本文利用有限元法，對犧牲層結(jié)構(gòu)壓阻式壓力傳感器彈性膜片的應(yīng)力分布進(jìn)行了靜態(tài)線性分析和非線性接觸分析。通過這兩種分析方法的結(jié)合，準(zhǔn)確的模擬出過載狀態(tài)下傳感器的應(yīng)力分布。在此基礎(chǔ)上給出了壓力傳感器的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，從而可使這種壓力傳感器過載保護(hù)能力提高180% ～ 220%。

　　采用MEMS 技術(shù)的小量程、高靈敏壓力傳感器通常有平膜、島膜、梁膜等結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過載保護(hù)時，一般采用凸臺等方法實(shí)現(xiàn)，形成方法有背部刻蝕技術(shù)、硅直接鍵合( SDB) 技術(shù)、玻璃刻蝕技術(shù)等。然而這些結(jié)構(gòu)的腔體尺寸較大，進(jìn)一步提高靈敏度受到限制，而且降低了硅片利用率，增加了制造工藝的復(fù)雜度，提高了生產(chǎn)成本。目前小量程、高靈敏壓力傳感器的研究熱點(diǎn)集中在犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器，這主要是因?yàn)闋奚鼘咏Y(jié)構(gòu)壓力傳感器彈性膜片很薄，厚度可做到2 μm，甚至更薄。在這樣薄的結(jié)構(gòu)上，如果采用擴(kuò)散硅或多晶硅薄膜作為犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器的應(yīng)變電阻，其厚度相對較大，對彈性膜片應(yīng)力分布影響很大，不利于犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器的性能優(yōu)化，因此采用多晶硅納米薄膜制作應(yīng)變電阻更能發(fā)揮犧牲層技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

　　通常壓力傳感器的應(yīng)變電阻是在單晶硅片上擴(kuò)散或注入雜質(zhì)的方式實(shí)現(xiàn)，為了改善溫度特性，后來也采用了多晶硅薄膜，但普通多晶硅薄膜的應(yīng)變因子較小，不利于提高靈敏度。最新研究結(jié)果表明，多晶硅納米薄膜具有顯著的隧道壓阻效應(yīng)，表現(xiàn)出比常規(guī)多晶硅薄膜更優(yōu)越的壓阻特性，重?fù)诫s條件下其應(yīng)變因子仍可達(dá)到34，具有負(fù)應(yīng)變因子溫度系數(shù)，數(shù)值小于1 × 10 - 3 /℃，電阻溫度系數(shù)可小于2 × 10 - 4 /℃。因此，在犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器上，采用多晶硅納米薄膜作應(yīng)變電阻，可以提高靈敏度，擴(kuò)大工作溫度范圍，降低溫度漂移。然而，犧牲層結(jié)構(gòu)非常薄，如何提高傳感器的過載能力顯得尤為重要。對此，本文在保證傳感器滿量程范圍內(nèi)線性響應(yīng)的前提下，調(diào)整犧牲層厚度，通過彈性膜片與襯底的適當(dāng)接觸來有效提高傳感器的過載能力。

　　1 犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器

　　犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器是指彈性膜片利用犧牲層技術(shù)制作而成的壓力傳感器，結(jié)構(gòu)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。

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　　圖1 犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器

　　在表面微加工中，由淀積到襯底和犧牲層上的薄膜作為結(jié)構(gòu)層，對微小結(jié)構(gòu)的尺寸更易控制，器件的尺寸得以減小。然而，這些結(jié)構(gòu)層的機(jī)械性能高度依賴于淀積和隨后的加工過程，相對低的淀積速率雖然限制了所制作器件的厚度，但是由于結(jié)構(gòu)層厚度低，所以能制作出量程更小、靈敏度更高的壓力傳感器。

　　本文以量程0.1 MPa 的犧牲層結(jié)構(gòu)壓力傳感器為例，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求，改變彈性膜片的寬度、長度、厚度和犧牲層厚度對應(yīng)力分布進(jìn)行模擬仿真( 模擬仿真時多晶硅楊氏模量EX = 1.7 ×1011 N/m2，泊松比PRXY =0.24，多晶硅納米薄膜應(yīng)變因子G =30) ，經(jīng)過優(yōu)化后，得到滿足設(shè)計(jì)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。

　　針對所設(shè)計(jì)的壓力傳感器芯片，進(jìn)行了投片實(shí)驗(yàn)，其主要工藝步驟如下: ①在硅襯底上，采用PECVD 方法淀積一層二氧化硅作為犧牲層; ②采用PECVD 方法淀積一層二氧化硅，經(jīng)過光刻形成腐蝕通道;③在犧牲層上采用LPCVD 方法淀積一層多晶硅作為結(jié)構(gòu)層，經(jīng)過光刻形成腐蝕孔; ④用氫氟酸溶液釋放犧牲層，再采用LPCVD 方法淀積一層多晶硅，從而使腔體密封; ⑤熱氧化一層二氧化硅作為絕緣層，在其上采用LPCVD 方法淀積多晶硅納米薄膜作為電阻層;⑥采用PECVD 方法淀積一層二氧化硅作為鈍化層，并利用離子注入方法對電阻層進(jìn)行局部摻雜，形成應(yīng)變電阻; ⑦利用光刻技術(shù)對鈍化層進(jìn)行光刻，從而形成引線孔。最后，蒸鋁形成金屬布線。

　　試制的芯片實(shí)拍照片如圖2 所示。

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　　圖2 壓力芯片照片

　　采用氣體加壓的方式對芯片樣品進(jìn)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(jié)果如圖3 所示。

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　　圖3 壓力芯片輸出特性測試結(jié)果

　　由圖3 可見，隨著壓力載荷的增加，輸出電壓并未隨之線性增加，其增加的程度逐漸減小，而且滿量程輸出未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過分析，出現(xiàn)圖3 所示的現(xiàn)象應(yīng)該是由于芯片的密封腔體有泄漏引起的。雖然有泄漏，但芯片仍然表現(xiàn)出了壓力敏感特性，而且利用多晶硅納米膜研制的硅杯結(jié)構(gòu)壓力傳感器能夠滿足設(shè)計(jì)要求。因此，改善工藝解決泄漏問題后，犧牲層結(jié)構(gòu)多晶硅納米膜壓力傳感器的性能應(yīng)該能滿足設(shè)計(jì)要求。