基于pn結的微熱加速度傳感器

　　摘要:在密閉腔室,設計加熱器和測溫元件結構并充入氣體后加熱,腔室內可以形成穩定的熱對流場。由于氣體存在慣性,當外界有加速度作用時,指定位置放置的pn結可以檢測到溫度變化。通過仿真分析優化了腔室的合適直徑和pn結放置的具體位置。為有效提高溫差,優化了pn結的形狀以解決因提高氣體工作溫度帶來的熱應力集中問題。利用微細加工技術制備了加熱器、pn結及腔室結構。對所制備的pn結的伏安特性進行了測試,封裝后的傳感器測試結果表明:氣體溫度為200℃時,傳感器的靈敏度為8mV/g,非線性度為0.23%。制備的基于pn結的微熱加速傳感器具有應力小、靈敏度高的特點。

　　本文源自王佩英; 邱霽玄; 張成功; 王歡; 李以貴， 微納電子技術 發表時間：2021-04-21《微納電子技術》原：《半導體情報》，自創刊以來，致力于推動我國微米納米技術的發展，大量報道了我國納米電子學的基礎性研究和MEMS領域的開發與應用，為全國從事微納電子技術研究的人員搭建了一個良好的技術、信息交流平臺，對我國納米技術研究人員所做的早期研究工作和取得的成果做出了真實的、歷史性的描述。

　　關鍵詞:微電子機械系統(MEMS);傳感器;微細加工技術;絕緣體上硅(SOI);pn結

　　0引言

　　隨著微電子技術、集成電路加工工藝的發展,傳感器技術呈現出微型化、智能化、網絡化和多功能化的特征。微電子機械系統(MEMS)傳感器作為下一代傳感器正在逐步取代傳統的機械式傳感器,開始占據主導地位。MEMS傳感器以其低成本、低功耗和小體積等特點在消費電子、汽車工業、航空航天、機械、化工、醫藥和生物等領域得到了廣泛應用,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、電容式和熱對流式等。其中壓阻式、壓電式和電容式加速度傳感器常設計為帶有慣性質量塊的微結構,存在工藝復雜度高、成品率低及耐用性差等缺點。而熱對流式加速度傳感器利用密閉空腔內的熱氣來代替質量塊[4-6],以體積小、成本低和抗過載能力強的特點而被廣泛研究和應用,如:在智能手機出廠前的自由跌落測試等場景[7-8],用于汽車安全氣囊、防抱死系統以及應用于無人機和無人駕駛等熱點領域[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,給實際應用帶來了一定的困難。

　　因此,本文制備了一種以pn結作為敏感元件的熱對流式加速度傳感器,其最大的特點是輸出特性呈線性、耐用性強、測量精度高及抗過載能力強。

　　1原理、仿真與設計

　　1.1pn結測溫原理

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

　　式中:C為與pn結面積、摻雜和工藝有關的常數;Vg為絕對零度時pn結材料的導帶底和價帶頂之間的電勢差,為定值。將式(2)帶入式(1)可得IVD=CT3exp[qkT(VVD-Vg)](3)

　　將式(3)兩邊取對數整理可得VVD=kTqlnIVDC-3kTqlnT+Vg(4)設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,V1為線性項,V2為對數項。但在研究中設定的200℃條件下,V2引起的非線性度很小,可忽略不計。因此認為在正向恒流供電的情況下,pn結正向壓降VVD和溫度T呈近似線性關系,所以可以利用pn結這一特性來測量密閉腔室內由于施加加速度導致熱對流場改變而形成的溫差。

　　1.2傳感器檢測原理

　　利用pn結的測溫原理,設計由封閉腔體、中心加熱器和對稱分布于加熱器周圍的4個pn結構成的熱對流式加速度傳感器,設計的傳感器結構示意圖如圖1所示。在沒有加速度時,氣體做自然對流,pn結周圍溫度場相同,正向電壓不會發生改變;當在一個方向施加加速度時,在該方向上的一組pn結,一個所在的區域溫度升高,另一個所在的區域溫度降低,從而一個正向電壓升高,一個正向電壓降低,有一個穩定的差分信號輸出,經過處理后會有一個直流電壓信號,這就是檢測到的加速度信號,其檢測原理如圖2所示,圖中Δt為對稱放置pn結的溫差。

　　1.3傳熱/流體分析

　　該加速度傳感器的整體結構為長方體腔體,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,L為寬,且L=W2,d為圓形腔室的直徑,x為pn結到加熱器中心的距離。

　　在對pn結放置位置進行討論時,封閉腔體內充入的氣體為惰性氣體氬氣。不同腔室直徑d的大小會直接影響中心加熱器在腔室內的溫度場分布,進而影響pn結放置位置處的最大溫差,根據pn結測溫原理,對應的pn結輸出電壓也會有所改變。根據這一前提,需要先確定最佳腔室直徑d,而后通過x/L的值來確定pn結的最佳擺放位置。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,通過比較曲線峰值對應溫度的大小來確定pn結最佳放置位置。仿真時設定加熱器溫度為200℃,檢測方向加速度設定為10g。

　　不同腔室直徑下Δt仿真結果如圖4所示,在相同橫坐標下,d=1200μm時曲線的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,曲線達到峰值,即ΔT的值最大,因此可從理論上計算出pn結到加熱器中心距離x=450μm。

　　1.4結構分析

　　根據熱對流原理[14],適當提高加熱器的工作溫度可以提高因加速度而產生的熱氣流溫差,相當于提高了處于對稱放置的pn結能檢測到的溫差。大多數熱對流加速度傳感器使用的都是兩端固定懸臂梁結構(圖5),當溫度升高,梁發生形變,該結構又相對固定,因此會產生熱應力,并且該結構的熱應力集中在梁兩端,造成傳感器耐用性較差。為了解決這一問題,設計U型懸臂梁結構(圖6)對熱應力問題進行優化。在環境溫度升高時,U型梁結構同樣會發生形變,但該結構只有一端被固定,相對靈活,可以通過自身結構分解一部分熱應力,從而提高傳感器耐用性。仿真結果表明,兩端固定梁結構的平均熱應力為24MPa,U型懸臂梁結構的平均熱應力為2.2MPa,可得U型懸臂梁結構與兩端固定的懸臂梁結構相比,平均熱應力降低了93%,因此選用U型懸臂梁結構作為pn結結構形狀。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,控制腐蝕時間得到厚約200nm的SiO2薄膜,形成SiO2臺階。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型擴散孔,去膠后,在晶圓表面旋涂n型半導體高濃度擴散劑(OCDT-1),于n型擴散爐中1000℃下進行預擴散,然后通過BHF去除表面P2O5之后,在1050℃下推進擴散,形成pn結的n型半導體部分。為了保護已摻雜部分,在晶圓表面沉積SiO2薄層。在晶圓表面旋涂p型半導體高濃度擴散劑(PBF),于p型擴散爐中1000℃下進行預擴散,然后用BHF去除表面的B2O3,在1050℃下推進擴散,形成pn結的p型半導體部分。通過光刻和反應離子刻蝕(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,而后對晶圓進行上下表面的刻蝕以及燒結,形成鋁電極,使用反應離子刻蝕分別在器件層形成懸臂梁結構以及在基板層形成中空腔室結構,最后使用BHF腐蝕含氧層,釋放懸臂梁結構。至此完成傳感器芯片的制備,制備出的傳感器芯片實物圖如圖9所示。

　　3測試結果

　　3.1pn結伏安特性

　　在25℃的環境下,使用半導體測試儀測量pn結部分的I-V特性,結果如圖10所示。在給定反向未擊穿電壓(-5~0V)時,曲線無明顯變化;當正向電壓大于死區電壓,即在0.5~3V時,曲線呈指數變化,根據pn結的伏安特性的單向導電性,可得該摻雜工藝成功制備了pn結,且在該溫度下測得pn結正向電阻率為0.35Ω·cm。

　　3.2傳感器性能

　　將傳感器放到轉盤上,在氣體溫度為200℃時,給傳感器施加-5g~+5g的加速度,結果如圖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結論

　　本文提出一種基于pn結的微熱加速度傳感器,使用仿真分析對腔室直徑和pn結放置的具體位置進行優化,目的是使處于對稱放置位置的pn結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;通過優化傳統懸臂梁結構,采用U型懸臂梁作為pn結結構形狀,有效改善了熱應力問題,從而使傳感器精度更加準確,耐用性更強,最后使用MEMS工藝制備出傳感器。對封裝后的傳感器進行測試,測試結果表明,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、應力小及耐用性強的特點。