1、 导言
大气压力传感器在工业生产、气候预报、气候剖析、环境监测、航空航天等方面发挥着不行代替的作用。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。使用MEMS技能不只能够处理上述缺陷，还能极大地降低本钱，而功能更为优异。现在根据MEMS技能得到广泛应用的压力传感器首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，共同性差；电容式压力传感器与之比较，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。现在MEMS电容式压力传感器多用于过压丈量，用于气候压力丈量的较少且价格昂贵。为此，本文研发了一种高功能、低本钱的微型电容气候压力传感器，整个流程工艺简略规范，薄膜资料挑选单晶硅，选用触摸式结构，使用阳极键合构成真空腔，最终由KOH各向异性腐蚀和深刻蚀构成硅薄膜。实验结果标明，该传感器适用于气候压力丈量。
2、 根本原理和结构
电容式压力传感器的根本结构如图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间隔；ω（x，y）为极板膜的中平面的垂向位移。
由公式可知，外界压力通过改动电容的极板面积和距离来改动电容。跟着压力渐渐增大，电容因极板距离减小而增大，此刻电容值由非触摸电容来决议；当两极板触摸时，电容的大小则首要由触摸电容来决议。
3、 传感器的规划与制作
灵敏薄膜是传感器最中心的部件，其资料、尺度和厚度决议着传感器的功能。
现在灵敏薄膜的资料多选用重掺杂p型硅、Si3N4、单晶硅等。这几种资料都各有优缺陷，其挑选与方针要求和详细工艺相关。硅膜不损坏晶格，机械功能优异，适于阳极键合构成空腔，从简化工艺的意图动身，本方案挑选硅膜。
使用有限元剖析软件ANSYS对触摸式结构的薄膜作业状况进行了模仿。资料为Si，膜的形状为正方形，边长1000 μm，膜厚5 μm，极板距离10 μm。在1.01105Pa的大气压力下，薄膜中心触摸部分及四个边角根本不受应力，四边中心应力最大为1.07 MPa，小于硅的屈服应力7 MPa，其应力散布如图2所示。
整个制作流程都选用规范工艺，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。使用各向异性腐蚀构成电容空腔和将来露电极的停刻槽，假如硅片厚度共同且KOH腐蚀速率均匀，此法能够在相当程度上等效于自中止腐蚀。从玻璃上引出电容两电极，然后和硅片进行阳极键合。键合片使用KOH腐蚀减薄后反响离子深刻蚀显露丈量电极。
4、 要害工艺
4.1 KOH各向异性腐蚀
在各种各向异性腐蚀办法里边，KOH腐蚀简略有用，本钱低价。在硅片大面积、大深度腐蚀的状况下，KOH腐蚀简略影响硅片外表的形状和光洁度，怎么挑选适宜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，跟着KOH浓度的进步，腐蚀外表有着很明显的改变：凸起的小丘逐步由圆锥变成八棱锥然后变成四棱锥，如图4（a）所示，棱锥高度多为几十微米，底边长一两百微米；进步KOH浓度，小丘消失，呈现四棱台，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，小坑形状发生改变，完好的四棱台坑简直消失，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，所以呈现小丘；当浓度增大时，（100）和（111）晶面的腐蚀速率比增大，所以呈现小坑；浓度到达必定程度后，（100）和（111）晶面的腐蚀速率比趋于稳定，仍然出坑，而（110）和（111）晶面的腐蚀速率比增大，然后发生斜坡。只要调整KOH的浓度，得到匹配的（100）、（110）、（111）晶面的腐蚀速率，才干取得较好的腐蚀外表。实验还标明，温度首要影响腐蚀速率，对硅片腐蚀描摹影响不大。
4.2 阳极键合
现在真空腔的构成多选用Si—Si键合或许阳极键合。本方案选用阳极键合，是因为阳极键合比Si—Si键合的要求低。首要温度只需要400～500℃，其次外表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通过必定程度的KOH各向异性腐蚀后粗糙度为100nm左右，通过实验证明，键合状况杰出（图5），并具有杰出的密封作用。
4.3 反响离子深刻蚀
反响离子深刻蚀（DRIE）能刻出十分深的笔直结构，本实验用于最终硅薄膜的构成。DRIE的刻蚀作用（刻深为250 μm）没有KOH腐蚀的平整，刻蚀外表比较粗糙，外表颗粒崎岖为几个微米，如图6。此外刻蚀存在不均匀性，75 mm硅片四周现已刻到电极显露，而硅片中心的电极还没有显露。深刻蚀的不均匀性与刻蚀外表的图形有着亲近的联络，但其间的成因和机理现在还没有详细合理的理论和解说阐明。因此无法从理论上辅导规划刻蚀外表的形状规划，更多的是依托经历手动凋整。
5 、实验结果与剖析
制成的传感器样片。薄膜尺度为2 mm2 mm，膜厚理沦规划为10 μm，但因为硅片自身厚度存在20 μm的崎岖差错，且通过KOH各向异性腐蚀以及反响离子深刻蚀之后现已难以确保规划要求，实践膜厚10～30μm不等。
在室温19.34℃的条件下，对压力传感器进行丈量。丈量设备为Druck的DPI610IS，丈量电路选用了AD公司的AD7745电容丈量芯片，精度能到达4 fF。丈量曲线如图7所示，测验精度为8.1‰。因为硅薄膜较厚，丈量范围内的线性部分不多，此外电容电极的面积使用率不高使得电容的改变量也小，这些都是形成功能不高的首要原因，但由图能够看出丈量曲线存在很好的共同性和重复性。
6、 定论
使用硅膜的杰出机械特性，选用触摸式的结构，通过简略规范的工艺制作出了电容式压力传感器样片。通过对传感器的测验和剖析，证明这种传感器可应用于气候压力的丈量。怎么改善结构规划和工艺制作，进步传感器的丈量精度是下一步研究作业的要点。
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