（机械电子工程专业论文）微压力传感器的设计与制作工艺研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 微压力传感器是在微机电系统领域最早开始研究并且产业化的微机电器件之一，微机 电系统以微加工工艺为重点研究内容。本文主要对微压力传感器的相关部分进行设计，并 在研究相关微加工工艺的基础上制作了一种验证性的压阻式微压力传感器。论文的主要内 容如下： 1 利用压阻效应、大( 小) 挠度理论、膜的应力形变等力学、电学知识设计了一种压 阻式微压力传感器。此种传感器理论上具有较大的灵敏度，测压范围能根据要求而变化。 2 研究了微电容式压力传感器的差动电容结构设计和微谐振式压力传感器的微谐振 子结构设计，利用a n s y s 软件对微差动电容的结构进行了优化设计。 3 初步研究了利用p e c v d 淀积s i 。薄膜的工艺，讨论了影响薄膜质量的相关工艺参 数；初步研究了用i c p 刻蚀s i o ：和c r 的相关工艺：通过分析不同浓度t m a h 腐蚀液在不同 温度下其p h 值的变化，研究了以溶液p h 值作为腐蚀溶液的控制参数。 4 基于某些微加工工艺制订了一套工艺流程，成功制作了前面所设计的压阻式微压 力传感器芯片。实验过程表明：此工艺流程简便、可操作性强、成品率高。 5 基于惠斯顿电桥的测量原理，利用两级放大电路和两级巴特沃思低通滤波电路搭 建了一简单的测试电路系统，成功地检测出了输出电压的微小变化值并得出了一些初步的 实验数据，验证了芯片设计和工艺流程的正确可行性。 论文的相关研究和实验结果对于微压力传感器的设计、制作具有一定的参考价值，微 加工工艺的相关研究结论也可以应用在其它微机电器件的制作上。 主题词：微机电系统微压力传感器微加工工艺 压阻式电容式谐振式 检测系统 第v l i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t m i c r op r e s 8 u r es e n s o ri ss i m p l eb u tw i d e l yu s e d ，a 1 1 di ti ss t u d i e da n di n d u s 砸a l i z e dv c r y e a r l y m i c r om a c h j n i n gt e c h n o l o g yi si m p o n a n tf o r 曲r i c a t i o no fs o m em e m sp r o d u c t s i n 伽i s p a p e r ，t 1 1 r e em i c r op r e s s u r e s e n s o r sa r ed e s 远n e da n do n eo ft h e mi sf a b r i c a t e db yt 1 1 em i c r o m a c h i n i r 培t e c l l i l o l o g y t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e fa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ep i e z o r e s i s t i v ee f 托c t ，i a r g eo rs m a l ld e f l e c t i o nt l l e o 巧，t h i nf i l m ss t r e s s m e o r ya j l do t h e rm e c h a n i c so re l e c t r i c i t yk n o w l e d g e ，ap i e z o r e s i s t i v em i c r op r c s s u r es e n s o ri s d e s i g n e d i ti ss e n s i t i v et op r e s s u r ea n dt h em e a s u r e m e n ”a n g eo fp r e s s u r ec a nb ec h a n g e d 2 am i c r od i f 诧r e n t i a lc a p a c “a n c ea 工1 dam i c r oh a r m o n i co s c i l l a t o ra r es t u d i e d 甜l d d e s 培n e d t h es n u c t u r eo ft h em i c r od i f 挹r e n t i a lc 印a c i t a n c ei so p t i m i z e db yu s e o ft h ea n s y s s o f h v a r e 3 m e ns i h 4r e a c t sw i t hn h 3i nap l a s m a - e n h 肌c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( p e c v d ) e q u i p m e m ，am i nf i l mo fs i 3 n 4i sd e p o s i t e do nt l l es if l l m p r o c e s sp a r a m e t e r sr e l a t e dt om e f i l mq u a l 姆勰d i s c u s s e d ；r e l a t i o n sa r ef o u n d b c t w e e nt h ee t c h j n gr a t ea 1 1 dd i f 衔e n tp r o c e s s p a r a m e t e r sw h e ns i 0 2a n dc rt h i nf 1 1 m sa r ee t c h e di na i li n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s l m a ( i c p ) e t c h i n ge q u i p m e m ；t h et m a he r o d i n gs o l u t i o n sp hv a l u el l i l d e rd 醯r e n tt e m p e r a t u r e sa i l d c o n c e n t r a t i o n sa r es t u d i e d ，s i n c em ee t c h i n g p r o c e s sc a l lb ec o n t r o l l e db y 协ep h v a l u e 4 a c c o r d i n gt om i c r om a c h i n i n gp r o c e s s e s ，ap r o c e s sn o wi sp l a n e dt om a k et h e p i e z o r e s i s t i v es e n s o rc h i ps u c c e s s f u l l y t h ep r o c e s sf l o wi ss i m p l ea n df e a s i b l e 5 b 姻甜o nt h et e s t i n gp “n c i p l eo fw h e a t s t o n eb f i d g e ，as i i n p l et e s t i n gs y s t e mi ss e tu p w i t ht w oc a s c a d e d 锄p l i f i e r sa n dt 、v oc a s c a d e db u t t e n v o r d ll o w p a s sf i l t e r s t h ev a r y i n gv o l t a g e i st e s t e db yt h es y s t e ma st h ep r e s s u r ei sc h a l l g e d e 1 ( p e r i m e n td a t aa r eo b t a i n c d ，w h i c ha l s o p r o v et 1 1 ef e a s i b i i i t yo f m ed e s i g na n dt h ep r o c e s sf l o w r e s u l t so fm er e s e a r c ha n de x p e r i m e n t si nt h i sp a p e ra r eb e n e f i c i a lt od e i g na n df 曲r i c a t i o n o fm i c r op r e s s u f es e n s o r s 1 1 1 em i c r om a c h i n i n gt e c h n 0 1 0 9 yc a na l s ob eu s e df o ro t l l e rm e m s d r o d u c t s k e yw o r d s ：m i c r oe | e c t r om e c h a n i c a is y s t e m ( m e m s )m j c r op r e s s u r es e n s o r sm c r o m a c h n i n gt e c h n o l o g y p i e z o r e s i s t i v em o d a j 耐c a p a c i t i v em o d a m yr e s o n a n c e m o d a m yt e s t i n gs y s t e m 第v i i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表卜1 三种传感器的性能比较7 表3 1 各个点的应力值2 8 表4 1 温度对氮化硅稳定性和淀积速率的影响3 2 表4 2 反应气体的流量比对氮化硅膜的影响3 2 表4 3 气压对氮化硅腐蚀速率的影响3 3 表4 4 射频功率对氮化硅膜的影响3 4 表5 一l 标准清洗工艺4 5 表5 2 实测电阻值5 0 表5 4 测试结果5 5 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 1 图l 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图4 9 图2 1 0 图2 1 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 。7 图4 8 图目录 单个原子排列成的“原子”字样 微型直升机， 硅微加速度计。，。 微机械射频开关 汽车的防撞传感系统 医用“纳米直升机”，。 压阻式微压力传感器的结构示意图 电容式微压力传感器的结构示意图。 谐振式微压力传感器的谐振子结构示意图 双电容结构， 将进行分析的矩形膜图， 圃e 型岛膜的剖面图， 划分好网格的圆e 型岛膜 e 型岛膜上的各点位移图， e 型岛膜上中点至边缘点之间各点的位移图 谐振式压力传感器的组成框图 集成热激励谐振膜压力传感器， 谐振梁立体示意图，。 谐振子示意图 折弯形电阻谐振梁 折弯形电阻， 方膜片挠度分布示意图 应力变化规律图 硅压阻芯片图，。， 淀积系统原理示意图 有较多气孔的氮化硅薄膜表面形貌， 较软氮化硅膜的表面形貌 有干涉条纹的氮化硅薄膜表面形貌 优化工艺参数淀积的氮化硅薄膜， i c p 刻蚀系统结构示意图 i c p 刻蚀示意图， 刻蚀速率跟气压的关系， 第1 v 页 1 l 4 4 4 4 6 7 7 o 1 3 3 4 4 5 6 6 9 9 5 7 8 9 l 2 3 4 4 5 6 7 1 l l l 1 1 l l 1 l 1 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 9 刻蚀速率跟上电极功率的关系，3 7 图4 1 0 刻蚀速率跟下电极功率的关系图3 7 图4 1 1i c p 刻蚀掉后表面的a f m 图片3 7 图4 j 2 不同流量配比下的d 刻蚀速率3 8 图4 1 3 刻蚀速率跟上电极功率的关系。3 8 图4 1 4i c p 刻蚀成的c r 电阻形状3 8 图4 1 5 湿法腐蚀后的硅腔表面形貌3 9 图4 】6 湿法腐蚀的d 电阻3 9 图4 1 7t m a h 腐蚀实验系统，4 0 图4 1 8 硅晶体结构，4 0 图4 1 9 硅腔结构。，4 l 图4 2 0 腐蚀速率与溶液浓度、温度的关系，4 l ( a ) 6 0 时不同浓度t m a h 的p h 值4 2 ( b ) 1 5 t h l a h 在不同温度的p h 值，4 2 图4 2 1 溶液p h 值与浓度和温度的关系，4 2 图4 2 2 添加剂对腐蚀速率的影响4 2 ( a ) 5 t m a h 未加添加剂腐蚀的硅腔表面形貌4 3 ( b ) 5 t m a h 加入添加剂腐蚀的硅腔表面形貌4 3 ( c ) 2 5 t m a h 未加添加剂腐蚀的硅腔表面形貌4 4 ( d ) 2 5 t 舭h 加入添加剂腐蚀的硅腔表面形貌4 4 图4 2 3 添加剂对形貌的影响4 4 图5 1 传感器芯片工艺流程框图4 5 图5 2 硅片上生长氧化层，。，4 5 图5 3 热氧化s ，以层的表面a f m 图像4 6 图5 4 溅射c r 膜示意图，4 6 图5 5 溅射c r 膜的表面a f m 图像4 6 图5 6 光刻、显影后的硅片，4 7 图5 7 双面光刻、显影后的硅片。4 7 图5 8i c p 后的硅表面s e m 图片，4 8 图5 9 湿法腐蚀形成的d 电阻( 放大倍数：左边4 0 2 l o ) 。，4 8 图5 1 0 待湿法腐蚀硅片，4 9 图5 1 1 形成了薄膜的芯片实物4 9 图5 1 2 引线后的芯片4 9 图5 1 3 惠斯顿测量电桥，5 1 第v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 h 串联补偿法，- ，- b i 图5 1 5 并联补偿法- b l 图5 1 6 串并联补偿法- - - b z 图5 1 7 级放大电路- - b 3 图5 1 8 次级放大电路。- r ，5 3 图5 1 9 低通滤波电路- - 5 4 图5 2 0 整个放大、处理电路图，5 4 图5 2 1 测试系统实物图- 5 5 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：邀压左接盛昼煎选盐生劐韭王艺盟壅 学位论文作者麟：避嫌形年f f 月石 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：垡压左谴盛墨的遮i 士盏剑佳王苎盟壅 学位论文作者签名 作者指导教师签名：壁鲻塾 ，7 日期：巧年，月硝 日期： o f 年，f 月矛日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章引言 1 1 关于微电子机械系统( m e m s ) 111m e m s 的兴起和特点 1 9 5 9 年美国物理学家、诺贝尔奖得主r i c h a r df e y n m a n 提出了一个非常有趣的问题： 如果有一天可以按人们的意愿来安排一个个的原子，那将会产生什么样的奇迹呢? 就在几 十年后，这个愿望便变成了现实。图1 1 的“原子”字样就是用单个原子排列的， 1 9 8 8 年美国加州大学伯克利分校m u l l e r 等人研制成功了直径为6 0 1 0 0 um 的硅静电 马达。 最近，美国洛克希德桑德公司研制出名为“微星”( m i c r s t a r ) 的微型无人侦察机。 该飞行器的长度只有1 5 厘来，重8 5 克。体积仅相当千一只麻雀。而图1 2 是美国一家公 司研制成功的一款微型直升机图( b l a c k w i d o w ) 。 近年来，美国国防部高级研究计划局资助微机电系统用于军用开发的经费每年达5 0 0 0 万美元。 日本通商产业省从1 9 9 1 年起总投资2 亿美元的微机械技术大型研究开发技术，实施 期为l o 年。 法国于1 9 9 3 年启动了“微技术和微系统”项目，投入7 0 0 0 万法郎。 德国每年用于微系统的投入高达7 0 0 0 万美元。“”。 所有这些表明：人们对微小现象有着很浓厚的的兴趣，器件的微小型化正变得越来越 可能，世界各国对微小技术越来越重视。实际上，微小型化正是当今技术领域发展的一个 重要趋势之一。因为微小技术所制作的微小器件能完成许多大系统无法完成的工作，微小 型器件并不是宏观器件的简单等缩。当尺寸小到一定程度，会有许多意想不到甚至令人惊 喜的现象出现。微机电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ，简称m e m s ) 正是顺应这 一趋势而应运而生的一门新学科。 图1 1 单个原子排列成的“原子”字样 图1 2 微型直升机 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 m e m s 是在微电子工艺的基础上发展起来的，它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、 生物学、医学等多种学科与技术。作为一个多学科交叉的前沿研究领域，具有如下特点： 1 ) 微型化：m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。 2 ) 以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密 度类似铝，热传导率接近钼和钨。 3 ) 批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或 完整的m e m s 器件，批量生产可大大降低生产成本。 4 ) 集成化：可以把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微 执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的m 酬s 产品。 5 ) 多学科交叉：m e f i s 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学 和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果”“3 。 1 12m e m s 的研究方面及应用前景 当前对m e m s 的需求主要来自汽车工业、通信领域( 全光网络、无线通信) 、生物医学( 生 物芯片和微流量计部件) 和军事应用( 惯性制导、分布传感与控制、信息技术) 。目前全世 界在m e m s 进行深入研究的方面主要有： 1 ) 传感器类m e m s 自1 9 6 2 第一个硅微机械压力传感器问世以来，目前主导m e m s 市场的传感器己形成产 业，其中压力传感器及加速度计在9 0 年代已商品化。现在已经形成产品和正在研究中的 微型传感器有：压力、温度、湿度、加速度、角速度、微陀螺、光学、位置、电量、磁场、 质量流量、气体成分、p h 值、离子浓度和生物浓度、触觉传感器等。 2 ) 射频m e m s 射频m e m s 的研究目标是把半导体有源器件、微加工元件等集成到一起，从而实现单 芯片上的射频系统，完成信息的获取、传输、处理和执行等功能，使许多产品集成化、微 型化、智能化，成倍提高器件和系统的功能密度、信息密度和互连密度，大幅度节能降耗。 射频m 叫s 是当前研究的热点，无源m e m s 器件包括微机械传输线、电感、滤波器和涡合器： 有源m e 峪器件包括开关、调谐器、可变电容。当前基于m e m s 的开关、滤波器、可变电容、 等射频元器件已取得实质性进展。 3 ) 光学肥m s 信息技术、光通信技术的发展，使微型光机电系统( m o e m s ) 成为当前研究的热点。光 电微机械芯片通常是指包含一个以上微机械元件的光系统或光电子系统。利用m e m s 技术 制作的新型光器件，插入损耗小，光路间相互串扰极低，对光的波长和偏振不敏感，并且 通常采用硅为主要材料，从而器件的光学、机械、电气性能优良。采用模块化设计，方便 扩展应用。目前在研制m o e m s 光通信器件有诸如全光网络用光开关、o a d m ( 光分插复用器) 、 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 可调光衰减器、可调谐激光器、可调光滤波器、光波长变换器、再生器。其中，部分m e m s 器件如光交叉开关、光衰减器、波分复用器件、可调谐光纤光栅已见商业应用报道”1 。 4 ) 流体和生物化学m e m s 类 使用生物芯片或微型生物化学芯片组成的微型生物化学分析系统，是在很小几何尺度 的衬底上，集成样品预处理器、混合器、微反应器、微分离管道、微检测器等微型生物化 学功能器件、微电子器件和微流量器件的集成系统。微型生物化学分析系统除了体积小以 外，还具有样品消耗少，能耗低，效率高、集成、并行和快速检测的优点，已成为2 1 世 纪生物医学工程的前沿科技，可广泛用于临床、环境临测、工业实时控制。采用微加工技 术制造的各种微小器件适合于操作生物细胞和生物大分子，具有可进入很小的器官组织和 能自动地进行细微精确操作的特点，又可大大提高介入治疗的精度，降低医疗风险。 5 ) 其它m e m s 类 其它研究热点有微型执行器( 微马达、微电机、微谐振器、微开关、微阀、微泵等) 及 微能源、微机器人、微飞行器、微纳皮卫星等系统”1 。 m e m s 有着广阔的应用前景，主要有以下几个方面： 1 ) 军事国防 m e m s 发展的最初动力的一个重要方面是来自军事科技的需求。事实上，m e m s 技术在 飞行器的电子设备、微型飞行器、微型引线保险与解除保险安全装置、微型敌我识别装置、 微惯性导航系统、军用微型电池能源系统等方面已有重要应用。如图1 3 是a d 公司的硅 微加速度计。利用m e m s 技术首先是提高了武器的智能程度，如微电机技术能在一个硅晶 片上置放1 0 0 万个微型机器，每台机器都有电子控制系统，构成极小的微电机系统。将这 种装置镶在头盔、服装或武器里，将不仅可以监测和传输一个士兵的重要标记和位置，而 且还能监测和传输附近敌人的任何活动；二是改善了武器装备的隐身性能；三是提高了武 器的安全性。如目前车载机载的电子战系统浓缩至可单兵携带，隐蔽性更好，安全性更高； 四是进步提高武器的信息化程度，使武器装备控制系统信息获取速度大大加快，侦察监 视精度大大提高；五是使武器的生产周期缩短，成本降低o 。 2 ) 射频通讯、光学 射频m e m s 用于从低频直到毫米波频段信号的产生与处理微型化和可集成的器件，可减 小体积和重量，降低动耗，提高可靠性和多功能化。因而，包括美国朗讯公司在内的一些 公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统。如图1 4 是微机械 射频开关的示意图。 利用微米，纳米制造技术，现已开发出许多用于传感、通讯及显示系统的分立使或阵 列式微型光学器件。包括光纤传感器、光开关、光显示器、光调制器、光学对准器、光度 头、变焦距反射镜、集成光编码器、微光谱仪及微干涉器等。美国t e x a si n s t r uj i l e n t s 公 司早在2 0 世纪8 0 年代初就着手研究用于投影装置的数字驱动微镜阵列芯片，它可应用于 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 彩色投影仪、电视显示等”。 3 ) 汽车行业 汽车行业是m e m s 传感器技术的重要市场。传统的多路绝对压力传感器和气囊加速度 计几乎已经完全被微型化的传感器所替代。在轮速测量、冷却系统压力、发动机油压力和 刹车压力测量方面，人们正在考虑或已经开始用基于m e m s 技术的传感器来取代原有的产 品。此外，人们还在尝试将m e m s 器件应用于汽车的智能型低污染发动机系统、智能型活 动底盘系统、智能型安全与导航系统中。如图1 5 所示的整个汽车防撞传感器系统就是由 许多m e m s 传感器组成1 。 4 ) 生物医学技术 生物芯片已经在基因排序上引起极大的反应。通过微型生物机电技术合成m 朗s 传感 器和致动器，可以创造出具有更强大功能的新一代生物芯片。综合起来讲脏 l l s 在生物医 学领域的应用主要是下列三个方面：i ) 临床化验分析。i i ) 基因分析与遗传诊断。i i i ) 介入治疗。如图1 6 是美国康纳尔大学的科学家利用a t p 酶作为分子马达，研制出的一种 可以进入人体细胞的纳米机电设备一“纳米直升机”1 。 图1 3 硅微加速度计 图l | 4 微机械射频开关 图1 5 汽车的防撞传感系统 图1 6 医用“纳米直升机” 实际上，作为一门方兴未艾的新技术，m e m s 的前途不可限量，正如业内的位专业人 士所说的：m e m s ，t h e 。n l yl it i 】i t a t i o ni sy o u ri m a g i n a t i o n ! 世界各国特别是发达国家， 纷纷制订计划，投入大量经费，争夺这一科技的制高点。当前，美国、日本、德国等科研 堡里垄坚型i 塑些查垄堇墨塑萱翌! ：塑里丛! ! 生垡查茎塑王坚! 堕笪塑塞：坠堡堕里丛塑 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 主，包括硅微型压力传感器、微型电机、微型泵。1 0 年来研究队伍逐步扩大，9 0 年代末 已形成4 0 多个单位的5 0 多个研究小组，在新原理微器件、通用微器件、以及初步应用等 方面取得了较大进展。但是我国的微加工技术跟世界强国相比还有较大差距，成为制约我 国m e m s 发展的瓶颈。 1 2 关于微压力传感器 1 ，2 1 微压力传感器现状及发展趋势 微压力传感器( m i c r o p r e s s u r es e n s o r ) 是微传感器的一种。它是最早开始研制的微 机械产品，也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。其原理是将压力( 被测量) 转换成电信号( 例如电压、电流) 输出的器件。最常见的微压力传感器有压阻式、电容式、 谐振式三种。 现阶段微机械压力传感器的主要发展方向有以下几个方面。“。 ( 1 1 将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，研制智能化、数 字化的压力传感器。 这一方面，m o t o r a l a 公司的y o s h ii y 等人在t r a n s d u c e r 9 7 上报道的单片集成智能压 力传感器堪称典范。这种传感器在一个s o i 晶片上集成了压阻式压力传感器、温度传感器、 c m o s 电路、电压电流调制、8 位m c u 内核( 6 8 h 0 5 ) 、1 0 位模数转换( a d ) 器、8 位数模 转换( d a ) 器，2 k 字节e p r o m 、1 2 8 字节r a m ，启动系统r o m 和用于数据通信的外围电路 接口，其输出特性可以由m c u 的软件进行校准和补偿，在相当宽的温度范围内具有极高的 精度和良好的线性。 ( 2 ) 进一步提高压力传感器的灵敏度、实现低量程的微压传感器。 这种结构以e n d e v e o 公司在1 9 7 7 年提出的双岛结构为代表，它可以实现应力集中从而 提高了压阻式压力传感器的灵敏度，可实现1 0 k p a 以下的微压传感器。1 9 8 9 年复旦大学提 出一种梁膜结构来实现应力集中，其结构可看作一个正面的哑铃形梁叠加在平膜片上，可 实现量程为1 k p a 的微压传感器。另外还有美国h o n y w e l l 公司在1 9 9 2 年提出的 “r i b b e d a n d b o s s e d ”结构和德国柏林技术大学提出的类似结构。这种微压传感器用于脉 动风压、流量和密封件泄露量标识等领域。 ( 3 ) 提高工作温度，研制高低温压力传感器，拓宽工作温度范围。 压阻式压力传感器由于受p n 结耐温限制，只能用于1 2 0 以下的工作温度，然而在许 多领域迫切需要能够在高低温下正常工作的压力传感器，例如测量锅炉、管道、高温容器 内的压力等。目前对高温压力传感器的研究主要包括s o s 、s 0 i 、s i c 、p o ly 、s i 合金薄膜 溅射压力传感器、高温光纤压力传感器、高温电容式压力传感器等。其中6 h s i c 高温压力 传感器可望在6 0 0 下应用。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 4 ) 开发谐振式压力传感器。 微机械谐振式压力传感器除了具有普通微传感器的优点外，还具有准数字信号输出， 抗干扰能力强，分辨力和测量精度高的优点因而是微压力传感器的主要发展方向。硅微谐 振式传感器的激励检测方式有电磁激励，电磁拾振、静电激励，电容拾振、逆压电激励压电 拾振、电热激励压敏电阻拾振和光热激励光信号拾振。 ( 5 1 与新技术、新利料刁i 断融合。 总之，用m e m s 技术加工制作的微结构传感器具有微型化、可集成化、阵列化、智能 化、低功耗、低成本、高可靠性、易批量生产、可实现多点多参数检测等一系列优点，受 到各国研究者的重视。尽管目前开发的传感器还有某些不足之处，例如灵敏度低、工作温 区窄、精度不高。但是，随着科研工作者的深入研究，在不久的将来必有更多结构更新、 性能更优异的实用化的传感器问世。 1 ，2 2 典型微压力传感嚣简介 122 1 压阻式微压力传感器 冈j ，7 是压阻式微压力传感器的一个结构图示意图。当有压力作用在敏感膜上时，敏感 膜带动附着在其上的力敏电阻发生变形，力敏电阻由于压阻效应其电阻值会发生改变： 等= z 一十z ，正。万，为纵向压阻系数，一为横向压阻系数；口，为纵向应力，q 为横向应 力。从而导致输出电压的变化，通过测量输出电压的变化就可以得到相应的压力大小“”。 图l ，7 压阻式微压力传感器的结构不意图 1 2 22 电容式微压力传感器 图l ，8 是一种电容式微压力传感器的结构图。其基本原理是：当给两平行导电板加上 正、负电压后，上下极板分别充上正、负电荷并构成平板电容器。其电容值c 为：c = ! 爿 赶 式巾c j 为两平行板间的距离；a 为平行极板的面积；占，为板闯所充介质的相对介电常数；s 。 为真空电容率。当两极板之间的距离发生变化时，平板电容器的电容便发生变化： c 2 需；蓉口_ 可见，电容的改变量和压力p 成正咄“3 。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 2 3 谐振式微压力传感器 图1 9 是谐振式微压力传感器的种。它的基本原理是：电压加在谐振梁上使其在谐 振频率f 0 处发生共振， = 一一i 。= 一一( 0 ) 哆2 吃，其中一、指激振电阻两端的激励 电乐有效值和临界激励电压有效值。可见在静态热激励电压的作用下谐振梁谐振频率厂 的改变与激励电压的平方成f 比。当有压力作用时，由于其刚度改变，所以共振频率就会 增加，根据频率的改变量可以得出压力的火小“。 平板 图1 8屯容式微压力传感器的结构示意图 圈1 、9 谐振式微压力传感器的谐振子结构示意图 般来说，由于谐振式微压力传感器为闭环工作模式，所以它在分辨率、精度、功耗 等性能比压阻式和电容式更优。表卜l 是三种传感器的性能比较。1 。 表卜1 三种传感器的性能比较 。性能压阻式 电容式谐振式 输出形式电压电压频率 分辨率 1 1 0 1 1 0 01 1 0 0 精度5 0 0 一1 0 12 0 0 一1 0 _ 口1 0 一1o - 。 动耗( w )1 0 0 1 o 1 一1 0 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 31 课题来源 1 3 本课题的主要任务及章节安排 本课题来源于校预研基金“微结构与微系统设计理论、方法及c a d 技术研究”( 基金批 准号：5 1 4 1 8 0 7 0 1 0 3 k g 0 1 4 9 ) 。 1 32 课题研究的意义 m e m s 在军事领域有着广阔的应用前景。可以说，一旦相关l l i e m s 技术能够完全实用于 军事武器的制作，它必将带来深刻的军事技术变革。受工艺加工技术的制约，许多设想现 在还无法付诸实现。因此，相关微加工工艺的研究就很有意义。同时它们又是本课题的另 一主要工作制作验证性微压阻式压力传感器的基础。微压阻式压力传感器式是结构最简 单、技术相对较成熟的微压力传感器中的一种，与其它扩散、掺杂形成压敏电阻不同，本 文设计的折弯形电阻制作在敏感薄膜上，它能增加灵敏度，减少工艺步骤，简化结构，降 低成本。另外，差动微电容式是电容式微传感器的主流方式，其中心膜片是主要结构；谐 振式微传感器的性能最优，是当今微压力传感器的主要发展方向，谐振子是它的主要部分。 1 33 主要任务及章节安排 1 第一章旨在对m e m s 及微压力传感器作一综合性的论述以及了解熟悉m e m s 这一新 学科和微压力传感器的相关知识。 2 第二章设计电容式微压力传感器的差动电容结构及相关优化，同时设计谐振式微 压力传感器的谐振子结构。 3 第三章设计一种验证性的压阻式微压力传感器。有压敏电阻的优化设计、感应薄 膜理论及其模型的建立等。 4 第四章研究制作前面设计的几种微压力传感器所用到的一些相关工艺。 5 第五章设计制作压阻式微压力传感器的工艺流程并制作传感芯片、后期处理电路 设计、测试系统搭建及信号的获取和分析。 6 第六章是全文工作的一个总结和展望。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章电容式、谐振式微压力传感器相关设计 2 1 电容式微压力传感器中间膜片的结构设计及仿真 2 1 1 电容式微传感器的结构原理 假着不考虑两个平行导电板的边缘电场效应，且它们之间绝缘。则所形成的电容为： c ：墅煎( 2 1 ) 巩 其中岛示真空中的介电常数( 它一般为一常数) ，g ，示平行导电板之间介质的相对介电 常数，岛示极板的相对面积，矗示两极板之间的间距。 由式2 1 可以看出，改变电容有三种方法：改变平行电极板之间的间距瓯；改变介 质的相对介电常数占，；改变平行电极板的相对面积鼠。这给了人们一种启示：若能得出 电容的改变量，就可以反映出电容结构的变化情况。电容式传感器正是借助了这一原理“3 。 文献资料表明：相对面积变化型的优点是输出与输入成线性关系，但灵敏度比极距变 化型低，它