一种基于MEMS技术的压力传感器芯片设计-王大军.pdf
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1、2011 年 2月吉林师范大学学报( 自然科学版)? . 2 第2 期Journal of Jilin Normal University (Natural Science Edition)Feb. 2011 收稿日期: 2010 ?12 ?28? ? 基金项目: 安徽省 2010 年科技计划项目( 10080703003) , 安徽省教育厅自然科学研究重点项目(KJ2008A059) 第一作者简介: 王大军( 1970 ?) , 男, 山东省泰安人, 现为淮北师范大学物理与电子信息学院硕士研究生. 研究方向:硅压力传感器芯片设计. 一种基于MEMS 技术的压力传感器芯片设计 王大军, 李淮江
2、 ( 淮北师范大学 物理与电子信息学院, 安徽 淮北 235000) 摘? 要:硅压力传感器是利用半导体硅的压阻效应制成, 其品质的优劣主要决定于敏感结构的设计与制作工 艺. 文章从硅压力传感器敏感薄膜的选择、 敏感电阻条的确定以及敏感电阻位置的选取, 设计了一种方案并进行 了实验验证, 得出所设计的压力传感器精度达到 0. 1% 0. 25% F. S. 关键词:压阻式压力传感器; 力敏电阻; 芯片设计 中图分类号:TP212? ?文献标识码:A? ?文章编号:1674 ?3873?(2011) 01 ?0133 ?04 0? 引言 微机电系统(MEMS) 制作的硅压力传感器具有 质量轻,
3、体积小, 成本低, 响应快, 输出大, 结构简单 等优点, 主要是利用了半导体硅的压阻效应原理. 采 用MEMS 技术在单晶硅片上的特定晶向, 用扩散或 离子注入等集成电路工艺制成敏感电阻条, 将四个 压敏电阻条构成惠斯顿全桥检测电路, 同时利用刻 蚀等立体集成电路工艺制造出敏感薄膜. 在此类器 件中敏感薄膜与压敏电阻条的设计, 对传感器灵敏 度输出、 线性、 温漂、 时漂等性能有着非常重要的影 响. 本文通过对方形、 矩形和圆形膜片的最大应力、 挠度以及膜片长宽比对输出地影响选择方形敏感薄 膜; 对于压敏电阻条的设计主要从掺杂类型, 掺杂浓 度, 节深及压敏电阻的最大功率确定其长度、 宽度、
4、 折数; 从压敏电阻灵敏度与应力大小的关系确定了 敏感薄膜上的位置为重点, 阐述了半导体硅压阻式 传感器敏感结构的设计要点. 1? 工作原理 半导体单晶硅材料在受到外力作用产生应变 时, 电阻率发生变化, 由其材料制成的电阻也就发生 电阻变化, 这种物理效应叫压阻效应. 由相关物理学 和材料力学知识可知半导体材料由于其电阻率的变 化而导致电阻的相对变化为 1 9: ?R R = ?l?l+ ?t?t ?l为纵向压阻系数, ?t为横向压阻系数; ?l为纵向 应力, ?t为横向应力. 由以上公式可知对应应力变化时电阻就发生变 化. 将按照一定的晶向掺杂形成的四个敏感电阻构 成惠斯顿电桥如图 1 所
5、示. 当敏感薄膜受到一定的 压力作用时, R1、 R4受到拉伸作用, R2、 R3受到挤压 作用, 从而引起电桥失去平衡, 使输出达到最大, 电 桥输出电压达到电测量的目的. 控制工艺条件使 R1 = R2= R3= R4= R0, 依靠公式 U= E ?R R0 , 即可算出 输出电压 2?3. 图 1? 惠斯顿电桥 2? 弹性薄膜结构 压阻式压力传感器的弹性薄膜是利用MEMS 刻 蚀工艺在单晶硅片上刻蚀形成的一个未刻透的薄的 膜片? ? 弹性薄膜结构. 依据弹性薄膜的平面形状 可分为圆形、 矩形、 和正方形. 基于相同的振动面积, 厚度和施加压力, 从最大应力和最大挠度上看圆形 ?133?
6、 膜片最好, 方形次之 4. 由于方形几何形状对称, 很 容易进行晶体切割, 且有研究表明在固定面积下, 弹 性薄膜长宽比对理论输出的影响是当该比例为 1?1 1?2之间时可达最大理论值5. 所以它成为当今压 力传感器工业中最常用的几何形状4. 本文的设计就 是方形, 压力传感器正方形芯片的截面如图 2 所 示4 10. 其中 a 是正方形弹性膜片的边长, h 为弹性 膜片的厚度,H 为硅压力芯片的厚度, b 为开口孔径 的大小, c 为基座部分的宽度, A 为设计芯片的边长. 图 2? 压力传感器正方形芯片的截面图 硅压力传感器的输出灵敏度与弹性膜片有极大 的关系, 膜片越薄, 平面尺寸越大
7、, 形变越大时则输 出灵敏度越大, 当形变很大时输出的非线性将受到 影响. 综合考虑工艺条件的限制及非线性等因素的 影响, 目前国内加工的压阻式微型压力传感器芯片 的整体边长一般为 1 000 ? m 2 000 ? m, 厚度约为 200 ? m 400 ? m, 弹性膜片的边长一般为 500 ? m 1 000 ? m, 膜厚为 20 ? m 40 ? m, 当采用SOI 厚度可达 10 ? m 以下. 3? 敏感电阻条的设计 3. 1 ? 设计时需要考虑的几个问题 3. 1. 1? 电阻条宽长一致 设计时要求各电阻条的宽长一致, 其阻值取决 于掺杂的均匀性, 当四个电阻的掺杂浓度和阻值一
8、 致时, 电桥的零点输出电压小, 热零点漂移和灵敏度 漂移小, 这就要求做到掺杂一致. 由于扩散的掺杂分 布不易做到均匀, 因此要求敏感电阻越接近越好, 越 短越好. 在离子注入工艺条件下, 同一个芯片上不同 的桥臂的电阻注入不规则性很小, 他们的电阻温度 系数相同, 所造成的零点输出随温度的变化及温漂 都相对较小1. 3. 1. 2? 电桥设计成开环形式 为了便于后道工序中的补偿和校正, 电桥设计 成开环形式, 如图 3所示, 这样也有利于测量敏感电 阻的值. 3. 1. 3? 掺杂类型和掺杂浓度 本设计中敏感电阻条采用 P 型硅掺杂于 N 型硅 的表面, 掺杂浓度不仅影响压阻系数值, 而且
9、还影响 压阻系数随温度变化的剧烈程度. 当扩散电阻表面掺 杂浓度取 1? 1018 1? 1020cm- 3, 结深在3 ? m 左右时, 电桥的零点输出值和灵敏度有较好的温度特性, 相应 方块电阻 Rs 的取值范围约为250 300 ?/ ? . 3. 2? 敏感电阻的确定 3. 2. 1? 敏感电阻 RO的值 由于硅压阻式传感器对温度敏感, 应尽量降低 自加热产生的热量, 桥臂电流一般不宜过大, 为 1 mA 左右, 激励电压为 5 10 V, 则 RO的值在 K? 量 级, 如激励电压取 5 V, 则知 RO= 5 K?. 3. 2. 2? 力敏电阻的宽度 在确定扩散电阻表面掺杂浓度的情
10、况下, 电桥 输出的时间漂移同电流流过电阻时引起的自身发热 有关, 因此在满足系统布局的情况下, 电阻条应当尽 量宽. 电阻单位面积的功耗为7 : PS= I 2R WL = I2RS L W WL = I2RS W2 其中 R= RSL W , 由上式知单位条宽的工作电流为: I W = PS RS (1) 其中, I 为流过电阻的电流, W 为电阻宽度, L 为电 阻条的长度. 一般单位表面积最大功耗为 Pmax= 5 ? 10- 3 Mw/ ? m2, 当电阻条上有钝化膜时, 影响散热, Pmax还 应更小. 将 RS为 250 ? 300 ?/ ? , PS= 5 ? 10- 3 Mw
11、/ ? m2代入7 9( 1) 式可求得: Imax= 0. 129 0. 141 mA/ ? m, 又实际应用中电阻条上的电流为 1 3 mA, 则求得电阻的宽度为 7. 09 ? m 7. 75 ? m 到 21. 18 ? m 23. 25 ? m 之间. 综合考虑力敏电阻条长宽等平 面尺寸对掺杂均匀性的要求, 以及传感器零点输出 在此部分的影响, 同时考虑到加工尺寸还受到工艺 水平的限制, 压敏电阻条宽一般为 5 20 ? m, 本设 计中取 W= 10 ? m. 3. 2. 3? 敏感电阻条的长度 L 由长度 L 和电阻R 的关系式1: R= RS( L1 W1+ L2 W2+ 2K
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