CN115452207A - 一种差分电容式mems压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种差分电容式MEMS压力传感器及其制造方法。该压力传感器包括:可动电极，所述可动电极包括第一上电极和第二上电极，所述第一上电极和所述第二上电极为一体结构，所述可动电极与所述支撑体的另一端连接，以使所述第一上电极位于所述第一下电极的上方，并形成第一腔体，所述第一上电极与所述衬底之间具有间隙，所述第一上电极和所述第一下电极构成第一电容器；所述第二上电极位于所述第二下电极的上方，并形成第二腔体，所述第二腔体为密闭腔体，所述第二上电极和所述第二下电极构成第二电容器；在施加压力载荷的条件下，所述第一上电极和所述第二上电极的运动方向相反。

Description

一种差分电容式MEMS压力传感器及其制造方法

技术领域

本申请涉及微电子技术领域，更具体地，涉及一种差分电容式MEMS压力传感器及其制造方法。

背景技术

MEMS压力传感器根据原理可分为应变式、压阻式、压电式、振频式、电容式压力传感器等。此外还有光电式、超声式、光纤式压力传感器等。采用压力传感器可以直接将被测压力变换成各种形式的电信号，便于满足系统集中检测与控制的要求，因而在消费类电子、智能家居、汽车电子、工业控制等领域有着广泛的应用。

目前主流MEMS电容式压力传感器的设计多采用平板电容方式，通过上下极板形成敏感电容，当测试压力作用于极板表面，导致极板形变，由于上下极板的距离改变，触发电容线性变化。但平板电容压力传感器由于本身原理特性，存在线性度较差，易过载破损等情况。

因此，亟需提出一种新的技术方案，以解决上述技术问题。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种差分电容式MEMS压力传感器的新技术方案。

根据本申请的第一方面，提供了一种差分电容式MEMS压力传感器。该压力传感器包括：

衬底，所述衬底的内部设置有一端敞口的第一容纳腔；

支撑体，所述支撑体的一端与所述第一容纳腔的底部连接，并将所述第一容纳腔分隔为第二容纳腔和第三容纳腔；

固定电极，所述固定电极包括第一下电极和第二下电极，所述第一下电极位于所述第二容纳腔的底部，所述第二下电极位于所述第三容纳腔的底部；

可动电极，所述可动电极包括第一上电极和第二上电极，所述第一上电极和所述第二上电极为一体结构，所述可动电极与所述支撑体的另一端连接，以使

所述第一上电极位于所述第一下电极的上方，并形成第一腔体，所述第一上电极与所述衬底之间具有间隙，所述第一上电极和所述第一下电极构成第一电容器；

所述第二上电极位于所述第二下电极的上方，并形成第二腔体，所述第二腔体为密闭腔体，所述第二上电极和所述第二下电极构成第二电容器；

在施加压力载荷的条件下，所述第一上电极和所述第二上电极的运动方向相反。

可选地，所述第二腔体为真空腔体。

可选地，所述第二容纳腔和所述第三容纳腔的体积相同。

可选地，所述支撑柱和所述可动电极一体成型。

可选地，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅和单晶硅中的至少一种。

可选地，所述固定电极的材料为多晶硅。

可选地，所述间隙包括第一间隙和第二间隙，所述第一上电极沿所述衬底的长度方向与所述衬底之间形成的间隙为第一间隙，所述第一上电极沿所述衬底的宽度方向与所述衬底之间形成的间隙为第二间隙，所述第二间隙分布于所述第一上电极的两侧。

可选地，所述第一间隙的尺寸为10μm，所述第二间隙的尺寸为3μm。

可选地，还包括焊盘，所述焊盘包括固定电极焊盘和可动电极焊盘；

在所述衬底内设置有第一金属化过孔，在所述支撑柱内设置有第二金属化过孔，所述固定电极通过所述第一金属化过孔中的第一电路与所述固定电极焊盘电连接，所述第一上电极通过所述第一金属化过孔中的第二电路和第二金属化过孔中的第三电路与所述可动电极焊盘电连接。

根据本申请的第二方面，提供了一种差分电容式MEMS压力传感器的制造方法。该方法包括如下步骤：

提供衬底，在所述衬底上刻蚀形成第一容纳腔；

在所述第一容纳腔的底部沉积并刻蚀第一金属层,形成相互独立的第一下电极和第二下电极；

在所述第一下电极和所述第二下电极之间沉积并刻蚀第二氧化层，形成支撑体，所述支撑体将所述第一容纳腔分隔为第二容纳腔和第三容纳腔；

在所述第二容纳腔和所述第三容纳腔内沉积牺牲层；

在所述牺牲层上沉积并刻蚀第三氧化层,形成第一上电极和第二上电极；

释放牺牲层，以使所述第一上电极位于所述第一下电极的上方，并形成第一腔体，所述第一上电极与所述衬底之间具有间隙，所述第一上电极和所述第一下电极构成第一电容器；以及

所述第二上电极位于所述第二下电极的上方，并形成第二腔体，所述第二腔体为密闭腔体，所述第二上电极和所述第二下电极构成第二电容器。

在本公开实施例中，可动电极通过支撑体支撑在固定电极的上方，以形成第一电容器和第二电容器。在施加压力载荷的条件下，可动电极中的第一上电极和第二上电极的运动方向相反，以使得第一上电极和第一下电极之间的极板距离d1与第二上电极和第二下电极之间的极板距离d2会产生相反的改变数值，第一电容器和第二电容器会输出差分电容信号，极大的提高了该压力传感器的线性度及灵敏度，相比较传统的单电容式压力传感器，输出信号得到有效增强，能够有效提高压力传感器的测试精度。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本公开实施例差分电容式MEMS压力传感器的第一示意图。

图2是根据本公开实施例差分电容式MEMS压力传感器的第二示意图。

图3是根据本公开实施例差分电容式MEMS压力传感器的俯视图。

附图标记说明：

1、衬底；2、支撑体；3、固定电极；31、第一下电极；32、第二下电极；4、可动电极；41、第一上电极；42、第二上电极；5、间隙；51、第一间隙；52、第二间隙；6、焊盘；61、固定电极焊盘；62、可动电极焊盘。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本公开的第一个实施例，如图1所示，提供了一种差分电容式MEMS压力传感器。该压力传感器包括衬底1、支撑体2、固定电极3和可动电极4。

衬底1的内部设置有一端敞口的第一容纳腔。

支撑体2的一端与第一容纳腔的底部连接，并将第一容纳腔分隔为第二容纳腔和第三容纳腔。

固定电极3包括第一下电极31和第二下电极32。第一下电极31位于第二容纳腔的底部。第二下电极32位于第三容纳腔的底部。

可动电极4包括第一上电极41和第二上电极42。第一上电极41和第二上电极42为一体结构。可动电极4与支撑体2的另一端连接，以使

第一上电极41位于第一下电极31的上方，并形成第一腔体。第一上电极41与衬底1之间具有间隙5。第一上电极41和第一下电极31构成第一电容器。

第二上电极42位于第二下电极32的上方，并形成第二腔体。第二腔体为密闭腔体。第二上电极42和第二下电极32构成第二电容器。

在施加压力载荷的条件下，第一上电极41和第二上电极42的运动方向相反。

需要说明的是，差分电容式MEMS压力传感器的工作原理为：

当施加压力载荷时，第一上电极41和第二上电极42运动方向相反，即产生相反方向的形变，第一上电极41和第一下电极31之间的极板距离d1与第二上电极42和第二下电极32之间的极板距离d2会产生相反的改变数值，第一电容器和第二电容器会输出差分电容信号。

电容计算方法为C＝ε*ε₀*S/d，该设计中ε、ε₀、S为固定值，当施加压力载荷时，d1与d2一个增大，一个减小，第一电容器的电容C1和第二电容器的电容C2随之反向变化形成差分信号。

例如，该衬底1可以为长方体。在衬底1的内部设置有一端敞口的第一容纳腔。

该支撑体2可以为长方体。支撑体2的尺寸与第一容纳腔适配。在支撑体2位于第一容纳腔的条件下，支撑体2的一端与第一容纳腔的底部连接，并将第一容纳腔分隔为第二容纳腔和第三容纳腔。

当然，衬底1和支撑体2的形状也可以是其他圆形、菱形等其他合适的形状，在此不做限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

固定电极3包括第一下电极31和第二下电极32。第一下电极31位于第二容纳腔的底部。第二下电极32位于第三容纳腔的底部。

可动电极4包括第一上电极41和第二上电极42。第一上电极41和第二上电极42为一体结构。可动电极4与支撑体2的另一端连接，以使

第一上电极41位于第一下电极31的上方，并形成第一腔体。第一上电极41与衬底1之间具有间隙5。第一上电极41和第一下电极31构成第一电容器。

第二上电极42位于第二下电极32的上方，并形成第二腔体。第二腔体为密闭腔体。第二上电极42和第二下电极32构成第二电容器。

在施加压力载荷的条件下，第一上电极41和第二上电极42的运动方向相反。

例如，第一上电极41和第二上电极42为一体结构。这样使得，在第二上电极42上施加压力载荷的条件下，第一上电极41能够产生与第二上电极42相反方向的运动，进而使得第一上电极41和第一下电极31之间的极板距离d1与第二上电极42和第二下电极32之间的极板距离d2会产生相反的改变数值，第一电容器和第二电容器会输出差分电容信号。

例如，第一上电极41位于第一下电极31的上方，并形成第一腔体。第一上电极41与衬底1之间具有间隙5。第一上电极41和第一下电极31构成第一电容器。第一上电极41与衬底1之间具有间隙5，这样使得第一腔体与外界环境连通，进而使得第一腔体内的气压与外界气压相等，在第二上电极42未受到压力载荷的条件下，第一上电极41不发生形变。

例如，第二上电极42位于第二下电极32的上方，并形成第二腔体。第二腔体为密闭腔体。第二上电极42和第二下电极32构成第二电容器。

第二腔体为密闭腔体。这样使得第二腔体与外界环境无法连通，在第二上电极42受到压力载荷的条件下，外界气压能够驱动第二上电极42产生靠近第二下电极32的运动，进而使得第一上电极41产生远离第一下电极31的运动，最终使得第一电容器和第二电容器会输出差分电容信号。

在本公开实施例中，如图2所示，可动电极4通过支撑体2支撑在固定电极3的上方，以形成第一电容器和第二电容器。在施加压力载荷的条件下，可动电极4中的第一上电极41和第二上电极42的运动方向相反，以使得第一上电极41和第一下电极31之间的极板距离d与第二上电极42和第二下电极32之间的极板距离d会产生相反的改变数值，第一电容器和第二电容器会输出差分电容信号，极大的提高了该压力传感器的线性度及灵敏度，相比较传统的单电容式压力传感器，输出信号得到有效增强，能够有效提高压力传感器的测试精度。

在一个例子中，第二腔体为真空腔体。

例如，将第二腔体设置为真空腔体，能够便于获得绝对气压，消除密闭腔体的温度变化等对第二电容器的检测精度的影响，进一步提高了该压力传感器的检测精度。

在一个例子中，第二容纳腔和第三容纳腔的体积相同。

例如，第二容纳腔和第三容纳腔的体积相同。这样能够使得第一电容器和第二电容器具有基本相同的初始电容量，避免了在没有压力载荷的条件下，第一电容器和第二电容器的初始电容量具有差异，进一步提高了该压力传感器的检测精度。

当然，第二容纳腔和第三容纳腔的体积也可以不相同，在此不做限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。

在一个例子中，支撑柱和可动电极4一体成型。

例如，支撑柱和可动电极4一体成型。这样能够使得支撑柱和可动电极4的制造工艺比较简单，而且能够避免支撑柱和可动电极4连接不稳定的问题。

在一个例子中，衬底1的材料为二氧化硅、碳化硅和氮化硅中的至少一种。

例如，将衬底1的材料选择为二氧化硅、碳化硅和氮化硅中的至少一种。上述材料均为不导电的材料，而且上述材料的硬度较高，有利于提高该压力传感器的结构强度，进而使得该衬底1能够为固定电极3、支撑体2、可动电极4提供良好有效的支撑。

在一个例子中，固定电极3的材料为多晶硅。

例如，将固定电极3的材料选择为多晶硅。多晶硅为导电材料，而且硬度高，这样能够使得该固定电极3能够被稳定固定于第一容纳腔内，并且不易发生形变，同时，该固定电极3能够与可动电极4配合形成电容器，以输出电容信号。

在一个例子中，间隙5包括第一间隙51和第二间隙52。第一上电极41沿衬底1的长度方向与衬底1之间形成的间隙5为第一间隙51。第一上电极41沿衬底1的宽度方向与衬底1之间形成的间隙5为第二间隙52。第二间隙52分布于第一上电极41的两侧。

例如，如图3所示，该衬底1可以为长方体。在衬底1的内部设置有一端敞口的第一容纳腔。该容纳腔为长方形。

可动电极4通过该支撑体2设置于固定电极3的上方时，第一上电极41沿衬底1的长度方向与衬底1之间形成的间隙5为第一间隙51。第一上电极41沿衬底1的宽度方向与衬底1之间形成的间隙5为第二间隙52。第二间隙52分布于第一上电极41的两侧。该间隙5能够使得第一腔体与外界环境连通，进而使得第一腔体内的气压与外界气压相等，在第二上电极42未受到压力载荷的条件下，第一上电极41不发生形变。同时，第一间隙51和第二间隙52的设置能够保证在第二上电极42运动的条件下，第一上电极41能够朝向与第二上电极42运动方向相反的方向运动，进而使得第一电容器和第二电容器能够输出差分信号。

在一个例子中，第一间隙51的尺寸为10μm，第二间隙52的尺寸为3μm。

例如，第一间隙51的尺寸为10μm。第二间隙52的尺寸为3μm。将第一间隙51和第二间隙52的尺寸控制在该范围内，在保证第一腔体与外界环境连通的条件下，不会使得第一上电极41与第二上电极42之间面积之差过大，避免了第一上电极41和第二上电极42由于电极面积相差带来的初始电容量相差过大的问题，进而也提高了该压力传感器的测量精度。

在一个例子中，该压力传感器还包括焊盘6。焊盘6包括固定电极焊盘61和可动电极焊盘62。

在衬底1内设置有第一金属化过孔。在支撑柱内设置有第二金属化过孔。固定电极3通过第一金属化过孔中的第一电路与固定电极焊盘61电连接。第一上电极41通过第一金属化过孔中的第二电路和第二金属化过孔中的第三电路与可动电极焊盘62电连接。

例如，在第一金属化过孔中设置有第一电路和第二电路。在第二金属化过孔中设置有第三电路。该固定电极3通过第一金属化过孔中的第一电路与固定电极焊盘61电连接。第一上电极41通过第一金属化过孔中的第二电路和第二金属化过孔中的第三电路与可动电极焊盘62电连接。

例如，在第一金属化过孔中还设置有第四电路，第二上电极42通过第一金属化通孔中的第四电路与可动电极焊盘62电连接。

可动电极4通过支撑体2支撑在固定电极3的上方，分别通过不同的电路与固定电极焊盘61和可动电极焊盘62实现电连接，以形成第一电容器和第二电容器。在施加压力载荷的条件下，可动电极4中的第一上电极41和第二上电极42的运动方向相反，以使得第一上电极41和第一下电极31之间的极板距离d1与第二上电极42和第二下电极32之间的极板距离d2会产生相反的改变数值，第一电容器和第二电容器会输出差分电容信号，极大的提高了该压力传感器的线性度及灵敏度，相比较传统的单电容式压力传感器，输出信号得到有效增强，能够有效提高压力传感器的测试精度。

根据本公开的第二个实施例，提供了一种差分电容式MEMS压力传感器的制造方法。该方法包括如下步骤：

提供衬底1。在衬底1上刻蚀形成第一容纳腔。

在第一容纳腔的底部沉积并刻蚀第一金属层,形成相互独立的第一下电极31和第二下电极32。

在第一下电极31和第二下电极32之间沉积并刻蚀第二氧化层，形成支撑体2。支撑体2将第一容纳腔分隔为第二容纳腔和第三容纳腔。

在第二容纳腔和第三容纳腔内沉积牺牲层。

在牺牲层上沉积并刻蚀第三氧化层,形成第一上电极41和第二上电极42。

释放牺牲层，以使第一上电极41位于第一下电极31的上方，并形成第一腔体。第一上电极41与衬底1之间具有间隙5。第一上电极41和第一下电极31构成第一电容器；以及

第二上电极42位于第二下电极32的上方，并形成第二腔体。第二腔体为密闭腔体。第二上电极42和第二下电极32构成第二电容器。

在本公开实施例中，可动电极4通过支撑体2支撑在固定电极3的上方，以形成第一电容器和第二电容器。在施加压力载荷的条件下，可动电极4中的第一上电极41和第二上电极42的运动方向相反，以使得第一上电极41和第一下电极31之间的极板距离d1与第二上电极42和第二下电极32之间的极板距离d2会产生相反的改变数值，第一电容器和第二电容器会输出差分电容信号，极大的提高了该压力传感器的线性度及灵敏度，相比较传统的单电容式压力传感器，输出信号得到有效增强，能够有效提高压力传感器的测试精度。

上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种差分电容式MEMS压力传感器，其特征在于，包括:

衬底，所述衬底的内部设置有一端敞口的第一容纳腔；

支撑体，所述支撑体的一端与所述第一容纳腔的底部连接，并将所述第一容纳腔分隔为第二容纳腔和第三容纳腔；

固定电极，所述固定电极包括第一下电极和第二下电极，所述第一下电极位于所述第二容纳腔的底部，所述第二下电极位于所述第三容纳腔的底部；

可动电极，所述可动电极包括第一上电极和第二上电极，所述第一上电极和所述第二上电极为一体结构，所述可动电极与所述支撑体的另一端连接，以使

所述第一上电极位于所述第一下电极的上方，并形成第一腔体，所述第一上电极与所述衬底之间具有间隙，所述第一上电极和所述第一下电极构成第一电容器；

所述第二上电极位于所述第二下电极的上方，并形成第二腔体，所述第二腔体为密闭腔体，所述第二上电极和所述第二下电极构成第二电容器；

在施加压力载荷的条件下，所述第一上电极和所述第二上电极的运动方向相反。

2.根据权利要求1所述的差分电容式MEMS压力传感器，其特征在于，所述第二腔体为真空腔体。

3.根据权利要求1所述的差分电容式MEMS压力传感器，其特征在于，所述第二容纳腔和所述第三容纳腔的体积相同。

4.根据权利要求1所述的差分电容式MEMS压力传感器，其特征在于，所述支撑柱和所述可动电极一体成型。

5.根据权利要求1所述的差分电容式MEMS压力传感器，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅和单晶硅中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的差分电容式MEMS压力传感器，其特征在于，所述固定电极的材料为多晶硅。

7.根据权利要求1所述的差分电容式MEMS压力传感器，其特征在于，所述间隙包括第一间隙和第二间隙，所述第一上电极沿所述衬底的长度方向与所述衬底之间形成的间隙为第一间隙，所述第一上电极沿所述衬底的宽度方向与所述衬底之间形成的间隙为第二间隙，所述第二间隙分布于所述第一上电极的两侧。

8.根据权利要求7所述的差分电容式MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一间隙的尺寸为10μm，所述第二间隙的尺寸为3μm。

9.根据权利要求1所述的差分电容式MEMS压力传感器，其特征在于，还包括焊盘，所述焊盘包括固定电极焊盘和可动电极焊盘；

在所述衬底内设置有第一金属化过孔，在所述支撑柱内设置有第二金属化过孔，所述固定电极通过所述第一金属化过孔中的第一电路与所述固定电极焊盘电连接，所述第一上电极通过所述第一金属化过孔中的第二电路和第二金属化过孔中的第三电路与所述可动电极焊盘电连接。

10.一种根据权利要求1所述的差分电容式MEMS压力传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供衬底，在所述衬底上刻蚀形成第一容纳腔；

在所述第一容纳腔的底部沉积并刻蚀第一金属层,形成相互独立的第一下电极和第二下电极；

在所述第一下电极和所述第二下电极之间沉积并刻蚀第二氧化层，形成支撑体，所述支撑体将所述第一容纳腔分隔为第二容纳腔和第三容纳腔；

在所述第二容纳腔和所述第三容纳腔内沉积牺牲层；

在所述牺牲层上沉积并刻蚀第三氧化层,形成第一上电极和第二上电极；

释放牺牲层，以使所述第一上电极位于所述第一下电极的上方，并形成第一腔体，所述第一上电极与所述衬底之间具有间隙，所述第一上电极和所述第一下电极构成第一电容器；以及

所述第二上电极位于所述第二下电极的上方，并形成第二腔体，所述第二腔体为密闭腔体，所述第二上电极和所述第二下电极构成第二电容器。

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