MEMS壓力傳感器論文

1、基于MEMS實(shí)現(xiàn)SOI壓力傳感器的設(shè)計(jì)研究學(xué)院：機(jī)械與材料工程學(xué)院專業(yè)班級：機(jī)械（專研）-14學(xué)號：2014309020127學(xué)生姓名：王宇指導(dǎo)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1.1.3 MEMS壓力傳感器應(yīng)用2.2 .基于MEMS實(shí)現(xiàn)SOI壓力傳感器的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32.3 SOI壓力傳感器總結(jié)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(jìn)入21世紀(jì)以來，在市場引導(dǎo)、科技推

2、動(dòng)、風(fēng)險(xiǎn)投資和政府介入等多重作用下，MEMS傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，新原理、新材料和新技術(shù)的研究不斷深入，MEMS傳感器的新產(chǎn)品不斷涌現(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(shù)也是伴隨著硅材料及其加工技術(shù)、IC技術(shù)的成熟而發(fā)展起來的，它的運(yùn)用帶來了傳感器性能的大幅度提升，其特點(diǎn)主要包括：1）質(zhì)量和尺寸的減少；2）標(biāo)準(zhǔn)的電路避免了復(fù)雜的線路和外圍結(jié)構(gòu)；3）可以形成傳感器陣列，獲取陣列信號；4）易于處理和長的壽命；5）低的生產(chǎn)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，其中壓力傳感器是影響最為

3、深遠(yuǎn)且應(yīng)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(jì)60年代霍尼韋爾研究中心和貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出首個(gè)硅隔膜壓力傳感器和應(yīng)變計(jì)為開端。壓力傳感器是影響最為深遠(yuǎn)且應(yīng)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，具特點(diǎn)如下：1）壓阻式:通過測量材料應(yīng)力來測量壓力大小，它具有體積小、全動(dòng)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(diǎn)，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:通過測量電容變化來測量壓力大小，相比較壓阻式的傳感

4、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(shí)它也有更高的非線性度、更大的體積，需要更復(fù)雜的檢測電路和更高的生產(chǎn)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(yīng)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(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器。所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)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(shí)，由于內(nèi)部電荷的極化現(xiàn)象，會在其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。止匕外，還有光纖壓力傳感器、多維力傳感器等，但它們大多造價(jià)高昂或有技術(shù)局限，應(yīng)用范圍不如以上4種廣泛。1

5、.3 MEMS傳感器應(yīng)用MEMS壓力傳感器可用于汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)及工業(yè)控制等領(lǐng)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(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、進(jìn)氣管道壓力及輪胎壓力。在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，壓力傳感器可用于診斷和檢測系統(tǒng)以及顱內(nèi)壓力檢測系統(tǒng)等。在航天領(lǐng)域，MEMS壓力傳感器可用于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(dòng)機(jī)、火箭、衛(wèi)星等耐熱腔體和表面各部分壓力的測量。2 .基于MEMS實(shí)現(xiàn)SOI壓力傳感器的設(shè)計(jì)研究2.1 SOI壓力傳感器簡介MEMS技術(shù)逐步成為跨學(xué)科高新技術(shù)研究領(lǐng)域，形成了包括各種微電子、微機(jī)械、微光學(xué)及各種數(shù)據(jù)處理單元的微系統(tǒng)，其中以集成電路加工技術(shù)為基礎(chǔ)的硅基

6、微加工技術(shù)發(fā)展迅速。而在微電子制造工藝基礎(chǔ)上，硅微結(jié)構(gòu)的MEMS加工工藝吸收融合其他加工工藝實(shí)現(xiàn)各種微機(jī)械結(jié)構(gòu)，應(yīng)用MEMS技術(shù)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(dǎo)體壓力傳感器，它比擴(kuò)散硅壓力傳感器具有更高的工作溫度，比多晶硅高溫壓力傳感器具有更高的靈敏度，這主要得益于它用單晶硅材料和SOI結(jié)構(gòu)作應(yīng)變電阻，單晶硅材料壓阻系數(shù)高，并且具有相當(dāng)高的縱向和橫向靈敏度因子，囚此有利于設(shè)計(jì)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。隨著微電子技術(shù)和MEMS技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)和材料技術(shù)的不斷發(fā)展，SOI壓力傳感器

7、將會在現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一部完善和提高，通過加速研究成果的產(chǎn)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(guān)市場的需求。2.2 SOI壓力傳感器的理論及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1 SOI壓力傳感器的理論設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(yīng)，SOI材料的壓阻效應(yīng)是壓阻式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)壓力測量的物理基礎(chǔ)，即SOI材料受到應(yīng)力作用時(shí)，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(yīng)與壓阻系數(shù)張量形成統(tǒng)一定關(guān)系。當(dāng)單晶硅結(jié)構(gòu)不受應(yīng)力時(shí)，對于長度為了|0,橫截面積為手,電阻率為P0P的樣品，其電阻與電阻率為：R0=|0(1)So對上式進(jìn)行全微分，可以求得長度、

8、橫截面積和電阻率二個(gè)參數(shù)的變化對電阻值變化的影響，用相對變化率表示為：空.，5工ds(2)R。I0r。S0式中，如為縱向相對變化率，稱為縱向應(yīng)變仙它與應(yīng)力6成正比，因此有：I0、=E(3)式中：E材料的楊氏模量；若樣品的截面半徑為10,則橫向應(yīng)變?yōu)椋喝?色0S橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值為材料泊松比U,由于形變過程中，縱向應(yīng)變的變化趨勢與橫向應(yīng)變相反，故二者的比值應(yīng)取負(fù)號，即dr=10dl|0(5)一，一dP其中式(2)的Q為電阻率的相對變化率，由硅材料的壓阻系數(shù)P0冗決定，即:d:T二二二P0(6)而在外力作用下，單晶硅的壓阻系數(shù)九是一個(gè)四階張量。由于硅單晶是立方晶體，當(dāng)坐標(biāo)軸取晶軸方向時(shí)，壓阻

9、張量只有三個(gè)獨(dú)立分量，它的形式為111212二12:111:二12二12121144二44:二44其中：n11一縱向壓阻張量，表示沿某晶軸方向應(yīng)力對同一方向電阻的影響;n12一縱向壓阻張量，表小沿晶軸的應(yīng)力對沿與具垂直的另一晶軸方向的電阻的影響；一剪切壓阻張量，表示剪切應(yīng)力對與其相應(yīng)的某電阻張量分量的硅材料的n11n12和n44由試驗(yàn)測定。當(dāng)電阻處于任意晶向時(shí)，如有縱向應(yīng)力沿此方向作用在單晶硅電阻上，則引起縱向壓阻效應(yīng)，如果有橫向應(yīng)力沿垂直方向作用在電阻上，則引起橫向壓阻效應(yīng)。dR一(8)因此，由以上各式可將式（2）轉(zhuǎn)化為：=（1+2Y+nE”=GRo上式表明材料電阻的相對變化和應(yīng)變之間的比例

10、關(guān)系。G稱為材料的應(yīng)變計(jì)因子或靈敏系數(shù)，其意義是材料發(fā)生單位應(yīng)變時(shí)電阻值的變化率。由式（8）可知,材料的靈敏系數(shù)由兩個(gè)因素決定：一是1+2，它由材料幾何尺寸的變化引起，另一個(gè)是nE,由材料受力后電阻率的變化引起。而半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)主要由E決定，其值約在70170之間。由于半導(dǎo)體材料特別是單晶硅材料的靈敏系數(shù)較大，各種性質(zhì)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料。2.2.2 SOI壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)SOI壓力傳感器芯片采用氧離子注入分離工藝實(shí)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：使得產(chǎn)生大約O.1

11、5pm無氧非晶硅表面層和0.45pm的Si02層，在硅的頂部表面附近還存在約40nm厚的單晶硅層。為了消除生長的品格缺陷和位錯(cuò)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(jìn)行高溫退火，在進(jìn)行退火時(shí)，Si02層上方的非晶硅層以這層單晶硅層為籽晶使整個(gè)非晶層再結(jié)晶成為單晶硅層，典型的退火溫度為1150c1300c下進(jìn)行高溫退火，從而消除氧注入的損傷，實(shí)現(xiàn)表面硅固相再結(jié)晶并形成良好的Si/Si02界面，達(dá)到實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜氧離子注入和高溫退火的目的。在SOI結(jié)構(gòu)上形成埋層氧化物Si02,獲得的均勻結(jié)構(gòu)以高精度地控制材料的參數(shù)，SOl結(jié)構(gòu)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

12、數(shù)和摻雜的特性。對于己經(jīng)制備的SOI壓力芯片結(jié)構(gòu)，為了獲得較好的壓阻效應(yīng)，需要用低壓化學(xué)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(hù)層（厚度為0.1nm）。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SOI結(jié)構(gòu)壓力芯片制作工藝如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中采用的SOI結(jié)構(gòu)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(yīng)用各向異性腐蝕技術(shù)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

13、SOI結(jié)構(gòu)壓力芯片制作工藝如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中采用的SOI結(jié)構(gòu)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(yīng)用各向異性腐蝕技術(shù)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(shí)對硅片表面起保護(hù)作用。芯片制作完成后，將制成的芯片進(jìn)行靜電封接、壓焊、封裝。如圖2封裝后的芯片的結(jié)構(gòu)。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(shí)對硅片表面起保護(hù)作用。芯片制作完成后，將制成的芯片進(jìn)行靜電封接、壓焊、封裝。如圖2封裝后的芯片的結(jié)構(gòu)。中品SiL.偈能K陽fiFASIMOX讓阿吃成S10.a旅我而科植科前膜外延m捕口收青的陽成空（即門；金m內(nèi)線雁底全橋通路乳島層襪月之圖1SOI結(jié)構(gòu)壓力芯片制作工藝壓力圖2SOI壓力傳感器結(jié)構(gòu)2.3 SOI壓力傳感器總結(jié)利用SOI材料，采用MEMS技術(shù)工藝，設(shè)計(jì)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(jìn)獲得了單晶硅SOI結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了壓阻效應(yīng)的電橋設(shè)計(jì)，使得用作應(yīng)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)