熊福敏
沈阳化工大学信息工程学院 辽宁沈阳 110000
【摘要】多晶硅纳米薄膜重掺杂下具有优越压阻特性。利用有限元分析法，分析传感器弹性膜片应变分布。根据多晶硅纳米薄膜电阻率较高特性设计正方形压敏电阻。利用低压化学气相淀积法制备多晶硅纳米薄膜，且硅片在各向异性腐蚀液中形成硅杯结构并制成多晶硅纳米薄膜压力传感器。针对传感器静态性能测试，0-6MPa量程范围内传感器灵敏度达112.86mV/Mpa,测试表明，该多晶硅纳米膜压力传感器达到设计要求。
【关键词】多晶硅纳米薄膜；压力传感器；性能分析
引言：50年代，研究人员发现单晶硅压阻特性优于金属，并将单晶硅广泛应用于压力传感器制作。传统单晶硅压感器采用pn结隔离，70年代开始提出利用多晶硅制作压力传感器，因其较好灵敏度与成熟工艺等优点广泛应用。目前,大部分多晶硅压力传感器以普通多晶硅薄膜为敏感元件，其晶粒度80mm以上，其压阻特性较差，大多数研究者采用提高晶粒度方法，改善其压阻特性。随纳米技术发展，研究人员发现多晶硅纳米薄膜在重掺杂下具有优越压阻特性，具有广阔应用前景。因此，研究设计多晶硅纳米薄膜压力传感器具有重要意义。
1.多晶硅纳米薄膜压力传感器设计研究
传感器技术是现代科技发展水平的重要标志，在工农业等各领域应用广泛。扩散硅压阻式传感器存在工作范围小等不足【1】。近年来，采用多晶硅薄膜制作应变电阻，是改善温度稳定性的主要技术途径，通常认为多晶硅薄膜越薄，其晶粒度越小。研究表明，膜厚度约100nm多晶硅薄膜在重掺杂下GF增大，具有显著隧道压阻效应，在保证较高应变因子下，温度系数可降低几倍，并对设计低温漂与低成本压力传感感器具有重要应用价值。
随微机械加工技术发展，多晶硅薄膜受到学术界广泛关注，各国研究者开始对多晶硅压阻特性进行研究。多晶硅薄膜特点体现在与衬底绝缘性好，与IC工艺兼容性强，可淀积在各种衬底上，其应变因子可达到单晶硅60%。多晶硅薄膜广泛应用于力学传感器研制，近年来对多晶硅薄膜工艺技术进行了多方面研究。压阻效应是广泛应用的传感器工作机理，即电阻受应力时会改变其电阻率。目前，压阻效应广泛运用于MEMS传感器中，主要有压力传感器、触觉传感器与检测机械结果完整性传感器等。70年代，国际上开始研究多晶硅压阻特性，随MEMS技术兴起，多晶硅压阻特性研究得到迅速发展【2】。例如，研究者通过改进薄膜工艺提高晶粒度，进而改善多晶硅薄膜压阻特性。80年代，国内开始探究多晶硅压阻特性，使多晶硅压力传感器得到进一步应用，如八五期间我国设立了研究多晶硅压阻特性的科技攻关项目，国内许多高校取得了丰硕成果。
半导体材料优良压阻特性是构成压阻式压力传感器的基础，当前压力传感器普遍采用P型电阻条，通过敏感元件建立应力分布，在应变处P型电阻条产生电阻变化，在外加激励下可通过测量压敏电阻变化进而测量施加应力大小，可实现应力与应变转换为电阻改变量。MEMS由集成电路工艺技术发展，研究者利用集成电路工艺技术制备MEMS器件，促使表面微加工技术迅速发展【3】。1980年，微机械技术领域研究者以单晶硅衬底制备了多晶硅薄膜材料，并将其广泛应用于集成电路的晶体管栅电极制作中。20世纪末，Kurt等研发了薄膜型硅微加工压力传感器，当薄膜发生形变时可用压阻器检测应力，该传感器具有体积小、易集成、成本低及工作稳定可靠等优点。
制作多晶硅薄膜常用方法有化学气相淀积等，化学气相淀积制备多晶硅薄膜方式有常压CVD(APVCD)，低压CVD(LPCVD)等。APVCD法薄膜生产效率低，LPCVD法为微电子行业标准工艺，具有很高薄膜一致性。PECVD技术成熟，但晶态比较低，导致薄膜压阻特性较低。半导体压力传感器分为单晶硅压力传感器与多晶硅压力传感器等。扩散硅压力传感器工艺程度相对简单，但高温特性不佳，多晶硅压力传感器高温特性好，SOI压力传感器灵敏度高，因此研制出灵敏度高且具有良好温度特性的压力传感器是目前面临的难题。
2.多晶硅纳米薄膜压力传感器设计分析
晶体在自由平衡状态下，其电阻R =电阻率ρ×晶体长度L / 截面面积A，晶体轴向受拉应力作用时其截面积缩小，使能谷发生移动，其电阻变化率△R/R = ε(1+2v) + △ρ/ρ，该阻值变化主要是由多晶硅的压阻效应引起。多晶硅纳米薄膜面上电阻条沿主晶轴方向分布，其电阻率的变化率为△ρ/ρ = π11 σ1 + π12 σ t=1/2 π44（σ1 - σ2），σt为垂直于电阻条横向应力，σ1为电阻条纵向应力,π12 , π11 , π44为纵横向与剪切压阻系数【4】。
本研究采用纳米硅薄膜为传感器敏感元件材料，纳米硅薄膜晶态压力灵敏系数是单晶硅6倍，因此采用纳米硅薄膜为传感器敏感原件材料具有更大阻值变化，为设计超微压力传感器提供了新思路。通过增强等离子化学沉积法制备纳米硅薄膜，并采用硅微加工工艺与无应力封装工艺制作了超微压力传感器。压阻式压力传感器提供恒流源与恒压源两种电路方式，压阻式传感器由单臂全半桥方式，采用全桥方式可减小零点温度漂移。通过使用与初始阻值相同的4个力敏电阻，构建电桥平衡，其输出电压V0=R1R4 - R2R3 / (R1 + R2 + R3 + R4) I0，并在膜片中央与边缘区域放置4个力敏电阻，当中央位置处两个力敏电阻受外部压力作用时，电桥失去平衡，此时可得到最大输出电压。通过外部压力作用后，4个力敏电阻变化量关系为△R1 = -△R 2= -△R3 = △R4 ，此时传感器输出电压Vp可达到最大值。
设计传感器结构时，采用减小薄膜厚度方法提高传感器压阻效应，但会致薄膜制作工艺难度加大，当薄膜弯曲度大于厚度0.3倍为大挠度非线性弯曲，此时传感器非线性度增加，因此对传感器薄膜结构改进十分必要。根据薄膜优点设计双岛梁膜结构，受压力作用时可减小膜片弯曲变形【5】。膜片正面制成梁，梁膜既有很好应力集中效果，也具有双岛平膜结构线性度好等优点。在封接时采用高压静电法，硅膜很薄时出现双岛吸附到玻璃基片表面现象，致使双岛不能恢复到原来形状。因此，为解决此问题，引入大小岛结构设计，小岛设计可避免吸附现象发生。设计采用方形芯片结构，建立模型尺寸，敏感膜片为3mm×3mm×10μm,大岛尺寸为600μm×600μm×80μm,总体尺寸4mm×4mm×258μm。
为了解双岛梁芯片膜应力分布，实现电阻条最佳放置，分析在工作压力下线性度情况。膜片采用Shell63单元，限制地面自由度，定义路径从(-1.5,0.258,0)到(1.5,0.258,0)，中央与两边沟槽处纵横向应力及总体应力达到极值。距离中央沟槽100μm处纵横应力差绝对值达0.6MPa，引起4个电阻变化值△R大致相等，分析找到电阻条最佳放置位置。通过对模型施加0-6Mpa工作压力，发现随着工作压力增大应力线性良好，当对模型施加过载压力20Mpa, 30Mpa, 50Mpa时，分析发现在工作压力高于量程时传感器线性度下降，但传感器表面只出现小挠度变形，说明该传感器抗过载能力强。
结语
本文利用多晶硅纳米薄膜良好压阻特性，设计超微压力传感器，同压力下输出电压更大，在设计结构中央沟槽处应力达到极值，构成惠斯通全桥，随工作压力增大传感器线性度良好。过载压力下为小挠度变形，该结构抗过载能力强。从硅杯设计、测温二极管设计及芯片制作等仿真结果表明，多晶硅纳米薄膜压阻式压感器具有与集成电路工艺兼容性好、应变灵敏度高及温度特性好等优点。多晶硅纳米薄膜压力传感器性能优良，有必要深入探索，未来建议试制包含肖特基二极管传感器芯片，在高灵敏度多晶硅纳米薄膜压力传感器结构方面进行创新研究。
参考文献
[1]袁方超. 车用高温压力传感器的设计与分析[D].南京航空航天大学,2016.
[2]王健. 基于牺牲层技术的多晶硅纳米膜压力传感器芯片[D].沈阳工业大学,2015.
[3]李玥. 纳米硅薄膜晶体管压力传感器制作及特性研究[D].黑龙江大学,2013.
[4]季长红. 超低温压力传感器的结构设计[D].中北大学,2012.
[5]孙瑞. 100KPa多晶硅纳米膜压力芯片研究[D].沈阳工业大学,2011.