基于SOI的高抗过载颅内压力传感器设计与制备

Design and Fabrication of A High Anti⁃Overload Intracranial Pressure Sensor Based on SOI

摘要

颅内压监测在神经外科诊疗中具有重要临床价值， 但现有传感器存在微型化不足、 长期稳定性差等问题。提出一种基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System， MEMS）工艺的微型压阻式压敏芯片， 通过敏感膜结构优化设计， 实现了高稳定性、 高抗过载性的颅内压监测传感器设计。通过理论建模与有限元仿真， 建立膜厚与边长的协同优化模型， 提升结构线性度。采用绝缘体上硅薄膜（Silicon-On-Insulator， SOI）材料与深硅刻蚀工艺结合刻蚀形成敏感膜， 以制备传感芯片。测试表明： 工作环境下芯片灵敏度达0.34 mV/kPa， 迟滞、 重复性及非线性误差分别优于0.13% FS、 0.011% FS和0.19% FS。本研究为微型生物医学传感器提供了可拓展的技术路径。

Abstract

Intracranial pressure monitoring has important clinical value in the diagnosis and treatment of Neurosurgery， but the existing sensors have problems such as a lack of miniaturization and poor long-term stability. In this paper， a micro piezoresistive pressure-sensitive chip based on MEMS technology is proposed. Through the optimal design of the sensitive film structure， the intracranial pressure monitoring sensor with high stability and high overload resistance is realized. Through theoretical modeling and finite element simulation， the collaborative optimization model of film thickness and side length is established to improve the structural linearity. The sensitive film was formed by the combination of SOI material and a deep silicon etching process to prepare the sensor chip. The test results show that the sensitivity of the chip is up to 0.34 mV/kPa in the working environment， and the hysteresis， repeatability and nonlinear error are better than 0.13% FS， 0.011% FS and 0.19% FS respectively. This study provides an expandable technical path for micro biomedical sensors.

Graphical abstract

关键词

压力传感器 / 微机电系统 / 颅内压 / 压阻效应

Key words

pressure sensor / micro-electro-mechanical system（MEMS） / intracranial pressure / piezoresistive effect

0 引　言

近年来， 硅基压力传感器因其体积小、 重量轻、 灵敏度高等特性， 被广泛应用于航空、 航天、 医疗等领域^［1-2］。根据工作原理， 压力传感器可以分为压阻式、 电容式和谐振式。相比于其他传感器， 压阻式传感器因其体积小、 测量精度高、 加工工艺成熟， 以及稳定性好的特性， 广泛适用于医疗领域^［3-4］。例如， 颅内压（Intracranial Pressure， ICP）^［5］指颅腔内容物对颅腔壁产生的压力， 科学合理的ICP监测是预防和治疗干预颅脑疾病的重要手段^［6］， 在此过程中， 因其特殊的工作环境， 需要传感器具有很高的灵敏度和线性度来反应微小压力的变化^［7-8］。

目前， 国内外市场上的ICP监测仪主要包括： 美国强生（Johnson & Johnson）公司开发的Codman系列ICP监测系统^［9］， 其基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System， MEMS）应变计技术， 将微型应变计传感器集成于3Fr（约1 mm直径）柔性尼龙导管顶端， 可植入脑实质、 脑室或硬膜下空间， 兼具ICP和脑灌注压等多种测量功能， 感染率和血肿发生率低； 法国索菲萨（Sophysa）公司开发的Pressio系统^［10］， 其基于MEMS加工工艺， 采用微传感器技术， 可以减少组织损伤地植入脑室或脑实质， 兼具ICP和颅内温度（Intracranial Temperature， ICT）测量功能。但上述两种传感器价格十分昂贵， 普通消费者难以承受。

2023年， 中北大学Ma等^［11］提出了一种新型的微型微压半主动惠斯通电桥压阻压力传感器， 其采用深度反应离子蚀刻技术（Deep Reactive Ion Etching， DRIE）^［12］， 能够制造出尺寸为460 μm×460 μm、 厚度为6.5 μm的压敏膜片。这些膜片的设计满足了ICP检测芯片对于体积小、 重量轻和高灵敏度的要求。但是在实际测试中发现， 芯片从储藏温度4 ℃环境拿到常温（25 ℃左右）环境下时， 膜片发生破裂。推测其原因为膜片边长与厚度比例过大， 导致温度骤增下膜片破裂。且若膜片边长与厚度比例过大， 也会增加其在使用过程中发生变形损坏的风险， 使其抗过载功能降低^{［13‐15］}。

针对上述问题， 本文将通过COMSOL有限元仿真分析方法， 对MEMS压阻式压力传感器芯片设计过程中的主要参数， 如膜片边长与厚度的比例、 压敏电阻摆放位置等进行设计仿真， 寻找最佳设计方案， 以达到改进压阻式压力传感器芯片设计方法的目的。利用MEMS工艺技术， 采用绝缘体上的单晶硅薄膜（Silicon-on-Insulator， SOI）材料与深硅刻蚀工艺结合刻蚀形成敏感膜， 制备传感芯片并对其进行测试， 以得到传感器的各项静态指标， 为微小型压阻式压力传感器的设计提供参考。ICP检测芯片主要设计指标如下：

1） 压力类型： 密封测量（参考压力为一个大气压）；

2） 压力量程： 0~40 kPa；

3） 供电电压： 3.5 V；

4） 灵敏度： >0.3 mV/kPa；

5） 芯片尺寸： 1 100 μm×700 μm×400 μm；

6） 非线性度： <1%FS。

1 工作原理

压阻式压力传感器基于硅的压阻效应^［16］原理， 采用硅薄膜作为感压元件， 当其受到某方向上的应力作用， 膜片发生形变（见图 1（a））时， 分布在其上的压敏电阻会受到挤压或拉伸， 惠斯通电桥^［17］失衡， 输出电压信号， 其中， 惠斯通电桥按照掺杂电阻的个数可分为半桥单臂、 半桥双臂和全桥。

因为ICP检测芯片体积小、 重量轻和高灵敏度的制备要求， 故本文采用恒压源供电的半桥双臂电路来进一步使芯片更加轻量化， 其电路结构如图 1（b） 所示。

图中， 半桥电路的电源为U_{\mathrm{v}}， 电桥的输出电压为U_{\mathrm{o}}， R_{\mathrm{1}}与R_{\mathrm{2}}为压敏掺杂电阻， R_{\mathrm{3}}与R_{\mathrm{4}}为外接固定电阻。在外部压力作用下， 压敏电阻R_{\mathrm{1}}和R_{\mathrm{2}}产生的电阻变化量分别为\mathrm{\Delta }{R}_{\mathrm{1}}和\mathrm{\Delta }{R}_{\mathrm{2}}。当R_{\mathrm{1}}=R_{\mathrm{2}}=R_{\mathrm{3}}=R_{\mathrm{4}}=R， 且\mathrm{\Delta }{R}_{\mathrm{1}}=\mathrm{\Delta }{R}_{\mathrm{2}}=\mathrm{\Delta }R时， 电桥电路的输出电压U_{\mathrm{o}}可依据式（1）进行计算。

U_{\mathrm{o}}=\frac{\mathrm{\Delta }R}{\mathrm{2}R}{U}_{\mathrm{v}},（1）

式中： R为固定电阻值。

2 器件设计

2.1 敏感膜参数设计

根据进入颅内的封装体尺寸要求， 设计芯片尺寸为1 100 μm×700 μm×400 μm。针对现有敏感膜膜边长与膜厚比过大， 敏感膜刚度及稳定性较差， 在实验过程中容易出现破损变形的问题， 要减小敏感膜片边长与厚度比。同时， 也要保证传感器灵敏度和线性度符合设计需求， 因此， 敏感膜边长与厚度比成为了设计研究的重点。

基于最小挠度变形理论和对传感器输出灵敏度的约束， 敏感膜片的最大工作压强P、 设计厚度H以及边长A三者之间的关系遵循以下原则：

1） 线性原则^［18］。在器件的工作阶段， 要确保输出电压随施加压力的变化成线性关系， 器件膜厚所产生的最大挠度{\omega }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}需小于薄膜厚度的1/5^［19］。同时， 依据小挠度理论可知， 在工作过程中， 正方形膜的中心位置所呈现出的挠度值是最大的， 如式（2）、 式（3）所示。

{\omega }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\mathrm{0.013}\mathrm{8}\frac{p{a}^{\mathrm{4}}}{E{h}^{\mathrm{3}}},（2）

（3）

式中： E为Si的弹性模量， 190 GPa； p为传感器的最大量程40 kPa； a为敏感膜片的边长， 460 μm； h为敏感膜的厚度。将以上数值代入式（2）和式（3）， 可求得敏感膜厚度h>5.2 μm。

2） 可靠性原则^［20］。为保证传感器工作的可靠性， 确保其工作时的抗过载能力， 一般选取单晶硅最大破坏应力的1/5作为敏感膜上的最大应力值{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}^［21］， 如式（4）、 式（5）所示。

{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\mathrm{0.308}\frac{p{a}^{\mathrm{2}}}{h^{\mathrm{2}}},（4）

（5）

式中： \sigma为Si的破坏应力， 7 GPa。代入式（4）和式（5）计算可得h>0.7 μm。综上， 敏感膜厚度取值范围为h>5.2 μm。

在实际应用中， 传感器元件的灵敏度和抗过载能力与敏感膜厚存在显著相关性。随着敏感膜厚度的增加， 其力学稳定性显著提升， 对应的传感器抗过载能力越强， 但是其灵敏度却越差。反之， 当敏感膜厚度减小时， 虽然能够获得更高的灵敏度响应值， 但材料结构的机械强度会同步降低， 导致传感器元件抗过载能力越差。因此， 综合考虑传感器灵敏度、 可靠性以及加工工艺的复杂情况， 最终选择固定膜厚为6.5 μm。以膜边长460 μm为起始值， 以50 μm为步进长度逐步递减， 到310 μm终止。使用有限元仿真软件进行建模和仿真分析， 研究在膜厚为6.5 μm， 膜边长分别为460、 410、 360、 310 μm条件下， 施加140 kPa压力载荷， 敏感膜的应力、 应变情况， 从而选择出最合适的敏感膜参数。

分析不同膜片边长对应的最大应力和最大挠度， 结果如图 2 所示。

观察折线趋势可知， 最大应力与膜片边长成正相关， 当膜片边长为460 μm时， 敏感膜片最大应力为221 MPa， 当膜片边长逐步降低至310 μm时， 其对应的最大应力为94 MPa， 即随膜片边长增加， 最大应变也增加。综合上述两个参数考虑， 在保证芯片灵敏度的同时， 增强芯片的稳定性， 因此， 膜片边长设计选择360 μm。

选择360 μm作为敏感膜边长， 在140 kPa作用力下， 敏感膜上最大应力为122 MPa， 如图 3（a） 所示， 远小于硅的破坏应力； 最大应变为0.737 μm， 如图 3（b） 所示， 应变符合线性原则。

2.2 压敏电阻参数设计

本文设计压敏电阻尺寸为65 μm×13 μm， 在敏感膜表面添加如图 4 路径， 分析该路径上敏感膜所受最大应力以确定压敏电阻放置位置。

敏感膜片边缘的应力分布曲线如图 5 所示， 在敏感膜中心位置70 μm范围内， 应力较大， 超出此范围后， 所受应力逐渐减小。

由图 6 可看出， 敏感膜应力集中区为边长中心， 理想状态下可以将压敏电阻布置于此， 提高芯片灵敏度。但在工艺设计和实际应用中， 需要考虑工艺误差， 预留工艺冗余尺寸， 实现正面的压敏电阻与背面的敏感膜片的位置对应。

综合考虑工艺设备对准精度和压敏电阻宽度^［22］， 将2个压敏电阻布置于膜片边缘中点靠内23 μm处， 如图 7 所示。

3 制备工艺

3.1 工艺流程设计

本文研究的ICP检测芯片通过MEMS加工技术^［23］制造， 涉及敏感薄膜、 压敏电阻以及金属引线的制作。然而， 在实际的加工工艺中， 干法刻蚀和湿法腐蚀都很难精确控制刻蚀6.5 μm硅薄膜^［24］， 刻蚀误差常超过1 μm， 这将直接影响传感器的灵敏度。鉴于此， 本研究选择SOI作为基底材料以更精确地控制敏感膜厚度^［25］。所设计的传感器采用PN结隔离技术， 通过降低衬底的掺杂水平^［26］， 有效提升了PN结的击穿电压并减少了漏电流。因此， 本研究选用了掺杂浓度较低、 电阻率为1~20 Ω·m的N型硅作为SOI^{［27‐29］}基底， 以实现更优的传感器性能。

本文芯片的制备工艺流程如图 8 所示：

a） 对SOI片进行无机清洗， 先使用3号液（H₂SO₄∶H₂O₂=3∶1）清洗15 min， 再使用1号液（NH₃H₂O∶H₂O₂∶H₂O）清洗5 min， 使其表面洁净度达到制备要求。

b） 光刻并刻蚀有源标记和划片标记， 使用反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching， RIE）浅刻蚀， 深度300 nm。清洗后， 使用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition， CVD）沉积2 μm SiO₂， 作为离子注入的掩蔽层^［30］。

c） 光刻压敏电阻， 使用缓冲氧化物刻蚀液（Buffered Oxide Etchant， BOE）腐蚀SiO₂ 30 s。离子注入B+， 然后1 000 ℃退火20 min， 以激活杂质元素。

d） 湿法腐蚀去除SiO₂掩膜， 清洗后， CVD沉积1 μm SiO₂。光刻重掺杂区使用BOE溶液腐蚀SiO₂ 10 s。选择固态硼源扩散进行重掺以形成欧姆接触区， 之后去除残余掩膜， 清洗SOI片表面。

e） 在顶层硅沉积200 nm SiO₂作为阻挡层， 避免金属引线与衬底接触。

f） 光刻开孔欧姆接触区， RIE刻蚀200 nm SiO₂， 之后使用BOE溶液腐蚀3 s以确保开孔区域无残留SiO₂。

g） 使用Lift-off剥离工艺光刻金属引线， 然后溅射Ti、 Pt、 Au， 剥离制备金属引线和焊盘^［31］。最后， 使用真空退火炉其退火^［32］形成欧姆接触。

h） 利用光刻机背对功能实现衬底层的套刻对准并进行光刻， 之后使用深反应离子刻蚀（Deep RIE， DRIE）进行敏感膜的制备， 利用刻蚀气体对硅和氧化硅刻蚀比不同的特性， 实现刻蚀自停止。

i） 先对SOI晶圆和BF33进行键合预处理（无机清洗、 氧等离子体轰击活化表面）， 然后， 将SOI片与100 nm的BF33进行键合。

3.2 关键工艺设计

传统的深腔刻蚀工艺有湿法腐蚀和干法刻蚀。湿法腐蚀^［33］形成的腐蚀侧壁平滑， 加工成本低， 条件简单， 但是通常情况下硅的湿法腐蚀工艺会形成54.7°的倾角， 难以精准控制敏感膜片的尺寸， 影响所设计传感器的性能。DRIE可以提高侧壁的垂直度^［34］， 使敏感膜片与设计值相符， 但是膜片的厚度变化可能对DRIE偏差引起的刻蚀不均匀性很敏感， 这将影响传感器的非线性度。

结合DRIE原理， 实验选择顶层硅为6 μm、 氧化层为0.5 μm的SOI片， 以实现超薄膜片刻蚀^［35］。

在Bosch工艺^［36］中， 六氟化硫（SF₆）和八氟环丁烷（C₄F₈）分别用于蚀刻和钝化过程。首先， 反应室充满C₄F₈气体， 该气体在等离子体环境下会生成氟化碳类聚合物， 这种聚合物沉积在硅表面能够有效阻止氟离子与硅的反应， 形成保护层， 从而避免侧向刻蚀的发生。随后， SF₆气体被引入反应室进行蚀刻， F^-离子与钝化膜发生反应， 生成挥发性气体CF₂， 使硅基部件暴露出来， 进而进行刻蚀。同时， 硅和钝化层也会受到物理轰击， 实现物理刻蚀。通过在蚀刻和钝化沉积工艺之间的快速切换可以形成具有垂直侧壁的刻蚀轮廓， 如图 9（a） 所示。

因此， 采用SOI材料与深硅刻蚀工艺结合， 基于二氧化硅刻蚀自停止的原理， 当DRIE气体到达氧化硅层时， 由于其对硅的刻蚀速率快， 对氧化硅刻蚀速率慢的特性， 刻蚀比约为1∶150， 基本不会对二氧化硅产生损失， 选择二氧化硅作为刻蚀停止层， 不用担心欠刻蚀或过刻蚀的情况^［37］。

从图 9（b） 可以看出， 本文所制备芯片正面金属引线结构清析完整， 背面所刻蚀的腔体较为平整规范， 有利于后续实验和测试的进行。

4 测　试

4.1 常温静压测试

对芯片进行性能测试， 检验芯片的实际测压能力。依据芯片的设计指标， 其满量程压力为40 kPa， 故合理划分测试区间， 以每10 kPa为间隔进行正反行程压力测试， 测试结果如图 10 所示。结果显示测试所得芯片常温灵敏度为0.339 mV/kPa， 迟滞为0.13% FS， 重复性误差为0.011% FS， 非线性误差为0.19% FS。

将设计的芯片与原芯片进行对比， 结果如表 1 所示。可以看出， 本文所研制的ICP检测芯片与原芯片相比， 在尺寸相近的条件下， 尽管灵敏度相比下降了36.99%， 满量程输出降低了37.26%， 导致其满量程输出电压较低， 迟滞现象也略微增加10.77%， 但是芯片的重复性较原芯片降低了96.57%， 表明其在测量过程中具有更高的稳定性和可靠性。

在实际测试中， 当芯片从4 ℃的保存环境转移至常温（约25 ℃）环境下时， 未出现膜片破裂的情况， 如图 11 所示。这一结果表明， 改进后的敏感膜边长与厚度比例较为合理， 敏感膜的刚度和稳定性得到了显著提升。

综上所述， 虽然该芯片灵敏度较之前略有下降， 但是仍满足ICP测量标准， 并且改进后的敏感膜刚度和稳定性得到了显著提升， 具有更高的稳定性和可靠性。该芯片满足设计预期， 达到了测量ICP的性能标准。

4.2 芯片稳定性测试

为进一步探究所开发ICP检测芯片的性能表现， 选取5个芯片在不同压力下进行测试， 测量其输出电压。测试环境保持恒定， 温度为25 ℃， 相对湿度45%， 以确保实验条件的一致性。共采集5个压力值下的电压输出值， 图 12 为5种芯片在0~40 kPa压力范围内的输出信号变化曲线。

从图 12 可以看出， 所有芯片的输出信号均随输入压力的增加呈现线性增长的趋势， 这表明芯片在该压力范围内具有良好的线性响应特性。然而， 不同芯片之间的输出信号存在明显差异， 这主要归因于芯片内部结构和制造工艺的差异。

在微小尺寸芯片上设计高灵敏度芯片很难， 所以， 高灵敏度是ICP测量的关键。通过对测试数据进行线性拟合， 计算出5个芯片的灵敏度值， 结果如表 2 所示。

由表 2 可以看出， 尽管不同芯片之间的输出信号存在差异， 但其灵敏度值均在0.327~0.370 mV/kPa范围内， 且随着灵敏度的增加， 芯片对压力变化的响应更加敏锐， 进一步展示了其对压力变化的高度灵敏响应能力。

综上所述， 尽管芯片内部结构和制造工艺的微小差异可能导致输出信号的个体差异， 但整体性能仍保持在设计预期范围内， 所设计ICP检测芯片在不同压力下的性能表现基本一致且稳定， 所有芯片均符合设计标准， 满足ICP检测的使用要求。

5 结　论

本文基于硅的压阻效应， 设计了一种可用于人体ICP测量的微压传感芯片， 并提出了一种基于SOI材料与深硅刻蚀工艺结合的深硅刻蚀自停止保护层， 芯片采用半惠斯通电桥的小体积封装结构。经过对传感器的性能的详尽测试， 传感器的灵敏度高达0.34 mV/kPa， 同时线性度、 迟滞效应以及重复性均表现出较小的偏差。这些结果表明， 传感器的性能优异， 能够满足预定的技术规格。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(62304209)

国家重点研发计划资助项目(2023YFB3209100)

山西省科技重大专项“揭榜挂帅”资助项目(202301030201003)

山西省重点研发计划资助项目(202302030201001)

山西省基础研究计划资助项目(20210302123203)