中心議題：

• 介紹微型電容氣象壓力傳感器的基本原理和結構
• 說明該設計的流程工藝、選材並經過實驗得出結果

解決方案：

• 薄膜材料選擇單晶矽，采用接觸式結構，利用陽極鍵合形成真空腔
• 由KOH各向異性腐蝕和深刻蝕形成矽薄膜

引言
大氣壓力傳感器在工業生產
、氣象預報

、氣候分析、環境監測
、航空航天等方麵發揮著不可替代的作用。傳統的壓力傳感器一般為機械式，體積比較大
，不利於微型化和集成化。利用MEMS技術不僅可以解決上述缺點，還能極大地降低成本，而性能更為優異。如今基於MEMS技術得到廣泛應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，芯片結構更具魯棒性
，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於過壓測量
，用於氣象壓力測量的較少且價格昂貴。為此
，本文研製了一種高性能


、低di成cheng本ben的de微wei型xing電dian容rong氣qi象xiang壓ya力li傳chuan感gan器qi，整zheng個ge流liu程cheng工gong藝yi簡jian單dan標biao準zhun，薄bo膜mo材cai料liao選xuan擇ze單dan晶jing矽gui
，采cai用yong接jie觸chu式shi結jie構gou，利li用yong陽yang極ji鍵jian合he形xing成cheng真zhen空kong腔qiang
，最zui後hou由youKOH各向異性腐蝕和深刻蝕形成矽薄膜。試驗結果表明，該傳感器適用於氣象壓力測量。

基本原理和結構
電容式壓力傳感器的基本結構如圖1所示。式中：ε0為真空中的介電常數;t為絕緣層的厚度;εr為絕緣層的相對介電常數;g為零載荷時電容器兩極板之間的初始距離;ω(x，y)為極板膜的中平麵的垂向位移。
 

　　
 
 
由(you)公(gong)式(shi)可(ke)知(zhi)，外(wai)界(jie)壓(ya)力(li)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)電(dian)容(rong)的(de)極(ji)板(ban)麵(mian)積(ji)和(he)間(jian)距(ju)來(lai)改(gai)變(bian)電(dian)容(rong)。隨(sui)著(zhe)壓(ya)力(li)慢(man)慢(man)增(zeng)大(da)，電(dian)容(rong)因(yin)極(ji)板(ban)間(jian)距(ju)減(jian)小(xiao)而(er)增(zeng)大(da)
，此(ci)時(shi)電(dian)容(rong)值(zhi)由(you)非(fei)接(jie)觸(chu)電(dian)容(rong)來(lai)決(jue)定(ding);當兩極板接觸時，電容的大小則主要由接觸電容來決定。

傳感器的設計與製造
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摻雜p型矽、Si3N4、單dan晶jing矽gui等deng。這zhe幾ji種zhong材cai料liao都dou各ge有you優you缺que點dian，其qi選xuan擇ze與yu目mu標biao要yao求qiu和he具ju體ti工gong藝yi相xiang關guan。矽gui膜mo不bu破po壞huai晶jing格ge，機ji械xie性xing能neng優you異yi
，適shi於yu陽yang極ji鍵jian合he形xing成cheng空kong腔qiang，從cong簡jian化hua工gong藝yi的de目mu的de出chu發fa，本ben方fang案an選xuan擇ze矽gui膜mo。

利用有限元分析軟件ANSYS對接觸式結構的薄膜工作狀態進行了模擬。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邊角基本不受應力，四邊中央應力最大為1.07 MPa
，小於矽的屈服應力7 MPa，其應力分布如圖2所示。
 

 
整個製造流程都采用標準工藝，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停刻槽，如果矽片厚度一致且KOH腐蝕速率均勻
，此法可以在相當程度上等效於自停止腐蝕。從玻璃上引出電容兩電極，然後和矽片進行陽極鍵合。鍵合片利用KOH腐蝕減薄後反應離子深刻蝕露出測量電極。
　　
 

 
關鍵工藝
a. KOH各向異性腐蝕
在各種各向異性腐蝕方法裏麵
，KOH腐蝕簡單實用，成本低廉。在矽片大麵積


、大深度腐蝕的情況下，KOH腐蝕容易影響矽片表麵的形狀和光潔度，如何選擇合適的溶液配比起著重要的作用。在KOH質量分數為20%～40%
，矽片電阻率為0.05 Ω?cm

，80℃水浴恒溫的條件下，隨著KOH濃度的提高，腐蝕表麵有著很明顯的變化：凸起的小丘逐漸由圓錐變成八棱錐進而變成四棱錐，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
，出現四棱台，如圖4(b)所示
，棱台深度多為幾個微米，底邊長一兩百微米;再加大KOH濃度，小坑形狀發生變化
，完整的四棱台坑幾乎消失，多為斜坡狀的半四棱台小坑，如圖4(c)所示，坡高1～2μm

，邊長10μm以內。

四棱錐和四棱台的四個斜麵對應於腐蝕速率最低的(111)係列晶麵。當濃度較低時
，(100)和(111)晶麵的腐蝕速率比小，所以出現小丘;當濃度增大時
，(100)和(111)晶麵的腐蝕速率比增大，所以出現小坑;濃度達到一定程度後，(100)和(111)晶麵的腐蝕速率比趨於穩定
，依然出坑，而(110)和(111)晶麵的腐蝕速率比增大
，從而產生斜坡。隻有調整KOH的濃度
，得到匹配的(100)
、(110)、(111)晶麵的腐蝕速率，才能獲得較好的腐蝕表麵。試驗還表明，溫度主要影響腐蝕速率，對矽片腐蝕形貌影響不大。
 

　　
 
 
b. 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，是因為陽極鍵合比Si—Si鍵合的要求低。首先溫度隻需要400～500℃
，其次表麵光潔度要求也相對較低。本工藝過程中存在金屬電極
，不適於用高溫;鍵合麵存在高約1400 nm，寬為20μm的電極引線，鍵合麵的SiO2經過一定程度的KOH各向異性腐蝕後粗糙度為100nm左右
，經過試驗證明，鍵合情況良好(圖5)
，並具有良好的密封效果。
　　
 

 
 
c.反應離子深刻蝕
反應離子深刻蝕(DRIE)能刻出非常深的垂直結構，本試驗用於最後矽薄膜的形成。DRIE的刻蝕效果(刻深為250 μm)沒有KOH腐蝕的平坦
，刻蝕表麵比較粗糙，表麵顆粒起伏為幾個微米

，如圖6。此外刻蝕存在不均勻性
，75 mmguipiansizhouyijingkedaodianjiluchu，erguipianzhongyangdedianjihaimeiyouluchu。shenkeshidebujunyunxingyukeshibiaomiandetuxingyouzhemiqiedelianxi，danqizhongdechengyinhejilimuqianhaimeiyoujutihelidelilunhejieshishuoming。yinerwufaconglilunshangzhidaoguihuakeshibiaomiandexingzhuangsheji，gengduodeshiyikaojingyanshoudongdiaozheng。
　　
 

 
試驗結果與分析
製成的傳感器樣片。薄膜尺寸為2 mm×2 mm，膜厚理淪設計為10 μm
，但由於矽片本身厚度存在±20 μm的起伏誤差，且經過KOH各向異性腐蝕以及反應離子深刻蝕之後已經難以保證設計要求
，實際膜厚10～30μm不等。

在室溫19.34℃的條件下
，對壓力傳感器進行測量。測量設備為Druck的DPI610IS，測量電路采用了AD公司的AD7745電容測量芯片，精度能達到4 fF。測量曲線如圖7所示

，測試精度為8.1‰。由you於yu矽gui薄bo膜mo較jiao厚hou

，測ce量liang範fan圍wei內nei的de線xian性xing部bu分fen不bu多duo，此ci外wai電dian容rong電dian極ji的de麵mian積ji利li用yong率lv不bu高gao使shi得de電dian容rong的de變bian化hua量liang也ye小xiao，這zhe些xie都dou是shi造zao成cheng性xing能neng不bu高gao的de主zhu要yao原yuan因yin
，但dan由you圖tu可ke以yi看kan出chu測ce量liang曲qu線xian存cun在zai很hen好hao的de一yi致zhi性xing和he重zhong複fu性xing。
　　
 

 
結論
利li用yong矽gui膜mo的de良liang好hao機ji械xie特te性xing，采cai用yong接jie觸chu式shi的de結jie構gou，通tong過guo簡jian單dan標biao準zhun的de工gong藝yi製zhi造zao出chu了le電dian容rong式shi壓ya力li傳chuan感gan器qi樣yang片pian。經jing過guo對dui傳chuan感gan器qi的de測ce試shi和he分fen析xi，證zheng明ming這zhe種zhong傳chuan感gan器qi可ke應ying用yong於yu氣qi象xiang壓ya力li的de測ce量liang。如ru何he改gai進jin結jie構gou設she計ji和he工gong藝yi製zhi造zao，提ti高gao傳chuan感gan器qi的de測ce量liang精jing度du是shi下xia一yi步bu研yan究jiu工gong作zuo的de重zhong點dian。