CN103424208B - 一种高灵敏度电容式微机械温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高灵敏度电容式微机械温度传感器，包括半导体衬底、梳齿状多层膜悬臂梁结构和绝缘介质层。梳齿状多层膜悬臂梁结构由半导体薄膜、绝缘介质膜和金属膜组成，梳齿状多层膜悬臂梁结构的可动端高于固定端呈上翘形状，其金属膜通过引线键合区引出，半导体薄膜通过引线键合区引出。本发明的温度传感器结构中的金属膜与半导体薄膜形成平行平板电容，金属膜与衬底形成了梳齿电容。平行平板电容加上金属膜与梳齿电容组成本发明温度传感器的温度敏感电容，因此较传统电容式微机械温度传感器的温度敏感电容大，故传感器的灵敏度高。同时由于电容不存在直流功耗，且电容测量时只需要使用交流小信号，因此传感器功耗极低、且没有自加热效应。

Description

一种高灵敏度电容式微机械温度传感器

技术领域

本发明涉及一种微机械温度传感器，特别设计一种高灵敏度电容式微机械温度传感器。

背景技术

由于温度和人们的日常生活紧密相关，因此人们很早就开始了对于温度的测量和温度传感器的开发。目前已有的温度传感器的种类繁多，测温原理各不相同，凡是有温度效应的物理或化学过程都可以用作温度传感器的测温原理。纵观温度传感器的发展历程，温度传感器大致是从传统的分立式温度传感器朝着智能化的集成式温度传感器方向发展。传统的温度传感器有着各自不可替代的优点，不过其体积大、一致性差等问题还是制约了其在便携式设备和微型电子产品中的应用。而半导体集成温度传感器则具有体积小、热容小和响应快等传统分立温度传感器不具备的优势。

由于半导体加工技术的进步，许多传统的分立式温度计的测温原理都可以移植到半导体集成温度传感器上。常见的半导体集成温度传感器有铂电阻式、热敏电阻式、热电偶式、PN结式等等。随着MEMS(微机电系统)技术的出现，又发展出了压阻式、谐振式、多晶硅微桥式和双金属悬臂梁式等等MEMS温度传感器。目前已有的集成温度传感器大都是以电阻或电流作为敏感输出，这些传感器的最大缺点就是功耗较大，并且其自加热效应会对温度测量照成影响。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提供一种高灵敏度电容式微机械温度传感器，可以提高电容式微机械温度传感器的灵敏度。

技术方案：一种高灵敏度电容式微机械温度传感器，包括半导体衬底、多层膜悬臂梁结构、设置在所述半导体衬底表面的绝缘介质层、第一引线键合区、第二引线键合区；所述多层膜悬臂梁结构由从下至上依次设置的半导体薄膜、绝缘介质膜和金属膜组成；所述多层膜悬臂梁结构的一端与所述半导体衬底连接形成固定端，所述多层膜悬臂梁结构的另一端悬空设置形成可动端，所述可动端高于所述固定端呈上翘形状，且所述多层膜悬臂梁在水平方向上与所述半导体衬底之间形成间隙；所述多层膜悬臂梁结构固定端侧的金属膜的上表面低于所述衬底硅的上表面，所述可动端侧的金属膜的下表面高于所述衬底硅的上表面；所述第一引线键合区与所述金属膜连接，所述第二引线键合区与所述半导体薄膜连接。

作为本发明的改进，所述多层膜悬臂梁结构成梳齿状排布，所述梳齿状多层膜悬臂梁结构与所述半导体衬底形成梳齿电容。

作为本发明的优选方案，所述半导体衬底为硅衬底或砷化镓衬底。

作为本发明的优选方案，所述半导体薄膜为硅膜或砷化镓膜。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的温度传感器结构形成了平行平板电容和梳齿电容，平行平板电容由金属膜与半导体薄膜形成，梳齿状多层膜悬臂梁结构的可动端上翘且在水平方向上与半导体衬底之间形成细小间隙，使金属膜与衬底形成了梳齿电容。本发明温度传感器的温度敏感电容由平行平板电容加上金属膜与梳齿电容组成，温度的变化将导致平行平板电容和梳齿电容同时同向(同增或同减)变化，因此较传统电容式微机械温度传感器的温度敏感电容大，故传感器的灵敏度高。

2.本发明的温度传感器采用电容作为敏感元件进行温度测量，由于电容不存在直流功耗，且电容测量时只需要使用交流小信号，因此传感器功耗极低、且没有自加热效应。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明结构沿A-A’的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1、图2所示，一种高灵敏度电容式微机械温度传感器，包括半导体衬底1、多层膜悬臂梁结构2、设置在所述半导体衬底1表面的绝缘介质层3、第一引线键合区4、第二引线键合区5。多层膜悬臂梁结构2由从下至上依次设置的半导体薄膜23、绝缘介质膜22和金属膜21组成，该绝缘介质膜22可以为二氧化硅。多层膜悬臂梁结构2的一端与半导体衬底1连接形成固定端24，多层膜悬臂梁结构2的另一端悬空设置形成可动端25，可动端25高于固定端24，且呈上翘形状。多层膜悬臂梁2在水平方向上与半导体衬底1之间形成窄小间隙。多层膜悬臂梁结构2固定端24侧的金属膜21的上表面低于衬底硅1的上表面，可动端25侧的金属膜21的下表面高于衬底硅1的上表面。第一引线键合区4与金属膜21连接，第二引线键合区5与半导体薄膜23连接。

其中，多层膜悬臂梁结构2成梳齿状排布，梳齿状多层膜悬臂梁结构2与半导体衬底1形成梳齿电容，梳齿状多层膜悬臂梁结构2上的金属膜21与半导体薄膜23形成平行平板电容。半导体衬底1为四边形结构，该衬底中部为与各个多层膜悬臂梁交叉契合的梳齿状结构半导体衬底。半导体衬底1可以为硅衬底或砷化镓衬底。半导体薄膜23可以为硅膜或砷化镓膜。

本发明的电容式微机械温度传感器可采用以下工艺制备：

a：在硅片正面刻蚀浅槽，在硅片背面刻蚀深槽；

b：在硅片正面生长介质层并刻蚀图形；

c：在硅片正面淀积金属层并刻蚀图形；

d：刻蚀硅片正面，释放结构。

采用砷化镓做衬底时，工艺步骤与采用硅衬底类似。

本发明的电容式微机械温度传感器工作原理如下：由于金属膜21和半导体薄膜23的热膨胀系数不同，当环境温度发生变化时，金属膜21和半导体薄膜23间的热失配将导致梳齿状多层膜悬臂梁结构发生纵向偏转，使得金属膜与衬底之间的梳齿电容发生变化，同时由于梳齿状多层膜悬臂梁结构的偏转产生的应力将使金属膜与半导体薄膜之间的电介质的介电常数变化从而使得平行平板电容变化。由于采用了梳齿状多层膜悬臂梁结构的上翘设计，以上两种电容变化极性相同，即同增或同减。

本发明的电容式微机械温度传感器工作过程：当环境温度升高时，由于金属膜21的热膨胀系数大于半导体薄膜23，其产生的热应力将导致梳齿状多层膜悬臂梁结构向下偏转，从而导致金属膜21与衬底1之间的梳齿电容增大，同时由于梳齿状多层膜悬臂梁结构向下偏转产生的压应力将使金属膜21与半导体薄膜23之间的电介质的介电常数增大从而导致平行平板电容增大，即总的温度敏感电容将增大；当环境温度降低时，由于金属膜21的热膨胀系数大于半导体薄膜23，其产生的热应力将导致梳齿状多层膜悬臂梁结构向上偏转，从而导致金属膜21与衬底1之间的梳齿电容减小，同时由于梳齿状多层膜悬臂梁结构向上偏转产生的拉应力将使金属膜21与半导体薄膜23之间的电介质的介电常数减小从而导致平行平板电容减小，即总的温度敏感电容将减小。

在使用本发明的电容式微机械温度传感器前，首先使用标准设备对温度传感器进行标定，建立温度值与电容值之间的对应关系。测量时，对温度传感器输出电容值进行监测，对照标定值，即可得到待测的温度值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高灵敏度电容式微机械温度传感器，其特征在于：包括半导体衬底(1)、多层膜悬臂梁结构(2)、设置在所述半导体衬底(1)表面的绝缘介质层(3)、第一引线键合区(4)、第二引线键合区(5)；所述多层膜悬臂梁结构(2)由从下至上依次设置的半导体薄膜(23)、绝缘介质膜(22)和金属膜(21)组成；所述多层膜悬臂梁结构(2)的一端与所述半导体衬底(1)连接形成固定端(24)，所述多层膜悬臂梁结构(2)的另一端悬空设置形成可动端(25)，所述可动端(25)高于所述固定端(24)呈上翘形状，且所述多层膜悬臂梁结构(2)在水平方向上与所述半导体衬底(1)之间形成间隙；所述多层膜悬臂梁结构(2)固定端(24)侧的金属膜(21)的上表面低于所述衬底硅(1)的上表面，所述可动端(25)侧的金属膜(21)的下表面高于所述衬底硅(1)的上表面；所述第一引线键合区(4)与所述金属膜(21)连接，所述第二引线键合区(5)与所述半导体薄膜(23)连接。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电容式微机械温度传感器，其特征在于：所述多层膜悬臂梁结构(2)成梳齿状排布，所述梳齿状多层膜悬臂梁结构(2)与所述半导体衬底(1)形成梳齿电容。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电容式微机械温度传感器，其特征在于：所述半导体衬底(1)为硅衬底或砷化镓衬底。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电容式微机械温度传感器，其特征在于：所述半导体薄膜(23)为硅膜或砷化镓膜。