CN112125275A - 一种mems电容式传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种MEMS电容式压力传感器及制备方法，该MEMS电容式压力传感器包括：堆叠的第一衬底和第二衬底；压力敏感膜，设置在第一衬底的上表面；第一凹槽，设置在第一衬底的下表面，与该压力敏感膜相对；电介质块，设置在该压力敏感膜的下表面，位于所述第一凹槽中；第二凹槽，设置在该第二衬底的上表面，与该第一凹槽形成真空腔；第三凹槽和第四凹槽，环绕并间隔所述第二凹槽设置在所述第二衬底的下表面；绝缘层，设置在所述第二衬底的下表面；第一电极，设置在所述第三凹槽邻近所述第二凹槽的侧壁的所述绝缘层上；第二电极，设置在该第四凹槽邻近该第二凹槽的侧壁的该绝缘层上。该传感器具有更高的线性度并改善其电极引出可靠性。

Description

一种MEMS电容式传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微机电系统MEMS领域，具体涉及一种MEMS电容式压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器主要用于环境压力的测量，已有多年的发展历史，它在国防、军事、工业、农业及医疗等领域应用广泛，是当前最为普遍的一类传感器。MEMS压力传感器主要包括MEMS压阻式压力传感器和MEMS电容式压力传感器两种类型。与MEMS压阻式压力传感器相比，MEMS电容式压力传感器具有温漂小等优点，因此，备受人们青睐。现有的MEMS电容式压力传感器主要由固定电极、可动电极和腔体构成，在环境压力作用下，电容电极之间的间距发生变化，进而引起电容值发生变化。由于电容值与电极间距呈反比，因此，相应的MEMS电容式压力传感器具有线性度差的缺点。此外，现有的MEMS电容式压力传感器的固定电极通常被封闭在腔体内，需要使用打孔、填充、磨抛等步骤才能实现固定电极的电极引出，其制备工艺复杂且可靠性差。
发明内容
为了解决本领域压力传感器存在的一些问题，本发明提出一种MEMS电容式压力传感器及其制备方法，以提高MEMS电容式压力传感器的线性度并改善其电极引出与可靠性。具体地，本发明所提出的技术方案如下：
一种MEMS电容式压力传感器，所述MEMS电容式压力传感器包括：
堆叠的第一衬底和第二衬底；
压力敏感膜，设置在所述第一衬底的上表面；
第一凹槽，设置在所述第一衬底的下表面，与所述压力敏感膜相对；
电介质块，设置在所述压力敏感膜的下表面，位于所述第一凹槽中；
第二凹槽，设置在所述第二衬底的上表面，与所述第一凹槽形成真空腔；
第三凹槽和第四凹槽，环绕并间隔所述第二凹槽设置在所述第二衬底的下表面；
绝缘层，设置在所述第二衬底的下表面；
第一电极，设置在所述第三凹槽邻近所述第二凹槽的侧壁及所述第二衬底的下表面的所述绝缘层上；
第二电极，设置在所述第四凹槽邻近所述第二凹槽的侧壁及所述第二衬底的下表面的所述绝缘层上。
可选地，所述电介质块设置于所述压力敏感膜的下表面中央区域。
可选地，所述电介质块的材质包括陶瓷。
可选地，所述电介质块的高度大于或等于所述第一凹槽的深度。
可选地，所述电介质块的高度小于所述第一凹槽和所述第二凹槽的深度之和。
可选地，所述第二凹槽的截面尺寸大于所述电介质块的截面尺寸。
可选地，所述第三凹槽和所述第四凹槽对称设置在所述第二凹槽的两侧。
可选地，所述第三凹槽和所述第四凹槽的侧壁与所述第二凹槽的侧壁相交叠。
本发明还提出一种MEMS电容式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
选择第一衬底，刻蚀所述第一衬底的下表面，形成第一凹槽及压力敏感膜；
在所述压力敏感膜的下表面组装电介质块；
选择第二衬底，刻蚀所述第二衬底的上表面，形成第二凹槽；
刻蚀所述第二衬底的下表面，形成分布在所述第二凹槽两侧的第三凹槽和第四凹槽；
在所述第二衬底的下表面沉积绝缘层；
在所述绝缘层的表面制备第一电极和第二电极；
键合所述第一衬底和所述第二衬底，所述第一凹槽和所述第二凹槽形成真空腔。
可选地，所述第三凹槽和所述第四凹槽对称形成在所述第二凹槽两侧。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的MEMS电容式压力传感器主要依赖介电常数变化来响应压力的变化，相比于现有通过间距变化来响应压力变化的MEMS电容式压力传感器，本发明的传感器具有更高的线性度。
2、此外，本发明的MEMS电容式压力传感器中敏感电容的两个电极均位于衬底外表面，因此，不存在现有MEMS电容式压力传感器由于电极密封在腔体内导致的电极引出困难及其引起的可靠性问题。
3、本发明的MEMS电容式压力传感器可采用MEMS加工工艺进行高精度、高一致性、低成本制备。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的一种MEMS电容式压力传感器的剖面结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步的详细介绍。
实施例1
如图1所示，本发明所提出的MEMS电容式压力传感器，包括堆叠的第一衬底4和第二衬底7；
在第一衬底4的上表面形成有压力敏感膜1；与压力敏感膜1相对的第一衬底4的下表面经刻蚀形成有第一凹槽3；
在压力敏感膜1的下表面设置有电介质块2，电介质块2位于第一凹槽3中；
第二凹槽8，设置在第二衬底7的上表面，与第一凹槽3形成真空腔12；
第三凹槽9和第四凹槽10，环绕并间隔第二凹槽8设置在第二衬底7的下表面；
绝缘层11，覆盖第二衬底7的下表面；
第一电极5，设置在第三凹槽9邻近第二凹槽8的侧壁上，优选地，第一电极5延伸到第二衬底7的下表面；
第二电极6，设置在第四凹槽10邻近第二凹槽8的侧壁上，优选地，第二电极6延伸到第二衬底7的下表面。
具体地，第一衬底4和第二衬底7为200-2000μm的单晶硅或玻璃，二者的材料可以相同，也可以不同。第一衬底4和第二衬底7可以通过键合的方式连接为整体，该键合方式比如是粘结剂键合。
压力敏感膜1例如系通过背面刻蚀第一衬底4而形成在第一衬底4的上表面中央，厚度为5-50μm；同时在第一衬底4的下表面形成正对压力敏感膜1的第一凹槽3。
电介质块2设置在压力敏感膜1下表面中央，材料为电介质材料陶瓷，优选为具有高介电常数的陶瓷，比如氧化铝、氧化锆、钛酸钡、钛酸锶等，这是因为选择具有高介电常数的材料作为电介质块2，有利于提高本发明的压力传感器的灵敏度。
对于第二衬底7，在其上表面形成的第二凹槽8，其正对电介质块2，与第一凹槽3形成真空腔12。
在第二衬底7的下表面围绕第二凹槽8的形成区域相对应地形成第三凹槽9和第四凹槽10，第三凹槽9和第四凹槽10例如对称设置在第二凹槽8的两侧。
进一步地，第三凹槽9和第四凹槽10的底面及侧壁形成绝缘层11，绝缘层11位于第二衬底7的下表面并覆盖第三凹槽9和第四凹槽10，绝缘层11的材料为二氧化硅或氮化硅的至少一种，厚度为100-1000nm。
进一步地，在绝缘层11上制备第一电极5及第二电极6。第一电极5和第二电极6例如对称设置在第三凹槽9和第四凹槽10靠近第二凹槽8的一侧侧壁，第一电极5和第二电极6构成本发明传感器的敏感电容的两个电极。绝缘层11用于实现第一电极5、第二电极6与第二衬底7的电隔离。
其中，第一电极5、第二电极6的材料为金属，优选为Al、Ti、Au、Cu、Pt的至少一种，厚度为50-500nm。
其中，可选地，第三凹槽9和第四凹槽10的侧壁与第二凹槽8的侧壁相交叠，交叠区域的高度不小于100μm。这保证在环境压力作用下，电介质块2能够深入第一电极5与第二电极6之间，这有助于大幅提升本发明的传感器的灵敏度。
可选地，第二凹槽8与第一凹槽3的深度之和大于电介质块2的高度，目的是防止在工作过程中电介质块2与第二凹槽8底部接触。
可选地，电介质块2的高度不小于第一凹槽3的深度，这有助于保证环境压力作用下的电介质块2位移能引起较大的电容值变化，从而使得本发明的传感器具有较高的灵敏度。
可选地，第二凹槽8的截面尺寸大于电介质块2的截面尺寸，由此，在环境压力作用下，电介质块2可自由插入第二凹槽8。优选的，该第二凹槽8的截面面积是电介质块2的截面面积的1.5-3.0倍，这既有助于降低第二凹槽8与电介质块2间的对准难度，又有助于保证环境压力作用下的电介质块2位移能引起较大的电容值的变化，从而进一步提升本发明的传感器的灵敏度。
本发明所提出的MEMS电容式压力传感器的工作原理如下：
第一电极5和第二电极6构成MEMS电容式压力传感器的敏感电容的两个电极，在外界压力作用下，压力敏感膜1向下弯曲，并带动电介质块2产生向下的位移，其中，电介质块2在接近或插入第一电极5与第二电极6之间时，会导致两电极间的介电常数发生变化，进而引起电容值发生变化，从而实现环境压力到电信号的转换。由上可知，本发明的MEMS电容式压力传感器主要通过电极间的介电常数的变化来响应环境压力的变化。因为电容值与介电常数呈正比，所以本发明的电容式传感器具有高线性度。
实施例2
本发明还提出一种MEMS电容式压力传感器的制备方法，具体地，该制备方法包括如下步骤：
a.选用500mm厚的N型(100)单晶硅片作为第一衬底4，通过光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，得到深度例如为480 μm的第一凹槽3和厚度为20μm的压力敏感膜1；
b.通过组装的方式在压力敏感膜1的下表面安装电介质块2，该电介质块2例如为钛酸钡陶瓷块，其尺寸例如为：长´宽´高=200μm´200μm´600μm；
c.选用500mm厚的N型(100)单晶硅片作为第二衬底7，通过对第二衬底7的上表面进行光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，得到深度例如为400μm、底部截面尺寸例如为400μm´400μm的第二凹槽8；
d.对步骤c得到的第二衬底7的下表面进行双面对准光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，得到在第二凹槽8左右两侧对称分布的第三凹槽9和第四凹槽10，第三凹槽9和第四凹槽10深度例如为400μm；
e.通过沉积或薄膜生长技术在第二衬底7的下表面形成例如500nm的二氧化硅作为绝缘层11；该沉积技术例如选择等离子体增强化学气相沉积（PECVD）；
f.在第二衬底7的下表面通过剥离和电子束蒸发技术制备例如20nm Ti和100nm Au，形成第一电极5、第二电极6；
g.将步骤b得到的第一衬底4的下表面与步骤f得到的第二衬底7的上表面通过例如粘结剂键合的方式在真空环境下连接在在一起，形成真空腔12，并完成器件的制备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的MEMS电容式压力传感器主要依赖介电常数变化来响应压力的变化，相比于现有通过间距变化来响应压力变化的MEMS电容式压力传感器，本发明的传感器具有更高的线性度。
2、此外，本发明的MEMS电容式压力传感器中敏感电容的两个电极均位于衬底外表面，因此，不存在现有MEMS电容式压力传感器由于电极密封在腔体内导致的电极引出困难及其引起的可靠性问题。
3、本发明的MEMS电容式压力传感器可采用MEMS加工工艺进行高精度、高一致性、低成本制备。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种MEMS电容式压力传感器，其特征在于，所述MEMS电容式压力传感器包括：
堆叠的第一衬底和第二衬底；
压力敏感膜，设置在所述第一衬底的上表面；
第一凹槽，设置在所述第一衬底的下表面，与所述压力敏感膜相对；
电介质块，设置在所述压力敏感膜的下表面，位于所述第一凹槽中；
第二凹槽，设置在所述第二衬底的上表面，与所述第一凹槽形成真空腔；
第三凹槽和第四凹槽，环绕并间隔所述第二凹槽设置在所述第二衬底的下表面；
绝缘层，设置在所述第二衬底的下表面；
第一电极，设置在所述第三凹槽邻近所述第二凹槽的侧壁及所述第二衬底的下表面的所述绝缘层上；
第二电极，设置在所述第四凹槽邻近所述第二凹槽的侧壁及所述第二衬底的下表面的所述绝缘层上。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器，其特征在于，所述电介质块设置于所述压力敏感膜的下表面中央区域。
3.根据权利要求1或2所述的一种MEMS电容式压力传感器，其特征在于，所述电介质块的材质包括陶瓷。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器，其特征在于，所述电介质块的高度大于或等于所述第一凹槽的深度。
5.根据权利要求1或4所述的一种MEMS电容式压力传感器，其特征在于，所述电介质块的高度小于所述第一凹槽和所述第二凹槽的深度之和。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器，其特征在于，所述第二凹槽的截面尺寸大于所述电介质块的截面尺寸。
7.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器，其特征在于，所述第三凹槽和所述第四凹槽对称设置在所述第二凹槽的两侧。
8.根据权利要求1或7所述的一种MEMS电容式压力传感器，其特征在于，所述第三凹槽和所述第四凹槽的侧壁与所述第二凹槽的侧壁相交叠。
9.一种MEMS电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择第一衬底，刻蚀所述第一衬底的下表面，形成第一凹槽及压力敏感膜；
在所述压力敏感膜的下表面组装电介质块；
选择第二衬底，刻蚀所述第二衬底的上表面，形成第二凹槽；
刻蚀所述第二衬底的下表面，形成分布在所述第二凹槽两侧的第三凹槽和第四凹槽；
在所述第二衬底的下表面沉积绝缘层；
在所述绝缘层的表面制备第一电极和第二电极；
键合所述第一衬底和所述第二衬底，所述第一凹槽和所述第二凹槽形成真空腔。
10.根据权利要求9所述的一种MEMS电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述第三凹槽和所述第四凹槽对称形成在所述第二凹槽两侧。
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