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1、辽宁大学学报JOURNALOFLIAONINGUNIVERSITY自然科学版NaturalSciencesEdition第32卷第2期2005年Vo.l32No.22005硅电容式压力传感器1*2王中文,王丽娟(1.辽宁大学物理系,辽宁沈阳110036;2.辽宁大学轻型产业学院,辽宁沈阳110036)摘要:在广泛地比较了各种设计方案产业化的难易程度的基础上,最终确定了符合现有的工艺条件、易于产品化以及与其他产品生产相兼容的最佳方案,给出了MEMS的具体的工艺流程.关键词:硅电容;微机械;差压传感
2、器;MEMS.中图分类号:TN312文献标识码:A文章编号:10005846(2005)02013104我们所处的时代是信息时代.信息的获取、检材质的.金属的韧性非常好,尤其是金属膜片比较测要靠传感器和传感技术来实现.传感器越来越薄的时候,特别容易形成褶皱.如果压力传感器的广泛地应用于汽车、石油钻探、温度、压力、气体的敏感膜片出现褶皱将严重影响传感器的性能,所检测等.现有的传感器的设计标准比较低,漂移比以在加工过程中应特别小心,这也是传感器加工较大,不能满足现在对传感器需求标准的要求.本过程中一个十分棘手的问题.随着M
3、EMS加工技文在总结各种工艺设计方案的基础上,给出了合术的成熟和广泛采用,人们自然想到利用硅替代理的最佳化设计的方案,对传感器参数标准有所金属制作敏感膜片,因为硅不仅有一定的机械强提高,克服了以前设计及生产的弊端,有利于传感度,而且刚性良好不易变形,同时也是一种十分理器的生产产业化.想的弹性体.由此可见,敏感元件具有良好的刚性和弹性,对于电容式压力传感器来说是非常必要1电容式压力传感器的基本理论的.由于近年来集成电路工艺的不断提高与完善电容结构的基本理论:两个平行的导电板之以及MEMS理论的进一步成熟,现在的传感器在间绝缘并且不考虑边
4、缘电场效应的情况下,所形工作原理、结构设计以及制造工艺上对传统的传成电容的表达式为感器有了很大的突破.尤其是在力学量传感器上,C=0rS0/d0(1)现在普遍采用的传感器的工作原理是应变式和压式中0为真空中的介电常数,r为介质的相对介阻式等,也有采用单电容式的;而在材料上,有采电常数,s0为极板的相对面积,d0为两极板间的用蓝宝石、陶瓷、金属应变丝、多晶硅和单晶硅等距离.等.不论哪种材料,各种传感器都有各自的敏感元从电容的表达式中可以看出,改变电容C有件,尤其是应变式、压阻式和电容式传感器,它们3种方法:改变介质的相对介电常数
5、r;改变都有一个弹性元件,本文就是通过硅岛膜的位移极板的相对面积S0;!改变两极板间距离d0.通来感应压力的.过外界因素来改变以上参数,电容的输出就会发早期的电容式压力传感器的敏感元件是金属生变化,有一增量C,从而可以反映出外界因素*作者简介:王中文(1969-),男,辽宁锦州人,实验师,从事微电子技术的研究工作.收稿日期:20030812132辽宁大学学报自然科学版2005年作用的大小,电容式压力传感器就是利用这种原但与极间距变化型相比,灵敏度较低,适用于较大理来制造
6、的.从这种变换原理出发,人们就可以设直线位移及角位移的测量.但对于压力传感器来计出很多种结构,各种结构又适用于不同物理量说,现在普遍采用的是改变极板间距d0来改变电的测量.容.因为,这种结构不论在数据采集和处理上或是极间距变化型电容式压力传感器的优点是可在制作工艺上,都比通过改变另外2个参数的结进行动态非接触式测量,对被测系统的影响小,灵构容易得多.所以,现在的电容式压力传感器大多敏度高,适用于较小位移(0.01m~数百m)的数还是采用变间距式结构.测量.但这种传感器有线性误差,传感器的杂散电2硅电容式差压传感器设计方案容也对灵敏
7、度和测量精确度有影响,与传感器配合使用的电子线路也比较复杂.面积变化型电容2.1传感器尺寸的设计式压力传感器的优点是输出与输入成线性关系.技术指标见表1.表1传感器设计的技术指标基础电容对称性适用温度稳定性回差、重复性差压量程量程变化静压量程∀20pF#5pF-30~85∃0.2%FS/6个月#0.03%FS100kPa20:116MPa2.1.1中心膜片的设计3.0m,经计算得h%92m.1)零点电容有关尺寸的计算3)压力(Pr)计算本方案欲采用中心岛膜方形结构,具体尺寸对于方形膜片,经验公式:22计算如下:Pr=(16/3)&∀
8、r&h/a(4)93由电容计算公式C=r0S/d(2)这里,断裂应力∀r=7.0&10Pa、a=3&10m、h在这里基础电容是指传感器在没有充入硅油前的=92m,所以-12229零点电容C0.所以r%
