MEMS硅膜电容式气象压力传感器的研制

2008-05-19 15:51:14来源: 佳工机电网

  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。 (end)

关键字:压力传感器  腐蚀速率  晶面  KOH  电容式  键合  硅膜  刻蚀  测量曲线  线性度

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2008/0519/article_159.html
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