SOI壓力傳感器高壓失效分析

SOI壓力傳感器高壓失效分析涌現(xiàn)了大量對可耐高溫的-壓力傳感器的討論[11],但對于可耐高壓的壓力傳感器的報(bào)道還比較缺乏。

張曉莉[12]等報(bào)道了一種通過注氧隔離,技術(shù)研制的壓力傳感器,可在-30~250℃環(huán)境中測量1000以下壓力,但沒有對傳感器的設(shè)計(jì)進(jìn)行具體報(bào)道。

在壓力傳感器的設(shè)計(jì)過程中,由于膜片的外形、厚度、尺寸打算著壓力傳感器的耐壓力量、信號靈敏度,所以膜片是大部分器件的主要機(jī)械部件,常用的3種膜片外形有圓形、方形和矩形。

王韜[13]等討論了應(yīng)用于惡劣環(huán)境下的基于的聲表面波壓力傳感器膜片外形對靈敏度的影響,討論表明為提高壓力傳感器信號靈敏度,應(yīng)當(dāng)選擇大長寬比的矩形膜片。

陳勇[14]等針對高溫高壓環(huán)境的壓力傳感器的應(yīng)用,使用工藝制備了基于的壓力傳感器,通過增加膜厚,使得器件耐壓值達(dá)到150,但在文獻(xiàn)中并沒有對如何提高壓力傳感器的耐高壓力量與原理進(jìn)行報(bào)道。

器件的耐高壓力量過載壓力指器件發(fā)生損壞失效前能承受的最大壓力,所以器件的壓力傳感量程是低于器件的過載力量的。

通過對市面上壓力傳感器調(diào)研可知,通常壓力傳感器的線性壓力響應(yīng)范圍是其耐高壓力量的23甚至更低。

而傳感器的量程在壓力傳感器的線性壓力響應(yīng)范圍內(nèi),。

為了討論如何提高壓力傳感器的耐高壓力量,進(jìn)而提升器件的量程,需對壓力傳感器耐壓失效的機(jī)理進(jìn)行分析。

本文面對基于技術(shù)的壓力傳感器高壓失效問題,以聲表面波器件為對象,通過試驗(yàn)測量器件的耐壓極限并對器件內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行仿真,對器件的耐高壓失效特性進(jìn)行了討論與分析。

,器件示意圖如圖1所示。

器件的工作原理是基于聲表面波器件在基底壓電材料受到外界作用力作用時,材料內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生變化,使材料的彈性常數(shù)、密度等發(fā)生變化,從而導(dǎo)致聲表面波的傳播速度發(fā)生變化。

同時壓電材料受到作用力后,器件的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化,從而導(dǎo)致聲表面波的波長轉(zhuǎn)變。

聲表面波諧振器的諧振頻率=νλ其中,ν是聲表面波的傳播速度,;λ為聲表面波的波長,μ,ν和λ的變化導(dǎo)致諧振頻率的變化。

通過測量頻率大小,就可以知道外界作用力的大小[15]。

圖1所示為器件的截面圖,器件為22的復(fù)合層結(jié)構(gòu)。

壓力傳感器的膜片厚度是器件的關(guān)鍵參數(shù):膜片的厚度越厚,耐高壓力量越強(qiáng),但是對于壓力的響應(yīng)也越弱,壓力傳感器的靈敏度也越低。

因此,需要在壓力靈敏度與耐高壓力量之間進(jìn)行平衡。

本文選取了10μ器件硅層的晶圓,期望在滿意器件耐壓要求的同時,保證器件的靈敏度。

圖1器件結(jié)構(gòu)、截面、背腔示意圖使用并基于工藝制備了一款聲表面波壓力傳感器,通過對體硅層進(jìn)行刻蝕制作背腔;由于大長寬比的矩形有利于提高壓力傳感器的靈敏度,所以采納大長寬比的矩形作為膜片的外形。

所設(shè)計(jì)的矩形背腔的外形如圖1所示。

背腔的尺寸為1600μ800μ。

制備的詳細(xì)工藝流程如下:1首先在干凈的上利用物理氣相沉積生長出1μ。

其中,作為器件的壓電薄膜,膜的質(zhì)量將打算整個器件的性能的有無與好壞,金屬將在后續(xù)制作插指電極與布拉格反射柵。

2在鍍好膜的晶圓上涂敷光刻膠,通過光刻技術(shù)將掩模版上的插指電極-,圖案與布拉格反射柵圖案轉(zhuǎn)移到器件上,此時間刻膠的圖案為插指電極與反射柵的圖案。

3利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)對金屬進(jìn)行刻蝕,由于光刻膠的阻擋,只有未被遮擋的會被刻蝕,留下來的金屬形成了插指電極與布拉格反射柵;使用***將剩余的光刻膠去除,并利用無水乙醇和去離子水對晶圓進(jìn)行清洗。

4使用等離子體增加化學(xué)氣相沉積技術(shù),在器件的底部表面底層硅表面,然后在生長出來的2薄膜上進(jìn)行光刻,將背腔的外形轉(zhuǎn)移到2表明,此時非光刻膠部分為背腔圖案。

5利用背對準(zhǔn)技術(shù),通過深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù),先對底層硅下的2進(jìn)行刻蝕,將2刻蝕完后再對進(jìn)行刻蝕,始終刻蝕到器件硅下的2層停止,完成隔膜結(jié)構(gòu)的釋放。

,對器件進(jìn)行測試,器件的封接方法與測試方法如圖2所示,圖中還展現(xiàn)了測試系統(tǒng)操控界面;圖3展現(xiàn)了常壓下器件的測試結(jié)果,。

聲表面波壓力傳感器的諧振頻率可以由=νλ得出。

器件的λ=10μ,。

圖2器件封接測試方法與測試操作界面圖3壓力傳感器11頻率響應(yīng)曲線從試驗(yàn)結(jié)果可知器件的耐壓力量未能超過1。

為了進(jìn)一步提升器件的耐壓力量,制作出具有更高耐壓強(qiáng)度的壓力傳感器,本文采納了兩種方式增加器件的耐壓力量:1增加器件硅層的厚度至50μ;2減小背腔尺寸至1400μ350μ。

器件的正、反面如圖4所示。

圖4展現(xiàn)了器件的正面形貌,包括部分與用于連線的焊盤部分,圖4、、展現(xiàn)了背腔的外形與大小。

從試驗(yàn)結(jié)果可知器件的耐壓力量未能超過1。

為了進(jìn)一步提升器件的耐壓力量,制作出具有更高耐壓強(qiáng)度的壓力傳感器,本文采納了兩種方式增加器件的耐壓力量:1增加器件硅層的厚度至50μ;2減小背腔尺寸至1400μ350μ。

器件的正、反面如圖4所示。

圖4展現(xiàn)了器件的正面形貌,包括部分與用于連線的焊盤部分,圖4、、展現(xiàn)了背腔的外形與大小。

圖4器件正面、反面、大、小尺寸背腔形貌根據(jù)圖2的方式對改進(jìn)后的器件的耐壓力量進(jìn)行測試,3種器件的測試結(jié)果如表1所示。

其中器件的器件硅層厚度為10μ,背腔尺寸為1600μ800μ;器件的器件硅層厚度為10μ,背腔尺寸為1400μ350μ;器件的器件硅層厚度為50μ,背腔尺寸為1600μ800μ。

由表1的數(shù)據(jù)可知,提升膜厚與減小背腔尺寸提升了器件的耐壓力量。

表13種器件耐壓測試結(jié)果2仿真分析有限元方法,是一種利用數(shù)學(xué)方法對實(shí)際的物理模型與物理問題進(jìn)行精確近似模擬計(jì)算的一種方法。

由于近幾年來的計(jì)算機(jī)計(jì)算力量的快速進(jìn)展,也得到了越來越多的應(yīng)用[16]。

是一款利用有限元方法、專用于多物理場耦合的仿真軟件,應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,其中包括了電、聲、光、熱、機(jī)械等諸多模塊。

為了對器件的失效機(jī)理進(jìn)行分析,搭建物理模型對不同器件的最大耐壓壓力下的內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行分析,模型如圖5所示,展現(xiàn)了器件的多層結(jié)構(gòu)與背腔結(jié)構(gòu)。

圖5有限元仿真模型單位:μ同時由于器件的對稱性,只需要搭建14的器件模型,可將軟件內(nèi)置的物理場下的對稱功能添加到模型上,可在減小計(jì)算量的狀況下實(shí)現(xiàn)與完整模型相同的計(jì)算結(jié)果。

圖6展現(xiàn)了仿真結(jié)果中3種器件在最大應(yīng)力點(diǎn)對應(yīng)厚度方向上器件硅層的應(yīng)力大小狀況。

3種器件的最大應(yīng)力強(qiáng)度分別為器件:408、器件:250、器件:128。

在材料力學(xué)中,材料的裂開考察的是內(nèi)部的最大應(yīng)力。

由于3個器件的材料相同,理論上3個器件的最大應(yīng)力值應(yīng)當(dāng)