采用環(huán)形感壓薄膜的MEMS電容薄膜真空規(guī)設(shè)計

王呈祥　韓曉東　李得天　成永軍　孫雯君　李剛

摘要：感壓薄膜的結(jié)構(gòu)改良能有效改善MEMS電容薄膜真空規(guī)的壓力一電容輸出特性。為解決MEMS電容薄膜真空規(guī)寬量程與高靈敏度相矛盾的問題，設(shè)計一種環(huán)形結(jié)構(gòu)的感壓薄膜，利用有限元的方法分析對比5種環(huán)形結(jié)構(gòu)的感壓薄膜在不同壓力下的變形與應(yīng)力分布情況。分析認(rèn)為，同心圓結(jié)構(gòu)的感壓薄膜具有最優(yōu)異的性能，同等感測面積情況下真空規(guī)的壓力-電容線性輸出測量上限能從圓片結(jié)構(gòu)的1.1×10³Pa延伸到同心圓結(jié)構(gòu)的1.2×10⁴Pa，圓片結(jié)構(gòu)感壓薄膜的真空規(guī)在1～800Pa區(qū)間內(nèi)的壓力一電容輸出非線性度為3.9%，靈敏度為10.1fF·Pa^-1;同心圓結(jié)構(gòu)感壓薄膜的真空規(guī)結(jié)構(gòu)在1～8000Pa區(qū)間內(nèi)的非線性度為3.6%，靈敏度為1.3 fF·Pa^-1。

關(guān)鍵詞：MEMS;電容薄膜真空規(guī);高靈敏度;寬測量范圍

中圖分類號：TB772;TM934.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0088-06

0 引言

MEMS型電容薄膜真空規(guī)（以下簡稱真空規(guī)）具有溫度漂移系數(shù)低、噪聲低、測量值與氣體種類無關(guān)的特點(diǎn)，同時還兼?zhèn)潴w積小、能耗低的優(yōu)勢，在深空探測、臨近空間探索等領(lǐng)域具有廣闊的運(yùn)用前景[1-4]。由于體積小，真空規(guī)需要使用大寬厚比的感壓薄膜確保足夠高的靈敏度。然而，根據(jù)板殼理論可知高靈敏度和寬測量范圍兩個參數(shù)兩者相互矛盾，感壓薄膜面積越大受壓后的撓度變化也越大，受到參考腔深度的限制真空規(guī)難以獲得較寬的測量范圍[5]。

拓寬真空規(guī)測量范圍受到了廣泛的關(guān)注，目前的主要方案有兩種，分別為并聯(lián)多膜結(jié)構(gòu)[6-7]和靜電伺服模型[8]。然而并聯(lián)多膜結(jié)構(gòu)難以保障連續(xù)的壓力一電容高線性度輸出，靜電伺服結(jié)構(gòu)延伸測量范圍的數(shù)量級有限。

研究表明，薄膜的結(jié)構(gòu)改性可以有效拓寬真空規(guī)的線性測量范圍。Kim等[9]提出一種真空規(guī)，分離了感壓薄膜中心處的電容使真空規(guī)在133～1330Pa區(qū)間內(nèi)的輸出線性度提高了6倍。其次，將感壓薄膜設(shè)計成島膜結(jié)構(gòu)[10]、梳齒狀結(jié)構(gòu)[11]、在感壓薄膜上增加一個環(huán)形島棱結(jié)構(gòu)[12]都能有效拓寬真空規(guī)的線性測量范圍。然而，在感壓薄膜上圖形化特殊結(jié)構(gòu)的工藝難度較高，這些不均勻的微結(jié)構(gòu)也會提高真空規(guī)的機(jī)械振動靈敏度，增大測量難度[13]。

提高靈敏度的辦法是增大薄膜的感測面積，但是單一的大寬厚比感壓薄膜伴隨著測量范圍窄、輸出線性度不高的問題。目前，為解決寬量程與高靈敏度相互矛盾的問題使用的是陣列化結(jié)構(gòu)的感壓薄膜。陣列化感壓薄膜結(jié)構(gòu)是將多個感壓薄膜單元排列在同一基體上，單個感壓薄膜的面積很小使得真空規(guī)的量程較寬，真空規(guī)的感測電容是所有感測薄膜單元的電容和，陣列單元數(shù)越多則真空規(guī)的靈敏度越高[14-17]。然而，陣列化的感壓薄膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜會帶來真空規(guī)的體積偏大、可靠性下降的問題[14-17]。

為解決上述問題，本文提出了一種使用環(huán)形結(jié)構(gòu)感壓薄膜的真空規(guī)方案，設(shè)計了5種環(huán)形感壓薄膜，在此基礎(chǔ)上分析了真空規(guī)的壓力一撓度變化、壓力一應(yīng)力分布以及壓力一電容輸出情況。下文的仿真分析基于如下的4點(diǎn)假設(shè)：1）感壓薄膜材料是各向同性的，薄膜的殘余應(yīng)力對真空規(guī)的輸出性能影響忽略不計;2）電極間的絕緣介質(zhì)層對電容增量的影響忽略不計;3）電場的邊緣效應(yīng)與焊點(diǎn)引線等產(chǎn)生的雜散電容對真空規(guī)的輸出性能影響忽略不計;4）氣體泄露、滲透以及材料放氣等對真空規(guī)的輸出性能影響忽略不計。

1 真空規(guī)設(shè)計方案

真空規(guī)的工作原理如圖1所示，中間區(qū)域為腐蝕過后保留下來的基體材料。感壓薄膜中心區(qū)域和邊緣區(qū)域與下基體鍵合在一起使得實(shí)際感測區(qū)域為環(huán)形。未受壓時感壓薄膜保持水平靜止?fàn)顟B(tài)，受壓后中心區(qū)域受到基體的支撐作用繼續(xù)保持靜止而感測區(qū)域則向下變形，使得真空規(guī)的輸出電容量增大。

目前，真空規(guī)的感壓薄膜普遍使用的是圓形結(jié)構(gòu)或方形結(jié)構(gòu)。在研究過程中，將圓形和方形組合后設(shè)計了5種環(huán)形結(jié)構(gòu)的感壓薄膜模型，如圖2所示，5種結(jié)構(gòu)分別為同心圓結(jié)構(gòu)、外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)、銅錢結(jié)構(gòu)、回字結(jié)構(gòu)和側(cè)回字結(jié)構(gòu)。設(shè)計模型中參考腔深度為15μm，感壓薄膜厚度為20μm，每種結(jié)構(gòu)模型的實(shí)際感測面積相同。5個結(jié)構(gòu)模型參數(shù)中，外圓半徑為3mm，內(nèi)圓半徑為0.5mm，外正方形的邊長為5.317mm，內(nèi)正方形的邊長為 0.886mm，用于對比的原片結(jié)構(gòu)模型半徑為2.958mm。感壓薄膜使用的是濃硼摻雜的單晶硅，一方面是因為可以使用腐蝕自停止工藝精確控制薄膜的幾何尺寸，另一方面是因為摻雜后的薄膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在<110>晶向上楊氏模量為1.25GPa[18]，泊松比為0.28，循環(huán)壽命可超10⁷次[19]。通過有限元的方法對比5種結(jié)構(gòu)模型不同壓力下的壓力一撓度、壓力一應(yīng)力分布后可以分析出性能較優(yōu)越的感壓薄膜結(jié)構(gòu)。

2 模型分析

2.1 模型論證

使用ANSYS中的solid45結(jié)構(gòu)單元構(gòu)建了如上所述的5種環(huán)狀結(jié)構(gòu)模型和一個用于對比的圓片模型。圓片模型中，在薄膜的邊緣施加固定約束，薄膜的上表面施加均勻載荷。環(huán)形結(jié)構(gòu)模型中，在薄膜邊緣以及中心區(qū)域的垂直截面施加固定約束，在薄膜的上表面施加均勻載荷。圓片結(jié)構(gòu)的感壓薄膜研究比較成熟故可以使用圓片結(jié)構(gòu)模型來論證模型的準(zhǔn)確性。當(dāng)施加的均勻載荷為1000Pa時，圓片結(jié)構(gòu)感壓薄膜沿半徑方向的撓度變化如圖3所示，其中，仿真值是ANSYS模擬結(jié)果，計算值使用文獻(xiàn)[17]中的公式計算得到。從圖可知，仿真值與計算值匹配良好，在感壓薄膜的邊緣區(qū)域仿真值與計算值的相對誤差較大，但是在邊緣區(qū)域撓度很小（<10^-15m），對電容計算的影響可以忽略，對模型的性能分析不具備實(shí)質(zhì)性的影響。

2.2 模型的撓度與應(yīng)力分布對比

在相同的壓力下，感壓薄膜的撓度越大則真空規(guī)的測量范圍越窄。探討6個模型1000Pa時的撓度分布變化情況，結(jié)果如圖4所示。對比同心圓結(jié)構(gòu)模型與銅錢結(jié)構(gòu)模型以及對比回字結(jié)構(gòu)模型和側(cè)回字結(jié)構(gòu)模型，可知感壓薄膜的撓度分布主要受環(huán)形外圍形狀的影響，受內(nèi)部鍵合區(qū)域的影響較小，這是因為撓度的大小主要受到兩個約束端距離的影響，約束端的距離越長則薄膜的撓度越大，圓片結(jié)構(gòu)的約束端距離為薄膜直徑而環(huán)形結(jié)構(gòu)的約束端距離為環(huán)形外緣邊與內(nèi)部鍵合區(qū)的距離，因此圓片結(jié)構(gòu)有最大的撓度。1000Pa時，圓片結(jié)構(gòu)模的最大撓度達(dá)到了13.1μm，接近于參考腔的深度（15μm），而5種環(huán)形結(jié)構(gòu)的感壓薄膜撓度較小約為圓片結(jié)構(gòu)感壓薄膜的十分之一。其次，圓形結(jié)構(gòu)感壓薄膜相比方形結(jié)構(gòu)感壓薄膜有更均勻的撓度分布，這是因為圓形感壓薄膜中沿半徑方向的約束端距離相等。因此，1000Pa時使用圓片結(jié)構(gòu)感壓薄膜的真空規(guī)達(dá)到了測量上限而5種環(huán)形感壓薄膜結(jié)構(gòu)真空規(guī)的測量范圍還有很大的延伸空間。

為探討5種結(jié)構(gòu)的測量上限，繼續(xù)增大均載壓力值使5種結(jié)構(gòu)模型的最大撓度接近于參考腔深度，得到壓力與薄膜最大撓度關(guān)系如圖5所示。5種結(jié)構(gòu)的撓度區(qū)別較小，其中同心圓結(jié)構(gòu)模型的撓度最大，在1.2×10⁴Pa時的最大撓度達(dá)13.8μm，接近于圓片結(jié)構(gòu)模型在1.1×10³Pa下的撓度，使用同心圓結(jié)構(gòu)感壓薄膜的真空規(guī)測量上限可以超過圓片結(jié)構(gòu)感壓薄膜的真空規(guī)一個數(shù)量級。因此，環(huán)形感壓薄膜能解決圓片感壓薄膜受壓后撓度過大造成的測量范圍窄的問題。

感壓薄膜的應(yīng)力大小影響真空規(guī)的可靠性，應(yīng)力越小則可靠性越高。相同壓力下，感壓薄膜應(yīng)力越低則真空規(guī)的抗載能力越強(qiáng)。6種結(jié)構(gòu)模型在1000Pa下的應(yīng)力分布情況如圖6所示。圓片結(jié)構(gòu)模型中最大應(yīng)力值分布在感壓薄膜的邊緣，5種環(huán)形結(jié)構(gòu)薄膜的最大應(yīng)力都是集中在中心鍵合區(qū)域邊緣。同心圓結(jié)構(gòu)在相同半徑處的應(yīng)力相同，銅錢結(jié)構(gòu)有最大的等應(yīng)力面，回字結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力分布比側(cè)回字結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力分布更均勻。對比同心圓結(jié)構(gòu)感壓薄膜與銅錢結(jié)構(gòu)感壓薄膜的應(yīng)力分布以及對比外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)感壓薄膜與回字結(jié)構(gòu)感壓薄膜的最大應(yīng)力可知，最大應(yīng)力受中心鍵合區(qū)形狀的影響較大，鍵合區(qū)域有尖銳角時會產(chǎn)生應(yīng)力過大且集中的現(xiàn)象，因此薄膜中心鍵合區(qū)域為圓形時最優(yōu)。

繼續(xù)探討最大應(yīng)力與壓力的關(guān)系，得到的結(jié)果如圖7所示。同等壓力的情況下，銅錢結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大，在1.2×10⁴Pa時的最大應(yīng)力值達(dá)到了3.13×10⁸Pa，低于依據(jù)文獻(xiàn)[20]給出的參數(shù)逆向模擬后的最大應(yīng)力值。其余結(jié)構(gòu)模型的的應(yīng)力從大小依次是回字結(jié)構(gòu)、側(cè)回字結(jié)構(gòu)、同心圓結(jié)構(gòu)、外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)。其中，同心圓結(jié)構(gòu)模型與外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)模型的最大應(yīng)力相近，約為其他3種結(jié)構(gòu)模型的一半。

從上述仿真可知，在同等感測面積的情況下，同心圓結(jié)構(gòu)的感壓薄膜和外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)的感壓薄膜比其他3種結(jié)構(gòu)模型有更優(yōu)越的機(jī)械性能，體現(xiàn)在撓度小、應(yīng)力低。相比外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)，同心圓結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布更均勻，這種優(yōu)勢可能體現(xiàn)在后期的壓力一電容關(guān)系的輸出線性度中，因此選用同心圓結(jié)構(gòu)模型繼續(xù)探討環(huán)形感壓薄膜的壓力一電容輸出情況。

3 模型優(yōu)化

3.1 同心圓結(jié)構(gòu)與圓片結(jié)構(gòu)的電容輸出性能對比

目前，沒有專門的公式計算環(huán)形感壓薄膜受壓后的電容值，可以通過電容的定義計算。不考慮電容介質(zhì)影響時，MEMS電容薄膜真空規(guī)的電容值為

式中：r——感壓薄膜的半徑;

ε⁰——真空介電常數(shù)（8.854×10^-12F/m）;

t_g——感壓薄膜電極與底電極之間的初始距離。

將感壓薄膜的半徑均等分成n份，每一份感測面積可以近似表示為2πrir/n，設(shè)ω（ri）是半徑為r_i處的撓度（0g-ω（r_i）。可以得到真空規(guī)受壓狀態(tài)下的電容表達(dá)式為其中，ω（ri）可以在ANSYS定義的路徑中計算。取n=200，可求得兩個結(jié)構(gòu)模型的壓力與電容輸出的關(guān)系，如圖8所示。同心圓結(jié)構(gòu)模型與圓片結(jié)構(gòu)模型的壓力一電容變化趨勢與文獻(xiàn)[4]中報道的硅基真空規(guī)的壓力一電容測試曲線以及文獻(xiàn)[20]中報道的壓力傳感器在正常區(qū)間的電容變化趨勢相同。當(dāng)感壓薄膜的最大撓度值接近參考腔深度時，單位壓力下電容增量迅速增加，一方面是因為電容介質(zhì)對電容量的影響越來越大，另一方面是因為等效電極距離減小的越來越快。利用最小二乘擬合直線的方法計算真空規(guī)的線性度、計算線性區(qū)間的靈敏度可知，圓片結(jié)構(gòu)感壓薄膜的輸出非線性度在1～800Pa區(qū)間內(nèi)為3.9%，靈敏度為10.1fF·Pa^-1，同心圓結(jié)構(gòu)模型的輸出非線性度在1～8000Pa區(qū)間內(nèi)為3.6%，靈敏度為1.3fF·Pa^-1。目前文獻(xiàn)報道的真空規(guī)靈敏度普遍為1/100（fF·Pa^-1）級別，相比之下同心圓結(jié)構(gòu)感壓薄膜的真空規(guī)有較高的分辨率，真空規(guī)的測量上限能從圓片結(jié)構(gòu)模型的1.1×10³Pa延伸到同心圓結(jié)構(gòu)模型的1.2×10⁴Pa。

3.2 同心圓結(jié)構(gòu)的半徑優(yōu)化

為了探討環(huán)形感壓薄膜的束縛端距離對真空規(guī)測量范圍以及線性區(qū)間靈敏度的影響，設(shè)計了4個等面積的環(huán)形感壓薄膜。4個薄膜的內(nèi)外半徑比分別為1：6、1：4、1：3以及1：2。仿真真空規(guī)的應(yīng)力以及電容輸出情況得到感壓薄膜在不同內(nèi)外半徑比時的最大應(yīng)力與壓力的關(guān)系如圖9所示，壓力一電容輸出關(guān)系如圖10所示，線性測量區(qū)間以及靈敏度的仿真結(jié)果如表1所示。

分析圖表的結(jié)果可知，等同感測面積的條件下環(huán)形感壓薄受壓后的最大應(yīng)力與束縛端距離成正比，束縛端距離越小薄膜應(yīng)力越低真空規(guī)的線性測量區(qū)間越長。但是線性區(qū)間越長也會降低真空規(guī)的靈敏度，適當(dāng)?shù)目s小束縛端距離能有效拓寬真空規(guī)的線性測量區(qū)間。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計一種使用環(huán)形感壓薄膜的真空規(guī)方案，能有效延伸真空規(guī)的測量范圍。通過ANSYS建模，分析對比5種結(jié)構(gòu)的環(huán)形感壓薄膜，得出同等感測面積的條件下使用同心圓結(jié)構(gòu)感壓薄膜的真空規(guī)能有更優(yōu)異的壓力一電容輸出性能結(jié)論。當(dāng)同心圓感壓薄膜的內(nèi)外半徑為1：6時，線性上限相比于同等感測面積的圓片結(jié)構(gòu)感壓薄膜能提高一個數(shù)量級，能為后續(xù)的真空規(guī)研制工作提供參考。

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