典型微机械压力传感器特点分析

（一）电容式压力微传感器

压力传感器主要检测的是压力在压力敏感膜上使膜发生变形的程度。在压阻式传感器中，压力测量是通过检测膜受到压力产生形变而导致的电阻变化实现的。电容压力微传感器本质上是一种变极距型电容传感器，压力敏感膜与固定基片上敏感电极之间的距离在外部压力的作用下发生变化，引起检测膜的形变。电容式压力微传感器具有较低的功耗、较高的灵敏度、良好的温度特性，而且产生的漂移很小。这种传感器敏感膜刻蚀以及键合工艺与压阻式微传感器基本相同，但因为不需要加工出压阻，所以加工工艺更简单。

电容式压力微传感器由于硅加工工艺中的各向异性，将压力敏感膜做成矩形形状，其中心厚度比较大是出于适应硅加工工艺的考虑。被测压力引起敏感膜的变形，从而导致敏感电容的变化。参考电容不会随压力变化而改变，因此可用来补偿微传感器的温度特性及其他漂移。

电容式压力微传感器的工作原理在于检测变形以后的硅膜上电极与玻璃衬底上电极之间的电容变化。由于膜发生的位移不是均匀的，加上电容和电极间距成反比这一特性，导致这类传感器具有非线性的缺点，尤其在需要检测高压力值的时候特别明显。接触式压力微传感器是采用硅微加工技术制作的一种新型电容式压力微传感器。和传统的压力微传感器相比，它可以在压力测量过程中把压力敏感膜与衬底维持在接触状态。

接触式压力微传感器与非接触式微传感器的不同在于工作在膜与衬底“接触”的状态。微传感器的电容量受接触部分的面积影响，这有2方面的原因：一是与空气的介电常数相比，绝缘层具有更高的介电常数；二是2电极极板之间的间距在接触状态下是很小的。在灵敏度方面，接触式压力微传感器较高。由于接触式压力微传感器工作时处于接触状态，使它具有很强的抗过载能力，这是它被用于汽车轮胎压力的在线监测中的一个原因，它可以在汽车行驶过程中耐受反复冲击、振动、应力、温度剧烈变化等各种恶劣环境因素。

图5-8和图5-9分别是接触式压力微传感器的结构示意图和接触式压力微传感器的电容一压力特性曲线图。在普通区，微传感器的膜与衬底还没有接触在一起的时候，电容值是随着压力逐渐上升的；当在过渡区附近的时候，电容值会快速上升；在接触区，电容值与压力在曲线图中是线性关系，灵敏度会比没接触在一起时高很多；进入饱和区后，因为大部分膜面积已经和衬底之间发生接触，所以即使压力再增加也不会引起接触面积的显著增加，这时电容的增长逐渐平缓。

图5-8　接触式压力微传感器的结构示意图

图5-9　接触式压力微传感器的电容一压力特性曲线图

同一个器件上的参考电容可用来补偿微传感器的温度特性。图5-10所示为实测的敏感电容与参考电容随温度变化的情况，两者的温度特性大致上是一样的，因此可以实现温度特性的补偿。由于参考电容设计在敏感元件上，与传统外部检测电路中采取补偿电容进行温度补偿相比，这种补偿方式得到的补偿效果更好。图5-11是2种温度补偿的效果的比较。

图5-10　敏感电容与参考电容的温度特性

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图5-11　2种温度补偿的效果比较

（二）硅谐振式压力微传感器

利用压力，改变谐振频率，对谐振频率进行测量，测出压力，这就是谐振式压力微传感器的工作原理。微谐振梁的激励大多采用热激励或静电激励。

图5-12为一种硅谐振梁式压力微传感器结构示意图，这种微传感器的工作步骤如下：首先，需要在N型衬底硅片上制作一个浅槽，扩散出P型电极。其次，与另一个N型硅片键合，并将第二个N型硅片减薄抛光至6μm，完成电极、硅梁和压阻的制作。再次，在第一个N型硅片上腐蚀出一个压力感压膜片，膜片尺寸为2mm×2mm，厚度由压力量程确定（100～270μm），谐振梁尺寸600μm×40μm×6μm。这种硅谐振梁式压力微传感器采用静电激励、压阻拾振，同时在外部设置一个专用集成电路放大设备，把信号反馈给激励电极，可以很好地维持谐振梁的等幅振动。硅谐振梁式压力微传感器的精度为0.01%（满刻度），年漂移＜100×10-6（满刻度），测压范围在0.5～130kPa和0.5～3000kPa，符合航空温度环境（-55～125℃）要求。

图5-12　硅谐振梁式压力微传感器结构示意图

图5-13所示是谐振梁式压力微传感器的加工工艺流程。微传感器的加工从N型硅片开始，如图5-13（a）所示；先在硅片上刻蚀出方形凹槽，如图5-13（b）所示；在凹槽上加工出P型扩散硅作为梁的激励电极，如图5-13（c）所示；然后键合上第二片硅片并减薄抛光到6μm，如图5-13（d）所示；在第二片硅片上加工出提供电绝缘的钝化层，并用离子注入方法加工出压阻，如图5-13（e）所示；在第二片硅片上刻蚀出连线孔以提供与扩散电极的电连接，如图5-13（f）所示；再用金属化方法实现电连接，如图6-13（g）所示；刻蚀下面的硅片制成方形压力敏感膜片，如图5-13（h）所示；最后在上层硅片的上表面透过2道槽刻蚀出谐振梁，如图5-13（i）所示；将所得器件与加工有压力通过孔的玻璃片键合，如图5-13（j）所示，即得到整个压力微传感器的敏感元件。

图5-13　谐振梁式压力微传感器的加工工艺流程

另一种硅谐振梁式压力微传感器的结构如图5-14所示。振动的激励方式可采用静电激励或电热激励，拾振用压阻。整个压力敏感元件由单晶硅压力膜和单晶硅梁谐振器组成，二者通过硅-硅键合成一个整体，梁紧贴膜片，其间只留空隙，供梁振动。硅梁封装于真空（10-3Pa，绝压微传感器）或非真空（差压微传感器）之中，硅膜另一边接待测压力源。膜四周与管座刚性连接，可近似为四边固支矩形膜。当压力膜受到压力时，膜两侧存在压差，膜感受均布压力P将发生变形，膜内产生应力，梁也受到轴向应力的影响，这些应力会改变梁的固有谐振频率。通常情况下，在一定范围内，固有谐振频率的改变和轴向应力，以及外加压力三者之间具有很好的线性关系。因此可以通过检测梁的固有谐振频率，进而得出压力值。

图5-14　另一种硅谐振梁式压力微传感器的结构

制作这种谐振梁-敏感膜片分体结构的压力微传感器需要用到的关键技术有多孔硅牺牲层技术、双面光刻技术、腐蚀技术（各向同性腐蚀技术、各向异性腐蚀技术、反应离子干法刻蚀技术）、低压化学气相沉积（LPCVD）生长厚约10μm的富硅氮化硅技术，硅-硅键合技术、薄膜制备技术，它以低应力厚氮化硅双端固支梁作为谐振器。