CN109141728A - 一种感压膜中间固定式电容压力传感器及制作方法 - Google Patents

一种感压膜中间固定式电容压力传感器及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种感压膜中间固定式电容压力传感器及制作方法，涉及到MEMS领域。该压力传感器由基底100、感压膜102、真空腔101、电极201和电极203构成，其中基底、真空腔和感压膜为一个整体。当感压膜受到压力时会产生变形，使感压膜102与电极板202之间的距离发生改变，导致二者之间的电容发生变化，通过电极201和电极203检测电容。本发明的基底100、感压膜102、真空腔由紫外光刻、干法刻蚀和真空高温退火工艺一次形成，无需真空密封工艺，提高稳定性、可靠性；本发明的感压膜由中间固定支柱固定在基底上，可在很大的压力范围内均具有很好的线性度，扩大传感器的使用量程。

Description

一种感压膜中间固定式电容压力传感器及制作方法
技术领域
本发明涉及微机电系统领域，尤其涉及一种感压膜中间固定式电容压力传感器，用于提高传感器的线性度，扩大使用量程。
背景技术
微传感器由于其尺寸小、性能好和可靠性高而广为应用。目前常见的微压力传感器主要有电容式和压阻式两种，相比于压阻式压力传感器，电容式压力传感器具有响应时间短，温度范围宽等优点。电容压力传感器又包括极距变化型和面积变化型，相比于面积变化型，极距变化型电容压力传感器对被测系统影响小且灵敏度高。
极距变化型电容压力传感器是利用改变上下极板间距来改变电容值，具有固有的非线性特性，因此期望设计出线性度良好的极距变化型电容压力传感器。在专利CN105241584A中公开了一种电容式压力传感器，其在下移动极板中心键合一个移动质量块，通过移动质量块与固定电极间距的变化带来电容的变化，从而实现压力的测量。由于质量块的移动为整体平行移动因此具有较高的线性度，但该传感器的腔体是通过键合等一系列复杂工艺形成的，无法保证腔体长期的气密性，并且由于质量块本身的质量和体积无法适用于大压力范围的测量。在专利CN1484008A中公开了一种多层膜电容式压力传感器，该传感器是通过多层膜结构来提高传感器线性度，这对传感器的加工工艺提出了更高的要求且不利于传感器的小型化和集成化。
发明内容
基于此，本发明提供了一种新型的电容式绝对压力传感器，该传感器具有良好的线性度且适用于大范围压力的测量。
一种电容式压力传感器，包括基底100、真空腔101、感压膜102、中间固定支柱103、上电极201、下电极201和电极板202组成。基底100、感压膜102和中间固定支柱103为同一材料的一个整体。感压膜102为圆形薄膜，中间固定支柱103为圆柱形，分别与感压膜102和基底100相连，真空腔为截面为环形的柱状空间。电极板202上有上电极201和下电极203，电极板202与感压膜102所在部分通过键合的方式连接，并形成良好欧姆接触。在电极板202与感压膜102之间或在电极板202表面加工孔形成空气通道，使感压膜感受压力变化。
本发明的有益效果是，当气压作用于感压膜，感压膜发生变形，感压膜与电极板之间的距离发生变化，通过电极203和电极201来检测感压膜和电极板之间的电容变化。由于该传感器感压膜的中心区域被固定不会发生变形，与中心没有固定的感压膜的传感器相比，提高了传感器的线性度。另外，由于基底100、真空腔101、感压膜102和中间固定支柱103为同一材料的一个整体，具有非常好的气密性和稳定性。
本发明制作方法的实施方案：
1.根据设计的感压膜、真空腔等传感器的尺寸设计掩模版。
2.采用低电阻率的单晶硅片，光刻
3.采用深反应离子刻蚀(DIRE)，刻蚀单晶硅，形成硅沟槽。
4.去胶、清洗，在温度1100℃左右，绝对压力小于1x10-3Pa的真空环境中退火15～30min。在退火加工过程中由于表面能量最小化及硅原子在高温环境中自动迁移等，自发形成了一个有中心固定支柱的感压膜和真空腔，且有较小的残余应力。
5.电极板可以选用单晶硅或玻璃。在电极板上溅射Ti/Pt/Au薄膜并图形化，形成上电极和下电极。
6.将步骤5形成的结构与步骤4形成的结构进行键合，得到中间固定式电容压力传感器
本发明具有以下技术效果：本发明的基底100、感压膜102、真空腔由紫外光刻、干法刻蚀和真空高温退火工艺一次形成，无需真空密封工艺，提高稳定性、可靠性；本发明的感压膜由中间固定支柱固定在基底上，可在很大的压力范围内均具有很好的线性度，扩大传感器的使用量程。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1为电容式压力传感器结构图，图1(a)为电容式压力传感器结构主图；图1(b)为电容式压力传感器结构俯视图。
图2为实施例制作流程图，图2(a)为采用低阻率的单晶硅片；图2(b)为单晶硅100经过深反应离子刻蚀(DIRE)形成的硅沟槽的剖视图；图2(c)为经过加工后的单晶硅在温度1100℃左右，压力小于1x10-3的高真空环境中退火15～30min形成的结构；图2(d)为将硼硅玻璃202经过刻蚀形成所需结构；图2(e)为通过阳极键合将Ti/Pt/Au金属层201和硼硅玻璃202进行键合形成电极1，将Ti/Pt/Au金属层203和硼硅玻璃202进行键合形成下电极2；图2(f)为将硼硅玻璃和金属层与单晶硅结合在一起的结构。
图3为实施例与无中间固定支柱的电容式压力传感器的半径-挠度对比图。
图4为实施例与无中间固定的电容式压力传感器的输出电容对比图。
图中，100、基底；101、真空腔；102、感压膜；103、中间固定支柱；201、上电极；202、电极板；203、下电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
结合图1所示，本发明提供了一种电容式绝对压力传感器。包括基底100、真空腔101、感压膜102、中间固定支柱103、上电极201、下电极201和电极板202组成。基底100、真空腔101、感压膜102和中间固定支柱103为同一材料的一个整体。感压膜102为圆形薄膜，中间固定支柱为圆柱形，分别与感压膜和基底相连，真空腔为截面为环形的柱状空间。电极板上有上电极和下电极，电极板与感压膜所在部分通过键合的方式连接，并形成良好欧姆接触。在电极板202与感压膜102之间或在电极板202表面加工孔形成空气通道，使感压膜感受压力变化。
本发明的一种电容式压力传感器的制作方法，包括以下步骤：
1)根据感压膜(102)和中间固定支柱(103)的尺寸设计掩模版；
2)采用低电阻率的单晶硅片，然后进行光刻；
3)采用深反应离子刻蚀DIRE，刻蚀单晶硅，形成硅沟槽；
4)去胶、清洗，在一定温度、压力下退火，在退火加工过程中由于表面能量最小化及硅原子在高温环境中自动迁移，自发形成了一个有中心固定支柱(103)的感压膜(102)和真空腔(101)，且有较小的残余应力；
5)在电极板(202)上溅射Ti/Pt/Au薄膜并图形化，形成上电极(201)、下电极(203)；
6)将步骤5形成的结构与步骤4形成的电极板(202)进行键合，得到中间固定式电容压力传感器。
所述步骤1)-4)的具体过程为：
采用低阻率的单晶硅片作为基底(100)，将光刻胶(300)均匀涂在单晶硅上并进行曝光、显影；
单晶硅的基底(100)经过深反应离子刻蚀DIRE形成的硅沟槽；
经过加工后的单晶硅在温度1100℃左右，压力小于1x10-3的高真空环境中退火15～30min的条件下，单晶硅上端刻蚀形成直径较大的硅柱(103)以及直径较小的硅柱(104)；
直径较大的硅柱(103)、直径较小的硅柱(104)的凸角处的硅原子向凹角处迁移，此时沟槽上的直角开始变圆，之后相邻的硅柱在退火过程中慢慢结合在一起形成感压膜(102)；感压膜(102)下方自发形成一体的真空腔(101)，而感压膜的中间部分的直径较大的硅柱(103)在该退火中不会与其他硅柱连接在一起，形成固定感压膜的中间固定支柱(103)。
对单晶硅形成的硅沟槽的深度和相邻硅沟槽的距离进行调整形成不同尺寸的单晶硅感压膜(102)，用来满足不同的需求。
图2为本发明一个实施例的制作流程图。根据设计的感压膜、真空腔等传感器的尺寸设计掩模版。图2(a)为采用低阻率的单晶硅片，将光刻胶300均匀涂在单晶硅上并进行曝光、显影。图2(b)为单晶硅经过深反应离子刻蚀(DIRE)形成的硅沟槽的剖视图。其中103为刻蚀形成的直径较大的硅柱，104为刻蚀形成的直径较小的硅柱。图2(c)为经过加工后的单晶硅在温度1100℃左右，压力小于1x10-3的高真空环境中退火15～30min形成的结构。在该条件下，刻蚀形成的硅柱103、104的凸角处的硅原子向凹角处迁移，此时沟槽上的直角开始变圆，之后相邻的硅柱在退火过程中慢慢结合在一起形成感压膜102，感压膜下方为自发形成一体的真空腔，而感压膜的中间部分的直径较大的硅柱103在该退火中不会与其他硅柱连接在一起，形成固定感压膜中心部分的支柱。对所述的单晶硅形成的硅沟槽的深度和相邻硅沟槽的距离进行调整可以形成不同尺寸的单晶硅感压膜，用来满足不同的需求。图2(d)为将硼硅玻璃202经过刻蚀形成所需结构；图2(e)为通过阳极键合将Ti/Pt/Au金属层201和硼硅玻璃202进行键合形成电极1，将Ti/Pt/Au金属层203和硼硅玻璃202进行键合形成下电极2；图2(f)为将硼硅玻璃和金属层与单晶硅结合在一起。
在大压力范围内具有很高线性度。可以通过改变感压膜半径和中间固定支柱的尺寸改变变形和灵敏度。也可以通过阵列方式来得到高的灵敏度。
压力作用于传感器导致感压膜102变形，使得电极1和电极2之间的距离发生变化，从而改变所述电容传感器的电容。根据Timoshenko及其结构，电容计算公式为：
其中εr为硅膜片相对于真空的介电常数，ε0为真空的介电常数，r是感压膜上任意一点与感压膜中心之间的距离，ω(r)是板的挠度，r0为中心固定支柱的半径，r1为感压膜的半径，g为感压膜没有发生形变时感压膜与电极板之间的距离。
图3所示为在感压膜半径为200μm，感压膜厚度为2μm，感压膜与电极板之间的距离为1μm，中间固定区域半径为50μm的条件下，实施例和无中间固定支柱的电容压力传感器在0-120KPa压力范围下的半径-挠度对比图。由图可以看出实施例感压膜的变形和无中间固定的感压膜的变形相比，变形较小，受力会比较均匀。
图4所示为在感压膜半径为200μm、感压膜厚度为2μm、感压膜与电极板之间的距离为1μm，中间固定区域半径为50μm的条件下，实施例和无中间固定的电容压力传感器在0-120KPa的压力范围内的电容曲线对比图。从图中可以看出实施例在该压力范围内的线性度明显提高，无中间固定支柱的电容压力传感器虽然在0-10KPa的压力范围内有较高的灵敏度和线性度，但在10-120KPa压力范围内虽然线性度好但灵敏度低，因此不适用于较大压力范围内的压力测量。相比之下实施例在0-120KPa压力范围内整体的线性度高且灵敏度较高。若该条件下实施例的灵敏度不满足使用要求，可以通过增大感压膜半径来提高实施例的灵敏度；可通过调节中间固定支柱半径来调节感压膜的变形量，也可以采用陈列的方式即可提高灵敏度，又可保证使用的稳定性有可靠性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种电容式压力传感器，其特征在于，包括基底(100)、真空腔(101)、感压膜(102)、中间固定支柱(103)、电极板(202)；
基底(100)、感压膜(102)和中间固定支柱(103)为同一材料的一个整体；基底(100)和感压膜(102)之间形成密闭真空腔(101)，真空腔(101)为截面为环形的柱状空间；感压膜(102)的中部和基底(100)通过中间固定支柱(103)相连；
电极板(202)下端有上电极(201)、下电极(203)，电极板(202)与感压膜(102)所在部分通过键合的方式连接，并形成良好欧姆接触，在电极板(202)与感压膜(102)之间或在电极板(202)表面加工孔形成空气通道，使感压膜感受压力变化。
2.根据权利要求1所述的一种电容式压力传感器，其特征在于，感压膜(102)为圆形薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种电容式压力传感器，其特征在于，中间固定支柱(103)为圆柱形。
4.根据权利要求1所述的一种电容式压力传感器，其特征在于，电极板(202)选用单晶硅或玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种电容式压力传感器，其特征在于，通过改变感压膜(102)半径和中间固定支柱(103)的尺寸改变传感器变形和灵敏度，也可以通过阵列方式来得到高的灵敏度。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的电容式压力传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据感压膜(102)和中间固定支柱(103)的尺寸设计掩模版；
2)采用低电阻率的单晶硅片，然后进行光刻；
3)采用深反应离子刻蚀DIRE，刻蚀单晶硅，形成硅沟槽；
4)去胶、清洗，在一定温度、压力下退火，在退火加工过程中由于表面能量最小化及硅原子在高温环境中自动迁移，自发形成了一个有中心固定支柱(103)的感压膜(102)和真空腔(101)，且有较小的残余应力；
5)在电极板(202)上溅射Ti/Pt/Au薄膜并图形化，形成上电极(201)、下电极(203)；
6)将步骤5形成的结构与步骤4形成的电极板(202)进行键合，得到中间固定式电容压力传感器。
7.根据权利要求6所述的电容式压力传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤1)-4)的具体过程为：
采用低阻率的单晶硅片作为基底(100)，将光刻胶(300)均匀涂在单晶硅上并进行曝光、显影；
单晶硅的基底(100)经过深反应离子刻蚀DIRE形成的硅沟槽；
经过加工后的单晶硅在温度1100℃左右，压力小于1x10-3Pa的高真空环境中退火15～30min的条件下，单晶硅上端刻蚀形成直径较大的硅柱(103)以及直径较小的硅柱(104)；
直径较大的硅柱(103)、直径较小的硅柱(104)的凸角处的硅原子向凹角处迁移，此时沟槽上的直角开始变圆，之后相邻的硅柱在退火过程中慢慢结合在一起形成感压膜(102)；
感压膜(102)下方自发形成一体的真空腔(101)，而感压膜的中间部分的直径较大的硅柱(103)在该退火中不会与其他硅柱连接在一起，形成固定感压膜的中间固定支柱(103)。
8.根据权利要求6所述的电容式压力传感器的制作方法，其特征在于，对单晶硅形成的硅沟槽的深度和相邻硅沟槽的距离进行调整形成不同尺寸的单晶硅感压膜(102)，用来满足不同的需求。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190104

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