電容式MEMS差壓壓力傳感器的設計與制造*

侯智昊，趙雪瑩，王增智

（1.沈陽航空航天大學電子信息工程學院，沈陽110136；2.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

MEMS電容式壓力傳感器由一個可動電極和一個固定電極構成。以硅微納米加工技術制造的硅膜，在壓力的作用下會發生形變，與金屬固定電極之間的電容發生變化，故此可作為可動電極，通過檢測電容變化實現對壓力的檢測。由于硅材料在屈服強度、塑性形變等機械特性方面具有極其優異的特性，因此利用硅材料制作的MEMS電容式壓力傳感器與傳統的金屬膜盒式電容式壓力傳感器相比在長期穩定性、精度及靈敏度等方面具有極大優勢，更適合用來滿足高性能、高可靠性等方面的應用需求。

與MEMS壓阻式壓力傳感器相比，由于MEMS電容式壓力傳感器利用電容原理檢測壓力，因此在溫度漂移、檢測靈敏度、長期穩定性等方面均具有較大優勢，尤其在靈敏度方面甚至比壓阻式壓力傳感器高一個量級以上。由于MEMS電容式壓力傳感器的優異性能，國內外眾多研究機構和公司對其開展深入研究[1-4]，其中芬蘭Vaisala公司研制的MEMS電容式壓力傳感器，以其在靈敏度方面的優異表現，更是在火星探測中獲得應用[5]。日本富士公司的工業壓力變送器，也使用MEMS電容式壓力傳感器作為傳感元件，獲得廣泛應用。

故此設計一種采用硅-玻璃結構的MEMS電容式差壓壓力傳感器。利用MEMS微納米加工技術和硅-玻璃陽極鍵合工藝制成MEMS敏感元件，并通過測試，獲得了MEMS電容式壓力傳感器的相關技術參數。

2 工作原理

MEMS電容式壓力傳感器工作原理如圖1所示。器件由硅膜構成的可動電極和在Pyrex玻璃上利用金屬薄膜制成的固定電極兩部分構成。當硅膜兩側的壓力相等時，硅膜處于平衡狀態，并不發生任何邊形，此時硅膜可動電極和固定電極之間的偶合電容為0kPa時的輸出電容；當硅膜兩側的壓力不同時，硅膜在壓力的作用下發生形變，引起硅膜可動電極和固定電極之間偶合電容的變化，此時硅膜可動電極和固定電極之間的偶合電容為當前壓力下的輸出電容[6-7]。

3 工藝流程

MEMS電容式壓力傳感器工藝流程如圖2所示。其工藝流程主要由兩部分構成：第一部分主要實現對硅襯底的加工，利用硅各向異性腐蝕實現硅杯結構，再通過ICP刻蝕生成硅膜可動電極結構；第二部分主要是要在Pyrex玻璃襯底上利用金屬淀積工藝及圖形化工藝來實現金屬固定電極結構。通過硅-玻璃陽極鍵合，實現玻璃上的pad與硅可動電極的互聯來完成MEMS電容結構，并通過劃片獲得分立的MEMS電容式壓力傳感器芯片。圖3為所獲得的MEMS電容式壓力傳感器芯片和封裝后的實物照片。

圖2 MEMS電容式壓力傳感器制造工藝流程

圖3 MEMS電容式壓力傳感器實物圖片

4 實際測試

利用GE PACE5000高精度壓力控制器來控制施加在MEMS電容式壓力傳感器上的壓力，實現對其測量。再利用ADI公司的AD7746實現對MEMS電容式壓力傳感器輸出電容的測量[8]。針對高端電子血壓計的應用，在0~40kPa的范圍內對其進行測量。當施加0kPa的壓力時，其輸出電容為5.4pF；當施加40kPa壓力時，其輸出電容為7.3pF，電容變化率達到35%。測試數據曲線如圖4所示。其中圖4(a)為電容-壓力曲線；圖4(b)為1/電容-壓力曲線。

在MEMS電容式壓力傳感器實際應用中，由于壓力與電容的非線性，使得MEMS電容式壓力傳感器的測量誤差不僅與器件本身有關，更與數據處理的算法有關。故此在數據處理過程中分別使用線性擬合和最小二乘法。其中最小二乘法的處理算法主要是用于進一步降低誤差。

MEMS電容式壓力傳感器的測量誤差如圖5所示。其中圖5(a)使用了線性擬合法；圖5(b)使用最小二乘法擬合。從中可以看出，利用線性擬合法其誤差小于0.6kPa；利用最小二乘法擬合其誤差僅為0.16kPa。MEMS電容式壓力傳感器的誤差，主要是由電容和壓力之間的非線性引起，可通過單片機結合相關算法減少此誤差。通過分析可知，利用最小二乘法可以大大減少測量誤差，滿量程測量誤差低于0.4%FS，滿足大部分應用需求。

圖4 MEMS電容式壓力傳感器的測試曲線

圖5 MEMS電容式壓力傳感器誤差

5 結束語

利用微納米加工工藝設計和制備的此款MEMS電容式壓力傳感器，實現了測量范圍內的輸出電容以及量程范圍內電容變化率的設計目標。利用線性擬合，MEMS電容式壓力傳感器的測量誤差有顯著降低。利用最小二乘法擬合并結合單片機算法，其滿量程誤差也達到令人滿意的程度，可在實踐中滿足大部分應用場合下的器件功能需求。