MEMS硅膜電容式氣象壓力傳感器的研制

　　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、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壓測量，用于氣象壓力測量的較少且價(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，外界壓力通過改變電容的極板面積和間距來改變電容。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，適于陽極鍵合形成空腔，從簡化工藝的目的出發(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露電極的?？滩郏绻杵穸纫恢虑襅OH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)離子深刻蝕露出測量電極。

　　4 關(guān)鍵工藝

　　4.1 KOH各向異性腐蝕

　　在各種各向異性腐蝕方法里面，KOH腐蝕簡單實(shí)用，成本低廉。在硅片大面積、大深度腐蝕的情況下，KOH腐蝕容易影響硅片表面的形狀和光潔度，如何選擇合適的溶液配比起著重要的作用。在KOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～40%，硅片電阻率為0.05 Ω?cm，80℃水浴恒溫的條件下，隨著KOH濃度的提高，腐蝕表面有著很明顯的變化：凸起的小丘逐漸由圓錐變成八棱錐進(jìn)而變成四棱錐，如圖4(a)所示，棱錐高度多為幾十微米，底邊長一兩百微米;提高KOH濃度，小丘消失，出現(xiàn)四棱臺，如圖4(b)所示，棱臺深度多為幾個(gè)微米，底邊長一兩百微米;再加大KOH濃度，小坑形狀發(fā)生變化，完整的四棱臺坑幾乎消失，多為斜坡狀的半四棱臺小坑，如圖4(c)所示，坡高1～2μm，邊長10μm以內(nèi)。

　　四棱錐和四棱臺的四個(gè)斜面對應(yīng)于腐蝕速率最低的(111)系列晶面。當(dāng)濃度較低時(shí)，(100)和(111)晶面的腐蝕速率比小，所以出現(xiàn)小丘;當(dāng)濃度增大時(shí)，(100)和(111)晶面的腐蝕速率比增大，所以出現(xiàn)小坑;濃度達(dá)到一定程度后，(100)和(111)晶面的腐蝕速率比趨于穩(wěn)定，依然出坑，而(110)和(111)晶面的腐蝕速率比增大，從而產(chǎn)生斜坡。只有調(diào)整KOH的濃度，得到匹配的(100)、(110)、(111)晶面的腐蝕速率，才能獲得較好的腐蝕表面。試驗(yàn)還表明，溫度主要影響腐蝕速率，對硅片腐蝕形貌影響不大。

　　4.2 陽極鍵合

　　目前真空腔的形成多采用Si—Si鍵合或者陽極鍵合。本方案采用陽極鍵合，是因?yàn)殛枠O鍵合比Si—Si鍵合的要求低。首先溫度只需要400～500℃，其次表面光潔度要求也相對較低。本工藝過程中存在金屬電極，不適于用高溫;鍵合面存在高約1400 nm，寬為20μm的電極引線，鍵合面的SiO2經(jīng)過一定程度的KOH各向異性腐蝕后粗糙度為100nm左右，經(jīng)過試驗(yàn)證明，鍵合情況良好(圖5)，并具有良好的密封效果。

　　4.3 反應(yīng)離子深刻蝕

　　反應(yīng)離子深刻蝕(DRIE)能刻出非常深的垂直結(jié)構(gòu)，本試驗(yàn)用于最后硅薄膜的形成。DRIE的刻蝕效果(刻深為250 μm)沒有KOH腐蝕的平坦，刻蝕表面比較粗糙，表面顆粒起伏為幾個(gè)微米，如圖6。此外刻蝕存在不均勻性，75 mm硅片四周已經(jīng)刻到電極露出，而硅片中央的電極還沒有露出。深刻蝕的不均勻性與刻蝕表面的圖形有著密切的聯(lián)系，但其中的成因和機(jī)理目前還沒有具體合理的理論和解釋說明。因而無法從理論上指導(dǎo)規(guī)劃刻蝕表面的形狀設(shè)計(jì)，更多的是依靠經(jīng)驗(yàn)手動凋整。

　　5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　制成的傳感器樣片。薄膜尺寸為2 mm×2 mm，膜厚理淪設(shè)計(jì)為10 μm，但由于硅片本身厚度存在±20 μm的起伏誤差，且經(jīng)過KOH各向異性腐蝕以及反應(yīng)離子深刻蝕之后已經(jīng)難以保證設(shè)計(jì)要求，實(shí)際膜厚10～30μm不等。

　　在室溫19.34℃的條件下，對壓力傳感器進(jìn)行測量。測量設(shè)備為Druck的DPI610IS，測量電路采用了AD公司的AD7745電容測量芯片，精度能達(dá)到4 fF。測量曲線如圖7所示，測試精度為8.1‰。由于硅薄膜較厚，測量范圍內(nèi)的線性部分不多，此外電容電極的面積利用率不高使得電容的變化量也小，這些都是造成性能不高的主要原因，但由圖可以看出測量曲線存在很好的一致性和重復(fù)性。

　　6 結(jié)論

　　利用硅膜的良好機(jī)械特性，采用接觸式的結(jié)構(gòu)，通過簡單標(biāo)準(zhǔn)的工藝制造出了電容式壓力傳感器樣片。經(jīng)過對傳感器的測試和分析，證明這種傳感器可應(yīng)用于氣象壓力的測量。如何改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝制造，提高傳感器的測量精度是下一步研究工作的重點(diǎn)。