靜電激勵(lì)硅微機(jī)械諧振壓力傳感器設(shè)計(jì)*

任 森， 苑偉政， 鄧進(jìn)軍， 孫小東

(1.西北工業(yè)大學(xué) 空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；

2.西北工業(yè)大學(xué) 陜西省微/納米系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072)

0 引 言

硅微機(jī)械諧振壓力傳感器是目前精度最高、長期穩(wěn)定性最好的壓力傳感器之一,它通過檢測(cè)諧振器的固有頻率間接測(cè)量壓力，不需模數(shù)轉(zhuǎn)換，信號(hào)采集和處理方便，適用于遠(yuǎn)距離傳輸。其精度主要受單晶硅結(jié)構(gòu)機(jī)械特性的影響，因此,其抗干擾能力很強(qiáng)，性能穩(wěn)定。除此之外，硅微機(jī)械諧振壓力傳感器還具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、頻帶寬、信噪比高、抗干擾能力強(qiáng)、抗沖擊、易于集成化、可批量生產(chǎn)等眾多優(yōu)點(diǎn)。

硅微機(jī)械諧振壓力傳感器主要有靜電激勵(lì)、電磁激勵(lì)、電熱激勵(lì)和光激勵(lì)4種常見的驅(qū)動(dòng)方式。其中,電磁激勵(lì)方式[1,2]必須外加恒定磁場(chǎng)，光激勵(lì)方式[3]光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，組裝精度要求很高，因此，均難以實(shí)現(xiàn)微型化。而靜電激勵(lì)方式和電熱激勵(lì)方式與微電子工藝兼容，利于集成，體積更小。但電熱激勵(lì)方式[4,5]利用激勵(lì)電阻器發(fā)熱產(chǎn)生的溫度梯度驅(qū)動(dòng)，功耗較高，且易受外界環(huán)境溫度變化影響。靜電激勵(lì)是一種非接觸的驅(qū)動(dòng)方式，不會(huì)影響諧振器的振動(dòng)品質(zhì)因數(shù)(quality(Q)factor)，響應(yīng)快、功耗低、靈敏度高，成為了硅微機(jī)械諧振壓力傳感器的最佳選擇。在靜電激勵(lì)硅微機(jī)械諧振壓力傳感器方面，英國Druck公司[6]和法國Thales公司[7]已經(jīng)取得了一系列成果并成功商品化。但其諧振器振動(dòng)方向垂直于壓力敏感膜片,因此,精度受同振質(zhì)量影響，并且壓力敏感膜片受壓變形時(shí)，諧振器的驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電容間隙會(huì)發(fā)生變化并引起驅(qū)動(dòng)力和檢測(cè)信號(hào)的非線性變化，增加了閉環(huán)控制的難度。雖然Druck公司利用側(cè)向振動(dòng)諧振器對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)[8,9]，諧振器與壓力敏感膜片工作模態(tài)互相垂直,避免了同振質(zhì)量的影響，但當(dāng)壓力敏感膜片受壓變形時(shí)諧振器的高度會(huì)發(fā)生變化，因此,仍存在不穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)的問題。

本文提出了一種靜電激勵(lì)/電容檢測(cè)的硅微機(jī)械諧振壓力傳感器，采用側(cè)向動(dòng)平衡諧振器，利用基于絕緣體上硅(silicon-on-insulator，SOI)的加工工藝制作，并進(jìn)行了常壓封裝和傳感器性能測(cè)試。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

硅微機(jī)械諧振壓力傳感器芯體采用基于SOI的加工工藝制作，利用器件層高品質(zhì)因數(shù)單晶硅材料制作諧振器和電極，中間氧化層材料制作諧振器與壓力敏感膜片之間的支撐柱，基底層單晶硅材料制作壓力敏感膜片與邊框，如圖1所示。其諧振器為改進(jìn)的雙端固支音叉(double-ended tuning fork，DETF)結(jié)構(gòu)，采用靜電激勵(lì)與電容檢測(cè)的工作方式，主要由質(zhì)量塊、諧振梁、耦合梁、桁架和固定端五部分構(gòu)成。在靜電力作用下，其諧振器工作于機(jī)械諧振狀態(tài)，振動(dòng)模式為2個(gè)質(zhì)量塊平行于壓力敏感膜片的側(cè)向動(dòng)平衡反向振動(dòng)。當(dāng)外界壓力作用于壓力敏感膜片時(shí)，壓力敏感膜片兩端因存在壓力差將發(fā)生變形，該變形通過固定端傳遞到諧振器上，引起諧振器的受力情況發(fā)生變化，進(jìn)而改變諧振梁的剛度和諧振器的固有頻率。諧振器的固有頻率與外界壓力有穩(wěn)定的正比例對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過檢測(cè)該固有頻率變化就可以實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)的目的。

圖1 硅微機(jī)械諧振壓力傳感器芯體照片

1.1 諧振器固有頻率與靈敏度計(jì)算

鑒于諧振器的設(shè)計(jì)振幅很小，因此，不考慮非線性振動(dòng)的影響。在硅微機(jī)械諧振壓力傳感器的實(shí)際工作過程中，諧振梁和耦合梁同時(shí)參與振動(dòng)，因此，諧振器工作模態(tài)的諧振頻率表達(dá)式如下

(1)

式中E為單晶硅的彈性模量，h為諧振器的厚度，lb,wb和Ab分別為諧振梁的長度、寬度和橫截面面積，ls和ws分別為耦合梁的長度和寬度，N為壓力敏感膜片受壓變形過程中傳遞到諧振梁上的軸向應(yīng)力，mp,mf,mb分別為質(zhì)量塊、梳齒、諧振梁和耦合梁的質(zhì)量。

諧振器的應(yīng)力靈敏度可以進(jìn)一步求導(dǎo)得到

(2)

由式(2)可知，諧振器的應(yīng)力靈敏度主要取決于諧振梁的長度lb和寬度wb，而為了保證諧振器的應(yīng)力靈敏度耦合梁的彈性系數(shù)不能過大。

1.2 諧振器固定端設(shè)計(jì)

在靜電激勵(lì)硅微機(jī)械諧振壓力傳感器的芯體設(shè)計(jì)中，常規(guī)的諧振器固定端結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，諧振器通過諧振梁連接于支撐柱內(nèi)側(cè)。當(dāng)壓力敏感膜片受壓變形時(shí)，諧振器位置會(huì)隨著支撐柱的抬升發(fā)生數(shù)μm的高度變化，而激勵(lì)電極與檢測(cè)電極位置不動(dòng)，因此,驅(qū)動(dòng)力和檢測(cè)信號(hào)均會(huì)減小，這樣不僅增加了閉環(huán)控制的難度，同時(shí)也會(huì)對(duì)傳感器精度產(chǎn)生影響。為了抑制壓力敏感膜片受壓變形時(shí)諧振器的高度變化，提出了一種改進(jìn)的諧振器固定端結(jié)構(gòu)方案，如圖2(b)所示，諧振器通過支撐柱外側(cè)的懸置桁架與諧振梁連接。當(dāng)壓力敏感膜片受壓變形時(shí)，支撐柱會(huì)向外側(cè)傾斜，因此,桁架末端高度相對(duì)于支撐柱頂部會(huì)下降，從而抑制了諧振器的高度抬升。同時(shí)為了進(jìn)一步抑制諧振器的高度變化，要盡量減小壓力敏感膜片的受壓變形量，而為了保證傳感器精度則需要進(jìn)一步提高諧振器的應(yīng)力靈敏度。由于改進(jìn)的諧振器固定方式面積利用率更高，因此,壓力敏感膜片尺寸可以進(jìn)一步減小，進(jìn)而縮小傳感器的整體體積。

圖2 兩種諧振器固定方式對(duì)比

1.3 有限元仿真

在有限元仿真軟件Ansys中對(duì)設(shè)計(jì)的傳感器芯體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算，其關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)為：諧振梁長度325 μm，寬度15 μm，耦合梁長度230 μm，寬度8 μm，壓力敏感膜片尺寸1 760 μm×1 760 μm×55 μm。諧振器的前六階振動(dòng)模態(tài)振型和諧振頻率如圖3所示，其中二階模態(tài)為傳感器的工作模態(tài)，諧振頻率為38.374 kHz。同時(shí)進(jìn)一步仿真了滿量程壓力280 kPa作用下傳感器的Z向變形，如圖4所示。滿量程壓力下，壓力敏感膜片中心位置最大高度抬升1.35 μm，諧振器梳齒位置高度變化約0.55 μm。

圖3 Ansys仿真得到的諧振器各階振動(dòng)模態(tài)

圖4 280 kPa下硅微機(jī)械諧振壓力傳感器的Z向變形

2 制作與封裝

硅微機(jī)械諧振壓力傳感器的具體工藝流程如圖5所示,考慮到釋放孔對(duì)Q值的影響[10]和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，諧振器選擇圓形釋放孔結(jié)構(gòu)。(a)選取雙面拋光SOI硅片，標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗，1 050 ℃干氧氧化440 nm氧化硅，825 ℃低壓化學(xué)氣相沉積200 nm氮化硅；(b)背面光刻，并利用SF6氣體干法刻蝕氮化硅，BHF腐蝕氧化硅，從而得到濕法刻蝕掩膜；(c)85 ℃條件下TMAH各向異性濕法刻蝕10 h，刻蝕深度約345 μm，得到背面壓力敏感膜片，并利用40 % HF去掉氮化硅和氧化硅；(d)正面套刻，并深反應(yīng)離子刻蝕(deep reactive ion etching，DRIE)得到諧振器和電極結(jié)構(gòu)；(e)氧等離子清洗去除光刻膠，劃片，40 % HF釋放得到傳感器芯體；(f)用銀漿將芯體底面粘接于管殼導(dǎo)壓管表面，打鋁線，將諧振器密封于干燥的空氣，從而完成芯體的常壓封裝，壓力敏感膜片通過導(dǎo)壓管與待測(cè)壓力接觸。

圖5 硅微機(jī)械諧振壓力傳感器工藝流程示意圖

3 測(cè)試與結(jié)果

利用Polytec MSA—500激光多普勒測(cè)振儀對(duì)未封裝的硅微機(jī)械諧振壓力傳感器芯體進(jìn)行了初步的光學(xué)測(cè)試，以測(cè)定諧振器的頻率響應(yīng)特性。測(cè)試中諧振器接地，對(duì)稱梳齒施加激勵(lì)電壓，其測(cè)試結(jié)果如圖6所示。常壓下諧振器的工作諧振頻率為33.886 kHz，Q值為1222，諧振頻率附近相位變化180°。諧振器的工作頻率比設(shè)計(jì)值稍小，主要是由于DRIE工藝造成諧振梁和耦合梁寬度減小所致。

對(duì)于硅微機(jī)械諧振壓力傳感器，由于其驅(qū)動(dòng)電極與檢測(cè)電極之間存在很大的耦合電容，檢測(cè)信號(hào)微弱，因此,即使在很高Q值的條件下檢測(cè)信號(hào)中仍存在嚴(yán)重的同頻干擾[11～13]。為了消除該干擾信號(hào)，在芯體和接口電路設(shè)計(jì)中采用了3項(xiàng)措施。首先，為了減小驅(qū)動(dòng)電極與檢測(cè)電極之間的耦合電容，在兩電極之間添加了屏蔽電極，經(jīng)過測(cè)試該耦合電容從1 pF左右降低到了72 fF。其次，將驅(qū)動(dòng)電壓中的交流成分幅值減小到了2 V以內(nèi)。再次，接口電路采用了差動(dòng)電容檢測(cè)和高頻載波調(diào)制解調(diào)方案，電極布局和接口電路如圖7所示。由于耦合電容和交流驅(qū)動(dòng)電壓大幅度減小，同頻干擾信號(hào)幅值得到很大抑制，可以很容易經(jīng)過高通濾波器濾除，而有用的檢測(cè)信號(hào)則通過解調(diào)電路提取出來。差動(dòng)電容檢測(cè)可以進(jìn)一步抑制檢測(cè)電路中的共模干擾信號(hào)，提高接口電路的信噪比。

圖7 開環(huán)測(cè)試系統(tǒng)原理圖

基于該接口電路搭建了開環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，如圖7所示。在使用過程中，掃頻分2步進(jìn)行：先在較大的頻率范圍內(nèi)快速掃頻，通過觀察信號(hào)波形和幅值變化得到初步的諧振頻率。之后以該頻率點(diǎn)為中心將掃頻帶寬縮小到1 kHz以內(nèi)，通過尋找幅值最大點(diǎn)得到最終的諧振點(diǎn)，并記錄此時(shí)的諧振頻率。利用該開環(huán)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)硅微機(jī)械諧振壓力傳感器芯體性能進(jìn)行了初步測(cè)試，壓力標(biāo)定曲線和溫度特性曲線分別如圖8和圖9所示。傳感器壓力范圍為表壓0～280 kPa，測(cè)試間隔為20 kPa，利用二次多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.999 999 9，非線性為0.018 %FS，重復(fù)性為0.176 %FS，重復(fù)性為0.213 %FS，靈敏度為4.73 Hz/kPa。在-20～60 ℃的溫度范圍內(nèi)，諧振器的平均溫度漂移為-0.037 %/℃。

同時(shí)測(cè)試了不同壓力下接口電路的輸出信號(hào)幅值，以評(píng)估外界壓力作用下諧振器的高度變化。接口電路在表壓0 kPa下輸出信號(hào)有效值為140 mV；表壓280 kPa下輸出信號(hào)有效值為130 mV。因此，可以推算得到對(duì)應(yīng)滿量程壓力下的諧振器高度抬升僅為0.6 μm，與有限元仿真結(jié)果一致，為諧振器厚度的1 %，不會(huì)對(duì)傳感器驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)產(chǎn)生明顯影響。

圖8 硅微機(jī)械諧振壓力傳感器表壓標(biāo)定曲線

圖9 硅微機(jī)械諧振壓力傳感器溫度特性曲線

4 結(jié) 論

利用基于SOI的加工工藝，設(shè)計(jì)并制作了的一種靜電激勵(lì)/電容檢測(cè)的硅微機(jī)械諧振壓力傳感器。為了抑制壓力敏感膜片受壓變形時(shí)諧振器的高度變化，在諧振器固定端設(shè)計(jì)了全新的桁架結(jié)構(gòu)，仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在滿量程壓力下諧振器的高度變化減小到約0.6 μm，保證了驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)的穩(wěn)定性，降低了閉環(huán)控制的難度。針對(duì)傳感器檢測(cè)

信號(hào)微弱和同頻干擾嚴(yán)重的特點(diǎn)，在芯體和接口電路設(shè)計(jì)中采取添加屏蔽電極、降低交流驅(qū)動(dòng)電壓幅值、差動(dòng)電容檢測(cè)和高頻載波調(diào)制解調(diào)方案等多項(xiàng)措施，保證了傳感器的輸出信號(hào)檢測(cè),提高了信噪比。該傳感器工藝簡(jiǎn)單可靠，易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，可以滿足一般工業(yè)應(yīng)用。

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