硅压阻式压力微传感器的设计与制造工艺研究 毕业论文.doc

硅压阻式压力微传感器的设计与制造工艺研究摘要:硅压阻式压力传感器是最早开始研究并实用化的微传感器之一, 它结构简单、体积小、成本低、应用范围广, 且已经实现大批量生产, 在某些领域已经取代传统传感器。进一步研制小体积高精度的微传感器, 扩大其适用范围是未来的趋势。本文首先叙述了压阻式压力微传感器的原理和设计方法, 然后针对硅压阻式压力微传感器的制造, 给出了两种不同的制造工艺流程, 并接着对其优缺点进行了横向比较,以期优化该种传感器的工艺。关键词:微传感器;压阻式;制造工艺;设计一、引言压力传感器是用来测量流体或气体压力, 大规模生产的计量或传感单元。传统的压力传感器体积大、笨重、输出信号弱、灵敏度低。应用微电子技术, 在单晶硅片的特定晶向上, 制成应变电阻构成的惠施顿电桥,同时利用半导体材料的压阻效应和硅的弹性力学特性,用集成电路工艺和微机械加工技术研制固态压阻压力传感器, 它们具有体积小、灵敏度高、动态特性好、耐腐蚀和灵敏度系数好等优点。二、压阻式压力微传感器原理图 2-1 硅杯式压力传感器原理结构由图 2-1 可知,当压力作用于微型硅膜片上时,硅膜片将发生弯曲和内应变(应力)。基于硅的压阻效应,当其内应变化时, 必将引起相应的电阻变化。当压力 P按图示方向作用在膜片上, 桥路上的压敏电阻 R1 和 R3 的值增加, R2 和 R4 的值将下降。若桥路由恒压压源 V8 供电时,其输出电压 V0 可用下式表示, 即: 0 p s V S pV ? ??( 2-1 ) 或写成: 01 psVS p V ???( 2-2 ) 式中, pS 称为压力灵敏度。式( 2-2 )表明,输出电压与被测压力成正比,测量 0V?,即可得被测的对应压力 p?。因为电阻变化通常在 %~% 量级, 故电桥输出电压很小,需要配置放大电路。图 2-2 给出测量 3种压力的原理方案:图( a)是测量绝对压力的;图( b)是测量差压的;图( c)是测量表压的。图 2-2 硅压阻式压力微传感器测量原理方案三、压阻式压力微传感器的设计压力传感器的设计,就是为得到线性度好、灵敏度高、输出稳定性好的传感器而进行力学结构的选择、晶向和晶面的选择, 掩模版图的设计和工艺参数的设计等。 1、材料的选择压力传感器硅杯材料的选择是极为重要的,它是决定传感器灵敏度的因素之一。为了提高满量程输出,减小零点温度漂移及提高线性度,膜片上的电阻连成应变全桥电路。硅杯上电阻变化率由下式表示 l l t t RR ?????? ?( 3-1 ) 其中: l?, t?分别为纵向应力和横向应力; l?, t?分别为纵向压阻系数和横向压阻系数。由式 1知电阻变化与应力和压阻系数有关。在相同表面浓度下, P型硅的压阻系数比 N型的高,而温度系数比 N型的小,所以选用;型硅作为力敏电阻有利于提高灵敏度和减少温度影响。考虑到硅杯制作工艺, N型硅在碱性溶液(如 KOH )具有各向异性腐蚀的特性,可利用终点腐蚀技术控制硅膜片的厚度,所以硅杯材料选用 N型( 100 )晶面或( 110 )晶面,在其上扩散;型杂质,形成电阻条,电阻与衬底以 PN 结隔离。 2、掩膜版的设计传感器设计的重要一步为掩膜版的设计,传感器上的各种图形都是掩膜版图形的转印,所以传感器性能的好坏,很大程度上取决于掩膜版的设计。掩膜版的设计是保证传感器灵敏度及线性度的重要因素之一。本工作主要讨论掩膜版设计中的重要问题, 即是指在不降低膜片的过载能力同时,使传感器获得较高的灵敏度和线性度、较小的零点输出和灵敏度温漂。 膜片形状的选取由式( 1)可知电阻的变化不仅与压阻系数有关,还与应力有关,而应力大小及分布情况与膜片的形状有关。由力学分析知, 在相同条件下(芯片尺寸相同、同一压力等), E型结构的应力极值大于 C型硅杯的应力极值,故选用 E型结构,传感器可获得更高的灵敏度。 E型结构平膜背面有硬心,所以在有高灵敏度的同时可实现过压保护和较高的线性度。从提高传感器性能考虑, E型膜片优于 C型硅杯(圆形平膜片、方形或矩形平膜片) 。计算表明, 3mmX3mm 芯片的/E型膜片的灵敏度已满足预定设计量程目标 0~10kPa 和 0~100kPa 的要求,故更复杂的梁膜复合应力集中结构不再考虑。 电阻条位置的确定 E型硅杯上的力敏电阻构成惠斯顿电桥。为使传感器具有较高输出灵敏度并减小温度影响,四个桥臂电阻应尽可能满足以下四个条件: ( 1)等应力(绝对值)。( 2)等压阻系数,尽量避免纵横压阻效应的相互影响。( 3)等阻值。( 4)等温度系数和灵敏度系数。四、两种不同的硅压阻式压力微传感器的制造工艺 1、硅杯式压阻压力微传感器图 4-1 给出了硅杯式压阻压力微传感器的制造工艺主要流程