付東波， 杜濤濤， 沈紹群

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部， 北京 100013；2.復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200433)

雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)的設(shè)計(jì)及其在煤礦的應(yīng)用

付東波1， 杜濤濤1， 沈紹群2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部， 北京 100013；2.復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200433)

設(shè)計(jì)了一種微熔結(jié)構(gòu)的雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)，該應(yīng)變計(jì)利用熱生長氧化、光刻、刻蝕等工藝方法進(jìn)行制作，解決了通常SOI應(yīng)變計(jì)體電阻阻值小、易受污染的問題，提高了應(yīng)變計(jì)的精度、絕緣性和工作穩(wěn)定性?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，利用該應(yīng)變計(jì)制作的煤礦鉆孔應(yīng)力計(jì)測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，工作穩(wěn)定可靠，適用于煤巖體應(yīng)力監(jiān)測。

煤炭開采； 雙層電阻柵； SOI應(yīng)變計(jì)； 鉆孔應(yīng)力計(jì)

0 引言

0～60 MPa量程的應(yīng)變計(jì)有2種常見的結(jié)構(gòu)形式，即濺射薄膜結(jié)構(gòu)和微熔結(jié)構(gòu)[1]。濺射薄膜結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)是在不銹鋼平臺(tái)表面上，采用濺射技術(shù)、PECVD技術(shù)及光刻等技術(shù)生長出絕緣膜，再淀積一層鉑、鉑銥、鉑鎢等合金薄膜，通過微細(xì)加工光刻技術(shù)將這層金屬膜制成電阻敏感柵。微熔結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)是在不銹鋼平臺(tái)表面中心用絲網(wǎng)印刷工藝印上玻璃膠，然后把半導(dǎo)體應(yīng)變膜片移植到玻璃膠表面，通過高溫?zé)Y(jié)工藝，將半導(dǎo)體應(yīng)變膜片、玻璃膠和不銹鋼彈性膜連為一體。濺射薄膜結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)精度高、耐高溫效果好，但成本高、成品率低、耐絕緣電壓低，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)。微熔結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)結(jié)合了集成電路平面工藝和微機(jī)械工藝技術(shù)，一致性好，可以大規(guī)模生產(chǎn)，近幾年逐漸得到應(yīng)用。本文通過調(diào)研和測試進(jìn)口傳感器，結(jié)合前期研究成果，提出一種新型微熔結(jié)構(gòu)的SOI(Silicon Oxide Insulator，絕緣體上硅)應(yīng)變計(jì)，即雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)，并應(yīng)用于礦用鉆孔應(yīng)力計(jì)中，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)。

1 SOI應(yīng)變計(jì)的發(fā)展

SOI應(yīng)變計(jì)是在箔式金屬應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。箔式金屬應(yīng)變計(jì)用金屬箔作為敏感柵材料。金屬箔厚度一般為微米級(jí)，能較好地反映構(gòu)件表面的變形，也容易粘貼在彎曲的表面上。

用金屬箔組成惠斯頓電橋，當(dāng)構(gòu)件背面受到壓力時(shí)，在電橋輸入端加上電源電壓，電橋電阻會(huì)發(fā)生變化，其兩端輸出一個(gè)與壓力成線性關(guān)系的電信號(hào)。這種應(yīng)變計(jì)的缺點(diǎn)是靈敏度低、精度差、體積較大、基底材料不耐高溫。

半導(dǎo)體電阻應(yīng)變計(jì)出現(xiàn)后逐漸被用于各種傳感器。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體晶體材料在某一晶軸方向受應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。不同半導(dǎo)體晶體或同種半導(dǎo)體晶體的不同晶軸方向，其壓阻效應(yīng)有很大差別。硅制造半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)靈敏度系數(shù)最高，因此SOI應(yīng)變計(jì)開始被應(yīng)用于傳感器中。

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)和MEMS技術(shù)的發(fā)展，SOI應(yīng)變計(jì)變得微型化[3,5]。應(yīng)變計(jì)用硅的體電阻作材料，有些公司將體電阻做成U形，如圖1所示。U形單電阻的尺寸為2 mm×0.2 mm。采用硅體電阻材料做橋路電阻，靈敏度高，溫度特性好。應(yīng)變計(jì)與不銹鋼彈性體的連接通過微熔技術(shù)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)變計(jì)工作溫度范圍為-55～232 ℃。它的零點(diǎn)和靈敏度的溫漂都很小。零點(diǎn)溫漂為±1% FS/1 000 C；靈敏度溫漂為±1% FS/1 000 C;綜合精度為±0.1%～±0.5%。然而，上述SOI應(yīng)變計(jì)在使用過程中仍有不足：應(yīng)變計(jì)為單電阻，電阻阻值較小，約幾百歐至1 kΩ，精度不易提高；另外，電阻側(cè)面沒有絕緣膜保護(hù)，易受環(huán)境污染，絕緣性和工作穩(wěn)定性受到影響。

圖1 U型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)

2 雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)的制作過程

為了解決微熔結(jié)構(gòu)的SOI應(yīng)變計(jì)存在的問題，提出雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)。其制作過程如下：

(1) 準(zhǔn)備應(yīng)變計(jì)絕緣硅材料。采用SBD，Smart-cut，Simox等硅-硅鍵合技術(shù)和減薄技術(shù)制作SOI絕緣硅晶圓片。雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)絕緣硅晶圓上表層采用晶軸方向?yàn)椤?11〕的P型硅，厚度為2～5 μm；下表層為單晶硅襯底層，厚度為12～15 μm；上表層與下表層單晶襯底薄膜層之間為10 000?的SiO2層；下表層單晶襯底薄膜下為450 μm的犧牲層襯底，二者之間也用10 000?氧化層相隔離。犧牲層襯底的作用主要是保證應(yīng)變計(jì)在半導(dǎo)體集成電路工藝線上流片時(shí)有足夠強(qiáng)度而不會(huì)碎裂。最后在應(yīng)變計(jì)成型時(shí)，通過濕法腐蝕工藝把犧牲層襯底腐蝕掉，留下總厚度僅為12～15 μm的應(yīng)變計(jì)。

(2) 采用熱生長氧化工藝，在應(yīng)變計(jì)絕緣硅片表面生成一薄層SiO2。

(3) 光刻濃硼區(qū)，把濃硼埋層區(qū)表面的氧化層刻蝕干凈。

(4) 在濃硼埋層區(qū)表面進(jìn)行高濃度的硼雜質(zhì)擴(kuò)散，使該區(qū)域具有很低的電阻率和很好的歐姆接觸，保證傳感器具有穩(wěn)定的零點(diǎn)和很小的失調(diào)電壓。

(5) 采用熱生長氧化工藝在濃硼埋層區(qū)表面覆蓋一薄層SiO2，保護(hù)濃硼埋層區(qū)不受外界污染的影響。

(6) 光刻電阻區(qū)，使除電阻區(qū)以外區(qū)域表面氧化層被光刻腐蝕液漂凈。保留電阻區(qū)表面的光刻膠，電阻區(qū)掩膜版如圖2所示。

圖2 電阻區(qū)掩膜版

(7) 用ICP工藝干法刻蝕電阻區(qū)，刻蝕深度為2～5 μm，自終止在應(yīng)變片襯底表面的SiO2層上。

(8) 采用熱生長氧化工藝在2～5 μm電阻區(qū)的側(cè)壁生長一層SiO2層，使電阻區(qū)四面均被SiO2絕緣層所包圍，保護(hù)體電阻條不受外界污染的影響。

(9) 光刻引線孔。在金屬電極熱壓腳位置開出3個(gè)引線孔。

(10) 漂凈引線孔區(qū)域內(nèi)的氧化層，在引線孔區(qū)域內(nèi)采用電子束蒸發(fā)或磁控濺射淀積1.5～2.0 μm的金屬材料薄膜。薄膜可以是鋁-硅合金層、鉻鎳金合金層和鈦鎳銀合金層等不同材料組成的合金層。

(11) 光刻金屬電極熱壓腳。采用IBE干法刻蝕工藝，用光刻膠作掩蔽層，把金屬電極熱壓腳區(qū)域外的金屬材料薄膜刻蝕干凈。

(12) 在真空合金爐中，對(duì)上述光刻后的硅片進(jìn)行合金化處理30 min，溫度為450～500 ℃，使金屬材料薄膜與引線孔區(qū)域內(nèi)的硅表面形成優(yōu)良的歐姆接觸。

(13) 光刻深刻蝕區(qū)。深刻蝕區(qū)比電阻柵邊緣寬15 μm，圖形相同，僅電阻條寬度變寬30 μm。在深刻蝕區(qū)外表面的SiO2通過光刻腐蝕液漂蝕干凈，保留深刻蝕區(qū)表面的光刻膠。

(14) 用ICP工藝干法刻蝕深刻區(qū)外的體硅，深度為12～15 μm 。當(dāng)干法刻蝕至犧牲層襯底表面的SiO2層時(shí)，刻蝕自停止。

(15) 采用PECVD設(shè)備低溫淀積Si3N4，以在應(yīng)變片襯底的側(cè)壁表面生長一層絕緣薄膜。

(16) 套刻引線孔，以去除金屬電極熱壓腳表面覆蓋的Si3N4，暴露金屬電極熱壓腳，便于在電極熱壓腳表面鍵合合金絲或硅鋁絲。

制作完成的雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)如圖3所示。

1-濃硼埋層; 2-硅柵電阻; 3-硅襯底; 4-絕緣層;5-熱壓腳; 6-基底圖3 雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)

雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)上表層是2～5 μm的器件薄膜層，下表層是12～15 μm的襯底層。上、下表層的材料都由單晶硅或多晶硅組成，之間用絕緣薄膜隔離。惠斯特電橋的橋路電阻采用單晶硅的體電阻結(jié)構(gòu)，所用的單晶硅體電阻柵是P型硅單晶或N型硅單晶，電阻柵的外表覆蓋絕緣薄膜。單晶硅體電阻柵的底部與SiO2/Si3N4復(fù)合膜基底相連接。單晶硅體電阻柵的橫向連接采用摻有濃硼的單晶硅，表面覆蓋絕緣膜。金屬電極壓腳是在摻濃硼的單晶硅或多晶硅層平整表面行走。雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)的優(yōu)勢：

(1) SOI結(jié)構(gòu)橋路電阻之間用介質(zhì)隔離，不存在P-N結(jié)隔離的電泄漏問題，絕緣性能高，工作溫度可達(dá)350 ℃。

(2) 電阻條表面包裹絕緣薄膜，可防濕、防潮，不受外界環(huán)境污染。

(3) 電阻條之間用短路環(huán)相連,可減小橫向壓阻效應(yīng)。電阻柵與條形電阻相比，電阻值能夠提高到3.5 kΩ以上。

(4) 器件薄膜層與硅襯底層之間設(shè)計(jì)表面覆蓋絕緣膜的臺(tái)階，可防止器件層與襯底層側(cè)面的電泄漏，保證器件的穩(wěn)定。

(5) 金屬電極壓腳在硅表面行走，降低了因臺(tái)階造成引線破斷的可能。

(6) 采用SiO2和Si3N4復(fù)合薄膜作應(yīng)變計(jì)基底，被測不銹鋼表面的應(yīng)變通過基底傳遞給敏感電阻，使得應(yīng)變計(jì)具有良好的抗剪強(qiáng)度、較高的應(yīng)變極限及良好的熱穩(wěn)定性、防潮性能和絕緣性。

3 雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)在鉆孔應(yīng)力計(jì)中的應(yīng)用

礦用鉆孔應(yīng)力計(jì)主要用于測量煤礦開采過程中的煤巖體應(yīng)力(壓力)，一般布置在井下回采工作面的巷道(主運(yùn)巷、輔運(yùn)巷)里，如圖4所示。

圖4 鉆孔應(yīng)力計(jì)在煤礦井下巷道的布置

鉆孔應(yīng)力計(jì)的工作原理：在巷道里向煤巖體打水平深孔，把鉆孔應(yīng)力計(jì)插入孔內(nèi)，使壓力枕垂直受力；壓力枕把煤巖體應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橛蛪毫?，傳?dǎo)至應(yīng)變計(jì)使其受壓；應(yīng)變計(jì)再把壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，由控制電路進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和傳輸。每5～10臺(tái)鉆孔應(yīng)力計(jì)構(gòu)成一個(gè)測站，可監(jiān)測一片區(qū)域的應(yīng)力變化。布置多個(gè)測站可監(jiān)測整個(gè)回采工作面前方采動(dòng)應(yīng)力場的變化[14]。

煤礦井下環(huán)境惡劣，高溫、高濕，因此要求防爆電氣產(chǎn)品耐高溫、防水防潮、耐絕緣電壓、工作穩(wěn)定性和可靠性較高[6-7]。由雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)的制作原理可知，它完全符合這樣的要求。采用雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)的鉆孔應(yīng)力計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中鐵質(zhì)包裹體用于使壓力枕與煤體孔壁充分接觸；壓力枕內(nèi)部充油，可壓縮，用于把應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橛蛪毫?；安裝插頭用于將鉆孔應(yīng)力計(jì)推入孔內(nèi)；導(dǎo)壓管用于連接壓力枕和應(yīng)變計(jì)，使油連通；注油嘴用于向孔內(nèi)注油，使壓力枕膨脹；應(yīng)變計(jì)的底座與傳感器焊接為一體，承壓高；控制電路板用于放大應(yīng)變計(jì)電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供采集和傳輸。

1-包裹體；2-壓力枕；3-安裝插頭；4-導(dǎo)壓管；5-連接頭；>6-注油嘴；7-雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)；8-密封圈；9-控制電路板；10-變送器腔體；11-出線口

4 實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)采用雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)的鉆孔應(yīng)力計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案：在實(shí)驗(yàn)室條件下由伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括1臺(tái)鉆孔應(yīng)力計(jì)、1臺(tái)傳輸接口、1臺(tái)計(jì)算機(jī)、1臺(tái)手動(dòng)油泵，鉆孔應(yīng)力計(jì)固定在壓力機(jī)上。設(shè)備連接如圖6所示。固定鉆孔應(yīng)力計(jì)的工裝為具有弧面的鐵塊。鉆孔應(yīng)力計(jì)注油后的初始?jí)毫?.26 MPa(礦用鉆孔應(yīng)力計(jì)測量的孔內(nèi)受壓一般用壓強(qiáng)表示)，壓力機(jī)加載壓力由初始的9.82 kN加至60 kN，歷時(shí)85 min。鉆孔應(yīng)力計(jì)每1 s采集一次數(shù)據(jù)，終止壓力值為12 MPa。

圖6 設(shè)備連接

鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。利用最小二乘法對(duì)加載壓力y和鉆孔應(yīng)力計(jì)測量壓力x進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸，得出擬合方程y=5.090 6x-1.454 6，判定系數(shù)R2=0.999 6?？梢钥闯觯@孔應(yīng)力計(jì)測量值和壓力機(jī)加載壓力值具有良好的線性關(guān)系，說明鉆孔應(yīng)力計(jì)的測量值可以反映煤巖體的真實(shí)應(yīng)力。

圖7 鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測結(jié)果

5 現(xiàn)場試驗(yàn)

神華新疆能源有限公司寬溝煤礦W1143綜采工作面開采煤層為B4-1煤層，其平均埋深為317 m，走向長1 495 m，傾斜長162 m，煤層傾角為10～16°，煤層平均厚度為4.2 m，采高為3 m。在工作面的回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷分別布置長度為5，7，9，11，13 m的鉆孔應(yīng)力計(jì)測站，如圖8所示。觀測超前支承壓力，結(jié)果如圖9所示。圖9(a)為1號(hào)鉆孔應(yīng)力分布曲線，工作面的超前影響范圍為0～60 m，峰值位置在17～26 m；圖9(b)為2號(hào)鉆孔應(yīng)力分布曲線，工作面的超前影響范圍為0～60 m，峰值位置在10 m左右；圖9(c)為3號(hào)鉆孔應(yīng)力分布曲線，工作面的超前影響范圍為0～60 m，有2個(gè)峰值位置，峰值位置分別為16 m和31 m；圖9(d)為4號(hào)鉆孔應(yīng)力分布曲線，工作面超前影響范圍為50 m，峰值位置為16 m。

圖8 W1143工作面鉆孔應(yīng)力計(jì)布置

(a) 1號(hào)鉆孔應(yīng)力分布曲線

(b) 2號(hào)鉆孔應(yīng)力分布曲線

(c) 3號(hào)鉆孔應(yīng)力分布曲線

(d) 4號(hào)鉆孔應(yīng)力分布曲線

根據(jù)1號(hào)—4號(hào)鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測結(jié)果，得到工作面超前支承壓力影響范圍為0～60 m，平均峰值位置為10～20 m。實(shí)測結(jié)果符合煤體超前支承壓力的變化規(guī)律。

6 結(jié)語

基于雙層電阻柵的SOI應(yīng)變計(jì)在制作過程中采用一系列工藝使SOI應(yīng)變計(jì)體電阻阻值增大，不易受環(huán)境污染，同時(shí)提高傳感器精度、絕緣性和工作穩(wěn)定性。將該應(yīng)變計(jì)應(yīng)用到煤礦鉆孔應(yīng)力計(jì)中，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，鉆孔應(yīng)力計(jì)測量值與加載值具有良好的線性關(guān)系，判定系數(shù)R2=0.999 6?，F(xiàn)場試驗(yàn)證明了基于雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)的鉆孔應(yīng)力計(jì)完全適用于煤礦煤巖體應(yīng)力監(jiān)測。

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Design of double layer resistance gird SOI strainometer and its application in coal mine

FU Dongbo1, DU Taotao1, SHEN Shaoqun2

(1.Coal Mining and Designing Department, Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013, China; 2.School of Information Science and Technology, Fudan University, Shanghai 200433, China)

A double layer resistance gird SOI strainometer with micro fuse structure was designed. The strainometer is produced by techniques of thermally grown oxide, photoetching and mechanical erosion. It solves problems of normal SOI strainometer which has small bulk resistor and is vulnerable to pollution, and improves precision, insulativity and working stability of the strainometer. Field test results show that mine borehole stressmeter adopting the proposed SOI strainometer has high measuring accuracy and stable and reliable performance,and is suitable for stress monitoring of coal and rock mass.

coal mining; double layer resistance gird; SOI strainometer; borehole stressmeter

2016-09-06；

2016-10-31；責(zé)任編輯：胡嫻。

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51304115)；中國煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2013ZD002)；天地科技技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJ-2015-TDKC-02)；天地科技開采青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJ-2015-TDKC-12)。

付東波(1978-)，女，黑龍江大慶人，研究員，現(xiàn)主要從事煤礦井下監(jiān)測儀器的研發(fā)工作，E-mail:fudongbo0123@126.com。

1671-251X(2016)12-0010-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.003

TD355.4

A

時(shí)間：2016-12-01 09:41

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.0941.003.html

付東波，杜濤濤，沈紹群.雙層電阻柵SOI應(yīng)變計(jì)的設(shè)計(jì)及其在煤礦的應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(12)：10-14.