MEMS压力传感器综述

MEMS压力传感器简述摘要：MEMS压力传感器是发展最早，且市场占有率极大的微型传感器。顾名思义，MEMS传感器是结合MEMS相关工艺技术与传统IC技术研制出的一类压力传感器。因而MEMS压力传感器不仅可以用类似集成电路设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使压力控制变得简单易用和智能化；而且还具有MEMS的特有材料特性与微型化等优势。目前，MEMS压力传感器综合了相对成熟的微电子工艺，如CVD技术，掺杂技术和新型的阳极键合技术等，以及绝缘体上硅（SOI）、碳化硅（SiC）、氧化铝陶瓷等新材料及相关技术。MEMS压力传感器的新技术的研发与进展使其向工业、医疗、汽车和更广阔的应用范围扩展，同时也为整个MEMS领域做出重要的贡献。关键词：MEMS；压力传感器；压阻式；高温传感器压力传感器的发展自20世纪40年代便已开始，其发展过程大致分为四个阶段。发明阶段（1945-1960年），以1947年双极性晶体管的发明为标志。史密斯（C.S.Smith）于1945发现了硅与锗的压阻效应并依据此原理制成的压力传感器。此阶段最小尺寸大约为1cm。技术发展阶段（1960-1970年），硅扩散技术发展、制成凹形硅弹性膜片，称为硅杯。体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点为商业化发展提供了可能。商业化集成加工阶段（1970-1980年），硅各向异性腐蚀技术：自动控制硅膜厚度。可在多个表面同时进行腐蚀，数千个硅压力膜可同时生产，实现了集成化的工厂加工模式，成本进一步降低。微机械加工阶段（1980年-至今），纳米技术——使得微机械加工工艺成为可能。计算机控制——线度微米级结构型压力传感器。蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压力传感器进入了微米阶段。个人认为，MEMS压力传的发展将进入下一个全球互联阶段，目前全球有数以亿计的传感器，就像互联网将数以亿计的人类联系在一起一般，传感器也将有一个物联网生态系统将它们联系在一起，并且还会建立全球MEMS传感器统一标准，一次来维护和管理这个传感器系统。压力传感器是目前传感器家族中最庞大的一支，因而这一阶段对其的意义不言而喻。1基本原理MEMS压力传感器主要分为电容型、压阻型，压电式，金属应变式，光纤式等。其中应用最为广泛，技术最为成熟的是硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机电传感器。1.1压阻式压力传感器基本原理压阻式压力传感器的基本原理如图1.1所示，惠斯登全桥电路。1423RRRRB,E间电势差UBE=0，电路无电压输出；1423RRRRB,E间电势差UBE不为零。根据此电路特性，将R1,R2,R3,R4制成为高精密半导体电阻应变片，利用其半导体的压阻效应，将压力造成的机械形变转化为电阻本身的阻值变化，进而改变电路中的电势差UBE，以此来测量出压力大小。图1.2为硅压阻式压力传感器结构示意图。中间紫色部分是硅杯，具有圆形的应力杯硅薄膜内壁，通常将惠斯登电桥刻蚀正在其表面应力最大处刻成惠斯登测量电桥；上下玻璃体，上部为真空腔，形成绝压压力传感器。压力施加于下部，令硅杯发生形变，从而采集压力信息。1.2MEMS压阻式压力传感器的主要性能参数灵敏度和线性度是其中两个重要的性能指标，其影响因素主要有：1)膜片的厚度和尺寸，压力传感器的灵敏度最大值由膜片厚度和面积决定。弹性膜片越薄、平面尺寸越大，输出的灵敏度越大。当膜片为平膜时，薄膜形状为正方形时传感器的灵敏度最大。2)电阻形状，增加垂直压敏电阻的条数，可提高灵敏度，线性度降低；另外面积越大时，灵敏度越高，而线性度越低。图1.1惠斯登电桥电路图图1.2硅压阻式压力传感器结构简图图1.3增加垂直压敏电阻的条数示意图图1.4薄膜应力Ansys仿真图3)压敏电阻的几何尺寸，压敏电阻的长、宽等几何尺寸越大对掺杂浓度的均匀度要求越高，若掺杂浓度增高则输出的灵敏度会随之增大。4)电阻位置，由Ansys模拟分析硅膜片受理情况如下左图。压敏电阻应尽量布置在膜片外边缘的附近，距离外边缘越近，灵敏度就越大；同时，也可以采用电阻跨在膜片两侧部分在体硅区的方法同时得到更高的灵敏度和较小的线性误差。1.3电容式压力传感器基本原理电容式压力传感器是利用压力使电容极板间距改变，进而改变电容接入电路的参数，从而获得压力大小的一种高效，准确的方法。常见的硅电容式压力传感器结构图和实物图如图1.5,1.6所示。实物图中的电容传感器制成梳齿状，每两个“构成”一组横隔栅，即一个电容器，当外界施加压力，横隔栅极板间距改变，电容器的电容值随之改变，从而完成压力大小的采集。1.4硅电容压力传感器芯体设计的原则利用差动电容变极间距原理，其灵敏度比单电容原理提高，且有利于线性指标的极大改善。硅膜结构采用E型结构，即膜片中心具有硬芯，可进一步提高压力传感器的线性。芯体设计尽量采用对称结构，有利于压力传感器性能稳定，有利于芯体工艺的可操作性。上述设计原则，对制备工艺提出高要求有了理论依据。总体上，压阻式压力传感器通常通过成熟的体工艺或者面工艺制造,制造过程较为简单；有较大的增益,输入与输出之间存在着较好的线性关系。通过惠斯登电桥将信号引出,有较低的输出阻抗。但其对温度的线性依赖使得传感器必须实行温度补偿；压敏电阻给传感器的灵敏度、电容式传感器实物图图1.5硅电容式压力传感器结构简图图1.6电容式传感器实物图图1.7差动电容原理图功耗以及微型化带来了挑战。电容式压力传感器灵敏度高,适宜于进行微压测量；功耗低,电阻是完全的耗能元件,而电容是储能元件；输出的重复性和长期稳定性好；微型化变的相对简单。但其电容变化与施加压力成非线性关系；硅微结构导致感测电容非常小,电容的变化量更小；传感器的动态范围受到了初始电容的限制。2相关重要工艺技术微机电压力传感器在制作过程中运用了大量且复杂的工艺技术，其中主要或关键的工艺有：硅片清洗技术、薄膜制备技术、溅射技术、掺杂技术、刻蚀技术、键合技术、封装技术等。2.1薄膜制备技术薄膜一直是在MEMS领域用得比较多的一种结构,它既可以直接用于MEMS器件,又可以作为再加工母体。2.1.1热氧化法制作二氧化硅薄膜热氧化法制膜技术包括干法和湿法工艺。干法制膜结构致密，均匀性好，作为掩蔽层和钝化层效果好，且不会产生浮胶现象，但二氧化硅生长速度慢。湿法制膜生长速度较快，掩蔽能力和钝化效果可以满足一般器件的要求，但二氧化硅层结构比较疏松，容易产生浮胶在制作时采用干湿氧交替氧化法生长二氧化硅：10min干法+40min湿法+10min干法。氧化过程中要及时观测氧气流量,以便及时调整。工艺改进及发展。含氯氧化，高压氧化以及惰性气体稀释。2.1.2PECVD制备氮化硅薄膜等离子增强化学气相淀积是将化学反应与射频辉光放电技术相结合,近些年来迅速发展起来的一种旨在代替其它一些CVD(如LPCVD等)的一种新方法。工艺要求温度低、淀积的速率高、反应气体比较简单,被广泛应用。影响氮化硅薄膜制备的关键因素：温度（350℃~400℃）、气体流量配比：氮化硅相对于理论值（总气体体积的1/5）为过量、反应压强、射频功率图2.1硅片上的氧化层2.2溅射技术溅射是一种纯物理工艺，它应用辉光放电从靶上移走材料，向硅片表面扩散并被收集在表面。是一种较新的，高技术含量的高效制膜技术。影响薄膜电阻相关特性的关键因素：1)薄膜的材料2)控制两极间的距离3)电场强度4)材料靶位置5)溅射沉积时间同时还需控制束能量、束密度和沉积厚度等相关参数，从而控制薄膜的生长速度、质量和厚度。利用溅射方法制备薄膜具有可控制薄膜材料各元素组分、可降低制备时衬底温度、成膜质量高、针孔少、附着力强，制成传感器的蠕变小、稳定性好等优越性。2.3ICP刻蚀技术刻蚀技术在传统IC工艺以及现代微电子制造技术中都有着重要的地位。其与光刻技术配套形成的流程工艺在MEMS制造中发挥了至关重要的作用。刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀两大类。感应藕合式等离子体刻蚀（ICP）是一种干法刻蚀技术,可实现低偏压、高密度的刻蚀。主要优点是污染小、刻蚀均匀性、垂直度好。图2.2平行板溅射系统简图图2.3溅射模型如图2.4所示，ICP的主要工作流程，首先反应室高真空状态，通入刻蚀所需气体；电极加压产生辉光放电现象达到等离子状态；产生的等离子体轰击硅片且与硅片发生反应，生成可挥发气态物质由真空系统从反应室抽走，达到刻蚀的目的。影响ICP刻蚀效率的主要因素有气体流量、上下电极功率、刻蚀时间、气体流量等因素。2.4掺杂技术掺杂技术——硅晶片上实现压阻制备的技术。扩散和离子注入是两种主要的掺杂技术。扩散技术，在高温条件下,杂质离子具有一定能量,由高浓度区向低浓度区迁移,其目的是为了控制杂质浓度和均匀性,降低生产成本,大批量生产微器件。包括气态扩散、液态扩散、固态扩散。离子注入，可以很好地控制掺杂剂量。掺杂离子被加速到高能状态并被注入基底。一个主要缺点是注入时会在路径上对晶体结构产生大量破坏，制造大量缺陷。注入后需要进行高温激活和退火弥补晶格的有序性。表2.1两种掺杂技术对比扩散离子注入环境条件高温、孵化室温、真空、孵化破损无较大、需要退火集中掺杂控制一般极好掺杂深度控制好较差掺杂密度范围受限于固体溶解性10^11~10^16/cm^2封装困难光致抗蚀剂、硬膜封装通过上表对比，可以发现离子注入是制备压阻材料的最佳方法。离子注入的优点是该技术可以精确地控制掺杂浓度和深度。缺点是晶格缺陷大，需要掺杂激活退火工艺。扩散具有批量制造的优点，但在控制掺杂浓度和深度方面较差。2.5键合技术MEMS封装技术是MEMS工艺中的关键性技术，而键合技术则是MEMS封装中的关键技图2.4ICP刻蚀系统结构图术。硅片键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法。其中阳极键合技术是目前较为先进的键合技术。2.5.1硅-硅直接键合两硅片通过高温处理可以直接键合在一起，不需要任何粘结剂和外加电场，工艺简单。主要工艺流程：（1）将两抛光硅片先经含HF的溶液浸泡处理；（2）在室温下将两硅片抛光面贴合在一起；（3）贴合好的硅片在氧气或氮气环境中经数小时的高温处理，这样就形成了良好的键合。技术关键：（1）在键合前对硅片进行表面处理，使其表面吸附是至关重要的；（2）键合条件：a.温度；b.硅片表面的平整度；c.表面的清洁度：在超净环境中进行2.5.2静电键合（场助键合或阳极键合）静电键合能够键合玻璃与金属、合金或半导体。具有要求温度低、键合界面牢固、长期稳定性好等优点。静电键合的优势包括键合界面牢固、稳定；机械强度高、热稳定和化学稳定性好；静电键合失败后的玻璃可施加反向电压再次用于静电键合。影响静电键合的因素：（1）静电键合材料的热膨胀系数要近似匹配；（2）阳极的形状：a.点接触电极：键合界面不会产生孔隙b.平行板电极：键合界面将有部分孔隙，键合的速率快（3）表面平整度和清洁度，键合压力适中（4）电压上、下限，温度（5）硅上的氧化层厚度一般要小于1μm图2.5阳极键合示意图3新材料应用与发展科学的发展对传感器的要求越来越高，因而人们开始将一些性能更优秀的材料应用到了MEMS压力传感器的研制中。如SOI（绝缘体上硅）、SiC（碳化硅）以及氧化铝陶瓷等材料被更广泛地应用于MEMS高温压力传感器的研制中。3.1SOI材料SOI（SilicononInsulator，绝缘体上硅）材料是一种在SiO2上有一层单晶硅的晶圆材料，由于其良好的耐辐射、耐高温等材料本身具有的性能，近年来被广泛应用。SOI在器件性能上具有减小寄生电容，提高运行速度（20-35%）；降低漏电，具有更低的功耗（35-70%）；消除闩锁效应与现有硅工艺兼容，可减少13-20%的工序的优点。利用SOI材料及相关技术与MEMS、微电子工艺相结合研制出的压力传感器，具有耐高温等特性。SOI高温压力传感器，利用硅氧化物实现敏感元件和衬底之间的电隔离，不存在微漏电流通道，保障传感器在高温条件下长期稳定工作。