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。

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,研制出了硅擴散電阻溫度傳感器。溫度與壓力集成的傳感器在整個溫度工作范圍內(nèi)可以更準確的補償壓力信號的溫度效應(yīng)。對于相對濕度的測量通常是基于有機吸附劑,如電解質(zhì)型、半導(dǎo)體陶瓷型、有機高分子聚合物等。

本文描述了一種壓阻式纟色對壓力、溫度、相對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加工壓力傳感器和面硅微細加工的擴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現(xiàn)形成絕壓測量的真空密封腔。
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,溫度和壓力檢測采用離子注入形成擴散電阻,濕度則利用高分子材料吸濕改變被測電容的介電常數(shù)。考慮各自的相互影響,壓力膜上的電阻沿[110布置測溫電阻沿[100布置,且遠離壓力膜片應(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于壓力檢測的影響。詳細的結(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,硼摻雜來形成擴散電阻。當方膜邊長與圓膜相當長度,且膜的厚度相同時,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,所以當溫度升高,壓力不發(fā)生變化時,電橋中的電阻值也會發(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,摻雜硅的遷移率與壓阻系數(shù)都會發(fā)生改變,需要對由溫度變化輸出的偏移電壓進行分析與補償。周圍環(huán)境濕度對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,測溫電阻也一樣。
1.2溫度傳感器
本文溫度測量范圍內(nèi),可以認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。由于測溫與測壓的材料相同,所以必須避免壓力對溫度測量的影響。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。當電流通過電阻時會產(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,從而檢測出相對濕度11。高分子濕度傳感器采用微電子工藝制作,體積小,價格低,靈敏度高響應(yīng)快。電極則采用49對叉指結(jié)構(gòu)來增強靈敏度,濕敏材料選用的是聚酰亞胺。
2.傳感器制作與試驗
在n型(100)硅上熱生長一層SiO2,然后正面刻蝕電阻孔,離子注入硼,達到方塊電阻值為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。壓力測試是在準確度等級為0.02的活塞式壓力計(YS2.5)試驗臺上以表壓方式封裝測試的,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)電橋電壓輸出信號用 ESCORT EDM3150數(shù)字萬用表顯示,重復(fù)試驗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。對于濕度檢測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部位的準確溫度,通過這可以實現(xiàn)比較準確的溫度補償。