1、 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、航空航天等方面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，不利于微型化和集成化。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。如今基于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于過壓測量，用于氣象壓力測量的較少且價格昂貴。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，整個流程工藝簡單標準，薄膜材料選擇單晶硅，采用接觸式結構，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。試驗結果表明，該傳感器適用于氣象壓力測量。

2、 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，此時電容值由非接觸電容來決定；當兩極板接觸時，電容的大小則主要由接觸電容來決定。

3、 傳感器的設計與制造

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摻雜p型硅、Si3N4、單晶硅等。這幾種材料都各有優缺點，其選擇與目標要求和具體工藝相關。硅膜不破壞晶格，機械性能優異，適于陽極鍵合形成空腔，從簡化工藝的目的出發，本方案選擇硅膜。

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1.01105Pa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，小于硅的屈服應力7 MPa，其應力分布如圖2所示。

整個制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，如果硅片厚度一致且KOH腐蝕速率均勻，此法可以在相當程度上等效于自停止腐蝕。從玻璃上引出電容兩電極，然后和硅片進行陽極鍵合。鍵合片利用KOH腐蝕減薄后反應離子深刻蝕露出測量電極。

4、 關鍵工藝

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質量分數為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，出現四棱臺，如圖4（b）所示，棱臺深度多為幾個微米，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。

四棱錐和四棱臺的四個斜面對應于腐蝕速率最低的（111）系列晶面。當濃度較低時，（100）和（111）晶面的腐蝕速率比小，所以出現小丘；當濃度增大時，（100）和（111）晶面的腐蝕速率比增大，所以出現小坑；濃度達到一定程度后，（100）和（111）晶面的腐蝕速率比趨于穩定，依然出坑，而（110）和（111）晶面的腐蝕速率比增大，從而產生斜坡。只有調整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，是因為陽極鍵合比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經過一定程度的KOH各向異性腐蝕后粗糙度為100nm左右，經過試驗證明，鍵合情況良好（圖5），并具有良好的密封效果。

4.3 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微米，如圖6。此外刻蝕存在不均勻性，75 mm硅片四周已經刻到電極露出，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系，但其中的成因和機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規劃刻蝕表面的形狀設計，更多的是依靠經驗手動凋整。

5 、試驗結果與分析

制成的傳感器樣片。薄膜尺寸為2 mm2 mm，膜厚理淪設計為10 μm，但由于硅片本身厚度存在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后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‰。由于硅薄膜較厚，測量范圍內的線性部分不多，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性。

6、 結論

利用硅膜的良好機械特性，采用接觸式的結構，通過簡單標準的工藝制造出了電容式壓力傳感器樣片。經過對傳感器的測試和分析，證明這種傳感器可應用于氣象壓力的測量。如何改進結構設計和工藝制造，提高傳感器的測量精度是下一步研究工作的重點。

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