关键字：压力传感器
腐蚀速率
晶面
KOH
电容式
键合
硅膜
刻蚀
测量曲线
线性度
1 引言
大气压力传感器在工业生产、气象预报、气候分析、环境监测、航空航天等方面发挥着不可替代的作用。传统的压力传感器一般为机械式，体积比较大，不利于微型化和集成化。利用MEMS技术不仅可以解决上述缺点，还能极大地降低成本，而性能更为优异。如今基于MEMS技术得到广泛应用的压力传感器主要有压阻式和电容式两大类，压阻式压力传感器的线性度很好，但精度一般，温漂大，一致性差；电容式压力传感器与之相比，精度更高，温漂小，芯片结构更具鲁棒性，但线性度差且易受寄生电容的影响。目前MEMS电容式压力传感器多用于过压测量，用于气象压力测量的较少且价格昂贵。为此，本文研制了一种高性能、低成本的微型电容气象压力传感器，整个流程工艺简单标准，薄膜材料选择单晶硅，采用接触式结构，利用阳极键合形成真空腔，最后由KOH各向异性腐蚀和深刻蚀形成硅薄膜。试验结果表明，该传感器适用于气象压力测量。
2 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。
3 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1.01105Pa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。
4 关键工艺
4.1 KOH各向异性腐蚀
在各种各向异性腐蚀方法里面，KOH腐蚀简单实用，成本低廉。在硅片大面积、大深度腐蚀的情况下，KOH腐蚀容易影响硅片表面的形状和光洁度，如何选择合适的溶液配比起着重要的作用。在KOH质量分数为20％～40％，硅片电阻率为0.05 Ω?cm，80℃水浴恒温的条件下，随着KOH浓度的提高，腐蚀表面有着很明显的变化：凸起的小丘逐渐由圆锥变成八棱锥进而变成四棱锥，如图4(a)所示，棱锥高度多为几十微米，底边长一两百微米；提高KOH浓度，小丘消失，出现四棱台，如图4(b)所示，棱台深度多为几个微米，底边长一两百微米；再加大KOH浓度，小坑形状发生变化，完整的四棱台坑几乎消失，多为斜坡状的半四棱台小坑，如图4(c)所示，坡高1～2μm，边长10μm以内。
四棱锥和四棱台的四个斜面对应于腐蚀速率最低的(111)系列晶面。当浓度较低时，(100)和(111)晶面的腐蚀速率比小，所以出现小丘；当浓度增大时，(100)和(111)晶面的腐蚀速率比增大，所以出现小坑；浓度达到一定程度后，(100)和(111)晶面的腐蚀速率比趋于稳定，依然出坑，而(110)和(111)晶面的腐蚀速率比增大，从而产生斜坡。只有调整KOH的浓度，得到匹配的(100)、(110)、(111)晶面的腐蚀速率，才能获得较好的腐蚀表面。试验还表明，温度主要影响腐蚀速率，对硅片腐蚀形貌影响不大。
4.2 阳极键合
目前真空腔的形成多采用Si
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