基于pn結(jié)的微熱加速度傳感器

　　摘要:在密閉腔室,設(shè)計(jì)加熱器和測(cè)溫元件結(jié)構(gòu)并充入氣體后加熱,腔室內(nèi)可以形成穩(wěn)定的熱對(duì)流場(chǎng)。由于氣體存在慣性,當(dāng)外界有加速度作用時(shí),指定位置放置的pn結(jié)可以檢測(cè)到溫度變化。通過(guò)仿真分析優(yōu)化了腔室的合適直徑和pn結(jié)放置的具體位置。為有效提高溫差,優(yōu)化了pn結(jié)的形狀以解決因提高氣體工作溫度帶來(lái)的熱應(yīng)力集中問(wèn)題。利用微細(xì)加工技術(shù)制備了加熱器、pn結(jié)及腔室結(jié)構(gòu)。對(duì)所制備的pn結(jié)的伏安特性進(jìn)行了測(cè)試,封裝后的傳感器測(cè)試結(jié)果表明:氣體溫度為200℃時(shí),傳感器的靈敏度為8mV/g,非線性度為0.23%。制備的基于pn結(jié)的微熱加速傳感器具有應(yīng)力小、靈敏度高的特點(diǎn)。

　　本文源自王佩英; 邱霽玄; 張成功; 王歡; 李以貴， 微納電子技術(shù) 發(fā)表時(shí)間：2021-04-21《微納電子技術(shù)》原：《半導(dǎo)體情報(bào)》，自創(chuàng)刊以來(lái)，致力于推動(dòng)我國(guó)微米納米技術(shù)的發(fā)展，大量報(bào)道了我國(guó)納米電子學(xué)的基礎(chǔ)性研究和MEMS領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，為全國(guó)從事微納電子技術(shù)研究的人員搭建了一個(gè)良好的技術(shù)、信息交流平臺(tái)，對(duì)我國(guó)納米技術(shù)研究人員所做的早期研究工作和取得的成果做出了真實(shí)的、歷史性的描述。

　　關(guān)鍵詞:微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS);傳感器;微細(xì)加工技術(shù);絕緣體上硅(SOI);pn結(jié)

　　0引言

　　隨著微電子技術(shù)、集成電路加工工藝的發(fā)展,傳感器技術(shù)呈現(xiàn)出微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和多功能化的特征。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)傳感器作為下一代傳感器正在逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械式傳感器,開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位。MEMS傳感器以其低成本、低功耗和小體積等特點(diǎn)在消費(fèi)電子、汽車(chē)工業(yè)、航空航天、機(jī)械、化工、醫(yī)藥和生物等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,其中以MEMS壓力傳感器、加速度傳感器和陀螺儀等為典型代表[1-3]。

　　加速度傳感器按原理可分為壓阻式、壓電式、電容式和熱對(duì)流式等。其中壓阻式、壓電式和電容式加速度傳感器常設(shè)計(jì)為帶有慣性質(zhì)量塊的微結(jié)構(gòu),存在工藝復(fù)雜度高、成品率低及耐用性差等缺點(diǎn)。而熱對(duì)流式加速度傳感器利用密閉空腔內(nèi)的熱氣來(lái)代替質(zhì)量塊[4-6],以體積小、成本低和抗過(guò)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)而被廣泛研究和應(yīng)用,如:在智能手機(jī)出廠前的自由跌落測(cè)試等場(chǎng)景[7-8],用于汽車(chē)安全氣囊、防抱死系統(tǒng)以及應(yīng)用于無(wú)人機(jī)和無(wú)人駕駛等熱點(diǎn)領(lǐng)域[9-11]。一般的熱敏電阻靈敏度雖然高,但是其輸出都是非線性的,給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了一定的困難。

　　因此,本文制備了一種以pn結(jié)作為敏感元件的熱對(duì)流式加速度傳感器,其最大的特點(diǎn)是輸出特性呈線性、耐用性強(qiáng)、測(cè)量精度高及抗過(guò)載能力強(qiáng)。

　　1原理、仿真與設(shè)計(jì)

　　1.1pn結(jié)測(cè)溫原理

　　在一塊完整的硅片上,用不同的摻雜工藝使其一邊形成n型半導(dǎo)體,另一邊形成p型半導(dǎo)體,兩種半導(dǎo)體的交界面附近的區(qū)域?yàn)閜n結(jié)。傳感器檢測(cè)原理是基于pn結(jié)正向電壓溫度特性。由半導(dǎo)體物理學(xué)Shockley公式[12-13]可知,pn結(jié)的正向電流(IVD)與正向壓降(VVD)之間關(guān)系為IVD=IseexpqVVDkT(1)式中:q為電子電荷量;k為Boltzmann常數(shù);T為熱力學(xué)溫度(被測(cè)溫度);Ise為反向飽和電流,可表示為Ise=CT3exp-qVgkT(2)

　　式中:C為與pn結(jié)面積、摻雜和工藝有關(guān)的常數(shù);Vg為絕對(duì)零度時(shí)pn結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂之間的電勢(shì)差,為定值。將式(2)帶入式(1)可得IVD=CT3exp[qkT(VVD-Vg)](3)

　　將式(3)兩邊取對(duì)數(shù)整理可得VVD=kTqlnIVDC-3kTqlnT+Vg(4)設(shè)V1=kTqlnIVDC,V2=-3kTqlnT,則式(4)可表示為VVD=V1+V2+Vg(5)

　　式中:V1和V2與溫度T相關(guān),V1為線性項(xiàng),V2為對(duì)數(shù)項(xiàng)。但在研究中設(shè)定的200℃條件下,V2引起的非線性度很小,可忽略不計(jì)。因此認(rèn)為在正向恒流供電的情況下,pn結(jié)正向壓降VVD和溫度T呈近似線性關(guān)系,所以可以利用pn結(jié)這一特性來(lái)測(cè)量密閉腔室內(nèi)由于施加加速度導(dǎo)致熱對(duì)流場(chǎng)改變而形成的溫差。

　　1.2傳感器檢測(cè)原理

　　利用pn結(jié)的測(cè)溫原理,設(shè)計(jì)由封閉腔體、中心加熱器和對(duì)稱(chēng)分布于加熱器周?chē)?個(gè)pn結(jié)構(gòu)成的熱對(duì)流式加速度傳感器,設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在沒(méi)有加速度時(shí),氣體做自然對(duì)流,pn結(jié)周?chē)鷾囟葓?chǎng)相同,正向電壓不會(huì)發(fā)生改變;當(dāng)在一個(gè)方向施加加速度時(shí),在該方向上的一組pn結(jié),一個(gè)所在的區(qū)域溫度升高,另一個(gè)所在的區(qū)域溫度降低,從而一個(gè)正向電壓升高,一個(gè)正向電壓降低,有一個(gè)穩(wěn)定的差分信號(hào)輸出,經(jīng)過(guò)處理后會(huì)有一個(gè)直流電壓信號(hào),這就是檢測(cè)到的加速度信號(hào),其檢測(cè)原理如圖2所示,圖中Δt為對(duì)稱(chēng)放置pn結(jié)的溫差。

　　1.3傳熱/流體分析

　　該加速度傳感器的整體結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方體腔體,下方為圓形腔室,加熱器位于圓形腔室中心。傳感器的橫截面示意圖如圖3所示,圖中W為傳感器的長(zhǎng),L為寬,且L=W2,d為圓形腔室的直徑,x為pn結(jié)到加熱器中心的距離。

　　在對(duì)pn結(jié)放置位置進(jìn)行討論時(shí),封閉腔體內(nèi)充入的氣體為惰性氣體氬氣。不同腔室直徑d的大小會(huì)直接影響中心加熱器在腔室內(nèi)的溫度場(chǎng)分布,進(jìn)而影響pn結(jié)放置位置處的最大溫差,根據(jù)pn結(jié)測(cè)溫原理,對(duì)應(yīng)的pn結(jié)輸出電壓也會(huì)有所改變。根據(jù)這一前提,需要先確定最佳腔室直徑d,而后通過(guò)x/L的值來(lái)確定pn結(jié)的最佳擺放位置。用比較分析的方法,在腔室直徑d分別為400、600、800、1000、1200和1400μm時(shí)比較Δt的大小,以確定最佳腔室直徑。在確定最佳腔室直徑的條件下,改變x的大小,通過(guò)比較曲線峰值對(duì)應(yīng)溫度的大小來(lái)確定pn結(jié)最佳放置位置。仿真時(shí)設(shè)定加熱器溫度為200℃,檢測(cè)方向加速度設(shè)定為10g。

　　不同腔室直徑下Δt仿真結(jié)果如圖4所示,在相同橫坐標(biāo)下,d=1200μm時(shí)曲線的Δt普遍要比其他的腔室直徑要大,因此d=1200μm為腔室直徑的最佳尺寸。確定最佳腔室直徑d=1200μm后,在x/L=0.18時(shí),曲線達(dá)到峰值,即ΔT的值最大,因此可從理論上計(jì)算出pn結(jié)到加熱器中心距離x=450μm。

　　1.4結(jié)構(gòu)分析

　　根據(jù)熱對(duì)流原理[14],適當(dāng)提高加熱器的工作溫度可以提高因加速度而產(chǎn)生的熱氣流溫差,相當(dāng)于提高了處于對(duì)稱(chēng)放置的pn結(jié)能檢測(cè)到的溫差。大多數(shù)熱對(duì)流加速度傳感器使用的都是兩端固定懸臂梁結(jié)構(gòu)(圖5),當(dāng)溫度升高,梁發(fā)生形變,該結(jié)構(gòu)又相對(duì)固定,因此會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,并且該結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力集中在梁兩端,造成傳感器耐用性較差。為了解決這一問(wèn)題,設(shè)計(jì)U型懸臂梁結(jié)構(gòu)(圖6)對(duì)熱應(yīng)力問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。在環(huán)境溫度升高時(shí),U型梁結(jié)構(gòu)同樣會(huì)發(fā)生形變,但該結(jié)構(gòu)只有一端被固定,相對(duì)靈活,可以通過(guò)自身結(jié)構(gòu)分解一部分熱應(yīng)力,從而提高傳感器耐用性。仿真結(jié)果表明,兩端固定梁結(jié)構(gòu)的平均熱應(yīng)力為24MPa,U型懸臂梁結(jié)構(gòu)的平均熱應(yīng)力為2.2MPa,可得U型懸臂梁結(jié)構(gòu)與兩端固定的懸臂梁結(jié)構(gòu)相比,平均熱應(yīng)力降低了93%,因此選用U型懸臂梁結(jié)構(gòu)作為pn結(jié)結(jié)構(gòu)形狀。圖7為U型懸臂梁放置的位置。

　　2MEMS熱加速度傳感器的制備

　　采用絕緣體上硅(SOI)基板制備加速度傳感器,傳感器芯片制備過(guò)程如圖8所示。選取一片4英寸(1英寸=2.54cm)、電阻率為5Ω·cm的SOI晶圓(器件層厚5μm、絕緣層厚1μm、基板層厚400μm),通過(guò)熱氧化工藝形成厚400~500nm的雙面氧化膜,在晶圓上表面SiO2薄層上旋涂光刻膠,曝光顯影烘干后,使用氫氟酸緩沖液(BHF)作為SiO2腐蝕劑,控制腐蝕時(shí)間得到厚約200nm的SiO2薄膜,形成SiO2臺(tái)階。接著,在所形成的SiO2薄層上旋涂光刻膠,曝光顯影烘干后,使用BHF腐蝕薄層SiO2,形成n型擴(kuò)散孔,去膠后,在晶圓表面旋涂n型半導(dǎo)體高濃度擴(kuò)散劑(OCDT-1),于n型擴(kuò)散爐中1000℃下進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散,然后通過(guò)BHF去除表面P2O5之后,在1050℃下推進(jìn)擴(kuò)散,形成pn結(jié)的n型半導(dǎo)體部分。為了保護(hù)已摻雜部分,在晶圓表面沉積SiO2薄層。在晶圓表面旋涂p型半導(dǎo)體高濃度擴(kuò)散劑(PBF),于p型擴(kuò)散爐中1000℃下進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散,然后用BHF去除表面的B2O3,在1050℃下推進(jìn)擴(kuò)散,形成pn結(jié)的p型半導(dǎo)體部分。通過(guò)光刻和反應(yīng)離子刻蝕(RIE)在器件層形成接觸孔和懸臂梁圖案,在該晶圓的上下表面沉積鋁膜,而后對(duì)晶圓進(jìn)行上下表面的刻蝕以及燒結(jié),形成鋁電極,使用反應(yīng)離子刻蝕分別在器件層形成懸臂梁結(jié)構(gòu)以及在基板層形成中空腔室結(jié)構(gòu),最后使用BHF腐蝕含氧層,釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)。至此完成傳感器芯片的制備,制備出的傳感器芯片實(shí)物圖如圖9所示。

　　3測(cè)試結(jié)果

　　3.1pn結(jié)伏安特性

　　在25℃的環(huán)境下,使用半導(dǎo)體測(cè)試儀測(cè)量pn結(jié)部分的I-V特性,結(jié)果如圖10所示。在給定反向未擊穿電壓(-5~0V)時(shí),曲線無(wú)明顯變化;當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓,即在0.5~3V時(shí),曲線呈指數(shù)變化,根據(jù)pn結(jié)的伏安特性的單向?qū)щ娦?可得該摻雜工藝成功制備了pn結(jié),且在該溫度下測(cè)得pn結(jié)正向電阻率為0.35Ω·cm。

　　3.2傳感器性能

　　將傳感器放到轉(zhuǎn)盤(pán)上,在氣體溫度為200℃時(shí),給傳感器施加-5g~+5g的加速度,結(jié)果如圖11所示。可得,所制備的傳感器靈敏度為8mV/g,曲線的非線性度為0.23%。

　　4結(jié)論

　　本文提出一種基于pn結(jié)的微熱加速度傳感器,使用仿真分析對(duì)腔室直徑和pn結(jié)放置的具體位置進(jìn)行優(yōu)化,目的是使處于對(duì)稱(chēng)放置位置的pn結(jié)獲得最大溫差的值盡可能大,從而使傳感器在相同溫度變化條件下能夠有更大的輸出電壓;通過(guò)優(yōu)化傳統(tǒng)懸臂梁結(jié)構(gòu),采用U型懸臂梁作為pn結(jié)結(jié)構(gòu)形狀,有效改善了熱應(yīng)力問(wèn)題,從而使傳感器精度更加準(zhǔn)確,耐用性更強(qiáng),最后使用MEMS工藝制備出傳感器。對(duì)封裝后的傳感器進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,氣體溫度為200℃,電阻傳感器靈敏度為8mV/g,非線性度為0.23%,所制備的傳感器具有靈敏度高、應(yīng)力小及耐用性強(qiáng)的特點(diǎn)。