CN105181186B - 一种压力传感元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力传感元件，包括并列设置于基底上的第一电容和第二电容；第一电容包括位于上方的第一压力敏感膜以及位于下方的第一固定极板，第一固定极板开设有第一通孔；第二电容包括位于下方的第二压力敏感膜以及位于上方的第二固定极板，第二固定极板开设有第二通孔；基底设有第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽通过第一通孔与第一电容间隙连通并形成第一密封腔，第二压力敏感膜密封第二凹槽形成第二密封腔；第一电容和第二电容共同构成差分电容。本发明的压力传感元件基于差分电容进行检测，对外界共模干扰信号不敏感，可以实现高精度和高稳定性地输出。本发明同时还提供了一种制造压力传感元件的方法。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，更具体地，涉及一种差分电容式压力传感元件及其制造方法。
背景技术
目前，MEMS压力传感器多采用压阻式原理进行压力检测，利用压阻材料受到作用力后电阻率产生的变化进行压力检测。
除采用压阻式原理进行压力检测外，有少数厂家采用电容式检测，但均采用单电容检测的方式：由压力敏感膜与衬底形成密封真空腔，当外界的气压变化时，处在真空腔上方的压力敏感膜会发生弯曲，从而导致压力敏感膜与衬底形成的电容会发生变化，检测该电容变化即可取得外界压力。
上述电容式MEMS压力传感器是通过单个电容来检测外界压力变化，一般来说，外界气压变化所引起的电容变化量都是很小的，采用单个电容进行检测的误差很大。另外，除了外界的压力变化会引起电容变化外，其它干扰信号也会引起电容的变化，如应力、温度及其它共模信号，都会影响电容的变化值。单电容检测对外界的干扰信号无法滤除，会影响输出信号的噪声水平，降低信噪比。
理论上可以实现三层极板的垂直式差分电容压力检测，即上下两个固定极板和中间可动极板，需要可动极板与下极板之间形成密闭真空腔，但工艺上过于复杂难以实现，并且很难控制上下固定极板到中间可动极板的间距相同，削弱了差分的效果，带来的技术和成本问题难以解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于差分电容的压力传感元件的新的技术方案，采用水平方向并列设置的差分电容方案，很好地克服了上述提到的 技术和成本的难题。
根据本发明的第一方面，提出了一种压力传感元件，包括：并列设置于基底上的第一电容和第二电容；所述第一电容包括位于上方的第一压力敏感膜以及位于下方的与第一压力敏感膜相对的第一固定极板、所述第一压力敏感膜和所述第一固定极板之间具有第一电容间隙，所述第一固定极板开设有第一通孔；所述第二电容包括位于下方的第二压力敏感膜以及位于上方的与第二压力敏感膜相对的第二固定极板，所述第二压力敏感膜和所述第二固定极板之间具有第二电容间隙，所述第二固定极板开设有第二通孔；所述基底在所述第一电容的下方设有第一凹槽，所述第一凹槽通过第一通孔与第一电容间隙连通并形成第一密封腔；所述基底在所述第二电容的下方设有第二凹槽，所述第二压力敏感膜密封所述第二凹槽形成第二密封腔；所述第一电容和第二电容共同构成差分电容。
优选的，所述第一固定极板和所述第二压力敏感膜的材质相同，所述第一压力敏感膜和所述第二固定极板的材质相同。
优选的，所述第一固定极板、第一压力敏感膜、第二固定极板、以及第二压力敏感膜是由单晶硅材料形成。
优选的，所述第一固定极板、第一压力敏感膜、第二固定极板、以及第二压力敏感膜的厚度为um-um。
优选的，所述第一固定极板的厚度等于或大于所述第一压力敏感膜的厚度；所述第二固定极板的厚度等于或大于所述第二压力敏感膜的厚度。
优选的，所述第一压力敏感膜和第二压力敏感膜之间通过金属插塞电连接。
优选的，所述第一固定极板上设有第一电连接部，所述第二固定极板上设有第二电连接部，所述第一压力敏感膜和所述第二压力敏感膜通过金属插塞与外部电路连通。
优选的，所述基底上设置有第三沟槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽之间通过第三沟槽连通。
根据本发明的第二方面，提出了一种制造压力传感元件的方法，所述压力传感元件包括第一电容和第二电容，所述第一电容包括第一可动极板 和第一固定极板，所述第二电容包括第二可动极板和第二固定极板，包括如下步骤：
S1、提供用以形成第一固定极板和第二可动极板的第一晶片；
S2、在第一晶片上形成第一隔离槽以隔离第一固定极板和第二可动极板；
S3、在第一晶片具有第一隔离槽的一面上形成第一隔离层；
S4、对第一隔离层进行构图和蚀刻以形成第一可动极板和第一固定极板之间的电容间隙、第二可动极板和第二固定极板之间的电容间隙、以及第一连接通孔；
S5、提供用以形成第一可动极板和第二固定极板的第二晶片，以及将第二晶片与第一隔离层键合；
S6、对第一晶片的背面进行减薄直至暴露所述第一隔离槽；
S7、对第一晶片进行构图和蚀刻以在第一固定极板上形成多个第一通孔；
S8、提供基底，所述基底的一面设置有第一凹槽和第二凹槽；
S9、将第一晶片与基底设置有凹槽的一面键合，令所述第一凹槽对准第一固定极板的通孔，所述第二凹槽对准第二可动极板；
S10、对第二晶片的背面进行减薄，达到与第一晶片基本相同的厚度；
S11、对第二晶片进行构图和蚀刻，形成与第一连接通孔318相对应的第二连接通孔，并对第一连接通孔和第二连接通孔进行金属填充形成连通第一可动极板和第二可动极板的金属插塞；
S12、对第二晶片进行构图和蚀刻，以形成与第一固定极板相对的第一可动极板、与第二可动极板相对的具有多个第二通孔的第二固定极板、以及隔离第一可动极板和第二固定极板的第二隔离槽。
优选的，所述第一晶片和第二晶片由单晶硅材料形成；所述第一固定极板、第一可动极板、第二固定极板、以及第二可动极板的厚度为10um-30um。
本发明的压力传感元件基于差分电容进行检测，对外界共模干扰信号不敏感，可以实现高精度和高稳定性地输出。同时还提供了一种制造压力 传感元件的方法，制造工艺流程简单并且容易控制，由于差分电容的固定极板和可动极板之间的间隙是在同一步骤完成的，差分电容的间距可以做到完全一致，提高了差分的效果。
本发明的发明人发现，在现有技术中，很难实现差分电容检测压力，现有技术中没有基于水平分布式差分电容结构的压力传感元件。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是根据本发明实施例的压力传感元件的结构图。
图2、图3是根据本发明实施例的压力传感元件的受外界压力变化下的状态图。
图4是根据本发明实施例的压力传感元件的原理图。
图5-16是根据本发明实施例的压力传感元件的制造过程图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的 值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1示出了根据本发明实施例的压力传感元件100，包括：并列设置于基底上的第一电容C1和第二电容C2；第一电容C1包括位于上方的第一压力敏感膜101以及位于下方的与第一压力敏感膜101相对的第一固定极板102、第一压力敏感膜101和第一固定极板102之间具有第一电容间隙320，第一固定极板102开设有第一通孔314；第二电容C2包括位于下方的第二压力敏感膜202以及位于上方的与第二压力敏感膜202相对的第二固定极板201，第二压力敏感膜202和第二固定极板201之间具有第二电容间隙321，第二固定极板201开设有第二通孔324；基底在第一电容C1的下方设有第一凹槽103，第一凹槽103通过第一通孔314与第一电容间隙320连通并形成连通的第一密封真空腔；基底在第二电容C2的下方设有第二凹槽203，第二压力敏感膜202密封第二凹槽203形成第二密封真空腔；第一电容C1和第二电容C2共同构成差分电容。
对于第一电容C1的下极板102上设有通孔314，因此对压力不敏感，当有压力施加于第一电容C1时其易于保持固定不变，成为固定极板；上极板101上没有通孔是密闭的，因此对压力敏感，当有压力施加于第一电容C1时其会发生形变，成为可动极板。相对而言第二电容C2的下极板202上没有通孔是密闭的，因此对压力敏感，当有压力施加于第二电容C2时其会发生形变，成为可动极板；上极板201上有通孔，因此对压力不敏感，当有压力施加于第二电容C2时其易于保持固定不变，成为固定极板。
图2、图3为根据本发明实施例的压力传感元件的受外界压力变化下的状态图。如图所示，当外界压力增加时：第一电容C1的上极板101对压力敏感，产生向下运动，第一电容C1的下极板102对压力不敏感，固定不变，第一电容C1的电容极板间距减小，第一电容C1增大；同时第二电容C2的下极板202对压力敏感，产生向下运动，第二电容C2的上极板201对压力不敏感，固定不变，第二电容C2的电容极板间距增加，第二电容 C2减小。
当外界压力减小时：第一电容C1的上极板101对压力敏感，产生向上运动，第一电容C1的下极板102对压力不敏感，固定不变，第一电容C1的电容极板间距增加，第一电容C1减小；同时第二电容C2的下极板202对压力敏感，产生向上运动，第二电容C2的上极板201对压力不敏感，固定不变，第二电容C2的电容极板间距减小，第二电容C2增大。
通过这样一对一增一减的差分电容，实现对压力的检测，并且实现对外界共模干扰信号不敏感，提高输出的稳定性和精度。图4示出了根据本发明实施例的压力传感元件的原理图，根据图2、3两个并列设置的电容C1、C2形成了差分电容。
此外，为形成差分电容，第一压力敏感膜101和第二压力敏感膜202之间通过金属插塞105电连接。第一固定极板102上设有第一电连接部104，第二固定极板201上设有第二电连接部204，第一压力敏感膜101和第二压力敏感膜202通过金属插塞105与外部电路连通。
为实现第一电容C1的第一密封腔和第二电容C2的第二密封腔之间空气自由流通，提高电容C1和C2的一致性，提高芯片的性能，在基底上开设第三沟槽(图中未示出)，第一凹槽103和第二凹槽203之间通过第三沟槽连通。
第一固定极板102和第二压力敏感膜202的材质相同，可以在同一步骤中形成。第一压力敏感膜101和第二固定极板201的材质相同，可以在同一步骤中形成。第一电容C1和第二电容C2的固定极板和可动极板之间的间隙是在同一步骤完成的，两个电容的间隙可以做到完全一致，提高了差分的效果。
其中，第一固定极板102、第一压力敏感膜101、第二固定极板201、以及第二压力敏感膜202是由单晶硅材料形成。第一固定极板102、第一压力敏感膜101、第二固定极板201、以及第二压力敏感膜202的厚度为10um-30um。第一固定极板102的厚度等于或大于第一压力敏感膜101的厚度；第二固定极板201的厚度等于或大于第二压力敏感膜202的厚度。
以上已经根据附图介绍了本发明的压力传感元件的结构，根据本专利 的压力传感结构，可以突破现有技术地局限，容易地实现差分电容式压力检测，并且对外界的共模干扰信号不敏感，可以实现高精度和高稳定性地输出。
下面将结合附图5-16介绍根据本发明实施例的压力传感元件的制造方法，压力传感元件包括第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1包括第一可动极板101和第一固定极板102，第二电容C2包括第二可动极板202和第二固定极板201，制作过程包括如下步骤：
S1、参考图5所示，提供用以形成第一固定极板102和第二可动极板202的第一晶片310，第一晶片310可以由单晶硅材料形成；
S2、参考图6所示，在第一晶片310上形成第一隔离槽311以隔离第一固定极板102和第二可动极板202；
S3、参考图7所示，在第一晶片310具有第一隔离槽311的一面上形成第一隔离层312，第一隔离层312可以由氧化硅等材料制成；
S4、参考图8所示，对第一隔离层312进行构图和蚀刻以形成第一可动极板101和第一固定极板102之间的电容间隙320、第二可动极板202和第二固定极板201之间的电容间隙321、第一连接通孔318、以及第三隔离槽317；第三隔离槽317并不是必需的，后续还会形成第二隔离槽327，第二隔离槽327可以单独起到隔离第一可动极板101和第二固定极板201的作用；
S5、参考图9所示，提供用以形成第一可动极板101和第二固定极板201的第二晶片313，第二晶片313可以由单晶硅材料形成；以及将第二晶片313与第一隔离层312键合；
S6、参考图10所示，将器件翻转，对第一晶片310的背面进行减薄直至暴露第一隔离槽311，优选的，将第一晶片310减薄至10um-30um；
S7、参考图11所示，对第一晶片310进行构图和蚀刻以在第一固定极板102上形成多个第一通孔314；
S8、提供由衬底315和第二隔离层316构成的基底，基底从第二隔离层316所在的表面开设第一凹槽103和第二凹槽203；基底还可以为其它材质或者分层设计。
S9、参考图12所示，将第一晶片310与基底设置有凹槽的一面键合，令第一凹槽103对准第一固定极板102的通孔，第二凹槽203对准第二可动极板202；第一凹槽(103)通过第一通孔(314)与第一电容间隙(320)连通并形成第一密封腔；第二压力敏感膜(202)密封第二凹槽(203)形成第二密封腔；
S10、参考图13所示，对第二晶片313的背面进行减薄，达到与第一晶片310基本相同的厚度，优选的，将第二晶片313减薄至10um-30um；
S11、参考图14、15所示，对第二晶片313进行构图和蚀刻，形成与第一连接通孔318相对应的第二连接通孔328，并对第一连接通孔318和第二连接通孔328进行金属填充形成连通第一可动极板101和第二可动极板202的金属插塞105；
S12、参考图16所示，对第二晶片313进行构图和蚀刻，以形成与第一固定极板102相对的第一可动极板101、与第二可动极板202相对的具有多个第二通孔324的第二固定极板201、以及隔离第一可动极板101和第二固定极板201的第二隔离槽327，第二隔离槽327与第三隔离槽317对齐。
优选的，第一晶片310和第二晶片313由单晶硅材料形成；第一固定极板102、第一可动极板101、第二固定极板201、以及第二可动极板202的厚度为10um-30um。
另外，本发明所采用的位置关系术语如“上”、“上面”、“上方”、“下”“下面”“下方”等，均标示当物体静止处于某特定坐标系下时，零部件和元件之间的位置关系，例如，当物体以某种姿态静止处于某特定坐标系下时，存在上极板位于下极板上方、下极板位于上极板下方的状态，但可以理解，在物体整体发生翻转或倾斜时，这种关系可能发生变化，但这并不意味着本发明所保护的元件的真实结构发生变化。
另外，本发明的制造方法的各个步骤并不限定为唯一特定的顺序，例如步骤S12可以位于步骤S10和步骤S11之间，这些步骤的变换也应当属于本发明的保护范围之内。
本发明的压力传感元件基于差分电容进行检测，对外界共模干扰信号 不敏感，可以实现高精度和高稳定性地输出。同时还提供了一种制造压力传感元件的方法，制造工艺流程简单并且容易控制，由于差分电容的固定极板和可动极板之间的间隙是在同一步骤完成的，差分电容的间距可以做到完全一致，提高了差分的效果。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种压力传感元件，其特征在于，包括：
并列设置于基底上的第一电容(C1)和第二电容(C2)；
所述第一电容(C1)包括位于上方的第一压力敏感膜(101)以及位于下方的与第一压力敏感膜(101)相对的第一固定极板(102)、所述第一压力敏感膜(101)和所述第一固定极板(102)之间具有第一电容间隙(320)，所述第一固定极板(102)开设有第一通孔(314)；
所述第二电容(C2)包括位于下方的第二压力敏感膜(202)以及位于上方的与第二压力敏感膜(202)相对的第二固定极板(201)，所述第二压力敏感膜(202)和所述第二固定极板(201)之间具有第二电容间隙(321)，所述第二固定极板(201)开设有第二通孔(324)；
所述基底在所述第一电容(C1)的下方设有第一凹槽(103)，所述第一凹槽(103)通过第一通孔(314)与第一电容间隙(320)连通并形成第一密封腔；所述基底在所述第二电容(C2)的下方设有第二凹槽(203)，所述第二压力敏感膜(202)密封所述第二凹槽(203)形成第二密封腔；所述第一电容(C1)和第二电容(C2)共同构成差分电容。
2.根据权利要求1所述的压力传感元件，其特征在于，所述第一固定极板(102)和所述第二压力敏感膜(202)的材质相同，所述第一压力敏感膜(101)和所述第二固定极板(201)的材质相同。
3.根据权利要求1所述的压力传感元件，其特征在于，所述第一固定极板(102)、第一压力敏感膜(101)、第二固定极板(201)、以及第二压力敏感膜(202)是由单晶硅材料形成。
4.根据权利要求1所述的压力传感元件，其特征在于，所述第一固定极板(102)、第一压力敏感膜(101)、第二固定极板(201)、以及第二压力敏感膜(202)的厚度为10um-30um。
5.根据权利要求1所述的压力传感元件，其特征在于，所述第一固定极板(102)的厚度等于或大于所述第一压力敏感膜(101)的厚度；所述第二固定极板(201)的厚度等于或大于所述第二压力敏感膜(202)的厚度。
6.根据权利要求1所述的压力传感元件，其特征在于，所述第一压力敏感膜(101)和第二压力敏感膜(202)之间通过金属插塞(105)电连接。
7.根据权利要求6所述的压力传感元件，其特征在于，所述第一固定极板(102)上设有第一电连接部(104)，所述第二固定极板(201)上设有第二电连接部(204)，所述第一压力敏感膜(101)和所述第二压力敏感膜(202)通过金属插塞(105)与外部电路连通。
8.根据权利要求1所述的压力传感元件，其特征在于，所述基底上设置有第三沟槽，所述第一凹槽(103)和所述第二凹槽(203)之间通过第三沟槽连通。
9.一种制造压力传感元件的方法，所述压力传感元件包括第一电容和第二电容，所述第一电容包括第一可动极板(101)和第一固定极板(102)，所述第二电容包括第二可动极板(202)和第二固定极板(201)，其特征在于，包括如下步骤：
S1、提供用以形成第一固定极板(102)和第二可动极板(202)的第一晶片(310)；
S2、在第一晶片(310)上形成第一隔离槽(311)以隔离第一固定极板(102)和第二可动极板(202)；
S3、在第一晶片(310)具有第一隔离槽(311)的一面上形成第一隔离层(312)；
S4、对第一隔离层(312)进行构图和蚀刻以形成第一可动极板(101)和第一固定极板(102)之间的电容间隙(320)、第二可动极板(202)和第二固定极板(201)之间的电容间隙(321)、以及第一连接通孔(318)；
S5、提供用以形成第一可动极板(101)和第二固定极板(201)的第二晶片(313)，以及将第二晶片(313)与第一隔离层(312)键合；
S6、对第一晶片(310)的背面进行减薄直至暴露所述第一隔离槽(311)；
S7、对第一晶片(310)进行构图和蚀刻以在第一固定极板(102)上形成多个第一通孔(314)；
S8、提供基底，所述基底的一面设置有第一凹槽(103)和第二凹槽(203)；
S9、将第一晶片(310)与基底设置有凹槽的一面键合；令所述第一凹槽(103)对准第一固定极板(102)的通孔，所述第二凹槽(203)对准第二可动极板(202)；
S10、对第二晶片(313)的背面进行减薄，达到与第一晶片(310)基本相同的厚度；
S11、对第二晶片(313)进行构图和蚀刻，形成与第一连接通孔(318)相对应的第二连接通孔(328)，并对第一连接通孔(318)和第二连接通孔(328)进行金属填充形成连通第一可动极板(101)和第二可动极板(202)的金属插塞(105)；
S12、对第二晶片(313)进行构图和蚀刻，以形成与第一固定极板(102)相对的第一可动极板(101)、与第二可动极板(202)相对的具有多个第二通孔(324)的第二固定极板(201)、以及隔离第一可动极板(101)和第二固定极板(201)的第二隔离槽(327)。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，所述第一晶片(310)和第二晶片(313)由单晶硅材料形成；所述第一固定极板(102)、第一可动极板(101)、第二固定极板(201)、以及第二可动极板(202)的厚度为10um-30um。
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