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MEMS硅膜电容式气象压力传感器的研制

发布时间:2019-05-26 05:50

  大气压力传感器在工业生产、气象预报、气候分析、环境监测、航空航天等方面发挥着不可替代的作用。传统的压力传感器一般为机械式,体积比较大,不利于微型化和集成化。利用技术不仅可以解决上述缺点,还能极大地降低成本,而性能更为优异。如今基于技术得到广泛应用的压力传感器主要有压阻式和电容式两大类,压阻式压力传感器的线性度很好,但精度一般,温漂大,一致性差;电容式压力传感器与之相比,精度更高,温漂小,芯片结构更具鲁棒性,但线性度差且易受寄生电容的影响。目前电容式压力传感器多用于过压测量,用于气象压力测量的较少且价格昂贵。为此,本文研制了一种高性能、低成本的微型电容气象压力传感器,整个流程工艺简单标准,薄膜材料选择单晶硅,采用接触式结构,利用阳极键合形成真空腔,最后由KOH各向异性腐蚀和深刻蚀形成硅薄膜。试验结果表明,该传感器适用于气象压力测量。

  电容式压力传感器的基本结构如图1所示。式中:0为真空中的介电常数;t为绝缘层的厚度;r为绝缘层的相对介电常数;g为零载荷时电容器两极板之间的初始距离;(x,y)为极板膜的中平面的垂向位移。

  由公式可知,外界压力通过改变电容的极板面积和间距来改变电容。随着压力慢慢增大,电容因极板间距减小而增大,此时电容值由非接触电容来决定;当两极板接触时,电容的大小则主要由接触电容来决定。

  目前敏感薄膜的材料多采用重掺杂p型硅、Si3N4、单晶硅等。这几种材料都各有优缺点,其选择与目标要求和具体工艺相关。硅膜不破坏晶格,机械性能优异,适于阳极键合形成空腔,从简化工艺的目的出发,本方案选择硅膜。

  利用有限元分析软件ANSYS对接触式结构的薄膜工作状态进行了模拟。材料为Si,膜的形状为正方形,边长1000 m,膜厚5 m,极板间距10 m。在1.01×105Pa的大气压力下,薄膜中央接触部分及四个边角基本不受应力,四边中央应力最大为1.07 MPa,小于硅的屈服应力7 MPa,其应力分布如图2所示。

  整个制造流程都采用标准工艺,如图3所示。先热氧化100 nm的SiO2,既作为腐蚀Si的掩膜,又作为电容两电极的绝缘层。利用各向异性腐蚀形成电容空腔和将来露电极的停刻槽,如果硅片厚度一致且KOH腐蚀速率均匀,此法可以在相当程度上等效于自停止腐蚀。从玻璃上引出电容两电极,然后和硅片进行阳极键合。键合片利用KOH腐蚀减薄后反应离子深刻蚀露出测量电极。

  在各种各向异性腐蚀方法里面,KOH腐蚀简单实用,成本低廉。在硅片大面积、大深度腐蚀的情况下,KOH腐蚀容易影响硅片表面的形状和光洁度,如何选择合适的溶液配比起着重要的作用。在KOH质量分数为20%~40%,硅片电阻率为0.05 ?cm,80℃水浴恒温的条件下,随着KOH浓度的提高,腐蚀表面有着很明显的变化:凸起的小丘逐渐由圆锥变成八棱锥进而变成四棱锥,如图4(a)所示,棱锥高度多为几十微米,底边长一两百微米;提高KOH浓度,小丘消失,出现四棱台,如图4(b)所示,棱台深度多为几个微米,底边长一两百微米;再加大KOH浓度,小坑形状发生变化,完整的四棱台坑几乎消失,多为斜坡状的半四棱台小坑,如图4(c)所示,坡高1~2m,边长10m以内。

  四棱锥和四棱台的四个斜面对应于腐蚀速率最低的(111)系列晶面。当浓度较低时,(100)和(111)晶面的腐蚀速率比小,所以出现小丘;当浓度增大时,(100)和(111)晶面的腐蚀速率比增大,所以出现小坑;浓度达到一定程度后,(100)和(111)晶面的腐蚀速率比趋于稳定,依然出坑,而(110)和(111)晶面的腐蚀速率比增大,从而产生斜坡。只有调整KOH的浓度,得到匹配的(100)、(110)、(111)晶面的腐蚀速率,才能获得较好的腐蚀表面。试验还表明,温度主要影响腐蚀速率,对硅片腐蚀形貌影响不大。

  目前真空腔的形成多采用SiSi键合或者阳极键合。本方案采用阳极键合,是因为阳极键合比SiSi键合的要求低。首先温度只需要400~500℃,其次表面光洁度要求也相对较低。本工艺过程中存在金属电极,不适于用高温;键合面存在高约1400 nm,宽为20m的电极引线经过一定程度的KOH各向异性腐蚀后粗糙度为100nm左右,经过试验证明,键合情况良好(图5),并具有良好的密封效果。

  反应离子深刻蚀(DRIE)能刻出非常深的垂直结构,本试验用于最后硅薄膜的形成。DRIE的刻蚀效果(刻深为250 m)没有KOH腐蚀的平坦,刻蚀表面比较粗糙,表面颗粒起伏为几个微米,如图6。此外刻蚀存在不均匀性,75 mm硅片四周已经刻到电极露出,而硅片中央的电极还没有露出。深刻蚀的不均匀性与刻蚀表面的图形有着密切的联系,但其中的成因和机理目前还没有具体合理的理论和解释说明。因而无法从理论上指导规划刻蚀表面的形状设计,更多的是依靠经验手动凋整。

  制成的传感器样片。薄膜尺寸为2 mm×2 mm,膜厚理沦设计为10 m,但由于硅片本身厚度存在20 m的起伏误差,且经过KOH各向异性腐蚀以及反应离子深刻蚀之后已经难以保证设计要求,实际膜厚10~30m不等。

  在室温19.34℃的条件下,对压力传感器进行测量。测量设备为Druck的DPI610IS,测量电路采用了AD公司的AD7745电容测量芯片,精度能达到4 fF。测量曲线。由于硅薄膜较厚,测量范围内的线性部分不多,此外电容电极的面积利用率不高使得电容的变化量也小,这些都是造成性能不高的主要原因,但由图可以看出测量曲线存在很好的一致性和重复性。

  利用硅膜的良好机械特性,采用接触式的结构,通过简单标准的工艺制造出了电容式压力传感器样片。经过对传感器的测试和分析,证明这种传感器可应用于气象压力的测量。如何改进结构设计和工艺制造,提高传感器的测量精度是下一步研究工作的重点。



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