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适用于恶劣环境的MEMS压阻式压力传感器

文档作者：伞海生宋子军王翔赵燕立余煜玺文档来源：厦门大学		点击数：	更新时间： 2025年10月02日
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第2O卷第3期
2012年3月
光学
Optics and P
精密工程
recision Engineering
V01．2O No．3
M ar．2012
文章编号 1OO4—924X(2O12)O3一O55O—O6
适用于恶劣环境的MEMS压阻式压力传感器
伞海生 ，宋子军 ，王翔 ，赵燕立 ，余煜玺。
(1．厦门大学物理与机电工程学院机电工程系，福建厦门361005
2．厦门大学萨本栋微纳米技术研究院微机电中心，福建厦门361005
3．厦门大学材料学院材料科学与工程系，福建厦门361005)
摘要：为了消除潮湿、酸碱、静电颗粒等恶劣环境对压力传感器压敏电阻的影响，提出了一种新型结构的压阻式压力传感
器。该传感器将压敏电阻置于应力薄膜的下表面并通过阳极键合技术密封在真空压力腔中，从而减少了外界环境对压
敏电阻的影响。介绍了此种压力传感器的工作原理，使用ANSYS软件并结合有限元方法模拟了压敏薄膜在压力作用
下的应力分布情况。最后，利用微机电系统(MEMS)技术成功制作出了尺寸为1．5 mmX 1．5 mlTl×500 m 的压阻式压
力传感器。用压力检测平台对该压力传感器进行了测试，结果表明，在25～125℃ ，其线性度小于2．73 ，灵敏度约为2O
mV／v．MPa，满足现代工业使用要求。
关键词：微机电系统；压阻式压力传感器；恶劣环境；可靠性
中图分类号：TP212．12 文献标识码：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；修订日期：2011—11—24．
基金项目：国家自然科学基金资助项目(No．51075344；No．51175444)
第3期 伞海生，等：适用于恶劣环境的MEMS压阻式压力传感器 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
随着工业技术的发展，越来越多的MEMS传
感器工作于潮湿、酸碱腐蚀溶液或者充满静电颗
粒和粉尘等恶劣环境中口 ]。如传统硅压阻式压
力传感器，基本都把电阻排布在硅膜外表面直接
与外界环境接触，器件在工作过程中，外界环境物
质的腐蚀和静电颗粒等都会使器件的性能和寿命
大打折扣。
为了提高器件在恶劣环境下的可靠性，目前
普遍采用的是压力变送的封装技术，将压力传感
器芯片封装于充满硅油的密闭结构中，外加压力
通过硅油从不锈钢膜片传递到压力传感器芯片
上。但是，硅油的化学稳定性和耐温性能不够好，
硅油长期在高温下工作会发生变化，如果新分解
的化学成分里面有小颗粒的导电物质，这种物质
可能会穿过芯片的钝化层破坏芯片或者介入扩散
电阻条中间，形成短路或污染，造成传感器高温输
出信号不稳定，这些问题将影响传感器的长期可
靠性[3]。此外，在一些气压传感器中，例如汽车轮
胎压力传感器，为了保护薄膜上面的压敏电阻，在
封装时用硅胶包裹压力传感芯片，以隔绝测试气
体的影响[4]。这种方案不仅增加了制造成本，而
且温度的变化会引起硅胶的膨胀或收缩，进而影
响压力传感器的输出特性和稳定性。
本文提出了一种新的设计方案，把压敏电阻
安置在敏感薄膜下方，并通过阳极键合技术把它
们封装在密闭环境里面。通过键合面上预埋的电
极把内部电信号传输到外部电路L5]，形成一个完
整的压阻式压力传感器。器件的设计保证了敏感
单元与外界恶劣环境的隔离，从而极大地提高了
器件的可靠性和稳定性。
2 传感器设计
压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶
硅)的压阻效应原理制成的，利用集成电路工艺直
接在硅平膜片上按一定晶向制成压敏电阻。当硅
膜片受压时，膜片的变形将使压敏电阻的阻值发生
变化。硅平膜片上的扩散电阻通常构成惠斯通电
桥测量电路，桥臂电阻变化时，电桥输出电压与膜
片所受压力成对应关系。本文把压敏电阻安置在
敏感薄膜下方，并通过阳极键合技术将其封装在密
闭环境里面，其原理如图1所示。
图1 压力传感器原理图
Fig．1 Principle diagram of pressure sensor
很多文献已经提到，压阻式压力传感器薄膜
形状为正方形时传感器的灵敏度最大[6|8_。因此，
本文选择方形薄膜作为传感器的敏感薄膜。在压
阻式压力传感器的芯片设计中，一般由4个压敏
电阻构成惠斯通电桥。为了获得最大灵敏度，这
里将4个桥壁电阻沿着[110]晶向排布在方形薄
膜应力最大的区域，如图2所示，图2(a)是敏感
薄膜在0．6 MPa外载荷作用下的等效应力图。
图2(b)是薄膜边缘节点应力分布曲线和薄膜竖
(a)薄膜应力ansys仿真图
(a)Ansys simulation diagram of the film
光学精密工程 第20卷
矗
星
麦
(b)应力与节点偏移的关系
(b)Dependence of stress on node deflection
图2 膜片应力分布图
Fig．2 Stress distribution in diaphragm
直对称轴上节点应力分布曲线图。为了最大限度
利用以上模拟得到最大应力分布区域，将压敏电
阻条设计成图3所示的折叠形式。在拐角处加宽
并进行重掺杂以减小负阻效应Egl。
图3 折叠型电阻
Fig．3 Folding resistance
3 传感器制作
目前广泛使用的压阻式压力传感器制备技术
是：使用SOI材料并采用Si-Si键合方法来制作
压力传感器，通过硅片减薄和扩散工艺或离子注
入的方法在薄膜上制作压敏电阻。由于Si—Si键
合工艺对硅片质量和键合前硅片化学处理要求严
格，大面积的si—Si键合质量和成功率很难得到保
证，增大了器件的成本。如果采用低成本的硅一玻
璃键合材料制备压力传感器，则制备工艺受制于
玻璃的耐高温性能(由于扩散温度和离子注入后
的退火一般要高于1 000℃ ，远远超过了玻璃的熔
点。)
为了降低压阻式压力传感器成本，提高制备
成功率，作者将压敏电阻安放在薄膜的下方，采用
先扩散或者离子注入的方法制作压敏电阻，然后，
再键合、减薄形成敏感薄膜。因此，可以使用硅一
玻璃键合、减薄来制作敏感薄膜，由此降低了工艺
难度，提高了器件的可靠性。为了精确控制薄膜
厚度，采用n(100)型10 cm(4 in)SOI硅片制作压
敏薄膜。SOI硅片具体参数为：器件层(Si)厚度
25 m；绝缘层(SiO )厚度1．5 m；支撑层(Si)厚
度450 m；电阻率为2～3 Q·cm。考虑到器件
工作温度是一40～125℃ ，如此温度下Pyrex7740
玻璃与硅的热匹配性良好。因此选择了Py—
rex7740玻璃和SOI键合来制作压力传感器。传
感器具体工艺流程如图4所示。
图4 传感器工艺流程框图
Fig．4 Process flow diagram of the sensor
该传感器的制作难点在于如何将密闭腔中的
电信号引出来。其他文献中提到的电信号引出工
艺大部分是在敏感薄膜的上方打孔，然后溅射金
属引出电信号。这种方法会造成孑L周围出现不粘
胶的现象，无法进行后续工艺。而且，孔底部的重
掺杂区域掺杂浓度比较低E ]，可能达不到欧姆接
∞ 舳 ∞ 如∞ 如加m 0
第3期 伞海生，等：适用于恶劣环境的MEMS压阻式压力传感器 553
触的标准，从而无法形成欧姆接触，使信号无法
引出。
为了解决上述问题，本文设计了一种新的工
艺方案。该方案直接把信号输出电极预先镶嵌在
硅与Pyrex7740的键合面上，通过阳极键合制备
出电极的内连接技术。通过使用干法刻蚀，在薄
膜上刻出电极孔，露出A1电极表面。最后在每
个电极上焊金丝，这样就可以将电信号从键合面
之间引出来。图5是制作完成的压阻压力传感器
芯片实物图。
(a)传感器实物图与尺子的对比图
(a)Comparison diagram of fabricated sensor and ruler
(b)传感器正面图
(b)Top view of pressure sensor
(c)内部预埋电极
(c)Photo of embedded electrodes
图5 压阻式压力传感器实物图
Fig．5 Photos of piezoresistive pressure sensor
4 压力传感器的测试
在没有补偿的情况下，采用5 V恒压源作为
激励电压，并对压力传感器施加O～600 kPa的压
力，最后用最小二乘法对测试数据进行拟合，压
力传感器在不同温度环境下的输出特性如图6所
示。压力传感器的一些主要参数如表1所示。
图6 不同温度下的压力一输出电压关系
Fig．6 Dependence of output voltage on pressure un
der different temperatures
表1 压力传感器主要参数
Tab．1 M ain parameters of pressure sensor
量程／ 最高工作 灵敏度／ 线性度／ 迟滞／ 重复性／
MPa 温度／~c mV／V-MPa
5 结 论
设计了一种新型结构的微压阻式压力传感
器，采用离子注入的方法在SOI上制作压敏电
阻，再与有正方形空腔结构的Pyrex7740进行阳
极键合，制作出了芯片尺寸为1．5 mm×1．5 mm
×500 m 的压阻式压力传感器。该传感器将压
敏电阻安置在敏感薄膜下方，并通过阳极键合技
术把它们封装在密闭环境中，解决了外界环境对
压敏电阻的影响；通过从键合面之间引出电极，解
决了电信号内外连接的工艺难点，从而降低了成
本和工艺难度，提高了成品率。经压力检测平台
测试，该压力传感器在25～125℃ 的线性度小于
2．73 ，灵敏度为20 mY／V—MPa，达到了设计和
应用的要求。
踟 ∞ 如∞ 如加m O
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554 光学精密工程 第2O卷
参考文献：
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作者简介：
伞海生(1970一)，男，吉林榆树人，副
教授，硕士生导师，1993于西南科技
大学获得学士学位，2006年于兰州大
学材料物理专业获得博士学位，主要研
究方向为MEMS传感器、射频MEMS
器件、微光机电系统及器件、微能源器
件及系统、微波光电子、光纤光学、材料
物理等。E-mail：sanhs@xmu．edu．cn
宋子军(1988一)，男，江西吉安人，硕士
研究生，2010年于南昌航空大学获得
学士学位，主要研究方向为MEMS传
感器。E-mail：songzijun1018@ 126．
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王翔(1987一)，男，河北邯郸人，硕士研
究生，2011年于中北大学获得学士学
位，主要研究方向为MEMS能量收集
器。E-mail：03107866335．ok@ 163．
COm
赵燕立(1987一)，男，山东济宁人，硕士
研究生，2010年于山东科技大学获得
学士学位，主要研究方向为低温硅硅键
合技术。E-mail：yanli48@126．corn
_ I
第3期 伞海生，等：适用于恶劣环境的MEMS压阻式压力传感器 555
l 余煜My主博授获uE 士得要，Mh硕e从博后玺Sa士r(事流t传1生@9动学高感7导x4站m位温一器师u博聚，)方，2士，0合0男面后85物，的于出湖陶南研站厦国瓷攸并究门防材县留。大科料人校E学技—、任，m化大高副a教i学温l，： ． edu．cn
● 下期预告
红外双波段视景仿真器光学系统设计
杨 乐 ，孙 强 ，方 伟 ，李 淳
(1．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；
2．中国科学院研究生院，北京100049)
针对红外双波段成像系统性能测试与评估的应用需求，利用谐衍射透镜独特的温度和色散特性，设
计了一套基于数字微镜器件的消热差的3～5 btm和8～12 m双波段红外视景仿真器光学系统。探讨
了红外双波段视景仿真用投影光学系统的像差特性和设计方法，并对系统的无热化进行了分析。采用
分光板和补偿板，解决了大相对孔径条件下投影系统的远心照明分光和像差平衡问题，提高了分辨率和
均匀性，增大了视场。系统由远心投影光学系统和像面倾斜的柯勒照明光学系统组成，仅使用锗和硫化
锌两种普通红外材料，并引入谐衍射元件，实现红外双波段远心投影光学系统的光学被动消热差，提高
了系统的稳定性。系统焦距为255 mm，F#为2．6，视场角为5．1。，出瞳距为240 mm，在空间频率16
Ip／mm 处，一2O～60℃ 下，中波红外MTF~0．6，长波红外MTF>0．3，均接近衍射极限。系统具有良
好的复消色差和减热差特性，并具有分辨率高、均匀性好、结构紧凑等优点，满足设计要求。

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