硅压阻式压力微传感器的设计与制造工艺研究 毕业论文

《硅压阻式压力微传感器的设计与制造工艺研究 毕业论文》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、硅压阻式压力微传感器的设计与制造工艺研究摘要：硅压阻式压力传感器是最早开始研究并实用化的微传感器之一，它结构简单、体积小、成本低、应用范围广，且已经实现大批量生产，在某些领域已经取代传统传感器。进一步研制小体积高精度的微传感器，扩大其适用范围是未来的趋势。本文首先叙述了压阻式压力微传感器的原理和设计方法，然后针对硅压阻式压力微传感器的制造，给出了两种不同的制造工艺流程，并接着对其优缺点进行了横向比较，以期优化该种传感器的工艺。关键词：微传感器；压阻式；制造工艺；设计一、引言压力传感器是用来测量流体

2、或气体压力，大规模生产的计量或传感单元。传统的压力传感器体积大、笨重、输出信号弱、灵敏度低。应用微电子技术，在单晶硅片的特定晶向上，制成应变电阻构成的惠施顿电桥，同时利用半导体材料的压阻效应和硅的弹性力学特性，用集成电路工艺和微机械加工技术研制固态压阻压力传感器，它们具有体积小、灵敏度高、动态特性好、耐腐蚀和灵敏度系数好等优点。二、压阻式压力微传感器原理图2-1硅杯式压力传感器原理结构由图2-1可知，当压力作用于微型硅膜片上时，硅膜片将发生弯曲和内应变（应力）。基于硅的压阻效应，当其内应变化时，必

3、将引起相应的电阻变化。当压力P按图示方向作用在膜片上，桥路上的压敏电阻R1和R3的值增加，R2和R4的值将下降。若桥路由恒压压源V8供电时，其输出电压V0可用下式表示，即：（2-1）或写成：（2-2）式中，称为压力灵敏度。式（2-2）表明，输出电压与被测压力成正比，测量，即可得被测的对应压力。因为电阻变化通常在0.01%~0.1%量级，故电桥输出电压很小，需要配置放大电路。图2-2给出测量3种压力的原理方案：图（a）是测量绝对压力的；图（b）是测量差压的；图（c）是测量表压的。图2-2硅压阻式压力

4、微传感器测量原理方案三、压阻式压力微传感器的设计压力传感器的设计，就是为得到线性度好、灵敏度高、输出稳定性好的传感器而进行力学结构的选择、晶向和晶面的选择，掩模版图的设计和工艺参数的设计等。1、材料的选择压力传感器硅杯材料的选择是极为重要的，它是决定传感器灵敏度的因素之一。为了提高满量程输出，减小零点温度漂移及提高线性度，膜片上的电阻连成应变全桥电路。硅杯上电阻变化率由下式表示（3-1）其中：，分别为纵向应力和横向应力；，分别为纵向压阻系数和横向压阻系数。由式1知电阻变化与应力和压阻系数有关。在相

5、同表面浓度下，P型硅的压阻系数比N型的高，而温度系数比N型的小，所以选用;型硅作为力敏电阻有利于提高灵敏度和减少温度影响。考虑到硅杯制作工艺,N型硅在碱性溶液（如KOH）具有各向异性腐蚀的特性，可利用终点腐蚀技术控制硅膜片的厚度，所以硅杯材料选用N型（100）晶面或（110）晶面，在其上扩散;型杂质，形成电阻条，电阻与衬底以PN结隔离。2、掩膜版的设计传感器设计的重要一步为掩膜版的设计，传感器上的各种图形都是掩膜版图形的转印，所以传感器性能的好坏，很大程度上取决于掩膜版的设计。掩膜版的设计是保证传

6、感器灵敏度及线性度的重要因素之一。本工作主要讨论掩膜版设计中的重要问题，即是指在不降低膜片的过载能力同时，使传感器获得较高的灵敏度和线性度、较小的零点输出和灵敏度温漂。2.1膜片形状的选取由式（1）可知电阻的变化不仅与压阻系数有关，还与应力有关，而应力大小及分布情况与膜片的形状有关。由力学分析知，在相同条件下（芯片尺寸相同、同一压力等），E型结构的应力极值大于C型硅杯的应力极值，故选用E型结构，传感器可获得更高的灵敏度。E型结构平膜背面有硬心，所以在有高灵敏度的同时可实现过压保护和较高的线性度。从

7、提高传感器性能考虑，E型膜片优于C型硅杯（圆形平膜片、方形或矩形平膜片）。计算表明，3mmX3mm芯片的/E型膜片的灵敏度已满足预定设计量程目标0~10kPa和0~100kPa的要求，故更复杂的梁膜复合应力集中结构不再考虑。2.2电阻条位置的确定E型硅杯上的力敏电阻构成惠斯顿电桥。为使传感器具有较高输出灵敏度并减小温度影响，四个桥臂电阻应尽可能满足以下四个条件：（1）等应力（绝对值）。（2）等压阻系数，尽量避免纵横压阻效应的相互影响。（3）等阻值。（4）等温度系数和灵敏度系数。四、两种不同的硅压阻

8、式压力微传感器的制造工艺1、硅杯式压阻压力微传感器图4-1给出了硅杯式压阻压力微传感器的制造工艺主要流程。图4-1硅杯式压阻压力微传感器制造工艺主要流程1.1生成N型外延层外延生长【epitaxialgrowth】在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层的方法。外延生长技术发展于20世纪50年代末60年代初，为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串联电阻。生长外延层有多种方法，但采用最多的是气相外延工艺，常使用高频感应炉加热，衬底置于包有碳化硅、玻璃态石墨或