聯(lián)動(dòng)薄膜電容式壓力傳感器的特性分析與制備

張 冰，揣榮巖，楊宇新，張 賀，李 新

(沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870)

0 引言

MEMS電容式壓力傳感器具有溫度特性好、功耗低、靈敏度高等優(yōu)勢[1-3]，已廣泛應(yīng)用于汽車電子、消費(fèi)電子、工業(yè)測控等領(lǐng)域[4]。早期的電容式壓力傳感器出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代初，通常采用平行板電容器結(jié)構(gòu)，上電極為感壓膜片，下電極固定于襯底上，在壓力的作用下，感壓膜片的撓度始終小于腔體的高度，通過2個(gè)電極間隙的改變來實(shí)現(xiàn)壓力的測量，其電容-壓力響應(yīng)特性存在嚴(yán)重的非線性[5]。20世紀(jì)90年代后期，W. H. Ko和Q. Wang發(fā)現(xiàn)當(dāng)感壓膜片與襯底上的絕緣層接觸時(shí)，電容-壓力曲線出現(xiàn)一段近似線性的區(qū)域，這類傳感器被命名為接觸式電容壓力傳感器(touch mode capacitive pressure sensor，TMCPS)[6-8]，其輸出特性曲線包含4個(gè)工作區(qū)域(非接觸區(qū)、過渡區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū))，TMCPS主要工作在線性區(qū)，這時(shí)輸出電容取決于2個(gè)極板接觸時(shí)的接觸面積，與非接觸式電容壓力傳感器相比，TMCPS表現(xiàn)出更好的線性，更大的壓力范圍，但受結(jié)構(gòu)的局限，TMCPS的線性壓力范圍仍然較小[9]，有待進(jìn)一步提升。

隨著人們對TMCPS關(guān)注度的提高，出現(xiàn)越來越多的新型結(jié)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)性能的提升。如底部電極呈花紋形狀的壓力敏感結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)改善了輸出線性度，但是由于底部電極形狀的改變使得靈敏度顯著降低[10]。凸球冠狀底部電極的壓力敏感結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)靈敏度的提升，但相比于TMCPS卻增加了非線性[11]。雙接觸電容式壓力敏感結(jié)構(gòu)(DTMCPS)通過采用2個(gè)凹槽作為底部電極，實(shí)現(xiàn)在較小壓力范圍內(nèi)靈敏度的提升，但其電容-壓力曲線中出現(xiàn)拐點(diǎn)，造成性能下降[12]。

為了實(shí)現(xiàn)壓力傳感器性能的綜合提升，本文研制了一種聯(lián)動(dòng)薄膜電容式壓力敏感結(jié)構(gòu)(capacitive pressure-sensitive structure with linkage film，CPSSLF)，在擴(kuò)大線性響應(yīng)范圍，提高線性度和靈敏度方面的優(yōu)勢顯著。

1 CPSSLF的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為CPSSLF的剖面示意圖，主要由可動(dòng)上極板、可動(dòng)下極板、介質(zhì)層、硅襯底、上腔體和下腔體組成。當(dāng)上極板受到壓力作用時(shí)，上極板彎曲，使得2個(gè)極板之間的間距發(fā)生變化，導(dǎo)致電容改變；隨著壓力繼續(xù)增加，上極板與下極板接觸，如圖1(b)所示，由于下腔體的存在，下極板也因接觸而發(fā)生形變，并且隨著上極板的形變狀態(tài)而變形，出現(xiàn)聯(lián)動(dòng)的效果，這種效果使得2個(gè)極板間的有效接觸面積可以保持穩(wěn)定增加，從而擴(kuò)大傳感器的線性工作范圍，提高線性度。

(a)靜態(tài)下的CPSSLF

為了提高輸出電容值，在壓力敏感芯片的實(shí)際制造中，將7個(gè)圖1所示的基本單元結(jié)構(gòu)相并聯(lián)，聯(lián)動(dòng)薄膜電容式壓力敏感芯片設(shè)計(jì)圖，如圖2所示。壓力敏感結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖2 聯(lián)動(dòng)薄膜電容式壓力敏感芯片設(shè)計(jì)圖

表1 CPSSLF的設(shè)計(jì)參數(shù) μm

2 仿真分析

2.1 接觸模式下的極板變形分析

根據(jù)表1中的參數(shù)，通過有限元方法對相同尺寸的CPSSLF和TMCPS建立理論模型，當(dāng)壓力大于等于30 kPa時(shí)，2種壓力敏感結(jié)構(gòu)均處于接觸模式，2個(gè)極板之間的相互作用壓力分布曲線如圖3所示，當(dāng)施加的壓力載荷為30、50、70、100 kPa時(shí)，TMCPS的2個(gè)極板之間的最大相互作用壓力分別4.71、1.37、1.37、1.38 MPa，CPSSLF的2個(gè)極板之間的最大相互作用壓力分別為1.94、0.78、0.66、0.49 MPa。分析圖3中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)施加的壓力為30 kPa時(shí)，TMCPS的上極板剛開始與固定在襯底上的下極板接觸，此時(shí)極板間的相互作用壓力最大，為4.71 MPa，之后，隨著外界壓力的增加，2個(gè)極板之間的相互作用壓力幾乎保持不變；然而，對于CPSSLF，隨著外界壓力的增加，下極板在形變過程中產(chǎn)生的應(yīng)力也在不斷增加，使得2個(gè)極板之間的最大相互作用壓力逐漸減小，顯然CPSSLF的可動(dòng)下極板對上極板的形變具有一定的調(diào)節(jié)作用。

(a)壓力載荷為30 kPa

圖4為不同壓力下感壓薄膜的撓度與圓形膜片徑向距離的關(guān)系，圖4(a)和圖4(b)分別為相同尺寸的CPSSLF和TMCPS在接觸模式下的極板撓度曲線。從圖4(a)可以看出，當(dāng)壓力為30 kPa時(shí)，CPSSLF的上極板中心處最大撓度約為0.61 μm,略高于腔體高度(0.6 μm)，此時(shí)上極板與下極板剛發(fā)生接觸，接觸區(qū)域?yàn)閳A形，接觸區(qū)域的半徑約為1.71 μm。當(dāng)壓力分別為50、70、100 kPa時(shí)，上極板中心處最大撓度分別為0.79、0.96、1.20 μm，接觸區(qū)域的半徑分別為18.88、26.74、33.61 μm。而對于TMCPS，由于其下極板固定于襯底上，上極板接觸到襯底之后，上極板中心處最大撓度將不再發(fā)生變化，如圖4(b)所示，在30、50、70、100 kPa的壓力下，TMCPS的上極板中心處最大撓度均為0.6 μm，接觸區(qū)域半徑分別為1.13、22.8、33.4、36.12 μm。通過對比接觸模式下2種結(jié)構(gòu)的接觸半徑可知，隨著壓力的增加，TMCPS的2個(gè)極板接觸時(shí)的接觸半徑變化速率更快，使得輸出電容更早進(jìn)入飽和區(qū)，而CPSSLF的接觸半徑隨壓力變化而變化的速率更加穩(wěn)定。這是由于隨著載荷的增加，CPSSLF的2個(gè)極板聯(lián)動(dòng)，下極板的彈性形變降低了2個(gè)極板間接觸半徑的增加速率，由于接觸模式下的輸出電容主要取決于2個(gè)極板接觸時(shí)的接觸面積，因此相較于TMCPS，CPSSLF的輸出電容值可以在更大的壓力范圍內(nèi)保持線性增加，使得線性工作區(qū)的壓力范圍得到有效提升。

(a)接觸模式下CPSSLF的撓度(R=115 μm，h1=2 μm，h2=2 μm，g=0.6 μm，g′=5 μm，t=0.3 μm)

2.2 輸出特性分析

根據(jù)表1中的設(shè)計(jì)參數(shù)，基于有限元方法在均勻載荷下進(jìn)行靜態(tài)分析，得到相同尺寸的CPSSLF與TMCPS的電容-壓力響應(yīng)特性曲線，如圖5(a)所示。通過分析圖5(a)中的電容-壓力響應(yīng)特性可知，當(dāng)壓力在0～30 kPa之間時(shí)，2種結(jié)構(gòu)的上極板均不與下電極發(fā)生接觸，此時(shí)傳感器處于非接觸區(qū)；當(dāng)壓力達(dá)到30 kPa時(shí)，上極板開始接觸到下極板，此后進(jìn)入短暫的過渡區(qū)；隨著壓力的繼續(xù)增加，2種結(jié)構(gòu)的電容值開始隨壓力線性增長?；谧钚《朔▽﹄娙?壓力曲線進(jìn)行線性擬合，當(dāng)非線性度小于1%時(shí)所對應(yīng)的壓力范圍為線性區(qū)，得到CPSSLF的線性區(qū)為32～72 kPa，如圖5(b)所示，TMCPS的線性區(qū)為32～56 kPa，如圖5(c)所示，顯然，CPSSLF的線性區(qū)壓力范圍更大。

(a)電容-壓力響應(yīng)特性

為對比TMCPS和CPSSLF的非線性度，選取電容-壓力曲線上不同的壓力范圍對非線性度進(jìn)行了計(jì)算，得到CPSSLF與TMCPS在相同壓力區(qū)間內(nèi)的非線性度對比結(jié)果，如圖6所示。壓力范圍為20 kPa時(shí)，對應(yīng)的壓力區(qū)間為32～52 kPa，當(dāng)壓力范圍分別為25、30、35、40、45 kPa時(shí)，相應(yīng)的壓力區(qū)間為32～57 kPa，32～62 kPa，32～67 kPa，32～72 kPa，32～77 kPa。分析圖6可知，在相同的壓力區(qū)間內(nèi)，CPSSLF的非線性度明顯小于TMCPS，如在32～77 kPa的壓力區(qū)間內(nèi)，TMCPS的非線性度為4.32%，CPSSLF的非線性度為1.96%，由此看出CPSSLF具有比TMCPS更好的線性輸出。

圖6 TMCPS和CPSSLF在不同壓力范圍內(nèi)的非線性度

3 樣品測試與分析

根據(jù)表1中的參數(shù)和圖2中的設(shè)計(jì)，試制了量程為100 kPa的壓力傳感器芯片，如圖7所示，其中圖7(a)為壓力敏感芯片，圖7(b)為引線鍵合后芯片樣品；圖7(c)為過載測試中加載4.6 MPa壓力后，膜片斷裂圖；圖7(d)為在管座底部焊接靜電保護(hù)二極管后的圖片；圖7(e)為封裝后的芯片樣品。為了評估樣品芯片的性能，在0～100 kPa的壓力范圍內(nèi)，以一個(gè)正、反行程作為一個(gè)循環(huán)，連續(xù)進(jìn)行了3個(gè)循環(huán)的測試，測試時(shí)所用的儀器主要包括：CPC 6000數(shù)字壓力控制器1臺，KEITHLEY 3330電容測試儀1臺，真空泵1臺，得到樣品所受壓力與輸出電容之間的結(jié)果如圖8所示。對樣品芯片持續(xù)施加壓力，當(dāng)壓力加載到4.6 MPa時(shí)，樣品的輸出電容值驟降，且不再隨壓力增加而改變，說明芯片在4.6 MPa下已經(jīng)損壞。由此可知所試制芯片樣品的最大過載壓力為4.5 MPa。

(a) (b) (c)

通過分析圖8的測試結(jié)果可知，樣品芯片的遲滯約為2.44%FS，重復(fù)性約為0.65%FS，在25～100 kPa的壓力范圍內(nèi)，靈敏度為0.058 pF/kPa，非線性度為4.83%FS。從圖8還可以看出，樣品芯片的測量初始電容值為27.27 pF，但是圖5(a)中的模擬初始電容值僅為0.54 pF，這是由于圖5(a)是對一個(gè)壓力敏感結(jié)構(gòu)單元的模擬結(jié)果，而在實(shí)際測量的樣品芯片電容共包含7個(gè)圖2所示的敏感單元電容，極板邊緣非敏感電容，以及金屬封裝底座和二極管的電容。此外，模擬和測試的接觸壓力也不同，主要是由于在制作過程中，在感壓膜片中引入了殘余應(yīng)力，影響了薄膜的力學(xué)特性，從而導(dǎo)致接觸壓力的差異。

圖8 樣品芯片的測量結(jié)果

表2列出了典型接觸式電容壓力傳感器的性能參數(shù)，可以看出，與本文試制的聯(lián)動(dòng)薄膜電容式壓力傳感器相比，本文試制的CPSSLF在保證靈敏度較高的同時(shí)，具有較大的線性壓力范圍。

表2 典型電容式壓力傳感器的性能比較

4 結(jié)論

本文研制了一種聯(lián)動(dòng)薄膜電容式壓力傳感器芯片(CPSSLF)，通過有限元法對其輸出特性進(jìn)行了仿真分析，與TMCPS相比，可動(dòng)下電極的引入，使CPSSLF表現(xiàn)出了更大的線性響應(yīng)范圍和更好的線性輸出。所制芯片樣品的過載能力約為4.5 MPa，達(dá)到量程的45倍，遲滯約為2.44%FS，重復(fù)性約為0.65%FS，在25～100 kPa的壓力范圍內(nèi)，靈敏度為0.058 pF/kPa，非線性度為4.83%FS。