CN102269598A - 一种高灵敏度的电容传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高灵敏度的电容传感器及其制造方法。其中高灵敏度的电容传感器包括柔性梁、固定叉指以及与柔性梁连接的且与固定叉指配合的可动叉指，其中固定叉指和可动叉指分别都包括底部和与所述底部垂直连接的两个以上的凸起部。本发明涉及的高灵敏度的电容传感器及其制造方法，通过大大增加电容极板的等效变化面积，从而大大提高器件测量的灵敏度。

Description

一种高灵敏度的电容传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微机电(MEMS)领域的电容传感器及其制造方法，尤其涉及一种高灵敏度的电容传感器及其制造方法。

背景技术

电容式传感器是将被测的非电量变化，如位移、压力变化等，转换为电容量变化的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种前景可观的传感器。

电容式传感器的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器(见图1)。若忽略边缘效应，平板电容器的感应电容的计算方式为：

$C=\frac{\mathrm{\ϵ}\·A}{g}---\left(1\right)$

式1中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积，g为两电极之间的距离。g、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为变间距型、变面积型和变介质型三类。

其中，变间距型和变面积型电容式传感器(见图2A和图2B)的感应电容变量分别为：

$\left|\mathrm{\ΔC}\right|=\frac{\mathrm{\ϵA}}{g^2}\left|\mathrm{\Δg}\right|---\left(2\right)$

$\left|\mathrm{\ΔC}\right|=\frac{\mathrm{\ϵ}}{g}\left|\mathrm{\ΔA}\right|---\left(3\right)$

由此看出，变间距型电容的结构设计中，电容变化与位移成非线性关系(见式2)，须在小位移范围内工作以便线性化，但由于感应关系式中变量的二次方因子，获得的电容变化仍然较高。变间距结构的运动阻力一般为空气压模阻尼。

变面积型电容结构中，电容变化与位移为理想的线性关系(见式3)，可在弹簧线性区域内直接与加速度成正比。阻尼效应主要是滑膜空气阻尼，产生的阻力远小于压膜，有利于获得较高的分辨率。但传统设计中所获得相对电容变化小，限制了灵敏度的提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有变面积型电容传感器灵敏度小的缺陷，提供一种灵敏度高的电容传感器及其制造方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提出的技术方案是：

一种高灵敏度的电容传感器，其包括柔性梁、固定叉指、以及与柔性梁连接的且与固定叉指配合的可动叉指，其中固定叉指和可动叉指分别都包括底部和与所述底部垂直连接的两个以上的凸起部。

进一步的，在不同实施方式中，其中固定叉指和可动叉指的结构完全相同。

进一步的，在不同实施方式中，其中固定叉指或可动叉指上的各个凸起部的形状相同。

进一步的，在不同实施方式中，其中凸起部的横截面是方形。

进一步的，在不同实施方式中，其中凸起部的大小相同。

进一步的，在不同实施方式中，其中每两个凸起部的间隔宽度相同。

进一步的，在不同实施方式中，其中固定叉指与可动叉指相互错位排列，即固定叉指的凸起部与可动叉指的凸起部部分重叠。

进一步的，在不同实施方式中，其中固定叉指包括第一固定叉指和第二固定叉指，所述第一固定叉指和第二固定叉指分别与可动叉指配合形成差分电容。

进一步的，在不同实施方式中，其中第一固定叉指和第二固定叉指分别有两组。

进一步的，本发明涉及的又一个方面，提供了一种制造本发明涉及的高灵敏度的电容传感器的方法，其包括有以下步骤：

先用掩模将固定叉指和可动叉指的区域覆盖；

然后通过深槽刻蚀工艺将传感器的器件层上结构释放区刻蚀到一定深度；

再将固定叉指和可动叉指的区域中需要被刻蚀区域(即相邻凸起部的间隔部分)的刻蚀窗口打开；

最后进一步通过深槽刻蚀工艺将结构释放区刻穿，将凸起部的间隔部分刻蚀到一定深度，即保留底部一定的高度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明涉及的高灵敏度的电容传感器及其制造方法，将固定叉指和可动叉指加工成包含底部和与底部垂直连接的两个以上的凸起部的类似梳齿的结构，大大增加电容极板的等效变化面积，从而大大提高器件测量的灵敏度。

附图说明

图1是现有技术中的平板电容结构示意图；

图2A是现有技术中变间距型电容式传感器的结构示意图；

图2B是现有技术中变面积型电容式传感器的结构示意图；

图3是本发明涉及的高灵敏度的电容式传感器的一种具体实施方式的结构示意图；

图4是图3中的一对固定叉指和活动叉指的放大立体图。

图5是图4所示电容极板发生位移时的示意图；和

图6是本发明涉及的制造高灵敏度的电容式传感器的方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

请参阅图3，本发明涉及的一种高灵敏度的电容传感器，其包括柔性梁1、固定叉指3，4、以及与柔性梁1连接的可动叉指5。图3中黑色部分为硅片上的固定结构，固定结构包括第一固定叉指3和第二固定叉指4；灰色部分为底部悬空的可动结构，可动结构包括柔性梁1和可动叉指5。在本实施例中，第一固定叉指3和第二固定叉指4各有两组，四组固定叉指通过锚点2连接在一起，而对应于固定叉指3，4，可动叉指5也有四组。第一固定叉指3和第二固定叉指4分别与可动叉指5构成平行板电容C₁，C₂，二者形成差分电容输出。

其中固定叉指3，4和可动叉指5分别被加工成梳齿状，由此加大电容极板的等效变化面积。在本实施例中，固定叉指3，4和可动叉指5的结构完全相同，都包括沿x轴方向的底部61和与底部61垂直的凸起部62，如图4所示。并且在本实施例中，沿y轴延伸的凸起部62的形状都是相同的，都为方形，且凸起部62的大小也相同，具体而言，凸起部62的高度、宽度都是相同的。另外，每两个凸起部62的间隔宽度也相同。图3中斜线部分表示的就是梳齿状电容极板凹下去的部分，即图4所示的间隔部分63。固定叉指3，4与可动叉指5相互错位排列，即固定叉指的凸起部与可动叉指的凸起部部分重叠。

当受到x轴方向的敏感外力作用时，柔性梁1在x轴方向上发生形变，带动可动叉指5移动，可动叉指5相对于固定叉指3，4在x轴方向上发生位移Δx，致使可动叉指5与固定叉指3，4之间的面积发生变化ΔA，从而使得C₁，C₂的差值发生变化，由此测量出器件感受到的敏感外力大小，如图5所示。

ΔA＝n·h·Δx

其中，n为凸起部个数，h为凸起部高度，Δx为敏感外力引起的x方向位移。

从上式不难看出，相比于传统设计，本发明涉及的高度方向上成梳齿形状的电容传感器，由于电容极板等效变化面积增大n倍，导致电容变化率增大n倍，在相同位移情况下测量的灵敏度可提高n倍。

另一方面，请参阅图6所示，本发明还涉及一种高灵敏度的电容传感器的制造方法，其包括有以下步骤：

先用掩模8将固定叉指3，4和可动叉指5的区域覆盖；

然后通过深槽刻蚀工艺将传感器的器件层上的结构释放区7刻蚀到一定深度；

再将固定叉指3，4和可动叉指5的区域中需要被刻蚀区域的刻蚀窗口打开，即形成相邻凸起部62的间隔部分63；

最后进一步通过深槽刻蚀工艺将结构释放区7刻穿，将间隔部分63刻蚀到一定深度，即保留底部61一定的高度，以保证梳齿结构的机械支撑以及电连通。

在不同实施方式中，固定叉指和可动叉指的结构可以不同，固定叉指或可动叉指上的各个凸起部的形状、大小也可以不同，每两个凸起部的间隔宽度也可以不同。第一固定叉指和第二固定叉指的组数以及与其配合的可动叉指的组数不限于上述实施例。

综上所述，本发明涉及的高灵敏度的电容传感器及其制造方法，将固定叉指和可动叉指加工成包含底部和与底部垂直连接的两个以上的凸起部的类似于梳齿形状的结构，有效增大电容极板的等效变化面积，致使电容变化率增大，从而大大提高器件测量的灵敏度。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高灵敏度的电容传感器，其包括柔性梁、固定叉指以及与柔性梁连接的且与固定叉指配合的可动叉指，其特征在于：所述固定叉指和可动叉指分别都包括底部和与所述底部垂直连接的两个以上的凸起部。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度的电容传感器，其特征在于：所述固定叉指和可动叉指的结构完全相同。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度的电容传感器，其特征在于：所述固定叉指或可动叉指上的各个凸起部的形状相同。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度的电容传感器，其特征在于：所述凸起部的横截面是方形。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度的电容传感器，其特征在于：所述凸起部的大小相同。

6.根据权利要求1所述的高灵敏度的电容传感器，其特征在于：所述每两个凸起部的间隔宽度相同。

7.根据权利要求1所述的高灵敏度的电容传感器，其特征在于：所述固定叉指与可动叉指相互错位排列，即所述固定叉指的凸起部与可动叉指的凸起部部分重叠。

8.根据权利要求1所述的高灵敏度的电容传感器，其特征在于：所述固定叉指包括第一固定叉指和第二固定叉指，所述第一固定叉指和第二固定叉指分别与可动叉指配合形成差分电容。

9.根据权利要求8所述的高灵敏度的电容传感器，其特征在于：所述第一固定叉指和第二固定叉指分别有两组。

10.一种制造权利要求1所述的高灵敏度的电容传感器的方法，其特征在于：其包括有以下步骤：

先用掩模将固定叉指和可动叉指的区域覆盖；

然后通过深槽刻蚀工艺将传感器的器件层上结构释放区刻蚀到一定深度；

再将固定叉指和可动叉指的区域中相邻凸起部的间隔部分的刻蚀窗口打开；

最后进一步通过深槽刻蚀工艺将结构释放区刻穿，将凸起部的间隔部分刻蚀到一定深度，即保留底部一定的高度。

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