高性能高温压力传感器
2018-03-22 20:39:44
自从1954年Smith发现硅、锗等半导体材料的压阻效应1以来，半导体压力传感器得到了迅速的发展。较其它材料制作的压力传感器，半导体压力传感器具有体积小、重量轻、精度高、温度特性好等优点。特别是传感器的制造工艺与半导体集成电路平面工艺兼容，这就满足了传感器向智能化方向发展的需要。
在目前已研制成功的多种半导体压力传感器中，多晶硅压力传感器是高温特性较为优异的一种。它采用Si2层作电隔离，大大扩展了传感器的工作温区，我们所研制的多晶硅压力传感器最高工作度可达220C为了提高多晶硅篼温压力传感器的精度，降低传感器高温环境中使用的输出漂移，本文进行了以下两个方面的研究工作：作为一种最基本的微机械加工技术，各向异性腐蚀有广泛的用途，腐蚀硅杯结构即为其中最常见的一种。硅杯应力膜质量的好坏直接影响传感器的输出特性。不同腐蚀条件下，腐蚀效果的差别很大。为了制造高质量硅杯，提高传感器精度，通过大量。
3TMAH各向异性腐蚀3.1原理与腐蚀液选择硅各向异性腐蚀是因为金刚石结构硅单晶体不同晶面上的原子排列密度不同造成的。由于（111）面的原子密度远大于（100）面的原子密度，若选择（100）晶面硅片，长方形腐蚀窗口的两邻边分别平行于和晶向，就可以得到侧壁为（111）面，底面为（100）面，夹角等于54.74.的硅杯结构（如）。腐蚀化学方程式可简单地表示为：到目前为止，人们提出了多种各向异性腐蚀液，其中最常用的是EDP、KOH和TMAH.我们在研制多晶硅压力传感器的过程中，对这三种腐蚀液都进行了尝试。发现EDP的腐蚀效果很好，但对腐蚀条件要求严格且有剧毒；K0H和TMAH的腐蚀效果也很不错，而且反应易于控制；但比较起来，TMAH的效果更胜一筹。主要表现在用TMAH溶液腐蚀出的表面更加平整，出现的小坑明显少于用KOH溶液腐蚀出的表面。另外，用KOH腐蚀硅杯会造成金属离子玷污，由于在多晶硅压力传感器的制作过程中，腐蚀硅杯后仍有高温工艺，这样就造成传感器性能的不稳定，所以最终选择TMAH各向异性腐蚀硅杯。
3.2.腐蚀速率随温度的上升而上升，但随着溶液浓度的升篼而下降。
高质量的硅杯应该满足以下两个条件：（1）腐蚀后得到光亮平整的腐蚀面（包括底面和侧面）；（2）要保证腐蚀过程中腐蚀图形不发生变化。表1为80C下改变TMAH溶液浓度观察到的硅杯表面状况。可以看出，腐蚀液浓度的变化对表面状况有显著的影响，随着浓度的上升，表面状况越来越好，当浓度升到50%时硅片表面实现光亮平整。而中报道，当TMAH溶液浓度超过22%即可使桂片表面光亮平整。出现这一差异可能是由于样品桂材料电阻率以及不同厂家生产的TMAH质量不同造成的。
表1TMAH腐蚀液浓度对表面状况的彩响实验编号浓度/%表面状况发污而不平发污，较平整较光亮且平整光亮平整此外我们还发现：（1）改变温度对表面状况的影响不大，因此腐蚀速率并非决定表面状况的唯一因素；（2）在高浓度TMAH溶液中加入异丙醇的腐蚀效果与不加基本相同。
综合考虑腐蚀硅杯要求和所得实验结果，确定桂杯制作的工艺条件为：用浓度为50%TMAH溶液在80C下腐蚀。随着腐蚀的进行，腐蚀液浓度会发生变化，这会影响硅杯表面的状况，进一步影响到传感器的性能，因此应注意及时更换腐蚀液。
4传感器输出度自补偿技术灵敏度温度系数res是衡量传感器温度特性的主要标志。影响res的因素很多，包括电阻温度系数reR和材料应变计因子温度系数rec5等。
Seto模型⑴认为，多晶硅电阻由单晶晶粒电阻和晶界电阻两部分组成，多晶硅电阻reR由掺杂浓度决定。高掺杂时，多晶硅电阻reR取决于单晶晶粒内载流子散射，故表现为正值；低掺杂时，随着温度的升高，将有更多载流子获得足够能量穿越晶粒间界处势垒，成为自由载流子，故多晶桂电阻有负的温度系数。另外多晶硅应变因子温度系数也可通过改变掺杂浓度加以调节高掺杂时多晶硅材料为负值，且随着掺杂浓度的增加，不论退火温度的高低，均持续下降。
因为在高掺杂浓度下7和7的符号相反，由上式可知通过调整掺杂浓度，就可实现多晶硅压力传感器温度自补偿。
是不同掺杂浓度下，多晶硅压力传感器res绝对值的测量结果。选择硼掺杂浓度（5~8）X1019cm3，掺杂后多晶硅电阻在1100C下热退火30分钟。传感器的测试条件为：温度20~2200，压力0~6MPa，恒流源电流1mA.可以看出，在所选掺杂浓度范围内，res的绝对值小于3X10-4/C，基本实现自补偿。若继续增大掺杂浓度，虽有可能实现完全自补偿，但会降低多晶硅压阻系数从而降低传感器的灵敏度，所以确定多晶硅压敏电阻的掺杂浓度为（5~8）Xl19cm入5测试与结论是采用以上技术制成的6MPa多晶硅压力传感器在20C和220C下测得的输出特性，表2列出了传感器的一些主要技术指标。可以看出，多晶硅压力传感器的温度特性好、精度高、综合性能优异。
高性能高温压力传感器在很多场合，如汽车发动机汽缸压力检测，高温油品液位监控与检测，油井测压等领域有着重要的用途。以上两种技术简单实用，效果显著，成本低廉，为多晶硅压力传感器的广泛应用奠定了坚实的基础。
表2多晶硅压力传感器一些主要技术参数的试结果测试项目/单位结果置程/MPa工作区/BC综合精度/灵敏度零点输出/零点温度系数/灵敏度温度系数/X
在目前已研制成功的多种半导体压力传感器中，多晶硅压力传感器是高温特性较为优异的一种。它采用Si2层作电隔离，大大扩展了传感器的工作温区，我们所研制的多晶硅压力传感器最高工作度可达220C为了提高多晶硅篼温压力传感器的精度，降低传感器高温环境中使用的输出漂移，本文进行了以下两个方面的研究工作：作为一种最基本的微机械加工技术，各向异性腐蚀有广泛的用途，腐蚀硅杯结构即为其中最常见的一种。硅杯应力膜质量的好坏直接影响传感器的输出特性。不同腐蚀条件下，腐蚀效果的差别很大。为了制造高质量硅杯，提高传感器精度，通过大量。
3TMAH各向异性腐蚀3.1原理与腐蚀液选择硅各向异性腐蚀是因为金刚石结构硅单晶体不同晶面上的原子排列密度不同造成的。由于（111）面的原子密度远大于（100）面的原子密度，若选择（100）晶面硅片，长方形腐蚀窗口的两邻边分别平行于和晶向，就可以得到侧壁为（111）面，底面为（100）面，夹角等于54.74.的硅杯结构（如）。腐蚀化学方程式可简单地表示为：到目前为止，人们提出了多种各向异性腐蚀液，其中最常用的是EDP、KOH和TMAH.我们在研制多晶硅压力传感器的过程中，对这三种腐蚀液都进行了尝试。发现EDP的腐蚀效果很好，但对腐蚀条件要求严格且有剧毒；K0H和TMAH的腐蚀效果也很不错，而且反应易于控制；但比较起来，TMAH的效果更胜一筹。主要表现在用TMAH溶液腐蚀出的表面更加平整，出现的小坑明显少于用KOH溶液腐蚀出的表面。另外，用KOH腐蚀硅杯会造成金属离子玷污，由于在多晶硅压力传感器的制作过程中，腐蚀硅杯后仍有高温工艺，这样就造成传感器性能的不稳定，所以最终选择TMAH各向异性腐蚀硅杯。
3.2.腐蚀速率随温度的上升而上升，但随着溶液浓度的升篼而下降。
高质量的硅杯应该满足以下两个条件：（1）腐蚀后得到光亮平整的腐蚀面（包括底面和侧面）；（2）要保证腐蚀过程中腐蚀图形不发生变化。表1为80C下改变TMAH溶液浓度观察到的硅杯表面状况。可以看出，腐蚀液浓度的变化对表面状况有显著的影响，随着浓度的上升，表面状况越来越好，当浓度升到50%时硅片表面实现光亮平整。而中报道，当TMAH溶液浓度超过22%即可使桂片表面光亮平整。出现这一差异可能是由于样品桂材料电阻率以及不同厂家生产的TMAH质量不同造成的。
表1TMAH腐蚀液浓度对表面状况的彩响实验编号浓度/%表面状况发污而不平发污，较平整较光亮且平整光亮平整此外我们还发现：（1）改变温度对表面状况的影响不大，因此腐蚀速率并非决定表面状况的唯一因素；（2）在高浓度TMAH溶液中加入异丙醇的腐蚀效果与不加基本相同。
综合考虑腐蚀硅杯要求和所得实验结果，确定桂杯制作的工艺条件为：用浓度为50%TMAH溶液在80C下腐蚀。随着腐蚀的进行，腐蚀液浓度会发生变化，这会影响硅杯表面的状况，进一步影响到传感器的性能，因此应注意及时更换腐蚀液。
4传感器输出度自补偿技术灵敏度温度系数res是衡量传感器温度特性的主要标志。影响res的因素很多，包括电阻温度系数reR和材料应变计因子温度系数rec5等。
Seto模型⑴认为，多晶硅电阻由单晶晶粒电阻和晶界电阻两部分组成，多晶硅电阻reR由掺杂浓度决定。高掺杂时，多晶硅电阻reR取决于单晶晶粒内载流子散射，故表现为正值；低掺杂时，随着温度的升高，将有更多载流子获得足够能量穿越晶粒间界处势垒，成为自由载流子，故多晶桂电阻有负的温度系数。另外多晶硅应变因子温度系数也可通过改变掺杂浓度加以调节高掺杂时多晶硅材料为负值，且随着掺杂浓度的增加，不论退火温度的高低，均持续下降。
因为在高掺杂浓度下7和7的符号相反，由上式可知通过调整掺杂浓度，就可实现多晶硅压力传感器温度自补偿。
是不同掺杂浓度下，多晶硅压力传感器res绝对值的测量结果。选择硼掺杂浓度（5~8）X1019cm3，掺杂后多晶硅电阻在1100C下热退火30分钟。传感器的测试条件为：温度20~2200，压力0~6MPa，恒流源电流1mA.可以看出，在所选掺杂浓度范围内，res的绝对值小于3X10-4/C，基本实现自补偿。若继续增大掺杂浓度，虽有可能实现完全自补偿，但会降低多晶硅压阻系数从而降低传感器的灵敏度，所以确定多晶硅压敏电阻的掺杂浓度为（5~8）Xl19cm入5测试与结论是采用以上技术制成的6MPa多晶硅压力传感器在20C和220C下测得的输出特性，表2列出了传感器的一些主要技术指标。可以看出，多晶硅压力传感器的温度特性好、精度高、综合性能优异。
高性能高温压力传感器在很多场合，如汽车发动机汽缸压力检测，高温油品液位监控与检测，油井测压等领域有着重要的用途。以上两种技术简单实用，效果显著，成本低廉，为多晶硅压力传感器的广泛应用奠定了坚实的基础。
表2多晶硅压力传感器一些主要技术参数的试结果测试项目/单位结果置程/MPa工作区/BC综合精度/灵敏度零点输出/零点温度系数/灵敏度温度系数/X