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MEMS硅鋁異質結構壓力傳感器的設計制作與測試研究自從1954年Smith提出體硅的壓阻效應以來， 硅基MEMS壓阻式壓力傳感器已經(jīng)被廣泛應 用于消費電子、汽車工業(yè)、生物醫(yī)療、氣象和航空航 天等領域。但由于體硅材料本身存在靈敏度較 低（硅壓阻應變系數(shù)約為100 )、溫度漂移嚴重等問題，導致硅基壓阻式壓力傳感器的性能受到了影響。圍繞上述問題目前人們已經(jīng)開展了許多相關研究[6@5]。例如，為提高壓阻式傳感器的靈敏度，楊培 東等人提出了利用表面修飾的硅納米線來實現(xiàn)巨壓 阻效應，他們制作的納米線的壓阻（應變）系數(shù)可以比傳統(tǒng)體硅高出兩個數(shù)量級。顯然，巨壓阻效應能夠大幅度提高壓力傳感器的靈敏度，盡管如此，壓阻效應的產(chǎn)生機理很復雜，與納米線表面狀態(tài)密切相關，因而穩(wěn)定性較差， 制作巨壓阻傳感，結構的工藝要求很高，這導致巨壓阻效應目前很正應用于壓力傳感器。 近些 ，R〇we等人的研究 巨 壓 阻 效 應 微米級別的器件實現(xiàn)，利用常規(guī)硅壓阻條和鋁條器構成金導體混合壓阻器可獲得幾何放大的壓阻效應，其應變系數(shù)能達到843, 可以顯著提高傳感器的靈敏度。 與硅納米線傳感器相比，基微米量級金屬硅混合結構（硅鋁異 構）的壓阻傳感器易�？炭涛g工制備并實現(xiàn)批。 值得注意的是，由硅鋁異構的電阻，容易環(huán)境溫度影響，因此需要溫度漂移 。對傳感器的溫度漂移，目前主要有硬件和軟件兩種方法，硬件常采用并聯(lián)溫度：阻的方式來實現(xiàn)，但是由于計算、 阻本身溫度漂移等問題 ，導效太理想。常用的方法 線性回歸分析法、二維插值法、 持向量機以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡學習法等， 些方法有效 高了溫度漂移和非線性誤差的效果，目前應用更為廣泛。 為了提倍提高MEMS壓阻式壓力傳感器的靈敏度，同時有效溫度漂移等因素的影響，本重設計和研究款基于硅鋁異構的高靈敏度 壓力傳感器，首先利用件和理論計算對傳感器結構和性行設計分析，傳統(tǒng)MEMS工制作了帶有硬件溫度 構的硅鋁異構壓力傳感器。 實現(xiàn)硬件的同時， 采用基于遺傳算法改進的小波神經(jīng)網(wǎng)絡對傳感器進行件，使性能得大。 研究對于研制高靈敏的壓阻式傳感器好的參考價格 。 1 硅鋁異質結構的壓阻效應原理 傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器的結構示意圖如下圖 ，它由分布在應變薄膜邊緣的4 個壓阻條連成的惠斯通電橋構成。在應力作用下壓阻條電阻 或電阻率因壓阻效應而發(fā)生變化 ，其可表示：
式中: R為初始值，P : 初始電阻率，π為壓阻系數(shù)，E為楊氏模量，g為應變，K為應變靈敏系數(shù)。
與傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器工作原理不同，硅鋁 異構是利用應力引起的摻雜硅的各向異性使得電流離開高導 金 實現(xiàn)壓力測量[9 ]，硅鋁異 質結構壓力傳感器結構 1 (b )和 1 (c ) 所示， 計的硅鋁異構壓力傳感器芯片包 括一對硅鋁異質壓力傳感結構和一對硅鋁異質溫度參構，兩者的材料和結構形式相同，每個獨的硅鋁異構包括硅壓阻條和金屬鋁條。 硅壓阻條連接著4個引出焊盤，外側兩個用于恒流源供電，內側用于輸出電壓的測量。硅鋁異質結構等效電阻可用公式表示；
式中: l為內側兩個電壓測量引量距離的一半，L為壓阻條長度的一半，h為壓阻條的厚度，b 為壓阻條的寬度， p1和p2分別為縱向和橫向電阻率。當外部施加壓力時，硅招異質結構內產(chǎn)生的應力
式中:π1和π2分別為縱向和橫向壓阻系數(shù)，與傳感器靈敏度相關的放大因子SG , 可 表示為:
式中: 正如前面所提及的，位于硅鋁異質結構芯片壓力敏感薄膜內側的傳感結構用于測量外部壓力變化，而位于壓力敏感薄膜外側的參考結構基本不受外部壓力的影響，它們主要用于消除溫度漂移誤差。 理想情況下，因為4 個硅鋁異質結構形狀大小一致 并且其所在的溫度環(huán)境相同，所以在相同的恒流源供電和溫度條件下，無壓力的初始輸出都應為U0+△Ut，其中△Ut是由于溫度引起的輸出變化。當施加外部壓力P 時，傳感結構輸出電壓為Uref=Uo+△Ut，由于參考結構不受應力影響，其輸出電壓為Uout和Uref差分處理可獲得硅鋁異 構壓力傳感器最終輸出電壓為： 由式可以看出，最終壓力傳感器的輸出結果就是外部壓力變化引起的電壓輸出變化，與溫度變化無關。理論上通過上述硬件溫度補償?shù)姆绞娇梢砸种茰囟绕普`差。 2 有限元應力模擬仿真 為使硅鋁異質結構傳感器輸出具有良好的線性度和靈敏度，需要選擇合理的膜片參數(shù)。膜片過薄會導致比較大的非線性誤差，過厚又會導致靈敏度下降。考慮到加工工藝的水平，本文設定膜片厚度為20um。在0 ~ 1 000 kPa滿量程的情況下， 傳感器膜片長度和厚度需滿足式。
式中:為硅的泊松比，G為硅的楊氏模量，B 為滿量程壓力，根據(jù)式可以計算得到應變膜邊長a≤1 182 um。本文選取膜邊長為900 um 。由于制作傳感器的SOI晶圓的硅襯底厚度為650um ，濕法腐蝕角度為57.74°，計算得出C 型硅杯窗口的大小為1 792 um。 為了驗證理論分析的合理性，我們利用ANSYS有限元分析軟件對本文設計的硅鋁異質結構壓力傳感器進行建模與應力分析，從而最終確定傳感器的尺寸參數(shù)。有限元模擬仿真所采用的材料的物理屬性如表1所亦。
表 1 有限元仿真材料參數(shù) 圖 2( a ) 和 圖 2 ( b ) 分別給出了外部施加100kPa壓力情況下異質結構傳感器膜片位移云圖和 Von M ises應力分布云圖。從圖2 ( a ) 中可以看出，在應力作用下，傳感器最大位移發(fā)生在應變薄膜中心，這保證了應力對稱分布。在圖2 ( b ) 中，最大應力分布在應變薄膜的4個邊緣中間部位，不難發(fā)現(xiàn)， 兩個硅鋁異質傳感結構正好位于應變薄膜最大應力處，而參考結構則位于應變薄膜的外側，基本上沒有受到應力的影響，有限元仿真結果驗證了上述理論設計的合理性。 然后在0~1000 kPa大量程范圍內逐漸改變施加壓力大小，根據(jù)ANSYS有限元模擬仿真的結果可提取得到傳感結構和參考結構的內部平均應力，內部應力與外部施加壓力的關系曲線如圖3 ( a ) 所示。由圖3可知隨著外部施加壓力不斷增加，硅鋁異質傳感構的 部應力現(xiàn)出線性 大，參構的內部應力基本無變化，這與預期結果相吻合。在施加1mA的條件下，結合式（2 ) 〜式（4 )我們可以 計算出硅鋁異構傳感器的等效電阻隨外部壓力 變化的理論值，3 ( b )所 。由圖3 (b ) 計算得出常溫下傳感結構理的靈敏度為0.098 5 m V / ( V • kPa )， 兩個傳感結構同時測量， 靈敏度將增加一倍。
圖 2 硅鋁異質結構壓力傳感器有限元模擬仿真的結果
(a)傳感結構和參考結構內部應力與外部壓力的關系
(b)傳感結構和參考結構等效電阻與外部壓力的關系 圖 3 硅鋁異質結構壓力傳感器的有限元仿真結果 3 傳感器制作工藝流程 本文采用標準 MEMS工藝制作鋁異質結構壓力傳感器， 特殊的工藝和材料。選用的SOI晶圓的單晶硅器件層厚度為1.5 um 、二 氧化硅層厚度為1 um 、襯底硅厚度為650 um 。具體制作工藝流程如圖：
圖 4 硅鋁異質結構壓力傳感器的制作工藝流程示意圖 步驟1 離子注入以 7°角度和20 keV 能量在SOI器件層注入1x1018 Dose/cm3 的硼離子，然后SOI硅片放入1000 _ 退火爐中快速退火30 min 使硼離子 。 步驟2 熱氧化將SOI硅片熱氧化形成厚度約為1 um 的二氧化硅鈍層。 步驟3 光刻刻蝕刻膠，利用硅鋁異構中硅壓阻條結構及引出端的掩膜版進 行光刻顯影。然 SFb, * 的混合ICP法刻蝕二氧化硅鈍化層和頂層硅，形硅鋁異質結構的硅壓阻條結構及引出端。接 對硅 壓阻條結構及引出的二氧化硅鈍化層 進行光刻刻蝕，形硅壓阻條與金屬鋁條的接觸孔。 步驟4 濺射鋁采用 O R IO N -8 -U H V薄膜沉積設備層厚度的鋁，然用掩膜版光刻刻蝕出金屬鋁條、金屬鋁引線和鋁 。 步驟5 腐蝕硅杯先對硅襯底二氧化硅鈍化層進行光刻刻蝕，然用溫度80 _ 的 TMAH 法腐蝕底層硅形成C 型硅杯，硅杯頂部即為傳感器的應變薄膜，尺寸為 900 um x 900 um x 20 um ，接部氧化硅。 步驟6 鍵合在300 _ 的環(huán)境下， 用鍵合技術將SOI晶圓鍵合硅基 ，并行劃片。 圖 (a)給出了硅鋁異 構壓力傳感器芯片的顯微鏡照片，圖 (b ) 裝 的傳感器實物。整個芯片的面積為3 000 u m x 3 000 um 。從圖出下兩個 硅鋁異構（傳感結構）傳感器應變薄膜內側，左右兩個（參 構）處外側，符合設計要求。
圖 5 硅鋁異質結構壓力傳感器芯片實物圖 4 實驗及結果分析 標定測試平臺的示意圖如圖6所示，實驗中采用德國G E -D ruck壓力控制器PACE5000作為標準壓力發(fā)生器，其測量精度優(yōu)于±0.03% FS。首先將硅鋁異構壓力傳感器放人溫度箱，并導氣管接通傳感器與壓力控制器。然引出傳感器的測量引線并接用的和用于測量的萬用表。調溫度箱的溫度從-2 0 ℃變化到60℃， 同的溫度點將壓力從0 kPa變 1000 kP a， 并 1 0 0 kPa作 個壓力測試點。在 1 mA 條件下， 下同溫度和不 同壓力時硅鋁異質傳感結構和參構測量引腳的電壓輸出。
圖 6 標定測試平臺的示意圖 圖7出了不同溫度下硅鋁異 構壓力傳感器的輸出曲線。與理論分析相對應，考慮到恒流源供電， 出電壓變化換算阻變化。由7 (a) 出，不同溫度下硅鋁異質傳感結構的出外部施加壓力升高調遞增，常溫下其阻為32.32Ω，這與理論計算值基本吻合。當溫度由-20℃升高到60℃時，傳感結構的阻隨之變小，硅鋁異構壓力傳感器的靈敏度由0.107 2 m V /(V .kP a )變?yōu)?0.123 4 m V /(V .k P a )。該傳感器性溫度漂移。 溫度影響，正如所述，我們在同一芯片應變薄膜外側硅鋁異參構， 理對壓力敏感外溫度變阻變硅鋁異質參構的測7 (b )所示，而由圖7， 出基壓力加變 ， 溫度增加而減小，常溫下阻為30.35Ω 。傳感結構和參考結構等效電阻 差異主要是由于制作工藝中的偏差造成的，例如，摻度 、硅鋁材料本身的缺陷以及光刻刻蝕的偏差，這程度上影響硬件溫度補償?shù)男Ч?/span>
圖 7 不同溫度時硅鋁異質結構壓力傳感器輸出曲線 將硅鋁異質傳感結構與參構的測做差理，在硬件溫度 ，傳感器出結果的溫度漂移問題得好的改善，這參構進行溫度是有效的。 同溫度下的電阻差分值△R做平均處理，根據(jù)平均值曲線計算可得其靈敏度約為0.116 & m V /( V·kPa)， 由于硅鋁異構壓力傳感器芯片上包含兩個相同的傳感結構，因理靈敏度高一 倍 ，這要大于基于傳統(tǒng)體硅壓阻效應的壓力傳感器的靈敏度（0.061G V /(V • k P K )
圖 8 硬件溫度補償后的結果 5 基于遺傳算法小波神經(jīng)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)融合處理 基于遺傳算法改進的小波神經(jīng)網(wǎng)絡的基本原理為: 用遺傳算法構成一個不斷進化的序列，根據(jù)特 方式獲得全局性基礎解，然而計算得的基礎解作神經(jīng)網(wǎng)絡狀態(tài)進行 神經(jīng)網(wǎng)絡 ，省絡的隨機網(wǎng)絡 ，使得絡更易更快速得題的基礎解。基遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡流程9所 ，先對神經(jīng)網(wǎng)絡的連接因子和平移因子進行隨機 ，基礎遺傳算的第1代個， 重復操作次形模的種族。然由經(jīng)前向傳播算法求得組網(wǎng)絡對應的個網(wǎng)絡輸出。 用的適應度函數(shù)如下：
式中:M學習樣本數(shù)，e為小波網(wǎng)絡期望輸出值Yk與實際輸出值yk之間的誤差。從式（9 )可以看出誤差越大，適應度越小。計算每個個體的適應度值，淘汰適應度較小的值，接著進行交叉變異等操作，重復訓練直到滿足關系或達到迭代次數(shù)，有關遺傳算法小波神經(jīng)網(wǎng)絡的詳細介紹參見文獻。
圖 D 基于遺傳算法改進的小波神經(jīng)網(wǎng)絡的流程圖 將硬件溫度 的數(shù)據(jù)作為G A-W NN算法 的樣本數(shù)據(jù)，首先對樣本數(shù)據(jù)進行歸一化處理。然后利用 M ATLA B建立基于遺傳算法改進的小波神經(jīng)網(wǎng)絡數(shù)學模型，對數(shù)據(jù)進行融合處理。神經(jīng)絡輸入層節(jié)點為2個等效電阻值與溫度值，隱含層為11個點 ，輸出層為1個節(jié)點的壓力。動量因子為0.01，學習速 0.001，最大次數(shù)為2 000次。 遺傳算法的參數(shù)如下:交 0 .75,變異0.08，初始化群種規(guī)模為200。在 0〜1000kPa滿量程范圍，硅鋁異構壓力傳感器經(jīng)過GA-WNN算法處理后的 預測輸出和預測誤差 10(a)和10 (b)所示 。
GA-WNN算法補償結果 從圖1 0(a) 出個與預測的輸出均吻合， 溫度漂移的影響基本消除，傳感器的性能得1 0(F) 發(fā)現(xiàn)預測的絕對誤差最大超過15kPa，測誤差±1.5% FS。由此可見經(jīng)過G A -W N N算法數(shù)據(jù)融合硅鋁異構壓力傳感器的測量誤差顯著 ，這主要歸因于GA-W算法顯著減小了硅鋁異構傳感器的非線性誤差。 10(a)中的數(shù)據(jù)，利用式（8) 計算得同溫度下整體的非線性誤差為1.36%，這明顯小于補償前的整體非線性誤差3.56% 。 6 結論 本文著重設計和研究種新型的基于硅鋁異質傳感結構和參構的大量程壓力傳感器，首先ANSYS對傳感器進行了應力和靈敏度仿真，驗硅鋁異傳感器 高靈敏度。 次設計了傳感器的制作工程，并根據(jù)工藝流 ， 程和設計模型制作了硅鋁異構傳感器芯片。然而用溫度箱和高精度壓力發(fā)生器對硅鋁異構壓力傳感器進行實驗測試和標定。主要采用了硬件 溫度方式和基于遺傳算法改進的神經(jīng)網(wǎng)絡算法對傳感器進行 。研究，GA-WNN算法顯著傳感器的溫度漂移和非線性誤差，傳感器的性能。本文的研究對于高靈敏度傳感器研制的參考價值。 參考文獻： 1 、 Smith C S . Piezoresistance Effect in Germanium and Silicon * J +. Physical Review，1954， 94 ( 1 ) : 4 2 -4 9 . 2、 Barlian A A ， Parle W T ， Mallon J R ， et al. Review： Semiconductor Piezoresistance for Microsystems* J+. Proc IEEE 2009，9 7：513-552. 3、Khoshnoud F ， Silva C W de. Recent Advances in MEMS Sensor Technology-Biomedical Applications * J ] . IEEE Instrumentation and Measurement Magazine，2 01 2，1 5 ( 1 ) :8 - 1 4 . 4、Zhang J H ， Wu Y S ， Liu b Q ， et al. Research on High-Precision， Low Cost Piezoresistive ME MS-Array Pressure Transmitters Based on Genetic Wavelet Neural Networks for Meteorological Measurements. Micromachines ， 2015 ，6 :5 5 4 - 573. 5、聶萌，楊恒山. 一 種大量程壓力傳感器的結構優(yōu)化設計與仿真 析 * J ] •傳感技術學報，2 0 1 7 ,3 0 (1 2 ):1 8 3 4 -1 8 3 8 . 6、He R ， Yang P. Giant Piezoresistance Effect in Silicon Nanowires * J ] . Nat Nanotechnol，2 00 6 ， 1 ( 1) ：4 2 -4 6 . 7、Milne J S ， Rowe A C ， Arscott S ， et al. Giant Piezoresistance Effects in Silicon Nanowires and M icrowires*J]. Phys Rev Lett，2 0 1 0 ,105 (2 2 ) ： 226802. 8、Winkler K ， Bertagnolli E ， Lugstein A. Origin of Anomalous Piezoresistive Effects in VLS Grown Si Nanowires * J ] . Nano L t t， 2 0 1 5 ,1 5:1 7 8 0 -1 7 8 5 . 9、Rowe A C ，Donoso-Barrera A ， Renner C h ， et al. Giant Room-Temperature Piezo resistance in a Metal-Silicon Hybrid Structure * J ] . Phys Rev Lett，2 0 0 8 ,100:145501. 10、 Hansen O ， Reck K ， Thomsen E V Giant Geometrically Amplified Piezoresistance in Metal-^Semiconductor H y b U Resistors * J ] . Journal of Applied Physics，2 00 8，1 0 4 ( 1 1 )：114510. 11、NgoHD ， TekinT ， VuTC ， eta lMEMS Sensor with Giant Piezoresistive Effect Using Me tall-Semiconductor Hybrid Structure * C ] //IE E E 16th International Solid-State Sensors， Actuators and Microsystems Conference(Transducers 2 0 1 1 )， 2011 ： 1018-1021. 12 、龍軍，關威，汪旭東，等•基于嶺回歸的壓力傳感器高精度測量 模型研究* J ] .傳感技術學報，2 0 1 7 ,3 0 (3 ):3 9 1 -3 9 6 . 13、陳君•基于L S -S V R的壓力傳感器溫度自補償策 略J] •傳感技術學報，2 0 1 7 ,3 0 (7 ):1 0 5 7 -1 0 6 1 . 14 、徐科，左 • 基 于 P S O -B P神經(jīng)網(wǎng)絡的光纖壓力傳感器 溫度 研究* J ] .儀表技術與傳感器，2 0 1 6 (1 0 ): 1 - 5 ，9. 15、陳峰，等. 基于遺傳算法的 神經(jīng)網(wǎng)絡在 多組 檢測中的應用J ] • 傳感技術學報，2 0 1 6 ,2 9 ( 7 ) : 1109-1114. 16、孫以材，劉玉嶺，孟慶浩. 壓力傳感器的設計、制造與應用M ] •冶金工業(yè)出版社，2000. 17、一種硅微壓阻式壓力傳感器的研究.機械設計與制造，2012，（1 ) : 103 -1 0 5. 18、東陽.基于M EM S技術納米多晶硅薄膜壓力傳感器制作及特性研究[ D ] . 黑龍江:黑龍江大學，2014. 19、張加宏，楊敏等.基測量與數(shù)據(jù)融合的高精度硅壓阻式氣壓變送器的研制J] • 傳感技術學報，2016， 29 ( 6): 8 26 -833. 班寧產(chǎn)品匯總 |
會 改變縱向和橫向電阻率，從而影響異質結構的等效電阻，這就是硅鋁異質結構的壓阻效應。
，不難發(fā)現(xiàn)在L / b 的比值較大 時，
，由此可知選擇合適長寬比的 壓阻條可獲得較大的放大因子以及靈敏度�？紤]到 實際加工工藝水平，硅鋁異質結構的尺寸初步設計為：b = 55um ，l = 60 um ，L = 150um 。當離子注人深 度為1.5um ，硼摻雜濃度為1X108 Dose /cm3 時，初始電阻率P0約為0.043。由于制作過程中熱氧化工藝去除了0.5um的頂層硅，因而壓阻條的實際厚h= 1 um 。此時根據(jù)式可以計算得到硅鋁異質結構的初始理論電阻值約為31.8。值得注意的是，一般常溫或者慣常工作溫度下，金屬材料和半導體材料的電阻率都是隨著溫度升高而增大，根據(jù)常規(guī)電阻公式計算得出的電阻隨著溫度升高而增加。但硅鋁異質混合結構傳感器的工作原理和電阻公式發(fā)生了變化，根據(jù)硅鋁異質結構電阻計算式( 2 ) ~式( 4 )，考慮溫度對電阻率和壓阻系數(shù)的影響，可以計算得到在不同壓力條件下，硅鋁異質結構的電阻隨溫度升高均呈現(xiàn)出降低的趨勢，這與本文后面的實驗測量結果一致。
