微小量程联动薄膜压力敏感芯片仿真分析

任治凯，揣荣岩，张 冰，杨宇新

（沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳 110870）

1 引言

随着现代电子技术的快速发展，微电子机械系统（MEMS）压力传感器已经广泛应用于医疗设备、工业自动控制、汽车电子、航空航天和气象环境检测等多个领域[1]。MEMS 技术的成熟以及微小压力测量需求的增多，推动了压力传感器向微小量程方向的发展[2]。目前在国外，MEMS 微小量程压力传感器已经逐渐得到广泛应用，具有代表性的有芬兰维萨公司的BAROCAP 系列、德国英飞凌公司的DPS 系列和日本富士电机公司的FCX-AIII 系列。其中FCX-AIII 系列绝对压力变送器最小的测量范围仅为0～16 kPa[3]，但国内微小量程MEMS 电容式压力传感器尚未有实用化的产品[4]。在此背景之下，在此基于绝缘体上硅（SOI）技术设计一种MEMS 电容式压力敏感芯片。

2 芯片结构及理论分析

所设计的电容式联动膜压力敏感结构如图1 所示。其中，h1为上极板厚度，R为极板半径，t为介质层厚度，g为腔体高度。为了提高传感器线性响应范围以及线性度，该结构专门在芯片结构中设置了悬空可动的下极板，厚度为h2。因为这一独特结构的存在，当外界压力较小时，上极板与下级板有较大的间距；当外界压力变大时，上极板开始向下弯曲；当外界压力达到某个确定值时，上极板正好与下级板相接触，这个确定值就是临界值。压力超过临界值，传感器就工作在接触模式。当压力在超过临界值后仍继续增加，下极板也将随之发生形变并对上极板的运动状态具有一定的调节作用，从而形成联动的效果，如图2 所示。……