MEMS壓力傳感器論文

1、基于MEMS實現(xiàn)SOI壓力傳感器的設計研究學院：機械與材料工程學院專業(yè)班級： 機械（專研）-14學號： 2014309020127學生姓名：王宇指導教師：趙全亮撰寫日期：2015年1月6日目錄1. MEMS傳感器概述 1.1.1 MEMS傳感器研究現(xiàn)狀1.1.2 MEMS壓力傳感器分類1.1.3MEMS壓力傳感器應用2.2. 基丁 MEMS實現(xiàn)SOI壓力傳感器的設計研究 22.1 SOI壓力傳感器簡介 2.2.2 SOI壓力傳感器的理論及結構設計 32.3 SOI壓力傳感器總結 6.3. MEMS壓力傳感器發(fā)展趨勢.7.1.MEMS傳感器概述1.1 MEMS傳感器研究現(xiàn)狀進入21世紀以來，在市

2、場引導、科技推動、風險投資和政府介入等多重作 用下，MEMS傳感器技術發(fā)展迅速，新原理、新材料和新技術的研究不斷深入， MEMS傳感器的新產晶不斷涌現(xiàn)。目前，MEMS傳感器正向高精度、高可靠性、 多功能集成化、智能化、微型化和微功耗方向發(fā)展。其中，MEMS技術也是伴隨著硅材料及其加工技術、IC技術的成熟而發(fā)展 起來的，它的運用帶來了傳感器性能的大幅度提升，其特點主要包括:1）質量和尺寸的減少；2）標準的電路避免了復雜的線路和外圍結構；3）可以形成傳感器陣列，獲取陣列信號；4）易丁處理和長的壽命；5）低的生產成本，這包括低的能源消 耗，較少的用材；6）可以避免或者少用貴重的和對環(huán)境有損害的材料

3、，其中壓力傳 感器是影響最為深遠且應用最為廣泛的 MEMS傳感器。1.2 MEMS壓力傳感器分類MEMS傳感器的發(fā)展以20世紀60年代霍尼韋爾研究中心和貝爾實驗室研 制出首個硅隔膜壓力傳感器和應變計為開端。壓力傳感器是影響最為深遠且應用 最廣泛的MEMS傳感器，其性能由測量范圍、測量精度、非線性和工作溫度決 定。從信號檢測方式劃分，MEMS壓力傳感器可分為壓阻式、電容式、壓電式 和諧振式等，其特點如下:1）壓阻式:通過測量材料應力來測量壓力大小，它具有體積小、全動態(tài)測量 范圍的高線性度、較高的靈敏度、相對較小的滯后和蠕變的特點，此類型傳感器 多采用惠斯通電橋來消除溫度影響；2）電容式:通過測量

4、電容變化來測量壓力大小，相比較壓阻式的傳感器，它 具有很高的靈敏度、低溫度敏感系數(shù)、沒有滯后、更高的長期穩(wěn)定性，但同時它 也有更高的非線性度、更大的體積，需要更復雜的檢測電路和更高的生產成本；3）諧振式:通過測量頻率或頻率的微分變化來測量壓力大小，它可以通過諸如 熱、電磁和靜電效應來改變膜片頻率，并且可以通過真空封裝來提高傳感器精度；4）壓電式：壓電傳感器是利用某些電介質受力后產生的壓電效應制成的傳感器。所謂壓電效應是指某些電介質在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變(包括彎曲和伸縮形變)時，由丁內部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產生電荷的現(xiàn)象。此外，還有光纖壓力傳感器、多維力傳感器等，但它們大多造價

5、高昂或有技 術局限，應用范圍不如以上4種廣泛。1.3 MEMS傳感器應用MEMS壓力傳感器可用丁汽車工業(yè)、生物醫(yī)學及工業(yè)控制等領域。汽車 工業(yè)采用各種壓力傳感器測量氣囊壓力、 燃油壓力、發(fā)動機機油壓力、進氣管道 壓力及輪胎壓力。在生物和醫(yī)學領域，壓力傳感器可用丁診斷和檢測系統(tǒng)以及顱 內壓力檢測系統(tǒng)等。在航天領域，MEMS壓力傳感器可用丁宇宙飛船和航天飛 行器的姿態(tài)控制、高速飛行器、噴氣發(fā)動機、火箭、衛(wèi)星等耐熱腔體和表面各部 分壓力的測量。2甚于MEMS實現(xiàn)SOI壓力傳感器的設計研究2.1 SOI壓力傳感器簡介MEMS技術逐步成為跨學科高新技術研究領域，形成了包括各種微電子、 微機械、微光學及各

6、種數(shù)據(jù)處理單元的微系統(tǒng)， 其中以集成電路加工技術為基礎 的硅基微加工技術發(fā)展迅速。而在微電子制造工藝基礎上，硅微結構的MEMS加工工藝吸收融合其他加工工藝實現(xiàn)各種微機械結構，應用MEMS技術研制新型的硅氧化物絕緣體(SOI)壓力傳感器，性能更加優(yōu)良、穩(wěn)定性更好、可靠性更 高。單晶硅SOI壓力傳感器是一種新型的半導體壓力傳感器，它比擴散硅壓力 傳感器具有更局的工作溫度，比多晶硅局溫壓力傳感器具有更局的靈敏度，這主要得益丁它用單晶硅材料和 SOI結構作應變電阻，單晶硅材料壓阻系數(shù)高，并 且具有相當高的縱向和橫向靈敏度因子，囚此有利丁設計性能優(yōu)良的壓阻電橋， 保證傳感器有很高的靈敏度和溫度特性。隨著

7、微電子技術和MEMS技術、設計技術和材料技術的不斷發(fā)展，SOI壓 力傳感器將會在現(xiàn)有產晶和技術的基礎上進一部完善和提高，通過加速研究成果 的產業(yè)化的發(fā)展，將逐步滿足軍事、能源、航大、交通、工業(yè)等相關市場的需求。2.2 SOI壓力傳感器的理論及結構設計2.2.1 SOI壓力傳感器的理論設計設計制作單晶硅SOI壓力傳感器的基本原理是硅單晶的壓阻效應，SOI材料的壓阻效應是壓阻式壓力傳感器實現(xiàn)壓力測量的物理基礎，即SOI材料受到應力作用時，其電阻或電阻率發(fā)生明顯變化的物理現(xiàn)象， 使得主要晶向的壓阻效 應與壓阻系數(shù)張量形成統(tǒng)一定關系。當單晶硅結構不受應力時，對丁長度為了 |0 ,橫截面積為§

8、 ,電阻率為P0P的樣晶，其電阻與電阻率為：R0=|0So對上式進行全微分，可以求得長度、橫截面積和電阻率二個參數(shù)的變化對電阻值變化的影響，用相對變化率表示為：四.=四蟲史(2)R0 |0 0 S0式中，為縱向相對變化率，稱為縱向應變& ,它與應力5成正比，因此有：' =E(3)式中：E材料的楊氏模量；若樣晶的截面半徑為°,則橫向應變?yōu)椋合x=坐橫向應變與縱向應變的比值為材料泊松比由丁形變過程中，縱向應變的dr變化趨勢與橫向應變相反，故二者的比值應取負號，即 2=乙dl |0cP兀決定，即:其中式(2)的 為電阻率的相對變化率，由硅材料的壓阻系數(shù)P0而在外力作用下，單晶

9、硅的壓阻系數(shù)兀是一個四階張量。由丁硅單晶是立方 晶體，當坐標軸取晶軸方向時，壓阻張量只有二個獨立分量，它的形式為n11兀12兀12Ji12兀11兀120冗=Ji12兀12兀11兀440兀44兀44(7)其中：r 11 一縱向壓阻張量，表示沿某晶軸方向應力對同一方向電阻的影響；H 12 一縱向壓阻張量，表小沿晶軸的應力對沿與具垂直的另一晶軸方向 的電阻的影響；H 44 一剪切壓阻張量，表示剪切應力對與其相應的某電阻張量分量的 影響。硅材料的兀I H 12和兀44由試驗測定。當電阻處丁任意晶向時，如有縱向 應力沿此方向作用在單晶硅電阻上，則引起縱向壓阻效應，如果有橫向應力沿垂 直方向作用在電阻上，

10、則引起橫向壓阻效應。dR .- 一因此，由以上各式可將式（2）轉化為：=（1 + 2¥+jrEg = G&（8）Ro上式表明材料電阻的相對變化和應變之間的比例關系。G稱為材料的應變計因子或靈敏系數(shù)，其意義是材料發(fā)生單位應變時電阻值的變化率。由式（8）可知，材料的靈敏系數(shù)由兩個因素決定：一是1 + 2，它由材料幾何尺寸的變化引起， 另一個是兀E ,由材料受力后電阻率的變化引起。而半導體材料的靈敏系數(shù)主 要由"E決定，其值約在70170之間。由丁半導體材料特別是單晶硅材料的靈 敏系數(shù)較大，各種性質優(yōu)良，加工工藝成熟，故單晶硅SOI材料成為制作壓阻式壓力傳感器芯片的首選材

11、料。2.2.2 SOI壓力傳感器的結構設計SOI壓力傳感器芯片采用氧離子注入分離工藝實現(xiàn)，將一定能量和劑量的氧 離子注入到硅襯底上，典型的數(shù)值為離子能量150keV,劑量2x18cm-2,使得產生大約O.15vni無氧非晶硅表面層和0.45 pni的Si02層,在硅的頂部表面附近還 存在約40nm厚的單晶硅層。為了消除生長的晶格缺陷和位錯得到頂部硅與埋層 界面的原子級陡峭，還需要對注入后的硅片進行高溫退火，在進行退火時，Si02層上方的非晶硅層以這層單晶硅層為籽晶使整個非晶層再結晶成為單晶硅層，典型的退火溫度為1150C 1300C下進行高溫退火，從而消除氧注入的損傷，實現(xiàn) 表面硅固相再結晶并

12、形成良好的 Si/ Si02界面，達到實現(xiàn)高濃度摻雜氧離子注入 和高溫退火的目的。在SOI結構上形成埋層氧化物Si02,獲得的均勻結構以高精 度地控制材料的參數(shù)，SOl結構通過加工初始薄膜，表面的薄膜能精確的確定薄 膜厚度、彈性系數(shù)和摻雜的特性。對丁己經制備的SOI壓力芯片結構，為了獲得較好的壓阻效應，需要用低壓化學氣相沉淀方法，再生成表面測量電路硅層（厚 度為56nm）和Si3N4保護層（厚度為0.1 nm ）。用等離子體刻蝕工藝，刻蝕表面 Si3N4和表面硅形成空氣隔離的惠斯通測量電路，制作的硅隔離固態(tài)壓阻敏感原 件，將惠斯通電橋的電阻沿一定晶向制作成折條形，提高提高測量靈敏度。單晶硅SO

13、I結構壓力芯片制作工藝如圖1所示。實驗中采用的SOI結構是用硅片直接鍵合減薄的方法制得的，采用等離子 干法刻蝕電阻圖形，應用各向異性腐蝕技術制作硅杯。在刻蝕折形條電阻之后， 雙面淀積通電橋的電阻沿一定晶向制作成折條形，提高提高測量靈敏度。單晶硅SOI結構壓力芯片制作工藝如圖1所示。實驗中采用的SOI結構是用硅片直接鍵合減薄的方法制得的，采用等離子 干法刻蝕電阻圖形，應用各向異性腐蝕技術制作硅杯。在刻蝕折形條電阻之后， 雙面淀積Si3N4之前，還需在硅片表面熱分解淀積一層二氧化硅，以便在后面等 離子刻蝕氮化硅時對硅片表面起保護作用。芯片制作完成后，將制成的芯片進行靜電封接、壓焊、封裝。如圖2封裝

14、后的芯片的結構。之前，還需在硅片表面熱 分解淀積一層二氧化硅，以便在后面等離子刻蝕氮化硅時對硅片表面起保護作 用。芯片制作完成后，將制成的芯片進行靜電封接、壓焊、封裝。如圖 2封裝后 的芯片的結構。rill單品酢片高能抵肉注入SIMOX/ 1SiO2 /Si", !<女威衣面也侃何膜外廷單晶碎及JHtt弟依"'（船*金內蝶形嵯全橋也路SnN.層被薄|之圖1 SOI結構壓力芯片制作工藝壓力圖2 SOI壓力傳感器結構2.3 SOI壓力傳感器總結利用SOI材料，采用MEMS技術工藝，設計制作的SOI壓力傳感器具有較 好的溫度特性和較高的靈敏度，通過工藝改進獲得了單晶硅 SOI結構，優(yōu)化了 壓阻效應的電橋設計，使得用作應變電阻的壓阻系數(shù)得到提高。3 MEMS壓力傳感器發(fā)展趨勢壓力傳感器今后主要的發(fā)展方向是繼續(xù)發(fā)現(xiàn)新