CN103837290B - 高精度的电容式压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高精度的电容式压力传感器，其特征是：在所述上基底的下表面设置绝缘层和上极板，下基底的上表面与上极板接触；所述下基底上表面的左侧设置第一凸起部、第二凸起部和第三凸起部，下基底上表面的右侧设置第四凸起部和第五凸起部，第一凸起部和第二凸起部间形成第一空腔，第二凸起部和第三凸起部间形成第二空腔，第三凸起部和第四凸起部间形成第三空腔，第四凸起部和第五凸起部间形成第四空腔，在第一空腔、第二空腔、第三空腔和第四空腔的底部设置第一下极板、第二下极板、第三下极板和第四下极板；所述下基底为SOI基底，下基底下表面刻蚀至SOI基底的绝缘层形成压力腔。本发明能适应大量程范围内高精度的压力测量。

Description

高精度的电容式压力传感器
技术领域
本发明涉及一种电容式压力传感器，尤其是一种高精度的电容式压力传感器。
背景技术
随着MEMS技术的发展，压力传感器有了越来越广泛的市场，应用在汽车控制、医疗、环境监测等各个领域对气体、液体、蒸汽进行压力测量和控制。目前，市场主流的压力传感器有压阻式压力传感器和电容式压力传感器两种。压阻式压力传感器固有的较大的温度漂移特性，使其在温度变化范围很大的应用领域有很大的局限性。电容式压力传感器具有接近于零的温度系数，此外，它还具有高灵敏度、低功耗、较大的动态响应范围等显著优点。
压力传感器受力的极板由于与待测压力接触，裸露在器件外侧，易受周围环境影响，对其测量结果产生一些影响。
另外，现有MEMS电容式压力传感器的制造封装工艺通常较为复杂。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高精度的电容式压力传感器，该压力传感器能精确检测压力变化。
按照本发明提供的技术方案，所述高精度的电容式压力传感器，包括上基底和下基底，其特征是：在所述上基底的下表面依次设置SiO2绝缘层和上极板，下基底的上表面与上基底下表面的上极板接触；所述下基底上表面的左侧分别设置第一凸起部、第二凸起部和第三凸起部，在下基底上表面的右侧分别设置第四凸起部和第五凸起部，第一凸起部和第二凸起部之间形成第一空腔，第二凸起部和第三凸起部之间形成第二空腔，第三凸起部和第四凸起部之间形成第三空腔，第四凸起部和第五凸起部之间形成第四空腔；所述第一凸起部、第二凸起部、第三凸起部、第四凸起部和第五凸起部的上表面与上基底下表面的上极板接触；在所述第一空腔、第二空腔、第三空腔和第四空腔的底部分别设置第一下极板、第二下极板、第三下极板和第四下极板；所述下基底为SOI基底，SOI基底包括硅/绝缘层/硅三层结构，下基底的下表面刻蚀至绝缘层形成压力腔，压力腔的底部为可动膜片，压力腔位于对应第二下极板、第三下极板和第四下极板的位置。
所述第四下极板的面积为第二下极板面积的两倍，第三下极板的面积为第四下极板面积的10倍。
所述上基底为硅基底。
本发明所述高精度的电容式压力传感器是一种高精度、有多种补偿结构的MEMS电容式压力传感器，由电容极板组成；传感器包括四个电容模块，分别为：一个测量电容、两个静态参考电容和一个绝对参考电容，通过几个电容之间的比较，可以看出压力作用、外界环境等对电容变化的影响，提高了测量的精确度。本发明提出的传感器结构能适应大量程范围内高精度的压力测量，并且制作工艺简单，可实现性强。
附图说明
图1为本发明所述压力传感器的结构示意图。
图2为图1的A-A’剖视图。
图3为本发明所述压力传感器受待测压力作用后的形变示意图。
图4a～图4h为本发明所述压力传感器的制造工艺流程图，其中：
图4a为在上基底上得到SiO2绝缘层的示意图。
图4b为在上基底上得到上极板的示意图。
图4c为在下基底上得到氮化硅层的示意图。
图4d为在下基底上得到SiO2层的示意图。
图4e为在下基底上得到第一凸起部、第二凸起部、第三凸起部、第四凸起部和第五凸起部的示意图。
图4f为在下基底上溅射金属铝后的示意图。
图4g为在下基底上得到第一下极板、第二下极板、第三下极板和第四下极板的示意图。
图4h为将第一下极板、第二下极板、第三下极板和第四下极板相互独立后的示意图。
图中的序号为：上基底100、SiO2绝缘层101、上极板102、下基底200、第一凸起部201、第二凸起部202、第三凸起部203、第四凸起部204、第五凸起部205、第一空腔301、第二空腔302、第三空腔303、第四空腔304、第一下极板404、第二下极板402、第三下极板403、第四下极板404、检测电容1、第一静态参考电容2、第二静态参考电容3、绝对参考电容4、压力腔5、可动膜片6。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示：所述高精度的电容式压力传感器包括上基底100和下基底200，上基底100的下表面依次设置SiO2绝缘层101和上极板102，下基底200的上表面与上基底100下表面的上极板102接触；
如图2所示，所述下基底200上表面的左侧分别设置第一凸起部201、第二凸起部202和第三凸起部203，在下基底200上表面的右侧分别设置第四凸起部204和第五凸起部205，第一凸起部201和第二凸起部202之间形成第一空腔301，第二凸起部202和第三凸起部203之间形成第二空腔302，第三凸起部203和第四凸起部204之间形成第三空腔303，第四凸起部204和第五凸起部205之间形成第四空腔304；所述第一凸起部201、第二凸起部202、第三凸起部203、第四凸起部204和第五凸起部205的上表面与上基底100下表面的上极板102接触；在所述第一空腔301、第二空腔302、第三空腔303和第四空腔304的底部分别设置第一下极板404、第二下极板402、第三下极板403和第四下极板404；
所述第四下极板404的面积为第二下极板402面积的两倍，第三下极板402的面积为第四下极板404面积的10倍，由此来验证外界因素对电容的影响与极板面积的关系；
所述上基底100为硅基底；所述下基底200为SOI基底，SOI基底包括硅/绝缘层/硅三层结构，下基底200的下表面刻蚀至绝缘层形成压力腔5，压力腔5的底部为可动膜片6，压力腔5位于对应第二下极板402、第三下极板403和第四下极板404的位置；
所述第一下极板404、第二下极板402、第三下极板403和第四下极板404与上极板102之间存在间隙，分别形成绝对参考电容4、第一静态参考电容2、检测电容1和第二静态参考电容3；检测时，压力腔5为待测压力的接触口，压力作用在可动膜片6上，使可动膜片6发生纵向位移，受力后可使第三下极板403上移（如图3所示），减小与上极板102之间的距离，从而使电容值发生改变；第一静态参考电容2和第二静态参考电容3虽然受外界（压力腔5）压力的影响，但是其受力面积很小，受周围约束大，压力引起第一静态参考电容2和第二静态参考电容3的形变很小、可忽略，能够检测出外界各种因素对电容值的影响，例如：机械应力、热应力、介质的变化、温度、湿度等等；绝对参考电容4完全与外界调节隔离，能够提供既不受压力又不受外界环境影响的电容参考值。
所述高精度的电容式压力传感器的制作方法包括下列步骤：
（1）上基底的制造：在硅基底一表面淀积一层SiO2得到SiO2绝缘层101，如图4a所示；再在SiO2绝缘层表面溅射一层金属铝，形成上极板102，如图4b所示；
（2）下基底的制造：
a、在SOI材质的下基底200的下表面淀积一层氮化硅7（如图4c所示）；
b、在下基底200的上表面淀积一层氧化硅层8（如图4d所示）；
c、刻蚀氧化硅层8形成第一空腔301、第二空腔302、第三空腔303和第四空腔304，如图4e所示；
d、在下基底200的上表面的氧化硅层8上淀积一层金属铝，作为下极板和两基底的键合面，如图4f所示；
e、通过光刻刻蚀掉第一空腔301、第二空腔302、第三空腔303和第四空腔304侧壁上的金属铝，形成四个独立的第一下极板404、第二下极板402、第三下极板403和第四下极板404，如图4g所示；
f、在下基底200的背面进行湿法腐蚀，得到压力腔5，如图4h所示；
g、将上基底100的上极板102一侧与下基底200的上极板一侧键合，得到所述的电容式压力传感器，如图2所示。

Claims (2)

1.一种高精度的电容式压力传感器，包括上基底（100）和下基底（200），其特征是：在所述上基底（100）的下表面依次设置SiO2绝缘层（101）和上极板（102），下基底（200）的上表面与上基底（100）下表面的上极板（102）接触；所述下基底（200）上表面的左侧分别设置第一凸起部（201）、第二凸起部（202）和第三凸起部（203），在下基底（200）上表面的右侧分别设置第四凸起部（204）和第五凸起部（205），第一凸起部（201）和第二凸起部（202）之间形成第一空腔（301），第二凸起部（202）和第三凸起部（203）之间形成第二空腔（302），第三凸起部（203）和第四凸起部（204）之间形成第三空腔（303），第四凸起部（204）和第五凸起部（205）之间形成第四空腔（304）；所述第一凸起部（201）、第二凸起部（202）、第三凸起部（203）、第四凸起部（204）和第五凸起部（205）的上表面与上基底（100）下表面的上极板（102）接触；在所述第一空腔（301）、第二空腔（302）、第三空腔（303）和第四空腔（304）的底部分别设置第一下极板（404）、第二下极板（402）、第三下极板（403）和第四下极板（404）；所述下基底（200）为SOI基底，SOI基底包括硅/绝缘层/硅三层结构，下基底（200）的下表面刻蚀至绝缘层形成压力腔（5），压力腔（5）的底部为可动膜片（6），压力腔（5）位于对应第二下极板（402）、第三下极板（403）和第四下极板（404）的位置；
所述第四下极板（404）的面积为第二下极板（402）面积的两倍，第三下极板（402）的面积为第四下极板（404）面积的10倍。
2.如权利要求1所述的高精度的电容式压力传感器，其特征是：所述上基底（100）为硅基底。
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