CN115585934B - 一种硅电容式压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅电容式压力传感器，包括上硅片、下硅片，在上硅片设置有应力隔离槽、上电极、内弹性体、外弹性体，该外弹性体沿器件周边连续；在下硅片面上与内弹性体和外弹性体的对应处分别设置有绝缘层；将上硅片与下硅片键合在一起后内弹性体和外弹性体与对应的绝缘层紧密连接，在确保绝缘的同时内部还形成密闭空间，上电极与下硅片之间形成电容间隙。由于采用上述技术方案，本发明的硅电容式压力传感器没有了含弹性膜片，容值的变化由连接上下电极的固支弹性体在压力作用下产生的弹性形变所致。所以适宜测量较大压力（如超过10MPa）。由于固支弹性体在压力作用下产生的弹性形变是线性的，在信号处理电路进行非线性补偿前的线性度优于0.1%F.S。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器领域，与电容式压力传感器有关，尤指一种硅电容式压力传感器及硅微机电系统（MEMS）制造方法。
背景技术
现有的硅电容式压力传感器的都是由固定电极、固支边和作为上电极的弹性膜片构成。承受流体压力时，固定电极和固支边不发生形变，作为上电极的弹性膜片发生挠度变化进而引起容值变化。弹性膜片有多种形式，如平膜片、中心固支膜片、中心带硬心的膜片接触式膜片等。但在被测压力较大时（如超过10MPa），为了膜片上的应力不超过安全值，膜片的厚度需增加很多，相应的挠度变化会很小，容值的变化率也就很小，亦即灵敏度很低。所以，以弹性膜片作为上电极的电容式压力传感器不适宜测量较大压力（如超过10MPa）。而且由于弹性膜片的挠度变化与被测压力之间的关系是非线性的，在信号处理电路进行非线性补偿前的线性度最好只能达到1%F.S。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请公开了一种硅电容式压力传感器，包括上硅片、下硅片，所述的上硅片设置有应力隔离槽、上电极、内弹性体、外弹性体，所述的应力隔离槽位于内弹性体和上电极之间；同时也位于外弹性体和上电极之间，使得内弹性体与上电极之间以及外弹性体与上电极之间都由应力隔离槽予以隔离；该外弹性体沿器件周边连续；在下硅片面上与内弹性体和外弹性体的对应处分别设置有绝缘层，下硅片对应上电极的区域设置有下电极；将上硅片与下硅片键合在一起后内弹性体和外弹性体与对应的绝缘层紧密连接，在确保绝缘的同时内部还形成密闭空间，且上电极与下硅片之间形成电容间隙。
由于采用上述技术方案，本发明的硅电容式压力传感器没有了含弹性膜片，容值的变化由连接上下电极的固支弹性体在压力作用下产生的弹性形变所致。所以适宜测量较大压力（如超过10MPa）。而且由于固支弹性体在压力作用下产生的弹性形变是线性的，所以在信号处理电路进行非线性补偿前的线性度优于0.1%F.S。
为了更好的实现发明目的，本发明还具有以下更优的技术方案：
在一些实施方式中，为了使绝缘层在后期更容易做光刻腐蚀工艺，绝缘层最好选用二氧化硅材料来实现；
在一些实施方式中，为了适应更大的被测压力，满足10MPa以上的设计要求，要求应力隔离槽的深度不超过整个上硅片的三分之一为最佳。
本发明还公开了一种硅电容式压力传感器的制造方法，包括如下步骤 ：
a、将下硅片进行氧化，使其表面形成氧化膜层，然后在上电极对应的区域进行光刻腐蚀，被腐蚀的区域形成下电极；
b、将上硅片进行光刻后进行深硅刻蚀若干应力隔离槽 后具有上电极、内弹性体、外弹性体；
c、将上硅片与下硅片硅硅键合在一起，届时内弹性体和外弹性体与对应的绝缘层紧密连接，在确保绝缘的同时内部还形成密闭空间，且上电极与下电极之间构成电容间隙，构成一个完整的压力敏感电容；
d、在被测压力作用下内弹性体和外弹性体受到压缩产生形变，从而带动上电极向下移动进而使电容间隙变小，因此相应的容值增加，通过测量容值的变化测量被测压力的变化。
附图说明
图1为硅电容式压力传感器实施例剖面结构示意图。
实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明。
参考图1，其公开了一种硅电容式压力传感器，该传感器由上硅片3、下硅片1组成，其中在上硅片3上设置有若干的应力隔离槽4、上电极5、内弹性体7、外弹性体7-1，其中的外弹性体7-1沿该器件周边连续。在一些实施例中为了适应更大的被测压力，满足10MPa以上的设计要求，要求应力隔离槽的深度不超过整个上硅片的三分之一为最佳；其中在下硅片1的面上与内弹性体7和外弹性体7-1的对应处分别设置有二氧化硅材料形成的绝缘层2；将上硅片3与下硅片1硅硅键合在一起后内弹性体7和外弹性体7-1与对应的绝缘层2紧密连接，在确保绝缘的同时器件内部还形成密闭空间，且上电极5与下硅片1顶部之间形成电容间隙6。
上述的硅电容式压力传感器是这样制造出来的 ：
将下硅片1与二氧化硅进行氧化反应，使其表面形成氧化膜绝缘层2，然后在上电极5对应的区域进行光刻腐蚀，被腐蚀的区域形成了导电的下电极；
将上硅片3进行光刻后进行深硅刻蚀工艺加工出若干应力隔离槽4后形成若干的上电极5、内弹性体7、外弹性体7-1；
c、将上硅片3与下硅片1硅硅键合在一起，届时内弹性体7和外弹性体7-1与对应的绝缘层2紧密连接，在确保绝缘的同时内部还形成密闭空间，且上电极5与下电极层之间构成电容间隙6，构成一个完整的压力敏感电容；当被测压力作用下内弹性体7和外弹性体7-1受到压缩产生形变，从而带动上电极5向下移动进而使电容间隙6变小，因此相应的容值增加，通过测量容值的变化测量被测压力的变化。
由于外弹性体7-1沿着器件的周边连续，形成内部的密闭空间，避免被测流体进入电容间隙6。内弹性体7用于调整测量范围（量程）。本方案不包含弹性膜片，容值的变化由内弹性体7和外弹性体7-1受到压缩产生形变，从而带动上电极5向下移动进而使电容间隙6变小，相应的容值增加，通过测量容值的变化测量被测压力的变化，所以适宜测量较大压力（如超过10MPa）。而且由于内弹性体7和外弹性体7-1在压力作用下产生的弹性形变是线性的，所以在信号处理电路进行非线性补偿前的线性度优于0.1%F.S。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种硅电容式压力传感器，其特征在于，包括上硅片（3）、下硅片（1），所述的上硅片（3）设置有应力隔离槽（4）、上电极（5）、内弹性体（7）、外弹性体（7-1），所述的应力隔离槽（4）位于内弹性体（7）和上电极（5）之间；同时也位于外弹性体（7-1）和上电极（5）之间，使得内弹性体（7）与上电极（5）之间以及外弹性体（7-1）与上电极（5）之间都由应力隔离槽（4）予以隔离；该外弹性体（7-1）沿器件周边连续；在下硅片（1）面上与内弹性体（7）和外弹性体（7-1）的对应处分别设置有绝缘层（2），下硅片（1）对应上电极（5）的区域设置有下电极；将上硅片（3）与下硅片（1）键合在一起后内弹性体（7）和外弹性体（7-1）与对应的绝缘层（2）紧密连接，在确保绝缘的同时内部还形成密闭空间，且上电极（5）与下硅片（1）之间形成电容间隙（6）。
2.根据权利要求1所述的硅电容式压力传感器，其特征在于，所述的绝缘层（2）为二氧化硅材料层。
3.根据权利要求1所述的硅电容式压力传感器，其特征在于，所述的应力隔离槽（4）深度不超过整个上硅片（3）的三分之一。
4.一种基于权利要求 1 所述的硅电容式压力传感器的制造方法，其特征在于 ，包括如下步骤 ：
a、将下硅片（1）进行氧化，使其表面形成氧化膜层，然后在上电极（5）对应的区域进行光刻腐蚀，被腐蚀的区域形成下电极；
b、将上硅片（3）进行光刻后进行深硅刻蚀若干应力隔离槽（4）后具有上电极（5）、内弹性体（7）、外弹性体（7-1）；
c、将上硅片（3）与下硅片（1）硅硅键合在一起，届时内弹性体（7）和外弹性体（7-1）与对应的绝缘层（2）紧密连接，在确保绝缘的同时内部还形成密闭空间，且上电极（5）与下电极之间构成电容间隙（6），构成一个完整的压力敏感电容；
d、在被测压力作用下内弹性体（7）和外弹性体（7-1）受到压缩产生纵向形变，从而带动上电极（5）向下移动进而使电容间隙（6）变小，因此相应的容值增加，通过测量容值的变化测量被测压力的变化。
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