中心議題：

• 犧牲層結構壓力傳感器
• 壓力傳感器犧牲層厚度對過載能力的影響

采用微機電係統( MEMS) 犧(xi)牲(sheng)層(ceng)技(ji)術(shu)製(zhi)作(zuo)的(de)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)具(ju)有(you)芯(xin)片(pian)尺(chi)寸(cun)小(xiao)，靈(ling)敏(min)度(du)高(gao)的(de)優(you)勢(shi)，但(dan)同(tong)時(shi)也(ye)帶(dai)來(lai)了(le)提(ti)高(gao)過(guo)載(zai)能(neng)力(li)的(de)難(nan)題(ti)。為(wei)此(ci)，本(ben)文(wen)利(li)用(yong)有(you)限(xian)元(yuan)法(fa)，對(dui)犧(xi)牲(sheng)層(ceng)結(jie)構(gou)壓(ya)阻(zu)式(shi)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)彈(dan)性(xing)膜(mo)片(pian)的(de)應(ying)力(li)分(fen)布(bu)進(jin)行(xing)了(le)靜(jing)態(tai)線(xian)性(xing)分(fen)析(xi)和(he)非(fei)線(xian)性(xing)接(jie)觸(chu)分(fen)析(xi)。通過這兩種分析方法的結合，準確的模擬出過載狀態下傳感器的應力分布。在此基礎上給出了壓力傳感器的一種結構設計方法
，從而可使這種壓力傳感器過載保護能力提高180% ～ 220%。

采用MEMS 技術的小量程、高靈敏壓力傳感器通常有平膜
、島膜、梁膜等結構
，在設計過載保護時，一般采用凸台等方法實現
，形成方法有背部刻蝕技術、矽直接鍵合( SDB) 技術
、玻(bo)璃(li)刻(ke)蝕(shi)技(ji)術(shu)等(deng)。然(ran)而(er)這(zhe)些(xie)結(jie)構(gou)的(de)腔(qiang)體(ti)尺(chi)寸(cun)較(jiao)大(da)，進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)靈(ling)敏(min)度(du)受(shou)到(dao)限(xian)製(zhi)
，而(er)且(qie)降(jiang)低(di)了(le)矽(gui)片(pian)利(li)用(yong)率(lv)，增(zeng)加(jia)了(le)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)的(de)複(fu)雜(za)度(du)，提(ti)高(gao)了(le)生(sheng)產(chan)成(cheng)本(ben)。目(mu)前(qian)小(xiao)量(liang)程(cheng)、高靈敏壓力傳感器的研究熱點集中在犧牲層結構壓力傳感器
，這主要是因為犧牲層結構壓力傳感器彈性膜片很薄，厚度可做到2 μm，shenzhigengbo。zaizheyangbodejiegoushang
，ruguocaiyongkuosanguihuoduojingguibomozuoweixishengcengjiegouyalichuanganqideyingbiandianzu
，qihouduxiangduijiaoda，duidanxingmopianyinglifenbuyingxianghenda，buliyuxishengcengjiegouyalichuanganqidexingnengyouhua，yincicaiyongduojingguinamibomozhizuoyingbiandianzugengnengfahuixishengcengjishudeyoudian。

通(tong)常(chang)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)應(ying)變(bian)電(dian)阻(zu)是(shi)在(zai)單(dan)晶(jing)矽(gui)片(pian)上(shang)擴(kuo)散(san)或(huo)注(zhu)入(ru)雜(za)質(zhi)的(de)方(fang)式(shi)實(shi)現(xian)
，為(wei)了(le)改(gai)善(shan)溫(wen)度(du)特(te)性(xing)，後(hou)來(lai)也(ye)采(cai)用(yong)了(le)多(duo)晶(jing)矽(gui)薄(bo)膜(mo)
，但(dan)普(pu)通(tong)多(duo)晶(jing)矽(gui)薄(bo)膜(mo)的(de)應(ying)變(bian)因(yin)子(zi)較(jiao)小(xiao)，不(bu)利(li)於(yu)提(ti)高(gao)靈(ling)敏(min)度(du)。最(zui)新(xin)研(yan)究(jiu)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，多(duo)晶(jing)矽(gui)納(na)米(mi)薄(bo)膜(mo)具(ju)有(you)顯(xian)著(zhu)的(de)隧(sui)道(dao)壓(ya)阻(zu)效(xiao)應(ying)，表(biao)現(xian)出(chu)比(bi)常(chang)規(gui)多(duo)晶(jing)矽(gui)薄(bo)膜(mo)更(geng)優(you)越(yue)的(de)壓(ya)阻(zu)特(te)性(xing)，重(zhong)摻(chan)雜(za)條(tiao)件(jian)下(xia)其(qi)應(ying)變(bian)因(yin)子(zi)仍(reng)可(ke)達(da)到(dao)34
，具有負應變因子溫度係數，數值小於1 × 10 － 3 /℃，電阻溫度係數可小於2 × 10 － 4 /℃。yinci，zaixishengcengjiegouyalichuanganqishang，caiyongduojingguinamibomozuoyingbiandianzu
，keyitigaolingmindu
，kuodagongzuowendufanwei，jiangdiwendupiaoyi。raner
，xishengcengjiegoufeichangbo
，ruhetigaochuanganqideguozainenglixiandeyouweizhongyao。duici，benwenzaibaozhengchuanganqimanliangchengfanweineixianxingxiangyingdeqiantixia
，tiaozhengxishengcenghoudu，tongguodanxingmopianyuchendideshidangjiechulaiyouxiaotigaochuanganqideguozainengli。

1 犧牲層結構壓力傳感器

犧牲層結構壓力傳感器是指彈性膜片利用犧牲層技術製作而成的壓力傳感器，結構示意圖如圖1所示，其中AB( A''B'') 為膜片寬度a，AA''( BB'') 為膜片長度b，H1為膜片厚度
，H2為犧牲層厚度。

圖1 犧牲層結構壓力傳感器

在(zai)表(biao)麵(mian)微(wei)加(jia)工(gong)中(zhong)，由(you)澱(dian)積(ji)到(dao)襯(chen)底(di)和(he)犧(xi)牲(sheng)層(ceng)上(shang)的(de)薄(bo)膜(mo)作(zuo)為(wei)結(jie)構(gou)層(ceng)，對(dui)微(wei)小(xiao)結(jie)構(gou)的(de)尺(chi)寸(cun)更(geng)易(yi)控(kong)製(zhi)，器(qi)件(jian)的(de)尺(chi)寸(cun)得(de)以(yi)減(jian)小(xiao)。然(ran)而(er)，這(zhe)些(xie)結(jie)構(gou)層(ceng)的(de)機(ji)械(xie)性(xing)能(neng)高(gao)度(du)依(yi)賴(lai)於(yu)澱(dian)積(ji)和(he)隨(sui)後(hou)的(de)加(jia)工(gong)過(guo)程(cheng)，相(xiang)對(dui)低(di)的(de)澱(dian)積(ji)速(su)率(lv)雖(sui)然(ran)限(xian)製(zhi)了(le)所(suo)製(zhi)作(zuo)器(qi)件(jian)的(de)厚(hou)度(du)，但(dan)是(shi)由(you)於(yu)結(jie)構(gou)層(ceng)厚(hou)度(du)低(di)


，所(suo)以(yi)能(neng)製(zhi)作(zuo)出(chu)量(liang)程(cheng)更(geng)小(xiao)、靈敏度更高的壓力傳感器。

本文以量程0.1 MPa 的犧牲層結構壓力傳感器為例

，設計出電壓源E =5 V 時，滿量程輸出為60 mV的壓力芯片。為了滿足靈敏度的設計要求
，改變彈性膜片的寬度、長度
、厚度和犧牲層厚度對應力分布進行模擬仿真( 模擬仿真時多晶矽楊氏模量EX = 1.7 ×1011 N/m2
，泊鬆比PRXY =0.24，多晶矽納米薄膜應變因子G =30) ，經過優化後，得到滿足設計要求的彈性膜片尺寸: 長度a = 300 μm、寬度b = 150 μm、膜片厚度H1 =3 μm、犧牲層厚度H2 =3.5 μm。
[page]
針對所設計的壓力傳感器芯片，進行了投片實驗，其主要工藝步驟如下: ①在矽襯底上
，采用PECVD 方法澱積一層二氧化矽作為犧牲層; ②采用PECVD 方法澱積一層二氧化矽，經過光刻形成腐蝕通道;③在犧牲層上采用LPCVD 方法澱積一層多晶矽作為結構層
，經過光刻形成腐蝕孔; ④用氫氟酸溶液釋放犧牲層，再采用LPCVD 方法澱積一層多晶矽，從而使腔體密封; ⑤熱氧化一層二氧化矽作為絕緣層，在其上采用LPCVD 方法澱積多晶矽納米薄膜作為電阻層;⑥采用PECVD 方法澱積一層二氧化矽作為鈍化層，並利用離子注入方法對電阻層進行局部摻雜，形成應變電阻; ⑦利用光刻技術對鈍化層進行光刻，從而形成引線孔。最後，蒸鋁形成金屬布線。

試製的芯片實拍照片如圖2 所示。

圖2 壓力芯片照片

采用氣體加壓的方式對芯片樣品進行了測試。測試溫度條件為室溫，激勵源為1 mA 恒流源，其輸出特性測試結果如圖3 所示。

圖3 壓力芯片輸出特性測試結果

由圖3 可ke見jian
，隨sui著zhe壓ya力li載zai荷he的de增zeng加jia，輸shu出chu電dian壓ya並bing未wei隨sui之zhi線xian性xing增zeng加jia，其qi增zeng加jia的de程cheng度du逐zhu漸jian減jian小xiao，而er且qie滿man量liang程cheng輸shu出chu未wei達da到dao設she計ji要yao求qiu。經jing過guo分fen析xi

，出chu現xian圖tu3 suoshidexianxiangyinggaishiyouyuxinpiandemifengqiangtiyouxielouyinqide。suiranyouxielou，danxinpianrengranbiaoxianchuleyalimingantexing
，erqieliyongduojingguinamimoyanzhideguibeijiegouyalichuanganqinenggoumanzushejiyaoqiu。yinci，gaishangongyijiejuexielouwentihou，xishengcengjiegouduojingguinamimoyalichuanganqidexingnengyinggainengmanzushejiyaoqiu。

2 犧牲層厚度對過載能力的影響

對於上述0.1 MPa 傳感器，當最大應力達到矽的斷裂強度4.5 × 108 N/m2 時shi，膜mo片pian底di部bu與yu襯chen底di不bu發fa生sheng接jie觸chu
，過guo載zai能neng力li不bu高gao。如ru果guo減jian小xiao犧xi牲sheng層ceng厚hou度du使shi膜mo片pian斷duan裂lie前qian與yu襯chen底di接jie觸chu便bian可ke提ti高gao過guo載zai能neng力li
，犧xi牲sheng層ceng厚hou度du越yue小xiao過guo載zai能neng力li越yue強qiang


，但dan不bu可ke避bi免mian會hui引yin入ru非fei線xian性xing形xing變bian
，因yin此ci本ben文wen將jiang利li用yong靜jing態tai線xian性xing分fen析xi與yu非fei線xian性xing接jie觸chu分fen析xi相xiang結jie合he的de方fang法fa
，對dui犧xi牲sheng層ceng厚hou度du進jin行xing優you化hua設she計ji，提ti高gao壓ya力li傳chuan感gan器qi的de過guo載zai能neng力li。

2.1 過載能力及極限過載能力
對dui於yu采cai用yong濕shi法fa腐fu蝕shi的de擴kuo散san矽gui壓ya力li傳chuan感gan器qi，其qi壓ya力li敏min感gan結jie構gou上shang的de二er氧yang化hua矽gui和he氮dan化hua矽gui等deng絕jue緣yuan或huo保bao護hu層ceng厚hou度du比bi彈dan性xing膜mo厚hou度du小xiao很hen多duo，一yi般ban在zai結jie構gou分fen析xi和he應ying力li分fen布bu分fen析xi中zhong可ke以yi忽hu略lve它ta們men的de影ying響xiang。但dan是shi，本ben文wen的de犧xi牲sheng層ceng結jie構gou壓ya力li傳chuan感gan器qi的de多duo晶jing矽gui彈dan性xing膜mo片pian厚hou度du為wei3 μm
、二氧化矽絕緣層厚度為0.5 μm，二氧化矽層厚度相對於多晶矽而言不可以忽略
，所以在優化模擬仿真時需要考慮其對應力分布的影響。

利用有限元法對上述0. MPa 傳感器的力敏結構進行模擬分析，可知當加載壓力使膜片上的最大應力剛好達到矽的斷裂強度時
，膜片中心的撓度為1.6 μm。顯然，犧牲層厚度H2 ＜ 1.6 μm 時，膜片在斷裂前可與襯底接觸

，因此
，需要采用非線性接觸分析來計算過載能力; 而犧牲層厚度H2≥1.6 μm 時
，無需考慮膜片與襯底接觸問題。
[page]
犧牲層厚度H2 ＜ 1.6 μm 時(shi)
，隨(sui)著(zhe)犧(xi)牲(sheng)層(ceng)厚(hou)度(du)的(de)減(jian)小(xiao)，使(shi)膜(mo)片(pian)與(yu)襯(chen)底(di)剛(gang)好(hao)接(jie)觸(chu)所(suo)加(jia)載(zai)的(de)壓(ya)力(li)也(ye)隨(sui)之(zhi)減(jian)小(xiao)，當(dang)犧(xi)牲(sheng)層(ceng)厚(hou)度(du)減(jian)小(xiao)使(shi)該(gai)加(jia)載(zai)壓(ya)力(li)減(jian)小(xiao)到(dao)剛(gang)好(hao)滿(man)量(liang)程(cheng)壓(ya)力(li)時(shi)，犧(xi)牲(sheng)層(ceng)厚(hou)度(du)不(bu)可(ke)再(zai)減(jian)小(xiao)，否(fou)則(ze)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)量(liang)程(cheng)範(fan)圍(wei)內(nei)將(jiang)出(chu)現(xian)了(le)非(fei)線(xian)性(xing)形(xing)變(bian)，這(zhe)樣(yang)便(bian)確(que)定(ding)了(le)減(jian)小(xiao)犧(xi)牲(sheng)層(ceng)厚(hou)度(du)提(ti)高(gao)過(guo)載(zai)能(neng)力(li)的(de)極(ji)限(xian)值(zhi)。經(jing)過(guo)仿(fang)真(zhen)，膜(mo)片(pian)長(chang)度(du)a = 300 μm、寬度b = 150 μm、膜片厚度H1 = 3 μm 時，對應的犧牲層厚度最小值為0.3μm。下麵利用有限元分析軟件對此參數的壓力傳感器進行非線性接觸分析。按照模型建立
、網格劃分、接觸對建立、加載、求解的順序進行模擬仿真。當最大應力達到矽的斷裂強度時，加載壓力為1.55MPa，仿真結果如圖4 所示，其中點O 處於膜片中心。

圖4 四分之一彈性膜片極限變形剖麵圖

在壓力傳感器實際設計中

，出於工藝精度的考慮，相比滿量程加載時，犧牲層厚度的最小值應該留有餘量。若以量程的50%為餘量，則犧牲層厚度最小值應為加載0.15 MPa 時對應的尺寸。經過仿真後，留有餘量的犧牲層厚度最小值為0.5 μm，此時當膜片最大應力達到矽的斷裂強度時，加載壓力為1.35 MPa。

犧牲層厚度H2 ＞ 1.6 μm 時，進行線性分析仿真，以H2 = 3.5 μm 為例
，按照模型建立、網格劃分、加載、求解的順序進行線性模擬仿真。當最大應力達到矽的斷裂強度時
，加載壓力為0.47 MPa
，其應力分布的仿真結果如圖5 所示。

圖5 四分之一彈性膜片極限變形時應力分布圖[page]

2.2 犧牲層厚度與過載能力間的關係
利用非線性接觸分析與線性分析的仿真方法，對犧牲層厚度H2在0． 3 μm ～ 3． 5 μm 之間變化時進行具體的仿真，給出了膜片最大應力達到矽的斷裂強度時
，襯底和膜片之間的距離ΔH 與犧牲層厚度H2的關係


，如圖6 所示。同時也給出了膜片最大應力達到矽的斷裂強度時所施加的壓力載荷Pmax( 過載能力) 與犧牲層厚度H2關係，如圖7 所示.

由圖7 可見
，犧牲層厚度H2小於1.6 μm 時
，由於彈性膜片在斷裂前受到襯底的支撐，傳感器的過載能力隨犧牲層厚度的減小得到顯著提高。

3 討論

通tong過guo前qian麵mian對dui過guo載zai能neng力li的de分fen析xi可ke以yi看kan到dao，對dui於yu犧xi牲sheng層ceng結jie構gou壓ya力li傳chuan感gan器qi
，可ke以yi通tong過guo減jian小xiao犧xi牲sheng層ceng厚hou度du的de方fang法fa提ti高gao過guo載zai能neng力li，但dan犧xi牲sheng層ceng厚hou度du不bu可ke過guo小xiao，否fou則ze傳chuan感gan器qi在zai量liang程cheng範fan圍wei內nei將jiang出chu現xian了le非fei線xian性xing形xing變bian。對dui於yu量liang程cheng為wei0.1 MPa的犧牲層結構壓力傳感器
，犧牲層厚度最小值為0.3 μm，其過載能力為1.55 MPa，明顯大於犧牲層厚度較大且彈性膜片斷裂前不和襯底接觸的壓力傳感器的過載能力
，比犧牲層厚度為3.5 μm 傳感器的過載能力( 0.47 MPa) 提高223%。在zai實shi際ji設she計ji中zhong
，為wei了le保bao證zheng傳chuan感gan器qi在zai正zheng常chang工gong作zuo壓ya力li範fan圍wei內nei的de線xian性xing精jing度du
，應ying該gai根gen據ju工gong藝yi精jing度du，適shi當dang增zeng加jia犧xi牲sheng層ceng厚hou度du。如ru果guo將jiang上shang述shu最zui小xiao犧xi牲sheng層ceng厚hou度du值zhi( 0.3 μm) 增加到0.5 μm，則相應的過載能力降低為1.35 MPa，仍然比犧牲層厚度為3.5 μm 傳感器的過載能力( 0. 47 MPa) 高180%。

從圖6 的仿真結果可以看到，當H2≤1.6 μm 時
，ΔH =0，彈性膜片在斷裂時已經和襯底接觸，傳感器的過載能力可得到有效提高。這一點可從圖7 的仿真結果得到進一步說明，當H2≤1. μm 時，膜片最大應力達到矽的斷裂強度時所施加的壓力載荷Pmax隨H2減小急劇變大，這是因為此時膜片與襯底接觸，傳感器應變非線性變化程度增加，抗過載能力得到了極大的提高; 當H2 ＞1.6 μm 時
，Pmax隨著H2變大緩慢增加
，基本保持在最小值附近。因此通過適當控製犧牲層厚度，可以有效提高傳感器的抗過載能力。

4 結論

針zhen對dui犧xi牲sheng層ceng結jie構gou壓ya力li傳chuan感gan器qi的de過guo載zai保bao護hu設she計ji，本ben文wen在zai保bao證zheng傳chuan感gan器qi滿man量liang程cheng範fan圍wei內nei線xian性xing響xiang應ying的de前qian提ti下xia
，調tiao整zheng犧xi牲sheng層ceng厚hou度du，通tong過guo彈dan性xing膜mo片pian與yu襯chen底di的de適shi當dang接jie觸chu來lai有you效xiao提ti高gao傳chuan感gan器qi的de過guo載zai能neng力li。利li用yong有you限xian元yuan法fa，對dui傳chuan感gan器qi彈dan性xing膜mo片pian的de應ying力li分fen布bu進jin行xing了le靜jing態tai線xian性xing分fen析xi和he非fei線xian性xing接jie觸chu分fen析xi，得de到dao了le下xia述shu結jie論lun。

對(dui)於(yu)犧(xi)牲(sheng)層(ceng)結(jie)構(gou)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)減(jian)小(xiao)犧(xi)牲(sheng)層(ceng)厚(hou)度(du)的(de)方(fang)法(fa)提(ti)高(gao)過(guo)載(zai)能(neng)力(li)，但(dan)犧(xi)牲(sheng)層(ceng)厚(hou)度(du)不(bu)可(ke)過(guo)小(xiao)，否(fou)則(ze)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)量(liang)程(cheng)範(fan)圍(wei)內(nei)將(jiang)出(chu)現(xian)了(le)非(fei)線(xian)性(xing)形(xing)變(bian)。

對於量程為0.1 MPa 的犧牲層結構壓力傳感器，通過適當控製犧牲層厚度，可以使傳感器的過載能力提高180% ～220%。