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1、第2章半导体压力传感器1本讲稿第一页，共九十二页第第1 1节节 力学量传感器力学量传感器力学量传感器主要是用于测量力、加速度、扭力学量传感器主要是用于测量力、加速度、扭力、压力、流量等物理量。这些物理量的测量都是力、压力、流量等物理量。这些物理量的测量都是与机械应力有关，所以把这类传感器称为力学量传与机械应力有关，所以把这类传感器称为力学量传感器。力学量传感器的种类繁多，应用较为普遍的感器。力学量传感器的种类繁多，应用较为普遍的有：电阻式、电容式、变磁阻式、振弦式、压阻式、有：电阻式、电容式、变磁阻式、振弦式、压阻式、压电式、光纤式等。不同类型的力学量传感器所涉压电式、光纤式等。不同类型的力学
2、量传感器所涉及的原理、材料、特性及工艺也各不相同，本章不及的原理、材料、特性及工艺也各不相同，本章不可能一一讲到。这里只准备对扩散硅压阻式压力传可能一一讲到。这里只准备对扩散硅压阻式压力传感器的原理、设计及部分工艺作一讨论。感器的原理、设计及部分工艺作一讨论。2本讲稿第二页，共九十二页力敏元件（force sensing element）力敏元件（force sensing element）是特征参数随所受外力或应力变化而明显改变的敏感元件。力包括重力、拉力、压力、力矩、压强等物理量。力敏元件及传感器广泛用于各工业生产部门和科学实验研究。3本讲稿第三页，共九十二页力敏元件的分类 力敏元件的品种
3、规格繁多，可以按不同的方法进行分类，如按被测量进行分类：1.力传感器传感器（包括：荷重传感器、拉力传感器、扭矩传感器）。2.压力传感器（表压传感器、绝压传感器、密封压力传感器）。3.差压传感器、4.液位传感器。4本讲稿第四页，共九十二页常见的力敏元件 力敏元件是利用金属或半导体的压阻效应而制成的，目前最常见的力敏元件就是应变片是一种能将被测试验体上的应力变化转换成电阻电阻变化的敏感器件，它是应变式传感器的主要组成部分。电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。电阻应变片是应用很广的力电转换元件，通常它需要和电桥电路一起使用，由于其输出信号微弱，还需要经放大器将信号放大。5本讲稿第五
4、页，共九十二页电阻应变片在使用时应粘贴在被测试件电阻应变片在使用时应粘贴在被测试件的理想部位上，进行直接测量，也可以的理想部位上，进行直接测量，也可以与弹性元件组成力学传感器使用。电阻与弹性元件组成力学传感器使用。电阻应变片用途非常广泛，它可以检测机械应变片用途非常广泛，它可以检测机械装置各部分的受力状态，如应力、振动、装置各部分的受力状态，如应力、振动、冲击、响应速度、离心力及不平衡力大冲击、响应速度、离心力及不平衡力大小等。小等。6本讲稿第六页，共九十二页力敏元件的性能指标力敏元件的性能指标压力范围：压力范围：1kPa1kPa灵敏度：灵敏度：0.2mV/Pa0.2mV/Pa非线性度：非线性
5、度：1%1%F.S F.S频率响应：频率响应：1 1100Hz100Hz标准工作电压：标准工作电压：4.5V(DC)4.5V(DC)扩充工作电压：扩充工作电压：3 315V(DC)15V(DC)标准：标准：2.2K2.2K扩充电阻：扩充电阻：1K1K12K12K外形尺寸：外形尺寸：f 12.7f 12.77.67.6重量：重量：1.5g1.5g7本讲稿第七页，共九十二页8本讲稿第八页，共九十二页9本讲稿第九页，共九十二页10本讲稿第十页，共九十二页11本讲稿第十一页，共九十二页12本讲稿第十二页，共九十二页13本讲稿第十三页，共九十二页14本讲稿第十四页，共九十二页15本讲稿第十五页，共九十二
6、页16本讲稿第十六页，共九十二页17本讲稿第十七页，共九十二页第2节 压阻式压力传感器的基本原理2.12.1概述概述固体受到力的作用后，电阻率将发生显著的变化，固体受到力的作用后，电阻率将发生显著的变化，我们称为压阻效应。利用这种效应制成的传感器我们称为压阻效应。利用这种效应制成的传感器可用于测量力，压力、加速度、载荷和扭矩等参可用于测量力，压力、加速度、载荷和扭矩等参量。量。硅晶体有良好的弹性形变性能和显著的压阻效应，硅晶体有良好的弹性形变性能和显著的压阻效应，利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的传感器，利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的传感器，具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定具
7、有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型化和批量生产性好、工作温度范围宽、易于小型化和批量生产及使用方便等特点。及使用方便等特点。18本讲稿第十八页，共九十二页2.2 2.2 基本原理基本原理压阻式传感器的基本原理可以从材料电压阻式传感器的基本原理可以从材料电阻的变化率看出。我们知道任何材料电阻的变化率看出。我们知道任何材料电阻的变化率都可由下式决定：阻的变化率都可由下式决定：19本讲稿第十九页，共九十二页20本讲稿第二十页，共九十二页21本讲稿第二十一页，共九十二页第3节 压阻系数一、应力张量 弹性体内某一点的应力，要用九个应力分量组成的应力张量来描述。22本讲
8、稿第二十二页，共九十二页硅作为各向异性的晶体，它的压阻系数具有复杂的形式，现讨论如下：一、应力张量 弹性体内某一点的应力，要用九个应力分量组成的应力张量来描述。（2-24）由于弹性体中任意正平行六面体不仅满足内力平衡条件，而且满足内力矩平衡条件，因此有23本讲稿第二十三页，共九十二页 应力张量是二阶对称张量，独立的应力分量只有六个。为了反映应力张量只包括六个独立分量，常把二阶对称应力张量的两个角标简化成一个角标，写成 形式，并用一列矩阵表示为：（2-26）其中 称为法向应力分量。称为切向应力分量。应力的单位是 通常张应力取正值；压应力取负值。24本讲稿第二十四页，共九十二页二、压阻系数 如将半
9、导体材料（一般是单晶体）沿三个晶轴方向取一正平行六面体，并以三个晶轴为坐标轴，则可建立起 正交坐标系。九个应力分量中有六个是独立的。应力的存在将引起电阻率的变化，用 来表示电阻率的变化率。而电阻率的变化率与应力之间的关系是由压阻系数联系起来的，它们之间的关系可由下列矩阵方程给出：（2-27）25本讲稿第二十五页，共九十二页由于单晶硅是正立方晶体，三个晶轴是完全等效的，加之坐标系又与晶轴重合，则有正向压阻效应相等，即横向压阻效应相等，即剪切压阻效应相等，即26本讲稿第二十六页，共九十二页所以硅在晶轴坐标系中压阻系数的矩阵可简化为：（2-28）由矩阵可以看出，独立的压阻系数分量仅有 三个。分别为晶
10、轴方向上的纵向压阻系数、横向压阻系数、剪切压阻系数分量，也称它们为基本压阻系数分量。27本讲稿第二十七页，共九十二页温度对压阻系数的影响28本讲稿第二十八页，共九十二页第4节 压阻式压力传感器的结构设计4.1 硅压力膜片的应力分布利用半导体材料的压阻效应可以制成压力传感器。这种压力传感器的核心部分是一个周边固支的上面扩散有硅应变电阻条的硅敏感膜片，即硅压阻芯片。硅压阻芯片常采用两种结构，一种是周边固支的圆形硅杯膜片结构，如图（a）所示；另一种是周边固支的方形或矩形硅杯膜片结构，如图（b）所示。硅杯膜片结构不同，应力的分布也不同。29本讲稿第二十九页，共九十二页30本讲稿第三十页，共九十二页对于
11、圆形硅杯膜片，当压力作用其上时，在硅膜片背面产生的表面径向应力 和表面切向应力 与所加的压力 、膜片厚度 、膜片有效半径 、泊松系数 、计算点的半径 的关系式为根据上两式可作出圆形硅杯膜片上的应力分布图，如右图所示。由图可见，硅膜片圆心和边缘部位是应力最大的部位。31本讲稿第三十一页，共九十二页32本讲稿第三十二页，共九十二页当 时，；时，即为拉应力；时，即为压应力。当 时，仅有 的压应力；当 时，；当 时。为了保证膜片在工作时的线性，应使硅膜片处于小挠度变形范围内。一般讲，当硅膜片的应变量小于 （微应变），即相当应力小于 时，可满足上述要求。在设计硅压阻芯片时，应把扩散应变电阻条配置在应力最
12、大的位置，以获得最大的灵敏度。对于周边固支的方形或矩形硅杯膜片上任意点的应力难于用解析式给出，一般用有限差分法进行数值解。33本讲稿第三十三页，共九十二页2.4.2 压阻式压力传感器硅芯片设计中的一些问题硅压阻芯片是压阻式传感器的核心部分，其设计因用途而异。以下仅就有关设计中的一般原则进行讨论。前面已经指出，34本讲稿第三十四页，共九十二页已知硅压阻芯片采用的硅杯结构有两种，周边固支的圆形硅杯和周边固支的方型或矩形硅杯。采用周边固支硅杯结构，可使硅膜片与固支环构成一体，既可提高传感器的灵敏度、线性、减小滞后效应。又便于批量生产。圆形硅杯结构多用于小型传感器，方型或矩形硅杯结构多用于尺寸较大、输
13、出较大的传感器，圆形硅杯是最常采用的一种硅杯形式，制作工艺比较成熟，其应力的计算与分布均已给出。所以本节将以圆形硅芯片的设计为例进行讨论。硅杯材料的选择是极为重要的，通常选用N型硅晶片作为硅杯膜片，在其上扩散P型杂质，形成电阻条。这是因为，P型电阻条的压阻系数较N型为大，灵敏度高，而温度系数比N型的小，也易于制造。N型硅膜片晶向的选取，除应考虑获得高压力灵敏度外，一、硅杯结构与材料的选择一、硅杯结构与材料的选择35本讲稿第三十五页，共九十二页还要考虑各向异性腐蚀形成硅杯制造工艺的要求，一般选取100或110晶向的硅膜片。N型硅膜片的电阻率，通常选取815cm,这样可使P型扩散电阻条所产生的PN
14、结的隔离作用有足够的耐压性。如果传感器的激励电源电压较低，也可用电阻率更小的硅膜片。二、硅杯尺寸的确定 1.硅杯的直径、膜片厚度的确定对于圆形硅杯膜片的几何尺寸，一般指的是它的有效半径a和厚度h而言的。当硅杯膜片受一定压力作用时，要保证硅膜片的应力与外加压力有良好的线性关系，其条件为硅膜片的半径与膜片厚度的比应满足以下关系：式中，为硅的弹性极限，36本讲稿第三十六页，共九十二页.固有频率硅杯压阻压力传感器在动态条件下使用时，应具有一定的固有频率，在确定硅膜片的有效半径和厚度时，要同时满足固有频率的要求。周边固支圆形硅膜片的固有频率为式中E弹性模量硅材料的密度当有效半径a一定时，可由上两式得出满
15、足线性与固有频率要求的硅膜片厚度。硅的弹性模量和钢材料几乎相等。但硅的密度为钢的1/3到1/4，故硅膜片的固有频率比钢膜片高2倍。37本讲稿第三十七页，共九十二页三、扩散电阻条的阻值、尺寸、取三、扩散电阻条的阻值、尺寸、取向与位置的确定向与位置的确定硅压阻芯片是在硅压阻芯片是在N N型硅杯膜片上扩散四个型硅杯膜片上扩散四个P P型电阻，一般接成惠斯顿电桥而构成的。型电阻，一般接成惠斯顿电桥而构成的。电阻条的阻值、几何尺寸、位置与取向电阻条的阻值、几何尺寸、位置与取向的配置都对传感器的灵敏度有很大的影的配置都对传感器的灵敏度有很大的影响，需要计算确定。响，需要计算确定。38本讲稿第三十八页，共九
16、十二页.扩散电阻条的阻值与几何尺寸的确定硅杯膜片上的四个电阻按下图（a）连成惠斯顿电桥。为了获得较大的输出，要考虑与负载电阻的匹配，如果传感器后面接的负载电阻为 如下图（b）所示，则负载上获得的电压为只有在时有所以传感器的输出电阻（等于电桥桥臂的电阻值），应该小些。设计时一般取电桥桥臂的阻值（也就是每个扩散电阻的阻值）为5003000欧姆。39本讲稿第三十九页，共九十二页40本讲稿第四十页，共九十二页.扩散电阻条的取向与位置的确定由前所述可知，圆形硅杯膜片上扩散电阻的电阻变化率可由下式给出：纵向压阻系数；横向压阻系数；径向应力；切向应力；由上式可知，欲获得大的电阻变化率，提高传感器的灵敏度，扩
17、散电阻条应选择在压阻效应较大的晶向和应力大的部位上。扩散电阻一般连接成惠斯顿电桥是为了提高力敏电桥电路灵敏度的目的。在电阻条选取定位时，还要满足硅膜片受力后其上的一对电阻的阻值变化率为正值，而另一对的阻值则应为负值。下面不难看出，在满足上述要求的情况下，压阻效应的选用可以是：只利用纵向压阻效应；既利用纵向压阻效应又利用横向压阻效应。41本讲稿第四十一页，共九十二页可用下列两式计算圆形硅杯膜片上径向应力与切向应力的平均值：通过以上计算说明了当扩散力敏电阻按同一晶向布置时，通过以上计算说明了当扩散力敏电阻按同一晶向布置时，在硅膜片受力后，由于力敏电阻分别处于正负应力区内，可使在硅膜片受力后，由于力
18、敏电阻分别处于正负应力区内，可使两个桥臂的电阻相对变化率为正值，另两个桥臂的电阻相对变两个桥臂的电阻相对变化率为正值，另两个桥臂的电阻相对变化率为负值，因而可同样达到提高力敏电桥电路灵敏度的目的。化率为负值，因而可同样达到提高力敏电桥电路灵敏度的目的。42本讲稿第四十二页，共九十二页第5节 硅压阻式压力传感器的制造压阻式压力传感器的结构，主要有敏感元件（俗称硅杯）及壳体两大部分。因此。按制造工艺的不同也可概括为如下两大过程：（1）采用集成电路的方法在硅片上扩散惠斯顿电桥的四个电阻，而在其反面腐蚀一定的杯孔。（2）将硅杯通过静电封接、低温玻璃烧结等工艺组成传感器，并对其性能参数进行测试。一、硅压
19、阻传感器的制造.硅杯的制作（1）选合适电阻率的单晶硅，进行定向、切割、双面磨抛，加工成一定形状、一定厚度的衬底基片，如右图所示43本讲稿第四十三页，共九十二页44本讲稿第四十四页，共九十二页（2）采用集成电路方法对硅片进行氧化、光刻、扩散（或离子）采用集成电路方法对硅片进行氧化、光刻、扩散（或离子注入）等标准平面工艺制成电阻条。在背面刻出硅杯图形，进行硅注入）等标准平面工艺制成电阻条。在背面刻出硅杯图形，进行硅杯腐蚀，制成硅杯压阻芯片。杯腐蚀，制成硅杯压阻芯片。2.封装工艺封装工艺首先测试合格芯片，用静电封装与低温玻璃烧结的方法首先测试合格芯片，用静电封装与低温玻璃烧结的方法将硅杯组装在壳体上
20、；然后进行压焊，调零补偿；最后对传将硅杯组装在壳体上；然后进行压焊，调零补偿；最后对传感器表面进行保护处理。用静电封装与低温玻璃烧结的方法感器表面进行保护处理。用静电封装与低温玻璃烧结的方法代替有机胶黏结，可大大减少传感器的蠕变与滞后影响。静代替有机胶黏结，可大大减少传感器的蠕变与滞后影响。静电封接工艺是将金属（或半导体）和玻璃加热至玻璃软化点电封接工艺是将金属（或半导体）和玻璃加热至玻璃软化点以下，同时加以高电压，使两者在相互密接处产生静电力作以下，同时加以高电压，使两者在相互密接处产生静电力作用，形成气密性封接。用，形成气密性封接。45本讲稿第四十五页，共九十二页二、几种新型硅芯片的制备工
21、艺用上述常规工艺制作硅芯片，虽然简单易行，但是通过控制腐蚀液和时间来控制硅杯膜片的厚度，是比较困难的，生产效率低，芯片一致性差，成品率较低，批量生产也有困难。下面介绍几种制备芯片的新工艺。46本讲稿第四十六页，共九十二页.外延硅膜片制作法外延硅膜片制作法用集成电路的外延方法制作硅杯膜片是用集成电路的外延方法制作硅杯膜片是一种有效的方法，其制作工序如图所示一种有效的方法，其制作工序如图所示47本讲稿第四十七页，共九十二页硅片经过定向、磨、抛后，用扩散法或离子注入法将硼杂质注入硅片的一面（厚约微米），形成P型薄层。用外延法在P型层上外延生长一层层，层电阻率比P型层高，外延层的厚度就是所需的硅杯膜片
22、厚度。将此硅片氧化，在外延的层上光刻出电阻条区，用扩散法或离子注入法制作成P型电阻条。蒸发铝和光刻铝引线和硅杯孔，用各向异性腐蚀法腐蚀形成硅杯，制成硅压阻芯片。方法的优点：（1）由于采取对P型层不起作用的腐蚀液，P型层起着腐蚀隔离的作用。硅膜片厚度是由外延生长控制的，可制成很薄的硅膜片。（2）硅杯的腐蚀能自动地在P型层停止。操作方便，成品率高，特别适合小型的硅压阻式压力传感器的制造48本讲稿第四十八页，共九十二页2.多晶硅膜片法为了制作成本低的硅压阻芯片，采用多晶硅作硅杯膜片，再在硅杯膜片上制作电阻条，形成硅压阻芯片，这一方法是利用多晶硅具有相当大的压力灵敏度，其压力灵敏度可由下式给出：式中R
23、0、L0分别为零压力时的电阻和长度；、分别是压力产生的电阻变化与长度变化。其制作工序为：在（100）晶面或（110）晶面的N型单晶硅上生长一层氮化硅（膜厚约0.40.6微米）。再在氮化硅层上外延生长多晶硅（厚约68微米）。以二氧化硅为掩蔽膜，用扩散法或离子注入法掺入硼杂质，形成P型电阻条。在背面光刻出硅杯掩蔽孔，49本讲稿第四十九页，共九十二页50本讲稿第五十页，共九十二页51本讲稿第五十一页，共九十二页3.硅-蓝宝石、硅-尖晶石弹性膜片的制备1975年美国贝尔公司发表专利，试制成功集成化硅-尖晶石弹性膜片。它是以尖晶石为衬底，外延一层P型硅制成应变电阻条，1979年美国康雷克公司研制成功硅-
24、蓝宝石半导体力敏器件，它是在蓝宝石衬底上外延一层单晶硅，利用单晶硅层制作力敏电阻条。这些传感器的特点是取消了硅压阻压力传感器所采用的PN结隔离，代之以高介电强度的绝缘衬底隔离。这样就克服了PN结隔离的如下缺点：（1）绝缘电阻不能作得很高，一般为100200M欧；（2）PN结需反向偏置，因此不能用于交流。前面所说的工艺中，前两项的目的是精确控制膜片的厚度。因为以前控制膜片的厚度是靠控制腐蚀速率和腐蚀时间，而这是很难作到精确控制的。其实，采用特别的方法是可以达到相同目的的。52本讲稿第五十二页，共九十二页.利用双面各向异性腐蚀控制膜片厚度该方法原理很简单，采用集成电路的方法制作力敏电阻条，在背面光
25、刻硅杯掩蔽孔的同时，在正面也刻出“切断孔”，其工艺过程见下图。利用上述方法可以精确的控制膜片厚度，其膜片厚度与利用上述方法可以精确的控制膜片厚度，其膜片厚度与硅片正面的切断孔的开孔尺寸有关。即膜片厚度等于开孔宽硅片正面的切断孔的开孔尺寸有关。即膜片厚度等于开孔宽度的度的0.7倍。（注意铝膜的保护）倍。（注意铝膜的保护）氧化氧化氧化 光刻光刻光刻 扩散扩散扩散 光刻光刻光刻蒸铝蒸铝蒸铝 反刻铝反刻铝反刻铝 光刻光刻光刻各向异性腐蚀各向异性腐蚀53本讲稿第五十三页，共九十二页.微机械加工技术一、概述微机械加工技术是制造微型传感器和微机械元件的工艺技术，对于微传感器的实现和应用具有决定性的作用，它是
26、一种微米加工技术。目前，大体上分为三类：硅微机械加工技术 超精密机械加工技术 X射线深层光刻电铸成型（LIGA)技术。54本讲稿第五十四页，共九十二页硅微机械加工技术硅微机械加工技术硅集成电路工艺的一项重要的扩展技术。它主要用于硅集成电路工艺的一项重要的扩展技术。它主要用于制造以硅材料为基底、层与层之间有很大差别的三维制造以硅材料为基底、层与层之间有很大差别的三维微结构，它包括膜片、悬臂梁、探针、凹槽、孔隙和微结构，它包括膜片、悬臂梁、探针、凹槽、孔隙和锥体等。这些微结构与特殊用途的薄膜和高性能的电锥体等。这些微结构与特殊用途的薄膜和高性能的电路相结合，已经成功地用于制造大量的固态传感器，路相
27、结合，已经成功地用于制造大量的固态传感器，实现压力、力、加速度、流量、磁场、实现压力、力、加速度、流量、磁场、pHpH值、温度、值、温度、气体成分、离子和分子浓度的测量以及生物传感器等气体成分、离子和分子浓度的测量以及生物传感器等55本讲稿第五十五页，共九十二页硅微机械加工技术硅微机械加工技术当传感器用石英、陶瓷、高分子聚合物和金属材料为基底时，还要用到超精密机械加工技术，这里，激光精密加工（如激光打孔）将起到重要作用。56本讲稿第五十六页，共九十二页硅微机械加工技术硅微机械加工技术X X射线深层光刻电铸成型技术，是一种把射线深层光刻电铸成型技术，是一种把X X射线深层光刻和电铸成型结合起来的
28、微射线深层光刻和电铸成型结合起来的微结构成型工艺。除硅之外，还可加工出结构成型工艺。除硅之外，还可加工出各种金属、陶瓷和塑料材料的三维结构。各种金属、陶瓷和塑料材料的三维结构。这种加工方法可实现重复精度很高的大这种加工方法可实现重复精度很高的大批量生产，而其它两类加工技术则很难批量生产，而其它两类加工技术则很难做到。因此，做到。因此，LIGALIGA技术的进一步研究将技术的进一步研究将对微机械加工的发展起重大作用。对微机械加工的发展起重大作用。57本讲稿第五十七页，共九十二页二、硅微机械加工技术二、硅微机械加工技术大部分微传感器都是用半导体硅制作，这不仅因为硅具大部分微传感器都是用半导体硅制作
29、，这不仅因为硅具有极优越的机械和电性能，更重要的是应用硅微机械加工技有极优越的机械和电性能，更重要的是应用硅微机械加工技术可以制作出尺寸从亚微米到毫微米级微元件和微结构，且术可以制作出尺寸从亚微米到毫微米级微元件和微结构，且能达到极高的加工精度。硅微机械加工技术，除了含有高度能达到极高的加工精度。硅微机械加工技术，除了含有高度发展的硅集成电路工艺外，还有它的一些独特工艺，主要有发展的硅集成电路工艺外，还有它的一些独特工艺，主要有刻蚀（腐蚀）、薄膜和键合工艺。刻蚀（腐蚀）、薄膜和键合工艺。（）（）.刻蚀技术刻蚀技术a.a.体型结构腐蚀加工体型结构腐蚀加工腐蚀加工是形成微型传感器结构的关键技术，有
30、化学腐蚀腐蚀加工是形成微型传感器结构的关键技术，有化学腐蚀（湿法）和离子刻蚀（干法）两大类。就单晶硅而言，常用化（湿法）和离子刻蚀（干法）两大类。就单晶硅而言，常用化学腐蚀方法。已有多种化学腐蚀液可供选择使用。各向同性腐学腐蚀方法。已有多种化学腐蚀液可供选择使用。各向同性腐蚀利用氧化剂蚀利用氧化剂58本讲稿第五十八页，共九十二页（）（）.刻蚀技术刻蚀技术a.a.体型结构腐蚀加工体型结构腐蚀加工腐蚀加工是形成微型传感器结构的腐蚀加工是形成微型传感器结构的关键技术，有化学腐蚀（湿法）和离子关键技术，有化学腐蚀（湿法）和离子刻蚀（干法）两大类。就单晶硅而言，刻蚀（干法）两大类。就单晶硅而言，常用化学
31、腐蚀方法。已有多种化学腐蚀常用化学腐蚀方法。已有多种化学腐蚀液可供选择使用。各向同性腐蚀利用氧液可供选择使用。各向同性腐蚀利用氧化剂化剂59本讲稿第五十九页，共九十二页HNO3、去除剂HF（去掉SiO2）和稀释剂CH3COOH或H2O。通过改变成分比可以达到在很宽的范围内对腐蚀速率、选择性和表面腐蚀条件的选择。各向异性腐蚀主要用于三维结构成形，腐蚀液一般有KOH+H2O、乙二胺+邻笨二酚+水（EPW）和H2N4+H2O。腐蚀速率依赖于晶向，沿主晶面（100）面的腐蚀速率最快，（111）面最慢。右图表明了单晶硅立体结构的腐蚀加工。在加工过程中，先生长一层氧化层作为光刻掩蔽膜，并覆盖光刻胶形成图案
32、，再浸入缓冲过的腐蚀液（氢氟酸）中，进行氧化层腐蚀；然后将此片放入各向异性的腐蚀液（如EPW）中对晶面进行纵向腐蚀，腐蚀出腔体的界面为(111),与（100）表面的夹角为54.74度。为了精确地控制腐蚀后硅膜、硅梁等的厚度，常用PN结自停腐蚀技术。它是基于电化学腐蚀原理，即通过选择性60本讲稿第六十页，共九十二页的生长阳极氧化层实现自停腐蚀层。P-N结自停腐蚀分二电极、三电极和四电极三种结构。在二、三电极结构中，P型硅电位是“浮动”的，这对于理想的P-N结，漏电为零，P型硅可以“浮”到开路电位而腐蚀。但实际材料总存在漏电，漏电流使P型硅在溶液中极化，当达到钝化电位时，腐蚀将提前终止在P型硅上。
33、在四电极结构中，如下图所示，由于P型硅上增加一个电极，就可将P型硅相对于参比电极控制在开路电位。另外，再给P-N结加上个反偏电压。这样，便可实现腐蚀终止再N型硅外延层界面上。硅片上不应腐蚀的区域，都要用氧化层覆盖保护。离子刻蚀是加工硅、二氧化硅和多晶硅等的通用方法，刻蚀是在真空腔内进行的。该方法之一是等离子定向刻蚀。将硅片放在高频61本讲稿第六十一页，共九十二页电源（RF）驱动的电极上，并置于充有含氟里昂气体（如CF4）的化学反应等离子体中，其中被激发的氟离子有极强的化学活性，可以和处于等离子体中的硅、二氧化硅等发生如下反应：反应离子在辉光放电中形成，并加速轰击放有硅材的基板。离子轰击可达到化
34、学腐蚀一样的效果。离子刻蚀的缺点是，至今所能达到的最大刻蚀深度约为50微米量级。62本讲稿第六十二页，共九十二页（）表面腐蚀加工（）表面腐蚀加工牺牲层技术牺牲层技术近几年来，人们利用硅表面微机械加工技术，开发、研制出多种尺寸更小的悬式结构，如微型悬臂梁，悬臂块、微型桥和微型腔等。这些结构已成功地应用于微型谐振式传感器、加速度传感器，流量传感器和电容式传感器，应变式传感器中。该工艺技术的特点是，利用一个称为“牺牲层”的分离层制造出各种悬式结构，其一般工艺过程示于以下框图中：63本讲稿第六十三页，共九十二页通过淀积法（如溅射、化学气相、直接蒸发）在Si基片表面上生成SiO2牺牲层（微米量级）根据要
35、求的形状刻蚀掉一部分SiO2再通过淀积法在所剩下的SiO2层上生成Si层（即悬式结构材料），该层同时淀积在Si基片上SiO2已被刻蚀掉的区域用刻蚀法刻蚀淀积的Si层溶解SiO2牺牲层获得与Si基片略微连接或完全分离的悬式结构下页的图为利用牺牲层制造多晶硅梁的技术过程。硅基底为N型硅（100），在硅基底上淀积一层氮化硅作为多晶硅梁的绝缘支撑，并刻出窗口（图（a）；利用局部氧化技术在窗口处生成一层二氧化硅作为牺牲层（图（b）；在二氧化硅层及剩下的氮化硅上面生成一层多晶硅膜并刻出微型硅梁（图（c）；腐蚀掉二氧化硅形成空腔，即获得桥式硅梁（图（d）。另外，腐蚀二氧化硅前先蒸铝，刻出铝压块以便引线（图（
36、d）。64本讲稿第六十四页，共九十二页制造多晶硅梁制造多晶硅梁下页的图为利用牺牲层制造多晶硅梁的技术过程。下页的图为利用牺牲层制造多晶硅梁的技术过程。硅基底为硅基底为N N型硅（型硅（100100），在硅基底上淀积一层氮），在硅基底上淀积一层氮化硅作为多晶硅梁的绝缘支撑，并刻出窗口（图化硅作为多晶硅梁的绝缘支撑，并刻出窗口（图（a a）；利用局部氧化技术在窗口处生成一层）；利用局部氧化技术在窗口处生成一层二氧化硅作为牺牲层（图（二氧化硅作为牺牲层（图（b b）；在二氧化硅层）；在二氧化硅层及剩下的氮化硅上面生成一层多晶硅膜并刻出微及剩下的氮化硅上面生成一层多晶硅膜并刻出微型硅梁（图（型硅梁（图
37、（c c）；腐蚀掉二氧化硅形成空腔，）；腐蚀掉二氧化硅形成空腔，即获得桥式硅梁（图（即获得桥式硅梁（图（d d）。另外，腐蚀二氧化）。另外，腐蚀二氧化硅前先蒸铝，刻出铝压块以便引线（图硅前先蒸铝，刻出铝压块以便引线（图65本讲稿第六十五页，共九十二页下图（a）（j）为硅谐振子制造过程。硅基底为N型硅（100），在其表面上淀积一层二氧化硅并刻出窗口（图（a）；腐蚀出锥形槽（图（b）；局部生长强P型硅（图（c）；再局部生长掺硼的P型硅（图（d）；再生长强P型硅（图（e）；再生长掺硼的P型硅（图（f）；腐蚀掉余下的二氧化硅层（图（g）；腐蚀出空腔和谐振子（图（h）；再生长一层N66本讲稿第六十六页，
38、共九十二页硅谐振子制造硅谐振子制造下图（下图（a a）（）（j j）为硅谐振子制造过程。硅基底为）为硅谐振子制造过程。硅基底为N N型硅（型硅（100100），在其表面上淀积一层二氧化硅并刻），在其表面上淀积一层二氧化硅并刻出窗口（图（出窗口（图（a a）；腐蚀出锥形槽（图（）；腐蚀出锥形槽（图（b b）；）；局部生长强局部生长强P P型硅（图（型硅（图（c c）；再局部生长掺硼）；再局部生长掺硼的的P P型硅（图（型硅（图（d d）；再生长强）；再生长强P P型硅（图（型硅（图（e e）；再生长掺硼的；再生长掺硼的P P型硅（图（型硅（图（f f）；腐蚀掉余下）；腐蚀掉余下的二氧化硅层（图（
39、的二氧化硅层（图（g g）；腐蚀出空腔和谐振子）；腐蚀出空腔和谐振子（图（图（h h）；再生长一层）；再生长一层N N型硅层，借以封闭空型硅层，借以封闭空腔（图（腔（图（i i）；抽出空腔内的氢气，形成一定真）；抽出空腔内的氢气，形成一定真空度的空腔（图（空度的空腔（图（j j）。图（）。图（k k）为由各向异性腐）为由各向异性腐蚀的硅谐振子整体结构。蚀的硅谐振子整体结构。67本讲稿第六十七页，共九十二页68本讲稿第六十八页，共九十二页69本讲稿第六十九页，共九十二页综上所述，在利用牺牲层的表面微机械加综上所述，在利用牺牲层的表面微机械加工中，常用几种材料以薄膜形式组合在工中，常用几种材料以薄
40、膜形式组合在一起，形成结构层和牺牲层；再利用腐一起，形成结构层和牺牲层；再利用腐蚀技术制造出微型腔、微型桥、微型悬蚀技术制造出微型腔、微型桥、微型悬臂梁和膜片等。这种工艺技术不仅对发臂梁和膜片等。这种工艺技术不仅对发展微型传感器有重要意义，也对微能源、展微型传感器有重要意义，也对微能源、微致动器的发展具有重要作用。微致动器的发展具有重要作用。70本讲稿第七十页，共九十二页.薄膜技术在微型传感器中，利用了各种薄膜。如多晶硅膜、二氧化硅膜、金属（合金）膜等作为传感器构件的复合材料。它们可以加工成各种梁、桥、弹性膜等，有的作为传感器的敏感膜，例如半导体和化合物半导体膜；有的作为介质膜起绝缘层作用，如
41、氧化物介质膜；有的起尺寸控制作用的衬垫层（在加工完成之前去掉）。物理气相淀积和化学气相淀积是在衬底材料上制作薄膜的两种常用工艺技术。物理气相淀积是利用蒸镀和溅射（离子束轰击靶材料，使被轰击下来的物质在衬底上淀积）。化学气相淀积工艺是让气体与衬底材料本身在被加热的表面进行化学反应，使另一种物质在表面上成膜。制作薄膜的方法较多有：（）真空蒸镀；（）溅射成膜工艺；（）化学气相淀积；（）等离子化学气相淀积。由于在相关课程中已有介绍，各工艺具体的方法就不讲了。如有兴趣，可参考有关教材和科技书目。71本讲稿第七十一页，共九十二页制作薄膜的方法制作薄膜的方法（）真空蒸镀；（）溅射成膜工艺；（）化学气相淀积；
42、（）等离子化学气相淀积。由于在相关课程中已有介绍，各工艺具体的方法就不讲了。如有兴趣，可参考有关教材和科技书目。72本讲稿第七十二页，共九十二页三、X射线深层光刻电铸成型技术该项工艺是深层同步辐射X射线光刻和电铸工艺相结合的制造技术。与牺牲层技术相结合便可制造出微型悬式结构，其工艺过程如左侧框图所示。下页所示的图为用该工艺制造的悬臂结构示例。在陶瓷或附有绝缘层硅基底上溅射Cr、Ag贴附层和电铸成型的基底面（图（a）；腐蚀一部分中间层，溅射牺牲层，并用紫外光通过掩膜照射牺牲层制作平面图形（图（b）；在钛73本讲稿第七十三页，共九十二页74本讲稿第七十四页，共九十二页悬臂结构制造下页所示的图为用该
43、工艺制造的悬臂结构示例。在下页所示的图为用该工艺制造的悬臂结构示例。在陶瓷或附有绝缘层硅基底上溅射陶瓷或附有绝缘层硅基底上溅射CrCr、AgAg贴附层和电贴附层和电铸成型的基底面（图（铸成型的基底面（图（a a）；腐蚀一部分中间）；腐蚀一部分中间层，溅射牺牲层，并用紫外光通过掩膜照射牺牲层，溅射牺牲层，并用紫外光通过掩膜照射牺牲层制作平面图形（图（层制作平面图形（图（b b）；在钛牺牲层基底）；在钛牺牲层基底上淀积光致抗蚀剂（约上淀积光致抗蚀剂（约300300微米），然后覆盖掩膜微米），然后覆盖掩膜（图（图（d d）利用深层同步辐射）利用深层同步辐射X X射线光刻技术对射线光刻技术对光致抗蚀剂
44、层进行曝光，制成电铸用初级模型光致抗蚀剂层进行曝光，制成电铸用初级模型（图（图（e e）；选金属）；选金属NiNi作为微结构的材料，在金作为微结构的材料，在金属基底上以初级模板为模型进行电铸，形成与模板属基底上以初级模板为模型进行电铸，形成与模板形状互为凹凸的三维结构（图（形状互为凹凸的三维结构（图（f f）；腐蚀掉初级）；腐蚀掉初级模板、牺牲层、最后获得悬式结构（图（模板、牺牲层、最后获得悬式结构（图（g g）。）。75本讲稿第七十五页，共九十二页76本讲稿第七十六页，共九十二页四、微型传感器结构77本讲稿第七十七页，共九十二页上图中（a）所示的硅膜片结构是硅电容式和扩散硅式压力传感器常用的
45、基本结构，硅膜片由整体硅片经刻蚀技术获得。（b）所示为悬臂梁结构，常用于加速度传感器，由刻蚀技术和牺牲层技术获得。（c）所示为桥式结构。（d）为支承膜结构。（e）所示为E型膜（硬中心）结构，是应变式传感器常用结构。（f）所示为梁式谐振结构，谐振梁由牺牲层技术做在硅膜片上，并封装在真空腔内，以提高振动梁的品质因数Q值。（g）所示为一种更为复杂的精巧谐振结构。直接感受被测量作用的是E型硅膜片，在其环形膜的上表面，制作一对起差动作用的硅谐振梁，并封装在真空腔内。这种结构适于制成谐振式低压差传感器。为了减少外界对传感器的影响，运用机械隔离的技术的概念78本讲稿第七十八页，共九十二页设计合理结构，实现敏
46、感部分与机座解耦，下图给出几种起隔离作用的结构。79本讲稿第七十九页，共九十二页下图所示为硅压阻式压力传感器的一种整体组装结构。传感器芯片与硅（或硼硅玻璃）中间体由固相键合连接在一起形成压力腔室，为了减小封装产生的应力对传感器性能的影响，硅中间体与表壳之间不直接连接，而由经由进气管与表壳固连。为了减小因温度变化引起的应力，应尽可能采用相同材料或热胀系数相近的材料组合装配。完成该传感器的组装，需用到胶结、焊接、熔合、键合和硅各向异性腐蚀等工艺技术。80本讲稿第八十页，共九十二页第6节 硅压阻式压力传感器的测量与补偿线路6.1 压阻式传感器的测量线路压阻式传感器芯片上的四个扩散电阻，一般是接成惠斯
47、顿电桥的形式，使输出信号与被测量成正比。为使电桥的灵敏度最大，将一对增加的电阻对接，将另一对减少的电阻对接，如下图所示。电桥常采用两种供电方式：恒压供电和恒流供电。一、恒压供电设四个扩散电阻起始值相等且为R，当有应力作用时，两个电阻阻值增加量分别为，两个电阻阻值减少量分别为。由于温度的影响，每个电81本讲稿第八十一页，共九十二页阻的改变量分别为，由上图可知，电桥的输出电压应为整理后得如，即没有温度影响时，则由上式可知，电桥输出电压与成正比，即与被测量成正比，同时又与电源电压成正比，这就是说电桥的输出与电源电压的大小与精度有关。如时，前述公式可知，输出电压与温度有关，恒压源供电，不能消除温度的影
48、响，这是它的缺点。但多个传感器使用时，供电简便。二、恒流源供电恒流源供电时，电桥如图所示。设电桥两支路电阻相等，即因之通过两个支路的电流相等，即82本讲稿第八十二页，共九十二页因此电桥的输出电压为电桥的输出与电阻的变化量成正比，即与被测量成正比。由于同时也与电源电流成正比，因此电桥输出与恒流源的电流大小与精度有关。恒流源供电时，电桥的输出与温度无关，这是它的主要优点。但是，恒流源供电，最好一个传感器配备一个电源，这在使用中是不方便的。三、压阻式传感器的测量线路压阻式传感器常用的放大电路如右图所示。三极管V1、V2组成复合管，再与二极管V5、V6以及R1、R2、R3构成恒流源电路，供给传感器不随
49、温度变化的恒定电流。结型83本讲稿第八十三页，共九十二页场效应管V3、V4与电阻R4、R5构成源极跟随器，将传感器与运算放大器A隔开，使放大器的闭环放大倍数不受传感器输出阻抗的影响。6.2 压阻式传感器的温度漂移与补偿压阻式传感器受到温度影响后，就会产生零位漂移和灵敏度漂移，这是它的最主要的弱点。它来源于半导体物理性质对温度的敏感性。零位漂移是因为扩散电阻的阻值随温度变化引起的。扩散电阻的温度系数因薄层电阻不同而异。表面杂质浓度高时，薄层电阻小，温度系数也小；表面杂质浓度低时，薄层电阻大，温度系数增大。由于工艺上难于做到，使四个桥臂电阻的温度系数完全相同，因此不可避免的要产生零位漂移。提高表面
50、杂质浓度，虽可减少电阻的温度系数，从而减少零位漂移，但是提高杂质浓度会降低传感器的灵敏度。压阻式传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度变化引起的。由压阻系数与温度的关系曲线可以看出，温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大。所以传感器的灵敏度当温度升高84本讲稿第八十四页，共九十二页时要降低。如果提高扩散电阻的表面杂质浓度，压阻系数随温度的变化要小些，但传感器的灵敏度同样会降低。考虑漂移和传感器灵敏度的两方面的要求，扩散杂质表面浓度应选在压阻式传感器的优点众多，但是温度误差是这类传感器要着重解决的问题。减小温度误差的方法很多，现仅就几种线路补偿方法作一简介。一、零位漂移补偿传感器的零