多晶硅纳米薄膜压阻式压力传感器

　　0　引言

　　半导体压力传感器按照材料和工艺主要分为:扩散硅压力传感器、多晶硅压力传感器、SOI(Silicon on Insulator)单晶硅压力传感器等。扩散硅压力传感器工艺成熟、造价低、灵敏度高、但高温特性不佳[1];多晶硅压力传感器造价低、高温特性好,但灵敏度较前者低[2]; SOI压力传感器灵敏度高、高温特性好,但造价高[3]。因此,研制出成本低、灵敏度高并具有良好温度特性的压力传感器是目前所面临的难题。多晶硅纳米薄膜是膜厚接近或小于100 nm的多晶硅薄膜,具有显著的隧道压阻效应,表现出比常规多晶硅薄膜更优越的压阻特性[4],应变因子可达34,具有负应变因子温度系数,数值小于1×10-3/℃,电阻温度系数可小于1×10-4/℃,对发展高灵敏、低温漂、宽工作温度范围的低成本压力传感器具有重要的应用价值[5]。利用多晶硅纳米薄膜优良特性设计一种多晶硅纳米薄膜压阻式压力传感器。

　　1　压力传感器的结构设计

　　为了有效利用现有工艺条件,采用常见的硅杯结构进行设计,通过有限元分析确定敏感电阻分布,硅膜片上制作4个多晶硅纳米薄膜应变电阻并连接成惠斯登电桥输出信号。

　　1·1　多晶硅纳米薄膜电阻

　　研究表明[5],采用LPCVD工艺制作的多晶硅纳米薄膜,在淀积温度为620℃,掺杂浓度为3×1020cm-3附近,膜厚为80~100 nm的技术条件下,具有最佳压阻特性,纵向应变因子Gl=34,横向应变因子Gt=-16·5[5]。因此选用这种薄膜制成纵向分布的应变电阻来设计压力传感器。这种薄膜的电阻率一般在0·014Ω·cm左右,为满足设计要求,选取薄膜电阻的长度和宽度均为30μm.

　　1·2　硅杯结构设计

　　为了使构成惠斯登电桥的4个应变电阻按应力方向合理分布,消除电阻横向应变,设计硅杯为矩形且膜片长、宽比为2·1∶1[6]。4个薄膜电阻(R1、R2、R3、R4)对称地分布在纵向应变最大的位置,如图1所示,图中坐标原点在硅杯中心, Y轴为膜片长边对称轴,电阻纵向沿X轴分布。力敏电阻电桥电路如图2所示,图中E电源电压,U桥路输出电压。在设计过程中,首先,推导出硅膜片应变与传感器满量程输出关系式。其次,由于采用各向异性腐蚀法制备硅杯,根据工艺条件,选取硅杯弹性膜片厚度为50μm,固定膜片的长宽比为2·1∶1,以膜片宽度为变量,通过有限元分析方法确定电阻纵向(X轴)应变极值,计算不同膜片宽度传感器灵敏度,再根据灵敏度设计要求确定合适膜片宽度。最后,根据确定的硅杯及膜片尺寸,通过有限元分析方法获得应变分布,采用电阻中心在应变极值点原则确定电阻布局。