郭源生，刘忠立

(1.山东大学控制科学与工程学院,山东济南250061；2.中国科学院半导体所，北京100083)

无线网络传感器是物联网基础层的核心技术与产品，是传感器技术应用的拓展。在现代控制系统中，许多特殊场合，会因结构、电路、安保、线缆过长、中断、噪声等因素制约无法测量。如海洋、矿井、边防、军事等领域，被测量物处于运动(旋转)之中，易燃、易爆特殊气体、轻油和有机化学成分处于安全特殊要求，还有电源不能直接涉足物体或区域等。因此，必须采用无线网，甚至无线传感器集群构成网络来实现测量与控制。特别是物联网技术发展与推广，在环境监测、高效农业、工业控制、医疗护理、物流管理、军事领域均有较大的应用潜力。

无线网络传感器要求在微小体积内集成信息采集、数据处理、无线通信、网络化等功能，同时要求能够适应恶劣复杂环境下的实时监控和能耗节约的电源休眠管理，对于系统的功耗和使用寿命等技术指标有严格的要求。因而，能够适合无线网络传感器节点，而且具有低成本、低功耗的各种敏感芯片或元件的开发就显得尤为重要。

压阻效应在硅半导体材料的变形中是能被观测到的。通过运用硅平面工艺技术和MEMS微机械加工工艺技术将电阻制作到硅片上，形成一个具有压阻效应的弹性敏感元件，其弹性形变很小，而刚性特征明显，加上半导体材料和特殊的工艺，使产品可在较宽的温度范围内达到很高的灵敏度和稳定性，产品一致性亦很好，各项指标符合无线网络化特征要求。

本文基于国家创新基金项目实施内容，结合国际IEEE标准和物联网相关技术要求，运用MEMS微机械加工工艺技术和8英寸单晶硅片，经过制作工艺的反复试验，设计、加工、生产出无线网络压力传感器IC芯片，即通过微机械加工工艺制作出成本低、量程齐全、应用范围宽泛、各参数性能与国外同类产品竞争的无线网络传感器IC芯片。

敏感元件的设计

敏感元件的结构设计

敏感元件芯片设计采用了单岛膜结构，产品的单岛膜结构(又称为E型硅杯结构)相当于一个周边固支的平膜片结构(俗称C型结构，图1所示)的膜片中心有一个厚硬心岛。通过计算和实验，芯片的抗过载和抗振动能力增强，同时也能扩大并提高量程品种及延长使用寿命，E型硅杯原理结构如图2所示。

在产品设计上兼顾了传感器指标参数的通用性，便于芯片应用拓展到其他领域；避免造成其参数的非专业性配套，其温度系数偏高、过载能力低、灵敏度参数分散等问题；芯片的衬底浓度远大于103，使电桥电阻值高，降低功耗，延长供电电池使用寿命。

经计算，E型杯版图设计最小结构尺寸为1.2 mm×1.2 mm，大膜半径R为0.8 mm，中心岛半径r0为0.4 mm，电阻条宽度为4 μm，长度为80 μm，设计20个方电阻，电阻形状为单条形，为减小端头影响及误差，电阻用淡硼掺杂形成、方电阻250 Ω，端头用浓硼短路、方电阻为10 Ω，实用光刻版还应考虑到组桥时浓硼引出附加电阻的对准性对平衡值的影响等版图设计技巧[1]。

结构分析数学模型

半径为R的同平膜片的中心最大挠度为:

而中心岛半径r0与全膜半径R的比值为C的单岛膜中心最大挠度为:

当C值为0.5时(常用设计)，单岛膜结构中心最大位移仅为平膜的四分之一。

当E型膜片的大膜内切半径为R，硬心岛外切半径为r0时，其薄膜上表面的径向和切向应力为:

在r=r0处和r=R处，σr和σt取得最大值，其值大小相等，符号相反，即:

σt=σr=±3PR2/4h2(1-C2)，是平膜边缘应力的1-C2倍。

从式中看出，应力σr和σt均近似对称，当C=0.5时，这种对称性更好，σr的对称点，即σr=0点在r≈0.76R处，但σt=0的点却在r≈0.85R处，因此采用这种方案时电阻径向分布尺寸不宜超过1/10R。

压力腔体设计

压力腔制作工艺的设计是芯片形成和工艺控制的关键所在，腔底的弹性膜设计成方形可以通过腐蚀方法制备形成。腐蚀方法可分为各向同性和各向异性腐蚀。腐蚀方法生产率高、工艺不复杂，但硅片需用耐腐蚀液的掩膜保护。腐蚀过程在氧化、扩散等工艺之后，蒸铝和划开芯片之前进行。这样既防止圆片中存在很薄的膜区而在高温加热时变形，又避免腐蚀时铝线被浸蚀[2]。

设计理论模型

根据力学设计的弹性膜厚度为δ(一般为外延层的厚度)，方膜的宽度为b，硅片的厚度为s,则压力腔的深度χ=s-δ。于是

θ角为(111)面与表面(100)面之间夹角。晶面间夹角可由下式计算出来:

(111)与(100)面间的夹角θ为:

掩膜窗口宽度w=B-2R(111)t/sinθ。

假如不是采用自停止腐蚀工艺，硅杯底面(100)与侧壁(111)同时被腐蚀，则t=x/R(100)，代入B=W+2R(100)t/sinθ中得到:

对(100)晶片，若取R(111)/R(100)=0.01(取决腐蚀液成分和温度)，θ=54.736，则:

假若忽略(111)面的侧向腐蚀，则:上面两式可以用来计算掩膜的窗口宽度。

设计实例

设计的膜宽为3.6 mm。(100)硅片厚度为400 μm，膜厚为30 μm，腔深为370 μm。利用式:

计算得到的掩膜窗口宽度为:

算得的结果w=3.6+0.370×1.414=4.12(mm)，两者仅相差10 μm，误差仅约0.2%。

芯片结构与功能

由于硅材料的特殊性，可保证传感器桥路输出是高线性度，而且输出信号与激励电压成正比。标准输出信号随压力范围的不同被测试标定为2.0/3.0/3.3 mV/V，较为适宜。

芯片结构

在8英寸硅片制作中，一个硅片上有7 000多个敏感单元，芯片上的力敏薄膜结构为一个固边固支的方形平膜片，敏感膜尺寸为620 μm×620 μm，厚约40 μm。敏感单元是由下层硅片的各向异性腐蚀及硅-硅真空键合形成，即上硅片的减薄形成敏感薄膜和绝对压力真空参考腔，上下两硅片通过硅-硅键合工艺封接而形成。尺寸不大于1.2 mm×1.2 mm大小，体积小，使用方便灵活。具有700 kPa的绝压量程和16倍的过载能力。成品率高，可实现低成本控制。图3为一个敏感元件单元的结构示意图。

性能、参数指标

敏感元件芯片单元工作温度范围为-40～+125℃，供电电压为2.1～3.5 V，在3.0 V电压供电下功率消耗为120 mW。其他主要参数指标如表1所示。

表1 芯片主要参数指标

温度飘移曲线图表

图4为环境试验箱内，满量程加载时，在不同温度情况下电压输出误差值。

工艺技术特征

产品设计兼顾了传感器参数指标的通用性，避免温度系数偏高、过载能力低、灵敏度参数分散等问题；芯片的衬底浓度远大于103，使电桥电阻值高，功耗低，供电电池使用寿命长，即产品使用寿命长。

工艺特征

基于MEMS硅微机械加工工艺技术，敏感元件薄膜为一个固边固支的方形平膜片结构，由各向异性腐蚀及硅-硅真空键合形成。主要解决的工艺技术难题为:

(1)高质量的硅-硅真空键合工艺；

(2)均匀和高合格率的减薄工艺；

(3)精准、均匀掺杂和一致性及细长电阻条一致性控制，以确保芯片温度漂移；

(4)内应力匹配消除技术解决时间漂移；

(5)相应的抗电磁干扰设计；

(6)封装设计与工艺中的抗高振动及离心加速度措施。

结构特征

芯片尺寸直接影响工作温度、过载能力和稳定性指标。同时还增加了8英寸大片生产的减薄、真空键合、各向异性腐蚀工艺的难度，从而影响成品率。

综合特征

主要特征为精度高、功耗低、输出灵敏度高，更便于与系统参数对接。

(1)外型结构尺寸小、易封装；

(2)零位和满度信号补偿修定，芯片一致性好、可换性强；

(3)抗冲击和振动，卓越的抗过载能力；

(4)高精度、高稳定性、耐高温；

(5)价格低廉、竞争力强。

关键工艺设计与要点

工艺版图设计

采用相同的工艺版图，通过MEMS工艺控制单岛膜结构和E型硅杯厚度尺寸，就可区分不同量程，实现芯片量程拓展。岛芯作为过载保护，可承受16倍的抗过载能力。图5表示单个敏感元件电阻排列工艺设计版图；图6表示运用MEMS工艺制作出大片整片芯片背面杯型结构排列图；图7表示出E型杯结构工艺版图制作的传感器芯片实物。

主要解决的工艺技术问题

两种结构在制作工艺上是完全一致的，同时需要解决的工艺技术问题[3]:

(1)硅-硅真空键合工艺品质；

(2)均匀和高合格率的减薄工艺；

(3)掺杂的均匀一致性和电阻条精确控制；

(4)8英寸大片内应力匹配与消除；

(5)抗电磁干扰方法与控制设计；

(6)封装工艺中抗高振动和离心加速度措施。

功能拓展与延伸设计

功能与应用

设计中的压力敏感芯片完全满足无线网络对敏感元件的参数指标要求，能够与一体封装的专用集成电路置于系统实现实时监测与无线传输，并可以实现多项功能。如只有在需要时才唤醒进入工作状态，测量完毕即转入掉电休眠态的低功耗工作模式，可附加看门狗间隔定时器，用于电源管理，从停机状态恢复系统应用程序的运行[4]。

结合不同领域的不同需求，兼顾传感器后封装生产工艺设备的通用性，在芯片结构设计上，考虑到满足不同产品的对芯片的结构、参数要求，按照芯片尺寸与工艺版图的最低要求和分类原则[5]，结构设计分为三种芯片类型，大大减少了芯片品种，扩大了芯片的应用领域。图8示出采用不同种类的传感器芯片封作的传感器实物。

运用MEMS工艺技术生产半导体压力传感器，具有体积微小、重量轻、性能稳定的优点，有利于大批量生产，降低生产成本，提高产品附加值[1]。同时，以其抗过载能力强、功耗低、便于集成化设计和增加功能等特征，比如在同一个芯片上设计增加热敏元件，即可实现温度系数补偿，也可实现温度测量功能，构成一个复合功能传感器，还可复合相关集成芯片组成智能化的传感器，可构成功能强大的传感器网络节点设备。再通过附加软件设置可对器件进行性能和功能测试，便于用户进行二次开发。这将对于当前物联网中的传感网发展与建设产生积极的影响；也有利于进一步在工业自动化和大型工程建设等力敏类传感器推广应用，大大拓宽了产品应用范围，提高芯片推广价值和产品的经济效益。

MEMS技术在传感器产业化生产中的运用仅仅是开始，许多生产工艺存在着一定的难度，8英寸大片的各项工艺存在的诸多问题有待于进一步研究与开发。

[1]田中群，孙建军.微系统与电化学[J].电化学，2000，6(1):1-9.

[2]徐惠宇，朱荻.国外高深宽比微细结构制造技术的发展[J].传感器技术，2004，23(12):4-6.

[3]于海滨.分布式无线传感器网络通信协议研究[J].通信学报，2004，25(10):102-110.

[4]孙利民.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社，2005.

[5]Microfabrica Inc.RF Applications of EFAB Technology.White Paper of Microfabrica Inc.，2004:1-6.