導(dǎo)航：安全管理網(wǎng)>> 安全論文>> 電力安全論文>>正文

適用于惡劣環(huán)境的MEMS壓阻式壓力傳感器

文檔作者：傘海生宋子軍王翔趙燕立余煜璽文檔來(lái)源：廈門大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年10月02日
下載地址：點(diǎn)擊這里	文件大小： 319.53 KB 共6頁(yè)	文檔格式： PDF	下載點(diǎn)數(shù)： 1 點(diǎn)（VIP免費(fèi)）

全屏查看

內(nèi)容預(yù)覽 [文件共6頁(yè)]

本文件共6頁(yè)，如需編輯使用，請(qǐng)下載。

注：預(yù)覽效果可能會(huì)出現(xiàn)部分文字亂碼（如口口口）、內(nèi)容顯示不全等問(wèn)題，下載是正常的。

	文件大小：319.53 KB 共6頁(yè) 文件格式：PDF 下載點(diǎn)數(shù)：1 點(diǎn)（VIP會(huì)員免費(fèi)）

上一篇：核電站防護(hù)涂層的要求以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范介紹

文本預(yù)覽

僅提取頁(yè)面文字內(nèi)容，供快速閱讀使用。

第2O卷第3期
2012年3月
光學(xué)
Optics and P
精密工程
recision Engineering
V01．2O No．3
M ar．2012
文章編號(hào) 1OO4—924X(2O12)O3一O55O—O6
適用于惡劣環(huán)境的MEMS壓阻式壓力傳感器
傘海生 ，宋子軍 ，王翔 ，趙燕立 ，余煜璽。
(1．廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程系，福建廈門361005
2．廈門大學(xué)薩本棟微納米技術(shù)研究院微機(jī)電中心，福建廈門361005
3．廈門大學(xué)材料學(xué)院材料科學(xué)與工程系，福建廈門361005)
摘要：為了消除潮濕、酸堿、靜電顆粒等惡劣環(huán)境對(duì)壓力傳感器壓敏電阻的影響，提出了一種新型結(jié)構(gòu)的壓阻式壓力傳感
器。該傳感器將壓敏電阻置于應(yīng)力薄膜的下表面并通過(guò)陽(yáng)極鍵合技術(shù)密封在真空壓力腔中，從而減少了外界環(huán)境對(duì)壓
敏電阻的影響。介紹了此種壓力傳感器的工作原理，使用ANSYS軟件并結(jié)合有限元方法模擬了壓敏薄膜在壓力作用
下的應(yīng)力分布情況。最后，利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)成功制作出了尺寸為1．5 mmX 1．5 mlTl×500 m 的壓阻式壓
力傳感器。用壓力檢測(cè)平臺(tái)對(duì)該壓力傳感器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，在25～125℃ ，其線性度小于2．73 ，靈敏度約為2O
mV／v．MPa，滿足現(xiàn)代工業(yè)使用要求。
關(guān)鍵詞：微機(jī)電系統(tǒng)；壓阻式壓力傳感器；惡劣環(huán)境；可靠性
中圖分類號(hào)：TP212．12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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，F(xiàn)inite 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；修訂日期：2011—11—24．
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No．51075344；No．51175444)
第3期 傘海生，等：適用于惡劣環(huán)境的MEMS壓阻式壓力傳感器 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
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的MEMS傳
感器工作于潮濕、酸堿腐蝕溶液或者充滿靜電顆
粒和粉塵等惡劣環(huán)境中口 ]。如傳統(tǒng)硅壓阻式壓
力傳感器，基本都把電阻排布在硅膜外表面直接
與外界環(huán)境接觸，器件在工作過(guò)程中，外界環(huán)境物
質(zhì)的腐蝕和靜電顆粒等都會(huì)使器件的性能和壽命
大打折扣。
為了提高器件在惡劣環(huán)境下的可靠性，目前
普遍采用的是壓力變送的封裝技術(shù)，將壓力傳感
器芯片封裝于充滿硅油的密閉結(jié)構(gòu)中，外加壓力
通過(guò)硅油從不銹鋼膜片傳遞到壓力傳感器芯片
上。但是，硅油的化學(xué)穩(wěn)定性和耐溫性能不夠好，
硅油長(zhǎng)期在高溫下工作會(huì)發(fā)生變化，如果新分解
的化學(xué)成分里面有小顆粒的導(dǎo)電物質(zhì)，這種物質(zhì)
可能會(huì)穿過(guò)芯片的鈍化層破壞芯片或者介入擴(kuò)散
電阻條中間，形成短路或污染，造成傳感器高溫輸
出信號(hào)不穩(wěn)定，這些問(wèn)題將影響傳感器的長(zhǎng)期可
靠性[3]。此外，在一些氣壓傳感器中，例如汽車輪
胎壓力傳感器，為了保護(hù)薄膜上面的壓敏電阻，在
封裝時(shí)用硅膠包裹壓力傳感芯片，以隔絕測(cè)試氣
體的影響[4]。這種方案不僅增加了制造成本，而
且溫度的變化會(huì)引起硅膠的膨脹或收縮，進(jìn)而影
響壓力傳感器的輸出特性和穩(wěn)定性。
本文提出了一種新的設(shè)計(jì)方案，把壓敏電阻
安置在敏感薄膜下方，并通過(guò)陽(yáng)極鍵合技術(shù)把它
們封裝在密閉環(huán)境里面。通過(guò)鍵合面上預(yù)埋的電
極把內(nèi)部電信號(hào)傳輸?shù)酵獠侩娐稬5]，形成一個(gè)完
整的壓阻式壓力傳感器。器件的設(shè)計(jì)保證了敏感
單元與外界惡劣環(huán)境的隔離，從而極大地提高了
器件的可靠性和穩(wěn)定性。
2 傳感器設(shè)計(jì)
壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體材料(單晶
硅)的壓阻效應(yīng)原理制成的，利用集成電路工藝直
接在硅平膜片上按一定晶向制成壓敏電阻。當(dāng)硅
膜片受壓時(shí)，膜片的變形將使壓敏電阻的阻值發(fā)生
變化。硅平膜片上的擴(kuò)散電阻通常構(gòu)成惠斯通電
橋測(cè)量電路，橋臂電阻變化時(shí)，電橋輸出電壓與膜
片所受壓力成對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文把壓敏電阻安置在
敏感薄膜下方，并通過(guò)陽(yáng)極鍵合技術(shù)將其封裝在密
閉環(huán)境里面，其原理如圖1所示。
圖1 壓力傳感器原理圖
Fig．1 Principle diagram of pressure sensor
很多文獻(xiàn)已經(jīng)提到，壓阻式壓力傳感器薄膜
形狀為正方形時(shí)傳感器的靈敏度最大[6|8_。因此，
本文選擇方形薄膜作為傳感器的敏感薄膜。在壓
阻式壓力傳感器的芯片設(shè)計(jì)中，一般由4個(gè)壓敏
電阻構(gòu)成惠斯通電橋。為了獲得最大靈敏度，這
里將4個(gè)橋壁電阻沿著[110]晶向排布在方形薄
膜應(yīng)力最大的區(qū)域，如圖2所示，圖2(a)是敏感
薄膜在0．6 MPa外載荷作用下的等效應(yīng)力圖。
圖2(b)是薄膜邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布曲線和薄膜豎
(a)薄膜應(yīng)力ansys仿真圖
(a)Ansys simulation diagram of the film
光學(xué)精密工程 第20卷
矗
星
麥
(b)應(yīng)力與節(jié)點(diǎn)偏移的關(guān)系
(b)Dependence of stress on node deflection
圖2 膜片應(yīng)力分布圖
Fig．2 Stress distribution in diaphragm
直對(duì)稱軸上節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布曲線圖。為了最大限度
利用以上模擬得到最大應(yīng)力分布區(qū)域，將壓敏電
阻條設(shè)計(jì)成圖3所示的折疊形式。在拐角處加寬
并進(jìn)行重?fù)诫s以減小負(fù)阻效應(yīng)Egl。
圖3 折疊型電阻
Fig．3 Folding resistance
3 傳感器制作
目前廣泛使用的壓阻式壓力傳感器制備技術(shù)
是：使用SOI材料并采用Si-Si鍵合方法來(lái)制作
壓力傳感器，通過(guò)硅片減薄和擴(kuò)散工藝或離子注
入的方法在薄膜上制作壓敏電阻。由于Si—Si鍵
合工藝對(duì)硅片質(zhì)量和鍵合前硅片化學(xué)處理要求嚴(yán)
格，大面積的si—Si鍵合質(zhì)量和成功率很難得到保
證，增大了器件的成本。如果采用低成本的硅一玻
璃鍵合材料制備壓力傳感器，則制備工藝受制于
玻璃的耐高溫性能(由于擴(kuò)散溫度和離子注入后
的退火一般要高于1 000℃ ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了玻璃的熔
點(diǎn)。)
為了降低壓阻式壓力傳感器成本，提高制備
成功率，作者將壓敏電阻安放在薄膜的下方，采用
先擴(kuò)散或者離子注入的方法制作壓敏電阻，然后，
再鍵合、減薄形成敏感薄膜。因此，可以使用硅一
玻璃鍵合、減薄來(lái)制作敏感薄膜，由此降低了工藝
難度，提高了器件的可靠性。為了精確控制薄膜
厚度，采用n(100)型10 cm(4 in)SOI硅片制作壓
敏薄膜。SOI硅片具體參數(shù)為：器件層(Si)厚度
25 m；絕緣層(SiO )厚度1．5 m；支撐層(Si)厚
度450 m；電阻率為2～3 Q·cm?？紤]到器件
工作溫度是一40～125℃ ，如此溫度下Pyrex7740
玻璃與硅的熱匹配性良好。因此選擇了Py—
rex7740玻璃和SOI鍵合來(lái)制作壓力傳感器。傳
感器具體工藝流程如圖4所示。
圖4 傳感器工藝流程框圖
Fig．4 Process flow diagram of the sensor
該傳感器的制作難點(diǎn)在于如何將密閉腔中的
電信號(hào)引出來(lái)。其他文獻(xiàn)中提到的電信號(hào)引出工
藝大部分是在敏感薄膜的上方打孔，然后濺射金
屬引出電信號(hào)。這種方法會(huì)造成孑L周圍出現(xiàn)不粘
膠的現(xiàn)象，無(wú)法進(jìn)行后續(xù)工藝。而且，孔底部的重
摻雜區(qū)域摻雜濃度比較低E ]，可能達(dá)不到歐姆接
∞ 舳 ∞ 如∞ 如加m 0
第3期 傘海生，等：適用于惡劣環(huán)境的MEMS壓阻式壓力傳感器 553
觸的標(biāo)準(zhǔn)，從而無(wú)法形成歐姆接觸，使信號(hào)無(wú)法
引出。
為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新的工
藝方案。該方案直接把信號(hào)輸出電極預(yù)先鑲嵌在
硅與Pyrex7740的鍵合面上，通過(guò)陽(yáng)極鍵合制備
出電極的內(nèi)連接技術(shù)。通過(guò)使用干法刻蝕，在薄
膜上刻出電極孔，露出A1電極表面。最后在每
個(gè)電極上焊金絲，這樣就可以將電信號(hào)從鍵合面
之間引出來(lái)。圖5是制作完成的壓阻壓力傳感器
芯片實(shí)物圖。
(a)傳感器實(shí)物圖與尺子的對(duì)比圖
(a)Comparison diagram of fabricated sensor and ruler
(b)傳感器正面圖
(b)Top view of pressure sensor
(c)內(nèi)部預(yù)埋電極
(c)Photo of embedded electrodes
圖5 壓阻式壓力傳感器實(shí)物圖
Fig．5 Photos of piezoresistive pressure sensor
4 壓力傳感器的測(cè)試
在沒(méi)有補(bǔ)償?shù)那闆r下，采用5 V恒壓源作為
激勵(lì)電壓，并對(duì)壓力傳感器施加O～600 kPa的壓
力，最后用最小二乘法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，壓
力傳感器在不同溫度環(huán)境下的輸出特性如圖6所
示。壓力傳感器的一些主要參數(shù)如表1所示。
圖6 不同溫度下的壓力一輸出電壓關(guān)系
Fig．6 Dependence of output voltage on pressure un
der different temperatures
表1 壓力傳感器主要參數(shù)
Tab．1 M ain parameters of pressure sensor
量程／ 最高工作 靈敏度／ 線性度／ 遲滯／ 重復(fù)性／
MPa 溫度／~c mV／V-MPa
5 結(jié) 論
設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的微壓阻式壓力傳感
器，采用離子注入的方法在SOI上制作壓敏電
阻，再與有正方形空腔結(jié)構(gòu)的Pyrex7740進(jìn)行陽(yáng)
極鍵合，制作出了芯片尺寸為1．5 mm×1．5 mm
×500 m 的壓阻式壓力傳感器。該傳感器將壓
敏電阻安置在敏感薄膜下方，并通過(guò)陽(yáng)極鍵合技
術(shù)把它們封裝在密閉環(huán)境中，解決了外界環(huán)境對(duì)
壓敏電阻的影響；通過(guò)從鍵合面之間引出電極，解
決了電信號(hào)內(nèi)外連接的工藝難點(diǎn)，從而降低了成
本和工藝難度，提高了成品率。經(jīng)壓力檢測(cè)平臺(tái)
測(cè)試，該壓力傳感器在25～125℃ 的線性度小于
2．73 ，靈敏度為20 mY／V—MPa，達(dá)到了設(shè)計(jì)和
應(yīng)用的要求。
踟 ∞ 如∞ 如加m O
>暑 霉lo 葛er10
554 光學(xué)精密工程 第2O卷
參考文獻(xiàn)：
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
王宏亮，宋娟，馮德全，等．應(yīng)用于特殊環(huán)境的光纖
光柵溫度壓力傳感器[J]．光學(xué)精密工程，2011，
19(3)：545-550．
W ANG H L，S0NG J，F(xiàn)ENG D Q，et a1．． High
temperature-pressure FBG sensor applied tO special
environments[J]．Opt．Precision Eng．，2011，19
(3)：545-550．(in Chinese)
闕瑞義，朱榮，劉鵬，等．組合熱膜式流速矢量傳感
器I-J]．光學(xué)精密工程，2011，19(1)：103—109．
QUE R Y，ZHU R，LIU P，et a1．．Combined hotfilm
anemometers for measuring flow speed vectors
[J]．Opt．Precision Eng．，2011，19(1)：103—109．
(in Chinese)
關(guān)榮鋒．MEMS機(jī)油壓力傳感器可靠性研究[J]．
微納電子技術(shù)，2007，7(8)：176—202
GUAN R F． Research on the reliability of MEMS
oil pressure sensor口]．Micronano Electronic Tech—
nology，2007，7(8)：176—202．(in Chinese)
TSUNG L C，CHEN H C，CHUN T L，et a1．．
Sensitivity analysis of packaging effect of siliconbased
piezoresistive pressure sensor[J]．Sensors
and Actuators A ：Physical，2009，152(1)：29—38．
LIN H，STEVENSON J T M ，GUNDLACH A M ，
et a1．． Direct Al-Al contact using low temperature
作者簡(jiǎn)介：
傘海生(1970一)，男，吉林榆樹(shù)人，副
教授，碩士生導(dǎo)師，1993于西南科技
大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2006年于蘭州大
學(xué)材料物理專業(yè)獲得博士學(xué)位，主要研
究方向?yàn)镸EMS傳感器、射頻MEMS
器件、微光機(jī)電系統(tǒng)及器件、微能源器
件及系統(tǒng)、微波光電子、光纖光學(xué)、材料
物理等。E-mail：sanhs@xmu．edu．cn
宋子軍(1988一)，男，江西吉安人，碩士
研究生，2010年于南昌航空大學(xué)獲得
學(xué)士學(xué)位，主要研究方向?yàn)镸EMS傳
感器。E-mail：songzijun1018@ 126．
COm
wafer bonding for integrating MEMS and CM0S de—
vices[J]．Microelectronic Engineering，2008，85
(5-6)：1059-1061．
[6] YOZO K，AKIO Y．Optimum design considerations
for silicon piezoresistive pressure sensors[J]．Sen—
sots and Actuators A ： Physical， 1997， 62：539—
542．
[7] LIN L W，HUEY C C，YEN W L．A Simulation
Program for the Sensitivity and Linearity of Piezore—
sistive Pressure Sensors[J]．Journal of Micro E—
lectromechanical Systems，1999，8(4)：514—522．
[8] HERMANN S，KARL K．A square-diaphragm pie—
zoresistive pressure sensor with a rectangular cen—
tral boss for low—pressure ranges I-J]．IEEE Trans—
actions on Electron Devices，1993，40(10)：1754—
1759．
[9] 修顯武．?dāng)U嫁基區(qū)晶體管負(fù)阻效應(yīng)的研究[D]．山
東：山東師范大學(xué)，2003．
XIU X W．Investigation of negative resistance in
ga—diffusion transistor[D]Shandong：Shandong
Norma1 University，2003．(in Chinese)
1-103 ALVIN B，WOOT P，J0SEPH RM，eta1．．Re—
view： semiconductor piezoresistance for microsys—
terns[J]．Proceedings of the IEEE，2009，97
(3)：513—552．
王翔(1987一)，男，河北邯鄲人，碩士研
究生，2011年于中北大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)
位，主要研究方向?yàn)镸EMS能量收集
器。E-mail：03107866335．ok@ 163．
COm
趙燕立(1987一)，男，山東濟(jì)寧人，碩士
研究生，2010年于山東科技大學(xué)獲得
學(xué)士學(xué)位，主要研究方向?yàn)榈蜏毓韫桄I
合技術(shù)。E-mail：yanli48@126．corn
_ I
第3期 傘海生，等：適用于惡劣環(huán)境的MEMS壓阻式壓力傳感器 555
l 余煜My主博授獲uE 士得要，Mh碩e從博后璽Sa士r(事流t傳1生@9動(dòng)學(xué)高感7導(dǎo)x4站m位溫一器師u博聚，)方，2士，0合0男面后85物，的于出湖陶南研站廈國(guó)瓷攸并究門防材縣留。大科料人校E學(xué)技—、任，m化大高副a教i學(xué)溫l，： ． edu．cn
● 下期預(yù)告
紅外雙波段視景仿真器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
楊 樂(lè) ，孫 強(qiáng) ，方 偉 ，李 淳
(1．中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；
2．中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049)
針對(duì)紅外雙波段成像系統(tǒng)性能測(cè)試與評(píng)估的應(yīng)用需求，利用諧衍射透鏡獨(dú)特的溫度和色散特性，設(shè)
計(jì)了一套基于數(shù)字微鏡器件的消熱差的3～5 btm和8～12 m雙波段紅外視景仿真器光學(xué)系統(tǒng)。探討
了紅外雙波段視景仿真用投影光學(xué)系統(tǒng)的像差特性和設(shè)計(jì)方法，并對(duì)系統(tǒng)的無(wú)熱化進(jìn)行了分析。采用
分光板和補(bǔ)償板，解決了大相對(duì)孔徑條件下投影系統(tǒng)的遠(yuǎn)心照明分光和像差平衡問(wèn)題，提高了分辨率和
均勻性，增大了視場(chǎng)。系統(tǒng)由遠(yuǎn)心投影光學(xué)系統(tǒng)和像面傾斜的柯勒照明光學(xué)系統(tǒng)組成，僅使用鍺和硫化
鋅兩種普通紅外材料，并引入諧衍射元件，實(shí)現(xiàn)紅外雙波段遠(yuǎn)心投影光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)被動(dòng)消熱差，提高
了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)焦距為255 mm，F(xiàn)#為2．6，視場(chǎng)角為5．1。，出瞳距為240 mm，在空間頻率16
Ip／mm 處，一2O～60℃ 下，中波紅外MTF~0．6，長(zhǎng)波紅外MTF>0．3，均接近衍射極限。系統(tǒng)具有良
好的復(fù)消色差和減熱差特性，并具有分辨率高、均勻性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

網(wǎng)友評(píng)論 more

電力安全論文最新內(nèi)容

10-02