CN104502003A - 一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容式压力计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机械差分电容式压力计。该压力计的两个电容由4个电容极板组成：附于硅杯结构敏感膜片上的第一、第四极板与附于中间支撑层结构两表面的第二、第三极板。本压力计基于压力计结构中基本的硅杯结构，当压力作用于敏感膜片时，膜片变形，膜片通过中间支柱带动另一硅杯上膜片的移动，附于敏感膜片上的两极板也随之移动，改变了两个极板相对中间固定的极板之间的间距，从而使得上下两个电容的电容值发生变化，形成差动的信号输出。该压力计的制备工艺简单，可制备完全对称的差动结构，利用差动结构的优点，实现对压力的精确差动检测。

Description

一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容式压力计

技术领域

本发明涉及MEMS(微电子机械系统)差分电容式压力计技术领域。

背景技术

电容式传感器有温度系数低、功耗低、灵敏度高、结构简单、动态特性好等优点，所以电容式传感器得到了广泛的应用。然而由于电容式传感器本身的一些缺陷，如非线性，微小电容的检测易受寄生电容的影响以及环境电磁场的干扰，电容式传感器性能的进一步提升受到严峻挑战。

电容式压力传感器的测量原理为被测量量引起电容极板间距、极板间介电常数、极板对应面积等变化，从而改变电容的大小。通常以改变极板间距的测量方式为主，以平行板电容为例：

$c=\frac{\mathrm{\ϵS}}{d}---\left(1\right)$

式中，C为电容值，ε为极板间介电常数，S为两极板相互覆盖的有效面积，d为两极板间距。对于变间距型，平行板电容器的电容值随电容间距的变化而发生变化，这种结构的电容式传感器也是应用最广泛的结构。对于该类型传感器，在忽略微小因素的情况下，其输出为而对于差分式电容传感器，其输出增大一倍，同时其非线性相比单电容大大减小，且对于由于温度变化等造成的共模量有一定的抑制作用。

1995年瑞士电子与微技术中心的J.Hermann等人发明了一种基于三层硅结构的差动式电容压力计，该压力计包括可通过流体的上下极板与随上下压力差变化的中间可动极板。为了提高其工作稳定性，研究人员采用将压力计浸润在硅油当中的方法，提高了灵敏度与线性度，但是同时限制了该压力计的使用范围。该压力计的中间可动极板所在的敏感膜片采用1.5微米厚度设计，对应测量范围为5mbar，增加膜片厚度可增大测量范围。由于该三层结构采用表面带有氧化硅的熔融硅直接键合工艺，限制了其器件其他工艺的应用，如不能采用金属层减少噪声等。该器件其上下两个电容均采用开放式的结构，其电容除了随极板间距改变以外，同时受到温度、介质等外界因素的干扰，在温度从25℃到100℃的变化过程中，电容补偿达到1pF，即已经超过最大电容可变量的25％，同时具有非常大的非线性补偿特征。

2002年罗斯蒙特航天公司的Kevin C.Stark等人发明了另一种基于三层硅结构的差动式电容压力计，该压力计包括上下两可动极板与中间固定极板，其三层结构表面均有氧化硅绝缘层覆盖，采用熔融硅直接键合工艺将三层硅结构连接在一起。该压力计所用结构得到了真空电容极板间隙，使得电容几乎不受外界温度、湿度、气氛等因素的影响，同时该结构采用中间支柱连接上下两可动膜片，实现差分结构。遗憾的是，该结构由于上下膜片均为硅原片厚度，其灵敏度特性极差，只对非常大的压力敏感。同时，该结构同样无法避免键合区域电容过大问题。

2003年ABB专利的Wolfgang Schulz等人发明了一种基于硅-玻璃-硅三层结构的差分式压力计，其同样采用上下极板可动，中间极板固定的方式实现差动式压力敏感，上下两膜片由中间的支柱连接。由于该结构的真空腔在中间的玻璃层中形成，其加工工艺极其难以实现，尤其是中间支柱的制作，在微型传感器尺度几乎不可能做到，所以其只适用于大尺寸压力计的制作。同时由于玻璃本身不导电，其中间固定极板采用附于玻璃表面的金属引出时不可避免的破坏了真空腔的密封特性，或导致中间极板引出金属与上下层硅结构短路的问题。

目前，能够实现差动结构、电容间隙为真空腔以不受外界温度、湿度、气氛等影响、键合区域电容值小、差动电容严格对称等特性的差分式电容压力计成果甚少。

发明内容

本发明的目的在于提出一种工艺工艺简单、结构稳定、性能优良的差动式电容压力计，实现对于压力信号的差动式检测，利用差动结构的优点提高灵敏度与线性度，极大的减小外界环境对压力计的干扰。

本发明的一种微机械差分电容式压力计包括：感应压力的硅杯结构(其中包含敏感膜片与硅岛结构)，与敏感膜片通过绝缘支柱连接，两层硅杯之间的支撑结构，附于膜片上与支撑结构上的金属极板。

本发明的一种微机械差分电容式压力计基本结构为微机械压力计中常用的硅杯结构，硅杯结构感受外界压力变化，其膜片发生形变带动金属极板的移动。硅杯结构为在一侧采用带有补偿图形的异性腐蚀出一个空腔而形成，或采用深等离子体刻蚀技术形成，硅杯结构中的膜片为压力敏感膜片，硅岛为强制膜片在压力下以平行板方式移动；硅杯结构的另一侧预先镶嵌入玻璃，该玻璃材料为碱性硼硅酸盐，适用于阳极键合工艺，镶嵌玻璃位置为键合区域；中间支撑结构包括中间的支柱，该支柱连接上下两层硅杯结构的敏感膜片，实现两膜片在压力下发生相同的移动；中间支撑结构的四周为单晶硅，其通过阳极键合工艺与上下两层硅杯结构中镶嵌的玻璃相连接，保证了三层硅之间的电学绝缘，同时具有非常高的稳定度；在硅杯结构与中间支撑层结构中间形成真空腔，保证了上下两电容极板间介电常数不随外界温度、湿度、气氛等发生变化，抑制了杂散信号，提高了精度。

本发明的一种微机械差分电容式压力计的两个差动电容中的下电容是由硅杯结构中敏感膜片上的金属极板与中间支撑结构上的金属极板组成，上下两电容的极板初始间距相等，其形状为方形去掉中心圆形或其他形状的结构，中间去除区域用于上下敏感膜片与中间支柱的连接。

本发明的一种微机械差分电容式压力计的工作原理是当硅杯的膜片感应到压力时，膜片发生变形，连接在膜片上的支柱随之发生移动，带动另一硅杯上膜片的移动，最终使得两电容极板间距均发生变化，且两间距的变化方向相反，大小相等，在极板间距变化量远小于原始极板间距的情况下，两电容值发生大小相等，方向相反的变化，由此实现了电容的精确差动检测。

本发明中的三个极板的电极引出情况为：上下电极板的硅在镶嵌玻璃之前表面重掺杂，通过欧姆接触有低电阻硅引出真空腔外，且通过金属压焊电极连接；中间固定极板的硅采用双表面重掺杂，通过欧姆接触有低电阻硅引出真空腔外，且通过金属压焊电极连接。本发明所采用镶嵌玻璃技术在保证实现三层硅结构电学绝缘的同时，实现了电容极板间隙为真空腔体、键合区域电容小(镶嵌玻璃厚度可控)、真空腔内电容极板易引出等特点。

附图说明

图1为本发明的一种微机械差分电容式压力计的结构示意图；

图2为本发明的一种微机械差分电容式压力计的硅杯结构示意图；

图3为本发明的一种微机械差分电容式压力计的中间支撑层结构示意图；

图4为发明的一种微机械差分电容式压力计剖面示意图；

图5为发明的一种微机械差分电容式压力计工作模式示意图；

图6为发明的一种微机械差分电容式压力计制作流程示意图；

具体实施方式：

为使本发明的上述结构、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的一种微机械差分电容式压力计的结构示意图。11为上下两层对称的硅杯结构，第一电极板、第四电极板分别附于上下硅杯结构敏感膜片之上，13为中间支撑层结构，第二电极板、第三电极板分别附于中间支撑层结构的两面，12为连接上下两层硅杯结构中敏感膜片的支柱结构；三层硅结构纵向完全对称，形成三明治结构，其上下两层硅杯结构的敏感膜片均可感受压力，上下电容差值为上下敏感膜片感受的压力差。

图2a为本发明的一种微机械差分电容式压力计的硅杯结构极板面示意图。210为硅杯结构的敏感膜片，其为单晶硅材料，第一(第四)电极板附于其上；211为单晶硅材料，其上附有用于引线键合的金属材料；220为硅杯结构中镶嵌的玻璃材料，用于将上下敏感膜片与中间支柱结构12连接在一起；221为硅杯结构中镶嵌的玻璃材料，用于将三层三明治结构键合到一起。其中210与211均为重掺杂低电阻硅，第一(第四)电极板与210形成欧姆接触，经低电阻硅引出至211，经与211形成欧姆接触的金属材料与金属线超声键合引出。210与211均为可用于阳极键合的碱性硼硅酸盐玻璃材料，在与中间支撑层与支柱阳极键合后形成稳定结构，该玻璃为绝缘材料，同时由于其镶嵌深度可控，保证了键合区域三层硅材料之间的距离可控，从而降低键合区域三层硅材料之间的电容值。

图2b为本发明的一种微机械差分电容式压力计的硅杯结构空腔面示意图。23为带有补偿图形的各向异性腐蚀出的空腔结构，24为硅岛结构。其中23与24一起形成了E型硅杯结构，压力敏感膜片的形变区域为23下方，其膜片厚度可控；24的存在提高了膜片中央区域的刚度，保证膜片在压力作用下以平行板方式上下移动，从而带动其另一面附着的第一(第四)金属电极板沿纵向上下移动，以改变电容极板间距。

图3为本发明的一种微机械差分电容式压力计的中间支撑层结构示意图。12为中间支柱结构，用于连接上下硅杯结构的敏感膜片；31为预先腐蚀空腔结构，31的高度即为该压力计上下两电容的极板间距；32为支柱12与支撑层13之间的空隙。12与13高出31部分为中间支撑层与上下两层硅杯结构的键合区域，该部分为单晶硅材料，分别对应于上下两层硅杯材料中所镶嵌的玻璃材料220与221。该中间支撑层结构上下完全对称。

图4为发明的一种微机械差分电容式压力计剖面示意图。41、42、43、44分别为第一极板、第二极板、第三极板与第四极板；第一极板与第二极板对应形成上电容，第三极板与第四极板对应形成下电容，两电容大小相等，极板间距均为真空空腔31的深度。

图5为发明的一种微机械差分电容式压力计工作模式示意图。在上下硅杯结构分别感受到压力501与502的情况下，由于501与502大小的不同产生压力差，敏感膜片发生形变，带动第一电极41与第四电极44的移动，此时，上电容51的极板间距减小，51电容值变大，下电容52的极板间距增大，52电容值减小。51与52的极板间距改变相同的距离，在极板间距变化远小于原极板间距的情况下，两电容该变量大小相等，方向相反，形成完全对称差动结构。

图6a～图6e为发明的一种微机械差分电容式压力计制作流程示意图。首先将中间支撑层硅片13腐蚀或刻蚀出电容间隙空腔31，采用金属气相沉积技术将金属电极板42、43附于中间支撑层13的空腔31内；同样采用金属气相沉积技术将电极板44(41)附于预先镶嵌玻璃材料的硅杯结构硅片11(此时尚未形成硅杯结构)之上；将13与11采用阳极键合技术对准键合，其中13的突出部分硅结构正对于11的镶嵌玻璃结构，保证两层结构之间的绝缘，键合完成形成下电容52；采用深刻蚀技术将13刻蚀穿通，在中间支柱12与支撑层13之间形成间隙32，使得支撑层12可以随着上下硅杯结构移动；将上硅杯结构11与中间支撑层13阳极键合，形成上电容51，键合完成后的结构纵向完全对称；最后采用带有补偿图形的各向异性腐蚀技术或深刻蚀技术使上下两层11形成带有硅岛的E型硅杯结构，完成后结构如图4所示。

以上对本发明所提供的一种基于预置镶嵌玻璃材料硅基片的集成微机械电容式压力计的工作原理与加工方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征自下而上包括：感应压力的上硅杯结构(其中包含敏感膜片与膜片中间相连接的硅岛)，附于敏感膜片上的第一极板结构，与硅杯结构通过绝缘结构连接中间支撑层结构(包括与敏感膜片通过绝缘结构连接支柱结构)，附于支撑层上的第二极板结构，与上硅杯结构对称的下硅杯结构，附于中间支撑层的第三极板结构，附于下硅杯敏感膜片的第四极板结构，由上下硅杯与中间支撑层组成的密封腔体结构，其特征在于：

上硅杯结构中的膜片会因压力的作用而产生形变，敏感膜片带动第一极板移动，，支柱结构随上硅杯结构膜片移动，带动下硅杯结构膜片移动，第四极板随下硅杯结构膜片移动，由第一极板与第二极板构成的上电容与由第三极板与第四极板构成的下电容随即发生相反变化，形成差动结构；

第一极板与第四极板由金属电极组成，其形状为方形除去中间圆形孔结构，极板的引出通过与低电阻硅形成欧姆接触，经上下硅杯作为导体引出至密封腔体外，经金属与低电阻硅形成欧姆接触后，由金属压焊电极引出；

第二极板与第三极板由金属电极组成，其形状为方形除去中间圆形或其他形状孔结构，极板的引出通过与低电阻硅形成欧姆接触，经中间硅支撑层作为导体引出至密封腔体外，经金属与低电阻硅形成欧姆接触后，由金属压焊电极引出，第二极板与第三极板实为经中间硅支撑层连接在一起的同一极板；

硅杯结构与中间支撑层结构经玻璃材料相连接，玻璃材料本身绝缘，经熔融工艺与阳极键合工艺等将上下硅杯结构与中间支撑层结构连接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于，硅杯结构基于单晶硅片，硅片表面重掺杂，硅杯结构由硅片在背面形成一个环绕硅岛的空腔组成，中间支撑结构基于单晶硅片，硅片表面重掺杂，该支撑结构包括与四周不相连的用于连接上下硅杯结构膜片的支撑圆柱。

3.根据权利要求1所述的一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于，上下硅杯结构镶嵌绝缘玻璃结构，该玻璃结构用于连接硅杯结构与中间支撑层结构；由中间支撑层上下表面与上下硅杯结构形成的间隙厚度相等，支中间撑层(包括支柱)与上下硅杯经玻璃绝缘结构连接，硅杯结构与中间支撑层结构为绝缘状态。

4.根据权利要求1所述的一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于，上下硅杯结构预先腐蚀出环绕硅岛的腔体，一次腐蚀形成包括敏感膜片、硅岛与支撑膜片的硅环状结构。

5.根据权利要求1所述的一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于，上下硅杯结构预先镶嵌绝缘玻璃，其玻璃表面与硅表面同高，与中间支撑层相连接时玻璃部分对准中间支撑层。

6.根据权利要求1所述的一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于，上下硅杯结构与中间支撑层结构所形成的空腔为真空状态，该空腔包括上下电容间隙与支柱和中间支撑层之间的间隙；上下硅杯结构在镶嵌玻璃之前预先进行表面重掺杂，得到低电阻的硅表面，用于电极板的引出。

7.根据权利要求1所述的一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于，中间支撑层结构上下表面预先腐蚀出腔体，其腔体用于形成上下两电容的间隙，其上下两腔体完全对称，中间支撑层的上下表面重掺杂，得到低电阻的硅表面，用于电极板的引出；极板由附于硅片上的金属组成，电极的引出是通过与重掺杂硅形成欧姆接触，经重掺杂硅引出密封腔外，经欧姆接触的金属压焊电极引出。

8.根据权利要求1所述的一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于有两个检测电容，该两个电容的第二极板与第三极板经电连接，第一极板与第四极板为可动极板，第一极板移动后，经支柱带动第四极板移动，一个电容的间距增大，另一个电容的间距减小，两个电容的电容值发生变化，一个增大，一个减小，形成差分的关系。

9.根据权利要求1所述的一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于，压力计纵向为完全对称结构，其上下两压力敏感部分的机械特性、上下两电容的电学特性完全一致，实现全对称差分信号检测；可将任一硅杯结构与玻璃在真空状态下键合，形成真空空腔，用另外一个硅杯结构膜片感受压力，形成绝压式差分压力计；可将两硅杯结构膜片分别感受不同压力，两膜片与支柱的移动取决于两压力的差值，形成差压式差分压力计。