1、 前言

空气液位传感器在工业化生产、天气实况、气侯剖析、环保监测、航天航空等领域充分发挥着不可替代的功效。传统式的压测力传感器一般为机械设备式，容积非常大，不利小型化和一体化。运用MEMS技术性不但能够彻底解决以上缺陷，还能巨大地控制成本，而特性更加出色。现如今根据MEMS技术性取得广泛运用的工作压力感应器关键有压阻式和电容器式两类，压阻式液位传感器的线性非常好，但精密度一般，温漂大，一致性差；电容传感器液位传感器与之对比，精密度高些，温漂小，集成ic构造更具有可扩展性，但线性差且易受分布电容的危害。现阶段MEMS电容传感器液位传感器多用以过电压精确测量，用以气候压力测量的偏少且价格比较贵。因此，文中研发了一种性能卓越、成本低的小型电容器气候液位传感器，全部步骤加工工艺简易规范，塑料薄膜原材料挑选光伏电池，选用容栅构造，运用阳极氧化键合产生真内腔，最终由KOH各种各样浸蚀和深入蚀产生硅塑料薄膜。实验结果显示，该感应器适用气候压力测量。

2、 基本概念和构造

电容传感器液位传感器的主要构造如图所示1所显示。式中：ε0为真空泵中的相对介电常数；t为电缆护套的薄厚；εr为电缆护套的相对性相对介电常数；g为零荷载时电力电容器两方面板中间的原始间距；ω（x，y）为极片膜的中平面图的垂向偏移。

由公式计算得知，环境压力根据更改电容器的极片总面积和间隔来更改电容器。伴随着工作压力渐渐地扩大，电容器因极片间隔减少而扩大，这时电容器值由非触碰电容器来决策；当两方面板触碰时，电容器的高低则关键由触碰电容器来决策。

3、 感应器的制定与生产制造

比较敏感塑料薄膜是感应器最主要的构件，其原材料、规格和薄厚决策着感应器的特性。

现阶段比较敏感塑料薄膜的原料多采取重夹杂p型硅、Si3N4、光伏电池等。这几类原材料都都各有优点和缺点，其挑选与总体目标规定和主要加工工艺有关。硅膜不毁坏晶格常数，物理性能出色，适合阳极氧化键合产生内腔，从简单化加工工艺的目标考虑，本计划方案挑选硅膜。

运用有限元手机软件ANSYS对容栅构造的塑料薄膜运行状态开展了仿真模拟。原材料为Si，膜的形态为方形，周长1000 μm，膜厚5 μm，极片间隔10 μm。在1.01105Pa的大气压强下，塑料薄膜中间触碰一部分及四个边缘基本上不会受到地应力，四边中间地应力最高为1.07 MPa，低于硅的屈服应力7 MPa，其地应力遍布如图所示2所显示。

全部生产制造步骤都选用规范加工工艺，如图所示3所显示。先热空气氧化100 nm的SiO2，既做为浸蚀Si的掩膜，又做为电容器两电级的电缆护套。运用各种各样浸蚀产生电容器内腔和未来露电级的停刻槽，假如单晶硅片薄厚一致且KOH腐蚀深度匀称，此方法能够在相当程度上等效于自终止浸蚀。从夹层玻璃上引出来电容器两电级，随后和单晶硅片开展阳极氧化键合。键合片运用KOH浸蚀薄化后反映正离子深入蚀外露精确测量电级。

4、 重要加工工艺

4.1 KOH各种各样浸蚀

在各种各样各种各样浸蚀方式 里边，KOH浸蚀简易好用，成本费便宜。在单晶硅片大规模、大深层浸蚀的情形下，KOH浸蚀非常容易危害单晶硅片表层的外形和光滑度，如何选择适合的水溶液配制起着至关重要的功效。在KOH质量浓度为20％～40％，单晶硅片电阻器率是0.05 Ω？cm，80℃水浴控温的标准下，伴随着KOH浓度值的提升 ，浸蚀表层拥有很显然的转变：突起的小丘慢慢由锥体变为八棱锥从而变为四棱锥，如图所示4（a）所显示，棱锥高宽比多见几十微米，底部长一两百μm；提升KOH浓度值，小丘消退，发生四棱台，如图所示4（b）所显示，棱台深层多见好多个μm，底部长一两百μm；再增加KOH浓度值，凹坑样子产生变化，详细的四棱台坑基本上消退，多见陡坡状的半四棱台凹坑，如图所示4（c）所显示，坡高1～2μm，周长10μm之内。

四棱锥和四棱台的四个斜坡相匹配于腐蚀深度最少的（111）系列产品晶向。当含量较低时，（100）和（111）晶向的腐蚀深度比小，因此 发生小丘；当浓度值扩大时，（100）和（111）晶向的腐蚀深度比扩大，因此 发生凹坑；浓度值做到一定水平后，（100）和（111）晶向的腐蚀深度比保持稳定，仍然出坑，而（110）和（111）晶向的腐蚀深度比扩大，进而造成陡坡。仅有调节KOH的浓度值，获得配对的（100）、（110）、（111）晶向的腐蚀深度，才可以得到不错的浸蚀表层。实验还说明，溫度首要危害腐蚀深度，对单晶硅片浸蚀外貌危害并不大。

4.2 阳极氧化键合

现阶段真内腔的产生多选用Si—Si键合或是阳极氧化键合。本方法选用阳极氧化键合，是由于阳极氧化键合比Si—Si键合的标准低。最先溫度只必须400～500℃，次之表层光滑度规定也相应较低。本技术全过程中存有金属电极，不适合用高溫；键合面存有高约1400 nm，宽为20μm的电级导线，键合面的SiO2历经一定程度上的KOH各种各样浸蚀后表面粗糙度为100nm上下，历经实验证实，键合状况优良（图5），并有着优良的封口实际效果。

4.3 反映正离子深入蚀

反映正离子深入蚀（DRIE）能雕出十分深的垂直结构，本实验用以最终硅塑料膜的产生。DRIE的离子注入实际效果（刻深为250 μm）沒有KOH浸蚀的平整，离子注入表层较为不光滑，表层颗粒物波动为好多个μm，如图所示6。除此之外离子注入存有不均衡性，75 mm单晶硅片四周早已刻到电级外露，而单晶硅片中间的电级都还没外露。深入蚀的不均衡性与离子注入表层的图型拥有紧密的联络，但这其中的诱因和原理现阶段都还没实际有效的基础理论和解释说明。因此不能从理论上具体指导整体规划离子注入表层的样式设计方案，大量的是借助工作经验手动式凋整。

5 、实验結果与剖析

做成的感应器样照。塑料薄膜规格为2 mm2 mm，膜厚理沦设计方案为10 μm，但因为单晶硅片自身薄厚存有20 μm的波动偏差，且历经KOH各种各样浸蚀及其反映正离子深入蚀以后早已无法确保设计方案规定，具体膜厚10～30μm不一。

在室内温度19.34℃的标准下，对液位传感器开展精确测量。测量设备为Druck的DPI610IS，精确测量电源电路选用了AD企业的AD7745电容器精确测量集成ic，精密度能做到4 fF。精确测量曲线图如图所示7所显示，检测精密度为8.1‰。因为硅塑料薄膜偏厚，检测范围内的线形一部分很少，除此之外电容器电级的使用面积使用率不高促使电容器的变化量也小，这种全是导致特性不太高的首要缘故，但由图能够看得出精确测量曲线图存有有效的一致性和可重复性。

6、 结果

运用硅膜的优良机械设备特点，选用容栅的构造，根据简易规范的技术生产制造出了电容传感器液位传感器样照。历经对控制器的检测和剖析，证实这类感应器可使用于气候工作压力的精确测量。怎样改善总体设计和加工工艺生产制造，提升控制器的测量精度是下一步科学研究工作中的关键。

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