1 引言
大氣壓力傳感器在工業生產、氣象預報、氣候分析、環境監測、航空航天等方面發揮著不可替代的作用。傳統的壓力傳感器一般為機械式，體積比較大，不利于微型化和集成化。利用MEMS技術不僅可以解決上述缺點，還能極大地降低成本，而性能更為優異。如今基于MEMS技術得到廣泛應用的壓力傳感器主要有壓阻式和電容式兩大類，壓阻式壓力傳感器的線性度很好，但精度一般，溫漂大，一致性差;電容式壓力傳感器與之相比，精度更高，溫漂小，芯片結構更具魯棒性，但線性度差且易受寄生電容的影響。目前MEMS電容式壓力傳感器多用于過壓測量，用于氣象壓力測量的較少且價格昂貴。為此，本文研制了一種高性能、低成本的微型電容氣象壓力傳感器，整個流程工藝簡單標準，薄膜材料選擇單晶硅，采用接觸式結構，利用陽極鍵合形成真空腔，最后由KOH各向異性腐蝕和深刻蝕形成硅薄膜。試驗結果表明，該傳感器適用于氣象壓力測量。
2 基本原理和結構
電容式壓力傳感器的基本結構如圖1所示。式中：ε0為真空中的介電常數;t為絕緣層的厚度;εr為絕緣層的相對介電常數;g為零載荷時電容器兩極板之間的初始距離;ω(x，y)為極板膜的中平面的垂向位移。
由公式可知，外界壓力通過改變電容的極板面積和間距來改變電容。隨著壓力慢慢增大，電容因極板間距減小而增大，此時電容值由非接觸電容來決定;當兩極板接觸時，電容的大小則主要由接觸電容來決定。
3 傳感器的設計與制造
敏感薄膜是傳感器最核心的部件，其材料、尺寸和厚度決定著傳感器的性能。
目前敏感薄膜的材料多采用重摻雜p型硅、Si3N4、單晶硅等。這幾種材料都各有優缺點，其選擇與目標要求和具體工藝相關。硅膜不破壞晶格，機械性能優異，適于陽極鍵合形成空腔，從簡化工藝的目的出發，本方案選擇硅膜。
利用有限元分析軟件ANSYS對接觸式結構的薄膜工作狀態進行了模擬。材料為Si，膜的形狀為正方形，邊長1000 μm，膜厚5 μm，極板間距10 μm。在1.01×105Pa的大氣壓力下，薄膜中央接觸部分及四個邊角基本不受應力，四邊中央應力最大為1.07 MPa，小于硅的屈服應力7 MPa，其應力分布如圖2所示。
整個制造流程都采用標準工藝，如圖3所示。先熱氧化100 nm的SiO2，既作為腐蝕Si的掩膜，又作為電容兩電極的絕緣層。利用各向異性腐蝕形成電容空腔和將來露電極的停刻槽，如果硅片厚度一致且KOH腐蝕速率均勻，此法可以在相當程度上等效于自停止腐蝕。從玻璃上引出電容兩電極，然后和硅片進行陽極鍵合。鍵合片利用KOH腐蝕減薄后反應離子深刻蝕露出測量電極。
