MEMS多晶硅纳米膜压力传感器过载能力设计_冯张彬.pdf

收稿日期:2023 04 25基金项目:国家重点研发计划(2018YFB1700200);2020 年辽宁省高等学校创新人才支持计划;2021 年度高等学校基本科研项目重点资助项目(LJKZ0442)第一作者:冯张彬(1994)，男，山西吕梁人，硕士研究生，主要从事微机电系统设计的研究。通信作者:熊福敏(1994)，男，湖南常德人，硕士研究生，主要从事 MEMS 压力传感器的研究。E mail:Xiongfumin_sycut163 comMEMS 多晶硅纳米膜压力传感器过载能力设计冯张彬，熊福敏，王健，赵立杰，席宇欣(沈阳化工大学 信息工程学院，辽宁 沈阳 110142)摘要:针对 MEMS 压力传感器感压膜片受较大压力易发生断裂而导致传感器性能失效问题，提出了 MEMS 多晶硅纳米膜压力传感器过载能力设计的方法。采用厚度为 80 nm 多晶硅薄膜构建感压膜片结构，利用静态大变形和接触非线性有限元分析方法，分析感压膜片触底保护的腔体高度，在此基础上，进一步得出感压膜片尺寸与过载能力的关系，并重点讨论了不同传感器量程下改变膜片尺寸对过载能力的影响。仿真结果表明，所设计的 1 MPa 量程 MEMS 多晶硅纳米膜压力传感器，其过载能力 8 MPa，为传感器量程 8 倍。本次研究为 MEMS 压力传感器的实际生产制备提供了新思路。关键词:MEMS 压力传感器;多晶硅纳米膜;过载能力;有限元分析;腔体高度中图分类号:TP212文章编号:1000 0682(2023)04 0089 04文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 04 016Design of overload capacity for MEMS polysilicon nanomembrane pressure sensorFENG Zhangbin，XIONG Fumin，WANG Jian，ZHAO Lijie，XI Yuxin(School of Information Engineering，Shenyang University of Chemical Technology，Liaoning Shenyang 110142，China)Abstract:Aiming at the problem that the diaphragm of MEMS pressure sensor is prone to breakageunder high pressure，which readily brings about the disability of its performance，a method for designingthe overload capacity of MEMS polysilicon nanomembrane pressure sensor is proposed A pressure sensi-tive diaphragm structure is constructed by using polysilicon film with a thickness of 80 nm，and the classi-cal finite element methods，such as static large deformation and contact nonlinear，are introduced First，the cavity height on bottom protection for a pressure sensitive diaphragm is analyzed The relationship wasthen determined between the sizes of a pressure sensitive diaphragm and overload capacity Particularly，the effects of the diaphragm size on overload capacity under different sensor ranges are mainly discussedFor the designed MEMS polysilicon pressure sensor with a range of 1 MPa，the simulation results showthat its overload pressure is up to 8 MPa，which is 8 times the range of the sensor The studies on itsoverload capacity furnishes a novel scheme for the practical application of MEMS pressure sensorsKeywords:MEMS pressure sensor;polysilion nanomembrane;overload capacity;finite elementanalysis;cavity height0引言通常，MEMS 压力传感器感压膜片最大应力随膜片施加压力增加而增大1，当应力增大到一定程度时，可引起感压膜片易发生断裂现象2，致使传感器性能失效，且膜片最大应力刚好达该膜片材料的抗拉强度时，此时膜片施加压力即为该传感器结构的过载能力。因此，为确保传感器性能，需对其过载能力进行优化设计。目前，在 MEMS 压力传感器实际工作应用中，982023 年第 4 期工业仪表与自动化装置其过载能力的设计主要有两种方法:传感器衬底设计为凸台结构;减小传感器结构的腔体高度3。使用前一种方法设计的情况下，若其感压膜片施加压力过大，则会发生膜片与凸台衬底接触现象，此时可避免感压膜片继续向下移动，从而可增强 MEMS 压力传感器过载保护能力。但是，此种传感器凸台衬底的设计方法需满足一定的尺寸精度要求，即衬底凸台的高度误差需精确到亚微米级别4。通常采用体硅工艺技术设计的传感器因其结构尺寸较大，致使其衬底上凸台高度达到上百微米，此种凸台高度下无法有效使其误差精确到亚微米级别。然而，通过 MEMS 技术工艺制作传感器腔体结构可有效解决体硅工艺技术的设计不足5。通常，设计MEMS 压力传感器结构时，考虑多晶硅抗拉强度是单晶硅的两倍6，并且厚度为 80 nm 的多晶硅薄膜具有优越压阻特性和良好弹性7，为提高传感器过载能力，利用多晶硅纳米膜为传感器感压膜片和二氧化硅为牺牲层，并采用 MEMS 工艺技术可实现传感器感压膜片厚度低于 2 m，其腔体高度尺寸可设计为仅有几十纳米，此种传感器结构设计可有效提高其过载保护能力8。因此，该文通过采用构建MEMS 压力传感器模型，采用有限元仿真分析方法对传感器结构进行细致分析，优化传感器结构尺寸设计，从而显著提高 MEMS 压力传感器的过载保护能力。1传感器结构基于 MEMS 技术与多晶硅优越压阻特性和良好弹性，采用矩形结构薄膜，设计了量程为1 MPa 的MEMS 多晶硅纳米膜压力传感器，其结构如图 1 所示。其中，薄膜长宽比设计为 2 19，a 表示感压膜片长度，b 表示感压膜片宽度，D 表示感压膜厚度，h表示腔体高度，1、2、3及 4分别表示 4 个多晶硅薄膜力敏电阻，且其连接形成惠斯通电桥电路，可精准测量被测压力。此外，为增强惠斯通电桥零点输出精度，布置了 8 个焊盘在感压膜片附近。图 1传感器结构示意图2传感器过载能力设计分析该文 MEMS 压力传感器结构的过载保护能力时，发现其影响因素主要有 4 个，即感压膜片长度;感压膜片宽度;感压膜片厚度;传感器结构的腔体高度。该文 MEMS 压力传感器过载保护能力设计思路是通过调整传感器感压膜片宽度，使其膜片尺寸发生变化，再通过有限元仿真分析传感器结构的过载保护能力。此外，在分析感压膜片尺寸对传感器结构的过载保护能力时，还需注意一个问题，即需尽量保持传感器灵敏度不变，为实现此目的，需在改变感压膜片尺寸时使膜片应变不变小。仿真分析表明，发现感压膜片厚度增大时，其最大应变随之增大。所以，为使传感器灵敏度保持不变，在改变膜片厚度时，需保证满量程压力作用下膜片最大应变保持 5 104不变10，并利用有限元仿真获得膜片最大应变对应的中心挠度，且该挠度值可作为分析传感器触底保护的腔体高度。在该文 MEMS 压力传感器结构中，通过改变膜片尺寸进行有限元仿真得出，膜片应力增大到一定程度后可导致多晶硅断裂，此时施加的压力即为其过载能力。2 1感压膜片触底保护的腔体高度分析 MEMS 压力传感器结构过载能力时，发现其过载能力随腔体高度减小而增强，但设计时还需注意一点，即确保传感器量程内压力作用时，应避免感压膜片与衬底出现接触现象，从而导致传感器结构出现非线性问题11。因此，为使 MEMS 压力传感器结构的过载能力最大化，设计传感器结构的腔体高度需满足一项条件，即传感器满量程压力情况下，内部设置的感压膜片与衬底刚好接触，此时膜片中心挠度可作为传感器结构的腔体高度，这一高度下器件的最大过载能力就是其结构的过载能力。通常，首先确定感压膜片的长度和宽度，随后设计膜片厚度尺寸，在确保感压膜片与衬底不发生接触条件下，通过调整感压膜片厚度，利用静态大变形方法仿真。结果表明，满量程压力作用下，感压膜片最大应变达到 5 104时，此时所对应的膜片厚度09工业仪表与自动化装置2023 年第 4 期大小即为感压膜片的厚度尺寸设计值。该文设计感压膜片长度和宽度的比例为 2 1，通过改变感压膜片的宽度，采用上述方法依次进行仿真，可确定出膜片宽度与膜片厚度的关系，如图 2 所示。同时，还可获得该膜片厚度所对应的膜片中心挠度，并选择该膜片中心挠度值作为感压膜片触底保护的腔体高度，即可获得感压膜片宽度与其腔体高度之间的关系，如图 3 所示。图 2满量程压力下膜片最大应变保持 5 104不变时膜片宽度和厚度关系图 3满量程压力下膜片最大应变保持 5 104不变时膜片宽度和腔体高度关系2 2感压膜片尺寸与过载能力的关系分析图 2 与图 3，发现只要确定了感压膜片的宽度，即可确定膜片的长度、厚度及腔体高度。因此，确定每一组 MEMS 压力传感器的结构尺寸后，为设计各组传感器结构的过载能力，该文以感压膜片宽度 b 为150 m 为例进行分析，并通过图2 与图3 可知，此时该膜片长度 a、厚度 D 及传感器结构的腔体高度 h 分别设计为 300 m、5 m 及 0 74 m。同时，在传感器结构过载能力设计过程中，采用接触非线性仿真分析方法，选取多晶硅断裂强度为 1 20109Pa12。仿真结果表明，感压膜片最大应力随压力增大而相应的增加，该压力达到一个阈值时引起多晶硅断裂，而这一阈值为 8 MPa，则该传感器结构的最大过载能力即为 8 MPa，此时感压膜片的最大应力出现在膜片长边的边缘处，其沿感压膜片长度方向的应力分布如图 4 所示。图 4沿感压膜片长度方向膜片应力达到多晶硅断裂时应力分布由图 2 与图 3 可知，在该文 MEMS 压力传感器结构过载能力仿真设计中，感压膜片宽度的设置范围区间为 60 m，400 m，通过调整感压膜片的宽度 b，可获取不同膜片宽度 b 下感压膜片的长度 a、厚度 D 及传感器结构腔体高度 h，并根据该传感器结构尺寸构建 MEMS 压力传感器 1/4 仿真模型，利用接触非线性仿真分析方法，发现感压膜片施加压力增大时，膜片最大应力随之增大，当其达到多晶硅的断裂强度 1 20 109Pa 时，该压力即为器件结构最大过载压力，从而获得感压膜片宽度与最大过载压力的关系，如图 5 所示。为分析 1 MPa 量程与最大过载压力的倍数关系，例如选择感压膜片宽度为240 m，长度为 480 m，由图 3 与图 4 可获得膜片厚度为 7 75 m，腔体高度为 1 16 m，该传感器结构尺寸下最大过载压力为 14 9 MPa，其压力大小是量程约 15