一种用于恶劣环境下的贴片式MEMS压力传感器

工作。通过与高精度压力传感对比标定，结果表明：在25 - 125 2温度范围内，该传感器的灵敏度高于

106 mV-mA-^MPa'1，非线性度优于 0.3%。关键词：压力传感器；MEMS ；硅-玻璃阳极键合；抗振动冲击中图分类号:TP212. 12 文献标识码:A 文章编号：1000 -8829（2019）07 -0055 -04doi： 10.19708/j. ckjs. 2019.07.012A Bonded MEMS Pressure Sensor for Harsh Environment ApplicationsSONG Zi-jun1'2, ZHANG Cong2, ZHAO Yong1'2, YUAN Shi-hui1'2(1. Key Laboratory of Science and Technology on Aero-Engine Altitude Simulation, Mianyang 621700, China;2. AECC Sichuan Gas Turbine Establishmeni, Mianyang 621700, China)Abstract： In order to reduce the influence of strong vibration, impulse load and impuoty paOicles on tie pea

formancc and reliability of pressure sensors, to meet the requiremeni of inteerated design of pressure probe and MEMS pressure sensoe a bonded single piezoresistivv pressure sensor is proposed. The single piezoresistoe is fabecated on the lowee surface of the sensing diaphragm and be vvcuum-sealed by silicon-glass bonding

process, which is helpful 1u isoite impuety paeicles in the detection environmeni. In addition, two laree-sioe pads are designed abovv Wc diaphragm, and the soldeong (or brazing) technology is used te reeliee Wc reliable connection between the sensor and the extemai circuit. By this way, the pressure sensor can reliabiy work even if the sensoo contact with strong vibration and impact loads directiy. The peOormance of the pressure sensoe

was edibrated by compaong with a high pocision possuo sensoe the results show that the sensitivity of the

sensoe is higher than 106 mV ■ mA -1 ・ MPa_1 and the nonlinecoty is by：ter than 0.3% in the temperature range of 25 〜125 2.Key wordt： pressure sensoe MEMS; silicen-glass anodic bonding; anti-vibration shock在航空发动机高空模拟试验中，压力是最常见的 进一步扩充的使用要求。因此,最理想的做法就是将

测量参数之一，主要包括发动机内流道气体压力和油

路液体压力等。目前，航空发动机气体压力测量主要 采用压力探针将被测压力通过一段较长的引压管与压 力传感器相连通，由于引压管的影响，使压力测量的频

压力传感器直接集成在压力探针引压孔内部，即所谓

一体化设计，消除引压管对压力测量的影响。然而，该 方法实现起来是非常有挑战性的,具体表现在:压力探

针内部结构紧凑，引压孔尺寸非常小，同时还要承受较

响不高，测量结果也存在滞后现象，限制了对动态范围 收稿日期：2018 -11 -14作者简介：宋子军（1988—），男，硕士，工程师，主要研究方向为

航空发动机高空模拟试验测试及传感器技术。

大的气流冲击和机械振动等极其恶劣的工作环境。因 此,一体化压力传感器的小型化以及工作的稳定性和 可靠性是其设计的关键。根据工作原理的不同，压力传感器可以分为电容 式、压电式、压阻式、声表面波式等类型[1]% MEMS压

・56・阻式压力传感器以其结构简单、响应速度快、灵敏度高 等突出优点得到广泛的研究与应用。但将其集成在压

力探针中,并适应恶劣工作环境,仍存在一些影响其稳 定性及可靠性的因素:①传统的压阻式压力传感器芯 片通常是将压敏电阻制作在敏感膜片的上表面，电阻 器直接与外界接触，其检测性能极易受到外界杂质的

影响,无法保证其工作的稳定性;②传统的压阻式压

力传感器芯片在封装时，因其焊盘尺寸小,一般是通过 压焊铝丝与外电路连接，但压焊的铝丝直径极细(约 10 #m)，在振动或气压脉动的冲击下,铝丝容易脱落

或断裂,导致传感器的失效,难以有效保证其工作的可 靠性。为了规避上述问题,通常将压力传感器芯片封装

在充满硅油的不锈钢密闭腔体中,不锈钢膜片将感知 到的压力通过硅油间接传递到压力传感器芯片〔2*。 这种方法虽然有效杜绝了传感器使用中恶劣环境的影 响,但间接传递过程极大降低了压力传感器的响应速 度,而且封装后整体尺寸非常大，无法集成在压力探针

引压孔内部。基于此，本文提出了一种新的压阻式压力

传感器芯片结构设计方案,将压敏电阻制作在敏感薄膜 下表面，并结合硅-玻璃阳极键合技术将压敏电阻及内

部连接电路封装于玻璃基底的压力腔中,从而避免外界 杂质对压敏电阻的影响。同时，在薄膜上方设计两个用

于与外部信号处理电路连接的大焊盘,通过锡焊(或钎

焊)将传感器芯片与外部电路连接,极大地提高了连接 的可靠性,可有效保证测量过程中信号的传输。1传感器芯片的设计1.1芯片总体结构设计针对航空发动机高空模拟试验中压力探针与 MEMS压力传感器一体化集成设计的需求,基于半导

体压阻效应原理,提出了一种高可靠性贴片式压力传

感器芯片结构设计方案。压敏电阻由传统的暴露型改 为隐藏型，无需进行复杂的封装处理,就能实现压敏电

阻与外界恶劣环境的隔离，极大地提高了压敏电阻阻 值在油污、粉尘颗粒等恶劣环境下的稳定性。在此基

础上，为了解决芯片与外部电路连接的铝丝易断裂或

脱落的难题,将传统的小焊盘改成大焊盘(尺寸需大 于0. 5 mmx 0. 5 mm)，并用锡焊(或钎焊)技术代替传

统的压焊铝丝技术来实现与外部电路的连接,提高了 压力传感器的电气连接强度，有效降低了传感器在脉

动冲击和振动环境下的故障率。传统压阻式压力传感器通常都制作成全桥型压力 传感器(即敏感薄膜上由4个桥臂电阻组成一个闭环 或开环惠斯通电桥),需要设计至少4个用于与外部

电路连接的大焊盘〔,传感器芯片的整体尺寸至少需

《测控技术》2019年第38卷第7期要增大2倍，使得传感器芯片无法安装在压力探针的

引压孔内部。为了解决锡焊(或钎焊)连接技术与芯

片尺寸变大的矛盾，将传统的全桥型压力传感器改成 单电阻型压力传感器，在敏感薄膜上只制作有一个压 敏电阻和两个大焊盘，使得芯片既能满足探针与传感 器一体化设计的小型化需求，又具有较高的可靠性和

-定的灵敏度。芯片的总体结构如图1 ( c)所示，该芯

片主要由玻璃基底、焊盘、压敏电阻和硅薄膜组成。该 传感器的工作原理如图1 (b)所示，利用恒流源给压力

传感器压敏电阻供电，在外界压力作用下,敏感薄膜发

生变形,硅薄膜的压阻效应使得压敏电阻阻值发生变

化,通过测量电阻两端的电压变化即可反映出压力的 变化量。图1压力传感器芯片总体结构图1.2芯片详细参数的设计1.2.1薄膜结构尺寸设计薄膜的形状通常有方形和圆形两种,在相同条件

下,由于方形薄膜灵敏度比圆形薄膜高，因此芯片敏感 薄膜的形状选为方形〔方形薄膜的尺寸设计主要

包括:薄膜的边长和薄膜的厚度。参照压力传感器行 业的参数标准，满量程电阻变化率不小于2%。电阻 变化率的计算方法为［5*等二響!44卩£ ( 1-\")！2%

( 1 )式中,!*4为压阻系数，在P型硅中!*4 f 138. 1 x 10 - 11 Pa-1 ；P为传感器量程的最大值(此处P=0.7 MPa) ； a

为薄膜的边长;％为薄膜的厚度。要使压力传感器具

有较好的线性度,薄膜在压力作用下需处于小变形状 态下⑹。根据小挠度理论，在均布压力作用下方形薄

膜的最大挠度&ma计算方法为&mat f 0. 0152P ' (1 — \"2) \"0.2 %

( 2 )式中,'为杨氏模量，单晶硅材料的杨氏模量为180 GPa；\"为泊松比，单晶硅材料的泊松比为0. 28。此外, 根据强度设计要求,薄膜最大应力应不大于单晶硅材料 屈服应力的30%。方形薄膜的最大应力计算方法为#mat f 0- 308P^ ( 1 - \")\"0- 3

( 3 )式中,#(为屈服应力,单晶硅的屈服应力为2. 0 GPa%根据式(1)〜式(3)中可得出方形薄膜边长与厚度

一种用于恶劣环境下的贴片式MEMS压力传感器・57・的比值的范围为13. 6〜43. 7。综合考虑传感器的 灵敏度和线性度的要求，并在制作工艺条件满足的情况

下，尽量减小传感器的整体尺寸。最终将传感器方形薄

2传感器芯片的制作工艺2.1材料的选择膜的尺寸确定为:边长$ =400 #3,厚度％ = 15 #3。1.2.2 压敏电阻结构尺寸设计压敏电阻形状一般采用窄条形结构,为了降低压

敏电阻自身的发热量，单位面积功耗*（计算方法见 式（4））需控制在5 e 10 一5 W/#32以下〔7*。尸!卩尸! ⑷#+=~wl =~wT = ~wr

（4）式中,/为恒流源电流（此处电流为1 3A）；!为压敏 电阻阻值;&、L分别为条形压敏电阻宽度和长度;!

为方块电阻。为尽量降低温度变化对压敏电阻的影响,并综合

考虑掺杂浓度对压阻系数的影响，最终确定压敏电阻 区域的掺杂浓度为'e 1018 C3-3。通过试验测定得

到，在该掺杂浓度下，方块电阻！约为200 %。根据 式（4）可以计算出，条形压敏电阻的宽度需大于7

#3。因此，将压敏电阻条宽设计为8 #3,压敏电阻的

阻值！ 一般设计为5 >%,结合方块电阻值计算得到

压敏电阻条长度为200 #3。1.2.3

压敏电阻及内部连接电路布局方案设计为了提高压力传感器灵敏度，压敏电阻布置在晶

面为\"100），晶向为了 110〉的N型硅基底上,并使压 敏电阻尽可能地布置在最大应力区域（即薄膜边缘中 心区域）〔，将压敏电阻设计为5折,每折的长度为40

#3。此外,为减小压敏电阻拐角处负阻效应的影响，

对拐角处区域加宽，并进行重掺杂。由于浓硼扩散会 使硅表面变得不平整,为了使密闭压力腔中的电信号

与外界形成良好的电连接,又不破坏压力腔的密封性, 在薄膜边缘设计了过渡区域，该区域使用离子注入代

替浓硼扩散实现电连接。其他用于电信号引出区域将

进行浓硼扩散，使扩散区域电阻率降低,用于制作连接 导线和欧姆接触的连接锚点。压敏电阻及内部连接电

路在方形薄膜上的布局如图2所示。重掺杂区过渡区域压敏电阻图2压敏电阻及内部连接电路在方形薄膜上的布局图传感器芯片制作材料的选择是影响传感器各项性 能的重要因素之一。由于在相同掺杂浓度下,P型硅

的压阻系数比N型的高，而温度系数比N型的小，所 以选用P型掺杂来制作压敏电阻⑻。考虑到压敏电

阻需与衬底形成PN结隔离，因此压敏薄膜材料选用

N型单晶硅。为了简化工艺流程，选择绝缘体上硅晶

片（SOI）来制作压敏薄膜，将SOI中的掩埋氧化层作 为湿法腐蚀自停止层,从而实现敏感薄膜厚度的精确 控制。SOI硅片具体参数为:器件层\"Si）的厚度为15

#3；绝缘层（Si（O）的厚度为1. 5 #3；支撑层（Si）的厚

度为380 #3,N型4 D晶片，晶面为100。考虑到传感器通常工作温度范围为- 40〜125 2，在这个温度范围内Pyvx7740玻璃与硅的热匹配

性良好，并且Pyrex7740玻璃与硅片的阳极键合比硅 硅键合更容易实现〔%*。因此选择Pyex7740玻璃作为 作工敏腔的的底上料的来。2.2制作工艺流程传感器芯片的制备工艺流程主要分为4个步骤。① SOI硅片上压敏电阻及连接电路的制作（见图3 （ a））。首先利用热氧化法在SOI硅片制备一层厚度

约为800 G3的Si（）2，通过光刻和湿法腐蚀去除重掺杂 区域氧化层，利用保留下来的S（2作为遮挡层，对重 掺杂区域进行浓硼扩散,使扩散区域电阻率降低，用于

制作连接导线和欧姆接触的连接锚点;然后利用铝作 为遮挡层,采用离子注入技术对压敏电阻区域注入硼

离子,形成阻值约为5 的电阻条;最后通过磁控溅射技术和剥离工艺在重掺杂区域制作铝电极,在氮气 氛围中经过退火处理使铝电极与重掺杂区域形成良好

的欧姆接触,从而将压敏电阻信号引出。② Pyex7740玻璃上压力腔及连接电路的制作

（见图3（b））。首先在玻璃基片上溅射厚度约为200 G3的金属铬，通过光刻和腐蚀工艺打开400 x400掺

方形窗口，利用金属铬和光刻胶作为阻挡层，在缓冲氧 化物刻蚀液（BOE溶液）腐蚀出深度约为5 #3的压力

腔;再利用光刻胶作为阻挡层，在玻璃基底上铝电极区

域腐蚀出深度约为200 G3的凹槽;然后在凹槽中溅射 铝，制作成铝电极。③ SOI硅片与Pyrex7740玻璃的阳极键合（见图3

（=）。首先将SOI硅片和Pyrex7740玻璃用丙酮和酒 精清洗干净并吹干;然后将SOI硅片和Pyex7740玻 璃片分别固定在键合机的阳极和阴极,使制作有铝电

极的两个面对准并贴合在-起;最后在阳极和阴极之 间施加一定的温度、压力和高电压等外部条件，使硅/

・58・玻璃界面发生电化学反应形成Si-E-Si键,实现硅/玻 璃的良好封接。④SOI硅片减薄与焊盘的制作(见图3 ( d ))。首

先用KOH溶液腐蚀SOI硅片的支撑层,由于KOH溶

液几乎不腐蚀 —2，因此利用SOI硅片中的掩埋绝缘

层作为湿法腐蚀自停止层，通过腐蚀减薄后SOI硅片

只剩下15 #m厚的硅薄膜和1. 5 #m厚的SiO?层;然

后用—2做遮挡层，干法刻蚀SOI器件层Si,以铝为 干法刻蚀自停止层,暴露出铝电极窗口；最后在铝电极

窗口和芯片上表面溅射金属属和金,通过光刻和剥离

工艺在芯片上表面形成两个大焊盘，通过铝-和-金 的连接成功将隐藏在密闭压力腔中的压敏电阻信号引 到两个大焊盘上。I硅铝镰CZI匚］金

二氧化硅 重掺杂区玻璃基底 rr~n压敏电阻图3制作工艺流程图压力传感器芯片制作工艺实物如图4所示，图4( a)

为重掺杂区域浓硼扩散后效果图，图4(b)为压敏电子 区域光刻后的效果图，图4(c)为在SOI重掺杂区域制 作的铝电极，图4(d)为在玻璃基底上制作的铝电极。3测试结果与分析在专用测试设备上对制作完成的绝压传感器芯片 性能进行了测试,在没有任何补偿及后处理电路的情

况下，给压力传感器芯片通上1 mA的恒流源。通过 加压泵给压力传感器加压，并采用高精度压力传感器

测量所施加的压力，通过高精度电压采集设备测量压《测控技术》2019年第38卷第7期图4压力传感器制作工艺实物图力传感器输出电压。压力施加范围从100〜700 kPa,

每隔50 kPa记录一次数据。压力传感器芯片在不同

温度条件下的输出特性如图5所示。从图5中看以看出，压力与输出电压之间具有良

好的线性关系，不同温度下的非线性度均小于0. 3% % 但由于受温度的影响，传感器在不同温度下的输出特 性曲线存在较大差异。并且传感器会产生灵敏度温度

漂移，不同温度条件下,传感器的灵敏度如表1所示。表1不同温度下的灵敏度温度/2 灵敏度/mV/( mA• MPa)温度/2 灵敏度/mV/( mA • MPa) -1251251001135012312510675116从表1可以看出，传感器的灵敏度随着温度的升 高而逐渐降低。因此，需在不同温度下对传感器进行

标定，结合曲线拟合补偿算法对传感器的温度影响进

行修正。在实际使用过程中，通过实时测量气流中的

压力和温度值，利用温度测量值对压力测量结果进行

修正，从而进一步提高压力检测精度。(下转第62页)・62・《测控技术》2019年第38卷第7期全流量滑油在线屑末传感器时引起的测试线圈感应电 压进行理论推导和计算,并借助ANSYS Electric软件 建立二维有限元仿真分析模型。通过求解有限元方程 可知铁磁性金属屑末和非铁磁性金属屑末的相位相

反。金属屑末引起的感应电压与金属屑末半径的磨成 正比，铁磁性金属屑末引起的感应电压的峰值与它的

半径成三次方关系，非铁磁性金属屑末引起的感应电

压的峰值与它的半径及电导率相关。通过以上研究获取传感器感应特性，并根据标准 金属颗粒与测试线圈感应电压之间的对应关系，建立

传感器标定曲线,为传感器的标定建立了理论依据。

参考文献：:1)王志娟，赵军红,丁桂甫•新型三线圈式滑油磨粒在线监

式中,@、@为与验证系统相关的常数当有多个屑末同时经过传感器时,传感器的输出 信号是多个金属屑末感应电压的叠加。当两个屑末距

离缩小至首尾相接时，通过波形不能分辨出2个屑末, 但是产生的幅值显著增大⑺。通过实验测试可知，当

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2000：205 -215.两个金属屑末的距离为2倍的激励线圈的距离时，叠 加的感应信号能够区分。感应电压的大小与金属屑末

的形状、尺寸、通过传感器时的形态等因素相关。相同尺寸与形状的两个不同类型屑末(一个铁磁

:5 ］聂鹏，韩娇，徐涛，等•滑油金属磨屑在线电磁检测传感器

的仿真研究(J］ •仪表技术与传感器,2016 (3) ：4-6.:6］商薇，胡飞，王燕山，等•基于小波变换的油液金属颗粒检

性，一个是非铁磁性)同时经过传感器时，铁磁性金属

屑末引起的感应电压远大于非铁磁性金属屑末的感应

测算法研究(J］ •测控技术,2016,35(5) ：41-44.:7 ］李萌，郑长松,李和言，等•电感式磨粒在线监测传感器的

电压,传感器的输出为铁磁性金属屑末。4结束语

通过对铁磁性金属屑末和非铁磁性金属屑末通过激励特性分析(J］•传感器与微系统,2014,33 (6 )：19-

22.(上接第58页)4结束语为了满足压力探针与MEMS压力传感器一体化 集成设计的需求，提出了一种单电阻贴片式MEMS压 力传感器芯片结构设计方案，解决了一体化压力传感

研究】J) •测控技术,2017,36(4) ：113 - 116.:3]李彦芳•压力传感器温漂及非线性校准技术研究:J] •测

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器在恶劣环境下小型化和可靠性的问题。根据传感器的灵敏度、线性度以及强度要求设计 了传感器芯片的结构尺寸,并通过MEMS工艺技术完 成了压力传感器芯片的制作，单个成品器件的整体尺

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寸为1. 5 mm X 1 mm X 0. 5 mm。性能测试结果表明： 在25〜125 °C温度范围内，非线性度小于0.3% ,灵敏

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