文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.003
中文引用格式： 張瑞，梁庭，熊繼軍，等. 小量程MEMS電容式壓力傳感器的研究與發展[J].電子技術應用，2015，41(7)：11-14，18.
英文引用格式： Zhang Rui，Liang Ting，Xiong Jijun，et al. Research and development of low pressure MEMS capacitive sensors[J].Application of Electronic Technique，2015，41(7)：11-14，18.
0 引言
如今，用于測量中等壓力(0.1～10 MPa)的MEMS傳感器已經相當成熟，并且已經實現批量化生產。工作壓力低于0.1 MPa者卻不多見，遠不能滿足小量程壓力測量需求。小量程壓力測量主要應用于大氣壓力測量和生物體內部的壓力測量。氣壓測量在氣象、航空、實驗室等條件中運用頻繁。在氣象學領域里，壓力數據是估算大氣中水汽含量不可或缺的參數。又如，根據氣壓值隨海拔高度線性降低的關系可以實時獲取航天器飛行時的高度位置信息。這些應用領域的氣壓值均在一個大氣壓（0.1 MPa)以下，而且需要傳感器便攜式和集成化。在臨床醫療過程中，實時、準確地監測人體各種壓力指標的變化能對診斷和治療起到非常積極的作用。這些被測壓力都比較小，青光眼的眼壓范圍在10～100 kPa之間[1]，人類與外部接觸所產生的壓力大約在0～220 kPa之間[2]。除此之外，傳感器還需要植入生物體中，所以體積要微小并能進行非接觸式測量。因此，小量程MEMS壓力傳感器應用前景廣泛，對其研究具有重要意義。
由于作用壓力小，靈敏度成為了制約小量程MEMS壓力傳感器發展和應用的難點。通常，靈敏度的提高會導致線性度的降低，反之亦然。要成功研制出小量程壓力傳感器，必須首先解決小量程高靈敏度輸出與超薄力敏膜片大撓度引起的非線性誤差之間的矛盾。MEMS壓力傳感器多種多樣，與其他類型的傳感器相比，電容式壓力傳感器不僅結構簡單、靈敏度高、動態響應特性好、溫度漂移小，而且能夠進行非接觸式的無線無源測量[3]。特別地，電容式傳感器還可以承受更高的滿量程過載，這點對于小量程測試應用也是十分重要的，因為相對高的壓力載荷經常會出現在小量程壓力檢測過程中[4]。通過上述分析可知，電容式壓力傳感器很適合用于小量程壓力測量。
回首歷史，電容式傳感器很早就被用來測量壓力、位移等。但由于當時技術水平的限制，使它的應用面臨較多的困難，發展相對緩慢。隨著科技的日新月異，特別是半導體產業的進步，新材料、新工藝、新電路得以不斷被開發，電容式傳感器曾經遇到的許多技術問題都能夠得到解決[5]，所以從20世紀80年代開始,各國開始對MEMS電容式壓力傳感器進行研究[6]。
作為MEMS壓力傳感器的一個重要發展方向，國內外都探索了如何提高傳感器在測量小量程壓力時的靈敏度，但研究主要集中在壓阻式傳感器，對電容式傳感器的關注卻比較少。國外研制的小量程MEMS電容式壓力傳感器初步實現了產品化，國內卻僅有中國科學院的王躍林教授所帶領的研究團隊對此領域開展了系列研究。
1 小量程測壓的技術難點
電容式壓力傳感器是基于變間隙式平行板電容器工作的。當可動極板受壓力作用時，會發生一定的變形，因此上下電極之間的距離發生變化，從而它們之間的電容也發生了變化。然而，壓力與電容之間的關系是非線性的。為了消除非線性，設計者會根據小撓度薄板理論設計電容式傳感器的可動極板，使之在一定的壓力范圍內非線性減小甚至呈線性變化。除此之外，也可以采用具有補償功能的測量電路對輸出電容進行非線性補償。在小量程壓力范圍內，傳感器的測量對象是絕對壓力。初始電容C0和Δγ（γ為可動極板形變量與初始極板間距的比值）是影響電容式傳感器靈敏度的關鍵因素。為了得到較大的電容輸出和較高的靈敏度，極板作用面積應該盡量大，極板間的間距要盡量小，可動極板受力產生的形變也應該盡量大，同時采用介電常數大的材料做介電層。這4個設計參數之間不是彼此孤立的，而是相互聯系相互影響。單純利用改進傳感器結構來提高小量程傳感器的輸出電容是有限的。如果電路靈敏度不高,則小電容信號很有可能湮沒在噪聲信號中。因此,對測量電路的優化也是實現MEMS電容式傳感器小量程測壓必不可少的一步。
大而薄的極板不僅使傳感器的初始電容C0增大，而且使可動極板在受到相同壓力時產生更大的形變，從而使傳感器的電容輸出值增大。但又大又薄的極板會導致器件的線性性能惡化，同時與MEMS微型化的設計理念相違背。而且，太薄的極板太脆易碎。極板間距的減小也可以顯著提高C0。但當極板間距很小時，傳感器的動態范圍不僅過窄，而且空腔內任何微量氣體的存在都會影響傳感器性能，因此傳感器空腔的真空度必須非常高。另外，在小壓力范圍內，內應力對可動極板工作性能的影響也特別大[7]，內應力會阻礙可動極板形變，降低傳感器靈敏度，增加非線性誤差[8]。而現階段測量微小電容主要面臨的困難是檢測電路的復雜性和精度不高的問題。由于小量程傳感器的輸出電容太小，所以檢測電路極其復雜[9]；與被測的微小電容相比，雜散電容一般要高很多，并且雜散電容會隨諸多因素而變化，結果往往是干擾信號遠大于被測量的信號，很難得到準確的結果[10]。因此，要實現小量程壓力測量，不僅需要在小體積約束條件下改變電容式傳感器的結構來提高電容輸出，以削弱雜散電容的干擾和降低測試電路的復雜性，還需要優化測量電路，增加其分辨率和精度。
2 國內外研究現狀
在二十余年的時間里，國外小量程MEMS電容式壓力傳感器的研制已經取得一定成績。如Vaisala公司的BAROCAP系列產品是單晶硅基電容式壓力傳感器，能夠測量500～1 100 hPa（50～110 kPa）范圍內的絕對大氣壓力,在工業應用測量范圍甚至可以更小，低至50 hPa（5 kPa）。BAROCAP傳感器的技術已經很成熟，產品擁有較低的遲滯性、優異的測量精度和長期工作穩定性，在各行各業都得到了廣泛應用，而且還能與其他類型傳感器集于一體，達到壓力、濕度、溫度的同時測量。自1989年開始，日本富士電機公司已經將硅電容式壓力傳感器商品化，其中的FCX-AIII系列絕對壓力變送器最小的測量范圍僅為0～16 kPa。與國外相比，我國的研究基本處于空白狀態，只能依賴于進口產品。
針對MEMS電容式壓力傳感器在小量程壓力測量時存在的問題與挑戰，各國都在尋找有效可行的解決辦法，努力提升傳感器的性能以期實現更靈敏、更準確的小量程壓力測量。縱觀國內外關于小量程電容式壓力傳感器的報道，傳感器的空腔間隙和可動極板厚度都很小；為了滿足小量程壓力測量對靈敏度和線性度的要求，在減薄壓敏極板厚度的同時會相應縮小芯片尺寸。相關研究集中在傳感器制備工藝的改良、傳感器結構的創新以及測量電路的優化三個方面。
2.1 傳感器工藝改良
工藝上控制超薄膜片的內應力很難。為了解決這個問題，多晶硅被選擇用來作為小量程MEMS電容式壓力傳感器的可動極板材料。選用多晶硅有如下優點：(1)典型的多晶硅是通過LPCVD(低壓化學氣相淀積)形成的，淀積厚度可以控制得很小，很容易形成超薄的可動極板；(2)經過退火處理，多晶硅可以形成低應力的薄膜[1]，削弱可動極板內應力對小量程測壓的影響；(3)摻雜之后的多晶硅導電，使壓敏極板有固定電勢，無需引入額外的電極。此外，薄膜淀積工藝與犧牲層釋放工藝也被廣泛用來制作間隙很小的空腔。在此基礎之上，人們不斷摸索，以求工藝的合理與簡化。
馬來西亞國民大學提出了一種基于標準CMOS工藝制造超薄薄膜的方法[11-12]。他們利用SiO2層作為犧牲層來形成絕對壓力空腔，氧化層的釋放需要利用通道孔讓腐蝕劑BOE進入氧化層對其進行腐蝕。然后采用LPCVD淀積氮化硅來密封通道孔，從而形成厚度僅為2 μm的傳感器薄膜。這種加工技術的優點在于傳感器可以單片集成，可以使用集成電路（IC）工藝進行制備。因此，傳感器可以和讀取電路、通信系統等集成。同時，淀積形成的僅為0.3 μm的空腔高度可以使傳感器獲得很大的電容式變化值。該傳感器的測壓范圍在10 mmHg～75 mmHg（13～100 kPa)之間，很適宜測量人體內的小量程壓力，可用于青光眼的治療。但由于LPCVD的真空度不高，所以絕壓空腔實際上并沒有達到真空等級，這會削弱傳感器的測試精度。傳感器截面原理圖如圖1所示。
美國ISSYS公司在MEMS器件真空封裝方面很出色。該公司致力于高真空度的空腔制作技術，制作的空腔真空度小于10-4 Torr。根據這種技術，該公司開發了一系列超敏感和高真空的絕對壓力電容式傳感器，可測量0.5 Torr(66.5 kPa)以下的壓力，分辨力小于10-6 Torr(10-3 Pa)，靈敏度高達35 pF/Torr[13]。該公司還解決了傳感器與外界電連接導致空腔密封性變差的問題。除此之外，傳感器的溫度特性也容易補償，整體性能優越。
2.2 傳感器結構創新
傳統的電容式壓力傳感器屬于單端電容式結構，即只有一個電容在發生變化。相關研究證明，差動電容式結構的靈敏度要比單電容結構提高一倍，已經廣泛用于普通壓力傳感器的小量程壓力測量。為此，沈陽工業大學開展了差動電容式結構的硅差壓傳感器的研制[14]，中國科學院的王躍林教授在差動結構的基礎上提出了一種靜電伺服電容式傳感器模型，解決了極板間隙過小導致傳感器動態范圍窄的問題。這種結構不僅可以作為真空絕對壓力傳感器實現對真空環境的壓力監控[15]，還可以作為微差壓傳感器[4]。
圖2為靜電伺服電容式傳感器模型的示意圖。硅可動極板與下層玻璃間的電容Cd用于檢測壓力變化。當Cd變化時，其變化信號通過電容/電壓轉換器轉化成電壓變化信號，然后電壓變化信號通過放大器變成伺服電壓VS，VS反饋到伺服電極上，對可動極板產生一個和原始變形方向相反的靜電力FS，使薄膜回到初始位置，這樣就實現了伺服效果，增大了器件的動態工作范圍。同時，當壓力過大時，可動極板會碰到下層玻璃完成過載保護。
在TRANSDUCERS’11會議上，Evigia Systems公司提出了一種全新結構的MEMS電容式壓力傳感器來同時獲得高靈敏度和大動態范圍[16]。如圖3所示，研究人員將壓敏元件和電容的可動極板進行了去耦操作，即增加一個力敏薄膜來感知外界壓力變化，然后將壓敏薄膜通過一個中心軸與平行板電容式器的可動極板進行機械耦合從而實現小量程壓力測量。傳感器的靈敏度可以通過增加可動極板的面積和減小極板間距來增加，動態范圍可以通過減小力敏薄膜的面積來提高。增加壓敏薄膜的另外一個好處是可動極板無需暴露在外界環境中來獲取壓力變化，電容結構可以完全密閉封裝并且與力敏薄膜電隔離。工藝方面，也是采用淀積多晶硅來形成力敏薄膜(厚度在1.0～1.5 μm之間）和平行板電容式器極板（厚度在2～3.5 μm之間），淀積氧化層作為犧牲層形成空腔。傳感器的靈敏度很高，在小于1 000 Pa的范圍內靈敏度仍有10 aF/Pa。
2.3 電容測量電路優化
隨著測試技術的發展，國內外的科研工作者在微小電容測量電路的設計方面已經取得了很大進步，提出了許多新的測量方法及電路結構，應用于不同的微小電容讀取場合。但大部分測量方法的電路精度和集成化程度比較低，還不能很好地達到在實際應用方面的要求。
在小量程MEMS電容式壓力傳感器信號讀取方面，日本東北大學的Tomio Nagata等人最早實現了采用數字芯片來補償傳感器芯片的熱靈敏度漂移。他們研制的傳感器可以靈敏檢測0～200 mmH2O(0～1.96 kPa)范圍內的壓力[17]。然而，靈敏度的提高會造成傳感器溫度特性的下降。為了保持傳感器在小量程壓力測量時的準確度，他們研制了一種全新的調整和補償技術。該技術首先利用轉換器將電容值轉變為相應的頻率值，然后利用研發的IC芯片對零點溫度系數和靈敏度溫度系數進行補償，將滿量程（FFS）輸出值進行調整，最后輸出數字信號。這一調整和補償技術對提高小量程壓力測量時傳感器溫度特性的提高很有幫助。傳感器芯片的熱靈敏度漂移為0.026%F.S./℃，零點溫度漂移為0.013%F.S./℃。圖4為傳感器的電路連接框圖。
當電容空腔采用濕法腐蝕二氧化硅層形成時，其側壁形狀為拋物線型(近似球形)。北達科他州立大學的KAABI L等人建立了拋物線型空腔的電容式絕對壓力傳感器的理論模型[18]。為了實現40 Pa以下的絕對壓力的測量，他們設計了一種相應的調節器，可以實現壓力的直接讀取，分辨率達到1 Pa。調節器的工作原理也是首先將電容值通過振蕩器轉換為相應的頻率值，然后利用一個BCD計數器和譯碼器將頻率值直接轉變為壓力值。調節器的實現簡單易行，試驗結果與理論結果吻合得很好。傳感器結構和調節器原理框圖分別如圖5和圖6所示。
3 壓力傳感器的發展方向
從改進傳感器方面來說，現有研究都集中在優化傳感器結構與改良工藝方面，發掘新材料的報道卻鮮有。所以發掘楊氏模量低和介電常數大的新材料應用于小量程MEMS電容式壓力傳感器是很有希望的一個研究方向。可動極板采用楊氏模量低的材料可以提高其形變量，介電層采用介電常數大的材料可以增大傳感器的輸出電容式值。有很多高分子聚合物(Polymers)材料滿足這樣的設計要求,比如聚對二甲苯（parylene）、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、SU-8、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚已酸內酯(polycaprolactone)、聚苯乙烯(pplystyrene)[19]等。在這些材料中，PDMS不僅可以軟刻蝕，而且具有鑄造高保真的優點[20]，因而最適合用來制作壓力傳感器。其楊氏模量可調，約750 kPa[21]。事實上，PDMS材料已經廣泛應用于生物傳感器和微流控領域，利用PDMS制作薄膜，PDMS與PDMS[22]、PDMS與硅鍵合[23]的相關加工工藝都已經成熟，為其應用于MEMS壓力傳感器奠定了堅實的基礎。另一方面，如何提高精度和分辨率，降低雜散電容的影響依舊是測量電路的優化重點。
4 結束語
目前，商業化的MEMS壓力傳感器不能滿足氣象檢測、空間探索、生物醫學等特殊背景下的壓力測量需要, 因此對小量程壓力傳感器的研究成為必然。
與其他類型的傳感器相比，電容式壓力傳感器最適合小量程測量，但還需要進一步研究，改善其靈敏度和測量電路，使其得到廣泛的應用。
本文討論的傳感器代表了小量程MEMS電容式壓力傳感器的最新研究成果，分別針對傳統的平行板電容器進行了工藝改良、結構創新與電路優化。這幾種傳感器各具特點但仍有不足，適合在不同領域中使用。
通過調研發現，采用諸如PDMS的柔性材料作為電容式傳感器的可動極板材料是達到小量程測量目的的一個有效途徑。
與國外相比，國內對于這方面的研究尚在起步階段，因而迫切需要投入力量，大力開展這方面的研究工作。
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