硅电容式压力传感器_王中文

　　辽宁大学学报

　　　自然科学版第32卷　第2期　2005年

JOURNALOFLIAONINGUNIVERSITY

　　　　　NaturalSciencesEdition

　　　　　　Vol.32　No.2　2005

硅电容式压力传感器

王中文,王丽娟

(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:100025846(2005)0220131204

　　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、检测等.,较大,.,给出了合,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.

.薄的时候,所,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

(1)C=ε0εrS0/d0

式中ε0为真空中的介电常数,εr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:①改变介质的相对介电常数εr;②改变极板的相对面积S0;③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ΔC,从而可以反映出外界因素

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

3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:2003208212

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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(0.01μm～数百μm)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≥20pF

对称性±5pF

适用温度

稳定性

回差、重复性±0.03%FS

差压量程

100kPa

量程变化20:-30～85℃0.2%FS/6个月

2.1.1中心膜片的设计

1)零点电容有关尺寸的计算

)r,,经验公式:

δ(4)计算如下:Pr=(16/3)×h/ar×

(2)C=εr这里,断裂应力δ.0×10Pa、a=3×10μm、h0S/dr=7

=92μm,所以

-12229

ε零点电容C0.所以ε.854×10F/m、δPr=(16/3)×h/a=16/3×7.0×10×r≈1、0=8r×

327

C0=20pF,则　　(92/3×10)≈3.5×10Pa

εrεS/d=C0/100=20×

-123

/8.854×10

-12

≈

　　2.26m=2.26×10mm

根据现有的工艺条件以及工艺制作的方便性,岛

μm,那么,膜采用方形结构.假定电容间距d=4.0

S=9.04mm,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α,即α=a/b,根据以

μ此时膜片挠度Wo与膜片尺往经验α一般取0.5

寸、厚度的关系为:-1343

(3)Wo≈0.18×10P(2a)/h

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0.5μm,同时假定极板上SiO2介质层的厚度为0.5μm,则Wo=

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0.5μm,介电常数εr≈3.9,则

εr1εr2/(εr2d1+εr1d2)〕(5)C0=ε0S〔

ε其中εr1=1、d1=3.5μm、.9、d2=0.5r2=3

μm,所以,C0=22.0pF.2.1.2　结构尺寸的最终设计

1)C0=22.9pF;2)d=4.0μm;3)a=3mm;4)h=92μm

2.1.3　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.

　　　第2期　　　　　　　　　王中文,等:硅电容式压力传感器

表2　岛膜相关尺寸

岛边长

a/mm

133

电容电间距差压满量程电容间距

μmdmax/d/μm

44545677

0.50.50.50.50.50.50.51.0

零点电容

C0/pF膜厚度

μmh/

[***********]07110

断裂压力

pr3107Pa

3.54.03.24.33.53.02.72.8

3.03.53.54.04.04.04.04.0

22.030.023.039.030.625.221.421.4

　　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

2为9×9mm、膜厚度为h=90μm、间隙d=8μ等.2.2　,图1　

中心膜片的制备

,.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10/cm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;

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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:①全面强测量;②低的能量和输入力;③参数变化大、灵敏度高;④极低的内耗;⑤动态响应高;⑥小的自热效应;⑦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,度高一倍,)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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SiliconPressureSensorofCapacitance

WANGZhong2wen,WANGLi2juan

(1.DepartmentofPhysics,LiaoningUniversity,Shenyang110036,China;

2.CollegeofLightIndustry,LiaoningUniversity,Shenyang110036,China)

Abstract:　Thispaper,basedoncomparingtheindustrializationdifficultyofmanydesignplan,givesthe

bestdesignplan,whichaccordswiththeconditionofprocessandiseasytoproduceandcompatiblewithotherconductors.Finally,wegivethedetailprocessoftheMEMS.

Keywords:　siliconcapacitance;micro-mechanical;differentpressuresensor;MEMS.

(责任编辑　郑绥乾)