中心議題：

• 介紹微型電容氣象壓力傳感器的基本原理和結構
• 說明該設計的流程工藝、選材並經過實驗得出結果

解決方案：

• 薄膜材料選擇單晶矽，采用接觸式結構，利用陽極鍵合形成真空腔
• 由KOH各向異性腐蝕和深刻蝕形成矽薄膜

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、航空航天等方麵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，不利於微型化和集成化。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。如今基於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於過壓測量，用於氣象壓力測量的較少且價格昂貴。為此，本文研製了一種高性能、低(di)成(cheng)本(ben)的(de)微(wei)型(xing)電(dian)容(rong)氣(qi)象(xiang)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，整(zheng)個(ge)流(liu)程(cheng)工(gong)藝(yi)簡(jian)單(dan)標(biao)準(zhun)，薄(bo)膜(mo)材(cai)料(liao)選(xuan)擇(ze)單(dan)晶(jing)矽(gui)，采(cai)用(yong)接(jie)觸(chu)式(shi)結(jie)構(gou)

，利(li)用(yong)陽(yang)極(ji)鍵(jian)合(he)形(xing)成(cheng)真(zhen)空(kong)腔(qiang)

，最(zui)後(hou)由(you)KOH各向異性腐蝕和深刻蝕形成矽薄膜。試驗結果表明，該傳感器適用於氣象壓力測量。

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)為極板膜的中平麵的垂向位移。
 

　　
 
 
由you公gong式shi可ke知zhi，外wai界jie壓ya力li通tong過guo改gai變bian電dian容rong的de極ji板ban麵mian積ji和he間jian距ju來lai改gai變bian電dian容rong。隨sui著zhe壓ya力li慢man慢man增zeng大da，電dian容rong因yin極ji板ban間jian距ju減jian小xiao而er增zeng大da，此ci時shi電dian容rong值zhi由you非fei接jie觸chu電dian容rong來lai決jue定ding;當兩極板接觸時
，電容的大小則主要由接觸電容來決定。

傳感器的設計與製造
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型矽
、Si3N4、danjingguideng。zhejizhongcailiaodougeyouyouquedian，qixuanzeyumubiaoyaoqiuhejutigongyixiangguan。guimobupohuaijingge，jixiexingnengyouyi，shiyuyangjijianhexingchengkongqiang，congjianhuagongyidemudechufa
，benfanganxuanzeguimo。

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1.01×105Pa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，小於矽的屈服應力7 MPa，其應力分布如圖2所示。
 

 
整個製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，如果矽片厚度一致且KOH腐蝕速率均勻，此法可以在相當程度上等效於自停止腐蝕。從玻璃上引出電容兩電極，然後和矽片進行陽極鍵合。鍵合片利用KOH腐蝕減薄後反應離子深刻蝕露出測量電極。
　　
 

 
關鍵工藝
a. KOH各向異性腐蝕
在各種各向異性腐蝕方法裏麵，KOH腐蝕簡單實用，成本低廉。在矽片大麵積、大深度腐蝕的情況下
，KOH腐蝕容易影響矽片表麵的形狀和光潔度，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%，矽片電阻率為0.05 Ω?cm，80℃水浴恒溫的條件下
，隨著KOH濃度的提高，腐蝕表麵有著很明顯的變化：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，出現四棱台，如圖4(b)所示，棱台深度多為幾個微米
，底邊長一兩百微米;再加大KOH濃度，小坑形狀發生變化
，完整的四棱台坑幾乎消失，多為斜坡狀的半四棱台小坑

，如圖4(c)所示，坡高1～2μm，邊長10μm以內。

四棱錐和四棱台的四個斜麵對應於腐蝕速率最低的(111)係列晶麵。當濃度較低時
，(100)和(111)晶麵的腐蝕速率比小，所以出現小丘;當濃度增大時，(100)和(111)晶麵的腐蝕速率比增大
，所以出現小坑;濃度達到一定程度後，(100)和(111)晶麵的腐蝕速率比趨於穩定，依然出坑
，而(110)和(111)晶麵的腐蝕速率比增大，從而產生斜坡。隻有調整KOH的濃度，得到匹配的(100)
、(110)、(111)晶麵的腐蝕速率，才能獲得較好的腐蝕表麵。試驗還表明，溫度主要影響腐蝕速率
，對矽片腐蝕形貌影響不大。
 

　　
 
 
b. 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。首先溫度隻需要400～500℃
，其次表麵光潔度要求也相對較低。本工藝過程中存在金屬電極，不適於用高溫;鍵合麵存在高約1400 nm，寬為20μm的電極引線，鍵合麵的SiO2經過一定程度的KOH各向異性腐蝕後粗糙度為100nm左右
，經過試驗證明，鍵合情況良好(圖5)，並具有良好的密封效果。
　　
 

 
 
c.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，本試驗用於最後矽薄膜的形成。DRIE的刻蝕效果(刻深為250 μm)沒有KOH腐蝕的平坦
，刻蝕表麵比較粗糙
，表麵顆粒起伏為幾個微米

，如圖6。此外刻蝕存在不均勻性，75 mm矽(gui)片(pian)四(si)周(zhou)已(yi)經(jing)刻(ke)到(dao)電(dian)極(ji)露(lu)出(chu)，而(er)矽(gui)片(pian)中(zhong)央(yang)的(de)電(dian)極(ji)還(hai)沒(mei)有(you)露(lu)出(chu)。深(shen)刻(ke)蝕(shi)的(de)不(bu)均(jun)勻(yun)性(xing)與(yu)刻(ke)蝕(shi)表(biao)麵(mian)的(de)圖(tu)形(xing)有(you)著(zhe)密(mi)切(qie)的(de)聯(lian)係(xi)，但(dan)其(qi)中(zhong)的(de)成(cheng)因(yin)和(he)機(ji)理(li)目(mu)前(qian)還(hai)沒(mei)有(you)具(ju)體(ti)合(he)理(li)的(de)理(li)論(lun)和(he)解(jie)釋(shi)說(shuo)明(ming)。因(yin)而(er)無(wu)法(fa)從(cong)理(li)論(lun)上(shang)指(zhi)導(dao)規(gui)劃(hua)刻(ke)蝕(shi)表(biao)麵(mian)的(de)形(xing)狀(zhuang)設(she)計(ji)，更(geng)多(duo)的(de)是(shi)依(yi)靠(kao)經(jing)驗(yan)手(shou)動(dong)凋(diao)整(zheng)。
　　
 

 
試驗結果與分析
製成的傳感器樣片。薄膜尺寸為2 mm×2 mm，膜厚理淪設計為10 μm，但由於矽片本身厚度存在±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後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‰。youyuguibomojiaohou
，celiangfanweineidexianxingbufenbuduo，ciwaidianrongdianjidemianjiliyonglvbugaoshidedianrongdebianhualiangyexiao，zhexiedoushizaochengxingnengbugaodezhuyaoyuanyin，danyoutukeyikanchuceliangquxiancunzaihenhaodeyizhixinghezhongfuxing。
　　
 

 
結論
liyongguimodelianghaojixietexing，caiyongjiechushidejiegou，tongguojiandanbiaozhundegongyizhizaochuledianrongshiyalichuanganqiyangpian。jingguoduichuanganqideceshihefenxi，zhengmingzhezhongchuanganqikeyingyongyuqixiangyalideceliang。ruhegaijinjiegoushejihegongyizhizao，tigaochuanganqideceliangjingdushixiayibuyanjiugongzuodezhongdian。