压敏电阻的热应力分析及结构优化_王婧.pdf

2023 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No2基金项目:山 西 省 重 点 研 发 计 划 项 目(202102030201001，202102030201009)收稿日期:20220825压敏电阻的热应力分析及结构优化王婧1，雷程1，梁庭1，王丙寅2，陈国锋2(1中北大学，动态测试技术国家重点实验室，山西太原030051;2内蒙古动力机械研究所，内蒙古呼和浩特010000)摘要:为解决 SOI 压阻式压力传感器敏感芯片上电阻条因热应力堆积导致的断裂问题，通过在电阻条上容易堆积应力的弯折处建立平滑倒角的方式来降低热应力堆积，提高电阻条的热稳定性。利用多物理场耦合分析软件对有无倒角的 2 种结构进行仿真分析，仿真结果表明:在常压 450 条件下，倒角的存在使得电阻条弯折处的应力比无倒角的结构降低了 50%。在 300 测试环境下无倒角电阻发生断裂，而有倒角电阻在 300 测试以及之后的温度测试中结构完好，电压输出正常，表明倒角的设计有助于提高敏感芯片的耐温性，从而提高传感器的热稳定性。关键词:压阻式压力传感器;热应力;敏感芯片;电阻条;耦合仿真;优化设计中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:10021841(2023)02004406Thermal Stress Analysis and Structure Optimization of PiezoresistorWANG Jing1，LEI Cheng1，LIANG Ting1，WANG Bing-yin2，CHEN Guo-feng2(1North University of China，State Key Laboratory of Dynamic Testing Technology，Taiyuan 030051，China;2Inner Mongolia Power Machinery Institute，Hohhot 010000，China)Abstract:In order to solve the fracture problem of the resistance strip on the sensitive chip of SOI piezoresistive pressuresensor due to thermal stress accumulation，a smooth chamfer was established at the bend of the resistance strip that is easy to ac-cumulate stress to reduce the thermal stress accumulation and improve the thermal stability of the resistance stripThe multi physi-cal field coupling analysis software was used to simulate the two structures with and without chamferingThe simulation resultsshow that the stress at the bending point of the resistance bar is reduced by 50%compared with the structure without chamferingunder normal pressure and 450 Under the test environment of 300，the non chamfered resistance breaks，while the cham-fered resistance has intact structure and normal voltage output in the test at 300 and the subsequent temperature test，which in-dicates that the chamfered design is helpful to improve the temperature resistance of the sensitive chip，thus improving the thermalstability of the sensorKeywords:piezoresistive pressure sensor;thermal stress;sensitive chip;resistance bar;coupling simulation;optimized design0引言随着 MEMS 技术的发展，压力传感器被广泛应用于工业领域。而在一些特殊场合，例如各种轮船和汽车发动机、航空航天飞行器等在高温环境下的压力测量，常规的常温压力传感器难以满足其稳定工作的要求，此时就需要一种能够在高温环境下正常工作的传感器将压力信息传递出来，耐高温压力传感器可以很好地解决这一问题12。SOI 压阻式压力传感器凭借其在高温环境下优异的电学性能和力学性能被广泛应用于制作耐高温压力传感器。张晓莉等3 报道了一种通过注氧隔离技术研制的 SOI 压力传感器，可用于测量1 000 MPa 以下的压力。但对于压力传感器在高温下失效的报道还比较少，在压力传感器的设计过程中，关键结构为位于敏感膜上的电阻条，其可靠性决定着传感器最终的稳定性。而 SOI 压阻敏感芯片中间有氧化硅隔离层，顶层器件层和底层支撑层为硅层，并且隔离层和器件层很薄，因此在高温环境下，由于硅和氧化硅材料之间的热膨胀系数不匹配产生的热应力容易导致器件层上的敏感电阻断裂，从而使得传感器失效46。因此，减小和抑制热应力，是提高传感器高温稳定性的关键79。本文提出了一种可以降低热应力堆积的压敏电阻结构，通过在电阻条上容易堆积应力的弯折处建立平滑倒角的方式来减小热应力的堆积。以此提高传感器在高温环境下的热稳定性。第 2 期王婧等:压敏电阻的热应力分析及结构优化451压力传感器敏感芯片的结构设计11压敏电阻工作原理压阻式压力传感器基于硅的压阻效应原理，采用硅薄膜作为压敏元件，4 个等值硅掺杂电阻连接成惠斯登电桥作为转换元件，当外界的压力作用于硅薄膜上时，膜片表面产生形变，表面应力分布发生变化，使得基于电阻组成的电桥失去平衡，从而输出电信号，实现了从压力信号到电压信号的转换1011。图 1 中 Uin为电桥供电电压，14为压敏电阻，14为受到压力后变化的电阻阻值，U+和 U为电压输出端1214。图 1惠斯登电桥输出电压和电阻的关系表达式为Uout=(1+11+1+2+24+43+3+4+4)Uin(1)12压敏电阻结构优化基于惠斯登电桥工作的压敏芯片，主要通过压敏电阻感应压力进而转化为电信号输出。因此，压敏电阻的工作可靠性和稳定性是制约其工作的关键因素。如图 2 所示，以芯片结构尺寸 3 mm3 mm，背腔尺寸为 1 mm1 mm 为建模基础，设计高温压力芯片。芯片共有 3 层，底层为玻璃层和支撑层键合形成的绝压腔;中间以氧化硅作为隔离层，防止由于高温导致 PN结产生反向漏电流，从而使得压敏电阻不能正常工作;顶层为硼掺杂的器件层，敏感电阻、金属引线以及焊盘都位于这一层上。图 2SOI 压力传感器芯片结构图 3 为电阻条结构放大图，纺锤形结构中间位置为压敏电阻，两边突出的方形为欧姆接触区。在工作过程中，压敏电阻弯折处会由于应力的堆积发生断裂，如图 4 所示。(a)原结构(b)优化后结构图 3电阻条结构图 4电阻条断裂为解决此问题，对电阻条弯折位置进行倒角设计，如图 3(b)所示。2仿真与分析根据表 1 传感器的各参数厚度值，按照设计的芯片尺寸，通过 Solidworks 三维设计软件进行高温 SOI压力传感器芯片的结构建模，将该模型导入仿真软件进行模拟仿真分析。表 1芯片参数值材料弹性模量/GPa泊松比热膨胀系数/1061密度/(gcm3)硅17002835233氧化硅7001705220考虑到在高温高压环境下，传感器受到的应力为压力产生的应力和热应力的复合应力，将建立的模型导入有限元耦合仿真软件，并对 2 种结构的压敏芯片所受到的复合应力进行分析。针对常温不同压强以及恒定压力不同温度 2 种仿真环境进行模拟仿真分析。常温环境下，按照 100 kPa 的压强梯度进行100 kPa15 MPa的仿真试验，如图 5、图 6 所示。通过图 5(b)和图 6(b)的对比，能够明显看出，在常温变压情况下，2 种不同结构同位置的应力集中情况发生了变化，有倒角的结构应力分布相对均匀，验证了倒角的存在可以对压力变化的应力堆积起到改善作用。在常温条件下，2 种结构弯折处所受应力与所受压强关系如图7 所示，随着压强的增大，倒角结构对于改善应力堆积的效果越明显，当压强达到 15 MPa 时，原有结构弯折处产生的应力为 10065 MPa，应变为81998 nm，增加倒角后，此处的应力为 36141 MPa，应变为 78889 nm，此时的应力低于原有结构的 1/3。46Instrument Technique and SensorFeb2023(a)应力分布全局图(b)电阻条位置应力分布图图 5常温 15 MPa 下无倒角结构应力分布图(a)应力分布全局图(b)电阻条位置应力分布图图 6常温 15 MPa 下有倒角结构应力分布图图 7常温下不同结构弯折区随压强变化应力图常压环境下，按照 50 的温度梯度，在 450 以下进行仿真试验，如图 8、图 9 所示。通过图8(b)和图 9(b)的对比，能够明显看出，在常压变温情况下，2 种不同结构同位置的应力集中情况发生了变化，有倒角的结构应力分布相对均匀，验证了倒角的存在可以对温度变化的应力堆积起到改善作用。在恒压条件下，2 种结构弯折处所受应力与温度关系见图 10。随着温度的升高，倒角结构对于改善应力堆积的效果越明显。当温度达到 450 时，原有结构弯折处产生的应力为 86673 MPa，应变为 130 m，增加倒角后，此处的应力为 35745 MPa，应变为 129 m，此时的应力低于原有结构的 1/2。综合仿真结果可以看出，电阻条弯折处倒角的设计对于缓解应力集中有良好的效果，对于压力引起的应力降低了 30%，对于温度产生的应力降低了 50%，提高了压敏电阻在高温高压环境下的结构稳定性。3制备与测试SOI 压阻式压力传感器敏感芯片的制备过程如图11 所示。清洗:选取 SOI 晶圆，进行无机清洗。掺杂:对 SOI 基片的顶层硅进行硼元素掺杂。重掺杂欧姆接触区:湿法腐蚀电极孔并对欧姆接触区进行重掺杂。刻蚀压敏电阻:利用反应离子刻蚀方法(IE)刻蚀压敏电阻。制备金属引线和焊盘:溅射钛铂金金属层后剥离形成金属引线和金属焊盘。背腔刻蚀:背面进行深硅刻蚀形成压力敏感膜。阳极键合:背腔处与玻璃阳极键合形成密闭绝压腔。制备过程如图 11 所示。第 2 期王婧等:压敏电阻的热应力分析及结构优化47(a)应力分布全局图(b)电阻条位置应力分布图图 8常压 450 下无倒角结构应力分布图(a)应力分布全局图(b)电阻条位置应力分布图图 9常压 450 下有倒角结构应力分布图图 10常压下不同结构弯折区随温度变化应力图制备完成的芯片如图 12(a)所示，2 种结构除电阻条弯折位置结构不同外无其他不同，图 12(b)为原有结构无倒角芯片局部放大图，图 12(c)为优化结构有倒角芯片局部放大图。2 种不同结构的芯片各选 3 个，放置在同种环境下进行对比测试。对 2 种不同结构的 SOI 压力芯片进行高温试验，其中，1#3#为原有结构的芯片，4#6#为新版结构，将 1#6#芯片置于 TP 快速退火炉中，图 11敏感芯片制备流程图如图 13 所示，在保持真空状态下，按照 50 的温度梯度进行 50450 的试验，每个温度维持 1 h 后，检测记录芯片的输出电压及电阻阻值。48Instrument Technique and SensorFeb2023(a)芯片整体图(b)无倒角芯片(c)有倒角芯片图 12敏感芯片实物图图 13TP 快速退火炉从图 14(a)可以看出，当温度达到 400 时，输出电压发生了明显突变，通过去除异常输出后，如图 14(b)所示，4#、5#、6#传感器的输出电压相对接近，芯片的一致性良好。通过测量其电阻，得出不同温度工作后对应的电阻变化率，如图 15 所示，1#、2#、3#芯片的电阻在 350时电阻变化率均产生了不同程度的突变，随着温度的升高，变化越来越大;4#、5#、6#芯片的电阻变化率在整个温度变化中基本维持在 0 左右。结合 1#芯片在 400 时输出电压突降可知，400 输出电压突变是由于此时电阻发生了突变。从图 14 可以看出，4#、5#、6#芯片相比于 1#、2#、3#来说，输出电压波动范围小，芯片的一致性优，在测试过程中，电压输出稳定。经过结构的改善，解决了高温环境下应力集中导致的电阻条断裂问题，提高了芯片结构的耐温性，使其在高温环境下的性能得到了提升，提高了传感器的工作稳定性。4结论本文通过分析压敏电阻在高温环境下的应力分(a)全温区输出电压(b)输出电压局部放大图图 14不同温度环境试验后芯片的输出电压图 15不同温度环境试验后的电阻阻值布情况，提出了一种可以降低热应力堆积的电阻结构，即在电阻条弯折处建立倒角。通过对优化前后电阻结构在常压变温环境下进行模拟仿真，得出了新结构的应力比原结构降低了 50%的仿真结果。对结构优化后的压敏芯片进行了制备和测试，测试结果表第 2 期王婧等:压敏电阻的热应力分析及结构优化49明:原有结构在 300 测试后电阻发生断裂，而优化结构后的传感器在 300 测试以及更高的温度测试中，电阻条完好，电压输出正常，在高温区工作后仍具有正常的电压输出，表明了倒角的设计有助于提高敏感芯片的耐温性，从而提高传感器的热稳定性。参考文献:1 杨荣森SiC 高温压力传感器综合应力仿真及可靠性分析 D 成都:电子科技大学，2020 2 王文涛，梁庭，杨娇燕，等基于 MEMS 技术的颅压监测传感器的设计与制备 J 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