SiO2-Si3N4-SiO2復合梁諧振式壓力傳感器結構設計與分析

2015-06-07 03:06李春風

儀表技術與傳感器 2015年8期

關鍵詞：多晶硅二氧化硅諧振

李新，薛陽，李春風

(1.沈陽工業(yè)大學，遼寧沈陽 110870；2.沈陽通美電器有限公司，遼寧沈陽 110000)

SiO2-Si3N4-SiO2復合梁諧振式壓力傳感器結構設計與分析

李新1，薛陽1，李春風2

(1.沈陽工業(yè)大學，遼寧沈陽 110870；2.沈陽通美電器有限公司，遼寧沈陽 110000)

提出了一種采用SiO2-Si3N4-SiO2復合諧振梁結構的諧振式壓力傳感器。采用有限元分析技術分別對諧振梁和傳感器芯片結構進行了電熱分析、模態(tài)分析以及諧響應分析，最后對SiO2-Si3N4-SiO2復合梁諧振式壓力傳感器的工藝進行了探討，表明通過多晶硅犧牲層技術能更好地得到SiO2-Si3N4-SiO2復合諧振梁，具有良好的選頻特性。

有限元；SiO2-Si3N4-SiO2復合梁；壓力傳感器

0 引言

在工業(yè)實踐中壓力傳感器廣泛應用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)檢測等眾多行業(yè)。傳統(tǒng)的壓力傳感器是輸出為模擬信號的壓阻式壓力傳感器，其抗干擾性較差，而諧振式壓力傳感器輸出的頻率信號可與數字接口相連，克服了抗干擾性較差的缺點。

文中設計了一種基于電熱激勵壓阻拾振方式的SiO2-Si3N4-SiO2復合梁諧振式壓力傳感器，采用多晶硅犧牲層技術，其制作工藝簡單，避免了硅-硅鍵合帶來的體應力。結合ANSYS有限元分析軟件，全面分析了壓力、溫度等對諧振式壓力傳感器諧振頻率的影響規(guī)律，為諧振器的結構設計分析提供依據。

1 諧振式壓力傳感器原理

SiO2-Si3N4-SiO2復合梁諧振式壓力傳感器結構如圖1所示。

圖1 氮化硅梁諧振式壓力傳感器結構示意圖

SiO2-Si3N4-SiO2復合諧振梁位于硅感壓膜的上方，梁下方是為梁提供振動空間的凹槽，多晶硅激勵電阻位于SiO2-Si3N4-SiO2復合諧振梁的中間，梁的端部為多晶硅拾振電阻。硅膜的另一側接待測壓力源，芯片底膜四周粘接在管座上，諧振梁封裝在玻璃真空當中。當外界壓力作用在感壓膜時，感壓膜會發(fā)生機械形變，諧振梁也會發(fā)生相應的變形，進而改變了諧振梁的固有諧振頻率，通過給激勵電阻一個周期性變化的激勵電壓，使激勵電阻對梁進行周期性的加熱，諧振梁上就會產生周期性的驅動力，梁在驅動力的作用下產生振動。當激勵電壓的頻率與諧振梁固有頻率一致時，此時的梁的振動幅度最大，梁端部拾振電阻的拾振信號也最強，通過確定最強的拾振信號，進而確定梁的固有諧振頻率，最終確定外界壓力的大小[1]。

根據彈性理論，諧振梁在無應力(σ=0)時的固有頻率

(1)

式中：E為材料的楊氏模量；h為梁的寬度；l為梁的長度；ρ為材料密度。

當考慮軸向應力(σ≠0)時，諧振梁的固有頻率

(2)

取硅感壓膜為2a×2a×t，諧振梁上的應力可近似表示為

(3)

式中μ為材料泊松比。

所以，臨界外加壓力PC可表示為

(4)

當待測壓力為臨界外加壓力的20%以下時，可近似為[2]

(5)

靈敏度為

(6)

諧振式壓力傳感器比較重要的參數為梁的長度和寬度，膜的尺寸和厚度。

2 傳感器結構有限元分析

由于理論分析只能對簡單的模型進行數學解析，而對于較復雜的模型，有限元仿真分析是比較好的方法，為了得到最好的分析結果，提高傳感器的性能，在ANSYS有限元仿真軟件中進行建模仿真。

建立諧振梁模型，通過對諧振梁各個參數的仿真，得到諧振梁的諧振頻率與各個參數關系如圖2和圖3所示，說明梁的頻率與梁長度倒數平方和梁的寬度有非常好的線性關系。

圖2 梁頻率與梁長倒數平方關系曲線

圖3 梁頻率與梁寬關系曲線

通過理論分析和仿真結果分析，以及多晶硅薄膜激勵電阻的尺寸，再結合工藝條件，確定模型尺寸參數：傳感器芯片4 000 μm×4 000 μm×200 μm，SiO2-Si3N4-SiO2復合諧振梁1 000 μm×100 μm×0.9 μm,凹槽1 000 μm×400 μm×0.5 μm，背部C型硅杯深度100 μm。隨著微電子工藝的發(fā)展，多晶硅薄膜在合適的摻雜和熱處理后能夠獲得線性度更好的溫度特性，所以激勵電阻和拾振電阻采用多晶硅薄膜電阻，多晶硅方塊電阻大小為20 Ω。在電熱激勵分析中施加2 V激勵電壓Vex，得到在激勵電壓下梁的溫度與位移的分布如圖4所示，由圖可知諧振梁中部的溫度與位移變化最大。

由于整個壓力傳感器結構具有XZ兩個方向的對稱性，所以只建立1/4模型對其進行模態(tài)分析和諧響應分析。對感壓膜施加100 kPa，150 kPa，200 kPa，250 kPa，300 kPa，350 kPa，400 kPa，450 kPa，500 kPa的壓力，通過有限元分析得到諧振梁諧振頻率變化如圖5所示，在沒有外界壓力的情況下，諧振梁的固有諧振頻率為60.608 kPa，外界壓力與諧振梁的諧振頻率有非常好的線性關系，線性度達到了0.99，靈敏度達到了104 Hz/kPa。在感壓膜上施加100 kPa的壓力，得到壓力傳感器結構的一階模態(tài)如圖6所示。諧振梁的固有諧振頻率為60.608 kPa，在激勵點施加100 N的正弦激振力，通過有限元的諧響應分析，得到拾振點振幅與激勵頻率的關系如圖7所示。

圖4 激勵電壓2 V下的復合梁溫度與位移

圖5 不同壓力下梁的諧振頻率

圖6 100 kPa壓力下的模態(tài)

由圖6和圖7可知第一階模態(tài)對應梁的一階諧振，梁中央振幅最大，諧振梁在固有頻率附近具有較大的振幅，而以固有頻率為中心，隨著掃頻頻率偏離中心固有頻率，諧振梁的振幅迅速下降，由此可見該諧振式壓力傳感器中的諧振結構具有很好的選頻特性。

圖7 諧振結構幅頻特性曲線

3 工藝設計

工藝流程圖如圖8所示。(a)硅片熱氧化，將4in(1in=2.54 cm)N型(100)硅片，厚度約為200 μm，用清洗液清洗后，放入氧化爐生長0.65 μm二氧化硅，避免犧牲層腐蝕時硅襯底也被腐蝕液腐蝕；(b)淀積刻蝕LPCVD多晶硅犧牲層，厚度約為0.5 μm，曝光顯影，用氯氣進行刻蝕；(c)平坦化處理[3]，淀積0.8 μm二氧化硅，涂膠、平烘后用干法刻蝕光刻膠與二氧化硅直至犧牲層頂部氧化層厚度約0.1 μm，濕法去膠；(d)淀積SiO2-Si3N4-SiO2復合層，用離子淀積設備先后淀積0.3 μmPECVD二氧化硅、0.5 μmPECVE氮化硅、0.1 μm PECVD二氧化硅，再將硅片放入氮氣擴散爐中退火30 min，使介質薄膜致密化；(e)制備多晶硅電阻，淀積摻磷多晶硅，控制摻雜濃度，使方塊電阻大小為20 Ω；(f)淀積二氧化硅隔離層，厚度約為0.3 μm，再將硅片放入氣氛為氮氣擴散爐中退火30 min，使介質薄膜致密化；(g)刻蝕接觸孔，制備鋁電極；(h)淀積0.6 μm二氧化硅作為鈍化層，防止污染，提高器件可靠性；(i)刻蝕腐蝕窗口，TMAH溶液腐蝕犧牲層[4]；(j)背部腐蝕出感壓膜。

4 結論

提出了一種電熱激勵壓阻拾振SiO2-Si3N4-SiO2復合梁諧振式壓力傳感器的結構，通過多晶硅犧牲層技術釋放復合諧振梁，并采用有限元分析的方法對芯片進行了電熱、應力、模態(tài)以及諧響應分析，結果表明該諧振結構具有良好的選頻特性。

[1] 王喆垚.微系統(tǒng)設計與制造.北京：清華大學出版社，2008.

[2] ZHU Z,LIU C.Micromachining process simulation using a continuous cellular automata method.IEEE/ASME Journal of,Microelectro mechanical Systems (JMEMS),2000,9(2):252- 261.

[3] HUBBARD T J,ANTONSSON E K.Emergent faces in crystal etching.Journal of,Microelectro mechanical Systems,1994,3(1)：19-28.

[4] WILLIAMSILLIAMS K R.Etch rates for micromachining processing-Part II.Journal of.Micro-electromechanical Systems,2003,12(6)：761-778.

Design and Analysis of SiO2-Si3N4-SiO2Composite Resonant Beam Pressure Sensor

LI Xin1，XUE Yang1，LI Chun-feng2

(1.Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China;2.Shenyang Tongmei Electric Appliance Co.,Ltd.,Shenyang 110000,China)

The resonant pressure sensor with SiO2-Si3N4-SiO2composite beam structure was proposed in this paper.Finite elemet method was adopted to analyze electrothermal analysis,modal analysis and harmonic response analysis of the resonance beam and sensor chip architecture.The SiO2-Si3N4-SiO2composite beam resonant pressure sensor fabrication process were discussed in this paper.SiO2-Si3N4-SiO2composite resonant beam was fabricated with polysilicon sacrificial layer technology,which has characteristic of good selection frequency.

finite element;SiO2-Si3N4-SiO2composite beam;pressure sensor