CN107389230A - 一种宽量程高精度集成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，特指一种宽量程高精度集成双膜电容式压力传感器及制作方法，包括玻璃衬底，玻璃衬底上设有浅槽一与浅槽二，浅槽一与浅槽二通过细槽连通，浅槽二中心位置设有浅槽通孔，浅槽通孔从浅槽二底面延至玻璃衬底底面，浅槽一上设有可测量低压差的电容C1，浅槽二上设有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，浅槽通孔通过细槽与可测量低压差的电容C1对应设置，浅槽通孔通过浅槽二与可测量高压差的电容C2对应设置。本发明通过可测量低压差的电容C1与可测量高压差的电容C2分别实现了压力在低压段与高压段的高精度测量。

Description

一种宽量程高精度集成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，特指一种宽量程高精度集成双膜电容式压力传感器及制作方法，尤其是在水平方向上分布的薄厚两层压力敏感膜形成的在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结构。
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。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种宽量程高精度集成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组成，传感器左侧结构自下而上依次为底电极板、薄压力敏感膜、第一支撑材料、形变阻挡膜，右侧结构自下而上依次为厚压力敏感膜、第二支撑材料、顶电极板。左侧结构中底电极板与薄压力敏感膜构成测量低压差的电容C1，右侧结构中，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作用在传感器上时，薄压力敏感膜受压产生向上的形变，导致电容C1由大变小，此时厚压力敏感膜受压力产生的向上的形变极小，导致C2变化量与C1相比可以忽略不计，当薄压力敏感膜的最大形变量达到薄压力敏感膜和形变阻挡膜之间的间距时，薄压力敏感膜和形变阻挡膜接触，形变阻挡膜将抑制薄压力敏感膜的进一步向上弯曲，实现过载保护，同时C1不具备测量更大压力差的能力，而此时厚压力敏感膜在较大压差作用下明显向上弯曲，导致电容C2由小变大，根据电容与极间距的关系，电容C2的变化量随着极间距的减小而增大，确保了C2在高压段量程内具有较高的灵敏度，通过横向平行的两层压力敏感膜的巧妙结合，实现了低压段和高压段的高精度测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种宽量程高精度集成双膜电容式压力传感器，包括玻璃衬底，玻璃衬底上设有浅槽一与浅槽二，浅槽一与浅槽二通过细槽连通，浅槽二中心位置设有浅槽通孔，浅槽通孔从浅槽二底面延至玻璃衬底底面，浅槽一上设有可测量低压差的电容C1，浅槽二上设有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，浅槽通孔通过细槽与可测量低压差的电容C1对应设置，浅槽通孔通过浅槽二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一底面上，薄压力敏感膜左侧覆盖于玻璃衬底上表面，薄压力敏感膜右侧设有薄压力敏感膜通孔，薄压力敏感膜通孔与浅槽二的槽壁齐平设置，薄压力敏感膜左侧通过第一支撑材料间隔设有形变阻挡膜，形变阻挡膜左侧设有形变阻挡膜通孔，形变阻挡膜右侧设有厚压力敏感膜，厚压力敏感膜覆盖于第一支撑材料上，顶电极板通过第二支撑材料间隔设于厚压力敏感膜上方，顶电极板上设有顶电极板通孔。
进一步而言，所述第一支撑材料左侧设有第一支撑材料通孔一，第一支撑材料通孔一与浅槽一的槽壁齐平设置，第一支撑材料右侧设有第一支撑材料通孔二，第一支撑材料通孔二与浅槽二的槽壁齐平设置。
进一步而言，所述第二支撑材料上设有第二支撑材料通孔，第二支撑材料通孔与浅槽二的槽壁齐平设置。
一种宽量程高精度集成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浅槽一与浅槽二；
步骤二，通过氢氟酸溶液腐蚀或激光打孔技术在浅槽二中心位置开浅槽通孔，且浅槽通孔从浅槽二底面延至玻璃衬底底面；
步骤三，通过磁控溅射法在浅槽一底面淀积一层铝，作为底电极板；
步骤四，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，通过光刻和干法工艺刻掉一个区域的薄层硅与二氧化硅介质层；
步骤五，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；
步骤六，通过化学机械抛光技术，将SOI片的体硅层减薄到一定厚度，此时浅槽一上方的薄层硅作为传感器的薄压力敏感膜，浅槽一上方的体硅层作为传感器的形变阻挡膜，浅槽二上方的体硅层作为传感器的厚压力敏感膜；
步骤七，用反应离子刻蚀技术在形变阻挡膜中心位置刻蚀形变阻挡膜通孔；
步骤八，通过化学气相淀积技术和光刻工艺在浅槽二上方的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，用氢氟酸溶液腐蚀浅槽一上方的二氧化硅介质层，保留四周部分作为第一支撑材料，用于释放薄压力敏感膜，用氢氟酸溶液腐蚀浅槽二上方的二氧化硅，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.本发明的形变阻挡膜，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；
3.薄压力敏感膜和厚压力敏感膜均为单一材料构成，精度更容易保证。
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；20.薄压力敏感膜通孔；3.形变阻挡膜；30.形变阻挡膜通孔；4.厚压力敏感膜；5.顶电极板；50.顶电极板通孔；6.第一支撑材料；60.第一支撑材料通孔一；61.第一支撑材料通孔二；7.第二支撑材料；70.第二支撑材料通孔；8.玻璃衬底；80.浅槽一；81.浅槽二；82.细槽；83.浅槽通孔。
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，本发明所述一种宽量程高精度集成双膜电容式压力传感器，包括玻璃衬底8，玻璃衬底8上设有浅槽一80与浅槽二81，浅槽一80与浅槽二81通过细槽82连通，浅槽二81中心位置设有浅槽通孔83，浅槽通孔83从浅槽二81底面延至玻璃衬底8底面，浅槽一80上设有可测量低压差的电容C1，浅槽二81上设有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4与顶电极板5，浅槽通孔83通过细槽82与可测量低压差的电容C1对应设置，浅槽通孔83通过浅槽二81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：压力由浅槽通孔83向上作用在整个传感器表面(即玻璃衬底8底面)，该压力在低压时(厚压力敏感膜4在低压力的影响下形变极小，可忽略不计)通过细槽82传递到浅槽一80，导致薄压力敏感膜2向上弯曲，由底电极板1与薄压力敏感膜2构成的可测量低压差的电容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向上弯曲与形变阻挡膜3接触，形变阻挡膜3抑制薄压力敏感膜2的进一步向上弯曲，防止薄压力敏感膜2在较高压力下破裂，此时，该压力在高压时通过浅槽二81导致厚压力敏感膜4在较高压力下产生了显著的向上形变量，厚压力敏感膜4与顶电极板5构成的可测量高压差的电容C2也随之显著变化，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，本发明的形变阻挡膜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覆盖于浅槽一80底面上，薄压力敏感膜2左侧覆盖于玻璃衬底8上表面，薄压力敏感膜2右侧设有薄压力敏感膜通孔20，薄压力敏感膜通孔20与浅槽二81的槽壁齐平设置，薄压力敏感膜2左侧通过第一支撑材料6间隔设有形变阻挡膜3，形变阻挡膜3左侧设有形变阻挡膜通孔30，形变阻挡膜3右侧设有厚压力敏感膜4，厚压力敏感膜4覆盖于第一支撑材料6上，顶电极板5通过第二支撑材料7间隔设于厚压力敏感膜4上方，顶电极板5上设有顶电极板通孔50。采用这样的结构设置，本发明利用横向平行分布的两层厚度不同的压力敏感膜与固定极板分别构成两个电容式压力传感器，浅槽一80位置的底电极板1与薄压力敏感膜2构成可测量低压差的电容C1，浅槽二81位置的厚压力敏感膜4与顶电极板5构成可测量高压差的电容C2。
更具体而言，所述第一支撑材料6左侧设有第一支撑材料通孔一60，第一支撑材料通孔一60与浅槽一80的槽壁齐平设置，第一支撑材料6右侧设有第一支撑材料通孔二61，第一支撑材料通孔二61与浅槽二81的槽壁齐平设置。采用这样的结构设置，通过第一支撑材料通孔一60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。
更具体而言，所述第二支撑材料7上设有第二支撑材料通孔70，第二支撑材料通孔70与浅槽二81的槽壁齐平设置。采用这样的结构设置，通过第二支撑材料通孔70用于释放厚压力敏感膜4，便于厚压力敏感膜4受高压弯曲。
一种宽量程高精度集成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8，用氢氟酸溶液在其上表面刻蚀带有细槽82连通的浅槽一80与浅槽二81(如图3所示)；
步骤二，通过氢氟酸溶液腐蚀或激光打孔技术在浅槽二81中心位置开浅槽通孔83，且浅槽通孔83从浅槽二81底面延至玻璃衬底8底面(如图4所示)；
步骤三，通过磁控溅射法在浅槽一80底面淀积一层铝，作为底电极板1(如图5所示)；步骤四，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，通过光刻和干法工艺刻掉一个区域的薄层硅与二氧化硅介质层(如图6所示)；
步骤五，通过阳极键合技术，将玻璃衬底8与SOI片对准键合在一起，键合面为玻璃衬底8的上表面与薄层硅的上表面(如图7所示)；
步骤六，通过化学机械抛光技术，将SOI片的体硅层减薄到一定厚度，此时浅槽一80上方的薄层硅作为传感器的薄压力敏感膜2，浅槽一80上方的体硅层作为传感器的形变阻挡膜3，浅槽二81上方的体硅层作为传感器的厚压力敏感膜4(如图8所示)；
步骤七，用反应离子刻蚀技术在形变阻挡膜3中心位置刻蚀形变阻挡膜通孔30(如图9所示)；
步骤八，通过化学气相淀积技术和光刻工艺在浅槽二81上方的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5(如图11所示)；
步骤十，用氢氟酸溶液腐蚀浅槽一80上方的二氧化硅介质层，保留四周部分作为第一支撑材料6，用于释放薄压力敏感膜2，用氢氟酸溶液腐蚀浅槽二81上方的二氧化硅，保留四周部分作为第二支撑材料7，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)

1.一种宽量程高精度集成双膜电容式压力传感器，其特征在于：包括玻璃衬底(8)，所述玻璃衬底(8)上设有浅槽一(80)与浅槽二(81)，所述浅槽一(80)与浅槽二(81)通过细槽(82)连通，所述浅槽二(81)中心位置设有浅槽通孔(83)，所述浅槽通孔(83)从浅槽二(81)底面延至玻璃衬底(8)底面，所述浅槽一(80)上设有可测量低压差的电容C1，所述浅槽二(81)上设有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(4)与顶电极板(5)，所述浅槽通孔(83)通过细槽(82)与可测量低压差的电容C1对应设置，所述浅槽通孔(83)通过浅槽二(81)与可测量高压差的电容C2对应设置。
2.根据权利要求1所述的一种宽量程高精度集成双膜电容式压力传感器，其特征在于：所述底电极板(1)覆盖于浅槽一(80)底面上，所述薄压力敏感膜(2)左侧覆盖于玻璃衬底(8)上表面，所述薄压力敏感膜(2)右侧设有薄压力敏感膜通孔(20)，所述薄压力敏感膜通孔(20)与浅槽二(81)的槽壁齐平设置，所述薄压力敏感膜(2)左侧通过第一支撑材料(6)间隔设有形变阻挡膜(3)，所述形变阻挡膜(3)左侧设有形变阻挡膜通孔(30)，所述形变阻挡膜(3)右侧设有厚压力敏感膜(4)，所述厚压力敏感膜(4)覆盖于第一支撑材料(6)上，所述顶电极板(5)通过第二支撑材料(7)间隔设于厚压力敏感膜(4)上方，所述顶电极板(5)上设有顶电极板通孔(50)。
3.根据权利要求2所述的一种宽量程高精度集成双膜电容式压力传感器，其特征在于：所述第一支撑材料(6)左侧设有第一支撑材料通孔一(60)，所述第一支撑材料通孔一(60)与浅槽一(80)的槽壁齐平设置，所述第一支撑材料(6)右侧设有第一支撑材料通孔二(61)，所述第一支撑材料通孔二(61)与浅槽二(81)的槽壁齐平设置。
4.根据权利要求2所述的一种宽量程高精度集成双膜电容式压力传感器，其特征在于：所述第二支撑材料(7)上设有第二支撑材料通孔(70)，所述第二支撑材料通孔(70)与浅槽二(81)的槽壁齐平设置。
5.根据权利要求1～4所述的一种宽量程高精度集成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(8)，用氢氟酸溶液在其上表面刻蚀带有细槽(82)连通的浅槽一(80)与浅槽二(81)；
步骤二，通过氢氟酸溶液腐蚀或激光打孔技术在浅槽二(81)中心位置开浅槽通孔(83)，且浅槽通孔(83)从浅槽二(81)底面延至玻璃衬底(8)底面；
步骤三，通过磁控溅射法在浅槽一(80)底面淀积一层铝，作为底电极板(1)；
步骤四，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，通过光刻和干法工艺刻掉一个区域的薄层硅与二氧化硅介质层；
步骤五，通过阳极键合技术，将玻璃衬底(8)与SOI片对准键合在一起，键合面为玻璃衬底(8)的上表面与薄层硅的上表面；
步骤六，通过化学机械抛光技术，将SOI片的体硅层减薄到一定厚度，此时浅槽一(80)上方的薄层硅作为传感器的薄压力敏感膜(2)，浅槽一(80)上方的体硅层作为传感器的形变阻挡膜(3)，浅槽二(81)上方的体硅层作为传感器的厚压力敏感膜(4)；
步骤七，用反应离子刻蚀技术在形变阻挡膜(3)中心位置刻蚀形变阻挡膜通孔(30)；
步骤八，通过化学气相淀积技术和光刻工艺在浅槽二(81)上方的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(5)；
步骤十，用氢氟酸溶液腐蚀浅槽一(80)上方的二氧化硅介质层，保留四周部分作为第一支撑材料(6)，用于释放薄压力敏感膜(2)，用氢氟酸溶液腐蚀浅槽二(81)上方的二氧化硅，保留四周部分作为第二支撑材料(7)，用于释放厚压力敏感膜(4)。
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