与CMOS工艺兼容的皮拉尼传感器研究*

汪家奇，唐祯安

(大连理工大学半导体技术学院，电子科学与技术学院，辽宁大连116024)

真空传感器是真空科学研究与真空测试技术中的重要器件。皮拉尼传感器广泛用于105Pa～10-1Pa的粗真空的测量[1]。它包含暴露于被测气体环境之中的加热体，它被流经的电流所加热，被周围的气体散热所冷却。如果气压降低，气体散热减少，因此在加热电流恒定的情况下，加热体的温度就会上升，反之亦然[2]。通常加热体的电阻是温度的函数，并且要求其温度系数较大，通过测量加热体两端的电压及流经的电流，就可以计算得到加热体的电阻，继而求得其温度以及对应的气压。

皮拉尼传感器的研究经历小型化，微型化的趋势，目前的微型化皮拉尼传感器的研究集中在硅微MEMS皮拉尼传感器[3-4]以及同标准CMOS工艺兼容的皮拉尼传感器上[5-6]。本文研制了一款与标准CMOS工艺兼容的集成皮拉尼传感器，它是以钨微热板为敏感元件，在片上集成恒电流驱动电路，利用该芯片可单独完成气压的测量，其对10-1Pa～105Pa的气压有响应，对1 Pa～100 Pa气压具有线性响应。

1 传感器设计及加工

皮拉尼传感器以微热板为敏感元件，其加热电阻的材料是传感器设计的关键，它决定了皮拉尼传感器的功耗，灵敏度，长期稳定性等参数。加热电阻通常的材料有多晶硅[7]，掺杂硅[8]，金属[9-10](包括铝，铂等)，纳米管[11]等，需要结合工艺与应用条件来选择。本文采用钨作为加热电阻，它具有高熔点(3 417℃)，抗电迁徙的特性，较高的温度系数，性能稳定，并且钨作为CMOS工艺中的通孔材料，能够同CMOS工艺完全兼容。

传感器采用0.5 μm标准CMOS工艺进行设计和加工，它包含两层多晶硅(Poly1，Poly2)和三层金属(Metal1，Metal2，Metal3)，在 Metal1 与 Metal2 之间的连接是采用钨作为连接的。以这层钨为加热电阻，在钨电阻的下面预先埋下0.34 μm的多晶硅Poly2作为牺牲层，在CMOS工艺中光刻压焊孔的同时也光刻微热板的腐蚀窗口，形成刻蚀窗口，如图1(a)所示。图1(b)说明在刻蚀压焊孔的同时把微热板的腐蚀窗口打开，由于刻蚀压焊口的工艺采用的是过刻蚀，所以确保刻蚀到预先埋下的牺牲层，在刻蚀工艺之后，作为牺牲层的多晶硅Poly2会暴露出来。以上两个步骤是在芯片加工厂完成的。经过划片之后，要进行post-CMOS加工，如图1(c)所示。利用不腐蚀铝焊盘的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液来腐蚀Poly2牺牲层，大约需要8 h溶解Poly2牺牲层[12]。

图1 微热板的工艺步骤

图2是钨微热板的显微镜和SEM照片，它的尺寸是80 μm×80 μm，采用 4臂支撑的结构，钨加热电阻是蛇形的，其宽度为2 μm。微热板在结构释放之后，无明显变形与结构坍塌。

图2 钨微热板的显微镜与SEM照片

2 传感器的恒电流驱动电路

恒电流驱动电路是指无论外界测量的气压如何变化，流经传感器加热电阻的电流为恒值，其原理图如图3所示。其中R1为微热板电阻，R2为制作在衬底上的参考电阻，Vref为参考电压，Vout为输出电压。当Vref为恒定值时，根据运算放大器的虚短原理，流经R2的电流为恒定值，又根据运算放大器的虚断原理，流经R1的电流为恒定值，这样实现了流经微热板的电流为恒值的要求。

图3 恒电流驱动电路

恒流电路的输出表达式为:

流经微热板的电流使微热板升温，随着气压的降低，气体导热减小，而加热电流不变，微热板的温度上升，由于钨加热电阻具有正温度系数，输出电压会随着气压的降低而增大。

本文结合上述0.5 μm标准CMOS工艺设计了一种5 V单电源工作、输入输出电压都能实现满电源幅度的CMOS运算放大器，它由偏置电路、输入级、增益级、输出级四部分组成。图4是皮拉尼传感器的SEM照片，包括4个微热板串联构成阵列及运算放大器。

图4 皮拉尼传感器的SEM照片

3 对气压的测试结果

选取微热板电阻为570 Ω，参考电阻为360 Ω的传感器进行测量，参考电压为1.25 V电压，将传感器测试板放入真空腔中，按照测试系统的操作规范将真空腔内真空度从标准大气压降至10-1Pa，再从10-1Pa升至标准大气压，测试系统自动记录传感器的输出值及对应的气压值，从图5的测试结果看，传感器对105Pa～10-1Pa的气压有响应。

另外，针对于皮拉尼传感器常用的响应区间1 Pa～100 Pa进行了较为精确的测量，如图6所示，传感器的线性度为4.95%，灵敏度为0.23 mV/Pa。因此，1 Pa～100 Pa是该款传感器可应用的测量区间。

图5 传感器对105Pa～10-1Pa的响应

图6 传感器对1 Pa～100 Pa的响应

4 结论

本文针对于基于MEMS工艺的皮拉尼传感器进行了进一步的探索，研制了一款利用0.5 μm标准CMOS工艺加工的皮拉尼传感器。该传感器利用恒流驱动的钨微热板进行气压测量，对105Pa～10-1Pa的气压有响应，尤其对1 Pa～100 Pa的真空度有线性响应，具有广泛的应用价值。

[1]Zhang F T，Tang Z，Yu J，et al.A Micro-Pirani Vacumm Gauge Based on Micro-Hotplate Technology[J].Sens Actuators A，2006，126:300-305.

[2]Wilfert St.Miniaturized Vacuum Gauges[J].J Vac Sci Technol A，2004，22(2):309-320.

[3]周吉龙，陈肯乐，张锦文，等.微型MEMS皮拉尼计研究[J].传感技术学报，2008，21(3):513-516.

[4]Zhang F T，Tang Z A，Wang J Q，et al.A Monolithic Integrated CMOS Thermal Vacuum Sensor[J].半导体学报，2008，29(6):1104-1108.

[5]Takashima N，Kimura M.Diode Temperature Sensor with the Output Voltage Proportional to the Absolute Temperature and Its Application to the Thin Film Pirani Vacuum Sensor[C]//The 33rd annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，Taipei，2007:2197-2202.

[6]Mailly F，Dumas N，Pous N，et al.Pirani Pressure Sensor for Smart Wafer-Level Packaging[J].Sens Actuators A，2009，105(1):201-207.

[7]Mitchell J，Lahiji G R，Najafi K.An Improved Performance Poly-Si Pirani Vacuum Gauge Using Heat-Distributing Structural Supports[J].Journal of Microelectromechanical Systems，2008，17(1):93-102.

[8]Topalli E S，Topalli K，Alper S M，et al.Pirani Vacuum Gauges U-sing Silicon on Glass and Dissolved-Wafer Processes for the Characterization of MEMS Vacuum Packaging[J].IEEE Sensors Journal，2009，9(3):263-270.

[9]Paul O，Baltes H.Novel Fully CMOS-Compatible Vacuum Sensor[J].Sens Actuators A，1995，46(1/3):143-146.

[10]Bedö G，Kraus W，Müller R.Comparison of Different Micromechanical Vacuum Sensors[J].Sensors and Actuators A，2000(85):181-188.

[11]Kawano T，Suter M，Cho C Y，et al.Single Carbon Nanotube Pirani Gauge By Local Synthesis[C]//14th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators，Lyon，2007:1015-1018.

[12]汪家奇，唐祯安.一种与CMOS工艺兼容的钨微热板[J].传感技术学报，2009，22(1):42-44.