CN111147997A - 电容传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电容传感器及其制造方法，该电容传感器包括：衬底以及支撑在衬底之上的背极和振膜，其中，振膜设置于衬底和背极之间，并与背极分离设置以形成电容；以及，背极设有至少一个第一褶皱，且振膜在和第一褶皱相对的位置设有第二褶皱。本发明在背极和振膜上分别设置相对的第一褶皱和第二褶皱，从而通过褶皱尖端电场线的分布提高了电容传感器的有效电容值，达到了使电容传感器以较小结构获得较高信噪比的技术效果。

Description

电容传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及检测设备的技术领域，更具体地，涉及一种电容传感器及其制造方法。

背景技术

传感器是一种检测设备，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换为电信号或其他所需形式的信息输出，从而满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

在现有的传感器中，平面电容传感器是占比较大的一类，且广泛应用于麦克风和电子屏幕等产品中。微机电(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)形式的平面电容传感器通常包括一振膜搭配一背极所形成的平行电容板结构，该平行电容板结构则可用于感测振动或者压力变化。具体地，振膜与背极之间相对的部位会产生初始电容这一电容信号，振膜受外力变形后的电容与初始电容之差则表征振膜所感受到的振动或者压力。

然而，目前的平面电容传感器在受到外力后的电容变化比例较小，这使得平面电容传感器存在信噪比较小的技术问题。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种电容传感器及其制造方法，能够使电容传感器以较小结构获得较高的灵敏度。

根据本发明的第一方面，提供了一种电容传感器，所述电容传感器包括：衬底以及支撑在所述衬底之上的背极和振膜，其中，

所述振膜设置于所述衬底和所述背极之间，并与所述背极分离设置以形成电容；以及，

所述背极设有至少一个第一褶皱，且所述振膜在和所述第一褶皱相对的位置设有第二褶皱。

可选地，处于相对位置的一组第一褶皱和第二褶皱具有拓扑结构相同的褶皱形状，所述褶皱形状包括上凸结构，且所述上凸结构为背向所述衬底而凸出到膜层以外的结构。

可选地，至少一个所述第一褶皱的数量、至少一个所述第一褶皱在所述背极上的分布以及所述第二褶皱侧面和所述振膜所处平面的夹角由感测所需电容变化比例确定；

以及，所述第一褶皱包围在所述第二褶皱的外侧。

可选地，所述第二褶皱侧面和所述振膜所处平面之间呈不小于90°的夹角；

以及，所述第一褶皱包围在所述第二褶皱的外侧。

可选地，处于相对位置的一组第一褶皱和第二褶皱具有拓扑结构相同的褶皱形状，所述褶皱形状包括下凹结构，且所述下凹结构为偏向所述衬底而凸出到膜层以外的结构。

可选地，至少一个所述第一褶皱的数量、至少一个所述第一褶皱在所述背极上的分布以及所述第一褶皱侧面和所述背极所处平面的夹角由感测所需电容变化比例确定；

以及，所述第二褶皱包围在所述第一褶皱的外侧。

可选地，所述第一褶皱侧面和所述背极所处平面之间呈不小于90°的夹角；

以及，所述第二褶皱包围在所述第一褶皱的外侧。

可选地，所述第一褶皱和所述第二褶皱的褶皱高度皆大于第一目标高度，所述第一目标高度为所述背极和所述振膜中较厚膜层厚度的20％。

可选地，所述第一褶皱和所述第二褶皱的褶皱高度皆大于第二目标高度，所述第二目标高度为所述背极和所述振膜之间最大间距的20％。

根据本发明的第二方面，提供了一种电容传感器的制造方法，所述电容传感器的制造方法包括：

在衬底上方生成设有第二褶皱的振膜，所述第二褶皱的数量为至少一个；

在所述振膜上方生成背极，使所述背极与所述振膜分离设置以形成电容，且所述背极和所述第二褶皱相对的位置设有第一褶皱。

本发明的有益效果是：

(1)背极和振膜上设有相对的第一褶皱和第二褶皱，则可以通过褶皱尖端电场线的分布提高电容传感器的有效电容值，从而有利于电容传感器以较小结构获得较高信噪比；

(2)褶皱尖端在运动时所受空气阻力较小，因而振膜在过大地增加结构运动时也只会受到较小的空气阻力，从而有利于电容传感器感测到较弱的信息，即有利于提高电容传感器的灵敏度。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出现有技术中一种电容传感器的结构示意图；

图2示出本发明第一实施例中第一褶皱和第二褶皱的一种上凸结构示意图；

图3示出本发明第一实施例中第一褶皱和第二褶皱的另一种上凸结构示意图；

图4示出本发明第一实施例中第一褶皱和第二褶皱的一种下凹结构示意图；

图5示出本发明第一实施例中第一褶皱和第二褶皱的另一种下凹结构示意图；

图6示出本发明第二实施例中电容传感器的制造方法流程图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

图1所示为现有技术中一种电容传感器的结构示意图。参照图1，现有电容传感器包括衬底100、振膜200和背极300，其中，衬底100用以支撑振膜200和背极300；振膜200主要为一层平整的膜层(例如为由多晶硅组成的硅膜层)，振膜200可振动地设置于衬底100和背极300之间，并与背极300分离设置以形成空腔302；背极300与振膜200构成电容基板，且背极300上开有通孔301。

在电容传感器用在麦克风内时通孔301也可以称为声孔，空气通过通孔301进入空腔302内且声音产生的空气压力引起振膜200振动，进而改变背极300与振膜200之间的电容，从而实现声电转换。

然而，现有这种传统的电容传感器存在信噪比较低的技术问题，鉴于此，本发明对振膜200和背极300这两膜层进行了改进，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方法做进一步详细描述。

本发明第一实施例提供了一种电容传感器，包括：衬底100以及支撑在衬底100之上振膜200和背极300，其中，振膜200设置于衬底100和背极300之间，并与背极300分离设置以形成电容；以及，背极300设有至少一个第一褶皱，且振膜200在和第一褶皱相对的位置设有第二褶皱。

应当理解的是，背极300与振膜200构成电容基板，背极300与振膜200是相对设置，因而，第一褶皱和第二褶皱是成组设置，即，背极300上设有一个第一褶皱，则振膜200上和第一褶皱相对的位置就设有一个对应的第二褶皱。

本发明实施例中，背极300和振膜200上设有相对的第一褶皱和第二褶皱，则通过褶皱尖端电场线的分布(如图2中的箭头所示)即可提高电容传感器的有效电容值，从而有利于电容传感器以较小结构获得较高信噪比；并且褶皱尖端在运动时所受空气阻力较小，因而振膜200在过大地增加结构运动时也只会受到较小的空气阻力，从而有利于电容传感器感测到较弱的信息，即有利于提高电容传感器的灵敏度。

假设图1所示虚线椭圆圈住一组相对设置的第一褶皱和第二褶皱，图2到图5给出了这组第一褶皱和第二褶皱的多种可选的褶皱形状，基本上分为上凸结构和下凹结构两大类。需要说明的是，这里只是为了描述第一褶皱和第二褶皱的可选褶皱形状所做的假设，并不表示对第一褶皱和第二褶皱在膜层上位置及数量的限定。应当理解的是，振膜200和背极300作为两个膜层厚度很小，因而，图2到图5为了说明更形象用粗线条表示膜层。

(一)褶皱形状为上凸结构

参照图2和图3，在一个可选的实施例中，处于相对位置的一组第一褶皱和第二褶皱具有拓扑结构相同的褶皱形状，褶皱形状包括上凸结构，且上凸结构为背向衬底而凸出到膜层以外的结构，具体地，第一褶皱背向衬底100而凸出到背极300所处平面A以外，第二褶皱背向衬底100而凸出到振膜200所处平面B以外。

需要说明的是，一个上凸结构可以是两条边组成的一个角，但鉴于膜层弯折过程中的不理想状态，则更为常见的则是图2和图3所示的依次连接的三条边弯成上凸结构。其中，图2和图3所示的的上凸结构中三条边可以是直边也可以是弧边，并且三条边并不一定是中间边平行于膜层。

并且，本发明实施例中“处于相对位置的一组第一褶皱和第二褶皱具有拓扑结构相同的褶皱形状”意指：振膜200和背极300这上、下两层结构在相对位置都有褶皱，两层上褶皱的凸凹特性相同(即相对位置的第一褶皱和第二褶皱皆为上凸结构或者皆为下凹结构)，但褶皱的长度、宽度、深度、褶皱侧面和所处膜层平面的夹角以及褶皱中各相邻两边过渡的圆滑平整度都允许有一定程度的变化。

具体地，至少一个第一褶皱的数量、至少一个第一褶皱在背极300上的分布以及第二褶皱侧面和振膜200所处平面B的夹角可以由感测所需电容变化比例确定；而褶皱形状为上凸结构的情况下位于上层的第一褶皱是包围在位于下层的第二褶皱外侧，第一褶皱可以通过由第二褶皱转印而得到，转印后构成第一褶皱各条边之间的夹角和第二褶皱不一定相同，第一褶皱和背极300连接处的夹角与第二褶皱和振膜200连接处的夹角不一定相同。应当理解的是，此情况下至少一个第二褶皱的数量、至少一个第二褶皱在振膜200上的分布也同第一褶皱一样由感测所需电容变化比例确定。

由于经多次试验发现褶皱在膜层中心部位和边缘部位的分布对电容变化比例具有不同的调节效果，且膜层中心部位和边缘部位的有效电容(对电容传感器感测起作用的电容)不同，因而，褶皱在膜层的分布协同褶皱数量和褶皱侧面与膜层的夹角共同实现对有效电容的提高作用，使得感测信息微弱变化的情况下电容传感器都具有较明显的电容变化量，从而提高电容传感器的信噪比。

上述第一褶皱在只有一个的情况下，第一褶皱在背极300上有多个可选的分布位置；第一褶皱在有多个的情况下，多个第一褶皱可以有连续设置和分离设置两种可选的分布方式，且分离设置这种分布方式中相邻两个第一褶皱可以有多种可选的间隔距离。由于第二褶皱和第一褶皱成组出现，这里对第二褶皱的分布不再赘述。

上述第二褶皱侧面和振膜200所处平面B的夹角可以有多个可选的角度值，例如，如图2所示，在一些情况下，可以根据感测所需电容变化量设置第二褶皱左侧边和振膜200所处平面B的夹角α以及右侧边和振膜200所处平面B的夹角β皆设为锐角。

此外，参照图3，为上凸结构的第一褶皱和第二褶皱还可以如下设置：

第二褶皱侧面和振膜200所处平面B之间是呈不小于90°的夹角，即，图3所示的第二褶皱左侧边和振膜200所处平面B的夹角α以及右侧边和振膜200所处平面B的夹角β皆设为不小于90°的夹角；以及，褶皱形状为上凸结构的情况下位于上层的第一褶皱是包围在位于下层的第二褶皱外侧。

由于振膜200作为可动部件在运动时会有应力集中，而第二褶皱侧面和振膜200所处平面B之间的夹角不小于90°使得第二褶皱在振膜200上的过渡较为平滑，从而不便于应力的集中或利于声压等外力撤销后较迅速地释放应力，以提高电容传感器的灵敏度。

(二)褶皱形状为下凹结构

参照图4和图5，在另一个可选的实施例中，处于相对位置的一组第一褶皱和第二褶皱具有相同拓扑结构的褶皱形状，褶皱形状包括下凹结构，且下凹结构为偏向衬底100而凸出到膜层以外的结构，具体地，第一褶皱偏向衬底100而凸出到背极300所处平面A以外，第二褶皱偏向向衬底100而凸出到振膜200所处平面B以外。

需要说明的是，同理，一个下凹结构可以是两条边组成的一个角，但鉴于膜层弯折过程中的不理想状态，则更为常见的则是图4和图5所示的依次连接的三条边弯成下凹结构。其中，图4和图5所示的下凹结构中三条边可以是直边也可以是弧边，并且三条边并不一定是中间边平行于膜层。

具体地，至少一个第一褶皱的数量、至少一个第一褶皱在背极300上的分布以及第一褶皱侧边和背极300所处平面A的夹角由感测电容比例确定；而褶皱形状为下凹结构的情况下位于下层的第二褶皱是包围在位于上层的第一褶皱的外侧，第二褶皱可以通过由第一褶皱转印而得到，转印后构成第二褶皱各条边之间的夹角和第一褶皱不一定相同，且第二褶皱和振膜200连接处的夹角与第一褶皱和背极300连接处的夹角不一定相同。应当理解的是，此情况下至少一个第二褶皱的数量、至少一个第二褶皱在振膜200上的分布也同第一褶皱一样由感测所需电容变化比例确定。类似上凸结构的褶皱形状，这里第一褶皱和第二褶皱的设置方式同样为提高电容传感器的信噪比。

上述第一褶皱侧面和背极300所处平面A的夹角可以有多个可选的角度值，例如，如图4所示，在一些情况下，可以根据感测所需电容变化比例设置第一褶皱左侧边和背极300所处平面A的夹角θ以及右侧边和背极300所处平面A的夹角γ皆设为锐角。

此外，参照图5，为下凹结构的第一褶皱和第二褶皱还可以如下设置：

第一褶皱侧面和背极300所处平面A之间呈不小于90°的夹角，即，图5所示的第一褶皱左侧边和背极300所处平面A的夹角θ以及右侧边和背极300所处平面A的夹角γ皆不小于90°；以及，褶皱形状为下凹结构的情况下位于下层的第二褶皱是包围在位于上层的第一褶皱外侧。

由于振膜200作为可动部件在运动时会有应力集中，而第一褶皱侧面和背极300所处平面A之间的夹角不小于90°则第一褶皱不会以逐渐增大的趋势嵌在第二褶皱内，因而使得进入气体不会以较大的速率填充在第二褶皱内，即第二褶皱不会在短时间内集中较大应力，从而不便于振膜200内应力的快速集中也利于声压等外力撤销后振膜200较迅速地释放应力，以提高电容传感器的灵敏度。

上述振膜200和背极300上根据需要有多组第一褶皱和第二褶皱时，多组第一褶皱和第二褶皱的形状可以同时有上凸结构和下凹结构，即，一些对应的第一褶皱和第二褶皱为上凸结构，而另一些对应的第一褶皱和第二褶皱为下凹结构。

进一步，上述第一褶皱和背极300的连接处可以设置为工艺允许的倒角，而第二褶皱和振膜200的连接处也可以设置为工艺允许的倒角。

在另一个可选的实施例中，第一褶皱和第二褶皱的褶皱高度皆大于第一目标高度，第一目标高度为背极300和振膜200中较厚膜层厚度的20％。例如，背极300和振膜200二者之中背极300较厚，且背极300的厚度为h₁，则第一褶皱和第二褶皱的褶皱高度皆大于h₁的五分之一，从而确保第一褶皱和第二褶皱皆具有明显的褶皱形状。

在另一个可选的实施例中，第一褶皱和第二褶皱的褶皱高度皆大于第二目标高度，第二目标高度为背极和振膜之间最大间距的20％。例如，背极和振膜之间最大间距为h₂，则第一褶皱和第二褶皱的褶皱高度皆大于h₂的五分之一，从而确保通过振膜200和背极300的改进实现较明显的电容值优化作用。

针对第一实施例所述的电容传感器，本发明第二实施例还提供了一种电容传感器的制造方法。参照图6，该制造方法包括：

步骤S101，在衬底上方生成设有第二褶皱的振膜，第二褶皱的数量为至少一个。

步骤S102，在振膜上方生成背极，使背极与振膜分离设置以形成电容，且背极和第二褶皱相对的位置设有第一褶皱。

具体地，可以通过在衬底表面上沉积多层牺牲层，并通过对多层牺牲层实施选择性地掩蔽和刻蚀等工艺来形成设有第二褶皱的振膜和设有第一褶皱的背极。关于沉积的牺牲层的数量以及选择性地掩蔽和刻蚀顺序，本发明实施例不作限定，只要使得振膜上设有第二褶皱且背极与振膜分离设置并有背极和第二褶皱相对的位置设有第一褶皱即可。

本发明实施例中，通过在背极和振膜上设置相对的第一褶皱和第二褶皱，则可以通过褶皱尖端电场线的分布提高电容传感器的有效电容值，从而有利于电容传感器以较小结构获得较高信噪比；并且褶皱尖端在运动时所受空气阻力较小，因而振膜在过大地增加结构运动时也只会受到较小的空气阻力，从而有利于电容传感器感测到较弱的信息，进一步提高了电容传感器的灵敏度。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，在上述描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，若将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种电容传感器，其特征在于，包括：衬底以及支撑在所述衬底之上的背极和振膜，其中，

所述振膜设置于所述衬底和所述背极之间，并与所述背极分离设置以形成电容；以及，

所述背极设有至少一个第一褶皱，且所述振膜在和所述第一褶皱相对的位置设有第二褶皱。

2.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，处于相对位置的一组第一褶皱和第二褶皱具有拓扑结构相同的褶皱形状，所述褶皱形状包括上凸结构，且所述上凸结构为背向所述衬底而凸出到膜层以外的结构。

3.根据权利要求2所述的电容传感器，其特征在于，

至少一个所述第一褶皱的数量、至少一个所述第一褶皱在所述背极上的分布以及所述第二褶皱侧面和所述振膜所处平面的夹角由感测所需电容变化比例确定；

以及，所述第一褶皱包围在所述第二褶皱的外侧。

4.根据权利要求2所述的电容传感器，其特征在于，

所述第二褶皱侧面和所述振膜所处平面之间呈不小于90°的夹角；

以及，所述第一褶皱包围在所述第二褶皱的外侧。

5.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，处于相对位置的一组第一褶皱和第二褶皱具有拓扑结构相同的褶皱形状，所述褶皱形状包括下凹结构，且所述下凹结构为偏向所述衬底而凸出到膜层以外的结构。

6.根据权利要求5所述的电容传感器，其特征在于，

至少一个所述第一褶皱的数量、至少一个所述第一褶皱在所述背极上的分布以及所述第一褶皱侧面和所述背极所处平面的夹角由感测所需电容变化比例确定；

以及，所述第二褶皱包围在所述第一褶皱的外侧。

7.根据权利要求5所述的电容传感器，其特征在于，

所述第一褶皱侧面和所述背极所处平面之间呈不小于90°的夹角；

以及，所述第二褶皱包围在所述第一褶皱的外侧。

8.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，所述第一褶皱和所述第二褶皱的褶皱高度皆大于第一目标高度，所述第一目标高度为所述背极和所述振膜中较厚膜层厚度的20％。

9.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，所述第一褶皱和所述第二褶皱的褶皱高度皆大于第二目标高度，所述第二目标高度为所述背极和所述振膜之间最大间距的20％。

10.一种电容传感器的制造方法，其特征在于，包括：

在衬底上方生成设有第二褶皱的振膜，所述第二褶皱的数量为至少一个；

在所述振膜上方生成背极，使所述背极与所述振膜分离设置以形成电容，且所述背极和所述第二褶皱相对的位置设有第一褶皱。

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