隨著新型傳感器的研究不斷發(fā)展,傳感器正向集成化,智能化,網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。人們生活水平不斷提高,對(duì)于了解周圍居住的環(huán)境也日益迫切。傳統(tǒng)的方法需要多個(gè)傳感器體積大,功耗大,不便于攜帶,成本高;隨著傳感器工藝的日趨完善和成熟的集成電路工藝,集成傳感器便被提出來,它具有低成本,低功耗,體積小,易于攜帶的優(yōu)點(diǎn)。

隨著固體傳感器技術(shù)的發(fā)展,由于硅壓阻式傳感器具有小型化,高靈敏度,良好的線性,遲滯小以及能夠集成化和多功能化,因而被廣泛使用口。根據(jù)硅的電阻率隨溫度的變化而改變,研制出了硅擴(kuò)散電阻溫度傳感器。溫度與壓力集成的傳感器在整個(gè)溫度工作范圍內(nèi)可以更準(zhǔn)確的補(bǔ)償壓力信號(hào)的溫度效應(yīng)。對(duì)于相對(duì)濕度的測(cè)量通常是基于有機(jī)吸附劑,如電解質(zhì)型、半導(dǎo)體陶瓷型、有機(jī)高分子聚合物等。

本文描述了一種壓阻式纟色對(duì)壓力、溫度、相對(duì)濕度傳感器在單一芯片的集成。傳感器制作工藝綜合了體硅微細(xì)加工壓力傳感器和面硅微細(xì)加工的擴(kuò)散型溫度傳感器及基于聚合物感濕材料的濕度傳感器。傳感器的芯片封裝采用陽極鍵合的方法來實(shí)現(xiàn)形成絕壓測(cè)量的真空密封腔。
1.傳感器結(jié)構(gòu)與原理
單晶硅絕壓式壓力傳感器、擴(kuò)散硅溫度傳感器及電容式濕度傳感器集成在單片傳感器芯片上。在n型(100)硅基底上刻蝕出方形膜片,溫度和壓力檢測(cè)采用離子注入形成擴(kuò)散電阻,濕度則利用高分子材料吸濕改變被測(cè)電容的介電常數(shù)?？紤]各自的相互影響,壓力膜上的電阻沿[110布置測(cè)溫電阻沿[100布置,且遠(yuǎn)離壓力膜片應(yīng)力區(qū),盡可能減小相互干擾,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。芯片的大小為5mm×5mm。合理的摻雜濃度可以減小溫度對(duì)于壓力檢測(cè)的影響。詳細(xì)的結(jié)構(gòu)與原理介紹如下
1.1壓力傳感器
基于硅的壓阻效應(yīng),選用n型(100)基底,硼摻雜來形成擴(kuò)散電阻。當(dāng)方膜邊長(zhǎng)與圓膜相當(dāng)長(zhǎng)度,且膜的厚度相同時(shí),方膜中的ZUI大應(yīng)力是圓膜1.64倍,且在方形膜中應(yīng)力ZUI大發(fā)生在邊緣中點(diǎn)附近。硅杯中膜片等效應(yīng)力分布如圖2所示,圖中膜厚為16μm,大應(yīng)力發(fā)生在膜的邊緣。超過膜邊緣應(yīng)力并未迅速衰減為0。根據(jù)不同晶向中壓阻系數(shù)的分布，選擇電阻布置在110晶向上,該向具有***壓阻系數(shù)。
由于溫度傳感器部分的制作和壓力部分相同,所以當(dāng)溫度升高,壓力不發(fā)生變化時(shí),電橋中的電阻值也會(huì)發(fā)生改變,但由于采用全橋故由此帶來的輸出為0。溫度升高時(shí),摻雜硅的遷移率與壓阻系數(shù)都會(huì)發(fā)生改變,需要對(duì)由溫度變化輸出的偏移電壓進(jìn)行分析與補(bǔ)償。周圍環(huán)境濕度對(duì)于壓敏電阻來說也是重要的破壞8,因此壓阻條上面應(yīng)該加鈍化層Si3N4來保護(hù),測(cè)溫電阻也一樣。
1.2溫度傳感器
本文溫度測(cè)量范圍內(nèi),可以認(rèn)為載流子濃度不隨溫度變化而變化,而半導(dǎo)體遷移率隨溫度的變化而變化。由于測(cè)溫與測(cè)壓的材料相同,所以必須避免壓力對(duì)溫度測(cè)量的影響。在n型(100硅基底中,[100]晶向具有ZUI小壓阻系數(shù),與ZUI大壓阻系數(shù)晶向成45°。而為了增大電阻提高靈敏度,電阻采用折疊形式布置。另外溫度在壓力膜以外,受壓力作用很小。當(dāng)電流通過電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量,通過這種自加熱產(chǎn)生的溫度值可以通過推導(dǎo)公式得到。
1.3濕度傳感器
濕敏傳感結(jié)構(gòu)材料一般用作濕度傳感器的感濕體,它是利用吸附效應(yīng)直接吸附水分子,使其表面電導(dǎo)或體介電特性等物理性質(zhì)發(fā)生變化,從而檢測(cè)出相對(duì)濕度11。高分子濕度傳感器采用微電子工藝制作,體積小,價(jià)格低,靈敏度高響應(yīng)快。電極則采用49對(duì)叉指結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)靈敏度,濕敏材料選用的是聚酰亞胺。
2.傳感器制作與試驗(yàn)
在n型(100)硅上熱生長(zhǎng)一層SiO2,然后正面刻蝕電阻孔,離子注入硼,達(dá)到方塊電阻值為2/口,結(jié)深為2~2.5μm,雙面 LPCVD120mm厚的Si3N4,然后背面光刻窗口,FPW濕法腐蝕真空腔至膜厚25μm。正面刻蝕電阻接觸孔和引線孔,濺射2.5~3gm的鋁線,然后刻蝕鋁連線。后正面鈍化,保護(hù)電阻及連線,背面陽極鍵合封裝形成真空腔體。濕敏材料則是通過絲網(wǎng)印刷涂敷然后在烘于箱中烘干形成感濕膜。制作的多參數(shù)集成式傳感器。壓力測(cè)試是在準(zhǔn)確度等級(jí)為0.02的活塞式壓力計(jì)(YS2.5)試驗(yàn)臺(tái)上以表壓方式封裝測(cè)試的,用5V直流恒壓源給壓力傳感器中的惠斯登電橋供電,測(cè)試環(huán)境為1atm,溫度為25℃,濕度為40%RH。在0~1atm的量程范圍內(nèi)隔20kPa記錄數(shù)據(jù)電橋電壓輸出信號(hào)用 ESCORT EDM3150數(shù)字萬用表顯示,重復(fù)試驗(yàn)3次。取正反行程的電壓輸出平均值作為結(jié)果,壓力傳感器的測(cè)試結(jié)果及擬合曲線如圖所示,其線性度為0.465%FS。
結(jié)語：
該多參數(shù)集成式傳感器具有良好的線性,靈敏度高。對(duì)于濕度檢測(cè)部分由于所用材料的特性使得結(jié)果不夠理想,需要找更加合適的濕敏材料。由于多參數(shù)傳感器集成在單一芯片上,溫度的輸出可以作為壓力檢測(cè)部位的準(zhǔn)確溫度,通過這可以實(shí)現(xiàn)比較準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償。