MEMS硅膜电容式压力传感器的基本原理和结构设计

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。

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。