背景介绍

  压力传感器作为触觉传感的核心部件，要求对外界机械力进行精确、稳定的探测和反馈，是人机交互系统发展的关键，在工业机器人、电子皮肤等领域具有广泛的应用。调研可知，压力测量的方法主要有：1. 电阻应变式压力传感器；2. 压电式压力传感器；3. 电容式压力传感器；4. 光纤式压力传感器；5. MEMS硅基压阻式压力传感器等，考虑到硅压阻传感器体积小、稳定性强、优异的环境适应能力以及较低的加工生产成本（批量化），在汽车电子、卫生医疗以及航空航天等领域具有广泛的应用，因此本推文对相关的内容进行归纳汇总。

硅基压力传感器的应用场景

  硅基压力传感器表示利用单晶硅材料的压阻效应，借鉴集成电路相关的加工工艺所制备的传感器，其特征参数一般在um量级，具有体积小，功耗低，可靠性高等优点，在汽车电子、工业控制、卫生医疗、农业以及航空航天等各个领域具有广泛地应用，具体如下所示：

  图a表述为硅基压力传感器在汽车行业的应用实例，主要包括安全气囊状态监测，轮胎压力在线监测系统等；图b表述硅基压力传感器在消费电子行业的应用实例（手机、手环等可穿戴设备）；图c展示了传感器在医疗行业的应用前景，作为血压机、呼吸机以及肾透析等设备的核心元件；图d表述压力传感器在无人飞行器中的应用实例；

硅基压力传感器三维结构

  图a是Amphenol公司研发生产的NPC-100压力传感器，在医疗行业中具有广泛的应用，作为在线血压监测系统的核心元件；图b表述为压力传感器拆解后的实物照片，主要包含压力敏感元件、封装外壳以及保护凝胶等三部分组成；图c表述为某款压力敏感元件微观结构示意图；图d表述硅基压力传感器的截面图；

硅基压力传感器基本原理

  研究资料表明，经过掺杂的单晶硅、多晶硅以及碳化硅等材料受到外界载荷作用后，电阻率具有非常明显的变化；因此，工业界利用相关特性设计了硅基压力传感器，具体的流程为：采用微系统制造工艺，沿单晶硅片上特定的晶向，通过掺杂制成敏感元件，后续基于惠斯通电桥，将电阻的变化量转换为电学信号进行输出，实现了外界压力的测量。

  图a表述为常见材料的电阻率，图b表述半导体材料（Si）掺杂浓度与电阻率之间的关系；图c表述为掺杂（离子注入）加工过程示意图，掺杂离子平均分布深度范围为10nm到10um，并且掺杂浓度随着深度的变化规律如右图所示；附：掺杂主要包含扩散和离子注入两种加工工艺；

  压力感应膜及敏感元件具体的结构：

  图a表述为硅压力传感器衬底结构示意图，宽度a和高度h影响着传感器的量程、灵敏度等参数，具体为：厚度越小，宽度越大，传感器灵敏度越高，量程越小；图b展示了压力感应膜受均匀压力作用下，结构的应力分布特征，因此，后期为了提高传感器的灵敏度，将敏感元件放置于结构的最大应力处；图c表述了压力传感器敏感元件分布位置；图d表述硅基压力传感器实际加工示意图以及相应的电学连接方式（考虑应变片A长度尺寸较大，实际加工中分为两条）；

硅基压力传感器加工工艺

  硅基压力传感器主要的参数有：压敏电阻的位置、长度、宽度、电阻率、结深；屏蔽层的电阻率、结深；背面腐蚀窗口大小、内部互连结构电阻率等，刘胜老师在相关领域具有多年的经验，设计的压力传感器尺寸参数为：传感器量程1Mpa，整体外形长度2mm，宽度2mm，衬底厚度0.5mm，玻璃基板厚度0.5mm，采用P 型压敏电阻、方形压力感应膜片和湿法腐蚀加工方案，其中，压力感应膜片长度1mm，宽度1mm，厚度50um，压敏电阻长75um，宽15um等；整体结构如下图所示：

  图a表述了硅基压力传感器几何尺寸以及敏感元件的电路连接方案；图b表述为传感器加工后的实物照片；

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  附1、硕士期间，经常听课题组同学讲掺杂的概念，没想到有一天会涉及到半导体相关的内容~

  附2、参考文献：MEMS and Microsystems: Design, Manufacture, and Nanoscale Engineering, Second Edition；关荣锋，MEMS 器件设计、封装工艺及应用研究；张宗阳，基于厚膜工艺的不锈钢 压力传感器设计与制造技术研究；曹刚，硅微压力传感器设计、制造及批量调理与测试技术研究；Design and Development of a Novel Invasive BloodPressure Simulator for Patient’s Monitor Testing；

  附3、集成电路相关的加工工艺涉及大量的门槛，需要企业积累大量的经验；