低热零点漂移的高温绝压压力传感器_王天靖.pdf

2023 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No2收稿日期:20220728低热零点漂移的高温绝压压力传感器王天靖1，梁庭1，雷程1，王丙寅2，陈国锋2(1中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;2内蒙古动力机械研究所，内蒙古呼和浩特010000)摘要:传统的高温绝压压力传感器一般采用硅和玻璃进行阳极键合来制备绝压腔。由于高温环境下硅片和硼硅玻璃的热膨胀系数不匹配，从而产生较高的热零点漂移。文中提出了一种低热零点漂移的压力传感器设计方案，由硅玻璃硅的三层结构代替普通的双层阳极键合结构，并给出了热力学仿真模型。分析表明:改变传感器硅与玻璃的结构比例，实现应力匹配可以有效减小热应力。对芯片进行了高温实验测试，发现传感器的热零点漂移变化率减小了 50%。关键词:绝压传感器;热应力;热膨胀系数;仿真;三层键合;热零点漂移中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:10021841(2023)02000804High Temperature Absolute Pressure Sensor with Low Thermal Zero DriftWANG Tian-jing1，LIANG Ting1，LEI Cheng1，WANG Bing-yin2，CHEN Guo-feng2(1North University of China，Key Laboratory of Instrument Science and Dynamic Testing，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China;2Inner Mongolia Power Machinery Institute，Hohhot 010000，China)Abstract:The traditional high temperature absolute pressure sensor usually uses silicon and glass anode bonding to preparethe absolute pressure chamberDue to the mismatch of thermal expansion coefficient of silicon wafer and borosilicate glass in hightemperature environment，high thermal zero drift occursIn this paper，a design scheme of pressure sensor with low thermal zerodrift was proposedThe three-layer structure of silicon-glass-silicon was used to replace the common double-layer anode bondingstructure，and the thermodynamic simulation model was givenThe analysis shows that changing the structural ratio of the sensorsilicon and glass to achieve stress matching can effectively reduce thermal stressThe chip is tested at high temperature，and it isfound that the thermal zero drift rate of the sensor was reduced by 50%Keywords:absolute pressure sensors;thermal stress;coefficient of thermal expansion;simulation;triple bonding;thermal zero drift0引言近年来，随着航空航天、石油石化、船舶、车辆等行业的发展，压力传感器在高温环境下的应用需求也在增涨1。相较于其他工作机理的压力传感器，压阻式压力传感器具有体积小、线性度高、加工工艺成熟等优势，应用广泛2。高温压力传感器根据测量点的不同可分为绝压、差压和表压3 种类型。差压传感器和表压传感器都需要引入压力参考管，对后端的封装要求较高。而绝压传感器则只需通过键合工艺，在加工芯片时就能形成绝压腔，对封装要求较低。为降低后端封装难度，一般采用绝压传感器的方案。制备绝压参考腔通常采用晶圆键合技术，即通过化学和物理作用将2 块已镜面抛光晶片紧密地结合起来，包括硅硅键合、阳极键合等3。阳极键合技术较成熟，具有键合强度高、气密性好的特点。但在高温测试环境下，由于硅与玻璃的热膨胀系数的不匹配，导致敏感膜片发生形变，从而影响传感器的输出4。而具有较低热应力的硅直接键合，又受限于对键合晶圆表面平整度要求较高以及键合后气密性一般的缺陷。本文提出了一种新型绝压传感器键合方案，以制备出低热零点漂移的压力传感器。方案采用硅玻璃硅三层键合代替传统阳极键合的方式，调整硅与玻璃的厚度比例来实现应力匹配，从而达到减小应力的效果。通过热力学仿真分析，对比了三层键合与普通阳极键合的热应力大小，通过 MEMS 标准工艺进行了传感器芯片的制备，通过高温环境的测试，验证了压力传感器的低热零点漂移特性。1工作原理压阻式压力传感器工作原理是硅的压阻效应，压力传感器工作器件包括:感压部件和转换部件。由掺第 2 期王天靖等:低热零点漂移的高温绝压压力传感器9杂硅膜片构成感压部件，薄膜上 4 个阻值完全相同的压敏电阻组成惠斯登电桥，构成转换部件，从而将外界的压力值转换为电信号输出。惠斯登电桥原理图如图 1 所示。图 1惠斯登电桥原理当无外界压力作用于敏感膜片时，膜片不发生形变，所以 4 个压敏电阻阻值不变，电桥处于平衡状态，无输出电压。当存在压力作用于敏感膜片时，敏感膜片发生形变，4 个电阻发生不对称变化，电桥失去平衡，从而输出电压56。理想情况下，假设 4 个电阻的变化量相等，只是相邻位置电阻变化方向相反，对称位置电阻变化方向一致，即 1=2=3=4=7。电桥的输出电压可表示为式(1)，当输入电压 Uin一定时，输出电压 Uout与压敏电阻的变化率成正比。Uout=Uin(1)式中:为压敏电阻值;为电阻变化量;/为压敏电阻变化率;Uin为输入电压。2对比分析21传统阳极键合芯片由于芯片内 2 种材料的热膨胀系数不匹配，传统阳极键合芯片会产生内应力，从而引起敏感膜片的形变8。为了得到敏感膜在实际工作温度下受到的热应力分布以及表面形变情况，使用 COMSOL60 软件对其进行有限元仿真。如图 2 所示，以阳极键合芯片结构尺寸作为建模基础。图 2阳极键合芯片模型模型为硅玻璃双层结构，上层为 SOI 硅片，尺寸 3 mm3 mm04 mm，敏感膜片尺寸为 1 mm1mm006 mm;下层为 Borofloat33 玻璃，尺寸 3 mm3mm05 mm，总厚度为 09 mm。材料参数的选择如表 1 所示。表 1材料属性材料杨氏模量/1010Pa泊松比热膨胀系数/106K1SOI 硅片1600278260Borofloat33 玻璃720200325根据表 1 传感器各种材料的尺寸及参数值通过SolidWorks 软件进行建模，将该模型导入 COMSOL60仿真软件进行稳态热应力仿真分析，在传感器表面施加 400 的环境温度载荷量，通过网格划分后研究压力传感器膜片表面受到的热应力的大小、挠度变化情况。通过热应力的仿真分析得出，因为热膨胀系数的不匹配，400 的环境温度使得传感器膜片上产生较大的应力，如图3 所示。膜片表面受应力的影响，挠度发生变化。图 3膜片的表面热应力阳极键合膜片位移数据如图 4 所示，通过数据分析可知在 400 下，膜片发生形变，在中心点形变量达到最大值(407 nm)。图 4膜片的表面位移图22硅玻璃硅键合芯片受热状态下，玻璃的收缩形变量比硅的收缩形变量大。双层阳极键合芯片中，由于玻璃层的厚度比硅层的厚度大，导致硅玻璃复合结构的玻璃层是被拉10Instrument Technique and SensorFeb2023伸状态，即受拉应力。硅层是被压缩状态，弯曲受压应力9。为减小应力，即减小传感器硅与玻璃的结构比例，提出了三层键合的模型，即硅玻璃硅对称结构，如图 5 所示。图 5硅玻璃硅键合芯片模型芯片上层为 SOI 硅片，尺寸 3 mm3 mm04 mm，敏感膜片尺寸为 1 mm1 mm006 mm;中间层为Borofloat33 玻璃，尺寸 3 mm3 mm01 mm，下层为普通硅片，尺寸 3 mm3 mm04 mm，总厚度为 09 mm保持不变。将该模型导入 COMSOL60 仿真软件进行稳态热应力仿真分析。图 6 显示了硅玻璃硅键合膜片受热后产生的最大热形变位移为 286 nm，相较于阳极键合芯片的位移量减小了 121 nm。图 6三层键合芯片的表面位移图由传统阳极键合芯片和硅玻璃硅键合芯片仿真结果对比可知，400 下硅玻璃硅键合芯片膜片的位移量减小，传感器的零点漂移也会减小。3芯片制备为验证压力传感器芯片的零点漂移是否变化，分别制备 1#样品(双层，玻璃厚度 500 m)、2#样品(三层键合，玻璃厚度100 m、硅厚度400 m)2 片 SOI 压力传感器芯片。首先在 SOI 硅片上加工压敏结构，其制备流程(工艺步骤)如图 7 所示。清洗:使用有机和无机清洗液清洗晶圆表面，确保 SOI 片表面洁净度满足工艺要求;离子注入:对器件层进行 B 离子注入;重掺杂:选择对欧姆接触区进行硼元素的重掺杂，降低欧姆接触区硅的阻值10;制备金属引线:通过溅射剥离的方法制备金属引线，后续经退火工艺完成欧姆接触;刻蚀:采用深硅刻蚀的方法进行浅刻蚀，将电阻条图形化11;钝化:在电阻条以及金属引线上方制备钝化层;背腔刻蚀:通过背套工艺完成背腔图形化，通过深硅刻蚀完成背腔刻蚀12。图 7SOI 片压敏结构制备流程采用已完成压力敏感结构制备的 SOI 片、Boro-float33 玻璃和单面抛光的硅片制备实验所需的传感器芯片。31清洗将玻璃片、SOI 硅片、单抛硅片分别置于丙酮和无水乙醇中各超声清洗 5 min，除去晶圆表面的有机可溶性杂质。然后置于 3#液(H2SO4 H2O2=3 1)中150 热板加热的条件下清洗 15 min;随后用 1#液(NH3H2O H2O2 H2O=1 2 7)在 60 水浴条件下清洗 5 min，去除表面的颗粒物;去离子水冲洗后用氮气吹干，放加热台上 100 烘烤 2 min，去除表面水汽，保证晶圆表面的洁净度满足阳极键合需求。32第 1 次阳极键合将清洗过的样品片按照硅、玻璃片的顺序置于夹具上，放入键合机。硅片置于正面的阳极，先将上下热板加热到 400，此时对腔室进行抽真空，到达真空条件时，施加 1 200 N 的压力，然后接通电源，在两端电极上施加 800 V 的电压，维持 10 min，双层键合完成。33三层键合第 1 次阳极键合完成后，将键合好硅玻璃双层片取出，在夹具下方放置硅片后，再放置硅玻璃双层片，施加 1200 N 的压力，接通直流电源，两端电极施加800 V 的电压，维持 10 min，完成三层硅玻璃硅键合。第 2 期王天靖等:低热零点漂移的高温绝压压力传感器114芯片验证制作完成的传感器芯片如图 8 所示。(a)双层键合片(b)三层键合片图 8双层键合和三层键合的传感器芯片零点漂移的大小是衡量传感器应力大小的重要指标，对上述 2 种类型的芯片零点输出长期稳定性进行考核，测试温度为 400，压力载荷为 100 kPa。实验采用高温环境下的温度/压力复合平台测试设备进行测试，如图 9 所示。图 9温度/压力复合平台测