電容式MEMS差壓壓力傳感器的設(shè)計(jì)與制造*

侯智昊，趙雪瑩，王增智

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，沈陽(yáng)110136；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

1 引言

MEMS電容式壓力傳感器由一個(gè)可動(dòng)電極和一個(gè)固定電極構(gòu)成。以硅微納米加工技術(shù)制造的硅膜，在壓力的作用下會(huì)發(fā)生形變，與金屬固定電極之間的電容發(fā)生變化，故此可作為可動(dòng)電極，通過檢測(cè)電容變化實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的檢測(cè)。由于硅材料在屈服強(qiáng)度、塑性形變等機(jī)械特性方面具有極其優(yōu)異的特性，因此利用硅材料制作的MEMS電容式壓力傳感器與傳統(tǒng)的金屬膜盒式電容式壓力傳感器相比在長(zhǎng)期穩(wěn)定性、精度及靈敏度等方面具有極大優(yōu)勢(shì)，更適合用來滿足高性能、高可靠性等方面的應(yīng)用需求。

與MEMS壓阻式壓力傳感器相比，由于MEMS電容式壓力傳感器利用電容原理檢測(cè)壓力，因此在溫度漂移、檢測(cè)靈敏度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等方面均具有較大優(yōu)勢(shì)，尤其在靈敏度方面甚至比壓阻式壓力傳感器高一個(gè)量級(jí)以上。由于MEMS電容式壓力傳感器的優(yōu)異性能，國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)和公司對(duì)其開展深入研究[1-4]，其中芬蘭Vaisala公司研制的MEMS電容式壓力傳感器，以其在靈敏度方面的優(yōu)異表現(xiàn)，更是在火星探測(cè)中獲得應(yīng)用[5]。日本富士公司的工業(yè)壓力變送器，也使用MEMS電容式壓力傳感器作為傳感元件，獲得廣泛應(yīng)用。

故此設(shè)計(jì)一種采用硅-玻璃結(jié)構(gòu)的MEMS電容式差壓壓力傳感器。利用MEMS微納米加工技術(shù)和硅-玻璃陽(yáng)極鍵合工藝制成MEMS敏感元件，并通過測(cè)試，獲得了MEMS電容式壓力傳感器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

2 工作原理

MEMS電容式壓力傳感器工作原理如圖1所示。器件由硅膜構(gòu)成的可動(dòng)電極和在Pyrex玻璃上利用金屬薄膜制成的固定電極兩部分構(gòu)成。當(dāng)硅膜兩側(cè)的壓力相等時(shí)，硅膜處于平衡狀態(tài)，并不發(fā)生任何邊形，此時(shí)硅膜可動(dòng)電極和固定電極之間的偶合電容為0kPa時(shí)的輸出電容；當(dāng)硅膜兩側(cè)的壓力不同時(shí)，硅膜在壓力的作用下發(fā)生形變，引起硅膜可動(dòng)電極和固定電極之間偶合電容的變化，此時(shí)硅膜可動(dòng)電極和固定電極之間的偶合電容為當(dāng)前壓力下的輸出電容[6-7]。

3 工藝流程

MEMS電容式壓力傳感器工藝流程如圖2所示。其工藝流程主要由兩部分構(gòu)成：第一部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)硅襯底的加工，利用硅各向異性腐蝕實(shí)現(xiàn)硅杯結(jié)構(gòu)，再通過ICP刻蝕生成硅膜可動(dòng)電極結(jié)構(gòu)；第二部分主要是要在Pyrex玻璃襯底上利用金屬淀積工藝及圖形化工藝來實(shí)現(xiàn)金屬固定電極結(jié)構(gòu)。通過硅-玻璃陽(yáng)極鍵合，實(shí)現(xiàn)玻璃上的pad與硅可動(dòng)電極的互聯(lián)來完成MEMS電容結(jié)構(gòu)，并通過劃片獲得分立的MEMS電容式壓力傳感器芯片。圖3為所獲得的MEMS電容式壓力傳感器芯片和封裝后的實(shí)物照片。

圖2 MEMS電容式壓力傳感器制造工藝流程

圖3 MEMS電容式壓力傳感器實(shí)物圖片

4 實(shí)際測(cè)試

利用GE PACE5000高精度壓力控制器來控制施加在MEMS電容式壓力傳感器上的壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)其測(cè)量。再利用ADI公司的AD7746實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS電容式壓力傳感器輸出電容的測(cè)量[8]。針對(duì)高端電子血壓計(jì)的應(yīng)用，在0~40kPa的范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)施加0kPa的壓力時(shí)，其輸出電容為5.4pF；當(dāng)施加40kPa壓力時(shí)，其輸出電容為7.3pF，電容變化率達(dá)到35%。測(cè)試數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。其中圖4(a)為電容-壓力曲線；圖4(b)為1/電容-壓力曲線。

在MEMS電容式壓力傳感器實(shí)際應(yīng)用中，由于壓力與電容的非線性，使得MEMS電容式壓力傳感器的測(cè)量誤差不僅與器件本身有關(guān)，更與數(shù)據(jù)處理的算法有關(guān)。故此在數(shù)據(jù)處理過程中分別使用線性擬合和最小二乘法。其中最小二乘法的處理算法主要是用于進(jìn)一步降低誤差。

MEMS電容式壓力傳感器的測(cè)量誤差如圖5所示。其中圖5(a)使用了線性擬合法；圖5(b)使用最小二乘法擬合。從中可以看出，利用線性擬合法其誤差小于0.6kPa；利用最小二乘法擬合其誤差僅為0.16kPa。MEMS電容式壓力傳感器的誤差，主要是由電容和壓力之間的非線性引起，可通過單片機(jī)結(jié)合相關(guān)算法減少此誤差。通過分析可知，利用最小二乘法可以大大減少測(cè)量誤差，滿量程測(cè)量誤差低于0.4%FS，滿足大部分應(yīng)用需求。

圖4 MEMS電容式壓力傳感器的測(cè)試曲線

圖5 MEMS電容式壓力傳感器誤差

5 結(jié)束語(yǔ)

利用微納米加工工藝設(shè)計(jì)和制備的此款MEMS電容式壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量范圍內(nèi)的輸出電容以及量程范圍內(nèi)電容變化率的設(shè)計(jì)目標(biāo)。利用線性擬合，MEMS電容式壓力傳感器的測(cè)量誤差有顯著降低。利用最小二乘法擬合并結(jié)合單片機(jī)算法，其滿量程誤差也達(dá)到令人滿意的程度，可在實(shí)踐中滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)合下的器件功能需求。