硅电容式压力传感器.pdf
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?
辽宁大学学报?
自然科学版第32卷?
第2期?
2005年JOURNALOFLIAONINGUNIVERSITY?
NaturalSciencesEdition?
Vo.l32?
No.2?
2005硅电容式压力传感器王中文1,*王丽娟2（1.辽宁大学物理系,辽宁沈阳110036;2.辽宁大学轻型产业学院,辽宁沈阳110036）摘?
要:
在广泛地比较了各种设计方案产业化的难易程度的基础上,最终确定了符合现有的工艺条件、易于产品化以及与其他产品生产相兼容的最佳方案,给出了MEMS的具体的工艺流程.关键词:
硅电容;微机械;差压传感器;MEMS.中图分类号:
TN312?
文献标识码:
A?
文章编号:
1000?
5846（2005）02?
0131?
04?
我们所处的时代是信息时代.信息的获取、检测要靠传感器和传感技术来实现.传感器越来越广泛地应用于汽车、石油钻探、温度、压力、气体的检测等.现有的传感器的设计标准比较低,漂移比较大,不能满足现在对传感器需求标准的要求.本文在总结各种工艺设计方案的基础上,给出了合理的最佳化设计的方案,对传感器参数标准有所提高,克服了以前设计及生产的弊端,有利于传感器的生产产业化.1?
电容式压力传感器的基本理论由于近年来集成电路工艺的不断提高与完善以及MEMS理论的进一步成熟,现在的传感器在工作原理、结构设计以及制造工艺上对传统的传感器有了很大的突破.尤其是在力学量传感器上,现在普遍采用的传感器的工作原理是应变式和压阻式等,也有采用单电容式的;而在材料上,有采用蓝宝石、陶瓷、金属应变丝、多晶硅和单晶硅等等.不论哪种材料,各种传感器都有各自的敏感元件,尤其是应变式、压阻式和电容式传感器,它们都有一个弹性元件,本文就是通过硅岛膜的位移来感应压力的.早期的电容式压力传感器的敏感元件是金属材质的.金属的韧性非常好,尤其是金属膜片比较薄的时候,特别容易形成褶皱.如果压力传感器的敏感膜片出现褶皱将严重影响传感器的性能,所以在加工过程中应特别小心,这也是传感器加工过程中一个十分棘手的问题.随着MEMS加工技术的成熟和广泛采用,人们自然想到利用硅替代金属制作敏感膜片,因为硅不仅有一定的机械强度,而且刚性良好不易变形,同时也是一种十分理想的弹性体.由此可见,敏感元件具有良好的刚性和弹性,对于电容式压力传感器来说是非常必要的.电容结构的基本理论:
两个平行的导电板之间绝缘并且不考虑边缘电场效应的情况下,所形成电容的表达式为C=?
0?
rS0/d0
（1）式中?
0为真空中的介电常数,?
r为介质的相对介电常数,s0为极板的相对面积,d0为两极板间的距离.从电容的表达式中可以看出,改变电容C有3种方法:
?
改变介质的相对介电常数?
r;改变极板的相对面积S0;!
改变两极板间距离d0.通过外界因素来改变以上参数,电容的输出就会发生变化,有一增量?
C,从而可以反映出外界因素*作者简介:
王中文（1969-）,男,辽宁锦州人,实验师,从事微电子技术的研究工作.?
收稿日期:
2003?
08?
12作用的大小,电容式压力传感器就是利用这种原理来制造的.从这种变换原理出发,人们就可以设计出很多种结构,各种结构又适用于不同物理量的测量.极间距变化型电容式压力传感器的优点是可进行动态非接触式测量,对被测系统的影响小,灵敏度高,适用于较小位移（0.01m数百m）的测量.但这种传感器有线性误差,传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精确度有影响,与传感器配合使用的电子线路也比较复杂.面积变化型电容式压力传感器的优点是输出与输入成线性关系.但与极间距变化型相比,灵敏度较低,适用于较大直线位移及角位移的测量.但对于压力传感器来说,现在普遍采用的是改变极板间距d0来改变电容.因为,这种结构不论在数据采集和处理上或是在制作工艺上,都比通过改变另外2个参数的结构容易得多.所以,现在的电容式压力传感器大多数还是采用变间距式结构.2?
硅电容式差压传感器设计方案?
2.1?
传感器尺寸的设计技术指标见表1.表1?
传感器设计的技术指标基础电容对称性适用温度稳定性回差、重复性差压量程量程变化静压量程20pF#5pF-30850.2%FS/6个月#0.03%FS100kPa20:
116MPa2.1.1中心膜片的设计1）零点电容有关尺寸的计算本方案欲采用中心岛膜方形结构,具体尺寸计算如下:
由电容计算公式C=?
r?
0S/d
（2）在这里基础电容是指传感器在没有充入硅油前的零点电容C0.所以?
r%1、?
0=8.854&10-12F/m、C0=20pF,则S/d=C0/?
r?
0=20&10-12/8.854&10-12%?
2.26m=2.26&103mm根据现有的工艺条件以及工艺制作的方便性,岛膜采用方形结构.假定电容间距d=4.0m,那么,S=9.04mm2,a=3mm（a为方形岛边长）.2）膜片厚度h的计算假定岛与膜的边长比为!
即!
=a/b,根据以往经验!
一般取0.5此时膜片挠度Wo与膜片尺寸、厚度的关系为:
Wo%0.18&10-13P（2a）4/h3（3）由于采用不同的硅杨氏模量,此式比较精确些.这里a为3mm.为了电容在测低压时有一定的灵敏度,同时压力满量程时极板间有一定间距,假定P=100kPa时,极板间距为0.5m,同时假定极板上SiO2介质层的厚度为0.5m,则Wo=3.0m,经计算得h%92m.3）压力（Pr）计算对于方形膜片,经验公式:
Pr=（16/3）&r&h2/a2（4）这里,断裂应力r=7.0&109Pa、a=3&103m、h=92m,所以Pr=（16/3）&r&h2/a2=16/3&7.0&109&?
（92/3&103）2%3.5&107Pa可见静压16MPa、差压100kPa均小于断裂压力,因此,膜片无断裂损伤.4）电容的最终估算由于极板上存在SiO2介质层,所以零点电容的估算要把介质层考虑在内.假定SiO2层厚0.5m,介电常数?
r%3.9,则C0=?
0S?
r1?
r2/（?
r2d1+?
r1d2）（5）其中?
r1=1、d1=3.5m、?
r2=3.9、d2=0.5m,所以,C0=22.0pF.2.1.2?
结构尺寸的最终设计1）C0=22.9pF;2）d=4.0m;3）a=3mm;4）h=92m2.1.3?
其它取值及估算根据以上算法,取一些岛膜相关尺寸的可能值及估算,如表2.132辽宁大学学报?
自然科学版?
2005年?
表2?
岛膜相关尺寸岛边长a/mm电容电间距d/m差压满量程电容间距dmax/m零点电容C0/pF膜厚度h/m断裂压力pr*107Pa3.040.522.0923.53.540.530.01134.03.550.523.01033.24.040.539.01354.34.050.530.61233.54.060.525.21143.04.070.521.41072.74.071.021.41102.8?
以上只是通过各种公式来计算岛膜的相关尺寸,通过ANSYS软件来进行模拟仿真,验证数据的正确性以及改善数据.方形岛膜的最佳尺寸也就是通过ANSYS软件分析确定下来的.本文设计的硅岛膜尺寸初步定为:
岛边长a=5mm、膜边长b=7mm、敏感元件的整体尺寸为9&9mm2、膜厚度为h=90m、间隙d=8m等.2.2?
工艺流程的设计工艺流程的设计,是在借鉴外国产品设计的结构及查阅有关资料,在现有的工艺条件和技术水平允许的条件下进行的.其工艺流程主要分为4部分:
中心膜片的制备、固定电极的制备、元件的封装和电极的引出.其中,中心膜片即电容的中心电极已经被确定为硅材料,所以剩下主要考虑的是两边固定电极的制备.而固定电极的制备就需要着重考虑固定电极采用什么物质好,这直接关系到工艺的难易程度.2.2.1?
中心膜片的制备（如图1）1）进行热氧化,生成一定厚度的氧化层;2）双面对准光刻,腐蚀掉二氧化硅层;3）用湿法各向异性腐蚀液腐蚀出电容间隙;4）在两表面上进行无掩膜硼注入,表面浓度为1018/cm2以上;5）再次氧化,光刻出岛膜四周的沟槽;6）再次各向异性腐蚀,制出最终的岛膜;7）切片待用.2.2.2?
固定电极制备的工艺流程1）准备双面抛光玻璃;图1?
中心膜片的制备图2?
固定极板的制备流程2）按图2所示,将玻璃打出楔状孔;3）将此玻璃两面进行铝膜溅射;4）刻蚀铝膜,一面制作电容极板,另一面制作引线条,保护住导压孔内的铝膜;5）同样工艺制作另一玻璃极板;6）将硅岛膜与两玻璃极板进行静电封接;133?
第2期?
王中文,等:
硅电容式压力传感器7）铝膜从两玻璃的外面一侧引出,硅岛膜从多于露出的硅上引出.3?
结论本文在上述理论设计和实际试验的基础上,成功地做出了样品,经过精密仪器的测试,性能基本能够达到指标.对于电容式压力传感器,它有比其它原理结构的压力传感器许多优点:
?
全面强测量;低的能量和输入力;!
参数变化大、灵敏度高;）极低的内耗;动态响应高;+小的自热效应;,环境适应性好.对于电容中的硅膜片,岛膜比平膜有更好的线性.因为膜片在受外界压力的作用下,岛膜中的岛（即电容的可动极板）能够很好的平行移动,实现了线性化,而平膜就会出现各点挠度大不相同,存在非线性,对于后续电路补偿带来难度,不易于线性化.另外,双电容结构要比单电容结构的灵敏度高一倍,为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精确度的影响,常常采用双电容结构.本课题最终采用的电容结构为玻璃硅岛膜玻璃三层结构,固定极板是采用在玻璃两侧溅射铝膜来制作的,导线从导压孔引出.这种结构在工艺上流程简单,适合现有的工艺条件和技术水平,适于批量生产,成本低廉,现已做出大量样品.参考文献:
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wen1,WANGLi?
juan2（1.DepartmentofPhysics,LiaoningUniversity,Shenyang110036,China;2.CollegeofLightIndustry,LiaoningUniversity,Shenyang110036,China）Abstrac:
t?
Thispaper,basedoncomparingtheindustrializationdifficultyofmanydesignplan,givesthebestdesignplan,whichaccordswiththeconditionofprocessandiseasytoproduceandcompatiblewithotherconductors.Finally,wegivethedetailprocessoftheMEMS.Keywords:
?
siliconcapacitance;micro-mechanica;ldifferentpressuresensor;MEMS.（责任编辑?
郑绥乾）134辽宁大学学报?
自然科学版?
2005年?
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