CN104697680A

CN104697680A - 一种电容式压力传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN104697680A
Application number: CN201510116000.2A
Authority: CN
Inventors: 胡智文
Original assignee: Zhejiang University of Media and Communications
Current assignee: Zhejiang University of Media and Communications
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2015-06-10

Abstract

本发明公开了一种高线性的MEMS压力传感器，包括具有球冠状凹坑的下极板和平板状上极板，下极板自下而上包括硅衬底、第一导电层及第一绝缘层，上极板自下而上包括第二绝缘层、第二导电层及第三绝缘层，第一绝缘层与第二绝缘层间形成密封的球冠状腔体。其制备方法包括下极板制备工艺、上极板制备以及上下极板的键合工艺。本发明的传感器以新型的球冠状腔体作为下极板，三层复合薄膜作为可弯曲变形的上极板，在外界压力作用下，上电极从球冠边缘开始与球冠接触，使传感器在初始阶段即可工作在线性区间。本发明传感器的线性度有较大的提升，可为胎压监测等多种工业与消费电子领域的压力检测提供新的压力传感器解决方案。

Description

一种电容式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电容式压力传感器及其制备方法，尤其是高线性MEMS电容式压力传感器及其制备方法。

背景技术

微机电系统（MEMS）技术出现于80年代末，基于集成电路工艺发展而来，在微米级芯片上集成传感器、执行器、信号转换及处理电路等器件与功能单元，为系统的小型化、低功耗、低成本、智能化和高精度批量集成制造提供了可靠的实现途径。MEMS压力传感器是发展较早的一种MEMS传感器，是微机电系统商业化传感器的一个杰出代表。

MEMS压力传感器以其结构和工作原理来分，以压阻式和电容式两种为代表。电容式压力传感器具有较低的温度系数，不具有静态功耗，还具有高灵敏度。同时，电容式压力传感器无温度开关偏移、结构坚固，已成为MEMS压力传感器的一种主流实现方式。

MEMS电容式压力传感器，按结构形式和工作方式可分为非接触式与接触式两类，非接触式也即传统的压力传感器，其电容值反比于极板间距，压力-电容呈非线性的反比关系，对于压力检测而言是非常不利的。而接触式压力传感器，相对于非接触式压力传感器，其电容值正比于极板的接触面积，压力-电容理论上呈线性变化，对于压力的检测较为有利。而已有的接触式压力传感器，在上下两极接触的过程中，由于仍然存在部分非接触区域，故非线性电容依然存在。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高灵敏度和高线性度的MEMS电容式压力传感器。

本发明的电容式压力传感器，包括具有球冠状凹坑的下极板和平板状上极板，下极板自下而上包括硅衬底、第一导电层及第一绝缘层，上极板自下而上包括第二绝缘层、第二导电层及第三绝缘层，上极板位于下极板上，第一绝缘层与第二绝缘层间形成密封的球冠状腔体，下极板的球冠状凹坑底部具有圆柱形盲孔，球冠状凹坑开口半径为圆柱形盲孔直径的20-50倍，圆柱形盲孔的深宽比大于3。

上述技术方案中，所述的第一导电层和第二导电层均可以为金属或者掺杂的硅。

制备上述的电容式压力传感器的方法，包括如下步骤：

1）在洁净的硅衬底上刻蚀一圆柱形盲孔，圆柱形盲孔深宽比大于3；

2）在上述衬底上沉积钝化层，以圆柱形盲孔为圆心，在硅衬底上制作球冠状凹坑，使球冠状凹坑开口半径为圆柱形盲孔直径的20-50倍，对球冠状凹坑表面抛光；

3）腐蚀去除钝化层，在上述硅衬底表面进行掺杂或者沉积金属形成第一导电层，再在第一导电层上制作第一绝缘层，获得下极板；

4）在另一洁净的硅衬底表面进行掺杂或者沉积金属制作第二导电层，再在第二导电层上制作第二绝缘层；

5）将步骤4）的结构翻转置于下极板的第一绝缘层上，利用键合工艺使第一、第二绝缘层间形成密封的球冠状腔体；

6）腐蚀去除步骤5）结构中的上层硅衬底，在暴露出的第二导电层上制作第三绝缘层。

本发明具有的有益效果是：

本发明的MEMS电容式压力传感器以新型的球冠状腔体作为下极板，三层复合薄膜作为可弯曲变形的上极板，在外界压力作用下，由于上下极板间独特的空间设计，上极板从球冠边缘开始与球冠逐渐接触，这使得传感器在初始阶段即可工作在线性区间。此外，本发明的传感器结构在球冠状腔体底部设计深孔结构，可极大地减小非线性电容的影响。相比于传统非接触式压力传感器的非线性测量特性，及存在较大非线性电容的常规接触式压力传感器而言，本发明的传感器线性度均有较大的提升。可为胎压监测等多种工业与消费电子领域的压力检测提供新的压力传感器解决方案。

附图说明

图1是本发明电容式压力传感器结构示意图；

图2是本发明电容式压力传感器的制备工艺流程示意图；其中a）为下电极制作工艺流程示意图；b）为后续流程示意图；

图3是本发明电容式压力传感器的工作过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的电容式压力传感器，包括具有球冠状凹坑8的下极板和平板状上极板，下极板自下而上包括硅衬底1、第一导电层2及第一绝缘层3，上极板自下而上包括第二绝缘层4、第二导电层5及第三绝缘层6，上极板位于下极板上，第一绝缘层3与第二绝缘层4间形成密封的球冠状腔体，下极板的球冠状凹坑8底部具有圆柱形盲孔7，球冠状凹坑8开口半径为圆柱形盲孔7直径的20-50倍，圆柱形盲孔7深宽比大于3。

上述的第一导电层2和第二导电层5均可以为金属或者掺杂的硅。

制备上述的电容式压力传感器的方法，包括如下步骤：

1）在洁净的硅衬底上刻蚀一圆柱形盲孔7，圆柱形盲孔7深宽比大于3；

2）在上述衬底上沉积钝化层，以圆柱形盲孔7为圆心，在硅衬底上制作球冠状凹坑8，使球冠状凹坑开口半径为圆柱形盲孔直径的20-50倍，对球冠状凹坑表面抛光；

3）腐蚀去除钝化层，在上述硅衬底表面进行掺杂或者沉积金属形成第一导电层2，再在第一导电层2上制作第一绝缘层3，获得下极板；

4）在另一洁净的硅衬底表面进行掺杂或者沉积金属制作第二导电层5，再在第二导电层5上制作第二绝缘层4；

5）将步骤4）的结构翻转置于下极板的第一绝缘层3上，利用键合工艺使第一、第二绝缘层3、4间形成密封的球冠状腔体；

6）腐蚀去除步骤5）结构中的上层硅衬底，在暴露出的第二导电层5上制作第三绝缘层6。

以具体的经过尺寸计算及材料优化的高线性MEMS电容式压力传感器为例，整个流程包含下极板制作过程，上极板复合膜的制备及两电极的键合工艺；

下极板制作过程如图2（a）所示，包括下列流程：（1）准备一块双面抛光的<100>晶向N型硅片，即硅衬底1，经过标准的清洗工艺并烘干，对该硅片上表面进行深反应离子刻蚀，得到一个直径10μm、深度为50μm的圆柱形盲孔7。（2）在硅片上表面淀积1μm厚的SiO₂层9，该钝化层在后续的研磨工艺中对硅表面起到一定的保护作用。（3）利用高精度凹坑仪(如Dimpler)，把硅片研磨出所在球半径为1485μm的球冠凹坑8，凹坑开口以圆柱形盲孔7为圆心且球冠开口半径为300μm，在硅片表面形成球冠状腔体。然后利用化学机械抛光（CMP）方法，将球冠表面的细微颗粒去除，确保在误差范围内的表面平滑度。（4）经缓冲氢氟酸腐蚀剂（BHF）腐蚀去除硅片上的SiO₂层并经清洗，在硅表面进行硼重掺杂形成P++掺杂层，即形成下电极的第一导电层2。（5）用干氧氧化法形成二氧化硅层，其厚度为2μm，即形成第一绝缘层3，用以保护下电极。在这一步骤中，可对整个硅片的侧面及背面淀积二氧化硅层，以便在完成键合后的上极板硅衬底去除工艺中保护下极板的体硅不被腐蚀。

复合膜上极板的制备及上下极板的键合工艺如图2（b）所示，包括下列流程：（1）准备另一块双面抛光的<100>晶向N型硅片10，经过标准的清洗工艺并烘干，对其进行硼重掺杂，在其表面形成一层厚度为0.5μm的P++掺杂层，即第二导电层5。（2）在第二导电层5上利用化学气相淀积，覆盖一层0.1μm厚度的二氧化硅层，即第二绝缘层4。（3）将上述结构翻转使第二绝缘层4与下极板的第一绝缘层3接触，利用键合工艺使第一、第二绝缘层3、4间形成密封的球冠状腔体。（4）利用重掺杂自停止腐蚀方法，去除上述结构中上层的硅衬底10。（4）在第二导电层5上淀积一层二氧化硅，厚度为0.1μm，即第三绝缘层6。至此获得高线性的MEMS电容式压力传感器。

上述MEMS电容式压力传感器的具体工作过程及其高线性原理如下：在传感器受到压力的初始阶段，上极板薄膜边缘就会沿腔壁上端开始贴合，如图3所示，随着压力的增加，接触面积不断增大，实现电容随面积的变化。而通常的接触式压力传感器，自上极板的中心位置开始发生接触，接触面积随压力增大而增加，在接触发生前，电容随压力的变化是非线性的，接触过程中，由于非接触区域电容的存在，同样存在不可忽略的非线性电容。本发明提出的传感器结构，虽然极板接触贯穿整个量程范围，线性度已非常理想，但球冠底部仍会产生较小的非线性电容，我们将底部加工成深孔，相当于形成极大的极板间距，则深孔区域的电容可忽略不计。该深孔结构的设计将使非线性电容的影响减小至可忽略。

Claims

1.一种电容式压力传感器，其特征在于包括具有球冠状凹坑（8）的下极板和平板状上极板，下极板自下而上包括硅衬底（1）、第一导电层（2）及第一绝缘层（3），上极板自下而上包括第二绝缘层（4）、第二导电层（5）及第三绝缘层（6），上极板置于下极板上，下极板的第一绝缘层（3）与上极板的第二绝缘层（4）间形成密封的球冠状腔体，下极板的球冠状凹坑（8）底部具有圆柱形盲孔（7），球冠状凹坑（8）开口半径为圆柱形盲孔（7）直径的20-50倍，圆柱形盲孔（7）深宽比大于3。

2.根据权利要求1所述的一种电容式压力传感器，其特征在于所述的第一导电层（2）为金属或者掺杂的硅。

3.根据权利要求1所述的一种电容式压力传感器，其特征在于所述的第二导电层（5）为金属或者掺杂的硅。

4.制备如权利要求1所述的电容式压力传感器的方法，其特征在于包括如下步骤：

1）在洁净的硅衬底上刻蚀一圆柱形盲孔（7），圆柱形盲孔（7）深宽比大于3；

2）在上述衬底上沉积钝化层，以圆柱形盲孔（7）为圆心，在硅衬底上制作球冠状凹坑（8），使球冠状凹坑开口半径为圆柱形盲孔直径的20-50倍，对球冠状凹坑表面抛光；

3）腐蚀去除钝化层，在上述硅衬底表面进行掺杂或者沉积金属形成第一导电层（2），再在第一导电层（2）上制作第一绝缘层（3），获得下极板；

4）在另一洁净的硅衬底表面进行掺杂或者沉积金属制作第二导电层（5），再在第二导电层（5）上制作第二绝缘层（4）；

5）将步骤4）的结构翻转置于下极板的第一绝缘层（3）上，利用键合工艺使第一、第二绝缘层（3、4）间形成密封的球冠状腔体；

6）腐蚀去除步骤5）结构中的上层硅衬底，在暴露出的第二导电层（5）上制作第三绝缘层（6）。