CN112362199B - 一种介质插入型电容式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于压力传感器领域，更具体地，涉及一种介质插入型电容式压力传感器及其制备方法。该介质插入型电容式压力传感器包括基体、支撑层和感压层，基体包括衬底和梳状电极，感压层包括弹性薄膜和位于该弹性薄膜下方与之相连接的感压阵列，感压阵列的阵列单元正好位于梳状电极梳齿间隙的正上方，而弹性薄膜、衬底以及支撑层围成一个封闭的真空腔结构，使得弹性薄膜在压力作用下，带动感压阵列向下移动，而梳状电极的位置固定不变，从而使感压阵列插入到梳齿电极平行板电容的两极板之间，改变电极板间电介质的相对介电常数，进而引起电容的改变，再通过检测电容即可测得压力的大小。该电容式压力传感器可以在增加线性度的同时，提高其灵敏度。

Description

一种介质插入型电容式压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于压力传感器领域，更具体地，涉及一种介质插入型电容式压力传感器及其制备方法。
背景技术
基于MEMS技术的压力传感器在工业生产、医疗卫生、环境监测以及科学研究等众多领域有着广泛的应用。其中，电容式压力传感器是MEMS压力传感器的一种主要类型，其根本原理是将压力变化转换为电容变化。根据电容计算公式：
Figure BDA0002753667830000011
其中，ε0为真空介电常数，是固定值；εr为相对介电常数，为电容电极板间电介质的等效相对介电常数；A为电容电极板的正对面积；d为电容电极板的间距。现有的电容式压力传感器一般是通过改变电容电极板的间距d和/或正对面积A来改变电容。
对于变间距式电容式压力传感器，其基本结构是由弹性薄膜和基片组成。这些器件中的弹性薄膜作为电容器的一个电极，而另一个电极则是位于其下方的基板上。当膜片根据施加的压力发生偏转时，电极之间的平均间隙发生变化，进而导致电容的变化。由平行板电容计算公式可以知道，电容与平行板电容的间距成反比。所以变间距的电容式压力传感器的输入负载与输出电容的非线性度比较大，这是变间距式电容式压力传感器的主要缺陷之一。
除了上述变间距式电容式压力传感器，也有基于改变电容间正对面积原理的电容式压力传感器。中国专利CN109231156A公开了一种电容式压力传感器，包含可动叉指电容和固定叉指电容，当压敏薄膜受力发生形变时，可动叉指电容相对于固定叉指电容之间的正对面积发生改变，进而使电容值发生改变。该方法通过改变电容电极板的正对面积来改变电容，虽然可以一定程度提高该压力传感器的线性度，但是该压力传感器其灵敏度仍具有提高的空间。
现有的电容式压力传感器均有弹性薄膜结构。对于含有弹性薄膜的电容式压力传感器，根据压力检测范围和弹性薄膜的形变对其工作区域进行划分，分为小挠度形变工作区域和大挠度形变工作区域。当电容式压力传感器工作在小挠度形变区域时，弹性薄膜的最大形变小于膜厚的20％，压力检测范围小，这类传感器线性度好，但灵敏度低，通常需要在灵敏度和线性度之间折中考虑，存在灵敏度和线性度相互制约的问题。为了使电容式压力传感器具有大的灵敏度，一些现有的电容式压力传感器工作在大挠度形变区域。当传感器工作在大挠度形变区域时，弹性薄膜的最大形变大于膜厚的20％，压力检测范围大，传感器具有较大的灵敏度，但是大挠度形变区域的线性度较差，因此其同样存在灵敏度和线性度相互制约的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种介质插入型电容式压力传感器及其制备方法，通过对电容式压力传感器的结构进行重新设计，提供了一种按照全新工作原理作用的电容式压力传感器，该压力传感器能够通过改变电容极板间的相对介电常数εr来改变输出电容值；对该工作在大挠度形变区域的压力传感器进行模拟仿真，结果表明，不仅其灵敏度得到较大程度的提高，而且其线性度也得到了大的改善，最终在得到高灵敏度的同时也可以得到高线性度，解决了现有技术的电容式压力传感器线性度以及灵敏度相互制约、不能兼顾的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种介质插入型电容式压力传感器，包括基体、支撑层和感压层；其中：
所述基体包括衬底和位于衬底表面的梳状电极；
所述感压层包括位于所述梳状电极上方的感压阵列以及位于所述感压阵列上方且与所述感压阵列相连接的弹性薄膜；所述感压阵列包括若干个阵列单元，每一个阵列单元位于所述梳状电极的梳齿间隙的正上方，且所述阵列单元的宽度小于所述梳状电极梳齿间隙的宽度；
所述支撑层位于所述基体与所述感压层之间，且位于所述梳状电极和所述感压阵列的外围；所述支撑层顶端与所述弹性薄膜相连接，所述支撑层底端与所述衬底相连接，所述弹性薄膜、所述支撑层与所述衬底围成封闭空腔结构，所述梳状电极和所述感压阵列位于该封闭空腔结构中；
使用时，所述梳状电极固定不动，所述弹性薄膜受到向下的压力而发生形变，带动所述感压阵列向下插入所述梳状电极的梳齿间隙中，引起所述梳状电极所形成的电容间电介质的相对介电常数的变化，进而引起电容的改变。
优选地，所述梳状电极为由接地电极和终端电极交叉排列而形成，任意两个相邻的梳齿构成一对平行板电容，所述梳状电极包括多对平行板电容，且电容间并联；
所述接地电极和终端电极均包括梳齿和梳柄，所述梳柄一端与所述梳齿相连接，另一端与位于所述支撑层侧壁的金属电极相连接，将该梳状电极引出。
优选地，所述衬底包括自下而上依次层叠设置的硅/二氧化硅/氮化硅。
优选地，所述梳状电极的材料为掺磷多晶硅。
优选地，所述梳状电极其单个电极宽度为1-4μm，厚度为20-35μm，电极间距为4-8μm。
优选地，所述感压阵列采用的材料其相对介电常数大于4；每一个所述阵列单元的宽度为2-8μm，高度为30-80μm，任意相邻的两个阵列单元的间距为3-6μm，且所述阵列单元的宽度小于所述梳状电极梳齿间隙的宽度2-4μm。
优选地，所述感压阵列的材质为氮化硅。
优选地，在水平方向上，每一个所述阵列单元位于所述梳状电极的梳齿间隙中央位置；在竖直方向上，每一个所述阵列单元的底部与梳状电极的顶部齐平。
优选地，所述弹性薄膜材质为多晶硅、单晶硅、氮化硅或碳化硅；所述弹性薄膜的厚度为15-30μm。
优选地，所述弹性薄膜的厚度为20μm。
优选地，所述弹性薄膜材质为多晶硅。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在衬底的上表面淀积梳状电极材料，按照第一预设掩膜图形，刻蚀底层梳状电极材料，形成所述梳状电极；
(2)在步骤(1)获得的材料表面依次淀积牺牲层材料和感压层材料，按照第二预设掩膜图形，刻蚀底层感压层材料，形成所述感压阵列；
(3)在步骤(2)获得的材料表面淀积牺牲层材料，直至其高度与所述感压阵列顶端相同，根据第三预设掩膜图形，刻蚀底部牺牲层材料直至衬底表面，然后向刻蚀沟槽内淀积支撑层材料，形成所述支撑层；
(4)在步骤(3)获得的材料表面淀积弹性薄膜材料，以在所述感压阵列上方形成所述弹性薄膜；
(5)根据第四预设掩膜图形，在步骤(3)获得的弹性薄膜表面、非感压阵列区域刻蚀出牺牲层材料释放孔，利用湿法腐蚀去除牺牲层材料，之后通过淀积工艺密封释放孔，以形成所述封闭空腔结构；
(6)在步骤(5)所述封闭空腔结构外侧壁梳状电极处淀积金属材料，将该梳状电极引出。
优选地，步骤(2)所述牺牲层材料为二氧化硅。
按照本发明的另一个方面，提供了一种压力测量装置，包括所述的电容式压力传感器。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供了一种介质插入型电容式压力传感器，其包括基体、支撑层和感压层，基体包括衬底和梳状电极，感压层包括弹性薄膜和位于该弹性薄膜下方与之相连接的感压阵列，感压阵列的阵列单元正好位于梳状电极梳齿间隙的正上方，而弹性薄膜、衬底以及支撑层围成一个封闭的真空空腔结构，这样的结构设计，使得弹性薄膜在压力作用下，带动相对介电常数较大的感压阵列向下移动，而梳状电极的位置固定不变，从而使感压阵列插入到梳齿电极平行板电容的两极板之间，改变电极板间电介质的相对介电常数，进而引起电容的改变，再通过检测电容即可测得压力的大小。根据电容计算公式，相对介电常数与电容成正比，因此这种设计可以增加压力传感器的线性度。本发明提供了一种介质插入型电容式压力传感器，解决了上述电容式压力传感器工作在大挠度形变区域线性度差的问题。
(2)本发明介质插入型压力传感器，与传统的电容式压力传感器不同，本发明压力传感器中的弹性薄膜不作为电容的电极板，而是位于衬底表面的梳状电极作为电极板，接地电极和终端电极交叉排列，若干个两两相邻的梳齿构成若干个平行板电容，各电容并联设计，提供了较大的初始电容。本发明压力传感器中单个电容具有较大的正对面积和较小的间距，因此单个电容也具有较大的初始电容值。较大的初始电容值使得本发明压力传感器具有较高的灵敏度。
(3)本发明优选实施例中梳状电极采用P-Si(掺磷多晶硅)材质，电阻率较低。感压层包括多晶硅材质的弹性薄膜和氮化硅材质的感压阵列，多晶硅的断裂强度较大，是良好的弹性材料，氮化硅的相对介电常数较大，可以在施加压力时，更大程度的改变输出电容值。
(4)本发明通过对电容式压力传感器的结构进行重新设计，提出的全新的电容式压力传感器，能够通过改变电容极板间的相对介电常数来改变输出电容值，增加了传感器的线性度。另一方面，本发明的介质插入型电容式压力传感器工作在大挠度形变区域，扩大了压力检测范围，增加了灵敏度。同时，本发明特定的结构和尺寸设计，使得本发明克服了大挠度形变区域线性度差的缺点，最终使得该压力传感器能够同时获得高的灵敏度和高的线性度。本发明工作在大挠度形变区域，与小挠度形变区域相比，在弹性薄膜位移相同的情况下，本发明压力传感器的薄膜厚度更薄，这有利于促进器件的小型化。
(5)本发明采用梳状电极，任意相邻的两个梳齿电极构成一对平行板电容，通过改变梳齿电极的齿数，改变梳状电极电容对数，从而可以调整该电容式压力传感器的检测灵敏度。
(6)将现有技术通过改变电容电极板正对面积来改变电容输出值的压力传感器与本发明通过改变电容极板间的相对介电常数εr来改变输出电容值的介质插入型压力传感器进行比较发现，本发明介质插入型压力传感器只要其感应阵列材料的相对介电常数大于4，就能够获得高于正对面积变化而引起电容变化的压力传感器的灵敏度。本发明优选实施例中，选择相对介电常数为9.7的氮化硅作为感压阵列材料，可获得远高于现有技术压力传感器的灵敏度。相对介电常数大于4的材料很多，相应地，本发明可以在较宽的范围内选择合适的感压阵列材料。
附图说明
图1是本发明一个实施例中电容式压力传感器外部整体示意图；
图2是本发明一个实施例中电容式压力传感器XZ方向剖面图；
图3是本发明一个实施例中电容式压力传感器基体俯视图；
图4是本发明一个实施例中电容式压力传感器感压层仰视图；
图5是本发明一个实施例中梳状电极电极对数为40的输入压力-输出电容曲线图；
图6是本发明一个实施例中梳状电极电极对数为60的输入压力-输出电容曲线图；
图7是本发明一个实施例中梳状电极电极对数为80的输入压力-输出电容曲线图；
图8是本发明一个实施例中梳状电极电极对数为100的输入压力-输出电容曲线图；
图9是本发明一个实施例中梳状电极电极对数为120的输入压力-输出电容曲线图。
图10是本发明一个实施例中电容式压力传感器在压力作用下其弹性薄膜最大位移的变化图。
其中，1-基体；11-衬底；12-梳状电极；121-梳齿；122-梳柄；2-支撑层；3-感压层；31-弹性薄膜；32-感压阵列；4-真空腔；5-金属电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“正上方”、“正下方”、“外围”、“两侧”、“水平”、“竖直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作。
如图1所示为本发明一个实施例中电容式压力传感器的外部整体结构示意图，图2为该电容式压力传感器XZ方向剖面图。图3为该实施例压力传感器中基体的俯视图；图4为该电容式压力传感器感压层的仰视图。
该实施例提供的一种介质插入型电容式压力传感器，包括基体1、支撑层2和感压层3；基体1包括衬底11和位于衬底11表面与衬底11相连接的梳状电极12；感压层3包括位于梳状电极12上方的感压阵列32以及位于感压阵列32上方且与感压阵列32相连接的弹性薄膜31；感压阵列32包括若干个阵列单元，每一个阵列单元位于梳状电极12的梳齿间隙的正上方，且阵列单元的宽度小于梳齿电极梳齿间隙的宽度；支撑层2位于基体1与感压层3之间，且位于梳状电极12和感压阵列32的外围；支撑层2顶端与弹性薄膜31相连接，底端与衬底11相连接，支撑层2、弹性薄膜31与衬底11围成封闭空腔结构即真空腔4，梳状电极12和感压阵列32位于该封闭空腔结构中；使用时，弹性薄膜31受到向下的压力而发生形变，带动感压阵列32向下插入梳状电极12的梳齿间隙中，引起梳状电极12所形成的电容间电介质的相对介电常数的变化，进而引起电容的改变。
该实施例中梳状电极12为由接地电极和终端电极交叉排列形成，任意两个相邻的梳齿121，也即电极，构成一对平行板电容，梳状电极12包括多对平行板电容，且电容间并联；所述接地电极和终端电极均包括梳齿121和梳柄122，所述梳柄122一端与所述梳齿121相连接，另一端与位于所述支撑层2侧壁的金属电极5相连接，将该梳状电极12引出。
可选地，本发明梳状电极其单个电极宽度为1-4μm，厚度为20-35μm，电极间距为4-8μm。
可选地，该实施例压力传感器其衬底11可以是单层结构，也可以为多层结构，一些实施例中，该衬底包括自下而上依次层叠的硅/二氧化硅/氮化硅，其中硅层厚度为500μm，二氧化硅层厚度为5-20μm，氮化硅层厚度为5-20μm。
可选地，梳状电极12的材料可为掺磷多晶硅(P-Si)或其他掺杂导电材料。一个实施例中，梳状电极其单个电极宽度为2μm，厚度为30μm，电极间距为6μm。感压阵列32其每一个阵列单元位于梳状电极12的梳齿间隙的正上方且中央位置。
本发明通过改变电介质相对介电常数来改变电容，优选选择相对介电常数大于4的半导体材料作为感压阵列的材料，以提高该压力传感器的灵敏度。
可选地，感压阵列32的材质可为氮化硅或其它半导体材料，每一个所述阵列单元的宽度为2-8μm，高度为30-80μm，阵列单元的间距为3-6μm，且所述阵列单元的宽度小于所述梳状电极梳齿间隙的宽度2-4μm。一个优选实施例中，感压阵列32的材质为氮化硅，每一个阵列单元的宽度为4μm，高度为50μm，阵列单元的间距为4μm。
可选地，弹性薄膜31材质可为多晶硅、单晶硅、氮化硅、碳化硅或其它半导体材料，弹性薄膜的厚度为15-30μm。优选实施例中，弹性薄膜31材质为多晶硅，该弹性薄膜31的厚度为20μm。弹性薄膜31的形状为正方形或圆形。
可选地，支撑层的材质可为氮化硅或其它半导体材料，支撑层的高度由梳状电极和感压阵列的厚度决定，一些实施例中，支撑层的材质为氮化硅，支撑层的高度为80微米。支撑层设置于梳状电极和弹性阵列外围、且衬底和弹性薄膜之间，使得弹性薄膜、衬底与支撑层围成封闭空腔结构。
示例性地，当待检测的压力为大气压时，本发明实施例中所示的电容式压力传感器的工作原理：大气压作用于弹性薄膜，使大气压与真空腔室之间形成压力差，导致弹性薄膜发生形变，从而引起与弹性薄膜相连的氮化硅阵列位置发生变化，又梳状电极的位置固定不变，从而使氮化硅插入到梳状电极的间隙中去，从而改变了梳状电极所形成的电容间的电介质相对介电常数的变化，进而引起电容的改变，再通过检测电容即可测得大气压力的大小。
本发明一个实施例中提供的电容式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在衬底的上表面淀积梳状电极材料，按照第一预设掩膜图形，刻蚀底层梳状电极材料，形成所述梳状电极；
(2)在步骤(1)获得的材料表面依次淀积牺牲层材料和感压层材料，按照第二预设掩膜图形，刻蚀底层感压层材料，形成所述感压阵列；
(3)在步骤(2)获得的材料表面淀积牺牲层材料，直至其高度与所述感压阵列顶端相同，根据第三预设掩膜图形，刻蚀底部牺牲层材料直至衬底表面，然后向刻蚀沟槽内淀积支撑层材料，形成所述支撑层；
(4)在步骤(3)获得的材料表面淀积弹性薄膜材料，以在所述感压阵列上方形成所述弹性薄膜；
(5)根据第四预设掩膜图形，在步骤(3)获得的弹性薄膜表面、非感压阵列区域刻蚀出多个牺牲层释放孔，通过湿法腐蚀去除牺牲层材料，然后通过淀积工艺密封，以形成所述封闭空腔结构；
(6)在步骤(5)所述封闭空腔结构外侧壁梳状电极处淀积金属材料，将该梳状电极引出。
该实施例中采用3000μm*3000μm*500μm尺寸的硅作为基底，清洗和烘干表面，然后通过等离子增强化学气相沉淀法(PECVD)依次在硅基上淀积二氧化硅和氮化硅，其厚度均为10μm，如此形成Si/SiO2/Si3N4多层膜衬底。
该实施例中，步骤(1)具体为：在衬底的上表面通过等离子增强化学气相沉淀法淀积掺磷多晶硅，厚度为30μm。之后用旋涂法在表面涂敷一层光刻胶，曝光、显影，利用等离子体刻蚀对掺磷多晶硅刻蚀，然后剥离光刻胶，形成包括梳齿和梳柄的梳状电极。单个电极宽度为2μm，电极间距为6μm，电极高度为30μm。
步骤(2)具体为：通过等离子体增强化学气相沉淀法淀积30μm厚的二氧化硅(用作牺牲层材料)和50μm厚的氮化硅，之后用旋涂法在表面涂敷一层光刻胶，曝光、显影，利用等离子体刻蚀对氮化硅刻蚀，刻蚀深度为50μm，剥离光刻胶，形成氮化硅阵列。在水平方向上，单个氮化硅正好位于梳状电极两个电极中央；在竖直/垂直方向上，氮化硅底部与梳状电极顶部齐平。氮化硅宽度为4μm，间距为4μm。
步骤(3)具体为：通过等离子体增强化学气相沉淀法淀积50μm厚的二氧化硅，之后用旋涂法在表面涂敷一层光刻胶，曝光、显影，利用等离子体刻蚀对二氧化硅刻蚀，刻蚀深度为80μm，然后通过等离子增强化学气相沉淀法(PECVD)淀积80μm厚的氮化硅，形成支撑层。
步骤(4)具体为：利用低压化学气相沉积法(LPCVD)淀积20um厚的多晶硅，以在所述感压阵列上方形成所述弹性薄膜。
步骤(5)具体为：在步骤(4)获得的弹性薄膜表面、非感压阵列区域通过感应耦合等离子刻蚀(ICP)，得到多个牺牲层释放孔，通过湿法腐蚀(HF溶液)对牺牲层材料进行各向同性刻蚀，之后利用淀积工艺对释放孔进行密封，形成真空腔。
步骤(6)具体为：在步骤(5)所述封闭空腔结构外侧壁梳状电极处(具体为梳状电极的梳柄处)通过溅射淀积金属材料Au(金)，将该梳状电极引出。
可选地，在通过增强化学气相沉淀法(PECVD)或低压化学气相沉积法(LPCVD)淀积一定厚度的材料以后，还可以采用化学机械抛光(CMP)将淀积的材料表面磨平，并通过控制抛光终点，控制合适的电极材料厚度。比如，步骤(2)通过等离子体增强化学气相沉淀法淀积二氧化硅(用作牺牲层材料)时，可以先淀积大于30μm厚的二氧化硅，然后采用CMP工艺控制使其厚度为30μm。同样地，在步骤(2)淀积氮化硅材料以制备氮化硅阵列时，也可先淀积大于50微米后的氮化硅，然后采用CMP工艺控制使其厚度为50微米。在步骤(3)通过等离子体增强化学气相沉淀法淀积二氧化硅时，也可先淀积大于50μm厚的二氧化硅，然后通过CMP工艺控制终点在氮化硅阵列顶端，使其淀积厚度为50μm厚，同时确保淀积的多晶硅弹性薄膜与氮化硅阵列相连接。
本发明实施例中采用的淀积、刻蚀、光刻、抛光等工艺为半导体制造中常用的制成工艺，在用于本发明提出的电容式压力传感器时，可根据该传感器的结构、材料选择需要适当进行调整相应的工艺参数。
本发明实施例还提供了一种压力测量装置，包括如前述图1至图4所述的电容式压力传感器。
Figure BDA0002753667830000111
P为压力，C为电容，线性度R2，其越接近1，线性度越好。说明书附图图5、图6、图7、图8和图9分别给出了上述压力传感器中梳状电极电容个数分别为40、60、80、100和120时的输入压力-输出电容曲线图，可以看出随着电极电容个数逐渐增加，该压力传感器其线性度从0.995增加至0.999，而且其灵敏度也从0.022fF/Pa增加至0.050fF/Pa。
图10为本实施例电容式压力传感器在压力作用下其弹性薄膜最大位移的变化图，可以看出，该压力传感器弹性薄膜最大位移超过该弹性薄膜厚度的20％，说明本发明压力传感器工作在大挠度工作区域，本发明压力传感器的提出，相对于现有技术的电容式压力传感器，不仅提高了其压力测量灵敏度，而且还取得了较高的线性度。
根据电容计算公式：
Figure BDA0002753667830000112
计算本发明实施例制备的电容式压力传感器相对介电常数变化引起的电容变化量，该计算公式中，ε0为真空介电常数，是固定值；εr为相对介电常数，为电容电极板间电介质的等效相对介电常数；A为电容电极板的正对面积；d为电容电极板的间距。
本发明实施例中，初始状态梳齿电极形成的电容间电介质为真空，εr＝1，所以初始电容：
Figure BDA0002753667830000121
弹性薄膜受力之后，电容变化量：
Figure BDA0002753667830000122
C0为初始电容值，C1为弹性薄膜受力之后的电容值，d为梳齿间隙宽度。在本发明实施例中，当感压阵列全部插入到梳状电极梳齿中时：
Figure BDA0002753667830000123
其中d1表示感压阵列的宽度，d2表示梳齿间隙宽度减去感压阵列的宽度。在本发明实施例中，d1为
Figure BDA0002753667830000124
d2为
Figure BDA0002753667830000125
带入上式可以得到
Figure BDA0002753667830000126
电容变化量
Figure BDA0002753667830000127
本发明实施例中感压阵列材料为氮化硅，εr感压阵列＝9.7(氮化硅的相对介电常数)，得到
Figure BDA0002753667830000128
当感压阵列材料的相对介电常数越大时，则电容变化量将大于1.49C0。
而对于通过改变电容电极板的正对面积改变电容变化的电容式压力传感器，其电容变化可以表示为
Figure BDA0002753667830000129
假设电极正对面积随着弹性薄膜的形变而变小，那么正对面积的变化量最大值为ΔA＝A0，此时电容值变化量ΔC＝C0，也就是正对面积引起的电容变化量最大只有1个初始电容值。
通过上述推导不难看出，正对面积变化引起的电容变化量小于相对介电常数变化引起的电容变化量。因此，在压力检测范围一定时，通过相对介电常数变化引起电容变化的电容式压力传感器将会获得更高的灵敏度。而且本发明压力传感器感应阵列材料的相对介电常数越大，其传感器的灵敏度就越高。
另外，根据上述方法也可计算得出，当本发明介质插入型压力传感器感应阵列材料的相对介电常数大于4时，其压力测量过程中电容变化量即可大于1个初始电容值。而相对介电常数大于4的感应阵列材料很多，因此本发明感应阵列材料的选择范围较大。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种介质插入型电容式压力传感器，其特征在于，包括基体、支撑层和感压层；其中：
所述基体包括衬底和位于衬底表面的梳状电极；
所述感压层包括位于所述梳状电极上方的感压阵列以及位于所述感压阵列上方且与所述感压阵列相连接的弹性薄膜；所述感压阵列包括若干个阵列单元，每一个阵列单元位于所述梳状电极的梳齿间隙的正上方，且所述阵列单元的宽度小于所述梳状电极梳齿间隙的宽度；
所述支撑层位于所述基体与所述感压层之间，且位于所述梳状电极和所述感压阵列的外围；所述支撑层顶端与所述弹性薄膜相连接，所述支撑层底端与所述衬底相连接，所述弹性薄膜、所述支撑层与所述衬底围成封闭空腔结构，所述梳状电极和所述感压阵列位于该封闭空腔结构中；所述梳状电极的材料为掺磷多晶硅；所述梳状电极其单个电极宽度为1-4μm，厚度为20-35μm，电极间距为4-8μm；所述梳状电极电极对数为60-120；所述感压阵列采用的材料其相对介电常数大于4；每一个所述阵列单元的宽度为2-8μm，高度为30-80μm，任意相邻的两个阵列单元的间距为3-6μm，且所述阵列单元的宽度小于所述梳状电极梳齿间隙的宽度2-4μm；所述感压阵列的材质为氮化硅；所述弹性薄膜材质为多晶硅、单晶硅、氮化硅或碳化硅；所述弹性薄膜的厚度为15-30μm；所述弹性薄膜材质为多晶硅；
使用时，所述梳状电极固定不动，所述弹性薄膜受到向下的压力而发生形变，带动所述感压阵列向下插入所述梳状电极的梳齿间隙中，引起所述梳状电极所形成的电容间电介质的相对介电常数的变化，进而引起电容的改变；
所述的压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在衬底的上表面淀积梳状电极材料，按照第一预设掩膜图形，刻蚀底层梳状电极材料，形成所述梳状电极；
(2)在步骤(1)获得的材料表面依次淀积牺牲层材料和感压层材料，按照第二预设掩膜图形，刻蚀底层感压层材料，形成所述感压阵列；
(3)在步骤(2)获得的材料表面淀积牺牲层材料，直至其高度与所述感压阵列顶端相同，根据第三预设掩膜图形，刻蚀底部牺牲层材料直至衬底表面，然后向刻蚀沟槽内淀积支撑层材料，形成所述支撑层；
(4)在步骤(3)获得的材料表面淀积弹性薄膜材料，以在所述感压阵列上方形成所述弹性薄膜；
(5)根据第四预设掩膜图形，在步骤(3)获得的弹性薄膜表面、非感压阵列区域刻蚀出牺牲层材料释放孔，利用湿法腐蚀去除牺牲层材料，之后通过淀积工艺密封释放孔，以形成所述封闭空腔结构；
(6)在步骤(5)所述封闭空腔结构外侧壁梳状电极处淀积金属材料，将该梳状电极引出。
2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述梳状电极为由接地电极和终端电极交叉排列而形成，任意两个相邻的梳齿构成一对平行板电容，所述梳状电极包括多对平行板电容，且电容间并联；
所述接地电极和终端电极均包括梳齿和梳柄，所述梳柄一端与所述梳齿相连接，另一端与位于所述支撑层侧壁的金属电极相连接，将该梳状电极引出。
3.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，在水平方向上，每一个所述阵列单元位于所述梳状电极的梳齿间隙中央位置；在竖直方向上，每一个所述阵列单元的底部与梳状电极的顶部齐平。
4.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，步骤(2)所述牺牲层材料为二氧化硅。
5.一种压力测量装置，其特征在于，包括如权利要求1至4任一项所述的电容式压力传感器。
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