基于pn结的微热加速度传感器
摘要:在密闭腔室,设计加热器和测温元件结构并充入气体后加热,腔室内可以形成稳定的热对流场。由于气体存在惯性,当外界有加速度作用时,指定位置放置的pn结可以检测到温度变化。通过仿真分析优化了腔室的合适直径和pn结放置的具体位置。为有效提高温差,优化了pn结的形状以解决因提高气体工作温度带来的热应力集中问题。利用微细加工技术制备了加热器、pn结及腔室结构。对所制备的pn结的伏安特性进行了测试,封装后的传感器测试结果表明:气体温度为200℃时,传感器的灵敏度为8mV/g,非线性度为0.23%。制备的基于pn结的微热加速传感器具有应力小、灵敏度高的特点。
本文源自王佩英; 邱霁玄; 张成功; 王欢; 李以贵， 微纳电子技术 发表时间：2021-04-21《微纳电子技术》原：《半导体情报》，自创刊以来，致力于推动我国微米纳米技术的发展，大量报道了我国纳米电子学的基础性研究和MEMS领域的开发与应用，为全国从事微纳电子技术研究的人员搭建了一个良好的技术、信息交流平台，对我国纳米技术研究人员所做的早期研究工作和取得的成果做出了真实的、历史性的描述。
关键词:微电子机械系统(MEMS);传感器;微细加工技术;绝缘体上硅(SOI);pn结
0引言
随着微电子技术、集成电路加工工艺的发展,传感器技术呈现出微型化、智能化、网络化和多功能化的特征。微电子机械系统(MEMS)传感器作为下一代传感器正在逐步取代传统的机械式传感器,开始占据主导地位。MEMS传感器以其低成本、低功耗和小体积等特点在消费电子、汽车工业、航空航天、机械、化工、医药和生物等领域得到了广泛应用,其中以MEMS压力传感器、加速度传感器和陀螺仪等为典型代表[1-3]。
加速度传感器按原理可分为压阻式、压电式、电容式和热对流式等。其中压阻式、压电式和电容式加速度传感器常设计为带有惯性质量块的微结构,存在工艺复杂度高、成品率低及耐用性差等缺点。而热对流式加速度传感器利用密闭空腔内的热气来代替质量块[4-6],以体积小、成本低和抗过载能力强的特点而被广泛研究和应用,如:在智能手机出厂前的自由跌落测试等场景[7-8],用于汽车安全气囊、防抱死系统以及应用于无人机和无人驾驶等热点领域[9-11]。一般的热敏电阻灵敏度虽然高,但是其输出都是非线性的,给实际应用带来了一定的困难。
因此,本文制备了一种以pn结作为敏感元件的热对流式加速度传感器,其最大的特点是输出特性呈线性、耐用性强、测量精度高及抗过载能力强。
1原理、仿真与设计
1.1pn结测温原理
在一块完整的硅片上,用不同的掺杂工艺使其一边形成n型半导体,另一边形成p型半导体,两种半导体的交界面附近的区域为pn结。传感器检测原理是基于pn结正向电压温度特性。由半导体物理学Shockley公式[12-13]可知,pn结的正向电流(IVD)与正向压降(VVD)之间关系为IVD=IseexpqVVDkT(1)式中:q为电子电荷量;k为Boltzmann常数;T为热力学温度(被测温度);Ise为反向饱和电流,可表示为Ise=CT3exp-qVgkT(2)
式中:C为与pn结面积、掺杂和工艺有关的常数;Vg为绝对零度时pn结材料的导带底和价带顶之间的电势差,为定值。将式(2)带入式(1)可得IVD=CT3exp[qkT(VVD-Vg)](3)
将式(3)两边取对数整理可得VVD=kTqlnIVDC-3kTqlnT+Vg(4)设V1=kTqlnIVDC,V2=-3kTqlnT,则式(4)可表示为VVD=V1+V2+Vg(5)
式中:V1和V2与温度T相关,V1为线性项,V2为对数项。但在研究中设定的200℃条件下,V2引起的非线性度很小,可忽略不计。因此认为在正向恒流供电的情况下,pn结正向压降VVD和温度T呈近似线性关系,所以可以利用pn结这一特性来测量密闭腔室内由于施加加速度导致热对流场改变而形成的温差。
1.2传感器检测原理
利用pn结的测温原理,设计由封闭腔体、中心加热器和对称分布于加热器周围的4个pn结构成的热对流式加速度传感器,设计的传感器结构示意图如图1所示。在没有加速度时,气体做自然对流,pn结周围温度场相同,正向电压不会发生改变;当在一个方向施加加速度时,在该方向上的一组pn结,一个所在的区域温度升高,另一个所在的区域温度降低,从而一个正向电压升高,一个正向电压降低,有一个稳定的差分信号输出,经过处理后会有一个直流电压信号,这就是检测到的加速度信号,其检测原理如图2所示,图中Δt为对称放置pn结的温差。
1.3传热/流体分析
该加速度传感器的整体结构为长方体腔体,下方为圆形腔室,加热器位于圆形腔室中心。传感器的横截面示意图如图3所示,图中W为传感器的长,L为宽,且L=W2,d为圆形腔室的直径,x为pn结到加热器中心的距离。
在对pn结放置位置进行讨论时,封闭腔体内充入的气体为惰性气体氩气。不同腔室直径d的大小会直接影响中心加热器在腔室内的温度场分布,进而影响pn结放置位置处的最大温差,根据pn结测温原理,对应的pn结输出电压也会有所改变。根据这一前提,需要先确定最佳腔室直径d,而后通过x/L的值来确定pn结的最佳摆放位置。用比较分析的方法,在腔室直径d分别为400、600、800、1000、1200和1400μm时比较Δt的大小,以确定最佳腔室直径。在确定最佳腔室直径的条件下,改变x的大小,通过比较曲线峰值对应温度的大小来确定pn结最佳放置位置。仿真时设定加热器温度为200℃,检测方向加速度设定为10g。
不同腔室直径下Δt仿真结果如图4所示,在相同横坐标下,d=1200μm时曲线的Δt普遍要比其他的腔室直径要大,因此d=1200μm为腔室直径的最佳尺寸。确定最佳腔室直径d=1200μm后,在x/L=0.18时,曲线达到峰值,即ΔT的值最大,因此可从理论上计算出pn结到加热器中心距离x=450μm。
1.4结构分析
根据热对流原理[14],适当提高加热器的工作温度可以提高因加速度而产生的热气流温差,相当于提高了处于对称放置的pn结能检测到的温差。大多数热对流加速度传感器使用的都是两端固定悬臂梁结构(图5),当温度升高,梁发生形变,该结构又相对固定,因此会产生热应力,并且该结构的热应力集中在梁两端,造成传感器耐用性较差。为了解决这一问题,设计U型悬臂梁结构(图6)对热应力问题进行优化。在环境温度升高时,U型梁结构同样会发生形变,但该结构只有一端被固定,相对灵活,可以通过自身结构分解一部分热应力,从而提高传感器耐用性。仿真结果表明,两端固定梁结构的平均热应力为24MPa,U型悬臂梁结构的平均热应力为2.2MPa,可得U型悬臂梁结构与两端固定的悬臂梁结构相比,平均热应力降低了93%,因此选用U型悬臂梁结构作为pn结结构形状。图7为U型悬臂梁放置的位置。
2MEMS热加速度传感器的制备
采用绝缘体上硅(SOI)基板制备加速度传感器,传感器芯片制备过程如图8所示。选取一片4英寸(1英寸=2.54cm)、电阻率为5Ω·cm的SOI晶圆(器件层厚5μm、绝缘层厚1μm、基板层厚400μm),通过热氧化工艺形成厚400~500nm的双面氧化膜,在晶圆上表面SiO2薄层上旋涂光刻胶,曝光显影烘干后,使用氢氟酸缓冲液(BHF)作为SiO2腐蚀剂,控制腐蚀时间得到厚约200nm的SiO2薄膜,形成SiO2台阶。接着,在所形成的SiO2薄层上旋涂光刻胶,曝光显影烘干后,使用BHF腐蚀薄层SiO2,形成n型扩散孔,去胶后,在晶圆表面旋涂n型半导体高浓度扩散剂(OCDT-1),于n型扩散炉中1000℃下进行预扩散,然后通过BHF去除表面P2O5之后,在1050℃下推进扩散,形成pn结的n型半导体部分。为了保护已掺杂部分,在晶圆表面沉积SiO2薄层。在晶圆表面旋涂p型半导体高浓度扩散剂(PBF),于p型扩散炉中1000℃下进行预扩散,然后用BHF去除表面的B2O3,在1050℃下推进扩散,形成pn结的p型半导体部分。通过光刻和反应离子刻蚀(RIE)在器件层形成接触孔和悬臂梁图案,在该晶圆的上下表面沉积铝膜,而后对晶圆进行上下表面的刻蚀以及烧结,形成铝电极,使用反应离子刻蚀分别在器件层形成悬臂梁结构以及在基板层形成中空腔室结构,最后使用BHF腐蚀含氧层,释放悬臂梁结构。至此完成传感器芯片的制备,制备出的传感器芯片实物图如图9所示。
3测试结果
3.1pn结伏安特性
在25℃的环境下,使用半导体测试仪测量pn结部分的I-V特性,结果如图10所示。在给定反向未击穿电压(-5~0V)时,曲线无明显变化;当正向电压大于死区电压,即在0.5~3V时,曲线呈指数变化,根据pn结的伏安特性的单向导电性,可得该掺杂工艺成功制备了pn结,且在该温度下测得pn结正向电阻率为0.35Ω·cm。
3.2传感器性能
将传感器放到转盘上,在气体温度为200℃时,给传感器施加-5g~+5g的加速度,结果如图11所示。可得,所制备的传感器灵敏度为8mV/g,曲线的非线性度为0.23%。
4结论
本文提出一种基于pn结的微热加速度传感器,使用仿真分析对腔室直径和pn结放置的具体位置进行优化,目的是使处于对称放置位置的pn结获得最大温差的值尽可能大,从而使传感器在相同温度变化条件下能够有更大的输出电压;通过优化传统悬臂梁结构,采用U型悬臂梁作为pn结结构形状,有效改善了热应力问题,从而使传感器精度更加准确,耐用性更强,最后使用MEMS工艺制备出传感器。对封装后的传感器进行测试,测试结果表明,气体温度为200℃,电阻传感器灵敏度为8mV/g,非线性度为0.23%,所制备的传感器具有灵敏度高、应力小及耐用性强的特点。