CN107290083A - 一种可单面封装的双膜电容式压力传感器及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及压力传感器技术领域，特指一种可单面封装的双膜电容式压力传感器及制作方法，包括玻璃衬底，玻璃衬底上设有小浅槽与大浅槽，小浅槽通过细槽连通于大浅槽，大浅槽上设有可测量低压差的电容C1与可测量高压差的电容C2，可测量低压差的电容C1包括底电极板与薄压力敏感膜，可测量高压差的电容C2包括厚压力敏感膜与顶电极板，小浅槽通过细槽与可测量低压差的电容C1对应设置，可测量低压差的电容C1与可测量高压差的电容C2对应设置。本发明采用变间距原理实现压力到电容的转换，可测量低压差的电容C1与可测量高压差的电容C2分别实现了低压段与高压段的高精度测量，不仅提高了压力测量精度，也提升了传感器的测量范围。

Description

一种可单面封装的双膜电容式压力传感器及制作方法
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，特指一种可单面封装的双膜电容式压力传感器及制作方法，尤其是在受力方向上薄厚两层压力敏感膜的组合形成的低压段与高压段同时具有较高的测量灵敏度的压力传感器。
背景技术
压力传感器在医疗、卫生、工业过程控制、汽车电子、消费电子领域都有广泛的应用。市场上已有的压力传感器种类繁多，根据测量原理的不同大致有：应变式、硅压阻式、压电式、电容式、谐振式等几大类。其中，电容式压力传感器因其具有灵敏高、响应速度快、受温度影响小等优点，是压阻式压力传感器的理想升级产品。其原理是利用电容与有效极板面积、极板间距的关系实现压力信号到电信号的转换。传统电容式压力传感器，因为自身结构的特点，量程与灵敏度之间相互制约，为取得较高的灵敏度，必然以牺牲量程为代价，这限制了该类传感器的应用范围。而传统传感器为了节省芯片面积，往往通过背面感压的方式测量压力差，这类结构需要对衬底进行正反两面的加工，而双面工艺的引入使传感器的制造难度加大、工艺可靠性降低。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种可单面封装的双膜电容式压力传感器及制作方法，该测量结构主要由厚度不同的两层压力敏感膜以及固定的两层极板以及带有导压通道的浅槽组成，根据所处位置，结构自下而上依次为底面极板、薄压力敏感膜、厚压力敏感膜、顶电极板，在衬底上表面的一侧设有浅槽入口与传感器的工作区的浅槽相连，薄压力敏感膜与厚压力敏感膜间保留一定的间距，其边缘采用支撑材料固定，厚压力敏感膜与顶电极板周围夹以绝缘支撑材料形成电隔离和控制间距，底电极板与薄压力敏感膜构成测量低压差的电容C1，厚压力敏感膜与顶电极板构成测量高压差的电容C2，当有一个微小的压力差通过正面的浅槽入口进入浅槽时，薄压力敏感膜受压产生向上的形变，导致电容C1由大变小而C2保持不变，当薄压力敏感膜的最大形变量超过薄压力敏感膜和厚压力敏感膜之间的间距时，薄压力敏感膜和厚压力敏感膜接触并传递压力到厚压力敏感膜上，此时C2发生变化，开始随着压力的增大而增大，此时压力的测量将由C2来实现，通过两层压力敏感膜的巧妙结合，实现了电容式压力传感器量程与灵敏度的兼顾。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种可单面封装的双膜电容式压力传感器，包括玻璃衬底，玻璃衬底上设有小浅槽与大浅槽，小浅槽通过细槽连通于大浅槽，大浅槽上设有可测量低压差的电容C1与可测量高压差的电容C2，可测量低压差的电容C1包括底电极板与薄压力敏感膜，可测量高压差的电容C2包括厚压力敏感膜与顶电极板，小浅槽通过细槽与可测量低压差的电容C1对应设置，可测量低压差的电容C1与可测量高压差的电容C2对应设置。
进一步而言，所述底电极板覆盖于浅槽底面上，薄压力敏感膜覆盖于玻璃衬底上表面，厚压力敏感膜与薄压力敏感膜之间设有第一支撑材料，顶电极板与厚压力敏感膜之间设有第二支撑材料。
进一步而言，所述第一支撑材料设于薄压力敏感膜上表面周边位置，且与浅槽的槽壁齐平设置，第二支撑材料设于厚压力敏感膜上表面周边位置，且与浅槽的槽壁齐平设置。
进一步而言，所述顶电极板上设有顶电极板通孔，厚压力敏感膜中心位置上设有厚压力敏感膜通孔。
一种可单面封装的双膜电容式压力传感器，其制作方法，步骤如下：
步骤一，准备清洗好的玻璃衬底，用氢氟酸溶液在其上表面刻蚀带有细槽连通的小浅槽与大浅槽；
步骤二，通过磁控溅射法在大浅槽底面淀积一层铝，作为底电极板；
步骤三，准备清洗好的SOI片，三层材料处上而下分别是薄层硅、二氧化硅介质层与体硅层；
步骤四，通过阳极键合技术，将玻璃衬底与SOI片对准键合在一起，键合面为玻璃衬底的上表面与薄层硅的上表面；
步骤五，通过化学机械抛光技术，将SOI片的体硅层减薄到一定厚度；
步骤六，采用干法刻蚀工艺，图形化刻蚀SOI片，露出小浅槽和部分细槽；
步骤七，采用反应离子刻蚀技术在体硅层中心位置刻蚀厚压力敏感膜通孔；
步骤八，通过化学气相淀积技术在体硅层上淀积一层二氧化硅；
步骤九，通过磁控溅射法在步骤八淀积的二氧化硅上淀积金属铬，并通过剥离技术将中心位置的铬去除，剩余部分作为顶电极板；
步骤十，用氢氟酸溶液腐蚀步骤四中的二氧化硅介质层，保留四周部分作为第一支撑材料，用于释放薄压力敏感膜，用氢氟酸溶液腐蚀步骤八中的二氧化硅，保留四周部分作为第二支撑材料，用于释放厚压力敏感膜。
本发明有益效果：
1.本发明采用变间距原理实现压力到电容的转换，可测量低压差的电容C1与可测量高压差的电容C2分别实现了低压段与高压段的高精度测量，不仅提高了压力测量精度，也提升了传感器的测量范围；
2.压差由小浅槽作用于传感器的感压结构避免了双面加工工艺的引入，降低了加工难度；
3.本发明薄压力敏感膜和厚压力敏感膜的有机结合，有效解决了薄压力敏感膜在高压测量时的过载保护问题，使传感器的测量范围加大且可靠性提高。
附图说明
图1是本发明整体结构俯视图；
图2是图1中A-A位置剖视图；
图3～图12是本发明制作流程图。
1.底电极板；2.薄压力敏感膜；3.厚压力敏感膜；30.厚压力敏感膜通孔；4.顶电极板；40.顶电极板通孔；5.第一支撑材料；6.第二支撑材料；7.玻璃衬底；70.大浅槽；8.小浅槽；9.细槽。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
如图1和图2所示，本发明所述一种可单面封装的双膜电容式压力传感器，包括玻璃衬底7，玻璃衬底7上设有小浅槽8与大浅槽70，小浅槽8通过细槽9连通于大浅槽70，大浅槽70上设有可测量低压差的电容C1与可测量高压差的电容C2，可测量低压差的电容C1包括底电极板1与薄压力敏感膜2，可测量高压差的电容C2包括厚压力敏感膜3与顶电极板4，小浅槽8通过细槽9与可测量低压差的电容C1对应设置，可测量低压差的电容C1与可测量高压差的电容C2对应设置。以上所述构成本发明基本结构。
本发明采用这样的结构设置，其工作原理：小浅槽8相对于顶电极板4施加压力差(需要传感器加上外壳封装之后才能正常测试)，该压力在低压时导致薄压力敏感膜2向上弯曲，由薄压力敏感膜2和底电极板1构成的电容C1开始随压力增大而减小，当压力达到一定值后，薄压力敏感膜2向上弯曲且与厚压力敏感膜3接触，防止薄压力敏感膜2在较高压力下破裂，此时，薄压力敏感膜2与厚压力敏感膜3组合形成复合膜，在高压力段上，由薄压力敏感膜2与厚压力敏感膜3组合形成复合膜与顶电极板4组成的电容C2开始随压力增加而增加，其灵敏度也随压力增大而增大。本发明采用变间距原理实现压力到电容的转换，可测量低压差的电容C1与可测量高压差的电容C2分别实现了低压段与高压段的高精度测量，不仅提高了压力测量精度，也提升了传感器的测量范围。另外，本发明的厚压力敏感膜3，有效解决了薄压力敏感膜2在高压测量时的过载保护问题，使传感器的测量范围加大且可靠性提高。
更具体而言，所述底电极板1覆盖于浅槽70底面上，薄压力敏感膜2覆盖于玻璃衬底7上表面，厚压力敏感膜3与薄压力敏感膜2之间设有第一支撑材料5，顶电极板4与厚压力敏感膜3之间设有第二支撑材料6。采用这样的结构设置，本发明所述薄压力敏感膜2与厚压力敏感膜3采用垂直结构，有效节省了芯片面积，有利于减小封装体积，降低生产成本，同时厚压力敏感膜3和薄压力敏感膜2的有机结合，有效解决了薄压力敏感膜2在高压测量时的过载保护问题，使传感器的测量范围加大且可靠性提高。
更具体而言，所述第一支撑材料5设于薄压力敏感膜2上表面周边位置，且与浅槽70的槽壁齐平设置，第二支撑材料6设于厚压力敏感膜3上表面周边位置，且与浅槽70的槽壁齐平设置。采用这样的结构设置，通过第一支撑材料5用于释放薄压力敏感膜2，便于薄压力敏感膜2受低压力弯曲，通过第二支撑材料6用于释放厚压力敏感膜3，便于厚压力敏感膜3受高压力弯曲。
更具体而言，所述顶电极板4上设有顶电极板通孔40，厚压力敏感膜3中心位置上设有厚压力敏感膜通孔30。采用这样的结构设置，以方便压差能作用在薄压力敏感膜2上。
一种可单面封装的双膜电容式压力传感器，其制作方法，步骤如下：
步骤一，准备清洗好的玻璃衬底7，用氢氟酸溶液在其上表面刻蚀带有细槽9连通的小浅槽8与大浅槽70(如图3所示)；
步骤二，通过磁控溅射法在大浅槽70底面淀积一层铝，作为底电极板1(如图4所示)；
步骤三，准备清洗好的SOI片，三层材料处上而下分别是薄层硅、二氧化硅介质层与体硅层(如图5所示)；
步骤四，通过阳极键合技术，将玻璃衬底7与SOI片对准键合在一起，键合面为玻璃衬底7的上表面与薄层硅的上表面(如图6所示)；
步骤五，通过化学机械抛光技术，将SOI片的体硅层减薄到一定厚度(如图7所示)；
步骤六，采用干法刻蚀工艺，图形化刻蚀SOI片，露出小浅槽8和部分细槽9(如图8所示)；
步骤七，采用反应离子刻蚀技术在体硅层中心位置刻蚀厚压力敏感膜通孔30(如图9所示)；
步骤八，通过化学气相淀积技术在体硅层上淀积一层二氧化硅(如图10所示)；
步骤九，通过磁控溅射法在步骤八淀积的二氧化硅上淀积金属铬，并通过剥离技术将中心位置的铬去除，剩余部分作为顶电极板4(如图11所示)；
步骤十，用氢氟酸溶液腐蚀步骤四中的二氧化硅介质层，保留四周部分作为第一支撑材料5，用于释放薄压力敏感膜2，用氢氟酸溶液腐蚀步骤八中的二氧化硅，保留四周部分作为第二支撑材料6，用于释放厚压力敏感膜4(如图12所示)。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可单面封装的双膜电容式压力传感器，其特征在于：包括玻璃衬底(7)，所述玻璃衬底(7)上设有小浅槽(8)与大浅槽(70)，所述小浅槽(8)通过细槽(9)连通于大浅槽(70)，所述大浅槽(70)上设有可测量低压差的电容C1与可测量高压差的电容C2，所述可测量低压差的电容C1包括底电极板(1)与薄压力敏感膜(2)，所述可测量高压差的电容C2包括厚压力敏感膜(3)与顶电极板(4)，所述小浅槽(8)通过细槽(9)与可测量低压差的电容C1对应设置，所述可测量低压差的电容C1与可测量高压差的电容C2对应设置。
2.根据权利要求1所述的一种可单面封装的双膜电容式压力传感器，其特征在于：所述底电极板(1)覆盖于浅槽(70)底面上，所述薄压力敏感膜(2)覆盖于玻璃衬底(7)上表面，所述厚压力敏感膜(3)与薄压力敏感膜(2)之间设有第一支撑材料(5)，所述顶电极板(4)与厚压力敏感膜(3)之间设有第二支撑材料(6)。
3.根据权利要求2所述的一种可单面封装的双膜电容式压力传感器，其特征在于：所述第一支撑材料(5)设于薄压力敏感膜(2)上表面周边位置，且与浅槽(70)的槽壁齐平设置，所述第二支撑材料(6)设于厚压力敏感膜(3)上表面周边位置，且与浅槽(70)的槽壁齐平设置。
4.根据权利要求2所述的一种可单面封装的双膜电容式压力传感器，其特征在于：所述顶电极板(4)上设有顶电极板通孔(40)，所述厚压力敏感膜(3)中心位置上设有厚压力敏感膜通孔(30)。
5.根据权利要求1～4所述的一种可单面封装的双膜电容式压力传感器，其制作方法，步骤如下：
步骤一，准备清洗好的玻璃衬底(7)，用氢氟酸溶液在其上表面刻蚀带有细槽(9)连通的小浅槽(8)与大浅槽(70)；
步骤二，通过磁控溅射法在大浅槽(70)底面淀积一层铝，作为底电极板(1)；
步骤三，准备清洗好的SOI片，三层材料处上而下分别是薄层硅、二氧化硅介质层与体硅层；
步骤四，通过阳极键合技术，将玻璃衬底(7)与SOI片对准键合在一起，键合面为玻璃衬底(7)的上表面与薄层硅的上表面；
步骤五，通过化学机械抛光技术，将SOI片的体硅层减薄到一定厚度；
步骤六，采用干法刻蚀工艺，图形化刻蚀SOI片，露出小浅槽(8)和部分细槽(9)；
步骤七，采用反应离子刻蚀技术在体硅层中心位置刻蚀厚压力敏感膜通孔(30)；
步骤八，通过化学气相淀积技术在体硅层上淀积一层二氧化硅；
步骤九，通过磁控溅射法在步骤八淀积的二氧化硅上淀积金属铬，并通过剥离技术将中心位置的铬去除，剩余部分作为顶电极板(4)；
步骤十，用氢氟酸溶液腐蚀步骤四中的二氧化硅介质层，保留四周部分作为第一支撑材料(5)，用于释放薄压力敏感膜(2)，用氢氟酸溶液腐蚀步骤八中的二氧化硅，保留四周部分作为第二支撑材料(6)，用于释放厚压力敏感膜(4)。
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