靜電激勵硅微機械諧振壓力傳感器設計*

任 森， 苑偉政， 鄧進軍， 孫小東

(1.西北工業大學 空天微納系統教育部重點實驗室，陜西 西安 710072；

2.西北工業大學 陜西省微/納米系統重點實驗室，陜西 西安 710072)

0 引 言

硅微機械諧振壓力傳感器是目前精度最高、長期穩定性最好的壓力傳感器之一,它通過檢測諧振器的固有頻率間接測量壓力，不需模數轉換，信號采集和處理方便，適用于遠距離傳輸。其精度主要受單晶硅結構機械特性的影響，因此,其抗干擾能力很強，性能穩定。除此之外，硅微機械諧振壓力傳感器還具有體積小、質量輕、功耗低、結構緊湊、頻帶寬、信噪比高、抗干擾能力強、抗沖擊、易于集成化、可批量生產等眾多優點。

硅微機械諧振壓力傳感器主要有靜電激勵、電磁激勵、電熱激勵和光激勵4種常見的驅動方式。其中,電磁激勵方式[1,2]必須外加恒定磁場，光激勵方式[3]光學系統復雜，組裝精度要求很高，因此，均難以實現微型化。而靜電激勵方式和電熱激勵方式與微電子工藝兼容，利于集成，體積更小。但電熱激勵方式[4,5]利用激勵電阻器發熱產生的溫度梯度驅動，功耗較高，且易受外界環境溫度變化影響。靜電激勵是一種非接觸的驅動方式，不會影響諧振器的振動品質因數(quality(Q)factor)，響應快、功耗低、靈敏度高，成為了硅微機械諧振壓力傳感器的最佳選擇。在靜電激勵硅微機械諧振壓力傳感器方面，英國Druck公司[6]和法國Thales公司[7]已經取得了一系列成果并成功商品化。但其諧振器振動方向垂直于壓力敏感膜片,因此,精度受同振質量影響，并且壓力敏感膜片受壓變形時，諧振器的驅動與檢測電容間隙會發生變化并引起驅動力和檢測信號的非線性變化，增加了閉環控制的難度。雖然Druck公司利用側向振動諧振器對其結構進行了改進[8,9]，諧振器與壓力敏感膜片工作模態互相垂直,避免了同振質量的影響，但當壓力敏感膜片受壓變形時諧振器的高度會發生變化，因此,仍存在不穩定驅動與檢測的問題。

本文提出了一種靜電激勵/電容檢測的硅微機械諧振壓力傳感器，采用側向動平衡諧振器，利用基于絕緣體上硅(silicon-on-insulator，SOI)的加工工藝制作，并進行了常壓封裝和傳感器性能測試。

1 結構與工作原理

硅微機械諧振壓力傳感器芯體采用基于SOI的加工工藝制作，利用器件層高品質因數單晶硅材料制作諧振器和電極，中間氧化層材料制作諧振器與壓力敏感膜片之間的支撐柱，基底層單晶硅材料制作壓力敏感膜片與邊框，如圖1所示。其諧振器為改進的雙端固支音叉(double-ended tuning fork，DETF)結構，采用靜電激勵與電容檢測的工作方式，主要由質量塊、諧振梁、耦合梁、桁架和固定端五部分構成。在靜電力作用下，其諧振器工作于機械諧振狀態，振動模式為2個質量塊平行于壓力敏感膜片的側向動平衡反向振動。當外界壓力作用于壓力敏感膜片時，壓力敏感膜片兩端因存在壓力差將發生變形，該變形通過固定端傳遞到諧振器上，引起諧振器的受力情況發生變化，進而改變諧振梁的剛度和諧振器的固有頻率。諧振器的固有頻率與外界壓力有穩定的正比例對應關系，通過檢測該固有頻率變化就可以實現壓力檢測的目的。

圖1 硅微機械諧振壓力傳感器芯體照片

1.1 諧振器固有頻率與靈敏度計算

鑒于諧振器的設計振幅很小，因此，不考慮非線性振動的影響。在硅微機械諧振壓力傳感器的實際工作過程中，諧振梁和耦合梁同時參與振動，因此，諧振器工作模態的諧振頻率表達式如下

(1)

式中E為單晶硅的彈性模量，h為諧振器的厚度，lb,wb和Ab分別為諧振梁的長度、寬度和橫截面面積，ls和ws分別為耦合梁的長度和寬度，N為壓力敏感膜片受壓變形過程中傳遞到諧振梁上的軸向應力，mp,mf,mb分別為質量塊、梳齒、諧振梁和耦合梁的質量。

諧振器的應力靈敏度可以進一步求導得到

(2)

由式(2)可知，諧振器的應力靈敏度主要取決于諧振梁的長度lb和寬度wb，而為了保證諧振器的應力靈敏度耦合梁的彈性系數不能過大。

1.2 諧振器固定端設計

在靜電激勵硅微機械諧振壓力傳感器的芯體設計中，常規的諧振器固定端結構如圖2(a)所示，諧振器通過諧振梁連接于支撐柱內側。當壓力敏感膜片受壓變形時，諧振器位置會隨著支撐柱的抬升發生數μm的高度變化，而激勵電極與檢測電極位置不動，因此,驅動力和檢測信號均會減小，這樣不僅增加了閉環控制的難度，同時也會對傳感器精度產生影響。為了抑制壓力敏感膜片受壓變形時諧振器的高度變化，提出了一種改進的諧振器固定端結構方案，如圖2(b)所示，諧振器通過支撐柱外側的懸置桁架與諧振梁連接。當壓力敏感膜片受壓變形時，支撐柱會向外側傾斜，因此,桁架末端高度相對于支撐柱頂部會下降，從而抑制了諧振器的高度抬升。同時為了進一步抑制諧振器的高度變化，要盡量減小壓力敏感膜片的受壓變形量，而為了保證傳感器精度則需要進一步提高諧振器的應力靈敏度。由于改進的諧振器固定方式面積利用率更高，因此,壓力敏感膜片尺寸可以進一步減小，進而縮小傳感器的整體體積。

圖2 兩種諧振器固定方式對比

1.3 有限元仿真

在有限元仿真軟件Ansys中對設計的傳感器芯體結構進行了仿真計算，其關鍵設計參數為：諧振梁長度325 μm，寬度15 μm，耦合梁長度230 μm，寬度8 μm，壓力敏感膜片尺寸1 760 μm×1 760 μm×55 μm。諧振器的前六階振動模態振型和諧振頻率如圖3所示，其中二階模態為傳感器的工作模態，諧振頻率為38.374 kHz。同時進一步仿真了滿量程壓力280 kPa作用下傳感器的Z向變形，如圖4所示。滿量程壓力下，壓力敏感膜片中心位置最大高度抬升1.35 μm，諧振器梳齒位置高度變化約0.55 μm。

圖3 Ansys仿真得到的諧振器各階振動模態

圖4 280 kPa下硅微機械諧振壓力傳感器的Z向變形

2 制作與封裝

硅微機械諧振壓力傳感器的具體工藝流程如圖5所示,考慮到釋放孔對Q值的影響[10]和結構強度，諧振器選擇圓形釋放孔結構。(a)選取雙面拋光SOI硅片，標準RCA清洗，1 050 ℃干氧氧化440 nm氧化硅，825 ℃低壓化學氣相沉積200 nm氮化硅；(b)背面光刻，并利用SF6氣體干法刻蝕氮化硅，BHF腐蝕氧化硅，從而得到濕法刻蝕掩膜；(c)85 ℃條件下TMAH各向異性濕法刻蝕10 h，刻蝕深度約345 μm，得到背面壓力敏感膜片，并利用40 % HF去掉氮化硅和氧化硅；(d)正面套刻，并深反應離子刻蝕(deep reactive ion etching，DRIE)得到諧振器和電極結構；(e)氧等離子清洗去除光刻膠，劃片，40 % HF釋放得到傳感器芯體；(f)用銀漿將芯體底面粘接于管殼導壓管表面，打鋁線，將諧振器密封于干燥的空氣，從而完成芯體的常壓封裝，壓力敏感膜片通過導壓管與待測壓力接觸。

圖5 硅微機械諧振壓力傳感器工藝流程示意圖

3 測試與結果

利用Polytec MSA—500激光多普勒測振儀對未封裝的硅微機械諧振壓力傳感器芯體進行了初步的光學測試，以測定諧振器的頻率響應特性。測試中諧振器接地，對稱梳齒施加激勵電壓，其測試結果如圖6所示。常壓下諧振器的工作諧振頻率為33.886 kHz，Q值為1222，諧振頻率附近相位變化180°。諧振器的工作頻率比設計值稍小，主要是由于DRIE工藝造成諧振梁和耦合梁寬度減小所致。

對于硅微機械諧振壓力傳感器，由于其驅動電極與檢測電極之間存在很大的耦合電容，檢測信號微弱，因此,即使在很高Q值的條件下檢測信號中仍存在嚴重的同頻干擾[11～13]。為了消除該干擾信號，在芯體和接口電路設計中采用了3項措施。首先，為了減小驅動電極與檢測電極之間的耦合電容，在兩電極之間添加了屏蔽電極，經過測試該耦合電容從1 pF左右降低到了72 fF。其次，將驅動電壓中的交流成分幅值減小到了2 V以內。再次，接口電路采用了差動電容檢測和高頻載波調制解調方案，電極布局和接口電路如圖7所示。由于耦合電容和交流驅動電壓大幅度減小，同頻干擾信號幅值得到很大抑制，可以很容易經過高通濾波器濾除，而有用的檢測信號則通過解調電路提取出來。差動電容檢測可以進一步抑制檢測電路中的共模干擾信號，提高接口電路的信噪比。

圖7 開環測試系統原理圖

基于該接口電路搭建了開環測試系統，如圖7所示。在使用過程中，掃頻分2步進行：先在較大的頻率范圍內快速掃頻，通過觀察信號波形和幅值變化得到初步的諧振頻率。之后以該頻率點為中心將掃頻帶寬縮小到1 kHz以內，通過尋找幅值最大點得到最終的諧振點，并記錄此時的諧振頻率。利用該開環測試系統對硅微機械諧振壓力傳感器芯體性能進行了初步測試，壓力標定曲線和溫度特性曲線分別如圖8和圖9所示。傳感器壓力范圍為表壓0～280 kPa，測試間隔為20 kPa，利用二次多項式對其進行擬合，相關系數達到了0.999 999 9，非線性為0.018 %FS，重復性為0.176 %FS，重復性為0.213 %FS，靈敏度為4.73 Hz/kPa。在-20～60 ℃的溫度范圍內，諧振器的平均溫度漂移為-0.037 %/℃。

同時測試了不同壓力下接口電路的輸出信號幅值，以評估外界壓力作用下諧振器的高度變化。接口電路在表壓0 kPa下輸出信號有效值為140 mV；表壓280 kPa下輸出信號有效值為130 mV。因此，可以推算得到對應滿量程壓力下的諧振器高度抬升僅為0.6 μm，與有限元仿真結果一致，為諧振器厚度的1 %，不會對傳感器驅動和檢測產生明顯影響。

圖8 硅微機械諧振壓力傳感器表壓標定曲線

圖9 硅微機械諧振壓力傳感器溫度特性曲線

4 結 論

利用基于SOI的加工工藝，設計并制作了的一種靜電激勵/電容檢測的硅微機械諧振壓力傳感器。為了抑制壓力敏感膜片受壓變形時諧振器的高度變化，在諧振器固定端設計了全新的桁架結構，仿真及實驗結果表明:在滿量程壓力下諧振器的高度變化減小到約0.6 μm，保證了驅動與檢測的穩定性，降低了閉環控制的難度。針對傳感器檢測

信號微弱和同頻干擾嚴重的特點，在芯體和接口電路設計中采取添加屏蔽電極、降低交流驅動電壓幅值、差動電容檢測和高頻載波調制解調方案等多項措施，保證了傳感器的輸出信號檢測,提高了信噪比。該傳感器工藝簡單可靠，易于實現批量生產，可以滿足一般工業應用。

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