1、高靈敏超薄MEMS電容式壓力感測器摘要本文報導超薄型MEMS電容式壓力感測器高於每Pa 150x10-18法拉有更好的壓力感測靈敏度，而尺寸僅1.0毫米x1.0毫米x60奈米。能夠檢測到環境壓力的變化在+/-3.5千Pa壓力範圍內0.025%的判斷率。這個電容式壓力感測器使用一個機械方式結合壓力感測薄膜使密封且絕緣的電容分離壓力感測，這樣就能輕易的實現大範圍且高壓力感測的靈敏度，電容器是密封在一個腔體內，電容式感測器對測量介質和EMI(電磁干擾)不會有影響。關鍵字電容式壓力感測器，大的動態範圍，高靈敏度，超薄，MEMS，測量介質，抵抗EMI介紹電容式壓力感測器因為其高壓力感測靈敏度、低溫靈敏度

2、和優良的直流響應以及低功耗而被廣泛的設計應用於各種同時有不同的壓差的測量。通常電容式壓力感測器包含一個薄膜與相同的膜用於當做壓力感測元件和電容式感測元件。一般而言，電容式壓力感測器的高靈敏度是通過增加薄膜的尺寸，減少薄膜的厚度和降低感測的間隙來實現，然而會導致感測器尺寸過大、非線性感測還有動態範圍受限制。此外因為感測薄膜是直接暴露在測量的環境，典型的壓力感測器受測量介質包括流體、化學和電磁效應影響。因此壓力感測器要達成介質保護和抵抗電磁干擾是非常複雜且昂貴。本文針對上述提及的難題從電容式壓力感測元件(對電敏感)減弱壓力感測元件(對機械敏感)去實現高靈敏度和大的動態範圍。通過壓力感測薄膜仍被機械

3、耦合和被密封於一個腔體內，以保護電容式壓力感測器於測量環境中的電隔離電容感測元件。這種壓力感測器克服一些MEMS電容式壓力感測器遇到的基本問題，使他可以應用於工業、消費電子、軍事和汽車工業上。感測器設計圖1顯示出電容式壓力感測器的創新設計不同於傳統的電容式壓力感測器，其具有一個單獨電容感測和一個附加的壓力感測薄膜。正如圖中所示，這種電容式壓力感測器包含三個主要部分組成:薄膜、由對板(一個固定板一個可動板)所製成的電容、和機械耦合元件(中心桿)。薄膜、可動板和固定板都是圓形以維持被夾緊的薄膜在邊緣處徑向對稱性的應力。正方形或長方形的薄膜也許可以使用但在彎處的高應力點也許會影響動態範圍。圖1. 電

4、容器密封於一個空腔的高靈敏度超薄壓力感測設計，電容耦合於壓力感測薄膜但電隔離如圖所示，可動版的電容被牢固的連接在通過薄膜中心的中心桿，但是壓力感測薄膜是電隔離的。中心桿的尺寸小到不足以產生薄膜偏轉，其影響可以忽略。固定板與可動板成平行放置以形成一個平行板電容器。固定板將可動板含蓋在密封腔體內。隨著薄膜因負重壓力產生撓曲，可動板中心的電容也產生相同的撓曲量。因此薄膜產生撓曲就能輕易的轉換為電容變化。圓形壓力感測器的電容靈敏度可由下式得出C是電容的變化量，P是整個薄膜的壓力差，R和T薄膜的半徑和厚度，E和V是薄膜材料的楊氏係數和波森比(橫向應變與軸向應變之比的絕值)，Asense 是可動板的區域，

5、g是可動板與固定板之間的感測間隙。因此，通過改變兩個壓力感測薄膜的尺寸和可動板的電容，電容敏感度可以增加就能實現設計目標。圖2.FME模型顯示壓力感測薄膜的撓曲和附加的可動板通過薄膜中心的中心桿此外，從公式(1)中可看出，對於相同負載下薄膜的撓曲量，電容的靈敏度可以藉由增加Asense和減少d來提高，而動態的範圍可以藉由按比例縮小壓力感測薄膜的尺寸增加。因此壓力靈敏度和動態範圍可以獨立的縮放。從電容感測減弱壓力感測可以增強在小區域的壓力靈敏度和動態範圍。通過適當的選擇壓力感測薄膜和電容式感測器的尺寸比，可以大大增加設計窗口。由於可動板連接薄膜中心，薄膜中心是壓力負載下最大撓曲區域，整塊可動板的

6、位移。因此進一步提升了壓力測器的靈敏度。圖2藉由FEM模擬顯示出薄膜在壓力下產生的撓曲。可動板連接到薄膜的中心。在模擬中薄膜固定在邊界。通過壓力感測薄膜仍被機械耦合和被密封於一個腔體內，以保護電容式壓力感測器於測量環境中的電隔離電容感測元件。通過使用對壓力敏感的薄膜的導電層，並將它保持在固定板上，形成法拉第籠圍繞在電容式感測器周圍。由於電容式感測器現在都是密封且被法拉第籠包圍，因此它可以避免受到測量介質和耐電磁干擾的影響。感測器製造壓力感測器是批量製造且所有過程皆在晶圓等級中，使得它可以產生高產量，且可以很容易地轉移到標準的MEMS製造工廠，提供顯著的成本優勢。圖3.超薄電容壓力感測器的製作流

7、程說明圖3可看出感測器的製作過程。一般情況下，感測器的製造過程中涉及了沉積和圖案兩個氧化蝕刻層和三個多晶矽結構層。這種製作過程一開始要使用LPCVD(低壓化學氣相沈積)沉積氧化矽和氮化矽厚度為50奈米的複合層在SOI晶圓表面上(絕緣矽)。SOI晶圓用在這裡是為了實現超薄的壓力感測器。常規的晶源也可以用在這個過程中。最上方的氮化矽層是用來進行定義壓力感測薄膜的圖形形狀、大小和位置。底層的氧化矽擔任蝕刻終止層。接下來氮化物圖形形成步驟中，沉積第一層多晶矽層(厚度1.01.5奈米)，參雜，和形成壓力感測薄膜所需圖形(圖3之a)。參雜的目的是使壓力感測薄膜產生導電性使得固定板可以應用於壓力感測器的薄膜

8、上。這種方式很容易在壓力感測器的製造過程中創造一個法拉第籠。避免以複雜的方法去產生抗電磁干擾的影響。沉積第一層蝕刻氧化物層且形成可動板電容圖形接下來由第二層多晶矽(厚度2.03.0奈米)沉積和參雜上去形成可動板電容。可動板是機械連接到壓力感測薄膜中心的中心桿，但薄的氧化矽層薄膜(圖3之b)是電隔離的。第一層蝕刻層的厚度是可以調整的，以最大限度去抵抗電磁干擾的影響。第二氧化物蝕刻層沉積並形成圖案，以定義感測器間隙和腔體(圖3之c)。通過沉積和圖案化的第三多晶矽層(厚度3.03.5奈米)，可動板與固定板被打小孔去蝕刻形成壓力感測器的固定板(圖3之d)。使用HF蝕刻液通過孔洞從空腔中將氧化層蝕刻掉。

9、最後以PECVD(電漿輔助化學氣相沈積)氧化物在低壓腔體中(10Torr)密封固定板的孔洞。使用DRIE(深反應式離子蝕刻)蝕刻SOL晶圓直到蝕刻停止層(氧化層)。在這個步驟也可以使用其他方法，例如研磨和CMP(化學機械研磨法)。蝕刻停止層和設備層所構成的圖形最後因蝕刻而露出壓力感測薄膜(圖3之e)。最後超薄(厚度60奈米)的電容是壓力感測器就製作完成了。圖4.製作完成的壓力感測器尺寸為1.0微米x1.0微米x60奈米的俯視圖圖4可以看到製作完成的壓力感測器尺寸為1.0微米x1.0微米x60奈米的俯視圖。每個感測器有六條導線焊於盤上，其中兩個是壓力感測薄膜，兩個是可動板跟固定板。這些導線焊接於

10、盤上是為了感測測試和描述於發展階段。可以進一步縮小到最小化感測器尺寸。圖5.SEM照片顯示出可動板和固定板上的孔洞和腔體內部，孔洞大小範圍2.02.5奈米圖5中SEM照片顯示出可動板和固定板上的孔洞和腔體內部，孔洞大小範圍2.02.5奈米。孔洞的直徑範圍為2.02.5奈米，使得足夠量的化學蝕刻液進入蝕刻和密封過程中以小的封蓋完成最後的感測器。感測器量測壓力感測器的製造在於其特徵與測試結果。圖6和圖7展示從兩個壓力傳感器的製造中的測量結果。這兩個傳感器中有一個可動板在半徑為150微米，而它們具有不同的大小的壓力感測薄膜。在圖6的壓力感測膜片的半徑是90微米，而在圖7為100微米。從圖中可以看出圖

11、6用90微米半徑的薄膜的壓力感測器能夠提供比低壓範圍內靈敏度10aF/Pa（1000帕）更好。整體分辨率為滿量程的0.025左右。作為壓力感測薄膜的增加從90微米到100微米的半徑，壓力靈敏度大幅增加。從圖中可以看出。如圖7所示，在高壓範圍內，測得的靈敏度增加到260aF/Pa（1000帕）。圖6. 測量電容式壓力感應器的性能有90m半徑薄膜壓力感應器150 微米半徑移動板。圖7. 測量電容式壓力感應器的性能100m 半徑薄膜的壓力感器和150微米半徑可動板。圖6：測得的電容式壓力感測器的性能為具有90微米的半徑薄膜，和150微米的半徑的可動板的壓力感測器。圖7：測得的電容式壓力感測器的性能為

12、具有100微米的半徑薄膜，和150微米的半徑的可動板的壓力感測器。兩個感測器有90微米和100微米的膜片半徑，他們有很好的例子，有限元素法模擬的測量結果進行比較。這些測量結果清楚地表明，壓力靈敏度和動態範圍，可以獨立縮放與獨特的傳感器設計。感謝筆者想感謝賈斯汀萊利肯尼斯Desabrais與美國陸軍納提克焊接系統中心提供有價值的信息和建議。支持這項工作是由美國陸軍下契約W911QY-08-0120。參考文獻1 Y. Zhang, S. Massoud-Ansari, G. Meng, W. Kim, andN. Najafi, A Ultra-Sensitive, High-VacuumAbso

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