CN102654426A

CN102654426A - 硅电容压力传感器

Info

Publication number: CN102654426A
Application number: CN2012101447422A
Authority: CN
Inventors: 张治国; 李颖; 张娜; 周磊; 刘剑
Original assignee: Shenyang Academy of Instrumentation Science Co Ltd
Current assignee: Shenyang Academy of Instrumentation Science Co Ltd
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2012-09-05

Abstract

一种硅电容压力传感器，它包括有硅片层和玻璃层，其技术要点是：在岛膜结构的硅中心可动极板上下两侧分别连接有一硅固定极板，所述的硅固定极板包括采用真空静电封接的硅片层和玻璃层，该玻璃层的厚度为50-200微米；所述硅固定极板的中部设有中心引压孔，在中心引压孔内及靠近中心引压孔的硅固定极板的外表面设置有铝膜层。本发明针对现有硅电容传感器的核心部件，提出了一种新的设计实现方案。即使用静电封接工艺通过薄层玻璃把硅极板连接起来，不需要高温键合炉、超净环境，工艺条件简单，与现有的工艺直接相容，特别是可以调整玻璃薄层的厚度，控制层间寄生电容在一定范围内。本方案实现的硅电容传感器性能实现了近似硅-硅-硅方案的效果。

Description

硅电容压力传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体地说是一种利用单晶硅材料，利用微电子和微机械加工融合技术制作的硅电容压力传感器。

背景技术

硅电容差压传感器是一种新型的结构型差压传感器，其核心敏感器件采用单晶硅材料，利用微电子和微机械加工融合技术制作，由于硅材料弹性体的材料的自身优势，使硅电容传感器与以往的金属电容传感器相比，在测量精度、稳定性等方面都具有更加明显的优势。硅电容传感器的核心敏感器件把外加的两个压力信号转换为相应的电容变化，检测电路则把电容的变化转换为需要的电信号，对该电信号进行处理就可以得到响应的输出信号。作为智能压力变送器的核心压力检测部件，可以在工业现场中压力、流量、液位等多个测量中得到应用。

对于差压测量传感器来说，在理想情况下其输出与外加压力差敏感，要求对单侧的压力值不敏感，即差压传感器的静压影响应该很小。但实际情况中，许多因素都会造成差压传感器的输出信号受到静压的影响，这种静压（正负腔压力相同）影响对传感器的差压测量结果造成一种附加误差，直接影响传感器的综合测量精度。为了提高差压传感器的综合精度，有必要降低差压传感器的静压影响。

目前硅电容压力传感器核心部件是由玻璃-硅-玻璃形成的差动电容结构实现，在不考虑外部封装结构的情况下，由于玻璃和硅为异种材料，其特性存在差异，导致最终形成的检测部件的特性受到温度、静压的影响，导致传感器的输出信号具有比较大的温度漂移和静压误差。特别是对于微小量程的传感器，该类影响更大。如对于6kpa量程传感器，温度漂移0.1%FS/℃，静压误差达到10%FS，难于满足高精度测量的要求。

为减小硅电容传感器的静压误差，在其核心部件设计方面可以考虑采用硅-硅-硅结构实现，即采用硅材料代替玻璃材料制作电容极板，即电容压力敏感器件中心极板和固定极板都采用硅材料为基底材料，相关的技术即是通常硅硅键合。避免了两种材料的特性的差异对传感器特性带来的各类影响。一般来说保证硅硅键合达到良好的效果需要良好的键合条件：首先是温度，由于两硅片的键合最终是靠加热来实现的，因此，温度在键合过程中起着关键的作用，硅硅键合需要的温度一般要求800℃以上。其次是硅片表面的平整度。抛光硅片或热氧化硅片表面总有一定的起伏和表面粗糙度。若表面粗糙度很大，键合后就会使界面产生孔洞，从而造成键合面不完全。最后，就是表面的清洁度。如果键合工艺不是在超净环境中进行的，则硅片表面就会有一些尘埃颗粒，会造成键合面出现空洞。室温下贴合时陷入界面的气体也会引起孔洞。另外，硅硅键合工艺如果直接用于电容传感器的制作，由于硅硅之间需电隔离，一般是通过二氧化硅绝缘膜层键合，将在硅极板间产生很大的寄生电容，对正常传感器的电容信号产生干扰，对提高电容传感器的测量精度极为不利。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用单晶硅材料，利用微电子和微机械加工融合技术制作的硅电容压力传感器。

本发明的目的是这样实现的：它包括有硅片层和玻璃层，其特征是：在岛膜结构的硅中心可动极板上下两侧分别连接有一硅固定极板，所述的硅固定极板包括采用静电封接的硅片层和玻璃层，该玻璃层的厚度为50-200微米；所述硅固定极板的中部设有中心引压孔，在中心引压孔内及靠近中心引压孔的硅固定极板的外表面设置有铝膜层。

本发明目的还包括：硅电容压力传感器的加工方法，它包括有硅固定极板，硅中心可动极板，其特征是：所述硅固定极板加工方法为：先将双面抛光的硅片层和玻璃层进行静电封接，然后采用超声机械开中心引压孔，再对玻璃层进行减薄磨抛使其厚度为50-200微米，然后，再经双面溅射铝膜、光刻、腐蚀加工工艺而成为硅固定极板；所述硅中心可动极板加工方法为：先将硅片层经氧化、光刻、腐蚀加工工艺制作成中心岛，然后再次氧化、光刻、腐蚀工艺制作成硅敏感膜片，实现具有岛膜结构的硅中心可动极板制作；将上述硅中心可动极板的上下两侧分别连接有一硅固定极板，并采用静电封接工艺通过薄层玻璃把硅极板连接起来，组成了具有“硅-玻璃-硅-玻璃-硅” 五层敏感芯体核心结构的电容压力传感器。

如上所述的双面抛光的硅片层和玻璃层进行静电封接为真空静电封接。

本发明所述玻璃层的优化厚度为100±10微米，在该厚度范围内，其测量精度更高，更适用于尖端技术领域。

本发明具有如下优点：

本发明针对现有硅电容传感器的核心部件，提出了一种新的设计实现方案。即使用静电封接工艺通过薄层玻璃把硅极板连接起来，不需要高温键合炉、超净环境，工艺条件简单，与现有的工艺直接相容，特别是可以调整玻璃薄层的厚度，控制层间寄生电容在一定范围内。本发明的技术方案实现的硅电容传感器性能实现了近似硅-硅-硅方案的效果。

发明的方案中，上下硅-玻璃极板，上层硅极板厚度为1～1.5毫米，玻璃层50微米～200微米，中心极板厚度0.4毫米，硅材料为100晶面，边缘沿110晶向。玻璃和硅材料表面通过抛光工艺达到静电封接的要求。

本发明的硅电容压力传感器，核心部件采用硅-硅-硅结构实现，采用硅材料代替玻璃材料，制作电容固定极板，即电容压力敏感器件中心极板和固定极板都采用硅材料为基底材料制作，避免了两种材料的特性的差异对传感器特性带来的各类影响，有效地减小静压误差，降低传感器的温漂。

本发明还具有结构合理、安全可靠、应用范围宽、测量精度高等优点。

附图说明

图1是本发明硅电容敏感器的结构示意简图；

图2是本发明固定极板加工工艺流程简图；

图3是本发明硅中心极板加工工艺流程简图；

图4是本发明电容传感器静压分析曲线图；

图5是本发明使用状态的芯体结构图；

图6是本发明的硅电容传感器产品结构简图。

附图主要部分的符号说明

1：硅上极板；2：玻璃连接层；3：硅中心可动极板；4：玻璃连接层；5：硅下极板；6：下电极；7：上电极；8：引压孔；9：导压管组件；10：传感器连接脖；11：传感器本体。

下面将结合附图通过实例对本发明作进一步详细说明，但下述的实例仅仅是本发明其中的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

实例1

如图1～图6所示，在岛膜结构的硅中心可动极板3的上下两侧分别连接有一硅固定极板，所述的上硅固定极板包括采用静电封接的硅上极板1和玻璃连接层2，下硅固定极板包括采用静电封接的硅下极板5和玻璃连接层4；所述硅固定极板的中部设有中心引压孔8，在中心引压孔内及靠近中心引压孔上部及下部的硅固定极板的外表面设置有铝膜下电极6及铝膜上电极7；从而依上至下组成了具有“硅-玻璃-硅-玻璃-硅” 五层敏感芯体核心结构的电容压力传感器。

本发明的新型硅电容压力传感器核心敏感器件采用MEMS加工工艺制作，制作流程包括固定极板的制作、中心可动极板的制作、敏感器件的制作三个主要的组成部分。固定极板的制作如图2所示，将双面抛光，表面状态达到静电封接技术要求的硅片和玻璃进行真空静电封接，然后采用超声机械打孔技术制作中心导气孔，再对其上的玻璃层进行减薄磨抛，其特征是玻璃薄层厚度的控制，其厚度值直接影响静压误差的大小，依据理论计算控制在100±10微米，此外玻璃薄层的平整度和光洁度应满足静电封接技术要求。之后，通过双面溅射铝膜、光刻、腐蚀等工艺实现硅固定极板制作。中心可动极板的制作如图3所示，首先将硅片氧化，采用光刻、腐蚀工艺制作中心岛，再次氧化，采用光刻、腐蚀工艺制作硅敏感膜片，实现岛膜结构的硅中心可动极板制作。敏感器件的制作如图1所示，采用静电封接工艺通过薄层玻璃把硅极板连接起来，组成“硅-玻璃-硅-玻璃-硅”电容压力传感器五层敏感芯体核心结构。其中上层硅极板厚度为1.5毫米，其上的薄层玻璃厚度为100微米，中心极板厚度0.4毫米，下层硅极板厚度为1.5毫米，其上的薄层玻璃厚度为100微米，硅材料为100晶面，边缘沿110晶向，玻璃材料为7740#硼硅玻璃。静电封接时将硅片和带有薄层玻璃的上下硅极板通过双面同时静电封接工艺封装成五层密封芯体结构，封接条件和薄层玻璃厚度对传感器静压误差的影响特性详见下表。

表1：双面同时静电封接工艺条件

Figure 2012101447422100002DEST_PATH_IMAGE002

表2、薄层玻璃厚度对静压误差的影响特性

上层硅极板厚度	下层硅极板厚度	硅中心极板厚度	薄层玻璃厚度	静压误差
					1.5mm	1.5mm	0.4mm	50微米	0.025%
1.5mm	1.5mm	0.4mm	100微米	0.075%
					1.5mm	1.5mm	0.4mm	150微米	0.125%
1.5mm	1.5mm	0.4mm	200微米	0.4%

从上表可以看出，通过玻璃夹层进行三层硅的双面同时静电封接，其封接温度、封接电压、封接时间是要满足特定的条件才能实现的，改变三要素中的任何一个要素到某一极限值以外，如封接温度低于400℃或封接电压低于600V或封接时间小于5min都会造成封接不全。

薄层玻璃的厚度对静压误差的大小起决定性作用，通过ansys软件分析技术得到薄层玻璃厚度对静压误差影响趋势曲线，见图4；据此选定合适的玻璃薄层的厚度，有效地控制静压误差，提升电容传感器的精度。

图5所示的结构为下部安装了导压管组件9的本发明使用状态的芯体结构图；图6是本发明的硅电容传感器产品结构简图，其中，图中的10为传感器连接脖，11为传感器本体。

Claims

1.一种硅电容压力传感器，它包括有硅片层和玻璃层，其特征是：在岛膜结构的硅中心可动极板上下两侧分别连接有一硅固定极板，所述的硅固定极板包括采用静电封接的硅片层和玻璃层，该玻璃层的厚度为50-200微米；所述硅固定极板的中部设有中心引压孔，在中心引压孔内及靠近中心引压孔的硅固定极板的外表面设置有铝膜层。

2.根据权利要求1所述的硅电容压力传感器，其特征是：所述的传感器依上至下组成了具有“硅-玻璃-硅-玻璃-硅” 五层敏感芯体核心结构的电容压力传感器。

3.根据权利要求1所述的硅电容压力传感器，其特征是：所述玻璃层的厚度为100±10微米。

4.一种硅电容压力传感器的加工方法，它包括有硅固定极板，硅中心可动极板，其特征是：所述硅固定极板加工方法为：先将双面抛光的硅片层和玻璃层进行静电封接，然后采用超声机械开中心引压孔，再对玻璃层进行减薄磨抛使其厚度为50-200微米，然后，再经双面溅射铝膜、光刻、腐蚀加工工艺而成为硅固定极板；所述硅中心可动极板加工方法为：先将硅片层经氧化、光刻、腐蚀加工工艺制作成中心岛，然后再次氧化、光刻、腐蚀工艺制作成硅敏感膜片，实现具有岛膜结构的硅中心可动极板制作；将上述硅中心可动极板的上下两侧分别连接有一硅固定极板，并采用静电封接工艺通过薄层玻璃把硅极板连接起来，组成了具有“硅-玻璃-硅-玻璃-硅” 五层敏感芯体核心结构的电容压力传感器。

5.根据权利要求4所述的硅电容压力传感器的加工方法，其特征是：双面抛光的硅片层和玻璃层进行静电封接为真空静电封接。

6.根据权利要求4所述的硅电容压力传感器的加工方法，其特征是：所述玻璃层的厚度为100±10微米。

7.根据权利要求4所述的硅电容压力传感器的加工方法，其特征是：上下硅-玻璃极板，上层硅极板厚度为1～1.5毫米，玻璃层50微米～200微米，中心极板厚度0.4毫米，硅材料为100晶面，边缘沿110晶向。