電容式濕度傳感器多孔上電極受力可靠性分析

高 翔,禹勝林,張 弛

(南京信息工程大學電子與信息工程學院,南京 210044)

目前提升電容式濕度傳感器性能有大致這幾方面的研究,首先是減小濕度傳感器的上電極厚度[1],上電極越薄,水分子透過上電極的效率就越高,性能也就越好,其次是研發(fā)新型濕敏材料[2],不同濕敏材料的線性度,濕滯都會有偏差,還有是研究多孔上電極[3],通過在上電極制造多孔形狀,可以讓水分子更加迅速的到達濕敏層,以減短傳感器的響應(yīng)時間[4],但是對上電極進行光刻造孔過程中會出現(xiàn)過度腐蝕而發(fā)生柵條斷裂的情況[5-6],國內(nèi)外學者對于在上電極過度腐蝕這一方面的研究非常少。

ANSYS作為大型通用有限元軟件,被廣泛地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)、傳熱、流體運動和電磁等力學分析中,并在氣象、地球物理和醫(yī)學等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展,本文利用ANSYS對當前普遍采用的條形柵多孔上電極以及本文設(shè)計的環(huán)形多孔上電極進行模擬受力分析,通過比對兩者之間的形變圖,應(yīng)力以及應(yīng)變分布情況圖,為本次設(shè)計的環(huán)形多孔上電極抗斷裂的可靠性優(yōu)于條柵形多孔上電極提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 有限元分析仿真

1.1 建模

首先建立了目前濕度傳感器領(lǐng)域普遍采用的條柵形多孔上電極的模型[7],所建模型如圖1所示,此次對比仿真實驗為了使得對比效果明顯,決定對條柵形的建模尺寸選定為100 μm×100 μm×1 μm,柵條的寬度為2 μm,間隔為2 μm,中間的十字固定梁的寬度是4 μm,外框的寬度是3 μm,模型的材料選取Al代替Au[8],其次,自行設(shè)計了環(huán)形多孔上電極,同樣,建模尺寸選為100 μm×100 μm×1 μm,環(huán)形柵條寬度為2 μm,間隔為2 μm,中間的十字固定梁是4 μm,外框?qū)挾葹? μm,材料同樣是鋁,材料參數(shù)見表1。

圖1 上電極模型

表1 模型材料參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分有自由劃分和映射劃分等,這里采用映射劃分中的掃掠劃分,采用掃掠劃分的優(yōu)點是使得劃分出的網(wǎng)格接近實際問題,在多規(guī)則的模型中生成較為規(guī)則的網(wǎng)格,既可以提高下一步實驗中實際問題的計算速度,也可以提升計算精度。

網(wǎng)格劃分中涉及到許多參數(shù)設(shè)定,其中relevance center(相關(guān)度中心)采用fine(細化),smoothing(平滑度)設(shè)定為high(精細),有利于使下一步實驗中的計算應(yīng)力,應(yīng)變以及形變等結(jié)果更加精確,所以不能用coarse,transition(網(wǎng)格過度)設(shè)定為fast(快速),如果是slow的話,網(wǎng)格的質(zhì)量會比較弱化,還有一項是span angle center(跨度角中心)采用fine(細化),由于環(huán)形多孔上電極涉及到彎曲面的網(wǎng)格劃分,所以span angle center必須采用fine,如此在劃分網(wǎng)格時彎曲區(qū)域才能細分,一直到單元跨越過這個角,另一方面,網(wǎng)格劃分的圖形采用all tri(三角形),因為環(huán)形多孔上電極有曲面以及曲線的存在,所以三角形更適合均勻的劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 上電極網(wǎng)格劃分

1.3 施加載荷

本文主要研究的是在光刻過程中由于過度腐蝕而出現(xiàn)的柵條斷裂的情況,由于多孔上電極光刻制孔的過程中首先在基片上蒸鍍一層金屬膜[9-10],所以金屬膜在刻蝕的過程中是不會移動的,所以在模擬實驗的過程中要先將多孔上電極的4個側(cè)面使用抑制的功能fixed support抑制住,然后在內(nèi)壁面上施加載荷,施加的力的大小根據(jù)文獻[11]研究上電極制造技術(shù)中光刻所含有的能量,通過詳細的計算本文對多孔上電極的一個面施加0.052 Pa的載荷,作用時間為1 s。

激光投影式的光刻主要可以分為正性光刻以及負性光刻,曝光原理圖如圖3所示,光束經(jīng)過光學系統(tǒng)聚焦然后投影到掩膜上,經(jīng)過掩膜之后到達光刻膠膜實現(xiàn)曝光,但是光學系統(tǒng)會受到衍射這一物理現(xiàn)象的影響,因此衍射所帶來的后果就是有可能會造成上電極柵條的斷裂。

由于金屬上電極的表面是被覆蓋住的,所以在光刻的過程中上電極正表面幾乎不會受力,因此對上電極的受力主要考慮的是上電極柵條之間的內(nèi)壁面,而且環(huán)形多孔上電極的內(nèi)壁面涉及到很多種的形態(tài)[12],半徑的不同使得環(huán)形多孔上電極在光刻過程中所受到的力也不同,所以要對情況進行分類研究,

圖3 光刻工藝流程圖

本次模擬實驗將選取兩個比較具有代表性的內(nèi)壁面,一個是小半徑的內(nèi)壁面另一個是大半徑的內(nèi)壁面,分別加載載荷進行計算,如此得出的受力分析會比較全面,合理,具有更強的數(shù)據(jù)說服力,而條柵形多孔上電極的內(nèi)壁面受力情況只有一種,因此只需要分析一種情況即可,選擇任意一個內(nèi)壁面進行加載載荷操作,施加效果如圖4所示。

圖4 上電極加載載荷

圖5 總形變圖

2 結(jié)果分析

2.1 總形變

Total Deformation(總形變)是反應(yīng)結(jié)構(gòu)在受到載荷作用下的總的位移量,也是反應(yīng)一個結(jié)構(gòu)剛度的量[13],所以測試3個加載載荷之后所得到的形變量有助于直觀地比較多孔上電極剛度的可靠性。

通過圖5以及表2的數(shù)據(jù)可以看出,環(huán)形多孔上電極小半徑的柵條所產(chǎn)生的形變量要比大半徑柵條所產(chǎn)生的形變量要小,同時大半徑柵條的形變量又要比條柵形上電極的柵條所產(chǎn)生的形變要小,說明了在形變方面,自主設(shè)計的環(huán)形多孔上電極出現(xiàn)柵條斷裂的可能性要比條柵形多孔上電極出現(xiàn)斷裂的可能性要小,可靠性要比條柵形多孔上電極優(yōu)越。

表2 模型形變值比較 單位:m

2.2 等效塑性應(yīng)變

Equivalent Elastic Strain(等效塑性應(yīng)變)代表的是等效塑性應(yīng)變量,等效塑性形變是用來確定材料經(jīng)強化后屈服面的位置的物理量,通過計算這一參數(shù),可以找到其塑性屈服后應(yīng)變狀態(tài)對應(yīng)的等效應(yīng)力和此時結(jié)構(gòu)的空間應(yīng)力狀態(tài),因此通過比較等效塑性應(yīng)變可以為研究多孔上電極的可靠性提供依據(jù)。

通過圖6以及表3的數(shù)據(jù)可以看出,在等效彈性形變方面,無論是從最大值還是最小值方面來比較,自主設(shè)計的環(huán)形多孔上電極的柵條所產(chǎn)生的應(yīng)變值要明顯小于條柵形多孔上電極的柵條受力之后所受到的應(yīng)變值,可以得出結(jié)論,環(huán)形多孔上電極在這一方面的數(shù)據(jù)要優(yōu)于當下普遍采用的條柵形多孔上電極,可靠性遠遠高于條柵形多孔上電極。

圖6 等效塑性應(yīng)變圖

表3 模型等效塑性應(yīng)變值比較單位:m

2.3 等效應(yīng)力

Equivalent Stress(等效應(yīng)力)是應(yīng)力與初始屈服強度的比值,只要最大拉應(yīng)變達到材料拉伸斷裂時的最大應(yīng)變值,則材料斷裂,這一參量可以很直觀的說明所建模型斷裂情況,由于本文主要研究的就是多孔上電極斷裂方面的可靠性,因此比較這一模型參數(shù)是可以有效反應(yīng)模型可靠性的方法。

等效應(yīng)力這一數(shù)據(jù)和等效彈性應(yīng)變的數(shù)據(jù)有著相似之處,通過圖7以及表4的數(shù)據(jù)分析得出,自主設(shè)計的環(huán)形多孔上電極小半徑的柵條所受到的最大應(yīng)力大約為條柵形多孔上電極的柵條所受應(yīng)力的二十分之一,而環(huán)形上電極大半徑的柵條所受的最大應(yīng)力大約也只有條柵形的上電極的柵條所受應(yīng)力的五分之一,數(shù)據(jù)充分說明,環(huán)形多孔上電極在等效應(yīng)力方面擁有比條柵形多孔上電極更小的等效應(yīng)力,也就是具有更高的可靠性,在光刻的過程中因過度腐蝕而斷裂的可能性就會越小。

圖7 等效應(yīng)力圖

表4 模型等效應(yīng)力比較單位:Pa

3 結(jié)論

運用ANSYS建模并加以載荷分析得出的自主設(shè)計的環(huán)形多孔上電極的3組數(shù)據(jù)與條柵形多孔上電極的3組數(shù)據(jù)的比對,結(jié)果表明:

(1)如果電容式濕度傳感器的上電極在光刻過程中會發(fā)生過度腐蝕的情況,自主設(shè)計的環(huán)形多孔上電極可以經(jīng)受住考驗;

(2)從更小的形變值,更優(yōu)越的等效彈性形變值以及更低的等效應(yīng)力值,可以看出環(huán)形多孔上電極具有更良好的抗斷裂的可靠性;

(3)這一實驗結(jié)果可以為實物的研發(fā)提供適當?shù)臄?shù)據(jù)支撐。