通用型耐高溫壓力傳感器研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(microelectromechanicalsystem)技術(shù)起源于微型硅傳感器的發(fā)展，最初用于生產(chǎn)固態(tài)半導(dǎo)體硅壓力傳感器，而當(dāng)MEMS技術(shù)迅速崛起之后，大大促進(jìn)了微型傳感器的技術(shù)進(jìn)步，并使各種類型的傳感器微型化，微型傳感器已經(jīng)成為MEMS的重要組成部分之一，目前具有實(shí)用價(jià)值并得到較廣范應(yīng)用的是微機(jī)械力敏傳感器，主要有壓力傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器等，而其中應(yīng)用最廣的是半導(dǎo)體硅壓阻式壓力傳感器。 在石

2、油開采、化工領(lǐng)域的反應(yīng)釜和冶煉塔等的壓力測(cè)量中，對(duì)壓力傳感器提出了耐高溫、微型化、抗腐蝕等要求，傳統(tǒng)的硅擴(kuò)散壓阻式壓力傳感器用重?fù)诫s4個(gè)P型硅應(yīng)變電阻構(gòu)成惠斯頓電橋的力敏檢測(cè)模式，采用PN結(jié)隔離，當(dāng)溫度在100℃以上時(shí)，PN結(jié)漏電流很大，使器件無法工作。因此設(shè)計(jì)制作高溫壓阻式壓力傳感器，必須取消PN結(jié)隔離。 本文采用了SIMOX(separationbyimplantedoxygen)技術(shù)設(shè)計(jì)和制作了二氧化硅介質(zhì)隔離的SOI(s

3、ilicononinsulator)力敏元件，針對(duì)-40～220℃的工作環(huán)境設(shè)計(jì)了裝配結(jié)構(gòu)，完成了耐高溫封裝工藝，選用了恒流源激勵(lì)，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路，完成了靜態(tài)標(biāo)定，獲得了高性能穩(wěn)定性佳的耐高溫壓力傳感器。論文的主要研究工作和創(chuàng)新成果如下：一、研究了單晶硅的晶面和晶向的特性，結(jié)合微機(jī)械加工技術(shù)和各向異性腐蝕技術(shù)，針對(duì)高溫高壓的要求，采用圓平膜芯片設(shè)計(jì)，以(100)晶面為工作面，兩對(duì)橋臂力敏電阻分別布置在互相垂直的[110]和[110]

4、晶向上，位于圓膜邊緣處從而獲得了四個(gè)臂的差動(dòng)等臂等應(yīng)變的惠斯登檢測(cè)電橋；采用SIMOX技術(shù)，在N型硅片上高能注入氧離子，獲得了優(yōu)質(zhì)商用的二氧化硅介質(zhì)隔離的SOI晶片，并在微加工平臺(tái)上，制作了大量程硅杯式耐高溫芯片，其尺寸為5.0mm×5.0mm×0.5mm。 二、采用了四層結(jié)構(gòu)Pt5Si2-Ti-Pt-Au合金化引線系統(tǒng)，即用鉑硅來形成對(duì)硅的歐姆接觸，而后用三層金屬：鈦；鉑和最后的金來完成金屬化系統(tǒng)。在光刻引線孔后濺射鉑，經(jīng)70

5、0℃熱處理后在接觸窗口上硅與鉑形成Pt5Si2合金，然后去掉氮化硅上的鉑，再依次濺射鈦和鉑，最后蒸發(fā)或鍍覆金層。其中Pt5Si2是性能較穩(wěn)定的化合物，其與重?fù)诫s的硅形成了良好的歐姆接觸，鈦?zhàn)鳛檎掣綄?，把Pt5Si2和氮化硅以及上層金屬粘合起來，最外層金作為導(dǎo)電層，為了防止金與鈦反應(yīng)形成高阻化合物，中間夾著一層鉑作為過渡層，從而解決了高溫傳感器引線的難點(diǎn)。 三、制作了靜電鍵合裝置，完成了硅/玻璃環(huán)靜電鍵合，制作了壓焊工作臺(tái)，選用退

6、火后的金絲，金金連接完成內(nèi)引線鍵合；掌握了耐高溫膠粘劑的實(shí)用配比及固化工藝；自制了耐高溫覆銅傳引板，定制了含銀的高溫焊錫絲，選用了耐高溫導(dǎo)線作為外導(dǎo)線，完成了耐高溫封裝的關(guān)鍵部分，該工藝目前在國(guó)內(nèi)高溫壓力傳感器的制作中處于領(lǐng)先地位； 四、選用了恒流源激勵(lì)，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路，首次用對(duì)溫度求導(dǎo)數(shù)的數(shù)學(xué)方法，推導(dǎo)了熱靈敏度漂移TCS(temperaturecoefficientofsensitivity)補(bǔ)償計(jì)算公式，在生產(chǎn)中得到了

7、TCS、熱零點(diǎn)漂移TCO(temperaturecoefficientofoffset)和零點(diǎn)輸出Vos(offsetshiftofvoltage)經(jīng)驗(yàn)公式，實(shí)現(xiàn)了寬溫區(qū)溫度系數(shù)補(bǔ)償，在-20℃～200℃補(bǔ)償溫區(qū)內(nèi)，通過溫度循環(huán)標(biāo)定，經(jīng)補(bǔ)償后TCS和TCO的值均小于1.0×10-4/℃·FS；非線性誤差小于0.1％FS，不重復(fù)性和遲滯誤差均小于0.05％FS，總精度小于0.2％FS，高、低溫時(shí)漂均小于0.1mV/8h，獲得了量程從0～4

8、0MPa、耐溫-40～220℃，具有一定抗瞬時(shí)高溫沖擊能力，高精度穩(wěn)定性佳的壓阻式壓力傳感器，靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于同類型KULITE公司產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了低成本化，價(jià)格僅其四分之一。產(chǎn)品達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，并低成本化和系列化，使得研究成果產(chǎn)業(yè)化、商品化。 五、較為系統(tǒng)地論述了微型壓阻式壓力傳感器TCS和TCO的各種補(bǔ)償方法，提出了TCS的三極管和集成恒流源的補(bǔ)償法，從數(shù)學(xué)的角度提出了定量的補(bǔ)償公式；在實(shí)驗(yàn)中，通過溫度周期的調(diào)節(jié)標(biāo)

9、定，補(bǔ)償后靈敏度溫度系數(shù)絕對(duì)值容易達(dá)到10×10-6/℃～100×10-6/℃，從而驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性和實(shí)用性。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究后，討論了技術(shù)的局限性并在設(shè)計(jì)中提出了改進(jìn)辦法，具有實(shí)用價(jià)值，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了推廣應(yīng)用，反復(fù)考察證明補(bǔ)償后壓力傳感器的工作性能是穩(wěn)定可靠。 六、高溫硅壓阻式壓力傳感器因與半導(dǎo)體集成電路平面工藝兼容，符合傳感器的發(fā)展方向。介紹了SOI晶片的不同制作技術(shù)及由此芯片制作的傳感器的研究進(jìn)展，如SOS、SDB