1 引言
大氣壓力傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報(bào)、氣候分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、航空航天等方面發(fā)揮著不可替代的作用。傳統(tǒng)的壓力傳感器一般為機(jī)械式，體積比較大，不利于微型化和集成化。利用MEMS技術(shù)不僅可以解決上述缺點(diǎn)，還能極大地降低成本，而性能更為優(yōu)異。如今基于MEMS技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的壓力傳感器主要有壓阻式和電容式兩大類，壓阻式壓力傳感器的線性度很好，但精度一般，溫漂大，一致性差;電容式壓力傳感器與之相比，精度更高，溫漂小，芯片結(jié)構(gòu)更具魯棒性，但線性度差且易受寄生電容的影響。目前MEMS電容式壓力傳感器多用于過(guò)壓測(cè)量，用于氣象壓力測(cè)量的較少且價(jià)格昂貴。為此，本文研制了一種高性能、低成本的微型電容氣象壓力傳感器，整個(gè)流程工藝簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)，薄膜材料選擇單晶硅，采用接觸式結(jié)構(gòu)，利用陽(yáng)極鍵合形成真空腔，最后由KOH各向異性腐蝕和深刻蝕形成硅薄膜。試驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器適用于氣象壓力測(cè)量。
2 基本原理和結(jié)構(gòu)
電容式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。式中：ε0為真空中的介電常數(shù);t為絕緣層的厚度;εr為絕緣層的相對(duì)介電常數(shù);g為零載荷時(shí)電容器兩極板之間的初始距離;ω(x，y)為極板膜的中平面的垂向位移。
由公式可知，外界壓力通過(guò)改變電容的極板面積和間距來(lái)改變電容。隨著壓力慢慢增大，電容因極板間距減小而增大，此時(shí)電容值由非接觸電容來(lái)決定;當(dāng)兩極板接觸時(shí)，電容的大小則主要由接觸電容來(lái)決定。
3 傳感器的設(shè)計(jì)與制造
敏感薄膜是傳感器最核心的部件，其材料、尺寸和厚度決定著傳感器的性能。
目前敏感薄膜的材料多采用重?fù)诫sp型硅、Si3N4、單晶硅等。這幾種材料都各有優(yōu)缺點(diǎn)，其選擇與目標(biāo)要求和具體工藝相關(guān)。硅膜不破壞晶格，機(jī)械性能優(yōu)異，適于陽(yáng)極鍵合形成空腔，從簡(jiǎn)化工藝的目的出發(fā)，本方案選擇硅膜。
利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)接觸式結(jié)構(gòu)的薄膜工作狀態(tài)進(jìn)行了模擬。材料為Si，膜的形狀為正方形，邊長(zhǎng)1000 μm，膜厚5 μm，極板間距10 μm。在1.01×105Pa的大氣壓力下，薄膜中央接觸部分及四個(gè)邊角基本不受應(yīng)力，四邊中央應(yīng)力最大為1.07 MPa，小于硅的屈服應(yīng)力7 MPa，其應(yīng)力分布如圖2所示。
整個(gè)制造流程都采用標(biāo)準(zhǔn)工藝，如圖3所示。先熱氧化100 nm的SiO2，既作為腐蝕Si的掩膜，又作為電容兩電極的絕緣層。利用各向異性腐蝕形成電容空腔和將來(lái)露電極的?？滩?，如果硅片厚度一致且KOH腐蝕速率均勻，此法可以在相當(dāng)程度上等效于自停止腐蝕。從玻璃上引出電容兩電極，然后和硅片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合。鍵合片利用KOH腐蝕減薄后反應(yīng)離子深刻蝕露出測(cè)量電極。
