MEMS 硅膜电容式压力传感器的基本原理和结构设
计
基本原理和结构
电容式压力传感器的基本结构如图 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。
由公式可知，外界压力通过改变电容的极板面积和间距来改变电容。随着 压力慢慢增大，电容因极板间距减小而增大，此时电容值由非接触电容来决 定;当两极板接触时，电容的大小则主要由接触电容来决定。
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。
利用有限元分析软件 ANSYS 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 1.01&TImes;105Pa 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，四边中央应力最大为 1.07 MPa，小于硅的屈服应力 7 MPa，其应力分布如图 2 所示。
整个制造流程都采用标准工艺，如图 3 所示。先热氧化 100 nm 的 SiO2， 既作为腐蚀 Si 的掩膜，又作为电容两电极的绝缘层。利用各向异性腐蚀形成 电容空腔和将来露电极的停刻槽，如果硅片厚度一致且 KOH 腐蚀速率均 匀，此法可以在相当程度上等效于自停止腐蚀。从玻璃上引出电容两电极， 然后和硅片进行阳极键合。键合片利用 KOH 腐蚀减薄后反应离子深刻蚀露 出测量电极。
MEMS硅膜电容式压力传感器的基本原理和结构设计
