據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，英屬哥倫比亞大學(xué)（University of British Columbia，UBC）的研究人員詳細(xì)闡述了開關(guān)模式傳感器的理念，并將該理念集成到開關(guān)模式傳感器與觸摸傳感器相結(jié)合的電容式壓力傳感器中。

同時，研究人員介紹了該電容式壓力傳感器概念驗證原型的設(shè)計，并進(jìn)一步展示了一種利用表面微加工和真空封裝制造傳感器的新穎工藝流程。

該真空封裝使用了基于特斯拉（Tesla）閥的集成單向微型閥，通過氣相聚合物沉積工藝獨特地實現(xiàn)了與真空密封腔內(nèi)偏轉(zhuǎn)膜的歐姆接觸切換。

然后，他們展示了傳感器原型的實驗結(jié)果和詳細(xì)的機(jī)電分析。最后，他們將開關(guān)模式傳感器與感應(yīng)線圈天線耦合，用于基于諧振的無線壓力跟蹤的實驗演示。

該電容式壓力傳感器將來自觸摸模式可變電容器的模擬信號與來自開關(guān)模式離散電容器的數(shù)字信號相結(jié)合，當(dāng)壓力偏轉(zhuǎn)膜與連接到芯片上固定電容器的繼電器陣列歐姆接觸時，電容式壓力傳感器被機(jī)械激活（圖1a）。

絕對壓力傳感器采用可移動金膜的機(jī)械結(jié)構(gòu)工作，該金膜具有可變電容電極和接觸繼電器電極的雙重作用，兩者均由環(huán)境壓力驅(qū)動。

該金膜懸掛在電容腔上方，電容腔通過集成到腔體釋放/密封通道中的被動式止回閥（被稱為特斯拉閥）進(jìn)行真空密封（圖1b）。

在大氣壓下，偏轉(zhuǎn)膜與固定在襯底上的絕緣對電極（氮化硅金涂層）接觸。隨著環(huán)境壓力的變化，接觸面積也隨之變化（圖1c），從而導(dǎo)致觸摸模式電容的相應(yīng)變化。

圖1 開關(guān)模式電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計

實現(xiàn)開關(guān)模式功能的關(guān)鍵因素是制造出一個電容腔，并且無需在犧牲層微加工過程中用密封腔的材料覆蓋它（如果電容腔表面被密封劑膜（介電或金屬）覆蓋，該功能可能失效）。

該功能通過基于微型特斯拉閥的通道實現(xiàn)（圖1b）。

研究人員通過淚滴形環(huán)在特斯拉閥通道中產(chǎn)生單向流，該單向流通常用于微流控裝置。

他們利用該閥的單向功能作為實現(xiàn)器件微加工的首要方法。

特別是，在具有獨特通道結(jié)構(gòu)的芯片上，微型特斯拉閥被用于通過氣相薄膜沉積技術(shù)有效地釋放和密封空腔，同時確保空腔沒有密封劑膜，從而允許薄膜和單獨的開關(guān)引線之間的歐姆接觸。在膜釋放過程中，犧牲層通過與單向特斯拉閥相反方向的最短路徑溶解出腔體（圖1b紅色）。

縮短路徑長度對于完全釋放和防止殘留物被截留在新形成的空腔內(nèi)至關(guān)重要。

圖2 模擬的開關(guān)模式電容式壓力傳感器膜偏轉(zhuǎn)

研究人員在有線和無線配置中對該電容式壓力傳感器的性能進(jìn)行了實驗評估。

他們使用帶有定制腔室的壓力控制系統(tǒng)對通過引線鍵合連接到PCB（印刷電路板）上的芯片進(jìn)行測試，使用該系統(tǒng)測量傳感器的信號以響應(yīng)升高的表壓（圖3d）。

該系統(tǒng)架構(gòu)如圖3e所示。

圖3 電容式壓力傳感器樣品和實驗設(shè)置

研究人員通過控制壓力的測量，證明該電容式壓力傳感器除了作為施加壓力函數(shù)電容的觸摸模式逐漸線性增加之外，還提供了設(shè)計的開關(guān)模式功能和由此產(chǎn)生的逐步電容變化。

這可以在圖4a中看到，圖4a顯示了傳感器對施加壓力的代表性響應(yīng)，展示了壓力上下變化時的兩種傳感模式。

圖4 不同壓力下連線測試的測量結(jié)果

實驗結(jié)果驗證了開關(guān)模式電容式壓力傳感器的可行性，以及其設(shè)計和微制造方法的有效性。

該電容式壓力傳感器顯示的電容（或無線測試中的諧振頻率）隨環(huán)境壓力變化而急劇變化，電容靈敏度顯著升高。

他們還表明，該傳感器提供了疊加在開關(guān)模式功能上的觸摸模式模擬感測功能。觸摸模式組件的添加使得其能夠在開關(guān)事件之間進(jìn)行壓力感測。

根據(jù)應(yīng)用的不同，開關(guān)模式電容式壓力傳感器可以進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以方便在不同的壓力范圍、靈敏度、開關(guān)閾值和整體電容性能下工作。

可通過設(shè)計不同面積或厚度的膜結(jié)構(gòu)（通過改變金的電鍍沉積）來調(diào)節(jié)壓力范圍。同時，通過減小開關(guān)引線寬度和間距（開關(guān)間隔），或者將開關(guān)引線連接到在膜外提供更大電容的電容器（例如，如果需要更小的片上覆蓋面積，則具有更大的電極面積或更薄/高K（介電常數(shù)）電介質(zhì)）上，可以提高靈敏度。

在某些應(yīng)用中，其可代替密集的開關(guān)引線陣列，通過仔細(xì)選擇引線的數(shù)量及其導(dǎo)通壓力，來實現(xiàn)特定的感測目標(biāo)。

綜上所述，研究人員首次對開關(guān)模式電容式壓力傳感器進(jìn)行了研究。

他們通過新穎的設(shè)計、仿真分析、表面微加工技術(shù)和微型特斯拉閥的集成，同時通過概念驗證原型，驗證了傳感器的功能，其對壓力輸入顯示出顯著的電容和頻率響應(yīng)。

該開關(guān)模式電容式壓力傳感器提供了由嵌入傳感器空腔中的壓敏機(jī)械開關(guān)陣列產(chǎn)生的開關(guān)模式電容信號，和用于開關(guān)事件之間的線性連續(xù)壓力檢測的觸摸模式可變電容。

與在類似壓力范圍內(nèi)運行的商用以及其他電容式壓力傳感器相比，研究人員新開發(fā)的原型傳感器具有更高的靈敏度，與測試表壓力的電容精度相當(dāng)。

開關(guān)模式電容式壓力傳感器可開辟出更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。得益于上述優(yōu)點，該開關(guān)模式電容式壓力傳感器在智能醫(yī)療植入物和體內(nèi)局部壓力無線監(jiān)測方面顯示出巨大的前景，以提醒患者可能的危急情況。

審核編輯：劉清