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一种集成式多参数硅微传感器的成功研制

来源:通博最新娱乐官网 时间:2018-08-28
随着新型传感器的研究不断发展,传感器正向集成化,智能化,网络化发展。人们生活水平不断提高,对于了解周围居住的环境也日益迫切。传统的方法需要多个传感器体积大,功耗大,不便于携带,成本高;随着传感器工艺的日趋完善和成熟的集成电路工艺,集成传感器便被提出来,它具有低成本,低功耗,体积小,易于携带的优点。
随着固体传感器技术的发展,由于硅压阻式传感器具有小型化,高灵敏度,良好的线性,迟滞小以及能够集成化和多功能化,因而被广泛使用口。根据硅的电阻率随温度的变化而改变,研制出了硅扩散电阻温度传感器。温度与压力集成的传感器在整个温度工作范围内可以更准确的补偿压力信号的温度效应。对于相对湿度的测量通常是基于有机吸附剂,如电解质型、半导体陶瓷型、有机高分子聚合物等
本文描述了一种压阻式纟色对压力、温度、相对湿度传感器在单一芯片的集成。传感器制作工艺综合了体硅微细加工压力传感器和面硅微细加工的扩散型温度传感器及基于聚合物感湿材料的湿度传感器。传感器的芯片封装采用阳极键合的方法来实现形成绝压测量的真空密封腔
1.传感器结构与原理
单晶硅绝压式压力传感器、扩散硅温度传感器及电容式湿度传感器集成在单片传感器芯片上。在n型(100)硅基底上刻蚀出方形膜片,温度和压力检测采用离子注入形成扩散电阻,湿度则利用高分子材料吸湿改变被测电容的介电常数。考虑各自的相互影响,压力膜上的电阻沿[110布置测温电阻沿[100布置,且远离压力膜片应力区,尽可能减小相互干扰,具体结构如图1所示。芯片的大小为5mm×5mm。合理的摻杂浓度可以减小温度对于压力检测的影响。详细的结构与原理先容如下
基于硅的压阻效应,选用n型(100)基底,硼掺杂来形成扩散电阻。当方膜边长与圆膜相当长度,且膜的厚度相同时,方膜中的ZUI大应力是圆膜1.64倍,且在方形膜中应力ZUI大发生在边缘中点附近。硅杯中膜片等效应力分布如图2所示,图中膜厚为16μm,ZUI大应力发生在膜的边缘。超过膜边缘应力并未迅速衰减为0。根据不同晶向中压阻系数的分布,选择电阻布置在110晶向上,该向具有***压阻系数。
由于温度传感器部分的制作和压力部分相同,所以当温度升高,压力不发生变化时,电桥中的电阻值也会发生改变,但由于采用全桥故由此带来的输出为0。温度升高时,掺杂硅的迁移率与压阻系数都会发生改变,需要对由温度变化输出的偏移电压进行分析与补偿。周围环境湿度对于压敏电阻来说也是重要的破坏8,因此压阻条上面应该加钝化层Si3N4来保护,测温电阻也一样
1.2温度传感器
本文温度测量范围内,可以认为载流子浓度不随温度变化而变化,而半导体迁移率随温度的变化而变化。由于测温与测压的材料相同,所以必须避免压力对温度测量的影响。在n型(100硅基底中,[100]晶向具有ZUI小压阻系数,与ZUI大压阻系数晶向成45°。而为了增大电阻提高灵敏度,电阻采用折叠形式布置。另外温度在压力膜以外,受压力作用很小。当电流通过电阻时会产生热量,通过这种自加热产生的温度值可以通过推导公式得到
1.3湿度传感器
湿敏传感结构材料一般用作湿度传感器的感湿体,它是利用吸附效应直接吸附水分子,使其表面电导或体介电特性等物理性质发生变化,从而检测出相对湿度11。高分子湿度传感器采用微电子工艺制作,体积小,价格低,灵敏度高响应快。电极则采用49对叉指结构来增强灵敏度,湿敏材料选用的是聚酰亚胺。
2.传感器制作与试验
在n型(100)硅上热生长一层SiO2,然后正面刻蚀电阻孔,离子注入硼,达到方块电阻值为25a/口,结深为2~2.5μm,双面 LPCVD120mm厚的Si3N4,然后背面光刻窗口,FPW湿法腐蚀真空腔至膜厚25μm。正面刻蚀电阻接触孔和引线孔,溅射2.5~3gm的铝线,然后刻蚀铝连线。后正面钝化,保护电阻及连线,背面阳极键合封装形成真空腔体。湿敏材料则是通过丝网印刷涂敷然后在烘于箱中烘干形成感湿膜。制作的多参数集成式传感器。压力测试是在准确度等级为0.02的活塞式压力计(YS2.5)试验台上以表压方式封装测试的,用5V直流恒压源给压力传感器中的惠斯登电桥供电,测试环境为1atm,温度为25℃,湿度为40%RH。在0~1atm的量程范围内隔20kPa记录数据电桥电压输出信号用 ESCORT EDM3150数字万用表显示,重复试验3次。取正反行程的电压输出平均值作为结果,压力传感器的测试结果及拟合曲线如图所示,其线性度为0.465%FS

结语
多参数集成式传感器具有良好的线性,灵敏度高。对于湿度检测部分由于所用材料的特性使得结果不够理想,需要找更加合适的湿敏材料。由于多参数传感器集成在单一芯片上,温度的输出可以作为压力检测部位的准确温度,通过这可以实现比较准确的温度补偿。
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