耐高温SOI结构压力敏感芯片的研制

       高温压力传感器是一类使用环境特殊的压力传感器，广泛用于航空航天、石油化工、汽车和兵器工业等领域高温环境下的压力测量。如何研制适宜高温环境下应用的压力传感器一直备受关注。

       单晶硅SOI结构耐高温压力传感器的敏感电阻做在绝缘层上，通过绝缘层实现电阻间的电气隔离，解决了pn结隔离压力传感器工作温度高于125℃时的失效问题，可以有效改善pn结隔离引起的非线性问题[4]。此外，SOI结构压力传感器不易受光、电磁和ESD干扰，同时与pn相关的噪声被排除，这些有利于提高传感器的稳定性和可靠性。

       本文在SIMOX技术商用SOI晶圆的基础上，设计耐高温SOI结构压力敏感芯片的结构，基于MEMS工艺制作敏感芯片，并在高温条件下对封装后的传感器进行静态测试。

       2 高温压力传感器芯片设计与制作

       同常规扩散Si压力传感器相比，单晶硅SOI结构高温压力传感器芯片设计与制作的不同点体现在晶圆材料和电极引线上。制备SOI材料的主流技术包括氧离子注入形成埋层(SIMOX)技术、硅片键合背面腐蚀(BFSOI)技术和智能剥离(smart-cut)技术等。为保证工艺的重复性，本文采用新傲公司SIMOX技术制作的商用p型SOI晶圆，顶层硅厚度为230 nm，晶圆厚度为500μm。

       传感器芯片采用方形膜片结构，依据有限元分析结果，设计敏感电阻在膜片上所处位置，如图1所示。R1和R3沿(110)晶向排布，利用纵向压阻效应，R2和R4也沿(110>晶向排布，利用横向压阻效应，4个电阻接成惠斯登电桥结构，电路设计为半开环形式，以方便零点漂移和灵敏度漂移的补偿，采用1 mA恒流源供电。这种设计方案利用了纵向和横向压阻效应，p-Si<110>晶向纵向压阻系数为正值，横向压阻系数为负值，实现了膜片受压后电桥上电阻△=Ri／Ri(i=1，3)向正向变化，另两个电阻△Ri／Ri(i=2，4)向负向变化，从而产生输出电压。

       惠斯登电桥采用恒流源激励，为使电阻温度系数正值补偿压阻系数温度负值，表面掺杂浓度控制在2×1020cm-3左右，以达到自补偿效果。为保证电阻与电桥输出端负载匹配，电阻阻值设计为4.5 kΩ左右。

       单晶硅SOI结构高温压力传感器芯体结构如图2所示，通过SiO2介质实现电阻间电学隔离。传感器的制作工艺如图3所示，可以看出，除电极系统外，其他工艺与常规压力传感器制作工艺基本一致。常规压力传感器采用Al电极引线系统，工艺简单、成本低廉。不过，工作温度超过200℃时，由于热电应力作用，Al／Si界面退化产生熔坑，Al向Si的热电迁移造成欧姆接触变坏，使接触电阻值急剧增加，Al电极引线系统不能保证传感器在高温下稳定工作。本文采用Ni／Cr／Au复合电极结构，Ni作为阻挡层；Cr与上下两层的金属都有非常好的浸润性和电接触匹配性，作为过渡金属层；金作为接触电极，有非常好的稳定性，能够在高温环境下有极其稳定的物理性质，并且易于金丝压焊，电极系统采用溅射和腐蚀工艺获得。封装后的传感器如图4所示。

       3 测试及结果分析

       利用高温试验箱，在50～300℃条件下，对传感器的静态性能进行多次重复测试，测试结果如表1。

       从表1可以看出，随着温度升高，满量程输出增加，灵敏度表现为正漂，需进一步调整表面掺杂浓度，来实现温漂自补偿；SOI结构压力传感器非线性随温度升高而减小，p型单晶硅压阻效应随温度的升高，非线性减小，传感器在高温下输出线性度较好。重复性没有表现出规律性变化，由于设备的限制，没有对迟滞特性进行测试。总体测试结果表明，随着温度的提高，SOI结构压力传感器的静态特性没有发生明显变化，可以保证在300 ℃高温条件下对压力准确测量。

       4 结 论

       本文利用成熟的商用SOI晶圆，摹于MEMS工艺研制了高温压力传感器。在高温条件下测试时，传感器具备较好的性能。随着SOI晶圆材料质量不断提高，SOI高温压力传感器必将成为高温压力传感器的主流产品。深入研究SOI高温压力传感器设计与制作，必将推动我国传感器工业的发展。

本文来源：《微纳电子技术》    作者：沈阳工业大学 沈阳仪表科学研究院 李 新 庞世信 徐开

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