MEMS硅膜电容式气象压力传感器的研制

1 引言 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MEMS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MEMS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MEMS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。 2 基本原理和结构 电容式压力传感器的基本结构如图1所示。式中：ε0为真空中的介电常数;t为绝缘层的厚度;εr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;ω（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。 3 传感器的设计与制造 敏感薄膜是传感器最核心的部件，其材料、尺寸和厚度决定着传感器的性能。 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 μm，膜厚5 μm，极板间距10 μm。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。 4 关键工艺 4.1 KOH各向异性腐蚀 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 Ω?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1～2μm，边长10μm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。 4.2 阳极键合 目前真空腔的形成多采用Si—Si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Si—Si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20μm的电极引线，键合面的SiO2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。 4.3 反应离子深刻蚀 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 μm）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。 5 试验结果与分析 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 μm，但由于硅片本身厚度存在±20 μm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10～30μm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。测量曲线如图7所示，测试精度为8.1‰。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。 6 结论 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。