利用半導(dǎo)體硅材料 (包括單晶硅和多晶硅 )制成的壓力傳感器是整個(gè)傳感器中重要的一員 。隨著信息技術(shù)的發(fā)展 ，人 們對(duì)于傳感器的工作溫度提出了越來越高的要求 。 國(guó)外從上世紀(jì)80年代后期開始研究多種高溫壓力傳感器 。 但無論哪一種傳感器， 應(yīng)變膜應(yīng)力分布的情況都與傳感器性能密切相關(guān)， 選擇合適的應(yīng)變膜尺寸、厚度以及 應(yīng)變電阻在應(yīng)變膜上的排布位置成為設(shè)計(jì)傳感器的關(guān)鍵 。本文主要采用ANSYS有限元分析方法… ，對(duì)SOI單晶硅高溫壓力傳感器多層應(yīng)變膜進(jìn)行了模擬計(jì)算 。首先對(duì)應(yīng)變膜厚比的相對(duì)誤差進(jìn)行了一系列的計(jì)算比較，從理論上指出了在一般的精度要求下 ，不必模擬體硅表面的其它膜層 ；其次重點(diǎn)模擬了不同寬長(zhǎng)比、不同厚度應(yīng)變膜的理論輸出情況 ，并就此探討了應(yīng)變膜的最佳選擇方案 ；最后 ，根據(jù)模擬結(jié)果首次設(shè)計(jì)并研制出了SOI單晶硅高溫壓力傳感器 ，并進(jìn)行測(cè)量 ，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了模擬的優(yōu)化方案 ，測(cè)量結(jié)果與理論值吻合 。

1 SOI單晶硅高溫壓力傳感器

      SOI(Silicon-on-Insulator)單 晶硅高溫壓力傳感器是采用SDB(硅-硅直接鍵合技術(shù))和濃硼自終止腐蝕技術(shù)相結(jié)合研制的壓力傳感器 。其結(jié)構(gòu)是單晶硅做襯底和應(yīng)變電阻 ，它們之間用二氧化硅介質(zhì)層作隔離 。其特點(diǎn)是：既利用了單晶硅高的應(yīng)變因子，提高了傳感器的靈敏度 ，又利用了介質(zhì)隔離代替P—N結(jié)隔離，減小漏電流 ，提高了傳感器工作溫度 。同時(shí)工藝上利用單晶硅的可重復(fù)性，與CMOS工藝完全兼容 。

2 ANSYS簡(jiǎn)介

      我們使用的應(yīng)力模擬軟件是Ansys公司出品的ANSYS，它是一個(gè)專用于有限元分析的軟件 。借助于它 ，設(shè)計(jì)人員不必從事繁重的計(jì)算或者自行編制程序 、甚至不必了解有限元分析的細(xì)節(jié) ，只要掌握該軟件的用法 、并能將自己的想法準(zhǔn)確的表達(dá)給它 ，就能得到所需的結(jié)果 ，極大地提高了工作效率 ，減輕了設(shè) 計(jì)人 員 的工作負(fù)擔(dān)。寫 作本文時(shí)我們使用的是ANSYS／Muhiphysics／LS-DYNA6．0軟件 。

3 傳感器簡(jiǎn)化應(yīng)力模型的合理性

      為使設(shè)計(jì)出的傳感器更合理 、具有盡可能高的靈敏度 ，必須先對(duì)傳感器進(jìn)行應(yīng)力分析 ，只有這樣才能從理論上保證設(shè)計(jì)的正確性 。 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)理論計(jì)算設(shè)計(jì)應(yīng)變膜 。 隨著CAD工具的應(yīng)用 ，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) ，可以節(jié)約大量的試制時(shí)間 ，降低試制成本 ，使產(chǎn)品更具有競(jìng)爭(zhēng)力 。 但目前的硅壓力傳感器應(yīng)力分析中 ，無論 是理論分析還是數(shù)值模擬 ，通常都假設(shè)傳感器只有體硅構(gòu)成 ，而忽略了二氧化硅和氮化硅等其他組成部分。 事實(shí)上 ，被忽略的部分是構(gòu)成傳感器的必要組成部分 。那么 ，這種近似是否合理 ，會(huì)引人多大的誤差? 我們就此進(jìn)行了一 系列的分析和模擬計(jì)算 。

1) 模擬條件 

      整個(gè)過程中所采用的模型是正方膜SOl壓力傳感 器 ，它帶有一層二氧化硅膜和一層氮化硅膜 。整個(gè)傳感器的邊長(zhǎng)為3000vm，其中應(yīng)變膜的邊長(zhǎng)為2596 m、厚度為100 m，體硅上依次覆蓋 0.5m厚的二氧化硅和0.3m厚的氮化硅膜 。模擬中，硅的楊氏模量取為127GPa、泊松比為0.278，二 氧化硅的楊氏模量取為75GPa、泊松比為 0.17，氮化硅的楊氏模量取為300GPa、泊松比為 0.24 I夕界壓強(qiáng)為1MPa。模擬時(shí)采用的單位制為厘米 ·克 ·秒制 。分析結(jié)果都是傳感器上表面=0處 的ld 一dl值 ，這是由于該數(shù)值與傳感器理論輸出成正比。

2) 模擬步驟

      我們分別模擬了僅計(jì)人體硅 ，計(jì)人體硅和二氧化硅 ，以及將體硅 、二氧化硅 、氮化硅層全部計(jì)人的情況 ，并計(jì)算出它們之間的差異 ，計(jì)算方法為 ： （特比值-參考值）/參考值*100%

      然后我們將二氧化硅和氮化硅的楊氏模量 、泊松比均替換為硅的楊氏模量和泊松比，并適當(dāng)加厚體硅． 應(yīng)變膜 ，這樣就可以看出上面分析中得到的差異中有多少來自于數(shù)值模擬過程本身帶來的誤差。 為了使所得的結(jié)果有比較意義 ，所有步驟的模擬中，劃分網(wǎng)格時(shí)均采用統(tǒng)一的尺寸 。

3) 模擬結(jié)果與分析 

      在這項(xiàng)模擬中 ，我們建立了下面7個(gè)模 型，見下表

      由此可見 ，考慮了二氧化硅和氮化硅膜以后，應(yīng)力的差異并不大 ，在一般的分析中可以予以忽略而不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生本質(zhì)性的影響 。

      其次 ，我們對(duì)于膜厚比(覆蓋層厚度：體硅應(yīng)變膜厚度 )從0.002到 0.5的情況進(jìn)行了計(jì)算 。最后結(jié)果見圖。

圖1 膜厚比與相對(duì)誤差的關(guān)系

4) 小結(jié)

      由此可見 ，當(dāng)覆蓋層的厚度很薄時(shí) ，它所能引入的相對(duì)誤差也很小 ；當(dāng)膜厚很大時(shí) ，ANSYS劃分單元的結(jié)果將逐漸接近于理想狀態(tài)，最終的相對(duì)誤差也就減小了。因此 ，在下面的模擬中 ，可以用單層膜模型來近似表示真實(shí)的傳感器 。

4 應(yīng)變膜寬長(zhǎng)比對(duì)理論輸出的影響

1) 固定寬度下應(yīng)變膜寬長(zhǎng)比對(duì)理論輸出的影響 

      在這項(xiàng)分析中 ，我們將整個(gè)傳感器的寬度固定為5.2nlln、應(yīng)變膜的寬度固定為2.22nlln，而長(zhǎng)度則依次是寬度的1-5倍 ；應(yīng)變膜的厚度都是100／.tm。 最終計(jì)算的結(jié)果見圖 2

圖 2 不同寬長(zhǎng)比下的I 一 I

       從這些結(jié)果可以看出 ：在固定一邊的長(zhǎng)度時(shí) ，傳感器的理論輸出值是隨另一邊長(zhǎng)度的增加而增加 ， 比率超過1：4以后開始下降；尤其是從1：1到1：2的區(qū)段增加得最快 。 這是因?yàn)樵黾右贿叺倪呴L(zhǎng)時(shí) ，應(yīng)變膜的面積隨之增加 ，理論輸出值自然就增加了。 不過應(yīng)該注意的是理論輸出值增加的速度逐漸達(dá)到飽和 ，所以一般做到1：2就可以了。

2) 固定面積下應(yīng)變膜寬長(zhǎng)比對(duì)理論輸出的影響

       在這項(xiàng)分析中 ，我們將整個(gè)傳感器的面積固定為33.8- 、應(yīng)變膜的面積固定為8.3028Ⅱ ，然后同時(shí)改變傳感器和應(yīng)變膜的長(zhǎng)寬 ，使各自的寬長(zhǎng)比依次同時(shí)為1：1—1：5；應(yīng) 變膜 的厚度都 是 100／．tm。 最終計(jì)算的結(jié)果見圖3。

圖3 同面積不同寬長(zhǎng)比

      從圖3可以看出 ：當(dāng)固定應(yīng)變膜面積時(shí) ，傳感器的理論輸出值是隨寬長(zhǎng)比的增加而下降，下降的速率近似為線性 (高溫時(shí)更接近線性 )。 因此在傳感器及其應(yīng)變膜的面積固定的情況下 ，應(yīng)盡量制作正方形膜 ，這樣可以獲得最大的理論輸出值。 我們進(jìn)一步計(jì)算了正方形膜表面的應(yīng)力分布情況，結(jié)果見圖4。

圖 4 正方膜表 面的應(yīng)力分布情況

      從圖4中可以看出 ，正方膜壓力傳感器表面上應(yīng)力最大的區(qū)域位于應(yīng)變膜的邊緣。為了獲得最大的輸出，應(yīng)該將電阻放置在這四個(gè)位置；這與以往理論分析的結(jié)論是吻合的。

5 應(yīng)變膜厚度對(duì)理論輸出的影響

      以上分析中所采用的傳感器模型的長(zhǎng)為6.5 mm、寬為5.2mill，應(yīng)變膜長(zhǎng)3.74nlln、寬 2.22m／n，厚度從60／.tm至 200／.tm不等，每增加20／.tm制作一個(gè)模型，共8個(gè)模型 。圖5是厚度為100／.tm時(shí)=0處的I 一 I值：

      從圖6可以看出 ：在應(yīng)變膜面積固定的情況 下， 隨著膜厚的增加、理論輸出值逐漸減小，并且近似呈負(fù)指數(shù)規(guī)律下降。 因此，在機(jī)械強(qiáng)度允許的情況下， 應(yīng)該盡量減薄應(yīng)變膜 ，以獲得更高的輸出值 。

6 實(shí)際測(cè)量結(jié)果

      根據(jù)優(yōu)化設(shè) 計(jì)，我們制作了一系列壓力傳感器， 并進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試時(shí)采用恒流源供電，電流強(qiáng)度為1mA，單臂電阻約4kQ；根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算出滿量程輸出值 。另外我們用ANSYS模擬的結(jié)果計(jì)算了滿量程輸出的模擬值(計(jì)算時(shí)丌的數(shù)值取為一 13.6X10 )。測(cè)試結(jié)果見表2和表3：(模擬值和實(shí)際輸出的單位均為mv／(mA·MPa)

      考慮到模擬時(shí)模型的簡(jiǎn)化、制造中各部分的實(shí)現(xiàn)與理論情況都有差異，而且實(shí)際傳感器上電阻擺放的位置不可能準(zhǔn)確地位于理論位置上，所以實(shí)際輸出值必然小于理論值 。從上面的結(jié)果可以看出， 實(shí)際值和理論值符合得比較好 。

7 結(jié)論

本文利用有限元分析方法、借助ANSYS軟件， 對(duì)SOI單晶硅壓力傳感器進(jìn)行了一系列的分析和模 擬。從這些模擬和分析中，可以得出如下結(jié)論 ： 

1) 在一般的模擬精度要求和工藝條件下，忽略硅壓力傳感器表面上的其它成分 ，模擬運(yùn)算是可行的 ； 

2) 為獲取傳感器最大輸出 ：

① 當(dāng)應(yīng)變膜一邊的邊長(zhǎng)固定時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加另一邊的長(zhǎng)度，但通常另一邊的長(zhǎng)度達(dá)到固定邊長(zhǎng)的2倍就可以了 ； 

② 當(dāng)應(yīng)變膜面積固定時(shí)，應(yīng)力膜最好為正方形 ； 

3) 在機(jī)械強(qiáng)度允許的情況下，應(yīng)力膜越薄，輸出越大 ； 

4) 從對(duì)根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)的SOI單晶硅壓力傳感器的測(cè)量結(jié)果來看，理論與實(shí)際符合得較好。我們?cè)O(shè)計(jì)研制的SOI單晶硅壓力傳感器具有靈敏度高、工作溫度高的特點(diǎn) ，是一 種具有廣闊應(yīng)用前景的高溫壓力傳感器 。

參考文獻(xiàn) 

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