CN103344377A - 一种微电子机械系统的电容式气压传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微电子机械系统的电容式气压传感器，包括衬底、键合层、电容下极板、电容上极板、绝缘层、加热电阻条、上电极电引出、下电极电引出和两个加热电阻条电引出，衬底的底面设有真空腔，电容下极板固定连接在键合层的上表面，且电容下极板位于真空腔中，位于真空腔顶面正上方的衬底为电容上极板，绝缘层固定连接在衬底的上表面，加热电阻条固定连接在绝缘层的上表面，两个加热电阻条电引出固定连接在衬底的上表面，且每个加热电阻条电引出和加热电阻条的一端连接；上电极电引出和下电极电引出分别位于衬底上。该气压传感器解决了测量线性度与灵敏度相互制约的技术难点，可以适用于多种不同量程气压的测量与采集。
Description
一种微电子机械系统的电容式气压传感器
技术领域
[0001] 本发明属于微电子机械系统(文中简称为:MEMS)器件技术领域，具体来说，涉及一种MEMS的电容式气压传感器。
技术背景
[0002] 探空压力传感器在工业生产、气象预报、气候分析、环境检测、航空航天等方面发挥着不可替代的作用。传统的压力传感器一般为机械式、体积比较大，不利于微型化和集成化。利用MEMS技术不仅可以解决上述缺点、还能极大的降低成本，而性能更为优良。低成本、低功耗、高性能、微型化和智能化是MEMS传感器发展的趋势。以IC(IC为集成电路的英文简称)工艺为基础，实现传感器与信号处理电路的集成则是实现该趋势的有效途径。以主流的CMOS技术实现传感器与电路的单片集成技术，称之为CMOS MEMS技术。传感器的CMOS工艺集成化是传感器研究和发展的趋势。
[0003] 对于探空气压传感器而言，针对其自身的特殊要求，具有如下难点:第一，因为需要测量从地表一直到高空的气压，所以用于气象的压力传感器要求测量量程相对于普通传感器要宽，范围大概为IO-1OOOhpa ;第二，用于气象的压力传感器对于灵敏度的要求较高；第三，对于高空作业，要求传感器可以在低温等恶劣环境下正常工作。如今基于MEMS技术得到广泛应用的压力传感器主要有压阻式和电容式两大类，压阻式压力传感器的线性度很好，但精度一般，温漂大，一致性差；电容式压力传感器与之相比，精度更高，温漂小，但线性度差且易受寄生电容的影响。所以，目前MEMS压力传感器用于气象压力测量的较少且价格
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[0004]目前，在国际上做的比较成熟的气压传感器有硅压阻(美国德鲁克公司)和硅电容(芬兰Vaisala公司)二种，最著名的也是Vaisala公司的产品，这两种技术实际上都用到了半导线IC技术，所以技术性能较高，以Vaisala公司的PTB220为例，测量范围550-1100hpa，准确度±0.3hpa。遗憾的是价格也很昂贵，单价约1000欧元。而在国内，用于探空的压力传感器尚处在研究与开发与应用的起步阶段，离大规模商业应用还有较大距离。
发明内容
[0005] 技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种MEMS电容式气压传感器，该气压传感器解决了测量线性度与灵敏度相互制约的技术难点，可以适用于多种不同量程气压的测量与采集。
[0006] 技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
一种MEMS电容式气压传感器,该气压传感器包括衬底、键合层、电容下极板、电容上极板、绝缘层、加热电阻条、上电极电引出、下电极电引出和两个加热电阻条电引出；衬底固定连接在键合层的上表面，衬底的底面设有真空腔，电容下极板固定连接在键合层的上表面，且电容下极板位于真空腔中，电容上极板为位于真空腔顶面正上方的衬底，电容上极板为可动感压薄膜，电容上极板与电容下极板相对，绝缘层固定连接在衬底的上表面，且绝缘层覆盖了电容上极板，加热电阻条固定连接在绝缘层的上表面，且加热电阻条位于电容上极板的正上方，两个加热电阻条电引出固定连接在衬底的上表面，且每个加热电阻条电引出和加热电阻条的一端连接；上电极电引出和下电极电引出分别位于衬底上，且上电极电引出与电容上极板连接，下电极电引出与电容下极板连接。
[0007] 进一步，所述的加热电阻条呈锯齿形。
[0008] 有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点:
1.可以适用于多种不同量程压力的测量与采集，在保证不同需求的气压测量范围的灵敏度前提下，极大的拓展了传感器的测量范围，使之适用于更宽泛的不同气压范围。对于一个电容式压力传感器而言，在工艺条件不变的情况下，其性能参数可以通过调节可动感压薄膜的边长，厚度与电容的间距的来实现。电容间距越大，电容的可改变量越大，可测量量程越宽，灵敏度越高，但是线性度越差。所以对于大量程的测试要求，通常需要用几个不同测量量程即不同结构尺寸的传感器协作完成，而在各自的小的量程范围内，电容的相对变化量最大，来实现灵敏度和线性度的指标达到测试要求。本发明通过控制加热电阻条的温度来控制电容上极板的初始形变量，即对同一个传感器，通过改变电容上下极板间距来实现对此传感器结构尺寸的改变，调节传感器的测量范围，进而成功的解决需要通过几个不同结构尺寸的传感器才可以实现的对大量程测试的要求，可保证不同需求的气压测量范围的灵敏度。
[0009] 2.制造成本低。本发明的电容式气压传感器可完全由IC标准工艺与MEMS后处理工艺制作完成。利用现有工艺即可完成该传感器的批量制作，制造成本低。
[0010] 3.为可重构多量程测试的传感器。本发明的电容式气压传感器中加热电阻条可根据测量量程需要加电使用，使用完毕之后撤除电源恢复可动感压薄膜自由状态。
附图说明
[0011] 图1为本发明的结构剖视图。
[0012] 图2为本发明的俯视图。
[0013] 图中有:电容上极板1、电容下极板2、绝缘层3、加热电阻条4、上电极电引出5、下电极电引出6、加热电阻条电引出7、衬底8、键合层9、真空腔10。
具体实施方式
[0014] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0015] 如图1所示，本发明的一种MEMS电容式气压传感器，包括衬底8、键合层9、电容下极板2、电容上极板1、绝缘层3、加热电阻条4、上电极电引出5、下电极电引出6和两个加热电阻条电引出7。衬底8固定连接在键合层9的上表面，衬底8的底面设有真空腔10。真空腔10由衬底8和键合层9包覆，为密闭真空腔。电容下极板2固定连接在键合层9的上表面，且电容下极板2位于真空腔10中。电容上极板I为位于真空腔10顶面正上方的衬底8。电容上极板I为可动感压薄膜。电容上极板I与电容下极板2相对。绝缘层3固定连接在衬底8的上表面，且绝缘层3覆盖了电容上极板I。加热电阻条4固定连接在绝缘层3的上表面，且加热电阻条4位于电容上极板I的正上方。两个加热电阻条电引出7固定连接在衬底8的上表面，且每个加热电阻条电引出7和加热电阻条4的一端连接。上电极电引出5和下电极电引出6分别位于衬底8上，且上电极电引出5与电容上极板I连接，下电极电引出6与电容下极板2连接。
[0016] 进一步，所述的加热电阻条4呈锯齿形。这可使加热电阻条4发热使可动感压薄膜均匀受热。
[0017] 上述结构的气压传感器的具体工作过程如下:把本发明的气压传感器放置在所需测试的环境中，先根据大致的测量范围在两个加热电阻条电引出7上加一定的电流，调节传感器中可动感压薄膜的初始位置，然后正常测试使用，根据所要测量的压力变化，使得可动感压薄膜产生形变，使得电容间距发生变化，电容变化，进而表征气压的电压输出值发生变化，从而测量到该环境的压力值。
[0018] 上述结构的电容式气压传感器采用电容式绝对压力传感器原理，其基本工作原理是:当压力变化时，可动感压薄膜弯曲，使传感器的电容上极板I和电容下极板2之间的极板间距发生变化，因而导致传感器电容值发生变化。为解决由于线性度和灵敏度两个参数相互制约，而导致对传感器测量范围的限制的技术难点，本发明的电容式气压传感器加入了可重构结构，利用加热电阻条4控制可动感压薄膜，即电容上极板I的初始位置，可保证不同需求的气压测量范围的灵敏度，极大的拓展了传感器的测量范围，使之适用于更宽泛的不同气压范围。对于一个电容式压力传感器而言，在工艺条件不变的情况下，其性能参数可以通过调节可动感压薄膜的边长，厚度与电容的间距的来实现。电容间距越大，电容的可改变量越大，可测量量程越宽，灵敏度越高，但是线性度越差。所以对于大量程的测试要求，通常需要用几个不同测量量程即不同结构尺寸的传感器协作完成，而在各自的小的量程范围内，电容的相对变化量最大，来实现灵敏度和线性度的指标达到测试要求。本发明通过控制加热电阻条4的温度来控制电容上极板I的初始形变量，即对同一个传感器，通过改变电容上下极板间距来实现对此传感器结构尺寸的改变，调节传感器的测量范围，进而成功的解决需要通过几个不同结构尺寸的传感器才可以实现的对大量程测试的要求，可保证不同需求的气压测量范围的灵敏度。
[0019] 上述结构的电容式气压传感器可完全由IC标准工艺与MEMS后处理工艺制作完成。其关键创新为在可动感压薄膜之上有加热电阻条4，通过控制加热电阻条4的温度来实现对可动感压薄膜初始形变量的控制，进而使得在不同气压量程范围内实现线性度与灵敏度的平衡，结构简单，适合大批量生产，成本低。
[0020] 基于以上MEMS电容式气压传感器结构的特点，很明显的可以看出本发明与常用MEMS电容式气压传感器相比提高了性能，结构更加简单。本发明的传感器可满足需要几个结构尺寸传感器协作而完成的灵敏度与线性度要求。本发明可完全采用IC工艺的标准流程，在不改变IC工艺次序和条件的情况下，制造出气压传感器，通过MEMS后处理工艺即可制备出该类器件，从而为利用IC标准加工线研制气压传感器探索出一条较为可行的路径。通过与IC标准工艺兼容，MEMS后处理工艺制造该电容式气压传感器，具有高重复性、低生产成本等优点，很好的满足了集成电路对器件的基本要求。因此，本发明的电容式气压传感器结构具有较好的应用价值和广阔的市场潜力。
Claims (2)
1.一种微电子机械系统的电容式气压传感器，其特征在于，该气压传感器包括衬底(8)、键合层(9)、电容下极板(2)、电容上极板(I)、绝缘层(3)、加热电阻条(4)、上电极电引出(5)、下电极电引出(6)和两个加热电阻条电引出(7)； 衬底(8)固定连接在键合层(9)的上表面，衬底(8)的底面设有真空腔(10)，电容下极板(2 )固定连接在键合层(9 )的上表面，且电容下极板(2 )位于真空腔(10 )中，电容上极板(O为位于真空腔(10)顶面正上方的衬底(8)，电容上极板(I)为可动感压薄膜，电容上极板(I)与电容下极板(2)相对，绝缘层(3)固定连接在衬底(8)的上表面，且绝缘层(3)覆盖了电容上极板(1)，加热电阻条(4)固定连接在绝缘层(3)的上表面，且加热电阻条(4)位于电容上极板(I)的正上方，加热电阻条(4 )的两个加热电阻条电引出(7 )固定连接在衬底(8)的上表面，且每个加热电阻条电引出(7)和加热电阻条(4)的一端连接；上电极电引出(5)和下电极电引出(6)分别位于衬底(8)上，且上电极电引出(5)与电容上极板(I)连接，下电极电引出(6)与电容下极板(2)连接。
2.按照权利要求1所述的微电子机械系统电容式气压传感器，其特征在于，所述的加热电阻条(4)呈锯齿形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150304 Termination date: 20210716 |