小量程MEMS电容式压力传感器设计与工艺研究

【摘要】：研究小量程压力传感器的目的在于解决小量程压力环境下的压力测量问题。针对传统MEMS压力传感器在测量小量程压力时灵敏度会下降的问题,本文设计了一种小量程压力传感器。鉴于电容式传感器在测量小量程压力时的潜在优势,传感器采用电容结构,基于变间隙式平行板电容器的原理来测量压力。目前,利用表面微加工工艺来生产MEMS器件已经成为实现MEMS器件微型化、小成本、低功耗、集成化、智能化、系列化和标准化的重要途径。本文以表面微加工工艺为设计思路,提出了一种超薄压敏极板的制备方法。传感器压敏极板极板厚度仅为3μm,从而可以提高传统MEMS电容式压力传感器测量小量程压力时的灵敏度。本文对小量程MEMS电容式压力传感器的研究从下面三个方面进行:传感器的结构设计、传感器力学性能和电容响应的有限元分析仿真以及传感器芯片的工艺研究。以解决小量程压力测量的难点为目标和出发点,设计了传感器的整体结构;采用理论与仿真相互结合的研究方法,借助有限元分析软件模拟了传感器的性能;基于表面微加工工艺设计了传感器芯片的工艺制备流程,对其中的关键工艺进行了探索性实验,确定了具体的工艺参数,成功实现了复合薄膜的制备和牺牲层的腐蚀。对加工完成的芯片进行均匀加压测试,测试结果表明传感器的灵敏度可达0.007pF/kPa,为实现50kPa以下实际可用的小量程MEMS压力传感器打下坚实的理论和技术基础。