２０１２钜 仪表技术与传感器 ２０１２ 第５期 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｏ．５ 基于ＳＯ１晶圆材料的硅微压传感器 李新 ，刘 野 ，刘 沁 ，孙承松 （１．沈阳工业大学信息科学与工程学院辽宁沈阳１１０８７０；２．沈阳仪表科学研究院辽宁沈阳１１０ｏ４３） 摘要：为解决硅微压传感器制作过程中存在的问题，以ＳＯＩ晶圆材料为基础，使用有限元方法优化设计岛一膜型１ ｋＰａ压力敏感结构，采用ＭＥＭＳ工艺完成传感器芯片制作，并对封装后的传感器进行了测试。测试结果表明，传感器输出 灵敏度大于６０ ｍＶ／ｋＰａ，非线性小于０．１％ＦＳ，精度小于０．５％ＦＳ，器件具有较好的性能指标。 关键词：硅微压传感器；岛一膜结构；ＳＯＩ晶圆 中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１２）０５—００１５—０２ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｌｏｗ．ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＯＩ Ｗａｆｅｒ ＬＩ Ｘｉｎ ，ＬＩＵ Ｙｅ ，ＵＵ Ｑｉｎ ，ＳＵＮ Ｃｈｅｎｇ—ｓｏｎｇ （１．Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０８７０；２．Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１ｏ０４３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ｆｏｒ ｓｉｌｉｃｏｎ ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ，１ ｋＰａ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｃｈｉｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｓ— ｌａｎｄ—ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ＦＥＴ ｍｅｔｈｏｄ．Ａｎｄ ＳＯ１ ｗａｆｅｒｓ ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｆａｂｒｉｃａｔｅ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｃｈｉｐ ｗｉｔｈ ＭＥＭＳ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｐａｃｋａｇｅｄ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ６０ ｍＶ／ｋＰａ，ｎｏｎ・ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ０．１％ＦＳ．ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ０．５％ＦＳ．ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｌｏｗ ｓｅｎｓｏｒ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｌｉｃｏｎ ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｉｓｌａｎｄ—ｄｉａｐｈｒａｇｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ＳＯｌ Ｗａｆｅｒ ０引言 近年来，工业自控、环保设备和医 义器等方面均对微小压力的 测量提出了迫切要求，如在高速铁路运行系统中，需要检测列车高速 通过时对一定距离外物体的脉动风压，量程小到１ ｋＰａ以下；又如可 以直接测量血管中的压力流量的医用传感器。高灵敏度、低非线性 硅微压传感器是压力传感器研究的热点之一 。微压传感器制造的 工艺 髓，工艺水平低一直是硅微压传感器性能水平的主要 因素。文中以ＳＯＩ晶圆材料为基础，设计制作硅微压敏感芯片，着重 解决了膜区厚度的精确控制和凸角补偿等工程技术问题。 １硅微压传感器芯片设计 硅压阻式压力传感器通常采用平膜片结构，在低压应用 时，为了提高灵敏度必须减薄硅敏感膜片，这造成了工艺上的 困难，同时大挠度效应还会使非线性变坏。因此，为了实现微 图１应力分布图 小压力的精确测量，应采用特殊的膜片结构。７０年代末以来， 方向应力较小，主要利用横向压阻效应。当膜片受到压力作用 出现了许多比平膜片更适合制作微压传感器的结构，如美国 时，Ｒ。和 受拉应力，电阻阻值减小，而Ｒ：和 受压应力作 Ｅｎｄｅｖｃｏ公司提出的岛一膜结构，复旦大学传感器研究室提出 用，电阻阻值增大。采用有限元分析方法，优化设计敏感电阻 的梁一膜结构，以及日立公司提出的梁一膜一岛结构等 Ｊ。不 排布位置，芯片尺寸如图所２示。结合传感器国家工程中心的 同的敏感膜片结构，制作工艺和性能上具有一定的区别。结合 设计经验，敏感电阻阻值设计为４．５ ｋｎ． 传感器国家工程中心的技术和工艺条件，设计采用岛一膜结 构，这种敏感膜片结构的微压传感器有更好的线性特性，而且 ｆＬｒ＿－． 有助于对微压传感器实现过压保护。 岛一膜结构敏感膜片的有限元模型（１／４模型）如图１所 示，可以看出沿 轴方向的表面应力分布情况，ａ处是压应力比 较集中的区域，ｂ处为拉应力集中区域，敏感电阻就设计在这２ 个区域中。电阻沿ｙ方向排布，如图２所示，放置电阻的位置ｙ ０．４ 基金项目：辽宁省自然基金项目（２０１０２１６２） 收稿日期：２０１２一Ｏ１—１Ｏ 图２电阻排布示意图
