MEMS 顱壓監(jiān)測傳感器的設(shè)計(jì)與分析

許高斌,董娜娜,高 雅,李明珠,馮建國

(合肥工業(yè)大學(xué) 微電子學(xué)院 安徽省微電子機(jī)械系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,安徽 合肥 230000)

顱內(nèi)壓[1]就是顱腔內(nèi)容物對(duì)顱腔壁產(chǎn)生的壓力,顱內(nèi)壓能夠準(zhǔn)確地反映患者顱內(nèi)病變情況,科學(xué)合理地顱內(nèi)壓監(jiān)測能夠?yàn)轭A(yù)防和治療顱腦疾病提供有效參考。腦室內(nèi)壓力監(jiān)測是目前ICP 監(jiān)測應(yīng)用最廣泛的方法,集精確、經(jīng)濟(jì)、可靠為一體。而腦室內(nèi)壓力監(jiān)測的關(guān)鍵在于外部壓力傳感器的性能。

根據(jù)工作原理,壓力傳感器[2]分為壓阻式、電容式、諧振式。相比較其他幾種傳感器,壓阻式具有體積小、測量精度高、加工工藝成熟、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),適用于醫(yī)療監(jiān)測。

目前研究提高壓阻式微壓傳感器靈敏度的主要措施有優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)、采用新原理、使用新材料、改進(jìn)加工工藝等[3-5]。

對(duì)于優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu),2013 年西安交通大學(xué)[6]提出四島-梁膜結(jié)構(gòu)高靈敏度壓力傳感器,量程為0～500 Pa,適用于航空航天;2015 年南京工業(yè)大學(xué)[7]提出三層十字梁膜結(jié)構(gòu),量程為0.5～40 kPa,適用于環(huán)境監(jiān)測;2016 年西安交通大學(xué)[8]提出半島-島復(fù)合結(jié)構(gòu),量程為0～500 Pa,適用于汽車制造領(lǐng)域;2017 年北京大學(xué)[9]提出箭形膜結(jié)構(gòu),量程為0～3 kPa,適用于醫(yī)療中測量眼壓和顱內(nèi)壓;2018 年馬德里理工大學(xué)[10]提出四梁-膜以及中心加質(zhì)量塊結(jié)構(gòu),量程為0～5 kPa,適用于汽車工業(yè)和航空航天。

國內(nèi)市面上的MEMS 產(chǎn)品中,微壓傳感器的測量范圍大部分還不是很理想,因此對(duì)于低測量范圍的微壓傳感器有很大的需求,提高傳感器性能對(duì)微壓傳感器在各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用有著積極的作用。

顱內(nèi)壓傳感器在國內(nèi)外腦外科手術(shù)中廣泛使用,但目前該類芯片完全依賴進(jìn)口,且定價(jià)偏高,是目前國內(nèi)壓力傳感器的熱門研究方向。

由于本次傳感器設(shè)計(jì)用于醫(yī)療監(jiān)測,提升微弱生物信號(hào)監(jiān)測性能和高度集成是重點(diǎn),同時(shí)穩(wěn)定性和可靠性也要保證。通過刻蝕部分膜結(jié)構(gòu)引入四短梁扇形結(jié)構(gòu),基于平面應(yīng)力集中效應(yīng),提高了靈敏度,用有限元分析方法優(yōu)化參數(shù)提高了集成度,改進(jìn)電阻放置位置提高了穩(wěn)定性。

1 工作原理與基礎(chǔ)理論

1.1 工作原理

壓阻式壓力傳感器是基于硅的壓阻效應(yīng)[11],當(dāng)某一方向受到應(yīng)力時(shí),電阻率發(fā)生明顯變化,敏感膜作為感壓元件,分布在其中的壓敏電阻受到擠壓或拉伸,惠斯通電橋失衡,通過測量輸出電壓,間接獲得應(yīng)力大小,將不易測量的壓力轉(zhuǎn)換為易獲取的電壓信號(hào)。其工作原理如圖1 所示。

圖1 壓阻式壓力傳感器工作原理Fig.1 Working principle of piezoresistive pressure sensor

1.2 基本理論

惠斯通電橋電路[12]通常由四個(gè)等值電阻構(gòu)成,R=R1=R2=R3=R4,四個(gè)電阻為硅壓敏電阻,無壓力時(shí)輸出電壓為零。施加壓力引起敏感膜發(fā)生彈性形變時(shí),敏感膜正反面形變程度不同,R1、R3發(fā)生橫向拉伸,R2、R4發(fā)生縱向拉伸,假設(shè)四個(gè)電阻阻值變化量為ΔR,那么:

惠斯通電橋電路圖如圖2。

圖2 惠斯通電橋電路圖Fig.2 Wheatstone bridge circuit diagram

對(duì)于SOI 器件,壓敏電阻的電阻阻值變化又可表示為:

式中:πl(wèi)為橫向壓阻系數(shù);σl為橫向應(yīng)力;πt為縱向壓阻系數(shù);σt為縱向應(yīng)力。

壓敏電阻是P 型硅時(shí):

式中:πl(wèi)=π44/4;πt=-π44/4;π44為壓阻系數(shù),值為138.1×10-11Pa-1。

由公式(3)可知,當(dāng)壓敏電阻材料選定時(shí),輸出電壓與縱橫應(yīng)力差正相關(guān),通過集中應(yīng)力分布可提高傳感器靈敏度。

2 器件設(shè)計(jì)

2.1 敏感膜的設(shè)計(jì)

參考顱內(nèi)壓監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定量程為0～40 kPa,芯片尺寸為1100 μm×900 μm。由文獻(xiàn)可知,方形膜的應(yīng)力集中效果最好,對(duì)微壓的響應(yīng)更快速,因此選擇方形膜,邊長定為460 μm。對(duì)于敏感膜來說,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為平膜,改進(jìn)結(jié)構(gòu)有E 型膜、十字梁型膜、十字架梁型膜等。針對(duì)顱壓測量的環(huán)境以及提升微弱生物信號(hào)監(jiān)測性能和高度集成的要求,提出四短梁扇形膜結(jié)構(gòu),通過改變傳感器結(jié)構(gòu)和確定壓敏電阻位置,使傳感器靈敏度和線性度有明顯提高。

敏感膜厚度的確定需滿足線性原則和可靠性原則[13]。

線性原則是確保輸出電壓隨施加壓力的變化成線性關(guān)系,膜的最大撓度ωmax小于膜厚的1/5,即:

式中:p為傳感器的最大量程;a為敏感膜的邊長;E為硅的彈性模量;h為敏感膜的厚度。

可靠性原則是確保傳感器工作時(shí)的抗過載能力,膜上的最大應(yīng)力σmax低于硅破壞應(yīng)力的1/5,即:

式中:σm為硅的破壞應(yīng)力。綜上計(jì)算h＞5.2 μm。

為了確定合理的膜片厚度,綜合傳感器靈敏度、可靠性和加工工藝的復(fù)雜程度,選擇膜厚為6 μm。

2.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

垂直施加均勻應(yīng)力[14]時(shí),硅膜表面曲率的分布是不變的,總形變存儲(chǔ)的能量U的表達(dá)式如下:

式中:E為楊氏模量;h為膜厚;ν為泊松比;A為硅膜面積;ω為撓度。從公式(6)可知,相比較傳統(tǒng)平膜,加入梁、島等結(jié)構(gòu)能使應(yīng)力更加集中于某塊區(qū)域,這部分區(qū)域的應(yīng)變儲(chǔ)能明顯提高。

在理論分析后,在梁-膜結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了扇形結(jié)構(gòu),增大膜面積的同時(shí)應(yīng)力更加集中。通過有限元分析優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù),確定短梁長寬均為70 μm,扇形半徑與梁的角度為105°,半徑R為82 μm。從50 μm 開始,間隔10 μm 依次增加短梁長,在70 μm 時(shí)有最大應(yīng)力,最大彈性形變量隨短梁長度變化不明顯,由此確定短梁長為70 μm,仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 短梁長與最大應(yīng)力、彈性形變的關(guān)系Fig.3 Relationship between short beam length and maximum stress,elastic deformation

傳感器整體結(jié)構(gòu)俯視圖如圖4 所示,在6 μm 厚度平膜上刻蝕2 μm 的敏感結(jié)構(gòu)。

圖4 整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Overall structure diagram

2.3 仿真分析

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性,用ANSYS 進(jìn)行應(yīng)力、縱橫應(yīng)力差、彈性形變仿真。壓力垂直均勻施加在膜表面時(shí),四周應(yīng)力近似為零,敏感膜可等效成一個(gè)四周固定的薄板。在膜的四邊施加固定約束,表面施加40 kPa 的壓力,為了簡化仿真過程,將SOI 材料簡化為硅。

由應(yīng)力仿真可知,如圖5 所示,應(yīng)力集中于四個(gè)短梁根部,和理論分析結(jié)果一致,應(yīng)力最大值為147.12 MPa,由圖6 彈性形變仿真可知,形變量最大處位于膜中心位置,為1.6588 μm,形變量遠(yuǎn)高于平膜。

圖5 敏感膜受壓應(yīng)力分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of stress distribution of sensitive membrane under compression

圖6 敏感膜受壓彈性形變示意圖Fig.6 Schematic diagram of elastic deformation of sensitive film under compression

在確定應(yīng)力集中的區(qū)域后,考慮壓敏電阻的分布位置。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取長50 μm、寬20 μm 的壓敏電阻,在膜上應(yīng)力集中的區(qū)域畫兩條路徑,橫向路徑和縱向路徑,取兩條路徑下應(yīng)力差分布的線性區(qū)間,壓敏電阻放置于此。

在電阻分布區(qū)域取多條路徑,取不同路徑下應(yīng)力差的平均值,在膜表面施加5～45 kPa 的載荷,45 kPa為量程最大值的1.125 倍。由公式(3)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的輸出電壓,結(jié)果如圖7 所示。

圖7 施加壓力與輸出電壓的關(guān)系Fig.7 The relationship between applied pressure and output voltage

3 制備工藝

基于標(biāo)準(zhǔn)MEMS 制備工藝[15],給出本次設(shè)計(jì)的工藝流程,如圖8 所示。首先將SOI 硅片用清洗工藝處理,利用光刻、刻蝕工藝形成劃片槽與對(duì)準(zhǔn)印記,然后淀積SiO2作為掩蔽層,如圖8(a)所示。利用光刻對(duì)SiO2圖案化,后利用反應(yīng)離子刻蝕進(jìn)行干法刻蝕,形成離子擴(kuò)散窗口,離子注入形成P 型壓敏電阻,如圖8(b)所示。去除SiO2掩蔽層,重新沉積SiO2,通過光刻刻蝕開電極孔區(qū)與四短梁扇形結(jié)構(gòu),擴(kuò)散工藝重?fù)诫s硼離子形成歐姆接觸區(qū),見圖8(c)。如圖8(d)所示,再次去除SiO2后,利用感應(yīng)耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝淀積SiO2作為金屬布線與襯底之間的隔離層,然后刻蝕打開金屬電極孔。利用光刻工藝將金屬引線圖案化,后利用磁控濺射工藝濺射Ti、Au、Pt 形成歐姆接觸,見圖8(e)。正面工藝完成后,利用垂直深刻蝕反應(yīng)離子刻蝕形成背腔結(jié)構(gòu),如圖8(f)。最后,利用陽極鍵合工藝形成襯底玻璃陽極鍵合,如圖8(g)所示。通過上述工藝流程完成壓力傳感器的制備。

圖8 敏感芯片的制備工藝流程Fig.8 Preparation process flowcharts of the sensitive chip

4 結(jié)論

基于SOI 工藝,提出了一種用于顱壓監(jiān)測的MEMS 壓阻式壓力傳感器,通過硅-玻璃陽極鍵合工藝完成傳感器封裝。在進(jìn)行力學(xué)、電學(xué)分析計(jì)算和有限元仿真后,理論分析了敏感膜結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)靈敏度和線性的影響,優(yōu)化了參數(shù)并提出了新的敏感膜結(jié)構(gòu),經(jīng)仿真驗(yàn)證后,靈敏度達(dá)到3.164 mV/kPa,符合顱內(nèi)壓力的測試環(huán)境和精度要求。相較于表1 所列文獻(xiàn)的壓力傳感器,靈敏度有明顯提高。本次壓力傳感器的設(shè)計(jì)為醫(yī)療傳感器提供新思路,設(shè)計(jì)的成品通過替代進(jìn)口可以有效降低國家醫(yī)療成本。

表1 本文設(shè)計(jì)的傳感器與已發(fā)表文獻(xiàn)對(duì)比Tab.1 Comparison between the sensor designed in this paper and the published literatures