MEMS壓力傳感器是傳感器行業(yè)中市場規(guī)模最大的細(xì)分市場之一，具有體積小、功耗低、價格便宜等優(yōu)點。隨著時代的發(fā)展及人們對健康的重視度提高，血壓儀開始走進(jìn)用戶家庭，并在健康保健方面發(fā)揮著重要的作用。其中的核心器件——MEMS壓力傳感器，其市場應(yīng)用規(guī)模極大。但在MEMS壓力傳感器實際設(shè)計及制造過程中，能夠同時滿足最優(yōu)狀態(tài)的設(shè)計結(jié)構(gòu)和工藝較難達(dá)到。因此，研究如何設(shè)計及制造高靈敏度和線性度的MEMS壓力傳感器具有重要意義。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對MEMS壓力傳感器靈敏度及線性度較難兼顧的問題，無錫中微晶園電子有限公司設(shè)計了一種可應(yīng)用于電子血壓計、量程為40 kPa的MEMS壓力傳感器，該傳感器在常溫下的靈敏度達(dá)到0.445 mV/V/kPa，非線性度達(dá)到± 0.0736% FS。相關(guān)研究成果以論文形式發(fā)表于《傳感器與微系統(tǒng)》期刊。

考慮到壓敏薄膜厚度、壓敏薄膜邊長、壓敏電阻大小及位置等參數(shù)會直接影響傳感器靈敏度與線性度，該研究基于硅壓阻式MEMS壓力傳感器的工作原理，使用COMSOL Mutilphysics軟件對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計，并根據(jù)理論計算各結(jié)構(gòu)的最佳尺寸范圍。

壓阻式壓力傳感器的壓敏膜層如過厚容易導(dǎo)致器件靈敏度低;如過薄則非線性度增加，且壓敏電阻的制作與工藝控制較難，因此該研究首先對傳感器壓敏膜尺寸進(jìn)行了研究。在0~100 kPa壓力范圍內(nèi)，不同壓敏膜上應(yīng)力情況如圖1所示。當(dāng)壓敏膜厚度小于等于10 μm時，其應(yīng)力隨壓力呈非線性變化，意味著電阻也將呈非線性變化，導(dǎo)致輸出非線性。而當(dāng)壓敏膜厚度大于10 μm時，其應(yīng)力隨壓力呈線性變化。同時，隨著壓敏膜厚度增加，相同壓力下應(yīng)力不斷減小，產(chǎn)生的響應(yīng)也將隨之減小。因此，在背槽刻蝕過程中，需要控制壓敏膜厚度大于10 μm。此外，為了提高壓力傳感器的靈敏度，壓敏膜尺寸越大、厚度越薄越好。但越大越薄的壓敏膜在制作時，其背部濕法腐蝕的開口也越大，底部支撐傳感器的面積就越小，膜片也容易變形損壞，導(dǎo)致壓力傳感器失效。最終，綜合靈敏度、加工良率及可靠性，將壓敏傳感膜的厚度設(shè)定為15 μm。

圖1 壓敏傳感膜上應(yīng)力與受壓壓力及膜厚的關(guān)系

壓敏電阻值決定了壓力傳感器的工作電流和功耗，在供電電壓一定的情況下，壓力傳感器的功耗與壓敏電阻值呈反比。在該研究中，將壓敏電阻的阻值設(shè)定為5 kΩ，電阻形狀設(shè)為1折。此外，為了提高壓力傳感器的靈敏度，降低非線性指標(biāo)，研究人員通過COMSOL軟件仿真尋找膜片內(nèi)應(yīng)力最大的位置。圖2為使用COMSOL軟件對壓敏膜層上應(yīng)力進(jìn)行仿真的結(jié)果。從圖中可以看到，壓敏膜片上應(yīng)力主要集中在膜片四周邊緣中間的位置，且壓敏膜片邊緣的中點500~550 μm處應(yīng)力達(dá)到最大，兩端應(yīng)力迅速減小。

圖2 應(yīng)力分布仿真

最終，根據(jù)各結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，研究人員將傳感器芯片主要參數(shù)確定為：材料片厚度為400 μm;芯片尺寸為2000 μm × 2000 μm;彈性膜長度為1000 μm;彈性膜厚度為15 μm;電阻長度為130 μm;電阻寬度為10 μm;阻值為5 kΩ;量程為40 kPa。傳感器芯片的最終設(shè)計版圖如圖3所示。

圖3 壓力傳感器芯片設(shè)計版圖

隨后，研究人員利用公司自有標(biāo)準(zhǔn)CMOS-MEMS工藝產(chǎn)線對注入劑量、退火條件、氮化硅介質(zhì)層應(yīng)力進(jìn)行工藝?yán)驼?，最終完成傳感器芯片的制造及封裝測試。整合的工藝流程圖如圖4所示。

圖4 芯片工藝流程示意

封裝后測試評估的結(jié)果表明，該MEMS壓力傳感器滿量程輸出達(dá)到89 mV，靈敏度性能達(dá)到0.445 mV/V/kPa，遲滯為0.038% FS，非線性度達(dá)到± 0.0736% FS，其總體性能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該研究結(jié)果對于MEMS壓阻式壓力傳感器的設(shè)計研發(fā)具有一定的參考價值。

審核編輯：湯梓紅