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高精度MEMS差压传感器芯片的研究

2024-12-04 61 上传者：管理员

摘要：为应对市场对高精度MEMS差压传感器的需求，开展了压力传感器芯片关键技术研究。设计了一种压阻式差压传感器芯片，解决了硅—硅室温键合技术难题，开发了自主可控、稳定可靠、适合批量生产的工艺。采用体微机械加工技术和硅—硅键合技术制备了压力芯片晶圆，形成了满足实际应用需求的高精度差压MEMS压力传感器芯片。本文制备的压阻式差压传感器芯片压力测量范围覆盖0～14 MPa,线性误差(>10 kPa)<0.3%FS,温度滞后性<±0.05%FS,压力滞后性<0.05%FS,工作温度-40～+85℃,过载能力≥2倍FS,为压阻式压力芯片的设计与制作提供了一种可行的参考方案。

关键词：
KOH刻蚀
MEMS芯片
体微加工
差压传感器
硅—硅键合
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MEMS传感器具有体积小、功耗低、可靠性高、适于量化生产、易于集成和实现智能化等优点[1]。在过去的几十年里，MEMS传感器在市场上取得了长足的发展。压力传感器是MEMS传感器中市场规模最大的产品之一，在汽车、消费电子、工业、医疗和航空领域有着广泛的应用[2,3]。其中，工业自动化和各地区对小型化消费设备的需求，是推动MEMS压力传感器市场的重要因素。

目前，MEMS压力传感器主要包括压阻式，电容式，谐振式以及压电式等形式[4～6]。电容式压力传感器具有灵敏度高、功耗低、温漂小等优势，但信号转换复杂，设计难度及成本较高；谐振式压力传感器精度高、抗干扰能力强，但结构复杂，制作难度大；压电式压力传感器对制造工艺有极高要求，且受制于压电材料[7,8]。因此，压阻式压力传感器凭借低成本、结构简单、易于集成等优势，成为当前最主流的MEMS压力传感器类型。

本文对压阻式压力传感器芯片展开研究，旨在设计并制作高精度MEMS差压传感器芯片，解决硅—硅室温键合技术难题，开发稳定可靠、适合批量生产的工艺，形成满足实际应用需求的高精度差压MEMS压力传感器芯片，确保差压芯片压力测量范围覆盖0～14 MPa,线性误差(>10 kPa)<0.3 %FS温度滞后性<±0.05 %FS,压力滞后性<0.05 %FS,工作温度-40～+85℃,过载能力≥2倍FS。

1、高精度差压芯片的设计研究

1.1设计原理

膜片作为压力芯片的核心感压部分，要承受被测量的压力负载，通常被设计为圆形、方形或矩形，以便将输入的压力转化为应力。同时，膜片顶部的电阻组成惠斯通电桥，可将压力信号转换为电信号[9]。图1所示为压阻式压力芯片示意。不受压力的情况下，惠斯通电桥的4个电阻阻值相等，当压力加载到膜片上时，2个电阻阻值上升，2个电阻阻值下降，电桥的平衡状态被打破，此时在输入电极两端施加电压或电流，输出电极两端可以读取到电压值。

图1压阻式压力芯片布局示意

压阻的布置有助于补偿电阻的温度系数引起的电阻的变化。例如：将压阻放置在高应力区域，可以最大限度地利用压阻效应提高芯片的灵敏度。对方形膜片而言，高应力区域在方形膜片边缘，是布置电阻条的最佳位置。通常情况下膜片上所受应力并不均匀，压阻所在位置的应力平均值需要通过以下公式计算

其中，σx,σy为x,y方向上薄膜的应力；σxave,σyave为压阻条位置处沿x方向和y方向的平均应力；A为压阻条的面积。根据压阻在不同方向的压阻系数可求出电阻相对变化值。

1.2膜片设计研究

膜片的厚度和尺寸以及压阻的位置、尺寸和形状是压力芯片设计的主要方面。薄的膜片具有高灵敏度，但会增加制作难度，对工艺窗口或工艺误差容忍度要求极高；增大膜片平面尺寸有助于实现更高的灵敏度，但会增加芯片尺寸，不利于控制成本。此外，减小膜片厚度，增大尺寸会导致线性度的下降。因此，为了获得性能与成本的最佳组合，必须对这些参数进行系统优化。

在微小形变时，膜片的形变与施加的压力成正比。但在形变过大或者膜片内部应力过大时，这种比例就不再适用。因此膜片厚度通常被限制在一定范围内，以确保芯片获得线性输出，便于校准。在建模时把压力芯片的膜片被定义为边缘夹紧的平板，在薄膜厚度与长宽的比值小于1/20时这种等效是有效的。同时还要满足最大形变小于薄膜厚度的1/5。当考虑厚度为30μm的薄膜时，形变应该小于6μm,膜片的长宽应该大于500μm。

在压阻式压力芯片中，假设其受压时，应力是均匀施加在芯片膜片的垂直方向上，则此时膜片上应力分布与受到压力之间的关系有其中，D为薄膜的弹性刚度，E为硅的弹性模量，h为薄膜的厚度，v为薄膜的泊松比，ω为薄膜在x方向和y方向上的应力分布，p为薄膜所受外界的压力。上述公式就是经典的平板理论关系式，图2为芯片矩形薄膜的尺寸图。

图2芯片矩形薄膜

假设芯片固定，膜片为正方形，则边界条件为

代入边界条件求解，则膜片在x方向与y方向上受到的应力可以表示为对于压力芯片的方形薄膜，应力能量U和薄膜形变量的关系式在代入边界条件并进行积分后可表示为其中，A为薄膜面积。假设薄膜上施加的载荷为p0,则薄膜受到载荷施加的能量变化为根据最小能量原则，薄膜形变量最终可以简化表示为

观察公式可以发现，对于方形薄膜，最大形变量发生在薄膜中心处。x,y方向上的主应力分别为由公式可以计算出，当z=h/2时，薄膜在x,y方向上的最大主应力发生在薄膜边缘的中间处，薄膜为正方形时，a=b,最大应力值为

本文设计的方形薄膜尺寸最小为520μm,厚度为30μm,结合硅(Si)的杨氏模量和泊松比，计算出薄膜的最大位移和最大应力为

考虑到非线性问题，薄膜形变量应该小于厚度的1/5,即为6μm,代入可计算出芯片理论最大量程为MPa (16)

考虑到2倍过载能力，则芯片的实际可应用的最大量程应为14 MPa。

2、差压芯片的关键制备工艺研究

2.1氢氧化钾刻蚀技术研究

芯片的膜片可以使用化学物质如四甲基氢氧化铵(TMAH)、氢氧化钾(KOH)制备[10],也可以使用深反应离子刻蚀(deep reactive ion etching,DRIE)制备[11]。湿法腐蚀具有成本低、工艺可控度高，适合批量生产等优点，被广泛应用于各种MEMS深腔结构的制作。制作深腔时，为了保证薄膜厚度的均匀性和特征尺寸的准确性，常常采用各向异性腐蚀。各向异性腐蚀液由KOH、水和异丙醇(IPA)组成。其腐蚀机理是：KOH将硅氧化成含水的硅化合物，然后与异丙醇反应，形成可溶解的硅络合物，这种络合物不断离开硅的表面，从而形成腔体结构。

为了探索湿法腐蚀工艺，实验采用SiO2做掩膜，测试得到不同条件下的腐蚀结果。图3为KOH刻蚀(100)晶面硅片不同溶液浓度下蚀刻速率随温度(以摄氏度为单位)变化的结果。此外，还测试了SiO2与硅的刻蚀选择比，以选择合适的SiO2厚度。图4所示，可观察到SiO2在KOH中的蚀刻速率比硅慢1～2个数量级。

图3 KOH刻蚀(100)晶面硅片不同溶液浓度下蚀刻速率随温度变化

图4不同温度下KOH刻蚀SiO2的速率

同时实验发现，低于30 %KOH的溶液会产生明显粗糙蚀刻，高于30 %的KOH这一现象不明显，同时加入异丙醇可以明显改善腐蚀深腔的粗糙度。经实验，40 %KOH加入1 %的IPA,在60℃腐蚀，可提高底部光滑度。由于温度较低，可以较好地控制腐蚀速率，最终腐蚀出的薄膜厚度均在30±5μm的范围内。

2.2室温下硅—硅键合技术研究

硅—硅键合是差压型压力芯片必需的封装方法，具有应力低的优点，为了实现稳定且高强度的键合，前人进行了大量研究。硅—硅键合的技术分为亲水键合和疏水键合，键合界面性质的优劣直接受键合条件的影响，因此对实验条件的控制极为关键[12]。一般说来，键合过程可分为3个步骤表面清洁、预键合和热处理。

2.2.1表面清洁

表面清洁的目的是去除杂质和形成合适的表面化学态。洁净平整的表面是键合成功的前提条件，晶片表面的起伏可能会产生空洞，起伏过大甚至会导致键合失败，因此必须选取经过清洁、平整的硅片进行表面处理。

表面清洁有亲水处理和疏水处理两种方式，由于疏水活化后的晶圆结合强度更好，此处选用疏水活化，疏水活化流程为H2SO4处理→RCA1(1号液)→RCA2(2号液)→HF。疏水活化处理过程中，硫酸和1号、2号液处理的作用是除去表面油脂、吸附的杂质和金属，同时形成一层氧化膜，使硅片具有亲水性，之后再加入氢氟酸(HF)则是脱掉表面氧化层，使表面疏水。

2.2.2预键合

为降低实验所需条件，保证低温低压下键合的强度，在活化和热处理直接引入预键合是有必要的，这有助于两块晶片表面不平整的地方通过弹性形变相互容纳，从而使所有能键合的点都充分接触成键。预键合是将清洗后的硅片面面相向贴在一起，施以一定的初始压力，以排除界面的空气，使之由于范德华力贴合，之后送入低温(一般室温至150℃)或充满惰性气体的环境中放置48 h。

2.2.3热处理

热处理的目的是加强表面能。经过预处理的晶片在较高的温度下进行退火处理，时间1～10 h不等。由于采用疏水键合，所需退火温度较高，选择在900℃,退火时间2 h。图5为键合后的晶圆，可以看到气泡较少，键合质量较高。

图5硅—硅键合晶圆退火后IR图

3、差压芯片性能测试

本文研制的压力传感器芯片原理样机如图6所示。为了测试产品性能，分别选取了量程为10,100,14 MPa的差压型压力芯片，每种量程封装出5只压力传感器样机，对量程、非线性、满量程输出等性能指标进行了测试，结果如图7所示。研究结果表明，在芯片量程范围内线性误差均在±0.3 %FS以内，满量程输出均远超60 mV@5V。

图6差压传感器芯片原理样机

图7差压传感器性能测试结果

4、结论

本文研究了硅基压阻式MEMS压力传感器芯片理论，提出了一种设计优化硅压阻式MEMS压力传感器芯片的版图布局和加工工艺流程的方法；对KOH湿法刻蚀和硅—硅键合两项关键工艺进行了研究，在湿法腐蚀方面进行了KOH溶液配比和温度的研究，在硅—硅键合方面提出了一种新式的活化处理方法；对所研制的差压压力芯片的量程、非线性、满量程输出等重要性能参数进行了测试表征，均达到预期。为压阻式压力芯片的设计与制作提供了一种可行的参考方案。

参考文献:

[1]王淑华.MEMS传感器现状及应用[J].微纳电子技术,2011,48(8):516-522.

[2]叶军红.MEMS传感器在汽车行业的应用现状综述[J].汽车电器,2021(7):46-48,51.

[3]丘伟强.MEMS压力传感器晶片贴片强度研究[D].北京:清华大学,2014.

[4]刘圣亚.基于MEMS技术的电容式压力传感器的研究[D].北京:北京大学,2013.

[5]陈文山.基于汽车电子的MEMS压力传感器[D].厦门:厦门大学,2011.

[6]姜波,齐杏林,赵志宁,等.MEMS压力传感器现状及其在弹药上的应用[J].传感器与微系统,2013,32(2):4-7.

[8]颜重光.MEMS压力传感器及其应用[J].电子产品世界,2009,16(6):58-60.

[9]周晓宇,张萌颖,杜利东,等.高精度硅压阻式气压传感器系统设计[J].传感器与微系统,2017,36(4):97-99.

[10]唐彬,袁明权,彭勃,等.单晶硅各向异性湿法刻蚀的研究进展[J].微纳电子技术,2013,50(5):327-333.

[12]李颖,张治国,郑东明,等.基于硅硅键合技术的高精度压力传感器的研究[J].仪表技术与传感器,2017(5):10-13,18.

基金资助:重庆市技术创新与应用发展专项重点项目(定向委托)(cstc2020jscx-dxwtBX0047);

文章来源:杜成权,艾军,许明洋,等.高精度MEMS差压传感器芯片的研究[J].传感器与微系统,2024,43(12):28-31.

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期刊名称：传感器与微系统

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期刊详情

主管单位：中国电子科技集团公司

主办单位：中国电子科技集团公司第四十九研究所

出版地方：黑龙江

专业分类：科技

国际刊号：2096-2436

国内刊号：23-1537/TN

邮发代号：14-203

创刊时间：1982年

发行周期：月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：1年以上

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