CN107515060B - 一种电容式压力传感器、线性补偿方法及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电容式压力传感器、线性补偿方法及制备方法，所述电容式压力传感器包括衬底、形成在该衬底层的导电区域、该导电区域作为电容单元的下电极，所述电容单元还包括形成在所述下电极上的绝缘介质层以及形成在所述绝缘介质层上的上电极，所述电容单元包括并联的且具有不同电极面积的第一电容单元和第二电容单元；所述第一电容单元为接触式电容单元并具有第一密封腔；所述第二电容单元为非接触式电容单元并具有第二密封腔。本发明通过线性补偿方法，实现包括不同电极面积的接触式电容单元和非接触式电容单元组合的结构，能够解决非线性问题，并且提高整个传感器结构的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统领域(MEMS)，特别地涉及一种带线性补偿的电容式压力传感器、线性补偿方法及制备方法。
背景技术
现有的压力传感器的感应方式主要包括两种：压阻感应和电容感应。压阻感应的原理是在压力作用下，由于膜变形产生的应力导致膜上电阻发生变化。电容式压力传感器一般是将传感器设计成一个平板电容结构，将电容的其中一个极板设计为可动结构。电容式压力传感器的感压模式一般可以分为两种。一种模式是非接触式：压力作用下，可动电极发生形变或位移，极板间距发生变化，传感器的电容值随之改变。另一种模式是接触式：压力作用下，可动电极发生形变，上下极板的最大形变达到了两个极板的初始间距，并与空腔的下表面接触。随着压力的增大，接触面积增大。然而，这两种压力传感器都存在缺陷： (1)关于压阻式压力传感器，一般对结构设计的要求很高，对压敏电阻材料的电阻率，电阻形状以及摆放位置等都有严格要求，而且加工工艺的要求也很高，加工时必须保证构成惠斯通电桥的四个压敏电阻阻值完全相等，否则就会导致传感器的零点漂移等问题；压阻式压力传感器的功耗一般比较高，随着物联网技术的发展，无线传感器节点的供电问题对功耗提出了严格的限制，该要求限制了压阻式压力传感器在物联网中的应用。(2)关于电容式压力传感器，现有的基于变间距和基于变极板接触面积的电容式压力传感器虽然具有功耗低，温漂小等特点，但也存在一个缺点，即器件的非线性。由于电容值与极板间距或接触面积之间的变化关系是非线性的，导致电容值与待测压力之间变化关系的非线性。
因此，针对现有的平板式电容压力传感器结构有必要进行改进，并且提出一种带线性补偿的电容式压力传感器及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提出了一种全新的电容式压力传感器，具体地，本发明提出的方案如下：
一种电容式压力传感器，所述电容式压力传感器包括衬底、形成在该衬底层的导电区域、该导电区域作为电容单元的下电极，所述电容单元还包括形成在所述下电极上的绝缘介质层以及形成在所述绝缘介质层上的上电极，所述电容单元包括并联的且具有不同电极面积的第一电容单元和第二电容单元；所述第一电容单元为接触式电容单元并具有第一密封腔；所述第二电容单元为非接触式电容单元并具有第二密封腔。
作为一种改进，所述第一电容单元、所述第二电容单元均包括固定下电极、与该固定下电极相对的可动上电极、在该固定下电极上的绝缘介质层以及该绝缘介质层和该可动上电极围成的密封腔。
作为一种改进，所述绝缘介质层包括二氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅之一或者组合。
作为一种改进，所述第一电容单元的电极面积大于所述第二电容单元的电极面积。
本发明提供了一种用于本发明的电容式压力传感器的线性补偿方法，所述线性补偿方法包括：
设置第一电容单元，确定该第一电容单元的尺寸及结构，利用二次函数拟合压力和电容之间的函数关系CA～f1(P)；
设置第二电容单元，确定该第二电容单元的尺寸及结构，利用二次函数拟合压力和电容之间的函数关系Cd～f2(P)；
对所述第一电容单元和所述第二电容单元的压力-电容函数关系进行线性拟合，线性关系为C＝k1CA+k2Cd，其中，k1为第一电容单元的个数，k2为第二电容单元的个数，k1、k2均为整数且大于零，使得输出的电容与压力之间的变化关系近似为线性；其中C表示电容值、 P为压力值，所述第一电容单元、所述第二电容单元具有不同电极面积，且所述第一电容单元为接触式电容单元并具有第一密封腔；所述第二电容单元为非接触式电容单元并具有第二密封腔。
作为一种改进，函数关系CA～f1(P)＝a1p2+b1p+c1，其中，a1、b1、c1为常数且a1＜0，即 CA是凹函数；函数关系Cd～f2(P)＝a2p2+b2p+c2，其中，a2、b2、c2为常数且a2＞0，即Cd是凸函数。
作为一种改进，所述第一电容单元、所述第二电容单元的电极为矩形，其电极边长介于100-300μm，所述第一电容单元、所述第二电容单元的上下电极之间的间距在10μm以下。
本发明还提供了一种电容式压力传感器的制备方法，所述制备方法包括：
准备单面抛光的衬底材料，在衬底的抛光面上旋涂光刻胶，并光刻形成各电容单元的下电极区域，掺杂所述下电极区域；
去除位于所述衬底上表面的光刻胶，沉积所述电容单元的绝缘介质层；
在所述绝缘介质层上沉积牺牲层，所述牺牲层用于形成所述电容单元的密闭空腔；
在所述牺牲层上沉积第一金属层，所述第一金属层用于形成所述电容单元的可动上电极；
刻蚀所述第一金属层形成释放孔，腐蚀去除所述牺牲层，形成所述电容单元的位于所述下电极、所述上电极之间的空腔；
沉积第二金属层以密封所述第一金属层上的释放孔；
其中，所述电容单元包括并联的且具有不同电极面积的第一电容单元和第二电容单元；所述第一电容单元为接触式电容单元并具有第一密封腔；所述第二电容单元为非接触式电容单元并具有第二密封腔。
作为一种改进，所述第一电容单元的电极面积大于所述第二电容单元的电极面积。
作为一种改进，所述第一电容单元、所述第二电容单元均包括固定下电极、与该固定下电极相对的可动上电极、在该固定下电极上的绝缘介质层以及该绝缘介质层和该可动上电极围成的密封腔。
本发明的有益效果：
(1)基于极板间距变化和极板接触面积变化的电容式传感器的感压机制决定了加工出的传感器存在非线性，采用接触式电容单元和非接触式电容单元结合的结构，改善了电容式传感器的线性度；该结构具有多个并联的电容单元，由此提高整个传感器结构的灵敏度；
(2)与传统的非线性补偿的方法相比，本发明通过线性补偿方法，实现包括不同电极面积的接触式电容单元和非接触式电容单元组合的结构，以解决非线性问题；该线性补偿方法具有较大的灵活性，并且补偿效果较好；
(3)本发明的制备方法简单，制备过程不需要用到十分复杂的工艺步骤。
附图说明
图1是本发明的电容式压力传感器的俯视图。
图2是沿图1的A-A线剖切的剖视图。
图中：1.衬底，2.第一电容单元，3.第二电容单元，4.压焊块，20.第一密封腔，21.第一固定下电极，22.第一可动上电极，23.第一绝缘介质层，30.第二密封腔，31.第二固定下电极，32.第二可动上电极，33.第二绝缘介质层。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
实施例1
参照图1和图2，以下将对本发明进行详细的说明。本发明提出了一种电容式压力传感器，该电容式压力传感器包括：衬底1，比如为硅基片；形成在该衬底的导电区域，该导电区域作为电容单元的下电极；该电容单元还包括形成在下电极上的绝缘介质层以及形成在该绝缘介质层上的上电极；形成在下电极的接触孔；以及位于与该接触孔的位置对应的位置的压焊块4。
具体地，该电容式压力传感器包括形成在该重掺杂区上的多个并联的电容单元，该多个电容单元包括具有不同电极面积的第一电容单元2和第二电容单元3，其中，第一电容单元2作为接触式电容单元并具有第一密封腔20，第二电容单元3作为非接触式电容单元并具有第二密封腔30。
进一步地，第一电容单元2包括第一固定下电极21、与该第一固定下电极21相对的第一可动上电极22、在第一固定下电极21上的第一绝缘介质层23以及第一绝缘介质层23和第一可动上电极22围成的第一密封腔20，其中，第一可动上电极22为弹性薄膜、该弹性薄膜为通过溅射或蒸发工艺形成的金属材料，比如包括金、铝、钼、铜、银等其中之一或者其组合，第一绝缘介质层23包括二氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅之一或者组合，第一密封腔20通过例如牺牲层释放的方式而形成。
另外，第二电容单元3与第一电容单元2的结构相同，第二电容单元3包括第二固定下电极31、与该第二固定下电极31相对的第二可动上电极32、在第二固定下电极31上的第一绝缘介质层33以及第二绝缘介质层33和第二可动上电极32围成的第二密封腔30；第二电容单元3的电极面积小于第一电容单元2的电极面积。如图2所示，第一电容单元2 和第二电容单元3的电极例如为正方形等的多边形，该多边形的边长在100-300μm的范围内，并且上、下电极之间的间距为10μm以下。在本实施方式中，为正方形，第一电容单元 2的电极边长为250μm，第二电容单元3的电极边长为150μm；第一电容单元2数量为一个，第二电容单元3的数量为八个，但是这仅作为说明的示例，不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，第一固定下电极21和第二固定下电极31为同一层电极材料；第一绝缘介质层23和第二绝缘介质层33为同一层绝缘材料；第一可动上电极22和第二可动上电极32为同一层电极材料。
与现有技术相比，本发明利用采用接触式电容单元和非接触式电容单元结合的结构，利用两种模式下的压力-电容函数的凹凸特性相互补偿非线性，使得输出的电容与压力之间的变化关系近似为线性，因此，改善了传感器的线性度，并且提高了传感器结构的灵敏度。
实施例2
本发明还提供一种对电容式压力传感器的结构进行线性补偿的方法，本发明利用采用接触式电容单元和非接触式电容单元两种模式下的压力-电容函数的凹凸特性相互补偿非线性，以改善整个结构的非线性。
本发明的电容式压力传感器的线性补偿方法包括如下的步骤：
(1)设置第一电容单元，根据目前的MEMS工艺水平，确定能够制备本发明的第一电容单元的尺寸及结构，如图2所示，第一电容单元的电极例如为正方形等的多边形，该多边形的边长在100-300μm的范围内，确定该边长的具体数值；该第一电容单元的第一可动上电极在压力作用下发生弯曲变形，并且最大形变量达到上、下电极之间的初始间距；随着压力增大，接触区域的面积逐渐增大，电容值增大，压力和电容的关系利用二次函数拟合为CA～f1(P)＝a1p2+b1p+c1(a1，b1，c1为常数且a1＜0)，即CA是凹函数，其中CA表示电容值、P为压力值；
(2)设置第二电容单元，根据目前的MEMS工艺水平，确定能够制备本发明的第二电容单元的尺寸及结构，同样地，第二电容单元的电极例如为正方形等的多边形，该多边形的边长在100-300μm的范围内，确定该边长的具体数值；上、下电极之间的间距优选为 10μm以下；该第二电容单元的第二可动上电极在压力作用下发生弯曲变形，并且最大形变量始终小于上、下电极之间的初始间距；随着上、下电极之间的间距减小，电容值增大，压力和电容的关系利用二次函数拟合为Cd～f2(P)＝a2p2+b2p+c2(a2，b2，c2为常数且a2＞0)，即Cd是凸函数，其中Cd表示电容值、P为压力值；
(3)对第一电容单元和第二电容单元的压力-电容函数关系进行线性拟合，线性关系为 C＝k1CA+k2Cd，其中，k1为第一电容单元的个数，k2为第二电容单元的个数，k1、k2均为整数且大于零，即利用压力-电容函数的凹凸特性相互补偿非线性，使得输出的电容与压力之间的变化关系近似为线性，从而解决电容式传感器的非线性问题；
其中，第一电容单元、第二电容单元的电极为矩形，其电极边长在100-300μm的范围内；第一电容单元、第二电容单元的上下电极之间的间距在10μm以下。
工作机制
当外界压力作用于本发明的电容式传感器时，第一电容单元的第一可动上电极向下弯曲；随着压力的增大，第一可动上电极和第一固定下电极之间的贴合面积增大；当压力大到一定数值之后，第一可动上电极的最大变形达到上、下电极之间的初始间隔，使得上、下电极发生接触(即第一可动上电极和第一固定下电极之间的间距等于第一绝缘介质层的厚度)；随着压力增大，接触区域的面积逐渐增大，电容值增大；压力与电容之间的关系 CA～f1(P)＝a1p2+b1p+c1(a1，b1，c1为常数且a1＜0)，CA是凹函数。另外，当外界压力作用于本发明的电容式传感器时，第二电容单元的第二可动上电极向下弯曲形变，上、下电极之间的间距减小，电容增大；压力越大，传感器的电容值越大，但是第二可动上电极的最大挠度始终小于上、下电极之间的初始间隔；压力与电容之间的关系Cd～f1(P)＝a2p2+b2p+c2(a2， b2，c2为常数且a2＞0)，Cd是凸函数。因此，对这两类电容单元进行合理的线性组合 C＝k1CA+k2Cd(k1，k2分别表示第一电容单元和第二电容单元的个数)，两类电容的电容-压力函数关系的凹凸特性相互抵消、即使非线性项p2项的系数尽可能小甚至相互抵消，从而解决整个传感器的非线性问题。
利用有限元软件如ANSYS软件建立传感器模型，设置单元属性和材料属性，对建立的模型划分网格并施加边界约束和压力载荷，计算出各网格单元或节点的挠度后利用MATLAB软件计算各单元或节点的电容并进行叠加，最后计算出整个电容式压力传感器结构的压力与电容之间的关系曲线，也可以借助多物理场耦合仿真软件如COMSOL软件直接计算出电容和施加的载荷之间的关系。根据电容和压力关系曲线的非线性修正结构的弹性薄膜尺寸(即可动上电极)以及两种电容单元的数量。具体地，根据现有的计算结果，对于边长为250μm的电容结构，电容和压力之间的关系函数为CA＝-2.76×10-3p2+7.26×10-2p +1.02×10-1。对于边长150μm的结构，电容和压力之间的关系函数为Cd＝3.37×10-4p2- 4.46×10-4p+4.08×10-2。根据上述线性补偿方法可知，八个第二电容单元，其正方形电极的边长均为150μm，一个第一电容单元，其初始间距为5μm且正方形电极的边长为250μm，初始间距为5μm的两种电容单元组合之后，在0-10MPa压力范围内，组合后的传感器电容与压力函数的p2项的系数取最小值6.4×10-5，上述结构的电容式压力传感器的线性度误差仅为 2.5％。
与现有技术相比，本发明利用采用线性补偿方法，利用两种模式下的压力-电容函数的凹凸特性相互补偿非线性，使得输出的电容与压力之间的变化关系近似为线性，因此，改善了传感器的线性度，并且提高了传感器结构的灵敏度。
实施例3
本发明还提出一种电容式压力传感器的制备方法，具体地，参见图2，包括以下步骤：
a.准备单面抛光的硅片，在硅片的抛光面上旋涂光刻胶，并光刻形成各电容单元的下电极，并且形成不同电容单元之间的连接线的轮廓以及下电极接触孔的轮廓，例如通过在衬底硅片上形成掺杂区域，离子注入该区域形成下电极。
b.去除位于硅片上表面的光刻胶，并通过热氧化工艺形成一层氧化硅，然后通过LPCVD工艺淀积一层氮化硅。
c.对生成的热氧化层和氮化硅层进行光刻露出下电极的接触孔。
d.在氮化硅层上方生长一层PECVD氧化层并光刻腐蚀形成电容的上、下电极之间空腔结构的牺牲层。
e.在PECVD氧化层上方利用溅射或者蒸发金属工艺形成上电极架构，同时光刻形成牺牲层的释放孔。
f.采用氧化层腐蚀液BHF对牺牲层进行腐蚀，形成上、下电极之间的空腔。
g.在硅片表面溅射一层金属，使其厚度可以完全覆盖释放孔，对溅射的金属进行光刻形成各电容单元的上电极、电极连接线以及上、下电极的压焊块的图形。
需要注意的是，在溅射或蒸发过程中保证低压环境，目的是使上下电极之间的空腔中的气压接近真空，降低可测气压的下限。
与现有技术相比，本发明的制备方法简单，制备过程不需要用到十分复杂的工艺步骤。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电容式压力传感器，其特征在于，所述电容式压力传感器包括衬底、形成在该衬底上的导电区域、该导电区域作为电容单元的下电极，所述电容单元还包括形成在所述下电极上的绝缘介质层以及形成在所述绝缘介质层上的上电极，所述电容单元包括并联的且具有不同电极面积的第一电容单元和第二电容单元；所述第一电容单元为接触式电容单元并具有第一密封腔；所述第二电容单元为非接触式电容单元并具有第二密封腔；
所述第一电容单元、所述第二电容单元均包括固定下电极、与该固定下电极相对的可动上电极、在该固定下电极上的绝缘介质层以及该绝缘介质层和该可动上电极围成的密封腔；其中，
所述第一电容单元的可动上电极在压力作用下发生弯曲变形，并且最大形变量达到上、下电极之间的初始间距，使得上、下电极发生接触，随着压力增大，接触区域的面积逐渐增大，电容值增大；
所述第二电容单元的可动上电极在压力作用下发生弯曲变形，并且最大形变量始终小于上、下电极之间的初始间距，随着上、下电极之间的间距减小，电容值增大。
2.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述绝缘介质层包括二氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅之一或者组合。
3.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述第一电容单元的电极面积大于所述第二电容单元的电极面积。
4.一种电容式压力传感器的线性补偿方法，其特征在于，所述线性补偿方法包括：
设置第一电容单元，确定该第一电容单元的尺寸及结构，利用二次函数拟合压力和电容之间的函数关系CA~f1(P)；
设置第二电容单元，确定该第二电容单元的尺寸及结构，利用二次函数拟合压力和电容之间的函数关系Cd~f2(P)；其中，
函数关系CA~f1(P)=a1p2+b1p+c1，其中，a1、b1、c1为常数且a1<0，即CA是凹函数；函数关系Cd~f2(P)=a2p2+b2p+c2，其中，a2、b2、c2为常数且a2>0，即Cd是凸函数；
对所述第一电容单元和所述第二电容单元的压力-电容函数关系进行线性拟合，线性关系为C=k1CA+k2Cd，其中，k1为第一电容单元的个数，k2为第二电容单元的个数，k1、k2均为整数且大于零，使得输出的电容与压力之间的变化关系近似为线性；其中C表示电容值、P为压力值，所述第一电容单元、所述第二电容单元具有不同电极面积，且所述第一电容单元为接触式电容单元并具有第一密封腔；所述第二电容单元为非接触式电容单元并具有第二密封腔；其中，
所述第一电容单元、所述第二电容单元均包括固定下电极、与该固定下电极相对的可动上电极、在该固定下电极上的绝缘介质层以及该绝缘介质层和该可动上电极围成的密封腔；
所述第一电容单元的可动上电极在压力作用下发生弯曲变形，并且最大形变量达到上、下电极之间的初始间距，使得上、下电极发生接触，随着压力增大，接触区域的面积逐渐增大，电容值增大；
所述第二电容单元的可动上电极在压力作用下发生弯曲变形，并且最大形变量始终小于上、下电极之间的初始间距，随着上、下电极之间的间距减小，电容值增大。
5.根据权利要求4所述的线性补偿方法，其特征在于，所述第一电容单元、所述第二电容单元的电极为矩形，其电极边长介于100-300μm，所述第一电容单元、所述第二电容单元的上下电极之间的间距在10μm以下。
6.一种电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
准备单面抛光的衬底材料，在衬底的抛光面上旋涂光刻胶，并光刻形成各电容单元的下电极区域，掺杂所述下电极区域；
去除位于所述衬底上表面的光刻胶，沉积所述电容单元的绝缘介质层；
在所述绝缘介质层上沉积牺牲层，所述牺牲层用于形成所述电容单元的密闭空腔；
在所述牺牲层上沉积第一金属层，所述第一金属层用于形成所述电容单元的可动上电极；
刻蚀所述第一金属层形成释放孔，腐蚀去除所述牺牲层，形成所述电容单元的位于所述下电极、所述上电极之间的空腔；
沉积第二金属层以密封所述第一金属层上的释放孔；
其中，所述电容单元包括并联的且具有不同电极面积的第一电容单元和第二电容单元；所述第一电容单元为接触式电容单元并具有第一密封腔；所述第二电容单元为非接触式电容单元并具有第二密封腔；
所述第一电容单元、所述第二电容单元均包括固定下电极、与该固定下电极相对的可动上电极、在该固定下电极上的绝缘介质层以及该绝缘介质层和该可动上电极围成的密封腔；其中，
所述第一电容单元的可动上电极在压力作用下发生弯曲变形，并且最大形变量达到上、下电极之间的初始间距，使得上、下电极发生接触，随着压力增大，接触区域的面积逐渐增大，电容值增大；
所述第二电容单元的可动上电极在压力作用下发生弯曲变形，并且最大形变量始终小于上、下电极之间的初始间距，随着上、下电极之间的间距减小，电容值增大。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一电容单元的电极面积大于所述第二电容单元的电极面积。
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