MEMS微流量检测中寄生电容干扰的抑制方法

　　0　引言

　　MEMS器件是在硅等半导体基底材料上制作而成的微小结构腔体,可形成基于压电、静电、磁致伸缩及热电等效应工作的微传感器和微驱动器,它兼具信号处理功能、对外部世界的感知和作用功能[1-3]。MEMS加工中Si-Si或Si-玻璃键合工艺的成熟与发展,推动了MEMS器件微结构的研究。该类MEMS器件在流量传感器、加速度计等方面已有应用[4-6],占用面积小,使用方便,但容易在检测丝与半导体基底之间形成寄生电容,干扰待测信号的有效输出,甚至导致检测失败。寄生电容的影响随MEMS微腔体结构中电极之间的窄小化以及应用频率的高频化将愈加显著[7-8]。为能获得更有效、精确的检测结果,必须抑制寄生电容的干扰。

　　1　寄生电容的形成分析

　　基于两腔键合的MEMS传感器件,采用热敏元件检测流量时会受到寄生电容的干扰。针对该研究提出的硅、玻璃两腔键合的压电驱动硅基微流量传感示意结构说明寄生电容的产生,如图1所示,寄生电容主要产生于上、下腔体键合处的上腔基质硅与热敏检测铂丝之间。考虑到如下特点: (1)压电片下电极与上腔硅膜间无绝缘层,施加于压电片上的交变电压可传导至硅中; (2)上腔基质硅与热敏铂丝相互平行设置; (3)传感器上腔内壁覆有SiO2绝缘涂层,且绝缘层很薄(120 nm).因此当沿压电片法线方向上施加交变驱动电压时,在上、下两腔体键合处,上腔基质硅和热敏铂丝之间会形成以SiO2为绝缘介质的平行板寄生电容。

　　如图2所示,硅为寄生电容上极板,热敏铂丝为下极板。

　　根据平行板电容的定义可推知图中的寄生电容C为

　　式中:ε₀真空介电常数, 8. 85×10^-12;ε_r为绝缘层SD₂相对介电常数,值为3. 9;S为热敏铂丝与硅之间的正对面积。

　　铂丝的形状及尺寸如图3所示,面积为

　　式中:a=1 500μ_ma₀965μ_m;b=380μ_m;d为绝缘层SD₂厚度,值为120 nm.

　　由式(1)可知,若两极板的间距d很微小,将形成电容效应。压电驱动硅基微流量传感示意结构中硅基质与热敏丝的间距仅为120 nm,会受到较大寄生电容的干扰。

　　另外,密封腔体内用于敏感气体流动效应的裸漏铂丝与硅膜间距离为10μ_m,其值远远大于绝缘层SD₂度,因此可忽略裸漏铂丝与硅膜间的寄生电容。