基于MEMS技术的电容式微型真空传感器(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)厦门大学嘉庚学院机电工程系 作者:张丹

引言

  真空测量就是真空度的测量, 用以探测低压空间稀薄气体压力所用的仪器称为真空计。真空计种类繁多, 工作原理各异, 除极少数几种是直接测量压力外, 其他几乎都是间接测量压力。随着科学技术的发展, 传统的真空计在某些特定领域很难满足测量要求, 如今真空计正向小型化、一体化、集成化、系统化和智能化的方向发展。

  微电子机械系统(MEMS)是微电子技术与机械、光学技术结合而产生的, 是20世纪90年代初兴起的新技术, 是微电子技术应用的又一次革命性突破。近年来, 随着MEMS技术的不断发展,MEMS在真空计领域的应用也有了很大的发展。在各种新型的真空计中, 以MEMS技术为基础的真空微传感器满足了真空计发展趋势的要求, 因此真空微传感器逐渐受到了人们的关注。与压力、温度、加速度、气体等微传感器相比, 对真空微传感器的研究比较少。真空微传感器是用来测量真空度的, 真空度的测量就是压力的测量, 人们常常用压力微传感器来制作真空微传感器。利用MEMS制作的微机械真空传感器主要有压阻式和压容式, 它们具有体积小巧、加工精度高、可靠性强、耐氧化、成本低廉、易于大批量生产等优点。

  本文介绍了一种以MEMS技术为基础的电容式硅微真空传感器, 该传感器主要采用p++硅自停止腐蚀技术和硅-玻璃键合技术制作, 具有结构简单、灵敏度高等特点。

1、真空传感器的结构及工作原理

1.1、真空传感器的结构原理

  平板电容的表达式为

C=εA/d

  式中: ε是两极板之间的介电常数; d为两极板之间的距离; A为两极板互相覆盖的有效面积。当ε、d、A变化时, 都会引起电容的变化。电容式传感器主要是利用硅膜片在压力的作用下产生变形,使得两极板之间的距离发生变化, 从而使电容产生变化, 以此作为测量的基础。电容式微型真空传感器的结构如图1(a)所示。传感器由玻璃衬底、下电极、绝缘层、硅膜片( 上电极) 、上层密封用的玻璃组成, 其中下电极溅射在玻璃衬底上, 电极上生长一绝缘层; 硅膜是利用硅片的双面光刻、扩散和各向异性腐蚀技术形成的。该电容式真空传感器有两个腔体, 其中上面的腔体是一个真空腔, 下面的腔体是键合形成的, 这个腔体不是密封的, 腔内气体与外界气体相通。电容器的两平板间的距离可由硅片腐蚀的深度控制, 硅膜片与玻璃电极之间的间隙很小, 这也是硅电容式传感器灵敏度高的原因。

传感器结构示意图传感器在压力作用下硼硅膜形变示意图

(a)传感器结构示意图(b)传感器在压力作用下硼硅膜形变示意图

图1电容式微型真空传感器结构示意图

1.2、真空传感器的工作原理

  真空度是指低于大气压力的气体的稀薄程度,通常以压力来表示真空度, 压力高意味着真空度低, 压力低意味着真空度高。由于真空传感器上面的腔体是真空腔体, 在大气压力下, 作为传感器敏感元件的硅膜片在压力的作用下会向上鼓起, 如图1(b)所示。当真空传感器下面腔体内的真空度不同时, 硅膜片向上鼓起的程度就不同, 硅膜片向上鼓起使得电容两极板之间的距离发生变化,根据平板电容的公式可知电容也随之发生变化, 真空度与电容值是一一对应的, 电容值随着真空度的变化而变化。由于电容值与真空度的关系, 电容值的变化通过测量电路转换为电压或频率信号, 检测电压或频率信号可以得到对应的真空度。

2、真空传感器传感元的特性及仿真分析

  在真空传感器的制作中, 选择硼硅膜作为传感器的传感元, 这是由硼硅膜制作简单、安全和良好的机械特性决定的。作为真空传感器的传感元, 硼硅膜是真空传感器的核心部分。近年来, 用P+膜制造微传感器和微器件, 已经成为各大企业和某些高校热切研究的主题, 并被作为电容式压力传感器的薄膜、加速度传感器中的悬臂梁、测量流速时的桥、筛漏的小孔以及微型马达部件等, 广泛地应用于工业生产中。此外, P+膜可以在各种硅的腐蚀液中达到自停止, 可以作为固态压力传感器和SOI结构器件等硅薄膜的腐蚀边界。由于其腐蚀精度高, 腐蚀面平整而被广泛采用。利用BN掺杂剂在硅表面掺杂硼, 作为硅腐蚀的自停止表面, BN掺杂源易于控制浓度( 能够提供期望得到的B的浓度) , 再加上其使用安全、方便, 因此具有很高的使用价值。在压力作用下, 硼硅膜会发生形变, 如图2所示。

 SiB膜及其在压力下的形变

图2 SiB膜及其在压力下的形变

  假设硼硅膜在Z轴方向上的变形量w>>h (硼硅膜的厚度), 采用大挠度理论对硼硅膜进行分析,误差较小。分析可得到在硼硅膜上任意一点(x, y)处的挠度, 则

  式中: E是硼硅膜的杨氏模量; ν是泊松比; a是方形电极边长的一半。此时, 电容值

  因此, 在不同的压力作用下, 方形硼硅膜的变形量是不一样的, 从而对应不同的电容值。利用ANSYS软件对硼硅膜的变形情况进行模拟仿真, 研究在不同的压力下, 方形硼硅膜的变形情况。外界压力分别是10-3、102Pa 时利用ANSYS仿真的方形硼硅膜的变形情况如图3 所示。由图3 可以看到,当压力不同时, 颜色带的位置是不同的。压力越大,硼硅膜的变形量就越大; 在同一压力下, 硼硅膜中心位置的变形量最大。

硼硅膜的变形示意图硼硅膜的变形示意图

图3 外界压力分别为10-3、102Pa 时对应的硼硅膜的变形示意图

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