CN105333889A - 一种电容式的环境传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容式的环境传感器及其制造方法，包括具有容腔的衬底，在衬底上设置有悬置在容腔上方的敏感膜，敏感膜与衬底的容腔围成了密闭腔体；还包括可动极板，可动极板连接在所述敏感膜上；还包括与可动极板构成环境敏感型电容器的固定极板。本发明的环境传感器，可动极板连接在敏感膜上，当外界环境发生变化时，敏感膜会受到外界环境的影响而发生相应的形变(例如上凸或下凹)，使得与其连接的可动极板发生上升或下降的位移，最终通过构成的环境敏感型电容器输出相应的电信号。本发明的环境传感器，将敏感膜的形变转换为可动极板在单一方向(例如水平方向)上的变化，由此可大幅度提高环境敏感型电容器的线性性能。
Description
技术领域
本发明涉及测量领域，更具体地，涉及一种传感器，尤其涉及一种电容式的环境传感器；本发明还涉及一种该环境传感器的制造方法。
背景技术
环境传感器利用的是敏感材料的相关物理效应,如压阻效应、压电效应等，敏感材料在受到环境变量的作用后，其电阻或者电容发生变化，通过测量电路就可以得到正比于环境变量变化的电信号，环境传感器现已广泛应用于气压、高度、温湿度、气体等领域的测量和控制中。
近年来，随着科学技术的发展，人们对这些便携电子产品的性能要求也越来越高。现有技术中电容式的环境传感器，其包括受外界环境变化而发生相应形变的敏感膜，以及与该敏感膜构成平板电容器结构的固定电极，其工作原理是：当外界环境发生变化时，该敏感膜发生形变，从而改变了敏感膜与固定电极之间的间隙，最终使电容器输出变化的电信号。根据电容的计算公式，电容值与两个极板的相对面积成正比，与两个极板之间的间隙成反比，从而使得这种上下电极式的平板电容器的变化量是非线性的；更有，敏感膜在发生较大形变时，线性进一步变差，这进一步增加了电容器的非线性变化。
发明内容
本发明的一个目的是提供了一种电容式的环境传感器的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种电容式的环境传感器，包括具有容腔的衬底，在所述衬底上设置有悬置在容腔上方的敏感膜，所述敏感膜与衬底的容腔围成了密闭腔体；还包括可动极板，所述可动极板连接在所述敏感膜上；还包括与可动极板构成环境敏感型电容器的固定极板。
优选地，所述可动极板与固定极板构成了基于面积变化的叉指式电容器。
优选地，所述可动极板设置有多个，该多个可动极板呈平行布置的叉指状，所述固定极板设置有多个，该多个固定极板呈平行布置的叉指状；所述多个可动极板分别与对应固定极板的侧壁相对，构成了基于面积变化的叉指式电容器。
优选地，所述可动极板与固定极板构成了基于间隙变化的平板电容器。
优选地，所述固定极板通过绝缘层固定在衬底上，且位于可动极板的正下方。
优选地，在所述衬底上还设置有第一参考极板、第二参考极板，所述第一参考极板、第二参考极板构成了电容量不随外界环境变化的基准电容器；所述环境敏感型电容器与基准电容器构成差分电容结构。
优选地，所述基准电容器与环境敏感型电容器的形状、结构一致。
优选地，所述可动极板通过锚点连接在敏感膜的中部。
本发明还提供了一种上述环境传感器的制造方法，包括以下步骤：
S1：对衬底的背面进行刻蚀，以形成容腔以及位于容腔上方的敏感膜；
S2：对该容腔的下端进行密封，以形成密闭腔体；
S3：在衬底、敏感膜的上方沉积牺牲层；
S4：在牺牲层的上方沉积导电层，并对其进行图形化刻蚀，以形成可动极板、固定极板；
S5：将牺牲层腐蚀掉，将可动极板释放出来。
优选地，在所述步骤S4中，还包括对导电层进行图形化刻蚀，以形成第一参考极板、第二参考极板的步骤。
本发明的环境传感器，可动极板连接在敏感膜上，当外界环境发生变化时，敏感膜会受到外界环境的影响而发生相应的形变(例如上凸或下凹)，使得与其连接的可动极板发生上升或下降的位移，最终通过构成的环境敏感型电容器输出相应的电信号。本发明的环境传感器，将敏感膜的形变转换为可动极板在单一方向(例如水平方向)上的变化，由此可大幅度提高环境敏感型电容器的线性性能。
本发明的发明人发现，在现有技术中，环境传感器均是敏感膜构成的平板电容器结构，敏感膜发生形变使得电容器中的非线性的变化量很大。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是本发明环境传感器的结构示意图。
图2是图1中环境传感器工作时的结构示意图。
图3是本发明环境传感器另一实施方式的结构示意图。
图4是本发明环境传感器制造方法的流程图。
图5是本发明环境传感器另一种制造方法的流程图。
图6是本发明叉指式环境传感器的结构示意图。
图7是本发明平板式环境传感器的结构示意图。
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，所述技术、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。
参考图1，本发明提供了一种电容式的环境传感器，其可以是压力传感器、温度传感器、湿度传感器等本领域技术人员所熟知的用于检测外界环境变化的传感器。环境传感器包括具有容腔的衬底1，在所述衬底1上设置有敏感膜2，该敏感膜2采用随外界环境变化而发生形变的材料，例如当该环境传感器为压力传感器时，则敏感膜2为压力敏感膜；当环境传感器为湿度传感器时，则敏感膜2为湿度敏感膜。各环境传感器敏感膜所采用的材料均为本领域技术人员的公知常识。
在本发明一个具体的实施方式中，例如该敏感膜2为压力敏感膜；当外界压力发生变化时，该压力敏感膜会发生相应的形变。衬底1可采用本领域技术人员所熟知的衬底材料，例如多晶硅等。如果衬底1与敏感膜2之间需要绝缘，可在衬底1与敏感膜2连接的位置设置一绝缘层，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
所述敏感膜2悬置在容腔的上方，并与该容腔共同围成了一密闭腔体5，该密闭腔体5尤其采用真空腔体。在本发明一个优选的实施方式中，所述衬底1的容腔贯通衬底1的上下两端，此时，还需要设置一密封件6将容腔的下端密封住。
本发明的环境传感器，还包括可动极板4，所述可动极板4连接在所述敏感膜2上，使得该可动极板4可随着敏感膜2的弯曲变形而发生相应的位移。参考图2的视图方向，当敏感膜2下凹时，则可动极板4随着敏感膜2的下凹而向下运动；当敏感膜2上凸时，则可动极板4随着敏感膜2的上凸而向上运动。该可动极板4可直接连接在敏感膜2上，也可以通过锚点3进行连接。在所述衬底1上还设置有与可动极板4构成环境敏感型电容器的固定极板(视图未给出)，固定极板例如可通过绝缘层固定在衬底1上，其与可动极板4共同形成了本领域技术人员所熟知的电容器结构。
本发明的环境传感器，可动极板连接在敏感膜上，当外界环境发生变化时，敏感膜会受到外界环境的影响而发生相应的形变(例如上凸或下凹)，使得与其连接的可动极板发生上升或下降的位移，最终通过构成的环境敏感型电容器输出相应的电信号。本发明的环境传感器，将敏感膜的形变转换为可动极板在单一方向(例如水平方向)上的变化，由此可大幅度提高环境敏感型电容器的线性性能。
在本发明一个具体的实施方式中，参考图6，所述可动极板与固定极板构成了基于面积变化的叉指式电容器。可动极板在与固定极板的平行方向上移动，通过两个极板之间正对面积的变化，使得电容器结构输出变化的电信号。采用叉指式电容器，通过改变两个极板之间的面积来输出变化的电信号，使得环境敏感型电容器的输出更加线性。
具体地，所述可动极板8a设置有多个，该多个可动极板8a呈平行布置的叉指状，也就是说，该多个可动极板8a在与其运动方向垂直的平面内并列排布。对应地，所述固定极板8b设置有多个，其可通过绝缘层固定在衬底1上，其中，该多个固定极板8b呈平行布置的叉指状，也就是说，该多个固定极板8b在与可动极板8a运动方向垂直的平面内并列排布；所述多个可动极板8a分别与相应固定极板8b的侧壁相对，例如，每个可动极板8a伸入至相邻两个固定极板8b之间的空隙，并与固定极板8b的侧壁相对起来，构成了基于面积变化的叉指式电容器8。其中，在衬底1上还设置有用于将所有可动极板8a信号引出的电极10，以及将所有固定极板8b信号引出的电极11。
当敏感膜2发生下凹或上凸的形变时，可动极板8a相对于固定极板8b下降或上升，从而改变了可动极板8a与固定极板8b之间侧壁的正对面积，使得该叉指式电容器8输出变化的电信号。
在本发明另一具体的实施方式中，参考图7，所述可动极板与固定极板构成了基于间隙变化的平板电容器。可动极板朝固定极板的方向移动，通过两个极板之间间隙的变化，使得电容器结构输出变化的电信号。
具体地，可动极板15a的根部可通过锚点连接在敏感膜2上，其另一端伸出至衬底1的端面上，并与衬底1的端面平行。固定极板15b可通过绝缘层固定在衬底1上，且位于可动极板15a的正下方，由此使可动极板15a、固定极板15b构成了基于间隙变化的平板电容器。本发明的可动极板15a、固定极板15b均可设置多个。其中，在衬底1上还设置有用于将所有可动极板15a信号引出的电极(视图未给出)，以及将所有固定极板15b信号引出的电极(视图未给出)等。
当敏感膜2发生下凹或上凸的形变时，可动极板15a朝向或远离固定极板15b的方向移动，从而改变了可动极板15a与固定极板15b之间的间隙，使得该平板电容器输出变化的电信号。
在本发明一个优选的实施方式中，上述可动极板通过锚点3连接在敏感膜2的中部，由于敏感膜2中部的形变较为规则，从而可以保证可动极板在单一方向上移动，而不会产生翘起或偏转的现象。
本发明的环境传感器，参考图3，在所述衬底1上还设置有第一参考极板7、第二参考极板(视图未给出)，所述第一参考极板7、第二参考极板构成了电容量不随外界环境变化的基准电容器，所述环境敏感型电容器与基准电容器构成了差分电容结构。由于环境敏感型电容器与基准电容器所处的应用环境相同，因此能够对外界共模干扰产生基本一致的响应，这样，利用基准电容器的输出信号便可以至少部分地滤除环境敏感型电容器输出信号中的共模干扰信号，进而提高环境敏感型电容器输出信号的稳定性及分辨率。
为了进一步使环境敏感型电容器和基准电容器对外界共模干扰的响应基本一致，以最大程度地滤除环境敏感型电容器输出信号中的共模干扰信号，并消除基准电容器输出信号对环境敏感型电容器输出信号中有效信号的影响，该环境敏感型电容器特别是与基准电容器具有相同的结构，从而可以使环境敏感型电容器与基准电容器具有基本相同的初始电容量，该相同的结构包括二者对应部分的材料、形状、尺寸等。
例如当本发明的环境敏感型电容器为叉指式电容器8时，则与其对应的基准电容器9包括多个第一参考极板9a、多个第二参考极板9b，且第一参考极板9a、第二参考极板9b的数量、性状、布置方式甚至材料都与可动极板8a、固定极板8b相同。其中，在衬底1上还设置有用于将所有第一参考极板9a信号引出的电极12，以及将所有第二参考极板9b信号引出的电极13等。
当本发明的敏感型电容器为平板电容器时，则与其对应的基准电容器包括第一参考极板16a、第二参考极板16b，且第一参考极板16a、第二参考极板16b的数量、性状、布置方式甚至材料都与可动极15a、固定极板16b相同。其中，在衬底1上还设置有用于将所有第一参考极板16a信号引出的电极(视图未给出)，以及将所有第二参考极板16b信号引出的电极(视图未给出)等。
本发明还提供了一种环境传感器的制造方法，参考图4，其包括以下步骤：
S1：对衬底1的背面进行刻蚀，以形成容腔以及位于容腔上方的敏感膜2；对衬底1的背面进行刻蚀，形成贯通衬底1下端的容腔，并在衬底1的上端形成敏感膜2，使敏感膜2悬置在容腔的上方；本发明的敏感膜2与衬底1是一体的。
S2：对该容腔的下端进行密封，形成密闭腔体5；例如可通过本领域技术人员所熟知的密封件6对容腔的下端进行密封，使其成为一密闭腔体5。
S3：在衬底1、敏感膜2的上方沉积牺牲层；
S4：在牺牲层的上方沉积导电层，并对其进行图形化刻蚀，以形成可动极板、固定极板；在本发明一个具体的实施方式中，如果形成的是叉指式电容器，可直接对该导电层进行图形化刻蚀，在该导电层上同时形成叉指式电容器的可动极板8a、固定极板8b。在本发明另一具体的实施方式中，如果形成的是平板电容器，则可依次沉积导电层、牺牲层、导电层，在两个导电层上分别形成可动极板15a、固定极板15b。这种通过沉积导电层、牺牲层形成可动极板、固定极板的方法属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
S5：将牺牲层腐蚀掉，将可动极板释放出来；使得可动极板可以随着敏感膜2的形变而发生位移。
在本发明一个优选的实施方式中，为了形成基准电容器，在所述步骤S4中，还包括对导电层进行图形化刻蚀，以形成第一参考极板、第二参考极板的步骤。
本发明还提供了另一种环境传感器的制造方法，参考图5，其包括以下步骤：
S100：在衬底1的上方沉积一层敏感膜层，并对其进行刻蚀形成位于衬底1上方的敏感膜2；为了使敏感膜2与衬底1之间绝缘，可首先在衬底1的上方沉积一层绝缘层，之后再沉积敏感膜层。
S200：在衬底1、敏感膜2的上方沉积牺牲层，并进行刻蚀；
S300：在牺牲层的上方沉积导电层，并对其进行图形化刻蚀，以形成可动极板、固定极板。在本发明一个具体的实施方式中，如果形成的是叉指式电容器，可直接对该导电层进行图形化刻蚀，在该导电层上同时形成叉指式电容器的可动极板8a、固定极板8b。在本发明另一具体的实施方式中，如果形成的是平板电容器，则可依次沉积导电层、牺牲层、导电层，在两个导电层上分别形成可动极板15a、固定极板15b。这种通过沉积导电层、牺牲层形成可动极板、固定极板的方法属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
S400：将牺牲层腐蚀掉，以将可动极板释放出来，使得可动极板可以随着敏感膜2的形变而发生位移。
S500：对衬底1的背面进行刻蚀，形成位于敏感膜2下方的容腔，之后，对该容腔进行密封，例如可通过本领域技术人员所熟知的密封件6对容腔的下端进行密封，使其成为一密闭腔体5。
在本发明一个优选的实施方式中，为了形成基准电容器，在所述步骤S300中，还包括对导电层进行图形化刻蚀，以形成第一参考极板、第二参考极板的步骤。
上述的制造方法采用的是依次沉积、刻蚀的方法，当然还可以采用成型并键合的方式来制造本发明的环境传感器，例如预先在衬底1上形成容腔以及固定电极，然后通过沉积刻蚀等方式形成连接在敏感膜上的可动极板，之后通过键合的方式将敏感膜键合在衬底的容腔位置，并对衬底的容腔进行密封，最终形成了本发明的环境传感器。
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)
1.一种电容式的环境传感器，其特征在于：包括具有容腔的衬底(1)，在所述衬底上(1)设置有悬置在容腔上方的敏感膜(2)，所述敏感膜(2)与衬底(1)的容腔围成了密闭腔体(5)；还包括可动极板(4、8a、15a)，所述可动极板(4、8a、15a)连接在所述敏感膜(2)上；还包括与可动极板(4、8a、15a)构成环境敏感型电容器的固定极板(8b、15b)。
2.根据权利要求1所述的环境传感器，其特征在于：所述可动极板(8a)与固定极板(8b)构成了基于面积变化的叉指式电容器。
3.根据权利要求2所述的环境传感器，其特征在于：所述可动极板(8a)设置有多个，该多个可动极板(8a)呈平行布置的叉指状，所述固定极板(8b)设置有多个，该多个固定极板(8b)呈平行布置的叉指状；所述多个可动极板(8a)分别与对应固定极板(8b)的侧壁相对，构成了基于面积变化的叉指式电容器。
4.根据权利要求1所述的环境传感器，其特征在于：所述可动极板(15a)与固定极板(15b)构成了基于间隙变化的平板电容器。
5.根据权利要求4所述的环境传感器，其特征在于：所述固定极板(15b)通过绝缘层固定在衬底(1)上，且位于可动极板(15a)的正下方。
6.根据权利要求1至5任一项所述的环境传感器，其特征在于：在所述衬底(1)上还设置有第一参考极板(7、9a、16a)、第二参考极板(9b、16b)，所述第一参考极板(7、9a、16a)、第二参考极板(9b、16b)构成了电容量不随外界环境变化的基准电容器；所述环境敏感型电容器与基准电容器构成差分电容结构。
7.根据权利要求6所述的环境传感器，其特征在于：所述基准电容器与环境敏感型电容器的形状、结构一致。
8.根据权利要求1所述的环境传感器，其特征在于：所述可动极板(4、8a、15a)通过锚点(3)连接在敏感膜(2)的中部。
9.一种如权利要求1所述环境传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对衬底(1)的背面进行刻蚀，以形成容腔以及位于容腔上方的敏感膜(2)；
S2：对该容腔的下端进行密封，形成密闭腔体(5)；
S3：在衬底(1)、敏感膜(2)的上方沉积牺牲层；
S4：在牺牲层的上方沉积导电层，并对其进行图形化刻蚀，以形成可动极板、固定极板；
S5：将牺牲层腐蚀掉，将可动极板释放出来。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：在所述步骤S4中，还包括对导电层进行图形化刻蚀，以形成第一参考极板、第二参考极板的步骤。
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