CN106092153A - 一种环境传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境传感器及其制造方法，在所述衬底上还设置有至少一个参考电容器、至少一个检测电容器；其中，所述检测电容器包括检测固定电极以及与外界环境连通的检测敏感膜，所述检测敏感膜与衬底之间形成了密封的第一腔体；所述参考电容器包括参考固定电极、参考敏感膜，所述参考敏感膜与衬底之间形成了密封的第二腔体；所述第一腔体与第二腔体连通；还包括用于隔绝参考敏感膜与外界环境的盖体，所述盖体与参考敏感膜围成了密封的第三腔体；所述第一腔体、第二腔体、第三腔体为非真空环境。本发明的环境传感器，检测电容器与参考电容器可以构成真正意义上的差分电容结构，提高了环境传感器的检测精度。

Description

一种环境传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，更具体地，涉及一种环境传感器，例如压力传感器、温度传感器等；本发明还涉及一种环境传感器的制造方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展，手机、笔记本电脑等电子产品的体积在不断减小，而且人们对这些便携电子产品的性能要求也越来越高，这就要求与之配套的电子零部件的性能也须越来越高。环境传感器作为测量器件，已经普遍应用在可穿戴等电子产品上。

现有的环境传感器，为了滤除输出信号中的共模干扰信号，通常设置电容量不随外界环境变化的基准电容器与检测电容器进行差分，从而来提高传感器输出信号的稳定性。这种差分电容结构并不是真正意义上的差分电容，其只能称为准差分。例如在应用惠斯通电桥时，这种准差分的电容结构无法凸显惠斯通电桥的优势，对共模信号的抑制效果也较差。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种环境传感器的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种环境传感器，包括衬底，在所述衬底上还设置有至少一个参考电容器、至少一个检测电容器；其中，所述检测电容器包括检测固定电极以及与外界环境连通的检测敏感膜，所述检测敏感膜与衬底之间形成了密封的第一腔体；所述参考电容器包括参考固定电极、参考敏感膜，所述参考敏感膜与衬底之间形成了密封的第二腔体；所述第一腔体与第二腔体连通；还包括用于隔绝参考敏感膜与外界环境的盖体，所述盖体与参考敏感膜围成了密封的第三腔体；所述第一腔体、第二腔体、第三腔体为非真空环境。

可选的是，还包括位于衬底上的绝缘层，所述检测固定电极、参考固定电极均设置在所述绝缘层上；所述检测敏感膜、参考敏感膜通过第一支撑部分别支撑在检测固定电极、参考固定电极的上方。

可选的是，所述检测敏感膜、参考敏感膜分别通过键合的方式连接在第一支撑部上。

可选的是，所述检测敏感膜、参考敏感膜为一体的，且二者的安装高度相同。

可选的是，所述衬底、第一支撑部、检测敏感膜围成了密封的第一腔体；所述衬底、第一支撑部、参考敏感膜围成了密封的第二腔体；在所述第一支撑部的相应位置上设置有贯通孔，以连通所述第一腔体、第二腔体。

可选的是，所述盖体包括盖板以及第二支撑部，所述盖板通过第二支撑部支撑在参考敏感膜的上方，所述盖板、第二支撑部、参考敏感膜围成了密封的第三腔体。

可选的是，所述盖板延伸至检测敏感膜的上方，且所述盖板、第二支撑部、检测敏感膜围成了密封的第四腔体，并在所述盖板上或所述第二支撑部上设置有连通外界与第四腔体的导通孔。

可选的是，所述环境传感器为压力传感器。

根据本发明的第二方面，提供了一种环境传感器的制造方法，包括以下步骤：

a)在衬底上沉积绝缘层；

b)在所述绝缘层上设置导电层，并对该导电层进行刻蚀，形成检测固定电极、参考固定电极；

c)在所述衬底的上方设置第一支撑部，并在第一支撑部的相应位置上形成贯通孔；

d)将检测敏感膜、参考敏感膜键合在各自的第一支撑部上，使检测敏感膜、第一支撑部与衬底围成了密封的第一腔体，并使检测敏感膜、检测固定电极构成了检测电容器；使所述参考敏感膜、第一支撑部与衬底围成了密封的第二腔体，并使参考敏感膜、参考固定电极构成了参考电容器；所述第一腔体通过贯通孔与第二腔体连通；

e)在所述参考敏感膜的上方设置盖体，所述盖体与参考敏感膜围成了密封的第三腔体。

可选的是，还包括在第一腔体、第二腔体、第三腔体中充气的步骤。

本发明的环境传感器，由于检测敏感膜与外界环境连通，例如当外界的压力提高时，检测敏感膜则会朝向检测固定电极的方向发生弯曲变形，使得检测敏感膜可以将第一腔体中的气体推向第二腔体，由此可使参考敏感膜朝向远离参考敏感膜的方向发生变形。这就使得参考电容器也可以输出与检测电容器方向相反的变化量，从而使得所述检测电容器与参考电容器可以构成真正意义上的差分电容结构，提高了环境传感器的检测精度。

本发明的发明人发现，在现有技术中，环境传感器的基准电容器对外界环境变化是不敏感的，这就使得其与检测电容器构成的并不是传统意义上的差分电容结构，只能称其为准差分电容结构。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俯视图。

图2是图1中沿A-A位置的剖面图。

图3至图7是本发明环境传感器制造方法的工艺流程图。

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，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2，本发明提供了一种环境传感器，其包括衬底1、形成于所述衬底1上的绝缘层2，还包括形成于所述绝缘层2上的至少一个参考电容器、至少一个检测电容器。通过绝缘层2可以保证衬底1与参考电容器、检测电容器之间的绝缘。本发明的衬底1可以采用单晶硅材料，绝缘层2可以采用氧化硅材料，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。

本发明的环境传感器可以是压力传感器、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周围环境的传感器等。这些传感器的结构及其工作原理均属于本领域技术人员的公知常识；例如当本发明的传感器为压力传感器时，其中的检测电容器则为可随压力变化而发生电容量变化的电容器结构等。

本发明的环境传感器，所述检测电容器包括检测固定电极9以及与外界环境连通的检测敏感膜11，检测固定电极9与检测敏感膜11例如可以构成上下极板式的电容结构。当外界环境变化时，检测敏感膜11则会朝向或远离检测固定电极9的方向发生弯曲变形，由此改变检测敏感膜11与检测固定电极9之间的间隙，从而使检测电容器输出变化的电信号。

本发明的检测敏感膜11与衬底1之间形成了密封的第一腔体10。在本发明一个具体的实施方式中，所述检测固定电极9可以以本领域技术人员所熟知的方式设置在绝缘层2上，所述检测敏感膜11可通过第一支撑部3支撑在检测固定电极9的正上方。第一支撑部3主要起到支撑连接的作用，其下端固定在绝缘层2上，其上端可与检测敏感膜11键合在一起，例如可通过硅-硅键合的方式将检测敏感膜11键合在第一支撑部3的上端，这使得检测敏感膜11、第一支撑部3、衬底1围成了密封的第一腔体10。

第一支撑部3可以采用本领域技术人员所熟知的绝缘材料，例如氧化硅等。在此，上述检测敏感膜11、第一支撑部3、衬底1围成第一腔体10应该被理解为包含以下结构方式：第一支撑部3的下端设置在衬底1的绝缘层2上，或者设置在位于绝缘层2上方的其它部件上，或者直接设置在衬底1上。

本发明的环境传感器，所述参考电容器包括参考固定电极6、参考敏感膜7，参考固定电极6与参考敏感膜7例如可以构成上下极板式的电容结构。该参考敏感膜7在受到外力的时候，会朝向或远离参考固定电极6的方向发生弯曲变形，由此改变参考敏感膜7与参考固定电极6之间的间隙，从而使该参考电容器输出变化的电信号。

本发明的参考敏感膜7与衬底1之间形成了密封的第二腔体8。在本发明一个具体的实施方式中，所述参考固定电极6可以以本领域技术人员所熟知的方式设置在绝缘层2上，所述参考敏感膜7也可以通过上述的第一支撑部3支撑在参考固定电极6的正上方。第一支撑部3主要起到支撑连接的作用，其下端固定在绝缘层2上，其上端可与参考敏感膜7键合在一起，例如可通过硅-硅键合的方式将参考敏感膜7键合在第一支撑部3的上端，这使得参考敏感膜7、第一支撑部3、衬底1围成了密封的第二腔体8。

第一支撑部3可以采用本领域技术人员所熟知的绝缘材料，例如氧化硅等。在此，上述参考敏感膜7、第一支撑部3、衬底1围成第二腔体8应该被理解为包含以下结构方式：第一支撑部3的下端设置在衬底1的绝缘层2上，或者设置在位于绝缘层2上方的其它部件上，或者直接设置在衬底1上。

本发明的第一腔体10与第二腔体8连通在一起，使得第一腔体10与第二腔体8的气压均衡。具体地，例如可在检测电容器、参考电容器之间的第一支撑部3上设置贯通孔15，通过该贯通孔15可使第一腔体10与第二腔体8连通在一起。

本发明的环境传感器，还包括用于隔绝参考敏感膜7与外界环境的盖体，该盖体可以设置在参考敏感膜7的外侧。所述盖体安装好之后，其与参考敏感膜7围成了密封的第三腔体12。通过该盖体可以将参考敏感膜7与外界隔绝开，当外界环境发生变化时，可以防止参考敏感膜7随之发生变化。在本发明一个具体的实施方式中，所述盖体包括盖板5以及第二支撑部4，所述盖板5通过第二支撑部4支撑在参考敏感膜7的上方，使得所述盖板5、第二支撑部4、参考敏感膜7围成了密封的第三腔体12。第二支撑部4可以采用与第一支撑部3相同的材料，例如氧化硅等。

本发明的环境传感器，所述第一腔体10、第二腔体8、第三腔体12为非真空环境。由于检测敏感膜11与外界环境连通，例如当外界的压力提高时，检测敏感膜11则会朝向检测固定电极9的方向发生弯曲变形，使得检测敏感膜11可以将第一腔体10中的气体推向第二腔体8，由此可使参考敏感膜7朝远离参考固定电极6的方向发生变形。这就使得参考电容器可以输出与检测电容器方向相反的变化量，从而使得所述检测电容器与参考电容器可以构成真正意义上的差分电容结构，提高了环境传感器的检测精度。

第一腔体10、第二腔体8与第三腔体12中的气压可以相同，也可以不相同。通过合理的配置，可以使得检测电容器与参考电容器变化的值大小相等。

本发明的环境传感器，为了便于制造，所述检测固定电极9、参考固定电极6可以具有相同的材料、相同高度，检测固定电极9、参考固定电极6可以采用金属或多晶硅等本领域技术人员所熟知的材料。所述检测敏感膜11、参考敏感膜7也可以具有相同的材料、相同的高度，检测敏感膜11、参考敏感膜7例如可以采用单晶硅等本领域技术人员所熟知的材料。本发明的检测敏感膜11、参考敏感膜7可以是相互独立的，也可以为一体结构。这就使得上述各层允许通过逐层沉积或键合的方式来制造，并通过图形化工艺形成各自的结构。更为重要的是，通过相同的材料、工艺、尺寸，可以使参考电容器与检测电容器具有基本相同的初始电容量，从而可以使参考电容器和检测电容器对外界共模干扰的响应基本一致，以最大程度地滤除检测电容器输出信号中的共模干扰信号，并消除参考电容器输出信号对检测电容器输出信号中有效信号的影响。

本发明的环境传感器，为了保护与外界环境连通的检测敏感膜11，可以使盖体将检测敏感膜11也包括在内，在本发明一个具体的实施方式中，所述盖板5延伸至检测敏感膜11的上方，且所述盖板5、第二支撑部4、检测敏感膜11围成了密封的第四腔体13。通过设置的第二支撑部4，使得该第四腔体13与第三腔体12分隔开。其中，为了使检测敏感膜11与外界连通，可在所述盖板5上或所述第二支撑部4上设置导通孔14，通过该导通孔14可使第四腔体13与外界连通起来。

本发明的环境传感器，可以同时包含多组上述的差分电容结构，参考图1，例如可在衬底1上设置第一检测电容器a、第一参考电容器b、第二检测电容器c、第二参考电容器d，其中所述第一检测电容器a与第一参考电容器b构成了一组差分电容结构，第二检测电容器c、第二参考电容器d构成了另一组差分电容结构。该两组差分电容结构可应用在惠斯通电桥中，从而获得环境传感器的输出信号。本发明的环境传感器，为了便于将各电容器的信号引出，在所述衬底1上还可以设置多个焊盘16，通过焊盘16将各自的电信号引出，以便将该环境传感器连接在处理电路中。

本发明还提供了一种环境传感器的制造方法，包括以下步骤：

a)首先可在衬底1上沉积绝缘层2，参考图3；衬底1可以采用本领域技术人员所熟知的单晶硅材料等，为了保证衬底1与其它部件之间的绝缘，在衬底1上可通过本领域技术人员所熟知的沉积的方式形成一层绝缘层2，该绝缘层2可采用氧化硅材料等；

b)在所述绝缘层2上设置导电层，并对该导电层进行刻蚀，形成检测固定电极9、参考固定电极6，参考图4；该导电层可以选择金属材料或者多晶硅材料，本领域技术人员根据材料的种类可以合理选择相应的工艺；通过刻蚀导电层，可形成检测固定电极9和参考固定电极6，并可形成检测固定电极9和参考固定电极6的引出电路，以便后续可将检测电容器、参考电容器的电信号引出；

c)在所述衬底1的上方设置第一支撑部3，对该第一支撑部3进行图案化刻蚀，并在参考电容器、检测电容器之间的第一支撑部3上形成贯通孔15，参考图5；

d)将检测敏感膜11、参考敏感膜7键合在各自的第一支撑部3上，参考图6；检测敏感膜11键合在第一支撑部3上正对检测固定电极9的位置，使得检测敏感膜11、第一支撑部3与衬底1围成了密封的第一腔体10，并使检测敏感膜11、检测固定电极9构成了检测电容器；参考敏感膜7键合在第一支撑部3上正对参考固定电极6的位置，使所述参考敏感膜7、第一支撑部3与衬底1围成了密封的第二腔体8，并使参考敏感膜7、参考固定电极6构成了参考电容器；本发明的参考敏感膜7、检测敏感膜11可以是彼此独立的，也可以是一体结构的；

e)在所述参考敏感膜7的上方设置盖体，所述盖体与参考敏感膜7围成了密封的第三腔体12，参考图1。

本发明的盖体优选包括盖板5以及第二支撑部4，盖板5与第二支撑部4可以是一体成型的；也可以是彼此独立的两个部件，在制造的时候，可以首先在参考敏感膜7上设置第二支撑部4，之后将盖板5键合在该第二支撑部4上。进一步优选的是，为了使盖体可以保护检测敏感膜11，可以使该盖板5延伸至检测敏感膜11的上方，使得盖板5、第二支撑部4、检测敏感膜11围成了密封的第四腔体13，同时在该第四腔体13上设置一导通孔14，使得检测敏感膜11可以与外界连通起来，以对外界的环境变化作出相应的形变。

为了合理配置第一腔体10、第二腔体8、第三腔体12中的气压，本发明的制造方法还包括在第一腔体10、第二腔体8、第三腔体12中充气的步骤，从而可以使第一腔体10、第二腔体8、第三腔体12保持一定的压力。

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)

1.一种环境传感器，其特征在于：包括衬底(1)，在所述衬底(1)上还设置有至少一个参考电容器、至少一个检测电容器；其中，所述检测电容器包括检测固定电极(9)以及与外界环境连通的检测敏感膜(11)，所述检测敏感膜(11)与衬底(1)之间形成了密封的第一腔体(10)；所述参考电容器包括参考固定电极(6)、参考敏感膜(7)，所述参考敏感膜(7)与衬底(1)之间形成了密封的第二腔体(8)；所述第一腔体(10)与第二腔体(8)连通；还包括用于隔绝参考敏感膜(7)与外界环境的盖体，所述盖体与参考敏感膜(7)围成了密封的第三腔体(12)；所述第一腔体(10)、第二腔体(8)、第三腔体(12)为非真空环境。

2.根据权利要求1所述的环境传感器，其特征在于：还包括位于衬底(1)上的绝缘层(2)，所述检测固定电极(9)、参考固定电极(6)均设置在所述绝缘层(2)上；所述检测敏感膜(11)、参考敏感膜(7)通过第一支撑部(3)分别支撑在检测固定电极(9)、参考固定电极(6)的上方。

3.根据权利要求2所述的环境传感器，其特征在于：所述检测敏感膜(11)、参考敏感膜(7)分别通过键合的方式连接在第一支撑部(3)上。

4.根据权利要求2所述的环境传感器，其特征在于：所述检测敏感膜(11)、参考敏感膜(7)为一体的，且二者的安装高度相同。

5.根据权利要求2所述的环境传感器，其特征在于：所述衬底(1)、第一支撑部(3)、检测敏感膜(11)围成了密封的第一腔体(10)；所述衬底(1)、第一支撑部(3)、参考敏感膜(7)围成了密封的第二腔体(8)；在所述第一支撑部(3)的相应位置上设置有贯通孔(15)，以连通所述第一腔体(10)、第二腔体(8)。

6.根据权利要求1所述的环境传感器，其特征在于：所述盖体包括盖板(5)以及第二支撑部(4)，所述盖板(5)通过第二支撑部(4)支撑在参考敏感膜(7)的上方，所述盖板(5)、第二支撑部(4)、参考敏感膜(7)围成了密封的第三腔体(12)。

7.根据权利要求6所述的环境传感器，其特征在于：所述盖板(5)延伸至检测敏感膜(11)的上方，且所述盖板(5)、第二支撑部(4)、检测敏感膜(11)围成了密封的第四腔体(13)，并在所述盖板(5)上或所述第二支撑部(4)上设置有连通外界与第四腔体(13)的导通孔(14)。

8.根据权利要求1所述的环境传感器，其特征在于：所述环境传感器为压力传感器。

9.一种如权利要求1至8任一项所述环境传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)在衬底(1)上沉积绝缘层(2)；

b)在所述绝缘层(2)上设置导电层，并对该导电层进行刻蚀，形成检测固定电极(9)、参考固定电极(6)；

c)在所述衬底(1)的上方设置第一支撑部(3)，并在第一支撑部的相应位置上形成贯通孔(15)；

d)将检测敏感膜(11)、参考敏感膜(7)键合在各自的第一支撑部(3)上，使检测敏感膜(11)、第一支撑部(3)与衬底(1)围成了密封的第一腔体(10)，并使检测敏感膜(11)、检测固定电极(9)构成了检测电容器；使所述参考敏感膜(7)、第一支撑部(3)与衬底(1)围成了密封的第二腔体(8)，并使参考敏感膜(7)、参考固定电极(6)构成了参考电容器；所述第一腔体(10)通过贯通孔(15)与第二腔体(8)连通；

e)在所述参考敏感膜(7)的上方设置盖体，所述盖体与参考敏感膜(7)围成了密封的第三腔体(12)。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：还包括在第一腔体(10)、第二腔体(8)、第三腔体(12)中充气的步骤。