(10)

綜上所述,設(shè)計(jì)壓敏電阻結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)鍵是選取合適的方阻R□和電阻條寬度w,這兩個(gè)參數(shù)相互關(guān)聯(lián),相互影響,不能分開(kāi)獨(dú)立設(shè)計(jì),應(yīng)根據(jù)電阻條形狀進(jìn)行綜合考慮,實(shí)際應(yīng)用中采用先確立電阻條形狀尺寸,再驗(yàn)證相關(guān)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求的方法完成。經(jīng)計(jì)算得到壓敏電阻具體參數(shù):摻雜濃度為3×1019cm-3,壓阻條寬度為3 μm,壓阻條長(zhǎng)度為360 μm。

3 輸出結(jié)果

對(duì)梁-復(fù)合膜-島、十字梁-平膜-島、短梁-平膜-島、E型4種結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓敏條的設(shè)計(jì),對(duì)力學(xué)優(yōu)化后的4種結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力差仿真,由此得到相應(yīng)的應(yīng)力集中區(qū)范圍。

圖5為梁-復(fù)合膜-島結(jié)構(gòu)芯片在120 kPa壓力下的中軸線應(yīng)力差云圖。由圖可見(jiàn),在距離坐標(biāo)原點(diǎn)約950 μm處有最大應(yīng)力。將經(jīng)過(guò)電學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算的壓阻條進(jìn)行彎折處理并均勻放置在該處,利用COMSOL添加電流場(chǎng)并進(jìn)行物理場(chǎng)耦合計(jì)算,得到相應(yīng)的仿真輸出。

圖5 梁-復(fù)合膜-島結(jié)構(gòu)芯片在120 kPa壓力下的中軸線上應(yīng)力差線圖

4種結(jié)構(gòu)的輸出電壓隨壓力變化如圖6所示。由圖可見(jiàn),梁-復(fù)合膜-島結(jié)構(gòu)有最佳靈敏度,導(dǎo)出仿真數(shù)據(jù)集并進(jìn)行相應(yīng)的靈敏度與非線性度計(jì)算,得到結(jié)果與十字梁-平膜-島結(jié)構(gòu)、短梁-平膜-島結(jié)構(gòu)相比,梁-復(fù)合膜-島結(jié)構(gòu)在保證非線性度的基礎(chǔ)上靈敏度有明顯提升,并較E型結(jié)構(gòu)靈敏度提升2倍以上。

圖6 4種結(jié)構(gòu)的輸出電壓隨壓力的變化

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)設(shè)計(jì)量程0～60 kPa的壓力傳感器進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)理論計(jì)算及仿真優(yōu)化,同時(shí)利用有限元仿真軟件對(duì)E型、短梁-平膜-島、十字梁-平膜-島和梁-復(fù)合膜-島結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有關(guān)輸出對(duì)比。由仿真結(jié)果得到梁-復(fù)合膜-島結(jié)構(gòu)芯片靈敏度為1.171(V·mV-1)/kPa,比其他3種結(jié)構(gòu)均提升了7%以上,較E型結(jié)構(gòu)提升了2倍,非線性度為0.029%FSS。優(yōu)化結(jié)果滿足MEMS微壓壓力傳感器的高靈敏度、高線性度等要求,可被廣泛用于醫(yī)療領(lǐng)域,如智能穿戴電子中的氣壓計(jì)、非侵入性醫(yī)療應(yīng)用利基市場(chǎng)中心血管治療的導(dǎo)管和氧氣監(jiān)測(cè)等。