CN106168524A - 一种提高微机电系统压力传感器过载能力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高微机电系统压力传感器过载能力的方法，在保证传感器满量程范围内线性响应的前提下，根据量程、过载要求确定压力敏感腔体高度后，通过调整压力敏感弹性膜片的长度、宽度、以及膜片厚度，能够显著改变传感器的过载能力，同时还可以保证传感器的灵敏度不变小，即通过合理选择弹性膜的片尺寸提高压力传感器的过载能力。在没有增加工艺步骤和生产成本的前提下，只是通过优化了敏感结构的尺寸，提高过载能力。为研制尺寸小、灵敏度高、过载能力强的压力传感器提供了有效途径。

Description

一种提高微机电系统压力传感器过载能力的方法
技术领域
本发明主要涉及一种提高微机电系统(MEMS)压力传感器过载能力的方法，属于微机电系统(MEMS)领域。
背景技术
微机电系统(MEMS)技术从上世纪90年代以来发展迅速。压阻式压力传感器作为应用最广的一类MEMS器件，具有尺寸小、响应快、结构简单,输出信号易于处理等特点。目前已被广泛应用于交通工具、石油化工、航空航天、医学检查等各行各业。
目前市场占有率最高的压力传感器是体硅结构压力传感器，这种结构的传感器尺寸相对较大，其弹性膜片厚度一般为几十μm，难以做到10μm以下，不利于传感器的集成化，从而增加了生产成本。体硅结构压力传感器过载保护的设计方法通常是采用衬底上的凸台结构，当压力足够大时，膜片底部同衬底上的凸台接触，阻止弹性膜片的进一步向下位移，从而提高过载能力，但技术要求很高，需要控制凸台高度精度达亚微米级。实现这种结构的工艺方法目前有硅硅直接键合(SDB)技术、背部刻蚀技术、玻璃刻蚀技术等，但都不能保证凸台高度的亚微米级精度，因此对于体硅结构压力传感器，仍然无法采用弹性膜片与衬底接触的方法提高过载能力，其结构自身的过载能力通常为满量程的4倍左右。而在现代工业生产、石油化工以及汽车电子中，高过载压力等恶劣环境下的压力测量必不可少，尤其是目前在军事活动中需要体积小、过载能力强的MEMS压力传感器。正是在这种市场需求的背景之下，本发明提出了一种提高MEMS压力传感器过载能力的技术方法。
采用MEMS牺牲层技术制作的腔体克服了体硅结构的上述缺点。这种牺牲层结构压力传感器大部分采用二氧化硅为牺牲层，多晶硅为弹性膜片，压力传感器弹性膜片很薄，厚度可以做到2μm，甚至更薄。在工艺上很容易实现通过膜片触底的办法提高过载能力。在研究通过触底提高过载能力的过程中，发现通过改变膜片尺寸可以显著提高传感器的过载能力。
正是基于这种现象，本发明提出一种提高MEMS压力传感器过载能力的方法。
发明内容
本发明是一种提高MEMS压力传感器过载能力的方法。目的在于保证传感器线性输出，灵敏度不变小的前提下，通过合理选择弹性膜的片尺寸提高压力传感器的过载能力。
本发明的设计原理：
膜片断裂前与衬底接触提高过载时，改变膜片尺寸会引起压力传感器过载能力显著变化。因此可以在保证传感器满量程范围内线性响应的前提下，通过调整压力敏感弹性膜片尺寸，改变传感器的过载能力，同时还可以调整膜片厚度保证传感器的灵敏度不变小，即可以通过合理选择弹性膜的片尺寸提高压力传感器的过载能力。
本发明通过以下技术方案实现：
一种提高MEMS压力传感器过载能力的技术方法，在保证传感器满量程范围内线性响应的前提下，根据量程、过载要求确定压力敏感腔体高度后，通过调整压力敏感弹性膜片的长度、宽度、以及膜片厚度，能够显著改变传感器的过载能力，同时还可以保证传感器的灵敏度不变小，即通过合理选择弹性膜的片尺寸提高压力传感器的过载能力。
具体步骤如下：
(1)建立压力传感器芯片的结构模型；通过有限元法仿真分析，求解膜片上的应变分布，中心挠度。
(2)保持膜片长宽比不变，并在改变膜片长宽尺寸时通过仿真调整膜厚使膜片应变极值不变，从而得到灵敏度不变小前提下的膜宽-膜厚关系曲线。
(3)在步骤(2)的基础上仿真出不同膜片尺寸满量程时的膜片中心挠度。在通过弹性膜片触底提高MEMS压力传感器过载能力时，腔体高度越小过载能力越强，但在量程范围内膜片与衬底不能接触，否则会带来严重的非线性误差。因此，为最大限度提高过载能力，选择的腔体高度应恰好在满量程时弹性膜片触底，或在满足过载要求前提下，适当增加腔体高度。
(4)确定膜片尺寸与过载能力间的关系。通过调整膜片尺寸参数利用有限元分析的方法给出不同膜片尺寸对应的过载能力；
(5)根据膜片尺寸与过载能力间的关系，综合考虑实际的需求、工艺条件、生产成本因素，选择相应的尺寸，达到提高压力传感器的过载能力的目的。
本发明有益效果：
本发明所述的提高压力传感器过载能力的技术方法针对的是MEMS压力传感器，保证了传感器在满量程范围内线性响应和灵敏度不变小。在没有增加工艺步骤和生产成本的前提下，只是通过优化了敏感结构的尺寸，提高过载能力。为研制尺寸小、灵敏度高、过载能力强的压力传感器提供了有效途径。
附图说明
图1是解释本发明原理的参考芯片平面示意图；
图2是解释本发明原理的参考芯片剖面示意图；
图3是满量程时膜片中心沿宽度方向应变分布图；
图4是满量程时膜片中心沿宽度方向挠度分布图；
图5是膜片最大应变保持6×10-4不变时膜宽与膜厚关系图；
图6是膜片最大应变保持6×10-4不变时膜宽与腔体高度关系图；
图7是达到断裂强度时膜片中心沿长度方向的应力分布图；
图8是膜片宽度与最大过载能力的关系图；
图9是超过20％量程时膜片触底，膜片宽度与过载能力的关系图；
图10是量程为2MPa和8MPa的压力传感器，膜片宽度与最大过载能力的关系图。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
以图1、图2所示的压力传感器结构为例，该压力传感器主要包括单晶硅10、多晶硅20、绝缘层30、应变电阻40和铝50，其在单晶硅衬底上采用湿法腐蚀形成阶梯凹槽；之后淀积二氧化硅做为牺牲层，并通过抛光使衬底恢复平整，同时去掉了凹槽以外区域的二氧化硅；淀积第一层多晶硅20，退火后刻蚀腐蚀孔；通过腐蚀孔，湿法刻蚀牺牲层并干燥；淀积第二层或多层多晶硅20，密封腐蚀孔，形成感压膜；采用SOI技术中的智能剥离法，将表面氧化后注入氢离子层的单晶硅片与上述制备了感压膜的硅片键合，之后低温退火使注入的氢离子形成气泡令硅片剥离，这样在氧化层和氢离子层之间的单晶硅薄膜就留在了感压膜上，最后通过抛光将这层单晶硅薄膜表面平坦化；在单晶硅薄膜上扩散或离子注入掺杂，并通过光刻形成四个单晶硅薄膜应变电阻40；四个应变电阻40通过金属导线连接成惠斯通电桥，将压力转换成电压输出。
以量程为0.5MPa的上述压力传感器为例，详细说明本发明所述的提高MEMS压力传感器过载能力的方法。先选取长宽比为2:1尺寸适当的矩形膜片。为使传感器满量程范围内线性响应，膜片受到满量程压力时最大应变设计为6×10-4(该数值可根据线性度的要求进行调整)。在此前提下，通过有限元分析的方法确定该膜片尺寸下的过载能力。之后调整膜片尺寸参数给出不同膜片尺寸对应的过载能力。
具体步骤如下：
(1)选取弹性膜片宽度2为120μm，长度1为240μm，就图1结构建立有限元模型。设定材料参数：弹性模量E＝1.7×1011N/m2，泊松系数γ＝0.24通过仿真找到满量程压力下最大应变为6×10-4对应的厚度3为3.77μm；施加位移约束条件，对模型周边进行固定，限制X、Y、Z三个方向的自由度，对多晶硅感压膜垂直施加0.5MPa压力，求解得到，膜片上的应变分布图和挠度分布图，如图3，图4所示。
(2)在膜片长宽比为2：1的前提下，改变膜片宽度2，选取几个具体数值，在每个膜片尺寸下，固定膜片最大应变为6×10-4，通过仿真找出满量程压力下，最大应变为6×10-4所对应的膜片厚度3，得到固定最大应变前提下膜宽与膜厚关系曲线，如图5所示。
(3)在通过弹性膜片触底提高MEMS压力传感器过载能力时，腔体高度4越小过载能力越强，但在量程范围内膜片与衬底不能接触，否则会带来严重的非线性误差。因此，为最大限度提高过载能力，选择的腔体高度4应恰好在满量程时弹性膜片触底，即腔体高度4等于膜片中心挠度，其对应的过载能力即为最大过载能力；在步骤(2)的基础上仿真出不同膜片尺寸达到应变极值为6×10-4时所对应的膜片中心挠度，得到膜片最大应变达到6×10-4对应的膜宽与腔体高度4关系图，如图6所示。
(4)以膜片长度a＝240μm、宽度b＝120μm、膜片厚度H1＝3.77μm为例，由图4知膜片刚好触底的腔体高度4为0.336μm。膜片与衬底接触后应对其进行非线性接触分析。按照建立模型、划分网格、建立接触对、施加约束、求解、后处理的顺序进行仿真分析。取硅的断裂强度为4.5×108Pa，当最大应力达到硅的断裂强度时，求得加载的压力为13.4MPa，则该尺寸下的最大过载能力为13.4MPa，仿真结果如图7所示；利用上述方法，改变膜片宽度2，给出的膜片宽度2与最大过载能力的关系曲线，如图8所示；过载能力在满量程压力的20-36倍之间，如选取膜片宽度2为210μm、长度1为420μm、膜片厚度3为6.78μm，腔体高度4为0.564μm的压力敏感结构，其对应的最大过载能力为17.5MPa，是满量程压力的35倍。
(5)根据膜片尺寸与过载能力间的关系，综合考虑实际的需求、工艺条件、生产成本等因素，加载满量程压力时，膜片与腔体应该留有空隙，所以设计腔体高度4应适当大于0.336μm。若以量程的20％为余量，则0.5MPa量程传感器应在加载0.6MPa压力时膜片刚好触底。利用上述方法仿真给出超过20％量程时膜片触底，膜片宽度2与最大过载能力的关系曲线示意图，如图9所示；过载能力基本为满量程压力的15-28倍之间，如选取膜片宽度2为210μm、长度420μm、膜片厚度2为6.78μm，对应的腔体高度4为0.657μm的压力敏感结构，其对应的最大过载能力为13.9MPa，是满量程压力的27.8倍。
利用上述方法，可给出不同量程的压力传感器仿真结果，现选取量程为2MPa和8MPa的压力传感器进行同样的仿真分析，得到膜片宽度2与最大过载能力的关系曲线，如图10所示。

Claims (10)

1.一种提高微机电系统压力传感器过载能力的方法，其特征在于：在保证压力传感器满量程范围内线性响应的前提下，通过调整压力敏感弹性膜片尺寸，改变压力传感器的过载能力。
2.根据权利要求1所述的一种提高微机电系统压力传感器过载能力的方法，其特征在于：根据量程、过载技术要求确定压力敏感腔体高度（4）后，通过调整压力敏感弹性膜片的尺寸，提高压力传感器的过载能力。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高微机电系统压力传感器过载能力的方法，其特征在于：调整压力敏感弹性膜片尺寸包括调整膜片的长度（1）。
4.根据权利要求1或2所述的一种提高微机电系统压力传感器过载能力的方法，其特征在于：调整压力敏感弹性膜片尺寸包括调整膜片的宽度（2）。
5.根据权利要求1或2所述的一种提高微机电系统压力传感器过载能力的方法，其特征在于：调整压力敏感弹性膜片尺寸包括调整膜片的厚度（3）。
6.根据权利要求1或2所述的一种提高微机电系统压力传感器过载能力的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：建立压力传感器芯片的结构模型；通过有限元法仿真分析，求解膜片上的应变分布，中心挠度；
步骤二：保持膜片长宽比不变，并在改变膜片长宽尺寸时通过仿真调整膜厚使膜片应变极值不变，从而得到灵敏度不变小前提下的膜宽-膜厚关系曲线；
步骤三：在步骤二的基础上仿真出不同膜片尺寸满量程时的膜片中心挠度；
步骤四：确定膜片尺寸与过载能力间的关系。
7.根据权利要求6所述的一种提高微机电系统压力传感器过载能力的方法，其特征在于：所述步骤三还包括在通过弹性膜片触底提高微机电系统传感器过载能力时，腔体高度越小过载能力越强，但在量程范围内膜片与衬底不能接触，否则会带来严重的非线性误差。
8.根据权利要求7所述的一种提高微机电系统压力传感器过载能力的方法，其特征在于：为最大限度提高过载能力，选择的腔体高度应在满量程时弹性膜片触底，或在满足过载要求前提下，增加腔体高度。
9.根据权利要求6所述的一种提高微机电系统压力传感器过载能力的方法，其特征在于：所述步骤四还包括通过调整膜片尺寸参数利用有限元分析的方法给出不同膜片尺寸对应的过载能力。
10.根据权利要求9所述的一种提高微机电系统压力传感器过载能力的方法，其特征在于：根据膜片尺寸与过载能力间的关系，综合考虑实际的需求、工艺条件、生产成本因素，选择相应的尺寸，达到提高压力传感器的过载能力的目的。
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