SOI压力传感器高压失效分析

SOI压力传感器高压失效分析涌现了大量对可耐高温的-压力传感器的讨论[11],但对于可耐高压的压力传感器的报道还比较缺乏。

张晓莉[12]等报道了一种通过注氧隔离,技术研制的压力传感器,可在-30~250℃环境中测量1000以下压力,但没有对传感器的设计进行具体报道。

在压力传感器的设计过程中,由于膜片的外形、厚度、尺寸打算着压力传感器的耐压力量、信号灵敏度,所以膜片是大部分器件的主要机械部件,常用的3种膜片外形有圆形、方形和矩形。

王韬[13]等讨论了应用于恶劣环境下的基于的声表面波压力传感器膜片外形对灵敏度的影响,讨论表明为提高压力传感器信号灵敏度,应当选择大长宽比的矩形膜片。

陈勇[14]等针对高温高压环境的压力传感器的应用,使用工艺制备了基于的压力传感器,通过增加膜厚,使得器件耐压值达到150,但在文献中并没有对如何提高压力传感器的耐高压力量与原理进行报道。

器件的耐高压力量过载压力指器件发生损坏失效前能承受的最大压力,所以器件的压力传感量程是低于器件的过载力量的。

通过对市面上压力传感器调研可知,通常压力传感器的线性压力响应范围是其耐高压力量的23甚至更低。

而传感器的量程在压力传感器的线性压力响应范围内,。

为了讨论如何提高压力传感器的耐高压力量,进而提升器件的量程,需对压力传感器耐压失效的机理进行分析。

本文面对基于技术的压力传感器高压失效问题,以声表面波器件为对象,通过试验测量器件的耐压极限并对器件内部应力进行仿真,对器件的耐高压失效特性进行了讨论与分析。

,器件示意图如图1所示。

器件的工作原理是基于声表面波器件在基底压电材料受到外界作用力作用时,材料内部的应力发生变化,使材料的弹性常数、密度等发生变化,从而导致声表面波的传播速度发生变化。

同时压电材料受到作用力后,器件的结构尺寸发生变化,从而导致声表面波的波长转变。

声表面波谐振器的谐振频率=νλ其中,ν是声表面波的传播速度,;λ为声表面波的波长,μ,ν和λ的变化导致谐振频率的变化。

通过测量频率大小,就可以知道外界作用力的大小[15]。

图1所示为器件的截面图,器件为22的复合层结构。

压力传感器的膜片厚度是器件的关键参数:膜片的厚度越厚,耐高压力量越强,但是对于压力的响应也越弱,压力传感器的灵敏度也越低。

因此,需要在压力灵敏度与耐高压力量之间进行平衡。

本文选取了10μ器件硅层的晶圆,期望在满意器件耐压要求的同时,保证器件的灵敏度。

图1器件结构、截面、背腔示意图使用并基于工艺制备了一款声表面波压力传感器,通过对体硅层进行刻蚀制作背腔;由于大长宽比的矩形有利于提高压力传感器的灵敏度,所以采纳大长宽比的矩形作为膜片的外形。

所设计的矩形背腔的外形如图1所示。

背腔的尺寸为1600μ800μ。

制备的详细工艺流程如下:1首先在干净的上利用物理气相沉积生长出1μ。

其中,作为器件的压电薄膜,膜的质量将打算整个器件的性能的有无与好坏,金属将在后续制作插指电极与布拉格反射栅。

2在镀好膜的晶圆上涂敷光刻胶,通过光刻技术将掩模版上的插指电极-,图案与布拉格反射栅图案转移到器件上,此时间刻胶的图案为插指电极与反射栅的图案。

3利用反应离子刻蚀技术对金属进行刻蚀,由于光刻胶的阻挡,只有未被遮挡的会被刻蚀,留下来的金属形成了插指电极与布拉格反射栅;使用***将剩余的光刻胶去除,并利用无水乙醇和去离子水对晶圆进行清洗。

4使用等离子体增加化学气相沉积技术,在器件的底部表面底层硅表面,然后在生长出来的2薄膜上进行光刻,将背腔的外形转移到2表明,此时非光刻胶部分为背腔图案。

5利用背对准技术,通过深反应离子刻蚀技术,先对底层硅下的2进行刻蚀,将2刻蚀完后再对进行刻蚀,始终刻蚀到器件硅下的2层停止,完成隔膜结构的释放。

,对器件进行测试,器件的封接方法与测试方法如图2所示,图中还展现了测试系统操控界面;图3展现了常压下器件的测试结果,。

声表面波压力传感器的谐振频率可以由=νλ得出。

器件的λ=10μ,。

图2器件封接测试方法与测试操作界面图3压力传感器11频率响应曲线从试验结果可知器件的耐压力量未能超过1。

为了进一步提升器件的耐压力量,制作出具有更高耐压强度的压力传感器,本文采纳了两种方式增加器件的耐压力量:1增加器件硅层的厚度至50μ;2减小背腔尺寸至1400μ350μ。

器件的正、反面如图4所示。

图4展现了器件的正面形貌,包括部分与用于连线的焊盘部分,图4、、展现了背腔的外形与大小。

从试验结果可知器件的耐压力量未能超过1。

为了进一步提升器件的耐压力量,制作出具有更高耐压强度的压力传感器,本文采纳了两种方式增加器件的耐压力量:1增加器件硅层的厚度至50μ;2减小背腔尺寸至1400μ350μ。

器件的正、反面如图4所示。

图4展现了器件的正面形貌,包括部分与用于连线的焊盘部分,图4、、展现了背腔的外形与大小。

图4器件正面、反面、大、小尺寸背腔形貌根据图2的方式对改进后的器件的耐压力量进行测试,3种器件的测试结果如表1所示。

其中器件的器件硅层厚度为10μ,背腔尺寸为1600μ800μ;器件的器件硅层厚度为10μ,背腔尺寸为1400μ350μ;器件的器件硅层厚度为50μ,背腔尺寸为1600μ800μ。

由表1的数据可知,提升膜厚与减小背腔尺寸提升了器件的耐压力量。

表13种器件耐压测试结果2仿真分析有限元方法,是一种利用数学方法对实际的物理模型与物理问题进行精确近似模拟计算的一种方法。

由于近几年来的计算机计算力量的快速进展,也得到了越来越多的应用[16]。

是一款利用有限元方法、专用于多物理场耦合的仿真软件,应用领域非常广泛,其中包括了电、声、光、热、机械等诸多模块。

为了对器件的失效机理进行分析,搭建物理模型对不同器件的最大耐压压力下的内部应力进行分析,模型如图5所示,展现了器件的多层结构与背腔结构。

图5有限元仿真模型单位:μ同时由于器件的对称性,只需要搭建14的器件模型,可将软件内置的物理场下的对称功能添加到模型上,可在减小计算量的状况下实现与完整模型相同的计算结果。

图6展现了仿真结果中3种器件在最大应力点对应厚度方向上器件硅层的应力大小状况。

3种器件的最大应力强度分别为器件:408、器件:250、器件:128。

在材料力学中,材料的裂开考察的是内部的最大应力。

由于3个器件的材料相同,理论上3个器件的最大应力值应当