大气压力传感器
2010-03-26 10:30:56 阅读11 评论0 字号：大中小
大气在工业生产、气象预报、气候分析、环境监测、航空航天等方面发挥着不可替代的作用。传统的压力传感器一般为机械式，体积比较大，不利于微型化和集成化。利用MEMS技术不仅可以解决上述缺点，还能极大地降低成本，而性能更为优异。如今基于MEMS技术得到广泛应用的压力传感器主要有压阻式和电容式两大类，压阻式压力传感器的线性度很好，但精度一般，温漂大，一致性差；电容式压力传感器与之相比，精度更高，温漂小，芯片结构更具鲁棒性，但线性度差且易受寄生电容的影响。目前MEMS电容式压力传感器多用于过压测量，用于气象压力测量的较少且价格昂贵。为此，本文研制了一种高性能、低成本的微型电容气象压力传感器，整个流程工艺简单标准，薄膜材料选择单晶硅，采用接触式结构，利用阳极键合形成真空腔，{zh1}由KOH各向异性腐蚀和深刻蚀形成硅薄膜。试验结果表明，该传感器适用于气象压力测量。
传感器的设计与制造
敏感薄膜是传感器最核心的部件，其材料、尺寸和厚度决定着传感器的性能。
目前敏感薄膜的材料多采用重掺杂p型硅、Si3N4、单晶硅等。这几种材料都各有优缺点，其选择与目标要求和具体工艺相关。硅膜不破坏晶格，机械性能优异，适于阳极键合形成空腔，从简化工艺的目的出发，本方案选择硅膜。
利用有限元xxxxANSYS对接触式结构的薄膜工作状态进行了模拟。材料为Si，膜的形状为正方形，边长1000 μm，膜厚5 μm，极板间距10 μm。在1.01105Pa的大气压力下，薄膜中央接触部分及四个边角基本不受应力，四边中央应力{zd0}为1.07 MPa，小于硅的屈服应力7 MPa，其应力分布如图2所示。
电容式的基本结构如图1所示。式中：ε0为真空中的介电常数；t为绝缘层的厚度；εr为绝缘层的相对介电常数；g为零载荷时电容器两极板之间的初始距离；ω(x，y)为极板膜的中平面的垂向位移。
