0 引言

    如今，用于測(cè)量中等壓力(0.1～10 MPa)的MEMS傳感器已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。工作壓力低于0.1 MPa者卻不多見，遠(yuǎn)不能滿足小量程壓力測(cè)量需求。小量程壓力測(cè)量主要應(yīng)用于大氣壓力測(cè)量和生物體內(nèi)部的壓力測(cè)量。氣壓測(cè)量在氣象、航空、實(shí)驗(yàn)室等條件中運(yùn)用頻繁。在氣象學(xué)領(lǐng)域里，壓力數(shù)據(jù)是估算大氣中水汽含量不可或缺的參數(shù)。又如，根據(jù)氣壓值隨海拔高度線性降低的關(guān)系可以實(shí)時(shí)獲取航天器飛行時(shí)的高度位置信息。這些應(yīng)用領(lǐng)域的氣壓值均在一個(gè)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(yī)療過程中，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)人體各種壓力指標(biāo)的變化能對(duì)診斷和治療起到非常積極的作用。這些被測(cè)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(chǎn)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(jìn)行非接觸式測(cè)量。因此，小量程MEMS壓力傳感器應(yīng)用前景廣泛，對(duì)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(fā)展和應(yīng)用的難點(diǎn)。通常，靈敏度的提高會(huì)導(dǎo)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、溫度漂移小，而且能夠進(jìn)行非接觸式的無線無源測(cè)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(diǎn)對(duì)于小量程測(cè)試應(yīng)用也是十分重要的，因?yàn)橄鄬?duì)高的壓力載荷經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在小量程壓力檢測(cè)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(cè)量。

    回首歷史，電容式傳感器很早就被用來測(cè)量壓力、位移等。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，使它的應(yīng)用面臨較多的困難，發(fā)展相對(duì)緩慢。隨著科技的日新月異，特別是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，新材料、新工藝、新電路得以不斷被開發(fā)，電容式傳感器曾經(jīng)遇到的許多技術(shù)問題都能夠得到解決^[5]，所以從20世紀(jì)80年代開始,各國(guó)開始對(duì)MEMS電容式壓力傳感器進(jìn)行研究^[6]。

    作為MEMS壓力傳感器的一個(gè)重要發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外都探索了如何提高傳感器在測(cè)量小量程壓力時(shí)的靈敏度，但研究主要集中在壓阻式傳感器，對(duì)電容式傳感器的關(guān)注卻比較少。國(guó)外研制的小量程MEMS電容式壓力傳感器初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，國(guó)內(nèi)卻僅有中國(guó)科學(xué)院的王躍林教授所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)此領(lǐng)域開展了系列研究。

1 小量程測(cè)壓的技術(shù)難點(diǎn)

    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(dāng)可動(dòng)極板受壓力作用時(shí)，會(huì)發(fā)生一定的變形，因此上下電極之間的距離發(fā)生變化，從而它們之間的電容也發(fā)生了變化。然而，壓力與電容之間的關(guān)系是非線性的。為了消除非線性，設(shè)計(jì)者會(huì)根據(jù)小撓度薄板理論設(shè)計(jì)電容式傳感器的可動(dòng)極板，使之在一定的壓力范圍內(nèi)非線性減小甚至呈線性變化。除此之外，也可以采用具有補(bǔ)償功能的測(cè)量電路對(duì)輸出電容進(jìn)行非線性補(bǔ)償。在小量程壓力范圍內(nèi)，傳感器的測(cè)量對(duì)象是絕對(duì)壓力。初始電容C₀和Δγ（γ為可動(dòng)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(guān)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(yīng)該盡量大，極板間的間距要盡量小，可動(dòng)極板受力產(chǎn)生的形變也應(yīng)該盡量大，同時(shí)采用介電常數(shù)大的材料做介電層。這4個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)之間不是彼此孤立的，而是相互聯(lián)系相互影響。單純利用改進(jìn)傳感器結(jié)構(gòu)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(hào)很有可能湮沒在噪聲信號(hào)中。因此,對(duì)測(cè)量電路的優(yōu)化也是實(shí)現(xiàn)MEMS電容式傳感器小量程測(cè)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(dòng)極板在受到相同壓力時(shí)產(chǎn)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(huì)導(dǎo)致器件的線性性能惡化，同時(shí)與MEMS微型化的設(shè)計(jì)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(dāng)極板間距很小時(shí)，傳感器的動(dòng)態(tài)范圍不僅過窄，而且空腔內(nèi)任何微量氣體的存在都會(huì)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(nèi)，內(nèi)應(yīng)力對(duì)可動(dòng)極板工作性能的影響也特別大^[7]，內(nèi)應(yīng)力會(huì)阻礙可動(dòng)極板形變，降低傳感器靈敏度，增加非線性誤差^[8]。而現(xiàn)階段測(cè)量微小電容主要面臨的困難是檢測(cè)電路的復(fù)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(cè)電路極其復(fù)雜^[9]；與被測(cè)的微小電容相比，雜散電容一般要高很多，并且雜散電容會(huì)隨諸多因素而變化，結(jié)果往往是干擾信號(hào)遠(yuǎn)大于被測(cè)量的信號(hào)，很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果^[10]。因此，要實(shí)現(xiàn)小量程壓力測(cè)量，不僅需要在小體積約束條件下改變電容式傳感器的結(jié)構(gòu)來提高電容輸出，以削弱雜散電容的干擾和降低測(cè)試電路的復(fù)雜性，還需要優(yōu)化測(cè)量電路，增加其分辨率和精度。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

    在二十余年的時(shí)間里，國(guó)外小量程MEMS電容式壓力傳感器的研制已經(jīng)取得一定成績(jī)。如Vaisala公司的BAROCAP系列產(chǎn)品是單晶硅基電容式壓力傳感器，能夠測(cè)量500～1 100 hPa（50～110 kPa）范圍內(nèi)的絕對(duì)大氣壓力,在工業(yè)應(yīng)用測(cè)量范圍甚至可以更小，低至50 hPa（5 kPa）。BAROCAP傳感器的技術(shù)已經(jīng)很成熟，產(chǎn)品擁有較低的遲滯性、優(yōu)異的測(cè)量精度和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，在各行各業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用，而且還能與其他類型傳感器集于一體，達(dá)到壓力、濕度、溫度的同時(shí)測(cè)量。自1989年開始，日本富士電機(jī)公司已經(jīng)將硅電容式壓力傳感器商品化，其中的FCX-AIII系列絕對(duì)壓力變送器最小的測(cè)量范圍僅為0～16 kPa。與國(guó)外相比，我國(guó)的研究基本處于空白狀態(tài)，只能依賴于進(jìn)口產(chǎn)品。

    針對(duì)MEMS電容式壓力傳感器在小量程壓力測(cè)量時(shí)存在的問題與挑戰(zhàn)，各國(guó)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(shí)現(xiàn)更靈敏、更準(zhǔn)確的小量程壓力測(cè)量?？v觀國(guó)內(nèi)外關(guān)于小量程電容式壓力傳感器的報(bào)道，傳感器的空腔間隙和可動(dòng)極板厚度都很?。粸榱藵M足小量程壓力測(cè)量對(duì)靈敏度和線性度的要求，在減薄壓敏極板厚度的同時(shí)會(huì)相應(yīng)縮小芯片尺寸。相關(guān)研究集中在傳感器制備工藝的改良、傳感器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新以及測(cè)量電路的優(yōu)化三個(gè)方面。

2.1 傳感器工藝改良

    工藝上控制超薄膜片的內(nèi)應(yīng)力很難。為了解決這個(gè)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(dòng)極板材料。選用多晶硅有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)典型的多晶硅是通過LPCVD(低壓化學(xué)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(dòng)極板；(2)經(jīng)過退火處理，多晶硅可以形成低應(yīng)力的薄膜^[1]，削弱可動(dòng)極板內(nèi)應(yīng)力對(duì)小量程測(cè)壓的影響；(3)摻雜之后的多晶硅導(dǎo)電，使壓敏極板有固定電勢(shì)，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(chǔ)之上，人們不斷摸索，以求工藝的合理與簡(jiǎn)化。

    馬來西亞國(guó)民大學(xué)提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)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(duì)壓力空腔，氧化層的釋放需要利用通道孔讓腐蝕劑BOE進(jìn)入氧化層對(duì)其進(jìn)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于傳感器可以單片集成，可以使用集成電路（IC）工藝進(jìn)行制備。因此，傳感器可以和讀取電路、通信系統(tǒng)等集成。同時(shí)，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(cè)壓范圍在10 mmHg～75 mmHg（13～100 kPa)之間，很適宜測(cè)量人體內(nèi)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(shí)際上并沒有達(dá)到真空等級(jí)，這會(huì)削弱傳感器的測(cè)試精度。傳感器截面原理圖如圖1所示。

    美國(guó)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(shù)，制作的空腔真空度小于10^-4 Torr。根據(jù)這種技術(shù)，該公司開發(fā)了一系列超敏感和高真空的絕對(duì)壓力電容式傳感器，可測(cè)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(dá)35 pF/Torr^[13]。該公司還解決了傳感器與外界電連接導(dǎo)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(bǔ)償，整體性能優(yōu)越。

2.2 傳感器結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

    傳統(tǒng)的電容式壓力傳感器屬于單端電容式結(jié)構(gòu)，即只有一個(gè)電容在發(fā)生變化。相關(guān)研究證明，差動(dòng)電容式結(jié)構(gòu)的靈敏度要比單電容結(jié)構(gòu)提高一倍，已經(jīng)廣泛用于普通壓力傳感器的小量程壓力測(cè)量。為此，沈陽工業(yè)大學(xué)開展了差動(dòng)電容式結(jié)構(gòu)的硅差壓傳感器的研制^[14]，中國(guó)科學(xué)院的王躍林教授在差動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(dǎo)致傳感器動(dòng)態(tài)范圍窄的問題。這種結(jié)構(gòu)不僅可以作為真空絕對(duì)壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)真空環(huán)境的壓力監(jiān)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(dòng)極板與下層玻璃間的電容C_d用于檢測(cè)壓力變化。當(dāng)C_d變化時(shí)，其變化信號(hào)通過電容/電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成電壓變化信號(hào)，然后電壓變化信號(hào)通過放大器變成伺服電壓V_S，V_S反饋到伺服電極上，對(duì)可動(dòng)極板產(chǎn)生一個(gè)和原始變形方向相反的靜電力F_S，使薄膜回到初始位置，這樣就實(shí)現(xiàn)了伺服效果，增大了器件的動(dòng)態(tài)工作范圍。同時(shí)，當(dāng)壓力過大時(shí)，可動(dòng)極板會(huì)碰到下層玻璃完成過載保護(hù)。

    在TRANSDUCERS’11會(huì)議上，Evigia Systems公司提出了一種全新結(jié)構(gòu)的MEMS電容式壓力傳感器來同時(shí)獲得高靈敏度和大動(dòng)態(tài)范圍^[16]。如圖3所示，研究人員將壓敏元件和電容的可動(dòng)極板進(jìn)行了去耦操作，即增加一個(gè)力敏薄膜來感知外界壓力變化，然后將壓敏薄膜通過一個(gè)中心軸與平行板電容式器的可動(dòng)極板進(jìn)行機(jī)械耦合從而實(shí)現(xiàn)小量程壓力測(cè)量。傳感器的靈敏度可以通過增加可動(dòng)極板的面積和減小極板間距來增加，動(dòng)態(tài)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(gè)好處是可動(dòng)極板無需暴露在外界環(huán)境中來獲取壓力變化，電容結(jié)構(gòu)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(nèi)靈敏度仍有10 aF/Pa。

2.3 電容測(cè)量電路優(yōu)化

    隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的科研工作者在微小電容測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，提出了許多新的測(cè)量方法及電路結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于不同的微小電容讀取場(chǎng)合。但大部分測(cè)量方法的電路精度和集成化程度比較低，還不能很好地達(dá)到在實(shí)際應(yīng)用方面的要求。

    在小量程MEMS電容式壓力傳感器信號(hào)讀取方面，日本東北大學(xué)的Tomio Nagata等人最早實(shí)現(xiàn)了采用數(shù)字芯片來補(bǔ)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(cè)0～200 mmH₂O(0～1.96 kPa)范圍內(nèi)的壓力^[17]。然而，靈敏度的提高會(huì)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(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確度，他們研制了一種全新的調(diào)整和補(bǔ)償技術(shù)。該技術(shù)首先利用轉(zhuǎn)換器將電容值轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的頻率值，然后利用研發(fā)的IC芯片對(duì)零點(diǎn)溫度系數(shù)和靈敏度溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，將滿量程（FFS）輸出值進(jìn)行調(diào)整，最后輸出數(shù)字信號(hào)。這一調(diào)整和補(bǔ)償技術(shù)對(duì)提高小量程壓力測(cè)量時(shí)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(diǎn)溫度漂移為0.013%F.S./℃。圖4為傳感器的電路連接框圖。

    當(dāng)電容空腔采用濕法腐蝕二氧化硅層形成時(shí)，其側(cè)壁形狀為拋物線型(近似球形)。北達(dá)科他州立大學(xué)的KAABI L等人建立了拋物線型空腔的電容式絕對(duì)壓力傳感器的理論模型^[18]。為了實(shí)現(xiàn)40 Pa以下的絕對(duì)壓力的測(cè)量，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種相應(yīng)的調(diào)節(jié)器，可以實(shí)現(xiàn)壓力的直接讀取，分辨率達(dá)到1 Pa。調(diào)節(jié)器的工作原理也是首先將電容值通過振蕩器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率值，然后利用一個(gè)BCD計(jì)數(shù)器和譯碼器將頻率值直接轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫χ?。調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行，試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果吻合得很好。傳感器結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)器原理框圖分別如圖5和圖6所示。

3 壓力傳感器的發(fā)展方向

    從改進(jìn)傳感器方面來說，現(xiàn)有研究都集中在優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)與改良工藝方面，發(fā)掘新材料的報(bào)道卻鮮有。所以發(fā)掘楊氏模量低和介電常數(shù)大的新材料應(yīng)用于小量程MEMS電容式壓力傳感器是很有希望的一個(gè)研究方向。可動(dòng)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(shù)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(shè)計(jì)要求,比如聚對(duì)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(nèi)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(yōu)點(diǎn)^[20]，因而最適合用來制作壓力傳感器。其楊氏模量可調(diào)，約750 kPa^[21]。事實(shí)上，PDMS材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物傳感器和微流控領(lǐng)域，利用PDMS制作薄膜，PDMS與PDMS^[22]、PDMS與硅鍵合^[23]的相關(guān)加工工藝都已經(jīng)成熟，為其應(yīng)用于MEMS壓力傳感器奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。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(cè)量電路的優(yōu)化重點(diǎn)。

4 結(jié)束語

    目前，商業(yè)化的MEMS壓力傳感器不能滿足氣象檢測(cè)、空間探索、生物醫(yī)學(xué)等特殊背景下的壓力測(cè)量需要, 因此對(duì)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(cè)量，但還需要進(jìn)一步研究，改善其靈敏度和測(cè)量電路，使其得到廣泛的應(yīng)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(duì)傳統(tǒng)的平行板電容器進(jìn)行了工藝改良、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與電路優(yōu)化。這幾種傳感器各具特點(diǎn)但仍有不足，適合在不同領(lǐng)域中使用。

    通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采用諸如PDMS的柔性材料作為電容式傳感器的可動(dòng)極板材料是達(dá)到小量程測(cè)量目的的一個(gè)有效途徑。

    與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)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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