（微电子学与固体电子学专业论文）硅电容式差压传感器的研制.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 硅电容式差压传感器在国际上刚刚崭露头角，在国内尚属空白，此项目被国家列为 “十五”攻关课题，以填补国内空自，适应市场的大量需求。 本文介绍了几种硅电容式差压传感器的设计方案，并且考察了仪表所现有的工艺条 件和技术水平，比较各种方案对该传感器产业化的难易程度，最终确定了符合现有的工 艺条件、易于产品化以及与其它产品生产相兼容的最佳方案。 硅电容式差压传感器是在沈阳仪器仪表工艺研究所研制的，利用了m e m s 的各种 工艺。文中详述了相关工艺的原理、流程、优缺点、及工艺条件对传感器性能的影响 等。例如，k o h 溶液对硅的各向异性腐蚀，磁控溅射台制作光亮的铝膜，超声打孔机 制作导压孑l ，静电键合装置对硅岛膜与玻璃极板的阳极封接等等。对试制的前期样品性 能进行了测试，发现它的重复性、回差性、滞后性基本达到设计要求，但稳定性不太理 想，有时间漂移的现象。通过查阅资料和反复试验，最终找到了影响稳定性的根源，并 在工艺上可以得到解决，稳定性能有所提高。可以说成功地研制出了硅电容式差压传感 器。 在研制过程中，本文积累了大量的数据，曲线，图片以及各种相应的照片，它们为 该传感器的研制提供了可靠的依据。 另外，本文还利用a n s y $ 软件对方形硅岛膜进行了力学分析，表明硅岛膜在定 压力下岛上各点的挠度。随着岛尺寸的变小，岛膜能够越来越好地平行移动。同时岛 的尺寸还要受到其它限制，例如电容相对面积的大小，硅岛膜总体尺寸的大小等等。这 为力敏元件的研制提供了理论依据。 关键词：硅电容，差压传感器，m 畦m s ，a n s y s 沈阳工业大学硕士学位论文 t h e d e v e l o p m e n t o f t h es i l i c o nc a p a c i t a n c ed i f f e r e n tp r e s s u r es e n s o r a b s t r a c t t h es i l i c o nc a p a c i t a n c ed i f f e r e n t p m s s u r e s e n s o rh a sb e e n d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yo v e r s e a s a n dn o ta th o m e i ti sc o n f i r m e dt h en a t i o n f i f t e e n ”t a s ki no n e r t om a k ei tb yo u r s e l v e s a n d s a t i s f yw i t h t h em a r k e td e m a n d af e w d e s i g np r o j e c t so nt h es i l i c o nc a p a c i t a n c ed i f f e r e n tp r e s s u r es e n s o ra r em e n t i o n c di n t h ep a p e r a f t e rt h ee x i s t i n gp r o c e s s i n ga n d t e c h n o l o g yl e v e la r er e v i e w e da n dt h a tw h i c ho f t h e s ed e s i g np r o j e c t si se a s i e rt ot h i ss e n s o ri n d u s l r i a l i z a t i o na r ec o n s i d e r e d ，ao p t i m a ld e s i g n p r o j e c tw h i c hc a r la c c o r dw i t ht h ee x i s t i n gp m c e s s i n g ，i se a s i e rt oi n d u s t r i a l i z ea n dc a l lb e c o m p a t i b l e w i t l lm a n u f a c t u r eo f o 出e r p r o d u c t s i sc o p _ f i r m e d t h es i l i c o nc a p a c i t a n c ed i f f e r e n t p r e s s u r es e n s o rw a sd e v e l o p e di nt h es h e n y a n gi n s t i t u t e o f i n s t r u m e n t a t i o n t e c h n o l o g yw i t hs o m e k i n d so f t h em e m s p r o c e s s i n g t h ep r i n c i p l e ，v i r t u e a n d d e f e c t ，t h ee f f e c to f c o n d i t i o na n df l o wo f t h e s em e m s p r o c e s s i n g a r es t a t e di nd e t a i li nt h e p a p e r f o re x a m p l e ，t h es i l i c o ni se t c h e da n i s o l r o p i c a l l y 访t h ek o h s o l u t i o n , t h el u c e n ta if i l m i sm a d ew i t ht h em a g n e l t o ns p u t t e r i n gs y s t e m ，t h ep r e s s u r eh o l ei sd r i l l e db yt h es u p e r s o m c s t i l e t t om a c h i n ea n dt h es i l i c o na n dt h e g l a s sa r eb o n d e dw i t h e l e c l x o s t a t i cb o n d m g s e t u p s o m e s a m p l e s w e r ea l s ot e s t e dt h e r e ，a n da sar e s u l tt h e i rr e p e t i t i o n ，c o m e - a n d g od i f f e r e n c ea n d l a g p e r f o r m a n c ec a ns a t i s f yw i t ht h ed e m a n d ，b u tt h es t a b i l i z a t i o np e r f o r m a n c ei sal i t t l eb a da n d t h e r e e x i s tt h et i m ee x c u r s i o n a f t e rt h em a s si n f o r m a t i o nw a sm f e r e dt oa n dt h em u c h e x p e r i m e n tw a sp e r f o r m e d ，t h er o o to f t h eb a ds t a b i l i z a t i o np e r f o r m a n c ew a sf o u n da n di tc a n b es o l v e dw i t ht h ee x i s t i n gp r o c e s s i n g n o wt h es t a b i l i z a t i o np e r f o r m a n c eh a sb e e na d v a n c e d a n dt h es i l i c o n c a p a c i t a n c ed i f f e r e n tp r e s s u r es c t k s o rh a sb e e nd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h e r ea r ea g r e a t d e a lo f d a t a , c u r v e ，p i c t u r ea n ds o m ec o r r e l a t i v e p h o t o g r a p h sh t h e p a p e r , a n dt h e s ea r er e l i a b l eb a s i so f t h e d e v e l o p e d $ e r l g o r i na d d i t i o n ，t h es o f t w a r eo f a n s y si su s e dt oa n a l y z et h e s q u a r es i l i c o ni s l a n d - d i a p h r a g m d i s p l a c e m e n tt r a d e rc e r t a i np r e s s u r e a sar e s u l t , l i t t l e rt h es i z eo fs i l i c o ni s l a n d - d i a p h r a g mi s ， b e t t e rt h ei s l a n dc a nm o v ei np a r a l l e l b u tt h es i z eo fs i l i c o ni s l a n d - d i a p h r a g mi sa f f e c t e dw i t h 2 沈阳工业大学硕士学位论文 o t h e rs i z e ss u c ha st h e c a p a c i t a n c e r e l a t i v ea t c aa n dt h eg r o s ss i z eo f s e n s o ra n ds oo i l t h e s ea r e a c a d e m i cb a s i so f t h e d e v e l o p e d s e l s o r k e y w o r d s ：s i l i c o n c a p a c i t a n c e ，d i f f e r e n tp r e s s u r es e n s o r ，m e m s ，a n s y s 3 - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个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或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：壅咝奄日期：超! ：! ：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：垄整恿导师签名：生盘左日期：型坌2 ：2 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 众所周知，当今的社会正从工业化社会转变为信息化社会，而信息化社会离不开计 算机的各种应用，计算机所存储、加工、变换的信息却要靠各种各样的传感器来提供。 传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件，能满足信息传 输、处理、记录、显示、控制等要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元 件。如果把计算机比作大脑，那么传感器则相当于五官，它能正确感受被测量并转换成 相应输出量，对系统的质量起决定性作用。在今天的信息时代里，信息产业包括信息采 集、传输、处理三部分，即传感技术、通信技术、计算机技术。现代的计算机技术和通 信技术不仅对传感器的精度、可靠性、响应速度、获取的信息量要求越来越高，还要求 其成本低廉且使用方便。由此可见，传感器是实现信息化社会的主要技术基础，是推广 应用计算机技术的重要条件。 传感器的定义有很多，其中美国仪表学会( i s a ) 的定义是这样的：“传感器是把 被检测量变换为有用信号的一种装置，它包括敏感元件、变换电路以及把这些元件和电 路组合在一起的机构。”根据这种定义，本文论述的硅电容式差压传感器是传感器中的 一部分敏感元件，它属于半导体压力传感器。 压力传感器是人们最早开发、研究和应用的传感器之一。从它的发展史可以看出， 它利用过不同的物理、化学特性，采用过各种新材料、新技术，例如现在市面上比较多 的有半导体压阻式传感器、采用蓝宝石或陶瓷材料制作的电容式力敏传感器等等，人们 已经研究出很多不同种类和规格的压力传感器，并且传感器的性能指标不断提高，高新 技术含量不断增多。如今世界各国的科研人员都正在抓紧m e m s 传感器的研制，以使 其能够与i c 集成，本课题就采用了m e m s 技术。可以说，现在的传感器技术是知识密 集程度很高以及边缘学科色彩很浓的技术领域。 半导体压力传感器作为传感器家族中的一员已经历了四分之一世纪。目前在压力传 感器中，以半导体材料及半导体工艺为基础的半导体压力传感器已占据了主要地位。半 导体压力传感器体积小、重量轻、灵敏度高、迟滞及蠕变小、工艺制作方便，尤其是生 产工艺与集成电路工艺相兼容。使其具有高性能、大批量生产、低成本等突出的优点和 沈阳工业大学硕士学位论文 广阔的发展前景，已在航天、国防、能源、汽车、环保、医疗等许多领域得到了广泛应 用。 现在广泛应用的半导体压力传感器是扩散硅压阻式传感器，它是通过m e m s 工艺 先制作硅杯，形成应力膜，通过扩散或离子注入的方法来制作应变电阻条。这种工艺实 现t 4 , 型化、批量生产且能与i c 工艺很好的兼容，输出线性化得到很大改善，还可以 将温度补偿电路及放大电路同敏感元件制作在同一芯片上，提高了器件的温度稳定性和 工作可靠性。但是由于应变电阻条是由半导体掺杂形成的，这样的电阻受温度影响还是 较大，在电阻之间起隔离作用的p n 结更是限制了传感器的最高使用温度，因此应用领 域不是很广泛。为了克服这些缺点，人们后来研制了以蓝宝石或陶瓷为衬底的s o l 结构 的压力传感器，还有采用多晶硅来制作应变电阻的压力传感器等等。本课题也正是出于 上述目的，研制硅电容式差压传感器，使其各方面性能有个大的提高。 硅电容式压力传感器是在金属电容式差压传感器基础上发展起来的一种新型敏感元 件。大概在五六十年代就有人利用金属片制成电容式压力传感器，但由于体积和重量都 很大，逐渐遭到淘汰。到了七十年代国外利用m e m s 技术制成了硅电容式压力传感 器，但尺寸仍比较大，分布电容也大。后来随着微电子技术的不断进步，硅电容式压力 传感器的尺寸大大减小，性能也大为改善，适于批量生产，一致性好等等。 现在硅电容式压力传感器作为工业变送器的核心部件，具有十分广阔的市场前景， 国外在这方面已有了十多年的成功经验，例如日本富士品牌的硅电容式差压传感器在国 际上很有影响力。硅电容式差压传感器在我国曾被列为“八五”攻关课题，现在又被列 为“十五”攻关课题，投入资金七十多万元人民币，可见国家对此谋题相当重视，渴望 填补国内空白。但我国现今传感器技术水平与国外相比，还存在很大差距。 国内外之所以都争先恐后地研制硅电容式压力传感器，是因为它存在着许多扩散硅 压阻压力传感器所无法比拟的优点，但在工艺上也有相当的难度。电容式压力传感器的 主要优点如下： 1 全压强测量 它所测的压强与气体种类无关。所以，其灵敏度对各种气体都是相同的。这对 于蒸汽压强和混合气体的压强测量是十分有利的。 2 沈阳工业大学硕士学位论文 2 低的能量和输入力 压阻式传感器的一大缺点就是其电阻上的能量损耗大，而电容式传感器则不存在电 阻能耗，所以能耗小。另外，利用电容的原理，可以做成量程很小的压力传感器。 3 参数变化大、灵敏度高 应变式传感器丝的延伸率不超过4 ，相应电阻变化则不到1 ，半导体应变片可以 变化1 0 2 0 ，而电容式的变化率几乎没有限制，可以做到1 0 0 ，甚至2 0 0 的电容变 化量，比应变式高出几个数量级。而且，动态范围及分辨率都可以相应提高。 4 极低的内耗 许多传感器常常鼹存在内部及外部的摩擦而产生内耗，电容式则不存在摩擦，其滞 后可小于0 0 0 1 。 5 动态响应快 电容式压力传感器的敏感元件就是压力变换元件，其系统质量可以做得很小，固有 频率高，不但扩展了频率响应范围，而且受振动和加速度的影响小。 6 小的自热效应 电容式压力传感器工作时不消耗有功功率。 7 环境适应性好 在高温、辐射或强烈振动下，其它传感器的使用会受到限制，而电容式的则能很好 地适应这些环境。此外，电容式的可以通过简单的电场屏蔽来消除外界电场的影响，若 用无磁性材料制作电容还可以消除外界磁场的干扰。 硅电容式压力传感器在工艺上存在一些难点：第一、为了减小外界信号对电容信号 的干扰，要求采用低阻硅材料来尽量减小寄生电阻，但低阻硅在腐蚀硅杯时可能存在一 定难度；第二、电容式传感器的最大干扰源来自引线的分布电容和杂散电容，这就要求 在工艺和电路的设计上尽量减少寄生电容和分布电容：第三、如何实现电容极板容易引 线又不影响电容的密封，以及两侧电容尽量对称以提高输出的线性化；最后还要考虑传 感器的工艺流程能够适于现有的工艺条件和批量生产。 总之，硅电容式差压传感器的研制在国际上也有一定的难度，这就需要我们不仅要 借鉴别人的经验，更要敢于创新，敢于想象，以科学的、认真的态度来完成本次课题。 3 沈阳工业大学硕士学位论文 1 传感器的静态特性 传感器的特性就是传感器的输入量和输出量的对应关系特性。人们都希望无论在什 么情况下其输入量和输出量都具有一一对应关系。实际上这种理想传感器特性是不存在 的。传感器的特性有两种：静态特性输入量不随时间而变化的特性；动态特性 输入量随时间而变化的特性。在本课题里，由于该传感器应用领域的特点压强是静 态或变化很缓慢的，所以我们主要关心的是它的静态特性。静态特性的重要指标有：线 性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、漂移、稳定性等【l 】。 1 1 传感器的输入输出特。陛 对于一个没有迟滞、蠕变的理想传感器，其静态特性可用下列方程表示： y = a 。+ a t x + 口2 x 2 + 口，x 3 + + 1 , o c ”( 1 1 ) 式中x 为输入物理量，y 为输出量，a o 、8 1 、a 2 、a 3 a n 为常数。式中若8 0 0 表示 没输入信号仍有输出，通常称为零偏。这种多项式代数方程可能有四种情形。 1 、理想情况 a o 、a 2 、a 3 a r i 均为零，方程为线性的y _ a l x ，此种情况为理想情况，如图1 k a ) 所 示。 此时式中的k 为测量系统的灵敏度。 2 、x 只有奇次项时 m ：兰：七 x y = a t x + 口，x 3 + 口，x 5 + 4 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 性。 x 与y 的关系如图1 1 c o ) p 听示，表明在原点附近一定范围内输入，输出特性基本成线 3 、x 只有偶次项( 包括一次项) 时 y = d 戊+ 口z x 2 + 口4 石4 + x 与y 的关系如图1 1 ( c ) 所示，所得曲线不对称。 y y = a i x x o ( a ) 理想直线 y a - x x 0 一 7 ， ( c ) 只有偶次项 y y = a , x 夕 x 0 一 ， ( b ) 只有奇次项 y y 2 a l x ， x - o 一 图1 1 传感器的输入输出特性 ( d ) 普遍情况 ( 1 4 ) 4 、普遍情况 输入与输出的方程有奇次项也有偶次项即方程( 1 1 ) 中无常数a o 。x 与y 的关系曲线 如图1 1 ( d ) 所示。 一5 沈阳工业大学硕士学位论文 1 2 线性度 从图1 1 可看出，在实际运用中如果非线性项的方次不高，则在输入量变化不大的 范围内，可以用切线或割线代替实际曲线的某一段，使传感器的输入与输出特性近似于 线性，这称为传感器特性的线性化。 对于一个传感器来说输入量x 总是有高次项存在，所以输入量x 与输出量y 是非线 性关系。为表示这种关系我们习惯上都用非线性误差来表征。 传感器的非线性误差，是用特性曲线与其规定的拟合直线之间最大偏差与传感器满 量程输出之比的百分数来表示，即 西：垒竺竺1 0 0 y 8 ( 1 5 ) 式中6f 为传感器非线性误差，m 。为实际输入- 输出特性曲线与拟合直线的最大 偏差，y f s 为满量程输出值。m 。的大小与规定拟合壹线的方式有关，所以随着拟合 直线选取的方法不同，其数值也不一样。 y ，f s 图1 2 端点线性 1 、端点线性 6 图i 3 独立线性 沈阳工业大学硕士学位论文 通常以0 点( 0 峋作为端点直线的起始点，以满量程输出1 0 0 作为终点a 我们把通 过这两点连接的直线称为端点直线( 见图1 2 ) 。端点直线与按正负行程多次描绘的特 性曲线的最大正、负偏差称为端点线性或端点非线性误差。其具体计算方法为 式中y i 包括正行程y p 和反行程y i 。 占：比二里鱼些 。 y 。 y ：吐羔y 妒厶 j = l y j 门= y 加 3 = 1 ( 1 6 ) ( 1 6 a ) ( 1 6 b ) 式中i 是由小到大分为n 个值净l 、2 、3 、n ；j 表示多次标定的标定序号j = l 、 2 、3 、m ；m 表示标定次数。 用端点直线作基准直线，优点是简单，应用广泛，缺点是没有考虑所有校准数据的 分布，故精度低。 2 、独立线性 是以最佳直线为参考线。最佳直线的作法是先作两条与端点直线平行的极限直线， 使其包括所有的标定点，然后再在这一对极限直线之间作一条正、负等距离的赢线，并 使实际输出特性相对于所选拟合直线的最大正偏差等于最大负偏差，如图1 3 所示e 3 、最小二乘线性 这是一条垂直偏差平方和为最小的直线。如果有n 个测试点，其中第i 个测试点与 该拟合直线的垂直偏差为 占= p 一( 口+ 砒) 7 ( 1 7 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 nn 该直线为最小二乘法直线。由于拟合原则使辞最小，即砰对a 和b 的一阶偏 导数等于零，导出a 和b 的表达式。 虽口 同理 即 旦争酽：0 缸智 2 8 , ( - d = 0 2 ( 一口一觇) ( 一1 ) = 0 未喜辞观喜骶， 2 一n 一魄h ) = 0 坤i 将式( 1 8 ) 和( 1 9 ) 联立可求出a 和b 萎二! 埏薹兰) ：( 盖三! 夏薹三! 兰 。主砰一慨 2 i f f i li - l 隆一v 窆y f = ll - l 一慨 2 i 一1 h x ? 扣i ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 这样可以得最4 , - - 乘法拟合直线方程，通过计算求出各点的偏差，取其中最大点计 算非线性度，其拟合精度比前两种方法都高。 1 3 其它静态特性 1 、灵敏度 8 儿一 x 一 。旦 h 一 = 6 沈阳工业大学硕士学位论文 是传感器输出增量与输入所测量增量之比。对线性传感器的校准线的斜率就是静态 灵敏度即 k ：型 血 ( 1 1 2 ) 非线性传感器的灵敏度，通常用拟合直线的斜率来表示，非线性特别明显的传感器 的灵敏度可用d y d x 来表示，或用某一较小( 输入量) 区间内拟合直线的斜率表示。 2 、迟滞 迟滞是表示传感器进程特性曲线汴和回程特性曲线y i o 不一致的程度，又称回差。 如图1 4 所示。对力学量传感器来说迟滞实际上反应传感器在受力后，储存( 或释放) 应变能的能力，滞后越大储存应变能量越大，反之亦然。其几何概念可以认为是由进回 程特性曲线所包括的总面积。实际评价是用同一载荷下最大差值来表示即 疋：垃丝1 0 0 ( 船)( 1 1 3 ) y r s 式中y f s 为满量程输出值。 3 、重复性 重复性表示传感器输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致 的程度如图1 5 所示。 其数学表达式为 疋：垒坠l o o ( 胚) y 鼯 ( 1 1 4 ) 重复性误差是属于随机误差，随机误差是在相同条件下多次测量同一物理量时，在 已经消除引起系统误差的因素之后，测量结果仍有误差，而其变化是无规律的随机变 9 沈阳工业大学硕士学位论文 化，这类误差称为随机误差。随机误差服从统计规律( 如正态分布、均匀分布等) ，随 机误差表现了测量结果的分散性，通常用精密度表征随机误差的大小。因此应该根据标 准偏差来计算重复性指标，重复性误差正可按下式计算 以：生超。1 0 0 y y s 式中2 3 倍为置信系数、g 为行程的标准偏差，标准偏差可用贝塞尔公式计算 g = 式中m 为测量值、y 为测量的算术平均值、n 为测量次数。 图1 4i 斟带特性曲线 ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) 图1 5 传感器重复性特性曲线 4 、稳定性 随着时间的增加传感器特性将发生变化，对于同一的输入量即使环境条件不变，所 得的输出量也不同，这是由于敏感元件及其构件的特性随着时间的流逝而产生失效变化 的缘故。即使传感器不使用，失效变化照样会产生。但使用频率高失效的几率大。 1 0 匝 ，jy 沈阳工业大学硕士学位论文 如果传感器在使用过程中，元件等受到应力作用或者热的作用而产生不可逆变化且 积蓄起来，也会使传感器特性发生变化。 在连续使用中，即使输入量一定，输出也会向一定方向偏离，这种现象为漂移。即 使输入为零，漂移也存在。 ( 1 ) 时间零漂 时间零漂一般是指在规定时间内，在环境不变的情况下零输出的变化。对 有源传感器是指在标准的电源条件下，零输出的变化情况。 ( 2 ) 温度漂移 零点温漂 在规定工作条件下( 电源电压) ，环境工作温度每变化1 零点输出的变化值 与满量程输出之比。 灵敏度温漂 在额定的工作条件下，环境工作温度每变化1 灵敏度的变化值与满量程输出 之比。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 电容式压力传感器的基本理论 近年来，集成电路工艺不断提高与完善，m e m s 理论进一步成熟，现在的传感器 在工作原理、结构设计以及制造工艺上与传统的传感器有了很大的不同。就力学量传感 器而言，现在普遍采用的工作原理是应变式和压阻式，也有单电容式的：在材料上，有 蓝宝石、陶瓷、金属应变丝、多晶硅和单晶硅等。不论哪种材料，各种传感器都有各自 的敏感元件，尤其是应变式、压阻式和电容式传感器，它们都有一个弹性元件。本课题 就是通过硅岛膜的位移来感应压力。本章将介绍双电容和弹性方面的基本理论1 2 3 1 。 2 1 电容结构的基本理论 大家知道，对于两个平行的导电板，在它们之间绝缘并且不考虑边缘电场效应的情 况下，所形成电容的表达式为 c ：e o e r s 0 d o ( 2 1 ) 式中瓦为真空中的介电常数，为介质的相对介电常数，s o 为极板的相对面积， 矾为极板间间距。 式中可见，改变电容c 量有三种方法：改变介质的相对介电常数：改变极 板的相对面积s o ；改变极板间间距以。通过改变以上参数，电容量就会发生变化。 反之，若测出电容量的变化，可以反映出电容结构的变化情况。电容式传感器就是利用 这种原理设计的，并可设计出很多种结构以适应不同物理量的测量。 面积变化型电容式传感器的优点是输出与输入成线性关系，但灵敏度比极距变化型 的低，它适于较大直线位移及角位移的测量。极距变化型电容式传感器的优点是可进行 动态非接触式测量，对被测系统的影响小，灵敏度高，适于较小位移( 0 0 1j a m - 数百 u r n ) 的测量，但这种传感器有线性误差，传感器的杂散电容对灵敏度和测量精度有影 响，与传感器配合使用的电子线路比较复杂【4 】。就电容式压力传感器而言，现在普遍采 1 2 - 沈阳工业大学硕士学位论文 用极距变化型结构，这种结构不论在数据采集和处理上或是在制作工艺上，都比通过改 变另外两个参数的结构容易得多。这种结构的电容有单电容和双电容之分。 2 1 1 单电容结构 所谓单电容结构是指电容式传感器中的敏感元件只有一个电容在发生变化，电容的 一个极板为固定极板，另一个极板为可动极板，如图2 i 所示。假设电容的可动极板在 外界因素的作用下移动d 距离，则此时的电容值为 令c ：c 。+ a c 、c o = 6 0 _ s r s o ，则有 盯o c ：鱼! ! 生 d o + a d ( 2 2 ) 蚯- c c o 2 耥一半 ( 2 ，) 妊警( 南一 = c 0 希 吨f t 丝a o1 f j t , + 射 当“1 时，上式由泰勒级数展开可得 c = - c o 等) i - 等2 一( 舻 叫， 由式( 2 4 ) 可得出电容变化的灵敏度s s = 箐= - ( 鲁 一等+ 等 2 _ ( 等卜 ， 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 又由于纥 1 ，所以 s 。一鱼 或 ( 2 6 ) 由此可见，为了使灵敏度s 保持常数，即电容保持线性变化，就必须保证电容可动 极板位移的大小要远小于电容极板的间距，这就要求外界因素作用的范围不能太大。为 了能够使被测量的范围较大，可以适当增大极扳间距氤，但这样又会减小初始电容，不 便于测量，灵敏度会下降。 以上讨论的只是电容值的增量a c 与极板间距增量d 之间的关系。实际应用时， 这种电容值会通过各种后续变换电路转变为其它更适合的信号，例如c v 变换电路、 c f 变换电路。就c f 变换电路而言，最终采集到的频率信号与电容值的倒数成正比， 由电容公式( 2 1 ) 可知，频率信号的增量f 与极扳间距增量a d 成正比关系，即 v 小心扣击= t ( 篙一击 - 去d 面t , f = 丽k = | i 壶c o d ( 2 7 ) d s 。占，o 、7 式中k 为待定系数。由此可见，这种关系不存在电容可动极板位移大小的限制，即不存 在外界因素作用范围的限制，但是不论哪种变换方式，其变化灵敏度都很低。下面将介 绍双电容结构，其变化灵敏度较单电容结构提高了一倍。 2 1 2 双电容结构 双电容结构也叫差容结构，即电容式传感器的敏感元件中有两个电容在发生变化， 其中一个电容值会变大，另一个电容值会减小，然后通过后续电路将两者的电容值相 减，差值可以反映出外界作用力的大小。双电容的具体结构有很多种，例如单面推挽式 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 结构【5 】。普遍采用的双电容结构如图2 2 所示，两边为固定极板，中间可动极板为两电 容的公共极板。 固定极扳 工车二； 图2 1 单电容结构 固定撮扳 1 一。一 上掣秀萨 图2 2 双电容结构 首先假设两电容极板的初始间距相等为如，上电容c l 和下电容c 2 的初始电容值都 为c o ，即c i - c 2 = c o 。当中间的可动极板受外界因素作用移动a d 时( 图2 2 ) ，则 c ，。徊e o , 8 r s 0c ：。塑d o + a d 扯c ，一q = 警( 南一盎 ：g ( ，一垒d 堕o ) 1 一( - + 等) “ 2 盘 当锣么 1 时，由泰勒级数展开可得 - 一钉小等+ ( 才( 黪 ( ，+ 等 = - 一等+ ( 等) 2 一( 訇3 + 将式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 代入式( 2 8 ) 中，可得 1 5 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 c = 2 c o 会 + 等) 3 + ( 等) 5 + - c z ， 由于 2 0 p f 对称性：+ 5 p f 适用温度：3 0 8 5 c 稳定性：o 2 f s 六个月 回差、重复性：+ - 0 0 5 f s 差压量程：1 0 0 k p a 静压量程：1 6 m p a 图3 1 方形岛膜俯视图 图3 2 岛膜剖面分析图 3 1 2 中心膜片的设计 1 、零点电容有关尺寸的计算 本方案欲采用中心岛膜方形结构，如图3 1 和3 2 所示，具体尺寸计算如下 由电容计算公式 c = e ，o s a 2 2 d ( 3 1 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 在这里基础电容是指传感器在没有充入硅油前的零点电容c 。，所以e ，一1 、e 。= 8 8 5 4 1 0 1 2 e m 、c o = 2 0 p f ，则 s d = c o e 。= 2 0 xl f f l 2 8 8 5 4x1 0 1 2 2 2 6 m = 2 2 6x1 0 3 啪 假定电容间隙d = 4 o m ，那么s = 9 0 4 m m ，a = 3n u n ( a 为方形岛边长) 。 2 、膜片厚度h 的计算 假定岛与膜的边长比为n ，即a = a b 。这里n 取最佳值0 5 ，此时膜片挠度w 0 与膜 片尺寸的关系为 矾o 1 8x1 0 ”p ( 2 a ) 4 5 3 ( 3 2 ) 由于采用不同的硅杨氏膜量，所以上式与式2 2 2 不同，但要精确些。这里a 为 3 m m 。为了使电容在测低压时有一定的灵敏度，同时差压满量程时极板间有一定间 隙，假定p = l o o k p a 时，极板间隙为o 5 p m 。假定极板上s i 0 2 介质层的厚度为o 5 ， 则w 0 _ 3 o p m ，经计算得h 9 2 p m 。 3 、断裂压力( p r ) 计算 对于方形膜片，经验公式 p f = ( 1 6 3 ) 6 ，h y a 2 ( 3 3 ) 这里，断裂应力6r - 7 0 xl o p a 、a = 3 x1 0 3 m 、h = 9 2 p m ，所以p 。= 1 6 3 x7 0 x 1 0 。x ( 9 2 3x1 0 3 ) 2 2 3 5x1 0 p a ，可见静压1 6 m p a 、差压l o o k p a 均小于断裂压力，因 此膜片无断裂损伤。 4 、零点电容的最终估算 由于极板上存在s i 0 2 介质层，零点电容的估算要把介质层考虑在内。假定s i o ：层 厚0 5 p m ，介电常数，3 9 ，则 - 2 3 - 沈阳工业大学硕士学位论文 c o = 。s ( ，e ，z ( e ，z d - + e ，- dz ) ( 3 4 ) 其中。= l 、d 。= 3 5 啪、，z = 3 9 、dz = o 5 阳，所以c m = 2 2 o p f 。 5 、结构尺寸的最终设计 ( i ) c o = 2 2 0 v f ( 2 ) d = 4 o 啪 ( 3 )a = 3 m m ( 4 ) h = 9 2 0 r a 6 、其它取值及估算 根据以上算法，取一些岛膜相关尺寸的可能值及估算值，如下表 表3 i 岛膜尺寸的可能值及估算值 岛边长a电容间隙d满量程电容 零点电容c 。 膜厚度h断裂压力 ( 哪)( 间隙d 。( ) o ) f ) ( 细) p ，x1 0 p a 3 o 4 o 52 2 09 23 5 3 5 4o 53 0 o1 1 34 0 3 55o 52 3 o1 0 33 2 4 040 53 9 o 1 3 5 4 3 4 050 53 0 61 2 33 5 4 o6o 52 5 21 1 43 0 4 0 70 52 1 4 i 0 7 2 7 4 071 02 1 41 1 02 8 以上只是从理论上计算出岛膜的相关尺寸，数据还不是很精确，但可以通过 a n s y s 软件进行模拟仿真以改善数据，例如一定尺寸的岛膜在受到1 0 0 k p a 压力的作用 2 4 沈阳工业大学硕士学位论文 下移动多少距离，同样压力作用下岛膜内应力的大小( 见第6 章) 等等，所以方形岛膜 的最佳尺寸是通过a n s y s 软件分析确定下来的。 事实上，岛膜尺寸的设计还要涉及到许多其它问题，例如敏感元件的最终整体尺寸 不宜过大( 实现小型化) ，零点电容大一些以便检测，灵敏度要高一些，线性化要好等 等。鉴于外国同类产品设计的经验，本次课题设计的硅岛膜尺寸初步定为：岛边长 a = 5 m m ，膜边长b = 7 呦，敏感元件的整体尺寸为9 9 m m 2 ，膜厚度为h = 9 0 ，间隙 d 篁8 n 。 3 2 工艺流程的设计 在借鉴外国同类产品的设计，文献报道的经验教训，考察仪表所的工艺条件和技术 水平的基础上，设计自己的工艺流程。本课题设计出两套工艺流程方案。 不论哪种方案，主要工艺流程分为中心膜片的制备、固定电极的制备、元件的封装 和电极的引出四部分。中心膜片即电容的中心电极被确定为硅材料，两边固定屯极的材 质还有待考察。在国内外同类样品中，固定电极主要有两种硅电极和铝电极。 方案一：固定电极为硅材料 这个方案主要包括热氧化、双面对准光刻、湿法各向异性腐蚀、热键合、静电键合 以及硼注入等关键工艺。 1 、中心膜片的制备( 图3 3 ) 进行热氧化，硅片两面生成一定厚度的氧化 层； 双面对准光刻，刻出所需的图形； 用湿法各向异性腐蚀液腐蚀出电容间隙； 在两表面上进行无掩膜硼注入，表面浓度为 1 0 1 8 c m 2 以上； 二次氧化，光刻出岛膜四周的沟槽； 二次各向异性腐蚀，形成电容中的的岛膜。 切片待用。 图3 3 中心膜片制备流程图 - 2 5 沈阳工业大学硕士学位论文 2 、固定电极的制备 硅材料固定电极的制备有两种方法。 方法一( 图3 4 ) 将硅片方形切割( 尺寸和中心膜片一致) ； 在一表面上进行无掩膜硼注入，表面浓度为 1 0 1 m 2 以上； 准备方形硼硅玻璃( 尺寸和硅片一致) ，超 声打出引线孔； 将上述硅片与同尺寸的硼硅玻璃静电键合； 引线孔充入导电胶烘干，抛光硼硅玻璃； 再与另一硅片静电键合； 三层结构同时超声打出导压孔； 用环形口硅杯机在先前硅片上刻绝缘槽，露 出硼硅玻璃； 同上述工艺，做出另一对称固定电极。 方法二( 图3 5 ) 准备方形硼硅玻璃( 尺寸和中心膜片一 致) ，超声打出引线孔和导压孔； 准备方形硅片( 尺寸和中心膜片一致) ， 超声打出导压孔； 在硅一个表面上进行无掩膜硼注入，表面 浓度为1 0 1 8 c m 2 以上： 用环形e l 硅杯机将硅片刻开两部分； 将刻出的其中圆形膜片与硼硅玻璃静电封 接( 硅片在玻璃正中央，导压孔相对) ； 引线孔充入导电胶烘干，抛光硼硅玻璃； 再与另一个制作出导压孔的硅片静电键合 2 6 图3 4 固定电极制备方法一 图3 5 固定电极制备方法二 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 导压孔相对) ； 刻片剩下的硅片与中心膜片 进行高温热键合； 同上述工艺，做出另一对称 固定电极。 3 、元件的封接 对于方式一，将两个固定电极 与中心膜片对准进行低温热键合封 图3 6 封接后的整体示意图 接( 3 5 0 4 0 0 ，4 0 小时左右) 。 对于方式二，将两个固定电极与中心膜片对准进行静电键合封接。图3 6 为封接后的整 体示意图，图3 7 为固定极板俯视图。 4 、电极引出 用银浆从侧面引出三个电极。 5 、设备、试剂和原材料 设备：光刻机、硅杯机、高温氧化 炉、静电键合装置、超声打孔装置、离 子注入装置、等离子活化装置等； 试剂：氢氧化钾腐蚀液、氧气等； 原材料：硅片、硼硅玻璃、导电 胶、银浆等。 图3 7 固定极板俯视图 在这种方案里，除了硅硅直接键合( s d b ) 工艺外，其它工艺在沈阳仪器仪表工艺 研究所很成熟，也就是要想实现这种方案首先要突破非常关键的技术s d b 。s d b 技 术要求硅硅键合后要有一定的强度，气密性要好、持久性要好，适应各种环境，与其它 工艺相兼容，工艺相对简单等等。通过查阅大量资料以及各种实验后，发现s d b 技术 确实有一定难度，键合后的强度、气密性都不是很好。图3 8 示出了2 英寸硅片键合并 高温退火后的红外线透射下的键合界面图像，可以看出除了硅片边缘没有键合外，其它 部分键合良好。图3 9 是另一键合界面在红外线透射下的图像，它是将一个硅片各向异 - 2 7 - 沈阳工业大学硕士学位论文 性腐蚀出栅栏状后再与完整的硅片键合并高温退火，可以看出键合界面强度不够，气密 性不好，这说明在键合界面面积很小的情况下键合不是很好。从上述试验可以看出这种 方案很难实现。 图3 8 两完整硅片之间的键合 圈3 9 栅栏状硅片与完整硅片之间的键合 方案二：固定电极为铝薄膜 本方案难点是如何引线，引线后不影响密封，便于测量。有资料介绍铝线从玻璃与 硅岛膜的封接面引出( 见图3 1 0 ) 。先将铝膜亥0 蚀出引线条，在玻璃上溅射一层玻璃膜 实现铝密封，最后靠玻璃膜与硅岛膜阳极键合，但键合界面不是很好，耐久性差，密封 性差。鉴于此，本方案决定从玻璃上的导压孔引出固定电极引线( 见图3 ，1 1 实物 图) 。 图3 1 0 铝线从封接面引出 图3 11 铝膜从导压孔引线 2 3 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 1 2 方形硅岛膜图3 1 3 玻璃与硅封接后的实物图 在本方案中，硅岛膜的制备同方案一。固定电极铝薄膜的制备需要玻璃打孔、铝膜 溅射、铝反刻蚀、