第58卷第1期2021年1月
微鈉电子技术
Micronanoelectronic Technology
Vol. 58 No. 1
January 2021
| M E M S与传感器|
DOI：10. 13250/j. cnki. wn d z. 2021.01.007一种复合式m e m s皮拉尼真空计的设计
周琼K2，傅剑宇U2’3，刘超“2，侯影1’2’3，陈大鹏U2’3
(1.中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心，北京100029;
2.中国科学院大学，北京100049;
3.无锡物联网创新中心有限公司，江苏无锡214135)
摘要：微电子机械系统（M E M S)皮拉尼真空计可广泛用于芯片封装和设备测试等领域。量程是M E M S皮拉尼真空计的重要性能指标之一。设计了一种复合式M E M S皮拉尼真空计，通过将具有不同测量范围的两款器件串联复合在同一芯片上，实现量程的扩展。以二极管型皮拉尼真空计为例设计了器件结构，优化了尺寸参数，并给出了兼容C M O S工艺的制造方案。最后通过 C O M S O L仿真，获得器件气压测量范围可达2.5x i〇_3〜i.i5x i〇6p a，同时平均灵敏度达到 132 m V/d e c。相比于现有的单一型和组合式器件，设计的复合式M E M S皮拉尼真空计可以在小尺寸情况下具有更大的量程兼更高的灵敏度。
关键词：微电子机械系统（M E M S)；皮拉尼真空计；串联复合；二极管型；C O M S O L仿真
中图分类号：T P212;T B77文献标识码：A文章编号：167卜4776(2021) ()1-〇047_07 Design of Composite-Type MEMS Pirani Vacuum Gauge
Z h o u Q i o n g1,2，F u Jianyu1,2,3，Liu C h a o丨，2，H o u Y i n g1，2,3，C h e n D a p e n g1，2,3
(1. Integrated Circuit Advanced Process R&-D Center^ Institute o f Microelectronics »Chinese
Academ y o f Sciences ^B eijing100029, C hina；2. U niversity o f Chinese Academ y o f Sciences，
B eijin g100049,
C hina；3. W uxi IO T Innovation Center Co.»Ltd., W uxi214135, China)
Abstract：Micro-electromechanical s y s t e m(M E M S)Pirani v a c u u m g a uges can be widely used in chip packaging, e q u i p m e n t testing a n d other fields. M e a s u r e m e n t range is o n e of the important performance indicators of M E M S Pirani v a c u u m gauges. A composite-type M E M S Pirani v a c u u m ga u g e w a s designed, a nd its m e a s u r e m e n t range w a s e x p a n d e d b y c o m b i n i n g t w o devices with different m e a s u r i n g ranges in series o n the s a m e chip. W i t h a diode-type Pirani v a c u u m g a u g e as an example, the device structure w a s designed, the size parameters w a s optimized, a n d a m a n u f a cturing s c h e m e compatible with C M O S process w a s given. Finally，t h r o u g h C O M S O L simulation，the designed device has a pressure m e a s u r e m e n t range of 2. 5 X 1(厂3〜1. 15 X 1(乂’ P a a n d a average sensitivity of 132 m V/d e c.C o m p a r e d with the existing single a n d combined-type devices, the d esigned composite-type M E M S Pirani v a c u u m g a u g e has larger range a n d higher sensitivity in a small size.
Key words：micro-electromechanical s y s t e m(M E M S);Pirani v a c u u m g a u g e；c o m p o u n d in
收稿日期：2020-08-11
基金项目：国家自然科学基金资助项目（61874137)；北京市科委重点研发计划资助项目（Z191100()1()618()()5)；中国科学院科研仪器设备研制项目（ZDKYYQ202()0()07)
通倍作者：傅剑宇，E-mail: ***************
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微纳电子技术
皮革化学品
series；diode-type；C O M S O L simulation
EEACC：7230M；2575
〇引言
皮拉尼真空计是一种基于皮拉尼效应的热导型 真空传感器，可广泛应用于电子、航空航天、化工 等领域^3]。随着微电子机械系统（MEMS)技术 的进步，皮拉尼真空计正向着微型化、高性能、高集成方向不断发展，因此诞生了 MEMS皮拉尼真 空计。MEMS皮拉尼真空计的性能指标包括量程、灵敏
度和精度等，其中量程决定了 MEMS皮拉尼 真空计的测量范围，是关键参数之一，受到了研究 人员的广泛关注。
为扩展测量下限，实现更低气压测量，J.Shie 等人[4]通过惠斯通电桥和恒温测量使读出电压分辨 率达到1fxV，实现了 1.33 X l(r5〜133 Pa的气压 测量；F.Volklein等人[5]通过增大悬臂梁长、减小 梁宽以及增加敏感区面积，在减小固体热导的同时 增加了气体热导，实现了气压1.33 X 10-4〜133 Pa的测量。为扩展测量上限，实现更高气压测 量，M.G rau等人[6]通过较小的敏感区面积以及恒 温测量，使低真空测量时敏感区温度更高，从而使 器件量程达到〇. 133〜1X1〇5Pa。Y.Sun等人[7]通过制作0.53 的微小气隙，增大了低真空测量 时气体热导对气压的灵敏度，实现了气压39. 3〜1.33 XU)4P a的测量。上述方法分别有效地扩展了 下限或上限，但由于扩展测量上下限对调节器件结 构尺寸的需求不同，使器件量程很难同时覆盖高真 空和低真空。为此，组合式皮拉尼真空计应运而 生。德国海曼公司[8]将两个量程分别为i(r3〜102Pa和1()2〜105P a的真空计封装在同一管壳中，在使用中通过对两个真空计进行切换，从而获得 l(r3〜105P a的测量范围。同样的方法，L a i等 人[9]采用三层键合工艺研制了测量范围为6 X 10-2〜3X l〇3Pa和1〜3X l〇4Pa的两款器件，器件组合使用，量程扩展为6X l(r2〜3X l〇4Pa。这 种组合方式有效地扩展了器件量程，但该方法需要 配置复杂的外部电路来进行不同真空度下器件的选 择切换。 本文设计了一种复合式M E M S皮拉尼真空计。该器件将高低真空两个器件物理串联复合，在避免 使
用复杂的选择控制电路情况下，有效地扩展了器 件量程，同时提高了器件灵敏度。本文首先分析了 M E M S皮拉尼真空计的工作原理，由此得到了扩 展上下限的结构设计要素；据此要素设计了复合式 M E M S皮拉尼真空计的结构，并结合器件制造方 案给出了优化的结构设计参数；通过仿真将所设计 的复合式M E M S皮拉尼真空计与现有皮拉尼真空 计性能进行了对比，验证了结构的先进性。
1原理与分析
图1给出了 M E M S皮拉尼真空计剖面结构示 意图。M E M S皮拉尼真空计基本组成单元包括：敏感区、悬臂梁和热沉。敏感区通过悬臂梁支撑悬 空，并与热沉之间保持一定气隙。敏感区中嵌有加 热元件和热敏元件，有时因加热元件亦具有温度系 数，故可同时兼作热敏元件加热元件和热敏元件通过悬臂梁上的导线与外部进行电学连接。 图1MEMS皮拉尼真空计剖面结构示意图
Fig. 1Schematic diagram of cross-sectional structure of
MEMS Pirani vacuum gauge
当给加热元件恒定偏置（恒定偏压或恒定电 流）时，将产生一加热功率Q f，使敏感区温度增 加，增加的温度将与周围环境进行热交换，根据能 量守恒定律[u]，在敏感区热稳定时有
T-T…= ^(1)
式中：T为敏感区温度；7；为环境温度；G为真 空计总热导，由固体热导、辐射热导G…d以及 气体热导Gsa s构成，即
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周琼等：一种复合式M E M S皮拉尼真空计的设计
G= Gs〇i i d+ Gr a d+ Gg a s(2)根据传热学理论，三种热导可以分别表示为
电压分辨率N与热敏元件温敏系数a之比可 表示热敏元件能检测到的最小温度变化AT，即
^s o lid*'wt
=XT(3) Gr a d= <7£A(T+T0)(T2 + T^)(4)为我唱首歌吧 阅读答案
G g a s—
:4
(5)
式中：A为固体热导率；L、切和？分别为悬臂梁 长、宽、厚；a为斯蒂芬-玻尔兹曼常数；e为热 辐射率；A为敏感区面积；d为敏感区与热沉间的 气隙间距；々为气体热导率，可以表示为[13]
Pd g
式中：t为空气在室温大气压下的热导率；f为气 压；Ts为气体温度，可用敏感区与热沉的平均温 度表7K。
假设器件热敏元件的温敏系数为a，室温下敏 感元件的输出电压为U…，则热敏元件在稳态下的 输出电压（17)可表示为
U= U0+a(T-T…)(7)由式（1)〜式（7)可知，输出电压信号随气 压变化呈“S”型曲线，如图2 U)所示。其中 !^^…和L/m a x分别为最小输出电压和最大输出电压。这里引人U，和t/2[5]，即
哈卡斯人
U^U-Um m(8)
U2 = Um a x- U(9)由式（8)和式（9)，结合电压分辨率N可以判定 真空计气压测量下限和上限九[14]，如图2 (b)所示。
(a) @空计(/-P曲线
示意图（a<0)(b)测量上下限判定
方法示意图
图2 MEMS皮拉尼真空计的输出曲线与测量范围Fig. 2 Output curve and measurement range of MEMS Pirani vacuum gauge
在高真空区，通常气体热导G g a s和辐射热导 Gre d均远小于固体热导G~l i d。当气压由九减小到远小于九时，敏感区会产生微小温度变化AT，它与气体热导以及固体热导之间有以下关系，即AT^G s i(T_T〇) (T_T〇) (11)
〇"s o l i d
当在高真空区时，Tgcc7'-Tl,〇c l/G S()1,l l，结合 式（5)、式（6)、式（10)和式（11)，可以得到 九为
/,l C C£^4"a T(12)
由式（12)可知，从结构上，扩展气压测量下限可 从两个方面进行：对于悬臂梁，增加长度L、减小 宽度w和厚度G对于敏感区，增大其面积A。
focusaudio
在低真空区，总热导由气体热导决定，即G〜 Gg as。当气压由九升高到远大于九时，敏感区会 产生微小温度变化AT。由于温度变化较小，当加 热元件恒定偏置时，加热元件的加热功率变化忽略 不计，所以有
= (^ii- 1)(T_ T〇) (13)
A々h々(）々h
式中t为九时的气体热导率。
当在低真空区时，Tgcc：r-T,,〇c l/Gsas〇c l/A，结合式（6)、式（10)和式（13)可以得到九为
根据式（14)，从结构上，减小气隙间距d或敏感 区面积A，可提高器件的九。
以一敏感区面积、悬臂梁长、气隙间距分别为 A…、L,，和A的器件（气压测量范围九〜九）为参考结构，图3给出了气压测量上下限与敏感区面 积的关系曲线。由图可以看出：当敏感区面积增大 时，气压测量下限降低，气压测量上限也降低，即扩展气压测量上下限对调节器件敏感区面积的需求 相反；扩展气压测量下限需要增大敏感区面积，扩 展上限需要减小敏感区面积。
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cusa
徵鈉电子技术
士
图3敏感区面积对气压测量上下限的影响 Fig. 3 Influences of area of sensitive area on upper and lower limits of pressure measurement range
2结构设计与工艺方案
图4是根据前述分析给出的复合式MEMS皮拉尼真空计结构示意图。该皮拉尼真空计采用串联 方式将两个皮拉尼真空计G1和G2复合制作在同 一芯片上。G1和G2结构类似，均为悬空结构，包含嵌有热敏元件和加热元件的敏感区、嵌有导线 的悬臂梁以及热沉。为使G1和G2串联后获得气 压测量上下限的同时扩展，G1和G2的结构尺寸 有较大差别。其中，通过增大G1的敏感区面积和 悬臂梁长度，使G1具有低气压测量下限；通过减 小G2的敏感区面积和气隙间距，使G2具有高气 压测量上限。改性环氧树脂
(a)俯视图
加热元件/
导线热敏元件
(b)剖面图
图4复合式MEMS皮拉尼真空计结构示意图
Fig. 4 Structure schematic diagrams of composite-type
MEMS Pirani vacuum gauge
为具体分析结构性能，此敏感区和悬臂梁均采 用氧化硅，加热元件兼热敏元件采用5个串联的二 极管，悬臂梁导线采用多晶硅。图5给出了兼容 CMOS工艺的器件制造方案：（a)在绝缘体上硅 (SOI)衬底上，通过刻蚀顶硅层形成硅岛，再在 硅岛上分别注人硼和磷形成二极管；（b)采用低 压化学气相沉积（LPCVD)技术淀积多晶硅，并 对多晶硅进行注人与刻蚀，形成梁中的多晶硅导 线；（c)在二极管和多晶硅导线上淀积氧化硅，并 对氧化硅进行开孔，溅射金属A1形成二极管串联 连线与悬臂梁上的掩膜；（d)淀积氧化硅覆盖导 线，再溅射金属A1作为敏感区的掩膜层与焊盘，之后再淀积一层氧化硅作为钝化层，刻蚀钝化层，露出焊盘；（e)以光刻胶和金属层为掩膜刻蚀氧化 硅，形成敏感区与悬臂梁结构；（f)刻蚀悬臂梁和 敏感区上的金属，去除光刻胶，通过四甲基氢氧化 铵（TM AH)湿法腐蚀，悬空敏感区和悬臂梁，得到器件。
图5器件工艺方案示意图
Fig. 5 Schematic diagrams of device process scheme
器件工作在恒流模式下，利用二极管恒流下的 电压温度特性，将敏感区随气压的温度变化转换为 电压信号输出[15]。图6为硅二极管在不同温度下 的电流-正向压降（〖-V)测试曲线及其在不同电 流下的正向压降-温度（V-t)测试曲线。由图6 可知：在一定温度范围内，当二极管通人恒定电 流，正向压降随温度呈线性变化；且通入恒定电流 越大，二极管的温敏系数a(电压温度系数(TCV))的绝对值越小。温敏系数值的减小会使 测量范围变窄，而增大电流又有利于扩展测量范 围[|(>]，综合考虑，这里通人1()^A电流。
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周琼等：一种复合式M E M S皮拉尼真空计的设计
(a)不同温度下二极管的/-V曲线
/=2j j l A
(b)不同电流下二极管的K-f曲线
图6单个硅二极管的/-V曲线与V-f曲线
Fig. 6I-V and V-t curves of a single silicon diode
以一敏感区面积、悬臂梁长、气隙间距分别 为A,,、L,，和A的器件（气压测量范围/>,〜九）为参考结构，图7 (a)和（b)分别给出了气压测
U)悬臂梁长对气压测量上下限的影响
d〇
(b)气隙间距对气压测量上下限的影响
图7结构参数对气压测量上下限的影响
Fig. 7 Influences of structural parameters on the upper and lower limits of pressure measurement range 量上下限与悬臂梁长和气隙间距的关系曲线。由图 7 U)可以看到，当悬臂梁变长时，器件气压
测量 下限出现较大降低，相比之下，气压测量上限只有 微弱增大。图7 (b)中，当气隙间距减小时，器件气压测量上限增大，而气压测量下限几乎不变。
根据以上分析，表1给出了 G1和G2的设计 结构尺寸。其中，由于G1和G2制作在同一芯片 上，采用湿法腐蚀形成空腔气隙，且G2腐蚀面积 远小于G1，故G2可以形成小的“V”型空腔。该 空腔气隙间距采用等效间距n7]。
表1复合式器件设计参数
Table 1Design param eters of composite-type devices 敏感区悬臂梁二极管腐蚀空腔气
器件面积/长宽厚/(热敏元件）区域面积/隙间距/ (pm x pm)(/im X x ^m)数量/个(/jtm x ^im)pm
G1150X 150407X 16X 1. 55242 x 24270
G216X 84133X5X 1.5526 x 23011.7
3仿真
利用COMSOL软件，建立了器件3D模型，如图8所示。并对模型进行了以下简化：采用电阻 等效二极
管，即将二极管的温度特性加载到电阻材 料的电导率中；将气体传热与辐射传热用热通量表 示；忽略敏感区和悬臂梁边缘厚度面的横向辐射传 热和气体传热。
(b) G2仿真模型
图8COMSOL软件中G1和G2仿真模型 Fig. 8Simulation models of G1 and G2 in COMSOL software
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