CN109060229A - 一种电容式压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式压力传感器，包括衬底层、绝缘层、器件层以及封装层。其中，衬底层具有可动极板区；绝缘层位于衬底层上方，绝缘层包括第一腔体，第一腔体位于可动极板区的上方，并贯穿绝缘层；器件层位于绝缘层上方，器件层包括固定极板区，固定极板区位于第一腔体上方，固定极板区具有贯穿器件层的多个微孔；以及封装层位于器件层上方，封装层包括第二腔体，第二腔体位于固定极板区上方；第一腔体和第二腔体通过多个微孔连通，以形成真空腔。传感器还包括贯穿封装层、器件层和绝缘层的第一引线孔；以及，贯穿封装层的第二引线孔；并且第一引线孔和第二引线孔均位于真空腔外侧。本发明还提供一种制造电容式压力传感器的方法。

Description

一种电容式压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及微传感器加工领域，具体涉及一种电容式绝对压力传感器及其制造方法。

背景技术

电容式压力传感器因其具有高压力灵敏度、低温漂以及低噪声等优点，被广泛应用于气象、汽车、航空、医疗等众多领域。根据电容空腔内的压力状况，电容式压力传感器可分为绝对压力测量方式和相对压力测量方式。其中，绝对压力测量方式是指电容空腔内处于真空状态，所测压力值为直接作用于传感器表面的实际压力值。

在绝对压力传感器中，为了将电容器内的电信号引出，采用从空腔内引线，即将引线从空腔内经空腔边缘的键合区域引出至空腔外，该方法具有结构简单的优点，但在键合区域与引线重合区域会形成连通空腔内外的微孔道，从而导致电容真空腔的真空度降低，从而降低压力传感器的检测精度。

因此，需要一种避免在电容空腔内引线，能够保证电容空腔内高真空度的电容式绝对压力传感器。

发明内容

本发明旨在提供一种压力传感器，以解决在电容空腔内引线引起电容空腔内真空度下降导致传感器精度下降的问题。

本发明的实施例提供一种电容式压力传感器，包括：

衬底层，所述衬底层具有可动极板区；

绝缘层，所述绝缘层位于所述衬底层上方，所述绝缘层包括第一腔体，所述第一腔体位于所述可动极板区的上方，并贯穿所述绝缘层；

器件层，所述器件层位于所述绝缘层上方，所述器件层包括固定极板区，所述固定极板区位于所述第一腔体上方，所述固定极板区具有贯穿所述器件层的多个微孔；以及，

封装层，所述封装层位于所述器件层上方，所述封装层包括第二腔体，所述第二腔体位于所述固定极板区上方；其中，所述第一腔体和所述第二腔体通过所述多个微孔连通，以形成真空腔；

其中，所述传感器还包括贯穿所述封装层、所述器件层和所述绝缘层的第一引线孔；以及，贯穿所述封装层的第二引线孔；并且

所述第一引线孔和所述第二引线孔均位于所述真空腔外侧。

进一步地，所述传感器还包括贯穿所述器件层和所述绝缘层的隔离槽，所述隔离槽设置为包围所述固定极板区。

进一步地，所述第一引线孔位于所述隔离槽所包围的区域的外部。

进一步地，所述传感器还包括设置于衬底层上且位于所述第一引线孔内的第一焊盘，以及设置于器件层上且位于所述第二引线孔内的第二焊盘；

其中，所述第二焊盘位于所述隔离槽所包围的区域的内部。

进一步地，所述衬底层还包括设置于所述可动极板区中的突出部。

进一步地，所述突出部的尺寸小于所述可动极板区的尺寸。

进一步地，所述突出部的厚度至少是未形成突出部的所述可动极板区的厚度的6倍。

进一步地，所述第二腔体的表面沉积有吸气剂。

进一步地，所述微孔的直径为2-5μm，

进一步地，微孔之间的间距为10-20μm。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制备如上所述的任一种电容式压力传感器的方法，所述方法包括：

S1：提供绝缘体上硅片，所述绝缘体上硅片包括衬底层、绝缘层和器件层；

S2：刻蚀衬底层，以在所述衬底层上形成带有突出部的可动极板区；

S3：刻蚀器件层，以在所述器件层上形成具有贯穿所述器件层的多个微孔的固定极板区以及器件层引线孔；

S4：利用器件层固定极板区的微孔和器件层引线孔，采用腐蚀液腐蚀绝缘层，以在器件层微孔区的下方形成贯穿绝缘层的第一腔体以及在器件层引线孔下方形成绝缘层引线孔；

S5：提供封装层，所述封装层包括第二腔体和分别位于第二腔体外侧的第一封装层引线孔和第二封装层引线孔；以及

S6：采用阳极键合真空封装工艺将封装层与器件层上表面对准键合，其中，使第二腔体与绝缘层中的第一腔体对准，所述第一腔体和所述第二腔体通过所述多个微孔连通以形成真空腔；使所述第一封装层引线孔和所述器件层引线孔以及绝缘层引线孔对准，所述第一封装层引线孔、所述器件层引线孔以及绝缘层引线孔相互连通以形成第一引线孔；所述第二封装层引线孔形成第二引线孔。

进一步地，在步骤S2中，刻蚀器件层还包括：在器件层中通过刻蚀形成包围固定极板区的器件层隔离槽。

进一步地，所述方法还包括：分别在第一引线孔内和第二引线孔内沉积金属，以形成第一焊盘和第二焊盘。

进一步地，步骤S4还包括：

在采用腐蚀液腐蚀绝缘层之后，对形成的器件进行烘干；

在所述衬底层的下表面贴合另一绝缘层；

在器件层和另一绝缘层之间施加直流电压，直至衬底层的可动极板区与器件层的微孔区完全分离；以及

移除直流电压，移除贴合的另一绝缘层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

利用位于所述真空腔外侧的贯穿所述封装层、所述器件层和所述绝缘层的第一引线孔，以及位于所述真空腔外侧的贯穿所述封装层的第二引线孔，避免了从电容真空腔内引线，保证了电容真空腔的高真空度，从而保障传感器的检测精度。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其他目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为本发明实施例提供的电容式绝对压力传感器的剖视图；

图2为图1的电容式绝对压力传感器的器件层的俯视图；

图3A-图3D为本发明实施例提供的制备图1的电容式绝对压力传感器的过程的示意图；以及

图4A-图4C为本发明的一个实施例提供的形成绝缘层空腔的方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式做详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种电容式绝对压力传感器100，包括衬底层13、绝缘层12、器件层11以及封装层2。衬底层13包括可动极板区131，器件层11包括固定极板区111，可动极板区131和固定极板区111之间形成真空腔30。器件层11和衬底层13由可导电材料制成。在真空腔30的外侧设置贯穿封装层2、器件层11和绝缘层12的第一引线孔10以及贯穿封装层2的第二引线孔20，从而避免了从真空腔30内引线，保证了真空腔30的高真空度。

在本实施例中，电容式绝对压力传感器100包括压力敏感电容1和封装层2，其中压力敏感电容1采用SOI(Silicon-on-Insulator，绝缘体上硅)片制备而成，包括衬底层13、绝缘层12以及器件层11，即衬底层13位于最底层，绝缘层12位于衬底层13上方，器件层11位于绝缘层12上方。而封装层2则位于器件层11上方，并与器件层11固定连接，形成真空封装结构，从而实现绝对压力测量。当然在其他实施例中，并不仅仅限于上述层结构，可以根据实际情况，减少或增加附加的层以满足实际需要。

在本实施例中，如图1所示，衬底层13的可动极板区131为薄膜结构，在外界压力的作用下，可以在竖直方向上产生形变。衬底层13可以采用低阻硅材料制成，例如该低阻硅材料电阻率应小于0.001Ω·cm，这样可以降低压力敏感电容1的寄生电阻。可动极板区131可以通过刻蚀衬底层13的中心区域而在衬底层131中形成薄膜结构而形成。可动极板区例如可形成为方形，此外还可形成矩形、圆形等其他形状。

在进一步的较佳实施例中，可以在可动极板区131的下表面设置一个块状结构的突出部132，例如可以是方形块状结构，也可以是圆形块状结构等等。突出部132的尺寸小于可动极板区131的尺寸，即是在部分可动极板区131的下表面，优选中心区域形成突出部132，并且突出部132只与可动极板区131连接，与衬底层13的其他部分通过刻蚀槽分开，从而形成所谓“硅岛”。突出部132可通过刻蚀衬底层13与可动极板区131一体形成。突出部132的厚度至少可以是未形成突出部132的可动极板区131的厚度的6倍。这样可以改善传感器的压力线性度。

在本实施例中，位于衬底层13上方的绝缘层12可以包括第一腔体121，第一腔体121贯穿绝缘层12，其尺寸与可动极板区131的尺寸相同，并位于可动极板区131的正上方。该第一腔体121即为压力敏感电容1的电容间隙，为可动极板区131产生形变提供了空间。

在本实施例中，器件层11的固定极板区111位于第一腔体121的正上方。这样，当外界压力作用于形成于衬底层13的可动极板区131时，使得可动极板区131与形成于器件层11的固定极板区111之间的间距发生变化，进而改变压力敏感电容1的电容值。并且，器件层11可以采用低阻硅材料制成，例如该材料的电阻率应小于0.001Ω·cm，这样可以降低压力敏感电容1的寄生电阻。

在进一步较佳实施例中，如图2所示，固定极板区111可以具有贯穿器件层11的多个微孔113，用于让腐蚀液流经器件层11腐蚀绝缘层12，以形成绝缘层12的第一腔体121。为了最大程度提高固定极板区的有效面积从而提高电容值，应尽可能减小微孔113的尺寸；但是，受限于工艺制备的可实现性，微孔113的尺寸又不能太小。考虑以上两点，可以采用边长或直径为2-5μm的微孔113，并且优选微孔113之间的间距可以为10-20μm。微孔113的形状可以是方形，也可以是圆形或者不规则图形。多个微孔113可以规则排列，也可以不规则排列，例如，图2示出了制备效果较佳的多个微孔113以阵列的形式排列。

在本实施例中，位于器件层11上方的封装层2可以采用阳极键合用玻璃制成，例如，Pyrex7740玻璃或BF33玻璃。具体地，在其上预先制备第二腔体21、第一封装层引线孔24和第二封装层引线孔23，使第二腔体21的位置和形状与器件层的固定极板区111的位置和形状分别对应，第一封装层引线孔24和第二封装层引线孔23分别位于第二腔体21的外侧，且第一封装层引线孔24的位置与器件层11的第一器件层引线孔115对应。然后，采用阳极键合将封装层2与器件层11上表面固定连接，形成真空封装。此时，第二腔体21位于固定极板区111的正上方，并且第一腔体121和第二腔体21通过多个微孔113连通，以形成真空腔30。

根据一个实施例，第二腔体21的表面沉积有吸气剂22，例如吸气剂22可以沉积于真空封装盖板空腔底部，这样在阳极键合真空封装过程中吸气剂可吸附真空腔30中的空气，形成并维持传感器真空腔30的真空环境。

如图1和图2所示，压力传感器100还可以包括贯穿器件层11和绝缘层12的隔离槽40，具体地，隔离槽40包括在器件层11中形成的器件层隔离槽114，在绝缘层12中形成的绝缘层隔离槽122。绝缘层隔离槽122和器件层隔离槽114设置为包围固定极板区111，即真空腔30位于隔离槽40的内侧。器件层隔离槽114将固定极板区111与器件层隔离槽114外侧区域隔开，形成电气隔离，从而减少器件层11加电区域与衬底层13的非可动极板区的正对面积，降低电容本底，提高电容的相对变化率。绝缘层隔离槽122是制备器件层隔离槽114的过程中腐蚀产生的附带槽，并不是必须的。

在本实施例中，在绝缘层12上还形成有贯穿绝缘层12的绝缘层引线孔123。绝缘层引线孔123位于第一封装层引线孔24和器件层引线孔115的正下方。第一封装层引线孔24、器件层引线孔115和绝缘层引线孔123相互连通构成压力传感器100的第一引线孔10，作为可动极板引线孔。贯穿封装层2的第二封装层引线孔23构成压力传感器100的第二引线孔20，作为固定极板引线孔。第一引线孔10和第二引线孔20均位于真空腔30外侧。第一引线孔10位于器件层隔离槽114所包围的区域的外侧，第二引线孔20位于器件层隔离槽114所包围的区域的内侧。可选地，第一引线孔10也可以位于隔离槽中，即在器件层隔离槽114上方形成一个贯穿封装层2的孔，与隔离槽114连通，用于实现引线。

在进一步较佳实施例中，传感器还包括设置于衬底层13的表面上且位于第一引线孔10内的第一焊盘133，以及设置于器件层11的表面上且位于第二引线孔20内的第二焊盘112。第一焊盘133位于绝缘层隔离槽122所包围的区域的外侧，第二焊盘112位于器件层隔离槽114所包围的区域的内侧，即第二焊盘112与固定极板区111电导通。为了尽可能的减少器件层11的加电区域与衬底层13的非可动极板区的正对面积，在第二焊盘112附近，器件层隔离槽114可以仅围绕第二焊盘112，即通过一个大致圆形的区域将第二焊盘112包围起来。

通过第一引线孔10内的第一焊盘133，便于引出可动极板的电信号；通过第二引线孔20内的第二焊盘112，便于引出固定极板的电信号。由于第一引线孔10和第二引线孔20分别位于真空腔30的外侧，这样可以从真空腔30外部引出固定极板区111和可动极板区131的电信号，避免了从真空腔30内引线，保证了腔内真空环境的高真空度。

根据本发明的另一个方面的实施例还提供了一种制造上述实施例中的电容式绝对压力传感器的方法。

所述方法包括：

S1：提供绝缘体上硅(SOI)片，所述SOI片包括衬底层、绝缘层和器件层；

S2：刻蚀衬底层，以在所述衬底层上形成带有突出部的可移动极板区；

S3：刻蚀器件层，以在所述器件层上形成具有贯穿所述器件层的多个微孔的固定极板区以及器件层引线孔；

S4：利用器件层固定极板区的微孔和器件层引线孔，采用腐蚀液腐蚀绝缘层，以在器件层微孔区的下方形成绝缘层第一腔体以及在器件层引线孔下方形成绝缘层引线孔；

S5：提供封装层，所述封装层包括第二腔体和分别位于第二腔体外侧的第一封装层引线孔和第二封装层引线孔；以及

S6：采用阳极键合真空封装工艺将封装层与器件层上表面对准键合，其中，使第二腔体与绝缘层中的第一腔体对准，所述第一腔体和所述第二腔体通过所述多个微孔连通以形成真空腔；使所述第一封装层引线孔和所述器件层引线孔以及绝缘层引线孔对准，所述第一封装层引线孔、所述器件层引线孔以及绝缘层引线孔相互连通以形成第一引线孔；所述第二封装层引线孔形成第二引线孔。

在一个实施例中，在步骤S2中，刻蚀器件层还包括：在器件层中通过刻蚀形成包围固定极板区的器件层隔离槽。

在一个实施例中，所述的方法还包括：分别在第一引线孔内和第二引线孔内沉积金属，以形成可动极板焊盘和固定极板焊盘。

在一个实施例中，在步骤S4中，在采用腐蚀液腐蚀绝缘层之后，对形成的器件进行烘干；

在所述衬底层的下表面贴合另一绝缘层；

在器件层和另一绝缘层之间施加直流电压，直至衬底层的可动极板区与器件层的微孔区完全分离；

移除直流电压，移除贴合的另一绝缘层。

图3A-图3D示出了根据本发明的一个具体实施例的制备图1的电容式绝对压力传感器100的过程的示意图。

如图3A所示，可以通过深刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺刻蚀例如低阻硅材料制成的衬底层13，从而形成带有突出部132的可动极板区131。

如图3B所示，可以采用深刻蚀工艺刻蚀例如低阻硅材料制成的器件层11，在固定极板区111形成微孔113、器件层隔离槽114以及器件层引线孔115。

如图3C所示，可以采用氢氟酸腐蚀液腐蚀例如二氧化硅材料制成的绝缘层12，形成第一腔体121、绝缘层隔离槽122以及绝缘层引线孔123。氢氟酸腐蚀液经由器件层的微孔113、器件层隔离槽114以及器件层引线孔115到达绝缘层以对绝缘层12进行腐蚀后，分别形成第一腔体121、绝缘层隔离槽122以及绝缘层引线孔123。

通过图3A-图3C的制备过程，完成了压力敏感电容1的制备。

如图3D所示，制备封装层2时，可以采用阳极键合用玻璃，在其上预先制备第二腔体21、第一封装层引线孔24和第二封装层引线孔23，使第二腔体21的位置和形状与器件层的固定极板区111的位置和形状分别对应，第一封装层引线孔24和第二封装层引线孔23分别位于第二腔体21的外侧，且第一封装层引线孔24的位置与器件层11的第一器件层引线孔115对应。

然后，可以将吸气剂22沉积在第二腔体21内，优选沉积在第二腔体21的底表面上；之后采用阳极键合真空封装工艺将封装层2与器件层11上表面对准键合，形成真空封装。

最后，采用溅射或蒸发等方式在第一引线孔10和第二引线孔20内沉积金属，形成第一焊盘133和第二焊盘112。从而完成电容式绝对压力传感器的制备。

图4A-图4C为本发明的一个实施例提供的形成绝缘层空腔的方法的示意图。

如图4A所示，当采用氢氟酸腐蚀液腐蚀绝缘层12，形成第一腔体121、绝缘层隔离槽122和绝缘层引线孔123时，受液体表面张力影响，可动极板区131与固定极板区111的部分区域可能贴合，绝缘层12的第一腔体121暂未形成。

如图4B所示，这时采用100℃以上高温烘干图4A中的产物，即烘干腐蚀绝缘层12后所得器件，确保水分完全烘干后，取另一绝缘层50，例如可以是玻璃材料，将其与衬底层13层下表面贴合。然后，在所得器件的器件层11和另一绝缘层50之间加载400V以上直流电压，维持1min以上。

最后如图4C所示，移除直流电压，移除绝缘材料，得到压力敏感电容1。

在其他实施例中，若器件层11产生变形，即器件层11包含可动极板区，衬底层层包含固定极板区，则可将另一绝缘层与器件层11上表面贴合，其他步骤不变，即可制得压力敏感电容。

与现有技术相比，本发明的实施例具有以下一个或多个优点：

(1)利用位于所述真空腔外侧的贯穿所述封装层、所述器件层和所述绝缘层的第一引线孔；以及，位于所述真空腔外侧的贯穿所述封装层的第二引线孔，避免了从电容真空腔内引线，保证了电容真空腔的高真空度。

(2)采用吸气剂进一步提高电容空腔内的真空度；

(3)采用刻蚀工艺制备得到尺寸低至2-5μm的微孔，有效减小微孔面积，提高固定电极板的有效面积从而提高电容值；

(4)采用隔离槽有效减少固定极板的加电区与衬底层非可动极板区的正对面积，降低电容本底，提高电容相对变化率；

(5)采用凸起结构(硅岛)改善压力线性度。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种电容式压力传感器，包括

衬底层，所述衬底层具有可动极板区；

绝缘层，所述绝缘层位于所述衬底层上方，所述绝缘层包括第一腔体，所述第一腔体位于所述可动极板区的上方，并贯穿所述绝缘层；

器件层，所述器件层位于所述绝缘层上方，所述器件层包括固定极板区，所述固定极板区位于所述第一腔体上方，所述固定极板区具有贯穿所述器件层的多个微孔；以及，

封装层，所述封装层位于所述器件层上方，所述封装层包括第二腔体，所述第二腔体位于所述固定极板区上方；其中，所述第一腔体和所述第二腔体通过所述多个微孔连通，以形成真空腔；

其中，所述传感器还包括贯穿所述封装层、所述器件层和所述绝缘层的第一引线孔；以及，贯穿所述封装层的第二引线孔；并且

所述第一引线孔和所述第二引线孔均位于所述真空腔外侧。

2.如权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述传感器还包括贯穿所述器件层的隔离槽，所述隔离槽设置为包围所述固定极板区。

3.如权利要求2所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述第一引线孔位于所述隔离槽所包围的区域的外部。

4.如权利要求2或3所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述传感器还包括设置于衬底层上且位于所述第一引线孔内的第一焊盘，以及设置于器件层上且位于所述第二引线孔内的第二焊盘；

其中，所述第二焊盘位于所述隔离槽所包围的区域的内部。

5.如权利要求1-3任一项所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述衬底层还包括设置于所述可动极板区中的突出部。

6.如权利要求5所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述突出部的尺寸小于所述可动极板区的尺寸。

7.如权利要求5所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述突出部的厚度至少是未形成突出部的所述可动极板区的厚度的6倍。

8.如权利要求5所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述第二腔体的表面沉积有吸气剂。

9.如权利要求5所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述微孔的直径为2-5μm。

10.如权利要求5所述的电容式压力传感器，其特征在于，微孔之间的间距为10-20μm。

11.一种制备如权利要求1-10任一项所述的电容式压力传感器的方法，所述方法包括：

S1：提供绝缘体上硅片，所述绝缘体上硅片包括衬底层、绝缘层和器件层；

S2：刻蚀衬底层，以在所述衬底层上形成带有突出部的可动极板区；

S3：刻蚀器件层，以在所述器件层上形成具有贯穿所述器件层的多个微孔的固定极板区以及器件层引线孔；

S4：利用器件层固定极板区的微孔和器件层引线孔，采用腐蚀液腐蚀绝缘层，以在器件层微孔区的下方形成贯穿绝缘层的第一腔体以及在器件层引线孔下方形成绝缘层引线孔；

S5：提供封装层，所述封装层包括第二腔体和分别位于第二腔体外侧的第一封装层引线孔和第二封装层引线孔；以及

S6：采用阳极键合真空封装工艺将封装层与器件层上表面对准键合，其中，使第二腔体与绝缘层中的第一腔体对准，所述第一腔体和所述第二腔体通过所述多个微孔连通以形成真空腔；使所述第一封装层引线孔和所述器件层引线孔以及绝缘层引线孔对准，所述第一封装层引线孔、所述器件层引线孔以及绝缘层引线孔相互连通以形成第一引线孔；所述第二封装层引线孔形成第二引线孔。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，刻蚀器件层还包括：在器件层中通过刻蚀形成包围固定极板区的器件层隔离槽。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，还包括：分别在第一引线孔内和第二引线孔内沉积金属，以形成第一焊盘和第二焊盘。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤S4还包括：

在采用腐蚀液腐蚀绝缘层之后，对形成的器件进行烘干；

在所述衬底层的下表面贴合另一绝缘层；

在器件层和另一绝缘层之间施加直流电压，直至衬底层的可动极板区与器件层的微孔区完全分离；

移除直流电压，移除贴合的另一绝缘层。