通用型耐高溫壓力傳感器研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)MEMS(microelectromechanicalsystem)技術起源于微型硅傳感器的發(fā)展，最初用于生產(chǎn)固態(tài)半導體硅壓力傳感器，而當MEMS技術迅速崛起之后，大大促進了微型傳感器的技術進步，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，目前具有實用價值并得到較廣范應用的是微機械力敏傳感器，主要有壓力傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器等，而其中應用最廣的是半導體硅壓阻式壓力傳感器。 在石

2、油開采、化工領域的反應釜和冶煉塔等的壓力測量中，對壓力傳感器提出了耐高溫、微型化、抗腐蝕等要求，傳統(tǒng)的硅擴散壓阻式壓力傳感器用重摻雜4個P型硅應變電阻構(gòu)成惠斯頓電橋的力敏檢測模式，采用PN結(jié)隔離，當溫度在100℃以上時，PN結(jié)漏電流很大，使器件無法工作。因此設計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)技術設計和制作了二氧化硅介質(zhì)隔離的SOI(s

3、ilicononinsulator)力敏元件，針對-40～220℃的工作環(huán)境設計了裝配結(jié)構(gòu)，完成了耐高溫封裝工藝，選用了恒流源激勵，設計了溫度補償電路，完成了靜態(tài)標定，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)合微機械加工技術和各向異性腐蝕技術，針對高溫高壓的要求，采用圓平膜芯片設計，以(100)晶面為工作面，兩對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臂的差動等臂等應變的惠斯登檢測電橋；采用SIMOX技術，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，其與重摻雜的硅形成了良好的歐姆接觸，鈦作為粘附層，把Pt5Si2和氮化硅以及上層金屬粘合起來，最外層金作為導電層，為了防止金與鈦反應形成高阻化合物，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。 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，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，選用了耐高溫導線作為外導線，完成了耐高溫封裝的關鍵部分，該工藝目前在國內(nèi)高溫壓力傳感器的制作中處于領先地位； 四、選用了恒流源激勵，設計了溫度補償電路，首次用對溫度求導數(shù)的數(shù)學方法，推導了熱靈敏度漂移TCS(temperaturecoefficientofsensitivity)補償計算公式，在生產(chǎn)中得到了

7、TCS、熱零點漂移TCO(temperaturecoefficientofoffset)和零點輸出Vos(offsetshiftofvoltage)經(jīng)驗公式，實現(xiàn)了寬溫區(qū)溫度系數(shù)補償，在-20℃～200℃補償溫區(qū)內(nèi)，通過溫度循環(huán)標定，經(jīng)補償后TCS和TCO的值均小于1.0×10-4/℃·FS；非線性誤差小于0.1％FS，不重復性和遲滯誤差均小于0.05％FS，總精度小于0.2％FS，高、低溫時漂均小于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)技術指標優(yōu)于同類型KULITE公司產(chǎn)品，實現(xiàn)了低成本化，價格僅其四分之一。產(chǎn)品達到了國際同類產(chǎn)品的先進水平，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的各種補償方法，提出了TCS的三極管和集成恒流源的補償法，從數(shù)學的角度提出了定量的補償公式；在實驗中，通過溫度周期的調(diào)節(jié)標

9、定，補償后靈敏度溫度系數(shù)絕對值容易達到10×10-6/℃～100×10-6/℃，從而驗證了該技術的可行性和實用性。對實驗數(shù)據(jù)的研究后，討論了技術的局限性并在設計中提出了改進辦法，具有實用價值，在生產(chǎn)實踐中得到了推廣應用，反復考察證明補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及由此芯片制作的傳感器的研究進展，如SOS、SDB