壓力感測器之模擬分析與元件設計

電容式壓力感測器主要是利用平行電容板的原理，當感測器上隔膜受壓力而變形時，其隔膜與底板電極間的間隙改變而造成電容的變化，藉由電容的變化便能夠感測壓力的大小。

圖1 ... 壓力感測器之模擬分析與元件設計 壓力計種類與原理 讀書小組研讀資料 壓力感測器之模擬分析與元件設計  98年10月15日 時間 18時30分至21時30分 地點 工一524 蔡明翰 記錄人 鄭惟仁 壓力計種類與原理 導讀人以簡報方式進行導讀，導讀內容與討論並行。

  研讀摘要與心得 （可分享研讀過程、進度、方式、感想、研讀發現、收穫…等） 研讀摘要：   壓力量測原理及方法有許多種類，因應用範圍不同而有不同的設計方法及考量，各種方法皆有其優缺點，目前市面上商用的壓力感測器，依其感測原理常見的可分為三種：電容式（capacitive）、壓電式（piezoelectric）和壓阻式（piezoresistive）。

以下就分這三種感測方式加以探討。

I.電容式 電容式壓力感測器主要是利用平行電容板的原理，當感測器上隔膜受壓力而變形時，其隔膜與底板電極間的間隙改變而造成電容的變化，藉由電容的變化便能夠感測壓力的大小。

圖1為S.K.Clark等人在1979年，利用體型微加工（bulkmicromachining），製造出來的典型電容式壓力感測器[1,2]。

其結構主要分為上下兩部分，上半部為可動的隔膜以及上電極，下半部則為固定的下電極結構，上下半部兩個結構都是利用非等向性（anisotropic）蝕刻的方式蝕刻出腔體，再將上下兩個結構接合（bonding），即完成此壓力感測器。

為了提高感測時的線性度（linearity），此壓力計還可以藉由接觸模式（contactmode）來增加。

以電容式壓力感測器而言，具有高靈敏度以及不受外界環境影響等優點，但其缺點為所量測結果具有高度非線性及易受寄生電容影響，使得後段資料處理不易。

圖1電容式壓力感測器結構示意圖 II.    壓電式 壓電式壓力感測器主要是利用一種壓電材料（ZnO，PZT），當壓電材料受到應力的情況下，會產生電極化（polarization）的現象而提供電荷，此現象反之亦然；故壓電材料一般被稱為智慧型材料，可同時做微感測器及致動器之用。

C.Ravariu等人在2001年便利用了壓電材料的特性來當作壓力感測的原理，如圖2所示[3]。

此壓力計的結構是利用SOI（SiliconOnInsulator）的晶片，以晶片中的氧化矽（SiO2）層當作蝕刻停止層，在晶片上的元件層（devicelayer）整合壓電材料。

此壓力感測器，結合了壓電材料的壓電性以及類金屬氧化半導體場效電晶體（MOSFET）的特性來做壓力的感測。

壓電式感測器具有低電磁干擾以及低功率散逸等優點，但對靜態響應並不靈敏，是最大缺點。

圖2壓電式壓力感測器結構示意圖   III. 壓阻式 壓阻式壓力感測器是利用壓阻材料的特性，當壓阻材料收到應力變化而變形時，其電阻值也會因而改變，因此透過電路上的連接與輸出，便可藉由電阻的變化來量測壓力的大小。

壓阻式感測器是目前以微壓力計而言最常用的感測方式，其壓力感測器的發展可以從圖3所示。

最早是利用金屬加工出的隔膜，在隔膜上黏貼矽質的應變規（straingauges）；其後隨著矽微加工的發展成熟，隔膜結構以及壓阻都可以運用矽質的材料來製作，達到同一材料的整合，而不需要做額外黏貼應變規的動作。

而其尺寸也隨著微加工的發展而愈來愈精細，從最早的1cm×1cm，到現在最小可以到0.2mm×0.2mm左右。

矽質材料本身的良好壓阻特性，早在1954年C.S.Smith便發現[4]，因而開啟了一連串矽質壓阻式感測器的發展歷程。

1969年，A.Gieles利用半導體積體電路的製作方式，成功做出擴散型薄膜感測器（p-typediffusedsiliconsensor）[5]，成為第一個運用全矽質材料做為壓阻式壓力感測器的例子，如圖4所示。

圖3壓阻式壓力感測器之發展   圖4壓力感測器隔膜形式（a）黏貼金屬環（b）全矽基材 而後T.N.Jackson等人在1981年利用電化學蝕刻停止（Electrochemicaletchingstop）的方式，在晶背上蝕刻出壓力計的隔膜[6]，如圖5所示。

此一技術可以精準的控制隔膜的厚度，而廣泛地應用於壓力感測器的製作上。

1991年，S.Sugiyama則有別以往的體型微加工方式，轉而利用面型微加工（surfacemicromaching）的技術[7]，如圖6所示，利用氮化矽（SiN）當作隔膜的材料。

此處的多晶矽（polysilicon）除了當作壓阻的應變規之外，也當作犧牲層（sacrificiallayer）的功用；從隔膜中間的蝕刻孔（etchhole）將犧牲層移除後，便可以將隔膜懸浮做壓力的感測。

相較於體型微加工，這類面型微加工方式的壓力感測器可以避免晶背蝕刻所造成的晶圓浪費，而減小元件尺寸，但由於隔膜下的空間不足，對於高壓力負載的感測並不適用。

為了提高壓力感測器的靈敏度（sensitivity），以及對溫度變化的穩定性，B.Folkmer等人在1995年利用氮化矽為隔膜[8]。

由於氫氧化鉀（KOH）對於氮化矽的蝕刻選擇比相當高，因此可以直接用氮化矽曾當作蝕刻停止層，而不需要架設電化學蝕刻的設備就可以得到相當薄的氮化矽層，增加其感測的靈敏度。

此外，B.Folkmer等人同樣利用單晶矽摻雜硼為壓阻，且壓阻材料的底部懸空而未與矽基材接觸，因而可以增加壓阻對於溫度的穩定性。

其製造流程示意圖，如圖7所示。

壓阻式感測器具有高輸出電壓、高靈敏度以及製造成本低等優點，但缺點為易受外界應力影響，對溫度變化十分敏感。

    圖5電化學蝕刻實驗架設示意圖 圖6利用面型微加工製造的壓力感測器 圖7利用氮化矽為隔膜的製程示意圖 參考文獻: [1]    S.K.ClarkandK.D.Wise,“Pressuresensitivityinanisotropicallyetchedthin-diaphragmpressuresensors,”IEEETransactionsonElectronDevices,Vol.ED-26,pp.1887-1896,1979. [2]    W.P.EatonandJ.H.Smith,“Micromachinedpressuresensors:reviewandrecentdevelopments,”SmartMaster.,Struct.6,pp.530-539,1997. [3]    C.Ravariu,F.Ravariu,D.Dobrescu,L.Dobrescu,C.Codreanu,andM.Avram,“AdesigningrouleforapressuresensorwithPZTlayer,”SemiconductorConference,Vol.2,pp.379-382,2001. [4]    C.S.Smith,“Piezoresistanceeffectingermaniumandsilicon,”Phys.Rev,Vol.94,pp.42-49,1954. [5]    A.Gieles,“Submmiaturesiliconpressuretransducers,”Solid-StateCircuitsConference,Vol.12,pp.108-109,1969. [6]    T.N.Jackson,M.A.Tischler,andK.D.Wise,“AnelectrochemicalP-Njunctionetch-stopfortheformationofsiliconmicrostructures,”ElectronDeviceLetters,Vol.2,pp.44-45,1981. [7]    S.Sugiyama,K.Shimaoka,andO.Tabata,“Surfacemicromachinedmicro-diaphragmpressuresensors,” Transducers’91,pp.188-191,1991. [8]    B.Folkmer,;P.Steiner,andW.Lang,“Apressuresensorbasedonanitridemembraneusingsinglecrystallinepiezoresistors,”Transducers'95,Vol.2,pp.574-577,1995. 研讀心得：   蔡明翰：這次主題主要是讓學弟多了解市面上之壓力計的分類及原理  劉源棟：經由此次壓力感測器的分類，讓我們大略了解了一些基本原理 張俊羿：壓力感測器的架構幾乎已定型，實在難以有突破性的發展 許義昌：經由此次的讀書會讓我粗略了解壓力感測器的原理和分類，但還是很模糊。

王嘉熙：壓力感測器的設計真的很難在又創新了。

鄭惟仁：因為各類型壓力感測器有其優缺點，因此在市場上各類型皆有其一定的規模，這也                是為何目前雖然大多元件為電容式，但還是不難看到壓阻式的原因。

  讀後建議 （可分享讀書會進行過程所遇到的困難、改進方向及其他建議）        這次讀書會的主題很明確，但是原理部分需要搭配實際元件以及儀器的操作，才能讓組員更能了解各類型感測器。

所以下次讀書會會安排一些實例的講解及實驗，畢竟實作配合原裡講解更能讓學員熟悉這個主題。

  鄭惟仁/2009-11-10 壓力計種類與原理2009-11-10 Copyright©2007-2009NationalTsingHuaUniversityALLRIGHTSRESERVED 最佳解析度為1024*768或1280*1024 聯絡我們101,Section2,Kuang-FuRoad,Hsinchu,Taiwan30013,R.O.C.30013新竹市光復路二段101號代表號：03-5716200統一編號：46804804