MEMS高温压力传感器若干关键技术的研究.ppt

MEMS高温压力传感器若干关键技术的研究 对一种新型MEMS高温压力传感器进行了研究，该压力传感器以硅片为弹性片，敏感材料为Ni-Cr合金，是利用溅射合金薄膜压力敏感元件和先进的加工工艺制作而成。这种压力传感器克服了压阻型压力传感器不能在高温下工作的缺点和传统的溅射薄膜压力传感器尺寸大的缺点，工艺过程简单，工艺周期短，工艺成本相对较低，体积小、重量轻、耐高温，特别适用于对流体介质的测量，是油田生产下井压力传感器的理想选择。 本文研究的是溅射薄膜压力传感器，它以硅片为弹性片，敏感材料为Ni-Cr合金，利用溅射合金薄膜压力敏感元件和先进的加工工艺技术制作而成。Ni-Cr合金电阻与温度有良好的线性关系，传感器的所有薄都是在高真空之下以分子形式结合在一起 的，避免了高温时p-n结隔离失效问题，从而可以在高温300℃下工作，这是目前大 多数传感器所不能达到的。 应变电阻转换原理 溅射薄膜压力传感器的转换原理 溅射式的敏感元件 2）溅射薄膜传感器芯片的基本结构 变换电路及补偿电路 改变为R+ΔR1、R+ Δ R2、R+ ΔR3、R+ΔR4时可得： 下面讨论温度补偿电路 压力传感器芯片应变模拟分析 方形膜片应变的理论分析 传感器的工艺设计和试制 传感器制备的主要工艺 光刻工艺 镀膜工艺 金属Cr作为掩模的各向异性腐蚀 传感器的制作流程 谢谢 硅片的清洗 单晶硅片在其形成中经过切割、研磨、抛光表面精细加工等加工过程后，最后形成的硅片表面残存各种油脂如防锈油、润滑油等。这些物质极易污染晶片，硅片表面是否清洁是影响每道工序质量乃至整个器件质量的主要因素之一，因此在器件制作之前首先清除原材料表面的杂质污染即要对硅片进行清洗。其次，再各工序过程中，均可引入杂质和灰尘。总之，在器件制作过程中，杂质来源是多方面的，来自工艺流程、环境、材料、设备、用具、操作者，这些因素直接或间接的与硅片接触，造成其表面被杂质污染。清洗硅片时应去除覆盖在表面上的一层疏水性的有机物残渣，因为它对清除离子型和原子型杂质有阻碍作用。再去除无机金属离子或原子杂质。对于抛光硅片，还需要去除镜面上的吸附颗粒。 光刻工艺是利用成像和光敏胶膜在基底上图形化。光刻是微细加工中最重要的步骤。 从基底开始，光刻胶置于基底的平滑表面成为首层。然后，带有光刻胶的基底在一束光通过绘有预定图案的掩模版中的透明部分而曝光。当光照后，光刻胶会改变其溶解性。光照后易溶解的光刻胶称为正胶，反之，处于阴影处更易溶解的称为负胶。当曝光的基底经溶剂处理后，这两种光刻胶具有相反的效应。原来的光刻胶材料经处理后产生原版本的图案。处于阴影中的光刻胶的基底部分被保护以免被腐蚀。因而，在除去光刻胶后，基底上就产生了一个永久的图案。 薄膜是指存在于衬底上的一层厚度一般为零点几个纳米到数十微米的薄层材料。薄膜材料种类很多，根据不同使用目的可以是金属、半导体硅、绝缘体玻璃，陶瓷等。从导电性考虑，可以使金属、半导体、绝缘体或超体；从结构考虑，可以是单晶体、多晶体、非晶体或超晶格材料；从化学组成来考虑，可以使单质、化合物或无机材料、有机材料等。 制备薄膜的方法很多，归纳起来有如下几种： 1）气相方法制膜，包括化学气相沉积(CVD)，如热、光或等离子体CVD，和物理气相沉积(PVD)，如真空蒸发、溅射镀膜、离子镀膜、分子束外延、离子注入成膜等； 2）液相方法制膜，包括化学镀、电镀等； 3）其它方法制膜，包括喷涂、印刷、涂敷等等。 各向异性腐蚀硅杯是制作压力传感器至关重要的工艺，硅杯应力膜质量的好坏直接影响传感器的输出特性，它主要取决于腐蚀液及腐蚀条件的选择。性能优秀的各向异性腐蚀液应具有良好的方向选择，易于控制，能与硅集成电路平面工艺兼容。不同腐蚀条件下腐蚀效果的差别很大，常用的各向异性腐蚀剂分为三类：第一类是有机腐蚀剂，包括EPW（乙二胺，邻苯二酸和水）和联胺等；第二类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液；第三类是氢氧化铵（TAMH）类，如四甲基氢氧化胺。第一类腐蚀剂EPW和联胺选择性中等，速度中等，但有毒制癌，废液难于处理，一般不采用。第二类中KOH晶面腐蚀选择性好，速度较快，但容易腐蚀SiO2掩模层，使得硅杯腐蚀深度较浅。 * * 金属材料的应变电阻效应 金属材料应变电阻以结构尺寸变化为主，对于其它金属及合金K=1.8~4.8，对于镍铬合金K=1.9~2.5。实验表明：康铜、镍铬材料电阻变化率与应变ε之间的关系是线性关系。 现在讨论的是导线电阻变化与应变之间的关系，本文分析对于如图所示的电阻与应变关系。 溅射薄膜压力传感器是溅射工艺直接在弹性元件上制成电阻应变敏感元件，它的附着力强，制成传感器的蠕变小，稳定性好。下面就介绍薄膜溅射的