CN115165158A - 一种mems电容式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MEMS电容式压力传感器及其制备方法。本发明的一种MEMS电容式压力传感器包括:静电极结构,感压膜片动电极结构,密闭空腔结构,初始参考电容电极结构和电极信号接口。本发明的一种MEMS电容式压力传感器制备方法,静电极位于SOI硅片的绝缘层上,防止电容式压力传感器受外界信号干扰;采用SOI硅片腐蚀硅到自停止层,以使感压膜片动电极厚度控制精确,表面形貌平整;在密闭空腔底部淀积二氧化硅以防止电容式压力传感器在过压条件下发生短路现象;淀积复合材料薄膜防止水汽干扰性能,使制作出的器件具有抗干扰能力强、稳定性好、零点漂移低、精度高、密封效果好等特点,工艺简单,与传统工艺相比,提高了器件的成品率。

Description

一种MEMS电容式压力传感器及其制备方法
技术领域:
本发明属于微电子传感器技术领域,涉及一种MEMS电容式压力传感器及其制备方法。
背景技术:
目前,MEMS压力传感器主要应用在汽车、医疗及消费电子等领域,在汽车领域中,MEMS压力传感器可以用于测量轮胎的胎压、油缸的气压、油压等;在生物医疗领域中,压力传感器可以用于测量眼压、血压等;在消费电子领域,压力传感器可以用于测量海拔高度等。而电容式压力传感器因具有功耗低、结构简单、灵敏度高等特点被广泛应用在上述领域中。
随着汽车工业和微创手术的快速发展,对电容式压力传感器的性能也提出了更高的要求,如何提高电容式压力传感器的稳定性、精度及抗干扰能力及成品率是目前急于解决的问题。
发明内容:
本发明的目的是提供一种MEMS电容式压力传感器结构,包括静电极结构,感压膜片动电极结构,密闭空腔结构,初始参考电容电极结构和电极信号接口。该结构简单、牢固、体积小、密封效果好,可以实现在不同压力时同时测量电容值及电容变化值。
所述静电极结构位于SOI衬底上;所述密闭空腔位于静电极结构上方;所述感压膜片动电极结构位于密闭空腔上方;所述初始电容电极结构位于绝缘层上;所述电极信号接口分别位于三个电极结构的上方。当感压膜片动电极受到压力作用时会发生变形,从而改变传感器的电容值,静电极及感压膜片动电极通过电极信号接口和外界检测电路连接使电容信号转换成电压信号输出。初始参考电容电极结构不会随外界压力作用而发生形变,所以它与静电极结构产生的电容为恒定值,且与电容式压力传感器未发生变形时的电容值相同,因此,本发明的MEMS电容式压力传感器可以同时测量不同压力下的电容值及电容变化值。
本发明的另一个目的是提供所述MEMS电容式压力传感器的制备方法,以提高MEMS电容式压力传感器的抗干扰能力、精度、稳定性和成品率。
与现有制备方法比较,本发明所述的一种MEMS电容式压力传感器的制备方法具有以下特点:
1.所述静电极结构由SOI衬底制作,静电极下面的绝缘层可以使其与大地隔离,避免了外界环境因素对电容式压力传感器自身的干扰,提高了电容式压力传感器的抗干扰能力及长期稳定性。
2.所述感压膜片动电极结构是由SOI硅片腐蚀硅到二氧化硅自停止层,再湿法腐蚀二氧化硅层,最后用干法刻蚀硅而形成。采用此方法制作所述感压膜片动电极结构可以精确控制其结构厚度,且感压膜片表面形貌平整、缺陷少、损伤少,可以极大提高电容式压力传感器的精度及成品率。
3.所述密闭空腔由顶层SOI硅片与衬底SOI硅片键合形成,再淀积复合材料薄膜进行密封,可以防止水汽等物质干扰性能,使制作出的电容式压力传感器稳定性好、零点漂移低、密封效果好。同时在密闭空腔底部淀积二氧化硅薄膜可以防止电容式压力传感器在过压条件下发生短路现象。
4.所述初始参考电容电极结构与感压膜片动电极结构一起刻蚀而形成,位于绝缘层上方,与静电极结构产生初始参考电容,其值不会随外界压力作用而发生改变。
所述一种电容式压力传感器的制备方法,包括以下步骤:
1.衬底SOI硅片正面生长二氧化硅层并进行光刻、刻蚀形成空腔;
2.在衬底SOI硅片正面生长二氧化硅层形成隔离层;
3.顶层SOI硅片正面与衬底SOI硅片正面进行键合并减薄;
4.光刻、刻蚀顶层硅形成感压膜片动电极结构和初始参考电容电极结构;
5.正面淀积复合材料薄膜以使空腔更加封闭;
6.正面光刻、刻蚀复合材料薄膜形成电极结构接触孔;
7.正面淀积金属、光刻、腐蚀形成电极信号接口;
8.划片;
本发明的优点和积极效果:
本发明的电容式压力传感器,结构简单、牢固、体积小、密封效果好,设计了初始参考电容电极结构,使其可以测量不同压力下的电容值和电容值变化值。同时,提供了一种电容式压力传感器结构的制备方法,与传统工艺相比,工艺简单,通过优化工艺流程减少了工艺误差及片内误差,提高了工艺一致性,使制作出的电容式压力传感器具有抗干扰能力强、精度高、稳定性好、成品率高等特点。
附图说明
图1为本发明一种MEMS电容式压力传感器的结构示意图。
图2(a)至图2(h)为本发明一种MEMS电容式压力传感器的主要制备过程。
图中:
1-静电极结构,2-感压膜片动电极结构,3-密闭空腔结构,4-初始参考电容电极结构,
5-电极信号接口
具体实施方式
实施例1:一种MEMS电容式压力传感器结构
图1所示为MEMS电容式压力传感器的结构示意图。包括静电极结构1,感压膜片动电极结构2,密闭空腔结构3,初始参考电容电极结构4及电极信号接口5。静电极结构1位于SOI衬底的二氧化硅层上面,密闭空腔结构3位于静电极结构1上方,是由顶层SOI硅片与衬底SOI硅片键合形成,感压膜片动电极结构2位于密闭空腔结构3上方,初始参考电容电极结构4位于二氧化硅层上方,电极信号接口5分别位于静电极结构1、感压膜片动电极结构2和初始参考电容电极结构4的上方。感压膜片动电极结构2和初始参考电容电极结构4由顶层SOI硅片通过减薄、刻蚀同时形成,静电极结构1、感压膜片动电极结构2及初始参考电容电极结构4通过电极信号接口5与外部检测电路连接进行信号传输。
实施例2:一种MEMS电容式压力传感器的制备方法
图2所示为电容式压力传感器的主要制备工艺。
1.衬底SOI硅片正面生长二氧化硅层并进行光刻、刻蚀形成空腔,如图2(a)所示;
2.在衬底SOI硅片正面生长二氧化硅层形成隔离层,如图2(b)所示;
3.顶层SOI硅片正面与衬底SOI硅片正面进行键合,形成密闭空腔,双面生长氮化硅,刻蚀正面氮化硅,湿法腐蚀正面硅至二氧化硅自停止层,如图2(c)所示;
4.湿法腐蚀正面的二氧化硅,刻蚀背面的氮化硅,如图2(d)所示;
5.正面光刻、刻蚀顶层硅形成感压膜片动电极结构和初始参考电容电极结构,如图2(e)所示;
6.正面依次淀积二氧化硅、氮化硅薄膜,使空腔更加封闭,如图2(f)所示;
7.正面依次光刻、刻蚀氮化硅、二氧化硅薄膜形成静电极结构接触孔、感压膜片动电极结构接触孔和初始参考电容电极结构接触孔,如图2(g)所示;
8.正面淀积金属、光刻、腐蚀形成电极信号接口,如图2(h)所示;
9.划片;
采用上述制备方法分别形成了一种MEMS电容式压力传感器的静电极结构1、密闭空腔结构3,感压膜片动电极结构2、初始参考电容电极结构4及电极信号接口5。当有压力作用时,感压膜片动电极结构2发生变形,与静电极结构1产生的电容通过电极信号接口5传输至检测电路中,同时,位于二氧化硅层上方的初始参考电容电极结构4与静电极结构1产生的初始参考电容通过电极信号接口5传输至检测电路中,实现了在不同压力下测量电容值及电容变化值。

Claims (9)

1.一种MEMS电容式压力传感器,包括静电极结构,感压膜片动电极结构,密闭空腔结构,初始参考电容电极结构和电极信号接口;其中,感压膜片动电极结构和初始参考电容电极结构位于顶层硅上,静电极结构位于下面SOI衬底上,密闭空腔结构位于感压膜片动电极结构正下方,电极信号接口分别位于三个电极结构的上方。
2.权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器,其特征在于,所述静电极结构通过绝缘材料与大地隔离,其材料为二氧化硅。
3.权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器,其特征在于,所述感压膜片动电极结构采用SOI硅片腐蚀硅到二氧化硅层自停止,再湿法腐蚀二氧化硅层,最后用干法刻蚀硅而形成。
4.权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器,其特征在于,所述感压膜片动电极结构上表面有一层复合材料薄膜。
5.权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器,其特征在于,所述密闭空腔结构下表面有一层二氧化硅薄膜。
6.权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器,其特征在于,所述初始参考电容电极结构位于绝缘层上方,与所述静电极结构产生初始参考电容,其值不会随外界压力作用而发生改变。
7.权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器,其特征在于,所述密闭空腔结构的形状与感压膜片动电极结构形状相同,可为方形、圆形或任一多边形。
8.权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器,其特征在于,所述密闭空腔结构的高度为感压膜片动电极理论最大变形的1.5倍。
9.权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器的制备方法,依次包括以下步骤:
(1)衬底SOI硅片正面生长二氧化硅层并进行光刻、刻蚀形成空腔;
(2)在衬底SOI硅片正面生长二氧化硅层形成隔离层;
(3)顶层SOI硅片正面与衬底SOI硅片正面进行键合并减薄;
(4)光刻、刻蚀顶层硅形成感压膜片动电极结构和初始参考电容电极结构;
(5)正面淀积复合材料薄膜以使密闭空腔结构更加封闭;
(6)正面光刻、刻蚀复合材料薄膜形成电极结构接触孔;
(7)正面淀积金属、光刻、腐蚀形成电极信号接口;
(8)划片。
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