1、 基于 MEMS 实现 SOI 压力传感器的设计研究学 院： 机械与材料工程学院 专业班级： 机械(专研)-14 学 号： 2014309020127 学生姓名： 王 宇 指导教师： 赵全亮 撰写日期：2015 年 1 月 6 日目录1.MEMS 传感器概述 .11.1 MEMS 传感器研究现状 .11.2 MEMS 压力传感器分类 .11.3MEMS 压力传感器应用 .22.基于 MEMS 实现 SOI 压力传感器的设计研究 .22.1 SOI 压力传感器简介 .22.2 SOI 压力传感器的理论及结构设计 .32.3 SOI 压力传感器总结 .63.MEMS 压力传感器发展趋势 .701.
2、MEMS 传感器概述1.1 MEMS 传感器研究现状进入 21 世纪以来，在市场引导、科技推动、风险投资和政府介入等多重作用下，MEMS 传感器技术发展迅速，新原理、新材料和新技术的研究不断深入，MEMS 传感器的新产晶不断涌现。目前，MEMS 传感器正向高精度、高可靠性、多功能集成化、智能化、微型化和微功耗方向发展。其中，MEMS 技术也是伴随着硅材料及其加工技术、IC 技术的成熟而发展起来的，它的运用带来了传感器性能的大幅度提升，其特点主要包括:1)质量和尺寸的减少;2)标准的电路避免了复杂的线路和外围结构 ;3)可以形成传感器阵列，获取阵列信号;4)易于处理和长的寿命;5)低的生产成本，
3、这包括低的能源消耗，较少的用材;6)可以避免或者少用贵重的和对环境有损害的材料 ,其中压力传感器是影响最为深远且应用最为广泛的 MEMS 传感器。1.2 MEMS 压力传感器分类MEMS 传感器的发展以 20 世纪 60 年代霍尼韦尔研究中心和贝尔实验室研制出首个硅隔膜压力传感器和应变计为开端。压力传感器是影响最为深远且应用最广泛的 MEMS 传感器，其性能由测量范围、测量精度、非线性和工作温度决定。从信号检测方式划分，MEMS 压力传感器可分为压阻式、电容式、压电式和谐振式等，其特点如下:1)压阻式:通过测量材料应力来测量压力大小，它具有体积小、全动态测量范围的高线性度、较高的灵敏度、相对较
4、小的滞后和蠕变的特点，此类型传感器多采用惠斯通电桥来消除温度影响；2)电容式:通过测量电容变化来测量压力大小，相比较压阻式的传感器，它具有很高的灵敏度、低温度敏感系数、没有滞后、更高的长期稳定性，但同时它也有更高的非线性度、更大的体积，需要更复杂的检测电路和更高的生产成本；3)谐振式 :通过测量频率或频率的微分变化来测量压力大小，它可以通过诸如热、电磁和静电效应来改变膜片频率，并且可以通过真空封装来提高传感器1精度；4）压电式：压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象
5、，会在其表面产生电荷的现象。此外，还有光纤压力传感器、多维力传感器等，但它们大多造价高昂或有技术局限，应用范围不如以上 4 种广泛。1.3 MEMS 传感器应用 MEMS 压力传感器可用于汽车工业、生物医学及工业控制等领域。汽车工业采用各种压力传感器测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。在生物和医学领域，压力传感器可用于诊断和检测系统以及颅内压力检测系统等。在航天领域，MEMS 压力传感器可用于宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制、高速飞行器、喷气发动机、火箭、卫星等耐热腔体和表面各部分压力的测量。2.基于 MEMS 实现 SOI 压力传感器的设计研究2.1 SOI 压力传
6、感器简介MEMS 技术逐步成为跨学科高新技术研究领域，形成了包括各种微电子、微机械、微光学及各种数据处理单元的微系统，其中以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术发展迅速。而在微电子制造工艺基础上，硅微结构的MEMS 加工工艺吸收融合其他加工工艺实现各种微机械结构，应用 MEMS 技术研制新型的硅氧化物绝缘体(SOI)压力传感器，性能更加优良、稳定性更好、可靠性更高。单晶硅 SOI 压力传感器是一种新型的半导体压力传感器，它比扩散硅压力传感器具有更高的工作温度，比多晶硅高温压力传感器具有更高的灵敏度，这主要得益于它用单晶硅材料和 SOI 结构作应变电阻，单晶硅材料压阻系数高，并且具有相当高的纵
7、向和横向灵敏度因子，囚此有利于设计性能优良的压阻电桥，保证传感器有很高的灵敏度和温度特性。2随着微电子技术和 MEMS 技术、设计技术和材料技术的不断发展，SOI 压力传感器将会在现有产晶和技术的基础上进一部完善和提高，通过加速研究成果的产业化的发展，将逐步满足军事、能源、航大、交通、工业等相关市场的需求。2.2 SOI 压力传感器的理论及结构设计 2.2.1 SOI 压力传感器的理论设计 设计制作单晶硅 SOI 压力传感器的基本原理是硅单晶的压阻效应，SOI 材料的压阻效应是压阻式压力传感器实现压力测量的物理基础，即 SOI 材料受到应力作用时，其电阻或电阻率发生明显变化的物理现象，使得主要
8、晶向的压阻效应与压阻系数张量形成统一定关系。当单晶硅结构不受应力时，对于长度为了 ，横截面积为 ，电阻率为l0s0的样晶，其电阻与电阻率为： 0 sR00(1)对上式进行全微分，可以求得长度、横截面积和电阻率二个参数的变化对电阻值变化的影响，用相对变化率表示为: srlddR00(2)式中， 为纵向相对变化率，称为纵向应变 ，它与应力 成正比，因此ld0 有： E(3)式中：E材料的杨氏模量；若样晶的截面半径为 ，则横向应变为： (4)r0 srd0横向应变与纵向应变的比值为材料泊松比 ，由于形变过程中，纵向应变的变化趋势与横向应变相反，故二者的比值应取负号，即: lrd03(5)其中式（2）
9、的 为电阻率的相对变化率，由硅材料的压阻系数 决定，0d即： = 0d(6) 而在外力作用下，单晶硅的压阻系数 是一个四阶张量。由于硅单晶是立方晶体，当坐标轴取晶轴方向时，压阻张量只有三个独立分量，它的形式为: 4412100（7）其中： 纵向压阻张量，表示沿某晶轴方向应力对同一方向电阻的影响；1纵向压阻张量，表小沿晶轴的应力对沿与具垂直的另一晶轴方12向的电阻的影响；剪切压阻张量，表示剪切应力对与其相应的某电阻张量分量的4影响。硅材料的 和 由试验测定。当电阻处于任意晶向时，如有纵向124应力沿此方向作用在单晶硅电阻上，则引起纵向压阻效应，如果有横向应力沿垂直方向作用在电阻上，则引起横向压阻
10、效应。因此，由以上各式可将式(2)转化为: (8)GEdR)21(0上式表明材料电阻的相对变化和应变之间的比例关系。G 称为材料的应变计因子或灵敏系数，其意义是材料发生单位应变时电阻值的变化率。由式(8)可知，材料的灵敏系数由两个因素决定:一是 ，它由材料几何尺寸的变化214引起，另一个是 ，由材料受力后电阻率的变化引起。而半导体材料的灵敏E系数主要由 决定，其值约在 70170 之间。由于半导体材料特别是单晶硅材料的灵敏系数较大，各种性质优良，加工工艺成熟，故单晶硅 SOI 材料成为制作压阻式压力传感器芯片的首选材料。2.2.2 SOI 压力传感器的结构设计 SOI 压力传感器芯片采用氧离子
11、注入分离工艺实现，将一定能量和剂量的氧离子注入到硅衬底上，典型的数值为离子能量 150keV，剂量 2x18cm-2，使得产生大约 O.15m 无氧非晶硅表面层和 0.45m 的 Si02 层，在硅的顶部表面附近还存在约 40nm 厚的单晶硅层。为了消除生长的晶格缺陷和位错得到顶部硅与埋层界面的原子级陡峭，还需要对注入后的硅片进行高温退火，在进行退火时，Si02 层上方的非晶硅层以这层单晶硅层为籽晶使整个非晶层再结晶成为单晶硅层，典型的退火温度为 1150一 1300下进行高温退火，从而消除氧注入的损伤，实现表面硅固相再结晶并形成良好的 Si/ Si02 界面，达到实现高浓度掺杂氧离子注入和高
12、温退火的目的。在 SOI 结构上形成埋层氧化物 Si02，获得的均匀结构以高精度地控制材料的参数，SOl 结构通过加工初始薄膜，表面的薄膜能精确的确定薄膜厚度、弹性系数和掺杂的特性。对于己经制备的 SOI 压力芯片结构，为了获得较好的压阻效应，需要用低压化学气相沉淀方法，再生成表面测量电路硅层(厚度为 56nm）和 Si3N4 保护层(厚度为 0.1 nm )。用等离子体刻蚀工艺，刻蚀表面 Si3N4 和表面硅形成空气隔离的惠斯通测量电路，制作的硅隔离固态压阻敏感原件，将惠斯通电桥的电阻沿一定晶向制作成折条形，提高提高测量灵敏度。单晶硅 SOI 结构压力芯片制作工艺如图 1 所示。实验中采用的
13、 SOI 结构是用硅片直接键合减薄的方法制得的，采用等离子干法刻蚀电阻图形，应用各向异性腐蚀技术制作硅杯。在刻蚀折形条电阻之后，双面淀积通电桥的电阻沿一定晶向制作成折条形，提高提高测量灵敏度。单晶硅 SOI 结构压力芯片制作工艺如图 1 所示。实验中采用的 SOI 结构是用硅片直接键合减薄的方法制得的，采用等离子干法刻蚀电阻图形，应用各向异性腐蚀技术制作硅杯。在刻蚀折形条电阻之后，5双面淀积 Si3N4 之前，还需在硅片表面热分解淀积一层二氧化硅，以便在后面等离子刻蚀氮化硅时对硅片表面起保护作用。芯片制作完成后，将制成的芯片进行静电封接、压焊、封装。如图 2 封装后的芯片的结构。之前，还需在硅
14、片表面热分解淀积一层二氧化硅，以便在后面等离子刻蚀氮化硅时对硅片表面起保护作用。芯片制作完成后，将制成的芯片进行静电封接、压焊、封装。如图2 封装后的芯片的结构。图 1 SOI 结构压力芯片制作工艺6图 2 SOI 压力传感器结构2.3 SOI 压力传感器总结利用 SOI 材料，采用 MEMS 技术工艺，设计制作的 SOI 压力传感器具有较好的温度特性和较高的灵敏度，通过工艺改进获得了单晶硅 SOI 结构，优化了压阻效应的电桥设计，使得用作应变电阻的压阻系数得到提高。3 MEMS 压力传感器发展趋势压力传感器今后主要的发展方向是继续发现新的敏感材料和研制新的加工工艺，使传感器结构更精细，性能更优越，以适应各种环境测量压力的要求。另一方面，将现代 MEMS 工艺与半导体集成电路平面工艺相结合使压力传感器朝着单片集成和多功能化方向发展。而且现代精密技术的进步为生产高性能工业用传感器提供了新的手段，促使传感器从一般测量元件向长期工作的控制元件发展。这不但要求高性能、高稳定，作为一个整体传感器还必须适应各种苛刻环境并确保安全。因此，除敏感元件工艺外，系统的设计也必不可少。
