SOI高温压阻压力传感器的开发和应用.pdfVIP

STC’99 SOI高温压阻压力传感器的开发与应用 宝鸡传感器研究所 王文襄、刘秀娥、王麦广 中科院上海冶金所 张轩雄、陆德仁、杨根庆 摘 要 压阻式压力传感器是解决高温压力测量的优选方案，克服隔离PN结是问题的关键．通常 的SOS法很不理想．本文报道7作者用微机械加工的硅村底代替兰宝石衬底，用Si—Si直接 键合工艺制作的SOI结构压阻高温压力传感器．它们的最低量程为25KPa、最高量程为 了产品的实用化与系列化． 一、从普通压阻传感器到SOS压力传感器 压阻式压力传感器是解次高温压力测量的优选方案．硅压阻压力传感器采用重掺杂的四 个P型硅电阻构成惠斯顿电桥的力敏检测模式，四个P型电阻的掺杂水平一般郝在 1018—1020cM-3水平，因而本征激发的载流子欲达到与掺杂产生的多数载流子浓度接近，从 而限制压阻效应的有效应用的温度上限及压阻系数的负温度系数限制的可工作温度上限均在 350℃一400℃以上．且硅压阻压力传感器均采用敏感检测元件(掺杂硅电阻)与弹性敏感结 构力学元件一体化，即用同一硅片制成，因而大大减轻j高温下敏感元件各组成部份的材料热 匹配困难问题．因而其高温工作能力反优良的动静态性能比厚膜曲瓷应变式、金属测射薄膜 应变式、压电式等压力传感器占有明显的先天的优势． 但市场上的普通压阻压力传惑器的实际可使用温度上限却只有100℃左右．那是由于作 为四个掺杂电阻之闻采用了PN结隔离的原因．PN结的结温限制及漏电流随温度的指数式倍 增限制了这些压阻压力传感器的高温工作能力，取消这些隔离用PN结是制作高温压阻压力 传感器的设计原则．通常的办法是采用晶格结构与单晶硅接近，但本身又是绝缘体的兰宝石 On 片作为衬底，在其上外廷生长一层薄单晶硅，俗称sos的方法(SiaeonSapphire)．刻蚀掉 多余的硅，留下四个浮雕电阻构成的惠斯顿检测全桥，这便没有了隔离的PN结．这种S06硅 压阻高温压力传感器已有了近三十年的历史．但是，由于兰宝石的晶格结构与硅并非相同而 是相似，不匹配度造成外延薄硅层的晶格缺陷极高，且又有兰宝石衬底的铝反渗，因而硅层性 能很不理想．尤其是作为村底的兰宝石片，又硬又脆且高度化学惰性，因而再1／=-r．．极为困难． 因此sOs高温压力传感器不仅性能有限，价格高贵，而且在高量程段和低量程段制作难度更 高，低微量程就几乎没有商业产品。我们在国家。九五”传感器技术攻关项目资金资助下，开展 7用sOI途径的压阻高温压力传感器的开发与研制． 二、SOl技术提供了新的选择 On Insulator)有许多种，最早期的SOl技术是把硅应变片或薄硅片用低 SOl技术(Silicon 温玻璃烧结在绝缘基片上形成，至令仍有些国外产品用这种办法．但这种办法由于几种结构 材料的匹配差异而存在很大内应力，传感器的温漂及时漂性能较差．盛行于八十年代中后期 的poiy～si技术，即复盖绝缘层的硅上面或绝缘结构上面的多晶硅，包括擞晶硅、纳米硅，是 实现硅压阻压力传惑器无PIN结隔离的最简单也最低成本的技术．有各种各样的CVD技术可 以完成薄膜多晶硅、微晶硅的生长，其工艺又与典型的微机械加工硅压阻压力传感器工艺技术 兼容．我们的研完表明，它作为一种使用温区略高于普通压阻式压力传感器，与陶瓷厚膜，测 射薄膜应变式传惑器应用温区相同的压力传感器是比较成功的，但用作真正的较高工作温度 的高温压力传感器，却难以解决长期工作或断续高温工作的性能稳定性问题．这是基于其根 本原理的缺陷．在多晶硅类传惑器中，莫特性很大程度上取决于晶粒闻界，即晶粒间幂的大小 及俘获情况．晶拉间界中有大量的悬挂键，它们在薄膜形成中就已大量俘获或离子，而氢离子 ● 在较高温度下的非富氢环境中有大量解缚逸出的能力，因而长期或多次断续高温工作改变7 晶粒间界特性，从而导致高温下的性能不稳定·|生，限制了多晶硅类压力传感器的实际可用温 区．