CN103471740B - 一种电容式温度传感器 - Google Patents

Abstract

一种电容式温度传感器，该传感器包括衬底（1）、感温介质（2）、钝化层（3）、中间叉指电极（1-3）、边叉指电极（1-2）构成的检测电容；所述的检测电容具有高深宽比的叉指结构，其中，衬底（1）位于检测电容的底部，起基座作用，中间叉指电极（1-3）与衬底之间设有感温介质（2），边叉指电极（1-2）处于所述检测电容的外部的四周，在中间叉指电极（1-3）的周边、边叉指电极（1-2）的内表面上表面设有钝化层（3）；感温介质（2）处于中间叉指电极（1-3）之间、边叉指电极（1-2）与中间叉指电极（1-3）之间、以及中间叉指电极（1-3）与衬底（1）之间的空腔（4）之中。该电容式温度传感器具有灵敏度高，结构简单，加工方便，感温结构新颖等优点。

Description

一种电容式温度传感器

技术领域

本发明涉及一种基于体硅工艺的MEMS（微电子机械系统）电容式温度传感器，尤其是一种利用感温介质体积和感温介质介电常数的双重变化感测温度的新型叉指结构电容式温度传感器。

背景技术

温度传感器是最早开发，应用广泛的一类传感器。从17世纪初人们就已经开始对温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。随着MEMS技术的发展，一些采用MEMS技术的微温度传感器也不断被提出。

温度传感器的种类繁多，其中多种传统温度传感器难与IC工艺兼容。无论是电阻式温度传感器还是基于硅基集成温度传感器，其自加热效应常会影响测量精度。通常常规温度传感器的原理可移植到MEMS领域，已出现的MEMS温度传感器与传统传感器相比，具有体积小、重量轻的特点。而电容式传感器具有灵敏度高、动态响应时间短、热损耗极小等特点。现存的较常见的电容式温度传感器是基于双金属效应的双层悬臂梁结构的电容式温度传感器，这种温度传感器输出电容与温度之间的非线性比较大。加工工艺比较复杂，不但需要表面释放工艺，更需要硅与玻璃的键合工艺，传感器的成本较高。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中电容式传感器输出电容与温度之间的非线性比较大。加工工艺比较复杂，不但需要表面释放工艺，更需要硅与玻璃的键合工艺，传感器的成本较高的问题，提出一种结构简单，敏感电容大的新型电容式温度传感器。它具有灵敏度高，响应较快，结构简单等优点。

技术方案：本发明的电容式温度传感器包括衬底、感温介质、钝化层、中间叉指电极、边叉指电极构成的检测电容；所述的检测电容具有高深宽比的叉指结构，其中，衬底位于检测电容的底部，起基座作用，中间叉指电极与衬底之间设有感温介质，边叉指电极处于所述检测电容的外部的四周，在中间叉指电极的周边、边叉指电极的内表面上表面设有钝化层；感温介质处于中间叉指电极之间、边叉指电极与中间叉指电极之间、以及中间叉指电极与衬底之间的空腔之中。

所述感温介质为体膨胀系数大且介电常数随温度变化大的液体介质。

所述钝化层为二氧化硅。所述中间叉指电极、边叉指电极之间的电容等效为以空气为介质的电容和以感温介质为介质的电容，两个电容的并联。所述衬底为玻璃。

本发明的一种电容式温度传感器，其工作原理为：当温度发生变化时，感温介质的体积会发生变化，因此在两个检测电极之间的感温介质体积会发生变化，且其介电常数也会随温度发生变化，进而引起检测电容值发生变化，从而实现温度测量功能。

叉指电极之间的电容等效为以空气为介质的电容和以感温介质为介质的电容，两个电容的并联。

有益效果：作为对本发明所述技术方案的一种改进，叉指电极为体硅工艺加工的具有高深宽比的叉指结构。综合其材料的加工成本、制作工艺的实现方式以及敏感电容的大小来说，体加工工艺加工的叉指电极具有成本低、制作工艺简单、敏感电容大的优点。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，衬底使用玻璃材质，通过键合工艺与低阻硅形成结构。综合所选材料的成本，制作工艺以及材料性能来说，选用玻璃衬底可以减少寄生电容，硅-玻璃键合工艺成熟的优点。

作为对本发明所述技术方案的一种改进，叉指结构与玻璃衬底之间有较大体积的液体腔。

附图说明

图1是本发明的俯视图。

图2是本发明的截面图。

图中有：衬底1，边叉指电极1-2，中间叉指电极1-3，空气间隙1-4，感温介质2，钝化层3，空腔4。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明优选实施例如下：

如图2所示，本实施例所述电容式温度传感器包括呈叉指结构的检测电容，该检测电容由覆盖有钝化层的边叉指电极1-2、覆盖有钝化层的中间叉指电极1-3，感温介质2处于边叉指电极1-2与中间叉指电极1-3以及电极与衬底1之间的空腔4之中。

在本实施例中，衬底1选用玻璃衬底，感温介质2为不易挥发的硅油，钝化层3为二氧化硅，边叉指电极1-2、中间叉指电极1-3都为低阻硅。

如图2所示，本实施例所述电容式温度传感器的制作过程如下：首先，选用低阻硅作为初始材料，对其背面进行光刻工艺和湿法腐蚀工艺，形成背面的空气腔2；进行硅片和玻璃衬底1键合，形成带有底座的空腔结构；对硅片正面进行光刻和深反应离子刻蚀工艺，形成具有高深宽比的叉指电容结构，即形成边叉指电极1-2、中间叉指电极1-3；对整个结构进行氧化处理，形成钝化层3；最后注入感温介质2即可。

在本实施例中，正负电极、钝化层以及感温介质层构成叉指结构状的检测电容，当温度发生变化时，感温介质会随温度变化而体积发生变化，引起电容之间的介质组成发生改变，进而引起电容大小发生变化。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种电容式温度传感器，其特征在于，该传感器包括衬底(1)、感温介质(2)、钝化层(3)、中间叉指电极(1-3)、边叉指电极(1-2)构成的检测电容；所述的检测电容具有高深宽比的叉指结构，其中，衬底(1)位于检测电容的底部，起基座作用，中间叉指电极(1-3)与衬底之间设有感温介质(2)，边叉指电极(1-2)处于所述检测电容的外部的四周，在中间叉指电极(1-3)的周边、边叉指电极(1-2)的内表面上表面设有钝化层(3)；感温介质(2)处于中间叉指电极(1-3)之间、边叉指电极(1-2)与中间叉指电极(1-3)之间、以及中间叉指电极(1-3)与衬底(1)之间的空腔(4)之中；

所述中间叉指电极(1-3)、边叉指电极(1-2)之间的电容等效为以空气为介质的电容和以感温介质为介质的电容，两个电容并联；所述感温介质(2)为不易挥发的硅油。

2.根据权利要求1所述的一种电容式温度传感器，其特征在于，所述钝化层(3)为二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的一种电容式温度传感器，其特征在于，所述衬底(1)为玻璃。