联动薄膜电容式压力传感器的特性分析与制备

张 冰，揣荣岩，杨宇新，张 贺，李 新

(沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110870)

0 引言

MEMS电容式压力传感器具有温度特性好、功耗低、灵敏度高等优势[1-3]，已广泛应用于汽车电子、消费电子、工业测控等领域[4]。早期的电容式压力传感器出现于20世纪70年代初，通常采用平行板电容器结构，上电极为感压膜片，下电极固定于衬底上，在压力的作用下，感压膜片的挠度始终小于腔体的高度，通过2个电极间隙的改变来实现压力的测量，其电容-压力响应特性存在严重的非线性[5]。20世纪90年代后期，W. H. Ko和Q. Wang发现当感压膜片与衬底上的绝缘层接触时，电容-压力曲线出现一段近似线性的区域，这类传感器被命名为接触式电容压力传感器(touch mode capacitive pressure sensor，TMCPS)[6-8]，其输出特性曲线包含4个工作区域(非接触区、过渡区、线性区和饱和区)，TMCPS主要工作在线性区，这时输出电容取决于2个极板接触时的接触面积，与非接触式电容压力传感器相比，TMCPS表现出更好的线性，更大的压力范围，但受结构的局限，TMCPS的线性压力范围仍然较小[9]，有待进一步提升。

随着人们对TMCPS关注度的提高，出现越来越多的新型结构，用来实现性能的提升。如底部电极呈花纹形状的压力敏感结构，这种结构改善了输出线性度，但是由于底部电极形状的改变使得灵敏度显著降低[10]。凸球冠状底部电极的压力敏感结构能够实现灵敏度的提升，但相比于TMCPS却增加了非线性[11]。双接触电容式压力敏感结构(DTMCPS)通过采用2个凹槽作为底部电极，实现在较小压力范围内灵敏度的提升，但其电容-压力曲线中出现拐点，造成性能下降[12]。

为了实现压力传感器性能的综合提升，本文研制了一种联动薄膜电容式压力敏感结构(capacitive pressure-sensitive structure with linkage film，CPSSLF)，在扩大线性响应范围，提高线性度和灵敏度方面的优势显著。

1 CPSSLF的结构设计

图1为CPSSLF的剖面示意图，主要由可动上极板、可动下极板、介质层、硅衬底、上腔体和下腔体组成。当上极板受到压力作用时，上极板弯曲，使得2个极板之间的间距发生变化，导致电容改变；随着压力继续增加，上极板与下极板接触，如图1(b)所示，由于下腔体的存在，下极板也因接触而发生形变，并且随着上极板的形变状态而变形，出现联动的效果，这种效果使得2个极板间的有效接触面积可以保持稳定增加，从而扩大传感器的线性工作范围，提高线性度。

(a)静态下的CPSSLF

为了提高输出电容值，在压力敏感芯片的实际制造中，将7个图1所示的基本单元结构相并联，联动薄膜电容式压力敏感芯片设计图，如图2所示。压力敏感结构单元的设计参数如表1所示。

图2 联动薄膜电容式压力敏感芯片设计图

表1 CPSSLF的设计参数 μm

2 仿真分析

2.1 接触模式下的极板变形分析

根据表1中的参数，通过有限元方法对相同尺寸的CPSSLF和TMCPS建立理论模型，当压力大于等于30 kPa时，2种压力敏感结构均处于接触模式，2个极板之间的相互作用压力分布曲线如图3所示，当施加的压力载荷为30、50、70、100 kPa时，TMCPS的2个极板之间的最大相互作用压力分别4.71、1.37、1.37、1.38 MPa，CPSSLF的2个极板之间的最大相互作用压力分别为1.94、0.78、0.66、0.49 MPa。分析图3中的数据可知，当施加的压力为30 kPa时，TMCPS的上极板刚开始与固定在衬底上的下极板接触，此时极板间的相互作用压力最大，为4.71 MPa，之后，随着外界压力的增加，2个极板之间的相互作用压力几乎保持不变；然而，对于CPSSLF，随着外界压力的增加，下极板在形变过程中产生的应力也在不断增加，使得2个极板之间的最大相互作用压力逐渐减小，显然CPSSLF的可动下极板对上极板的形变具有一定的调节作用。

(a)压力载荷为30 kPa

图4为不同压力下感压薄膜的挠度与圆形膜片径向距离的关系，图4(a)和图4(b)分别为相同尺寸的CPSSLF和TMCPS在接触模式下的极板挠度曲线。从图4(a)可以看出，当压力为30 kPa时，CPSSLF的上极板中心处最大挠度约为0.61 μm,略高于腔体高度(0.6 μm)，此时上极板与下极板刚发生接触，接触区域为圆形，接触区域的半径约为1.71 μm。当压力分别为50、70、100 kPa时，上极板中心处最大挠度分别为0.79、0.96、1.20 μm，接触区域的半径分别为18.88、26.74、33.61 μm。而对于TMCPS，由于其下极板固定于衬底上，上极板接触到衬底之后，上极板中心处最大挠度将不再发生变化，如图4(b)所示，在30、50、70、100 kPa的压力下，TMCPS的上极板中心处最大挠度均为0.6 μm，接触区域半径分别为1.13、22.8、33.4、36.12 μm。通过对比接触模式下2种结构的接触半径可知，随着压力的增加，TMCPS的2个极板接触时的接触半径变化速率更快，使得输出电容更早进入饱和区，而CPSSLF的接触半径随压力变化而变化的速率更加稳定。这是由于随着载荷的增加，CPSSLF的2个极板联动，下极板的弹性形变降低了2个极板间接触半径的增加速率，由于接触模式下的输出电容主要取决于2个极板接触时的接触面积，因此相较于TMCPS，CPSSLF的输出电容值可以在更大的压力范围内保持线性增加，使得线性工作区的压力范围得到有效提升。

(a)接触模式下CPSSLF的挠度(R=115 μm，h1=2 μm，h2=2 μm，g=0.6 μm，g′=5 μm，t=0.3 μm)

2.2 输出特性分析

根据表1中的设计参数，基于有限元方法在均匀载荷下进行静态分析，得到相同尺寸的CPSSLF与TMCPS的电容-压力响应特性曲线，如图5(a)所示。通过分析图5(a)中的电容-压力响应特性可知，当压力在0～30 kPa之间时，2种结构的上极板均不与下电极发生接触，此时传感器处于非接触区；当压力达到30 kPa时，上极板开始接触到下极板，此后进入短暂的过渡区；随着压力的继续增加，2种结构的电容值开始随压力线性增长。基于最小二乘法对电容-压力曲线进行线性拟合，当非线性度小于1%时所对应的压力范围为线性区，得到CPSSLF的线性区为32～72 kPa，如图5(b)所示，TMCPS的线性区为32～56 kPa，如图5(c)所示，显然，CPSSLF的线性区压力范围更大。

(a)电容-压力响应特性

为对比TMCPS和CPSSLF的非线性度，选取电容-压力曲线上不同的压力范围对非线性度进行了计算，得到CPSSLF与TMCPS在相同压力区间内的非线性度对比结果，如图6所示。压力范围为20 kPa时，对应的压力区间为32～52 kPa，当压力范围分别为25、30、35、40、45 kPa时，相应的压力区间为32～57 kPa，32～62 kPa，32～67 kPa，32～72 kPa，32～77 kPa。分析图6可知，在相同的压力区间内，CPSSLF的非线性度明显小于TMCPS，如在32～77 kPa的压力区间内，TMCPS的非线性度为4.32%，CPSSLF的非线性度为1.96%，由此看出CPSSLF具有比TMCPS更好的线性输出。

图6 TMCPS和CPSSLF在不同压力范围内的非线性度

3 样品测试与分析

根据表1中的参数和图2中的设计，试制了量程为100 kPa的压力传感器芯片，如图7所示，其中图7(a)为压力敏感芯片，图7(b)为引线键合后芯片样品；图7(c)为过载测试中加载4.6 MPa压力后，膜片断裂图；图7(d)为在管座底部焊接静电保护二极管后的图片；图7(e)为封装后的芯片样品。为了评估样品芯片的性能，在0～100 kPa的压力范围内，以一个正、反行程作为一个循环，连续进行了3个循环的测试，测试时所用的仪器主要包括：CPC 6000数字压力控制器1台，KEITHLEY 3330电容测试仪1台，真空泵1台，得到样品所受压力与输出电容之间的结果如图8所示。对样品芯片持续施加压力，当压力加载到4.6 MPa时，样品的输出电容值骤降，且不再随压力增加而改变，说明芯片在4.6 MPa下已经损坏。由此可知所试制芯片样品的最大过载压力为4.5 MPa。

(a) (b) (c)

通过分析图8的测试结果可知，样品芯片的迟滞约为2.44%FS，重复性约为0.65%FS，在25～100 kPa的压力范围内，灵敏度为0.058 pF/kPa，非线性度为4.83%FS。从图8还可以看出，样品芯片的测量初始电容值为27.27 pF，但是图5(a)中的模拟初始电容值仅为0.54 pF，这是由于图5(a)是对一个压力敏感结构单元的模拟结果，而在实际测量的样品芯片电容共包含7个图2所示的敏感单元电容，极板边缘非敏感电容，以及金属封装底座和二极管的电容。此外，模拟和测试的接触压力也不同，主要是由于在制作过程中，在感压膜片中引入了残余应力，影响了薄膜的力学特性，从而导致接触压力的差异。

图8 样品芯片的测量结果

表2列出了典型接触式电容压力传感器的性能参数，可以看出，与本文试制的联动薄膜电容式压力传感器相比，本文试制的CPSSLF在保证灵敏度较高的同时，具有较大的线性压力范围。

表2 典型电容式压力传感器的性能比较

4 结论

本文研制了一种联动薄膜电容式压力传感器芯片(CPSSLF)，通过有限元法对其输出特性进行了仿真分析，与TMCPS相比，可动下电极的引入，使CPSSLF表现出了更大的线性响应范围和更好的线性输出。所制芯片样品的过载能力约为4.5 MPa，达到量程的45倍，迟滞约为2.44%FS，重复性约为0.65%FS，在25～100 kPa的压力范围内，灵敏度为0.058 pF/kPa，非线性度为4.83%FS。