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適用于惡劣環境的MEMS壓阻式壓力傳感器

文檔作者：傘海生宋子軍王翔趙燕立余煜璽文檔來源：廈門大學		點擊數：	更新時間： 2025年10月02日
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第2O卷第3期
2012年3月
光學
Optics and P
精密工程
recision Engineering
V01．2O No．3
M ar．2012
文章編號 1OO4—924X(2O12)O3一O55O—O6
適用于惡劣環境的MEMS壓阻式壓力傳感器
傘海生 ，宋子軍 ，王翔 ，趙燕立 ，余煜璽。
(1．廈門大學物理與機電工程學院機電工程系，福建廈門361005
2．廈門大學薩本棟微納米技術研究院微機電中心，福建廈門361005
3．廈門大學材料學院材料科學與工程系，福建廈門361005)
摘要：為了消除潮濕、酸堿、靜電顆粒等惡劣環境對壓力傳感器壓敏電阻的影響，提出了一種新型結構的壓阻式壓力傳感
器。該傳感器將壓敏電阻置于應力薄膜的下表面并通過陽極鍵合技術密封在真空壓力腔中，從而減少了外界環境對壓
敏電阻的影響。介紹了此種壓力傳感器的工作原理，使用ANSYS軟件并結合有限元方法模擬了壓敏薄膜在壓力作用
下的應力分布情況。最后，利用微機電系統(MEMS)技術成功制作出了尺寸為1．5 mmX 1．5 mlTl×500 m 的壓阻式壓
力傳感器。用壓力檢測平臺對該壓力傳感器進行了測試，結果表明，在25～125℃ ，其線性度小于2．73 ，靈敏度約為2O
mV／v．MPa，滿足現代工業使用要求。
關鍵詞：微機電系統；壓阻式壓力傳感器；惡劣環境；可靠性
中圖分類號：TP212．12 文獻標識碼：A doi：10．3788／OPE．20122003．0550
Piezoresistive pressure sensors for harsh environments
SAN Hai—sheng ’ ，SONG Zi-jun ，WANG Xiang ，ZHAO Yan—li ，YU Yu—xi。
(1．Department of Mechanical and Electrical Engineering，School of Physical and Mechanical&amp;amp;
Electrical Engineering，Xiamen University，Xiamen 36 1005，China
2．MEM S Center，Pen-Tung Sah M icro—Nano Technology Institute，Xiamen University，
Xiamen 361005，China；3．Department of Material Science and Engineering，
College of Materials，Xiamen University，Xiamen 361005，China)
*C0rr s 0 g author，E-mail：sanhs@xmu．edu．cn
Abstract：To increase the stabilization and reliability of piezoresistive pressure sensors working in
harsh environments with harsh acids，alkalis，corrosive salts，and other destructive substances such
as electrostatic particles and damp，a novel piezoresistive pressure sensor was presented．The innova—
tion of the sensor was that the sensing elements of the sensor were fabricated in the lower surface of a
silicon diaphragm and were sealed in a vacuum pressure cavity by silicon—glass bonding process．The
work principle of this pressure sensor was introduced．Then，Finite Element Method and ANSYS soft
were used to simulate the stress distribution of the diaphragm．Finally，the micro—electro—mechanical
System(M EMS)technology was used to fabricate a pressure sensor with the dimension of 1．5 mm ×
收稿日期：2011-10—21；修訂日期：2011—11—24．
基金項目：國家自然科學基金資助項目(No．51075344；No．51175444)
第3期 傘海生，等：適用于惡劣環境的MEMS壓阻式壓力傳感器 551
1．5 mm X 500 m．The measurement results by a pressure test plat{orm show that the sensitivity of
the sensor is about 20 mV／V—MPa，and its maximum nonlinearity is 2．73 FSS，which meets the re—
quirements of the modern industrial applications．
Key words：M icro—electro—mechanical System (M EMS)；piezoresistive pressure sensor；harsh environ—
ment；reliability
引 言
隨著工業技術的發展，越來越多的MEMS傳
感器工作于潮濕、酸堿腐蝕溶液或者充滿靜電顆
粒和粉塵等惡劣環境中口 ]。如傳統硅壓阻式壓
力傳感器，基本都把電阻排布在硅膜外表面直接
與外界環境接觸，器件在工作過程中，外界環境物
質的腐蝕和靜電顆粒等都會使器件的性能和壽命
大打折扣。
為了提高器件在惡劣環境下的可靠性，目前
普遍采用的是壓力變送的封裝技術，將壓力傳感
器芯片封裝于充滿硅油的密閉結構中，外加壓力
通過硅油從不銹鋼膜片傳遞到壓力傳感器芯片
上。但是，硅油的化學穩定性和耐溫性能不夠好，
硅油長期在高溫下工作會發生變化，如果新分解
的化學成分里面有小顆粒的導電物質，這種物質
可能會穿過芯片的鈍化層破壞芯片或者介入擴散
電阻條中間，形成短路或污染，造成傳感器高溫輸
出信號不穩定，這些問題將影響傳感器的長期可
靠性[3]。此外，在一些氣壓傳感器中，例如汽車輪
胎壓力傳感器，為了保護薄膜上面的壓敏電阻，在
封裝時用硅膠包裹壓力傳感芯片，以隔絕測試氣
體的影響[4]。這種方案不僅增加了制造成本，而
且溫度的變化會引起硅膠的膨脹或收縮，進而影
響壓力傳感器的輸出特性和穩定性。
本文提出了一種新的設計方案，把壓敏電阻
安置在敏感薄膜下方，并通過陽極鍵合技術把它
們封裝在密閉環境里面。通過鍵合面上預埋的電
極把內部電信號傳輸到外部電路L5]，形成一個完
整的壓阻式壓力傳感器。器件的設計保證了敏感
單元與外界惡劣環境的隔離，從而極大地提高了
器件的可靠性和穩定性。
2 傳感器設計
壓阻式壓力傳感器是基于半導體材料(單晶
硅)的壓阻效應原理制成的，利用集成電路工藝直
接在硅平膜片上按一定晶向制成壓敏電阻。當硅
膜片受壓時，膜片的變形將使壓敏電阻的阻值發生
變化。硅平膜片上的擴散電阻通常構成惠斯通電
橋測量電路，橋臂電阻變化時，電橋輸出電壓與膜
片所受壓力成對應關系。本文把壓敏電阻安置在
敏感薄膜下方，并通過陽極鍵合技術將其封裝在密
閉環境里面，其原理如圖1所示。
圖1 壓力傳感器原理圖
Fig．1 Principle diagram of pressure sensor
很多文獻已經提到，壓阻式壓力傳感器薄膜
形狀為正方形時傳感器的靈敏度最大[6|8_。因此，
本文選擇方形薄膜作為傳感器的敏感薄膜。在壓
阻式壓力傳感器的芯片設計中，一般由4個壓敏
電阻構成惠斯通電橋。為了獲得最大靈敏度，這
里將4個橋壁電阻沿著[110]晶向排布在方形薄
膜應力最大的區域，如圖2所示，圖2(a)是敏感
薄膜在0．6 MPa外載荷作用下的等效應力圖。
圖2(b)是薄膜邊緣節點應力分布曲線和薄膜豎
(a)薄膜應力ansys仿真圖
(a)Ansys simulation diagram of the film
光學精密工程 第20卷
矗
星
麥
(b)應力與節點偏移的關系
(b)Dependence of stress on node deflection
圖2 膜片應力分布圖
Fig．2 Stress distribution in diaphragm
直對稱軸上節點應力分布曲線圖。為了最大限度
利用以上模擬得到最大應力分布區域，將壓敏電
阻條設計成圖3所示的折疊形式。在拐角處加寬
并進行重摻雜以減小負阻效應Egl。
圖3 折疊型電阻
Fig．3 Folding resistance
3 傳感器制作
目前廣泛使用的壓阻式壓力傳感器制備技術
是：使用SOI材料并采用Si-Si鍵合方法來制作
壓力傳感器，通過硅片減薄和擴散工藝或離子注
入的方法在薄膜上制作壓敏電阻。由于Si—Si鍵
合工藝對硅片質量和鍵合前硅片化學處理要求嚴
格，大面積的si—Si鍵合質量和成功率很難得到保
證，增大了器件的成本。如果采用低成本的硅一玻
璃鍵合材料制備壓力傳感器，則制備工藝受制于
玻璃的耐高溫性能(由于擴散溫度和離子注入后
的退火一般要高于1 000℃ ，遠遠超過了玻璃的熔
點。)
為了降低壓阻式壓力傳感器成本，提高制備
成功率，作者將壓敏電阻安放在薄膜的下方，采用
先擴散或者離子注入的方法制作壓敏電阻，然后，
再鍵合、減薄形成敏感薄膜。因此，可以使用硅一
玻璃鍵合、減薄來制作敏感薄膜，由此降低了工藝
難度，提高了器件的可靠性。為了精確控制薄膜
厚度，采用n(100)型10 cm(4 in)SOI硅片制作壓
敏薄膜。SOI硅片具體參數為：器件層(Si)厚度
25 m；絕緣層(SiO )厚度1．5 m；支撐層(Si)厚
度450 m；電阻率為2～3 Q·cm。考慮到器件
工作溫度是一40～125℃ ，如此溫度下Pyrex7740
玻璃與硅的熱匹配性良好。因此選擇了Py—
rex7740玻璃和SOI鍵合來制作壓力傳感器。傳
感器具體工藝流程如圖4所示。
圖4 傳感器工藝流程框圖
Fig．4 Process flow diagram of the sensor
該傳感器的制作難點在于如何將密閉腔中的
電信號引出來。其他文獻中提到的電信號引出工
藝大部分是在敏感薄膜的上方打孔，然后濺射金
屬引出電信號。這種方法會造成孑L周圍出現不粘
膠的現象，無法進行后續工藝。而且，孔底部的重
摻雜區域摻雜濃度比較低E ]，可能達不到歐姆接
∞ 舳 ∞ 如∞ 如加m 0
第3期 傘海生，等：適用于惡劣環境的MEMS壓阻式壓力傳感器 553
觸的標準，從而無法形成歐姆接觸，使信號無法
引出。
為了解決上述問題，本文設計了一種新的工
藝方案。該方案直接把信號輸出電極預先鑲嵌在
硅與Pyrex7740的鍵合面上，通過陽極鍵合制備
出電極的內連接技術。通過使用干法刻蝕，在薄
膜上刻出電極孔，露出A1電極表面。最后在每
個電極上焊金絲，這樣就可以將電信號從鍵合面
之間引出來。圖5是制作完成的壓阻壓力傳感器
芯片實物圖。
(a)傳感器實物圖與尺子的對比圖
(a)Comparison diagram of fabricated sensor and ruler
(b)傳感器正面圖
(b)Top view of pressure sensor
(c)內部預埋電極
(c)Photo of embedded electrodes
圖5 壓阻式壓力傳感器實物圖
Fig．5 Photos of piezoresistive pressure sensor
4 壓力傳感器的測試
在沒有補償的情況下，采用5 V恒壓源作為
激勵電壓，并對壓力傳感器施加O～600 kPa的壓
力，最后用最小二乘法對測試數據進行擬合，壓
力傳感器在不同溫度環境下的輸出特性如圖6所
示。壓力傳感器的一些主要參數如表1所示。
圖6 不同溫度下的壓力一輸出電壓關系
Fig．6 Dependence of output voltage on pressure un
der different temperatures
表1 壓力傳感器主要參數
Tab．1 M ain parameters of pressure sensor
量程／ 最高工作 靈敏度／ 線性度／ 遲滯／ 重復性／
MPa 溫度／~c mV／V-MPa
5 結 論
設計了一種新型結構的微壓阻式壓力傳感
器，采用離子注入的方法在SOI上制作壓敏電
阻，再與有正方形空腔結構的Pyrex7740進行陽
極鍵合，制作出了芯片尺寸為1．5 mm×1．5 mm
×500 m 的壓阻式壓力傳感器。該傳感器將壓
敏電阻安置在敏感薄膜下方，并通過陽極鍵合技
術把它們封裝在密閉環境中，解決了外界環境對
壓敏電阻的影響；通過從鍵合面之間引出電極，解
決了電信號內外連接的工藝難點，從而降低了成
本和工藝難度，提高了成品率。經壓力檢測平臺
測試，該壓力傳感器在25～125℃ 的線性度小于
2．73 ，靈敏度為20 mY／V—MPa，達到了設計和
應用的要求。
踟 ∞ 如∞ 如加m O
>暑 霉lo 葛er10
554 光學精密工程 第2O卷
參考文獻：
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作者簡介：
傘海生(1970一)，男，吉林榆樹人，副
教授，碩士生導師，1993于西南科技
大學獲得學士學位，2006年于蘭州大
學材料物理專業獲得博士學位，主要研
究方向為MEMS傳感器、射頻MEMS
器件、微光機電系統及器件、微能源器
件及系統、微波光電子、光纖光學、材料
物理等。E-mail：sanhs@xmu．edu．cn
宋子軍(1988一)，男，江西吉安人，碩士
研究生，2010年于南昌航空大學獲得
學士學位，主要研究方向為MEMS傳
感器。E-mail：songzijun1018@ 126．
COm
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王翔(1987一)，男，河北邯鄲人，碩士研
究生，2011年于中北大學獲得學士學
位，主要研究方向為MEMS能量收集
器。E-mail：03107866335．ok@ 163．
COm
趙燕立(1987一)，男，山東濟寧人，碩士
研究生，2010年于山東科技大學獲得
學士學位，主要研究方向為低溫硅硅鍵
合技術。E-mail：yanli48@126．corn
_ I
第3期 傘海生，等：適用于惡劣環境的MEMS壓阻式壓力傳感器 555
l 余煜My主博授獲uE 士得要，Mh碩e從博后璽Sa士r(事流t傳1生@9動學高感7導x4站m位溫一器師u博聚，)方，2士，0合0男面后85物，的于出湖陶南研站廈國瓷攸并究門防材縣留。大科料人校E學技—、任，m化大高副a教i學溫l，： ． edu．cn
● 下期預告
紅外雙波段視景仿真器光學系統設計
楊 樂 ，孫 強 ，方 偉 ，李 淳
(1．中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；
2．中國科學院研究生院，北京100049)
針對紅外雙波段成像系統性能測試與評估的應用需求，利用諧衍射透鏡獨特的溫度和色散特性，設
計了一套基于數字微鏡器件的消熱差的3～5 btm和8～12 m雙波段紅外視景仿真器光學系統。探討
了紅外雙波段視景仿真用投影光學系統的像差特性和設計方法，并對系統的無熱化進行了分析。采用
分光板和補償板，解決了大相對孔徑條件下投影系統的遠心照明分光和像差平衡問題，提高了分辨率和
均勻性，增大了視場。系統由遠心投影光學系統和像面傾斜的柯勒照明光學系統組成，僅使用鍺和硫化
鋅兩種普通紅外材料，并引入諧衍射元件，實現紅外雙波段遠心投影光學系統的光學被動消熱差，提高
了系統的穩定性。系統焦距為255 mm，F#為2．6，視場角為5．1。，出瞳距為240 mm，在空間頻率16
Ip／mm 處，一2O～60℃ 下，中波紅外MTF~0．6，長波紅外MTF>0．3，均接近衍射極限。系統具有良
好的復消色差和減熱差特性，并具有分辨率高、均勻性好、結構緊湊等優點，滿足設計要求。

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