电容式湿度传感器多孔上电极受力可靠性分析

高 翔,禹胜林,张 弛

(南京信息工程大学电子与信息工程学院,南京 210044)

目前提升电容式湿度传感器性能有大致这几方面的研究,首先是减小湿度传感器的上电极厚度[1],上电极越薄,水分子透过上电极的效率就越高,性能也就越好,其次是研发新型湿敏材料[2],不同湿敏材料的线性度,湿滞都会有偏差,还有是研究多孔上电极[3],通过在上电极制造多孔形状,可以让水分子更加迅速的到达湿敏层,以减短传感器的响应时间[4],但是对上电极进行光刻造孔过程中会出现过度腐蚀而发生栅条断裂的情况[5-6],国内外学者对于在上电极过度腐蚀这一方面的研究非常少。

ANSYS作为大型通用有限元软件,被广泛地应用于工程结构、传热、流体运动和电磁等力学分析中,并在气象、地球物理和医学等领域得到广泛应用和发展,本文利用ANSYS对当前普遍采用的条形栅多孔上电极以及本文设计的环形多孔上电极进行模拟受力分析,通过比对两者之间的形变图,应力以及应变分布情况图,为本次设计的环形多孔上电极抗断裂的可靠性优于条栅形多孔上电极提供有力的数据支撑。

1 有限元分析仿真

1.1 建模

首先建立了目前湿度传感器领域普遍采用的条栅形多孔上电极的模型[7],所建模型如图1所示,此次对比仿真实验为了使得对比效果明显,决定对条栅形的建模尺寸选定为100 μm×100 μm×1 μm,栅条的宽度为2 μm,间隔为2 μm,中间的十字固定梁的宽度是4 μm,外框的宽度是3 μm,模型的材料选取Al代替Au[8],其次,自行设计了环形多孔上电极,同样,建模尺寸选为100 μm×100 μm×1 μm,环形栅条宽度为2 μm,间隔为2 μm,中间的十字固定梁是4 μm,外框宽度为3 μm,材料同样是铝,材料参数见表1。

图1 上电极模型

表1 模型材料参数

1.2 网格划分

网格划分有自由划分和映射划分等,这里采用映射划分中的扫掠划分,采用扫掠划分的优点是使得划分出的网格接近实际问题,在多规则的模型中生成较为规则的网格,既可以提高下一步实验中实际问题的计算速度,也可以提升计算精度。

网格划分中涉及到许多参数设定,其中relevance center(相关度中心)采用fine(细化),smoothing(平滑度)设定为high(精细),有利于使下一步实验中的计算应力,应变以及形变等结果更加精确,所以不能用coarse,transition(网格过度)设定为fast(快速),如果是slow的话,网格的质量会比较弱化,还有一项是span angle center(跨度角中心)采用fine(细化),由于环形多孔上电极涉及到弯曲面的网格划分,所以span angle center必须采用fine,如此在划分网格时弯曲区域才能细分,一直到单元跨越过这个角,另一方面,网格划分的图形采用all tri(三角形),因为环形多孔上电极有曲面以及曲线的存在,所以三角形更适合均匀的划分网格,网格划分结果如图2所示。

图2 上电极网格划分

1.3 施加载荷

本文主要研究的是在光刻过程中由于过度腐蚀而出现的栅条断裂的情况,由于多孔上电极光刻制孔的过程中首先在基片上蒸镀一层金属膜[9-10],所以金属膜在刻蚀的过程中是不会移动的,所以在模拟实验的过程中要先将多孔上电极的4个侧面使用抑制的功能fixed support抑制住,然后在内壁面上施加载荷,施加的力的大小根据文献[11]研究上电极制造技术中光刻所含有的能量,通过详细的计算本文对多孔上电极的一个面施加0.052 Pa的载荷,作用时间为1 s。

激光投影式的光刻主要可以分为正性光刻以及负性光刻,曝光原理图如图3所示,光束经过光学系统聚焦然后投影到掩膜上,经过掩膜之后到达光刻胶膜实现曝光,但是光学系统会受到衍射这一物理现象的影响,因此衍射所带来的后果就是有可能会造成上电极栅条的断裂。

由于金属上电极的表面是被覆盖住的,所以在光刻的过程中上电极正表面几乎不会受力,因此对上电极的受力主要考虑的是上电极栅条之间的内壁面,而且环形多孔上电极的内壁面涉及到很多种的形态[12],半径的不同使得环形多孔上电极在光刻过程中所受到的力也不同,所以要对情况进行分类研究,

图3 光刻工艺流程图

本次模拟实验将选取两个比较具有代表性的内壁面,一个是小半径的内壁面另一个是大半径的内壁面,分别加载载荷进行计算,如此得出的受力分析会比较全面,合理,具有更强的数据说服力,而条栅形多孔上电极的内壁面受力情况只有一种,因此只需要分析一种情况即可,选择任意一个内壁面进行加载载荷操作,施加效果如图4所示。

图4 上电极加载载荷

图5 总形变图

2 结果分析

2.1 总形变

Total Deformation(总形变)是反应结构在受到载荷作用下的总的位移量,也是反应一个结构刚度的量[13],所以测试3个加载载荷之后所得到的形变量有助于直观地比较多孔上电极刚度的可靠性。

通过图5以及表2的数据可以看出,环形多孔上电极小半径的栅条所产生的形变量要比大半径栅条所产生的形变量要小,同时大半径栅条的形变量又要比条栅形上电极的栅条所产生的形变要小,说明了在形变方面,自主设计的环形多孔上电极出现栅条断裂的可能性要比条栅形多孔上电极出现断裂的可能性要小,可靠性要比条栅形多孔上电极优越。

表2 模型形变值比较 单位:m

2.2 等效塑性应变

Equivalent Elastic Strain(等效塑性应变)代表的是等效塑性应变量,等效塑性形变是用来确定材料经强化后屈服面的位置的物理量,通过计算这一参数,可以找到其塑性屈服后应变状态对应的等效应力和此时结构的空间应力状态,因此通过比较等效塑性应变可以为研究多孔上电极的可靠性提供依据。

通过图6以及表3的数据可以看出,在等效弹性形变方面,无论是从最大值还是最小值方面来比较,自主设计的环形多孔上电极的栅条所产生的应变值要明显小于条栅形多孔上电极的栅条受力之后所受到的应变值,可以得出结论,环形多孔上电极在这一方面的数据要优于当下普遍采用的条栅形多孔上电极,可靠性远远高于条栅形多孔上电极。

图6 等效塑性应变图

表3 模型等效塑性应变值比较单位:m

2.3 等效应力

Equivalent Stress(等效应力)是应力与初始屈服强度的比值,只要最大拉应变达到材料拉伸断裂时的最大应变值,则材料断裂,这一参量可以很直观的说明所建模型断裂情况,由于本文主要研究的就是多孔上电极断裂方面的可靠性,因此比较这一模型参数是可以有效反应模型可靠性的方法。

等效应力这一数据和等效弹性应变的数据有着相似之处,通过图7以及表4的数据分析得出,自主设计的环形多孔上电极小半径的栅条所受到的最大应力大约为条栅形多孔上电极的栅条所受应力的二十分之一,而环形上电极大半径的栅条所受的最大应力大约也只有条栅形的上电极的栅条所受应力的五分之一,数据充分说明,环形多孔上电极在等效应力方面拥有比条栅形多孔上电极更小的等效应力,也就是具有更高的可靠性,在光刻的过程中因过度腐蚀而断裂的可能性就会越小。

图7 等效应力图

表4 模型等效应力比较单位:Pa

3 结论

运用ANSYS建模并加以载荷分析得出的自主设计的环形多孔上电极的3组数据与条栅形多孔上电极的3组数据的比对,结果表明:

(1)如果电容式湿度传感器的上电极在光刻过程中会发生过度腐蚀的情况,自主设计的环形多孔上电极可以经受住考验;

(2)从更小的形变值,更优越的等效弹性形变值以及更低的等效应力值,可以看出环形多孔上电极具有更良好的抗断裂的可靠性;

(3)这一实验结果可以为实物的研发提供适当的数据支撑。