1引言
电容式压力传感器MEMS 电容式压力传感器由一个可动电极和一个固定电极构成。以硅微纳米加工技术制造的硅膜，在压力的作用下会发生形变，与金属固定电极之间的电容发生变化，故此可作为可动电极，通过检测电容变化实现对压力的检测。由于硅材料在屈服强度、
塑性形变等机械特性方面具有极其优异的特性，因此利用硅材料制作的MEMS 电容式压力传感器与传统的金属膜盒式电容式压力传感器相比在长期稳定性、精度及灵敏度等方面具有极大优势，
更适合用来满足高性能、高可靠性等方面的应用需求。
与MEMS 压阻式压力传感器相比，由于MEMS 电容式压力传感器利用电容原理检测压力，因此在温度漂移、检测灵敏度、长期稳定性等方面均具有较
大优势，尤其在灵敏度方面甚至比压阻式压力传感器高一个量级以上。由于MEMS 电容式压力传感器的优异性能，国内外众多研究机构和公司对其开展深入研究[1-4]，其中芬兰Vaisala 公司研制的MEMS 电容式压力传感器，以其在灵敏度方面的优异表现，更是在火星探测中获得应用[5]。日本富士公司的工业压
力变送器，
也使用MEMS 电容式压力传感器作为传电容式MEMS 差压压力传感器的设计与制造*
侯智昊1，赵雪莹1，王增智2
（1.沈阳航空航天大学电子信息工程学院，
沈阳110136；2.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）
摘要：基于硅-玻璃结构，设计并制造了一种MEMS 电容式差压压力传感器，利用由硅MEMS
微纳米加工技术制作的硅可动薄膜作为压力的感测电极，利用在Pyrex 玻璃上淀积Au 薄膜作为固定电极，通过硅-玻璃阳极键合工艺实现硅结构与玻璃的键合。在键合过程中实现Pryex 玻璃上的
pad 与硅可动电极的互联，
实现MEMS 电容式差压压力传感器功能。所设计的MEMS 差压压力传感器的量程范围为0~40kPa ，其电容变化范围为5.4~7.3pF ，电容变化量率达到了35%。利用二次曲线拟合，满量程误差小于0.4%FS ，可满足大部分应用场合的需求。
关键词：微电子机械；压力传感器；
电容式传感器DOI ：10.3969/j.issn.1002-2279.2019.02.002中图分类号:TP212.1文献标识码:A 文章编号：1002-2279（2019）02-0007-03
Design and Fabrication of Capacitive MEMS Differential
Pressure Sensor
HOU Zhihao 1,ZHAO Xueying 1,WANG Zengzhi 2
(1.College of Electronics and Information Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;
2.The 47th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China )
Abstract:A MEMS capacitive differential pressure sensor with a silicon-glass structure is designed and manufactured.A silicon movable film made by silicon MEMS micro/nano processing technology is used as a pressure sensing electrode,an Au film deposited on Pyrex glass as a fixed electrode,and silicon structure and glass are bonded through a silicon -glass anodic bonding process.During the bonding process,the pad on the Pryex glass and the silicon movable electrode are interconnected to realize the function of MEMS capacitive differential pressure sensor.The range of the designed MEM
S differential pressure sensor is 0~40kPa,its capacitance variation range is 5.4~7.3pF,and the capacitance variation rate reaches 35%.Using quadratic curve fitting,the full-scale error is less than 0.4%FS,which can meet the needs of most applications.
陶瓷添加剂
Key words:MEMS,Pressure sensor,Capacitive sensor
基金项目：辽宁省自然科学基金指导计划“面向通用航空应用的MEMS 电容式大气压力传感器研究”（201602555）
作者简介：侯智昊（1979—），男，辽宁省抚顺市人，博士，副教授，主研方向：
射频MEMS 及MEMS 传感器。收稿日期：2019-01-04
*微处理机
MICROPROCESSORS
第2期2019年4月
No.2Apr.，2019
.
.
微处理机2019年
感元件，获得广泛应用。
故此设计一种采用硅-玻璃结构的MEMS 电容
式差压压力传感器。
利用MEMS 微纳米加工技术和硅-玻璃阳极键合工艺制成MEMS 敏感元件，并通过测试，获得了MEMS 电容式压力传感器的相关技术参数。
2工作原理
MEMS 电容式压力传感器工作原理如图1所示。器件由硅膜构成的可动电极和在Pyrex 玻璃上利用金属薄膜制成的固定电极两部分构成。当硅膜两侧的压力相等时，硅膜处于平衡状态，并不发生任何边形，此时硅膜可动电极和固定电极之间的偶合电容为0kPa 时的输出电容；当硅膜两侧的压力不同时，硅膜在压力的作用下发生形变，引起硅膜可动电极和固定电极之间偶合电容的变化，此时硅膜可动电极和固定电极之间的偶合电容为当前压力下的输出电容[6-7]。
3工艺流程
MEMS 电容式压力传感器工艺流程如图2所
示。其工艺流程主要由两部分构成：
第一部分主要实现对硅衬底的加工，利用硅各向异性腐蚀实现硅
杯结构，再通过ICP 刻蚀生成硅膜可动电极结构；第二部分主要是要在Pyrex 玻璃衬底上利用金属淀
积工艺及图形化工艺来实现金属固定电极结构。通过硅-玻璃阳极键合，实现玻璃上的pad 与硅可动电极的互联来完成MEMS 电容结构，并通过划片获
得分立的MEMS 电容式压力传感器芯片。
图3为所获得的MEMS 电容式压力传感器芯片和封装后的
实物照片。
4
实际测试
利用GE PACE5000高精度压力控制器来控制
施加在MEMS 电容式压力传感器上的压力，
实现对其测量。再利用ADI 公司的AD7746实现对MEMS 电容式压力传感器输出电容的测量[8]。针对高端电子血压计的应用，在0~40kPa 的范围内对其进行测量。当施加0kPa 的压力时，其输出电容为5.4pF ；当施加
40kPa 压力时，其输出电容为7.3pF ，电容变化率达
到35%。测试数据曲线如图4所示。其中图4(a)为电
容-压力曲线；
图4(b)为1/电容-压力曲线。在MEMS 电容式压力传感器实际应用中，由于压力与电容的非线性，使得MEMS 电容式压力传感器的测量误差不仅与器件本身有关，更与数据处理的算法有关。故此在数据处理过程中分别使用线性拟合和最小二乘法。其中最小二乘法的处理算法主要是用于进一步降低误差。
MEMS 电容式压力传感器的测量误差如图5所示。其中图5(a)使用了线性拟合法；图5(b)使用最小二乘法拟合。从中可以看出，利用线性拟合法其误差小于0.6kPa ；利用最小二乘法拟合其误差仅为0.16kPa 。MEMS 电容式压力传感器的误差，主要是由电容和压力之间的非线性引起，可通过单片机结合相关算法减少此误差。通过分析可知，利用最小二
图1MEMS 电容式压力传感器的工作原理
(a)无压力作用情况
(b)施加压力后硅膜发生变形
图3MEMS
电容式压力传感器实物图片
硅薄膜可动电极
金属薄膜固定电极
硅薄膜可动电极在压力作用下发生形变
金属薄膜固定电极
硅衬底
阳极键合、
划片固定电极
硅薄膜可动电极
淀积金属及图形化
硅刻蚀
玻璃衬底
图2
MEMS
电容式压力传感器制造工艺流程
MEMS 电容式压力传感器芯片
8
..
2期
乘法可以大大减少测量误差，满量程测量误差低于0.4%FS ，满足大部分应用需求。
5结束语
利用微纳米加工工艺设计和制备的此款MEMS
电容式压力传感器，实现了测量范围内的输出电容以及量程范围内电容变化率的设计目标。利用线性拟合，MEMS 电容式压力传感器的测量误差有显著降低。利用最小二乘法拟合并结合单片机算法，其满量程误差也达到令人满意的程度，可在实践中满足大部分应用场合下的器件功能需求。
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-0.12
-0.08-0.16
0.00-0.04
0.040.080.120.160.201st 2nd 3rd
压力/kPa
5102030045
253515
40-0.6
-0.2-0.40.00.20.40.60.8压力/kPa
5
10
20
拉长虾30
45
25
35
15
40
1st 2nd
3rd
图5MEMS 电容式压力传感器误差
(a)线性拟合
(b)最小二乘法拟合
(a)电容-压力曲线
压力/kPa
5.505
5.755.25
10
6.256.006.50
6.75
7.007.25
207.50300
45253515激光快速成型机
402nd
3rd
510140
130
150160
170
180
20190
30045
253515
401st
2nd批量抓鸡
3rd
图4MEMS 电容式压力传感器的测试曲线
压力/kPa
(b)1/电容-压力曲线
1st
侯智昊等：
电容式MEMS 差压压力传感器的设计与制造9
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