CN105136352B - 一种电容式压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介电应变效应的带温度补偿的MEMS电容式压力传感器及其加工方法。本发明利用介电应变效应，某些介电材料在应力的作用下，其介电常数会发生变化，该原理可以应用于压力传感器的设计，将感压膜设计成由多层材料构成的电容结构。在压力作用下，感压膜发生形变，膜的面积、厚度以及介质层中产生的应力使电容的介电常数发生变化，电容值发生变化，并且介电常数的变化是电容变化的主要因素。压力越大，介质层中的应力越大，介电常数的变化也越大。但是由于温度的变化也会导致介电材料中的应力的变化。因此，这种电容结构存在温度效应。本发明提出了一种将感压膜设计成两个电容，并采用两种不同的材料作为电容的绝缘介质，利用两种材料的温度效应不同进行温度补偿的结构设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器及其制备方法，特别是一种基于介电应变效应带温度补偿的电容式压力传感器及其加工方法。
背景技术
现有的压力传感器的感应原理主要包括两种：压阻感应和电容感应。压阻感应的原理是：压力作用下，由于膜变形产生的应力导致膜上电阻发生变化。电容感应的原理一般是：将传感器设计成一个电容结构，将电容的其中一个极板设计为可动结构。压力作用下，该可动电极发生形变或位移，使电容间距发生变化，传感器的电容值也随之改变。但这两种压力传感器都存在一些缺陷：(1)压阻式压力传感器：这类压力传感器一般对设计的要求很高，对压敏电阻材料的电阻率、电阻形状以及摆放位置都有严格要求，而且加工工艺的要求也很高，加工时必须保证构成惠斯通电桥的四个压敏电阻阻值完全相等，否则就会导致传感器的零点漂移等问题。此外，压阻式压力传感器的功耗一般比较高。随着物联网技术的发展，无线传感器节点的供电问题对功耗提出了严格的限制，这个要求限制了压阻式压力传感器在物联网中的应用。(2)电容式压力传感器：现有的基于变间距原理的电容式压力传感器虽然具有功耗低，温漂小等特点，但也存在一些的问题。第一个主要问题是结构一般比较复杂，尤其是电极引出问题，并且由于存在一个可动电极，导致封装困难，可靠性较差。第二个主要问题是非线性问题，由于电容值与间距之间的关系是非线性的，导致了电容值与待测压力之间的非线性。由于上述问题的存在，东南大学MEMS教育部重点实验室周闵新等人提出了基于介电应变效应的＂三明治＂结构电容式压力传感器，可以解决电容式压力传感器电极引出困难和非线性问题，但是该＂三明治＂电容结构存在着温漂的问题。本发明就是针对该结构进行的改进，用于解决传感器的温漂问题。
发明内容
本发明提供一种结构简单，加工方便，测量原理新颖的电容式压力传感器，并且该结构解决了由于感压机制的局限性带来的温漂问题。
本发明的技术方案如下：
一种电容式压力传感器，包括形成有压力腔的衬底硅片5，在所述衬底硅片5上方叠置有多个电容器，其中第一电容器的上电极为第二电容器的下电极，所述多个电容器的电容介质互不相同。
进一步地，包括对所述衬底硅片5的背面进行各向异性腐蚀而在其正面所形成的硅膜1。
进一步地，所述多个电容器包括第一电容器及第二电容器，其中第一电容器的下电极6系对衬底硅片5或者硅膜1的上表面重掺杂而形成。
进一步地，所述第一电容器的电容介质是；所述第二电容器的电容介质是。
进一步地，还包括所述衬底硅片5背面键合的玻璃3，以形成密封腔。
本发明还提出一种电容式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
a：在所述衬底硅片5的正面选择重掺杂区域，进行离子注入；
b：在所述衬底硅片5上方生长第一绝缘介质层；
c：在所述第一绝缘层上生长第一金属层，经光刻形成为第一电容的上电极；
d：在第一金属层上生长第二绝缘介质层；
e：在所述第二绝缘介质层上生长第二金属层；
f：对衬底硅片5进行背面腐蚀，在所述衬底硅片5正面形成硅膜1，在其背面形成压力腔。
进一步地，所述第一绝缘介质和所述第二绝缘介质不同。
进一步地，在步骤a之前，还包括在衬底硅片5的上下底面热氧化生成氧化层。
进一步地，还包括在所述衬底硅片5的背面键合玻璃3。
进一步地，所述背面腐蚀采用TMAH溶液，腐蚀过程中对所述衬底硅片5正面进行保护。
本发明提出的压力传感器，具有以下有益效果：
(1)基于介电应变效应(在应力或应变的作用下，电容的介质材料的介电常数会发生变化)的感压机制决定了加工出的传感器存在温度效应。本发明提出的结构可以进行温度补偿从而解决温漂问题。
(2)本发明的加工工艺简单，加工过程不需要用到十分复杂的工艺步骤。
(3)与传统的温度补偿的方法(设计一个形状尺寸相同输出不随压力变化的参考结构)相比，该方案大大减小了芯片面积。此外该结构有两个感压电容，可以将它们并联提高结构的灵敏度。
附图说明
附图1是本发明的主视图。
附图2是本发明的俯视图。
图中硅膜1，第一绝缘介质2，玻璃3，第一电容的上电极/第二电容的下电极及压焊块4，衬底硅片5，第一电容的下电极6，第二绝缘介质7，第二电容的上电极8，第一电容下电极引出压焊块9，10为第二电容的上电极引出压焊块。
具体实施方式
本发明利用介电应变效应。硅膜受压力作用发生形变使得位于其上的两个电容的电介质中产生应力/应变，电介质的介电常数发生变化，传感器的输出电容发生变化，由于这两个电容的值随温度和压力的变化都会发生变化。因此，传感器的两个输出电容采用不同介质，利用它们的温度效应不同，解决温漂问题。测量出的两个电容可以表示成两个与温度和压力相关的量：C1～f1(P，T)，C2～f2(P，T)。对两个方程求解，可以反推出测试条件下的气压和温度。
实施例1
本发明提出一种电容式压力传感器，包括：形成有压力腔的衬底硅片，在衬底硅片上方叠置有多个电容器，其中中间电容器的上电极为上面电容器的下电极，中间电容器的下电极为下面电容器的上电极，并且多个电容器的电容介质互不相同。例如，参见图1，双面抛光的衬底硅片5的上表面重掺杂形成第一个电容的下电极6，在下电极6的正上方的表面生长一层绝缘层2作为第一个电容的介质层，在该介质层上方生长一层金属层形成第一个电容的上电极及压焊块4，该电极同时还作为第二个电容的下电极，同时还利用该层金属形成压焊块9，第一个电容的下电极就通过压焊块9引出。在该电极的正上方生长一层绝缘层7作为第二个电容的介质层，这里需要注意的是绝缘层2和绝缘层7是两种不同的材料。然后在该绝缘介质层7上方生长一层金属材料形成第二个电容的上电极8和压焊块10。最后，衬底硅片5背面各向异性腐蚀在其正面表面形成一块硅膜1，衬底硅片5背面与玻璃3进行阳极键合，在硅膜1下方形成一个密封腔。
利用介电应变的原理，将压力变化转化成膜上两个电容的电容值变化。利用该传感器可以在测量压力的同时进行温度补偿。传感器中包含的两个电容的电容值随压力和温度的变化都会发生变化。由于该传感器的感压机制主要是基于电容的介电常数的变化，并且两个电容的介质材料不同，其测量结果可以表示成两个与温度和压力相关的量：C1～f1(P，T)，C2～f2(P，T)。这两个函数中的其他参数可以通过给定压力和温度条件下的标定获得。在测试时，根据测量出的两个电容值反推得到测试条件下的温度和气压。在温度精度要求不高的情况下，该压力传感器可同时作为温度与压力集成传感器使用。
在本发明中，压力传感器结构中的两个电容为独立电容，具有三个电极，其中共用一个电极；在实际测试中，可以根据测试需要对三个电极进行组合，从而变成所需要的连接形式，可以是串联或者并联的连接方式。比如，在进行温度补偿的时候，可先单独测试这两个电容，然后对测量结果进行处理。在进行灵敏度测试的时候，可以把这两个电容进行并联处理，提高灵敏度。
实施例2
本发明还提出一种电容式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
a：对双面抛光硅片衬底上下表面进行氧化，例如在1100℃下通氧气(O2)氧化生成一层氧化硅(SiO2)；
b：腐蚀去除衬底硅片5上表面的氧化硅，例如将HF和NH4F混合溶液加热到45℃去除衬底硅片5上表面氧化硅，腐蚀过程中用夹具对硅片反面进行保护，并通过光刻使硅片正面露出需要重掺杂的区域，然后对其进行离子注入，本发明中注入的离子类型可以是N型半导体杂质如磷，砷等，也可以是P型杂质如硼，注入的剂量≥1019cm-3；
c：在衬底硅片5上方生长一层绝缘介质层，例如为：钛酸钡系列、铌镁酸铅系列的弛豫铁电陶瓷、纳米钛酸钡/聚氨酯复合体材料等具有介电应变效应的介质材料，并光刻暴露出下电极的压焊块接触孔；
d：在绝缘介质层上方通过磁控溅射或蒸发电镀等方法生长一层金属层，可以是铝、金等所有可以用作接触电极的金属材料，并进行光刻和金属刻蚀形成第一个电容的上电极及压焊块以及下电极的压焊块。
e：在金属层上方生长第二种绝缘介质，其材料类型与步骤c中的绝缘介质的材料类型相同，但是与步骤c中材料的材质不同，即不为材料，并光刻使其与金属电极的大小相同。
f：在第二种绝缘介质的上面生长一层金属层，可以是铝、金等所有可以用作接触电极的金属材料，并进行光刻和金属刻蚀形成第二个电容的上电极和压焊块。
g：对衬底硅片5的下表面的氧化硅光刻，并腐蚀形成窗口，例如是将HF和NH4F混合溶液加热到45℃腐蚀氧化硅形成一些窗口。以氧化硅为掩模，用水浴装置将四甲基氢氧化胺溶液(TMAH)加热到95℃并使溶液温度保持恒定对这些窗口进行各向异性腐蚀生成硅膜1，在腐蚀过程中需要用夹具或抗碱腐蚀溶液的保护胶对硅片上表面进行保护；
h：衬底硅片5与玻璃3进行阳极键合，其中阳极键合条件例如为：在450℃温度下加400-1000V直流电压进行阳极键合，在硅膜1下面形成一个密封腔。
由于基于介电应变效应的传感器存在温漂问题。本发明提出了一种解决温漂问题的压力传感器结构方案，设计中包含两个电介质不同的感压电容。在某个温度下，当外界压力作用于传感器时，膜向下变形会使膜上两个电容的电容值发生变化，。根据测得的两个电容值，反推出压力和温度，从而实现对压力的测量。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电容式压力传感器，包括形成有压力腔的衬底硅片(5)，在所述衬底硅片(5)的正面形成硅膜(1)，在所述衬底硅片(5)上方叠置有多个电容器，其中第一电容器的上电极为第二电容器的下电极，所述多个电容器的电容介质互不相同，所述电容介质不包括空气介质，硅膜受压力作用发生形变使得其上的两个电容的电容介质产生应力和应变，所述电容器的电容介质随应力或者应变变化而改变介电常数，利用所述电容器的电容介质的温度效应对所述传感器进行温度补偿。
2.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于：所述硅膜(1)是对所述衬底硅片(5)的背面进行各向异性腐蚀而在其正面所形成的。
3.根据权利要求1或2所述的电容式压力传感器，其特征在于：其中第一电容器的下电极(6)系对衬底硅片(5)或者硅膜(1)的上表面重掺杂而形成。
4.根据权利要求3所述的电容式压力传感器，其特征在于：所述第一电容器、所述第二电容器的电容介质是钛酸钡系列或铌镁酸铅系列的弛豫铁电陶瓷，或者纳米钛酸钡/聚氨酯复合体材料。
5.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于：还包括所述衬底硅片(5)背面键合的玻璃(3)，以形成密封腔。
6.一种电容式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
a：在衬底硅片(5)的正面选择重掺杂区域，进行离子注入；
b：在所述衬底硅片(5)上方生长第一绝缘介质层；
c：在所述第一绝缘层上生长第一金属层，经光刻形成为第一电容的上电极；
d：在第一金属层上生长第二绝缘介质层；
e：在所述第二绝缘介质层上生长第二金属层；
f：对衬底硅片(5)进行背面腐蚀，在所述衬底硅片(5)正面形成硅膜(1)，在其背面形成压力腔；其中，所述第一绝缘介质和所述第二绝缘介质互不相同，并且不包括空气介质，硅膜受压力作用发生形变使得其上的两个电容的电容介质产生应力和应变，所述第一绝缘介质、所述第二绝缘介质随应力或者应变变化而改变介电常数，利用所述第一绝缘介质、所述第二绝缘介质的温度效应对所述传感器进行温度补偿。
7.根据权利要求6所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：所述第一绝缘介质和所述第二绝缘介质是钛酸钡系列或铌镁酸铅系列的弛豫铁电陶瓷，或者纳米钛酸钡/聚氨酯复合体材料。
8.根据权利要求6或7所述的电容式压力传感器的制备方法，在步骤a之前，还包括在衬底硅片(5)的上下底面热氧化生成氧化层。
9.根据权利要求6所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：还包括在所述衬底硅片(5)的背面键合玻璃(3)。
10.根据权利要求6所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：所述背面腐蚀采用TMAH溶液，腐蚀过程中对所述衬底硅片(5)正面进行保护。
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