CN112964417A - 一种双动极板电容式压力敏感芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双动极板电容式压力敏感芯片。该芯片包括刻有凹槽及进压通道的单晶硅衬底，感压上极板，感压下极板，介质层，密封腔体，其特征在于：敏感结构中上、下两极板均可感压并可动，通过在结构中设置进压通道，使得外界压力可由进压通道经凹槽作用于下极板。当有外界压力存在时，上、下极板会同时受到压力作用发生形变，形成双动效果，两极板通过压焊点与外部电路连接成压力检测电路，将压力信号转换成电信号输出。本压力敏感芯片具有灵敏度高、线性度好、线性量程范围大、温度漂移小、过载能力强、制造工艺与集成电路工艺兼容等优点。

Description

一种双动极板电容式压力敏感芯片

技术领域

本发明主要涉及一种双动极板电容式压力敏感芯片，属于微机电系统(MEMS)领域。

背景技术

随着MEMS技术的发展，压力传感器成为各行业中不可缺少的关键器件，已被广泛应用于汽车电子，石油化工，生物医学和国防军工等领域。相比于压阻式压力传感器，电容式压力传感器具有灵敏度高、功耗低、温度特性好等优势，更加适合研制高精度压力传感器。特别是在现代航空航天技术和现代国防装备等方面对压力测量精度和可靠性要求日益增加的背景下，MEMS电容式压力传感器的研究受到国内外高度重视。

对于普通的电容式压力传感器，一般采用平行板电容器结构，主要由可动极板和固定极板组成，当有压力作用于可动极板时，两极板间距改变，从而电容值发生变化，通过检测电容值实现对压力的测量，但存在输入与输出之间非线性严重、过载能力低等不足。上世纪90年代，Wen H.Ko等人提出了一种接触电容式压力敏感结构(美国专利号：5,528,452)，该结构的主要特点是在工作过程中随着外界压力的不断增大，感压上极板会接触到下极板上的介质层，这时输出电容值会与压力变化呈现近似线性关系，从而在一定程度上提高普通电容式压力传感器的线性度，但其灵敏度相对较低且线性度和线性响应范围也需要进一步提高。

为提高电容式压力传感器的性能，本发明提出了一种双动极板电容式压力敏感结构，其特征主要在于敏感结构中上、下两极板均可感压并可动，通过在结构中设置凹槽和进压通道，使得外界压力可由进压通道经凹槽作用于下极板。当有外界压力存在时，上、下极板会同时受到压力作用发生形变，形成双动效果；随着压力的不断增大，上极板与下极板上的介质层相互接触，接触面积以一个近乎常数的增长率改变，且速率比普通接触电容式压力敏感结构更快。因此，该压力敏感芯片表现出更高的灵敏度和更优越的输出特性，提高了传感器的性能，特别适合研制微小量程压力传感器。

正是在这种研究背景下，本发明提出了一种双动极板电容式压力敏感芯片。

发明内容

发明目的：

本发明，一种双动极板电容式压力敏感芯片，是指本发明附图所示的压力敏感芯片，或采用与附图相同原理设计的不同形状的压力敏感芯片。目的在于提高MEMS电容式压力传感器的灵敏度、线性度和过载能力，增大线性响应范围，减小芯片面积，降低成本。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种双动极板电容式压力敏感芯片，其特征在于：该芯片包括刻有凹槽及进压通道的单晶硅衬底，位于衬底之上的感压下极板，下极板上的介质层，感压上极板，上极板与下极板构成的密封腔体；上、下极板通过压焊点及金属引线与外部电路连接成压力检测电路，将压力信号转换成电信号输出。

在下极板下方设置有凹槽和进压通道，位于单晶硅衬底的内部，外界压力可由进压通道经凹槽作用于下极板。

上极板与下极板构成密封腔体，下极板位于上极板与衬底凹槽之间，并相对于硅衬底悬空可动。

在下极板上设置有介质层，位于下极板之上。

设置在硅衬底上的下极板与上极板均为感压可动结构，当有外界压力存在时，上极板与下极板会同时受到压力作用发生形变，形成双动效果，使得两极板间电容值发生变化，由此将压力信号转换成电信号输出。

优点及效果：

本发明有如下优点及有益效果：

本发明所述的一种双动极板电容式压力敏感芯片，在结构中设置有悬空可动的感压下极板以及凹槽和进压通道，外界压力可由进压通道经凹槽作用于下极板，这样上、下极板均成为感压可动结构，工作过程中两极板会形成双动效果，从而提高芯片的灵敏度，改善输出特性。

附图说明

图1是本发明芯片的俯视图。

图2是本发明芯片的AA′剖面图。

图3是本发明芯片单晶硅衬底上凹槽及进压通道的俯视图。

图4是本发明芯片单晶硅衬底上凹槽及进压通道的AA′剖面示意图。

图5是本发明具体实施方式2中采用圆形极板和环形极板并联组合所形成敏感芯片的俯视图。

图6是本发明实施例中所设计量程为150kPa的双动极板电容式压力敏感芯片的输出特性曲线。

附图标记说明：

1.凹槽，2.进压通道，3.衬底硅片，4.下极板，5.介质层，6.上极板，7.密封腔体，8.金属引线。

图中下部的方块标注的是不同颜色图案所代表的材质。

具体实施方式1

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明提出这种双动极板电容式压力敏感芯片，如图1和图2所示，该芯片包括刻有凹槽1及进压通道2的单晶硅衬底3，位于衬底3之上的感压下极板4，下极板4上的介质层5，感压上极板6，上极板6与下极板4构成的密封腔体7；上、下极板通过压焊点及金属引线8与外部电路连接成压力检测电路，将压力信号转换成电信号输出。

在下极板4下方设置有凹槽1和进压通道2，位于单晶硅衬底3的内部，外界压力可由进压通道2经凹槽1作用于下极板4。

上极板6与下极板4构成密封腔体7，下极板4位于上极板6与衬底凹槽1之间，并相对于硅衬底3悬空可动。

在下极板4上设置有介质层5，位于下极板4之上。

设置在硅衬底3上的下极板4与上极板6均为感压可动结构，当有外界压力存在时，上极板6与下极板4会同时受到压力作用发生形变，形成双动效果，使得两极板间电容值发生变化，由此将压力信号转换成电信号输出。

具体实施方式2

本发明提出这种双动极板电容式压力敏感芯片，如图1和图2所示，该芯片包括刻有凹槽1及进压通道2的单晶硅衬底3，位于衬底3之上的感压下极板4，下极板4上的介质层5，感压上极板6，上极板6与下极板4构成的密封腔体7；上、下极板通过压焊点及金属引线8与外部电路连接成压力检测电路，将压力信号转换成电信号输出。

本发明提出这种双动极板电容式压力敏感芯片，其上、下感压极板在形状上可以设计成被期望的任何形状，如正方形、矩形、圆形、环形等，也可以设计成两种或者多种不同形状的组合，如图5所示的采用圆形极板和环形极板并联组合所形成的敏感芯片。

本发明的设计原理如下：

本发明的结构主要由硅衬底、感压上极板、感压下极板、介质层、密封腔体、进压通道构成。结构中上、下极板均为感压可动结构，其下极板设置于预先刻蚀好凹槽及进压通道的单晶硅衬底上，并相对于单晶硅衬底悬空可动；外界压力可由进压通道经凹槽作用于下极板，上、下极板通过压焊点及金属引线与外部电路连接，将压力信号转换成电信号的输出。

当有外界压力存在时，上、下极板会同时受到压力作用，两极板感压形变发生弯曲，极板之间距离发生改变，从而电容值发生变化；当压力大于某一压力值时，即接触压力，上极板开始与下极板上的介质层相互接触，在这一过程中接触面积以一个近乎常数的增长率增大，使得接触电容值会很快远大于非接触电容值，测量电容以接触电容为主。因此，在这一压力范围内，传感器表现出更优越的线性度和更高的输出电容值，提高了传感器的性能。

实施例：

采用本发明所提出的双动极板电容式压力敏感结构，设计量程为150kPa的压力传感器，其主要结构参数如下：

上、下感压极板采用圆形膜片，其有效半径均为200μm，其中，上极板厚度为2μm，下极板厚度为2μm，腔体高度(上极板与介质层间距)为8μm，介质层厚度为50nm，下极板相对于硅衬底的悬空高度为100μm。

对于上述尺寸参数的压力敏感芯片，利用有限元软件进行仿真分析，得到电容和压力关系的响应特性曲线如图6所示。该传感器的输出特性曲线可以划分为非接触区、过渡区、线性区和非线性接触区四个工作区域：当作用在上极板上的压力很小时，上极板与下极板不发生接触，压力敏感结构工作在非接触区，即区域I，压力范围约为0～56kPa；随着压力的增加，上极板开始与下极板上的介质层接触，工作区域进入过渡区，即区域II，压力范围约为56kPa～64kPa，输出电容仍为非线性；当压力继续增加时，输出电容很快随之呈线性增加，此时压力敏感结构也随之进入线性工作区，即区域III，压力范围约为64kPa～150kPa；最后随着压力的继续增大，接触面积的增大会受到尺寸的限制，电容的增长速率逐渐减缓，工作区域进入非线性接触区，即区域IV。

所设计传感器的线性区压力范围约为64kPa～150kPa，非线性度约为1％FS，灵敏度约为0.1pF/kPa，最大电容输出值约为10pF。

本发明提出的这种双动极板电容式压力敏感芯片，可用于消费电子、石油化工、汽车电子、医疗、航空航天以及国防军工等多个领域中压力的测量。

Claims (5)

1.一种双动极板电容式压力敏感芯片，其特征在于：该芯片包括刻有凹槽(1)及进压通道(2)的单晶硅衬底(3)，位于衬底(3)之上的感压下极板(4)，下极板(4)上的介质层(5)，感压上极板(6)，上极板(6)与下极板(4)构成的密封腔体(7)；上、下极板通过压焊点及金属引线(8)与外部电路连接成压力检测电路，将压力信号转换成电信号输出。

2.根据权利要求1所述的一种双动极板电容式压力敏感芯片，其特征在于：在下极板(4)下方设置有凹槽(1)和进压通道(2)，位于单晶硅衬底(3)的内部，外界压力可由进压通道(2)经凹槽(1)作用于下极板(4)。

3.根据权利要求1所述的一种双动极板电容式压力敏感芯片，其特征在于：上极板(6)与下极板(4)构成密封腔体(7)，下极板(4)位于上极板(6)与衬底凹槽(1)之间，并相对于硅衬底(3)悬空可动。

4.根据权利要求1所述的一种双动极板电容式压力敏感芯片，其特征在于：在下极板(4)上设置有介质层(5)，位于下极板(4)之上。

5.根据权利要求1所述的一种双动极板电容式压力敏感芯片，其特征在于：设置在硅衬底(3)上的下极板(4)与上极板(6)均为感压可动结构，当有外界压力存在时，上极板(6)与下极板(4)会同时受到压力作用发生形变，形成双动效果，使得两极板间电容值发生变化，由此将压力信号转换成电信号输出。

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