CN115744808A - 一种绝压接触式mems电容薄膜真空传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器，包括传感器芯片，以及用于安装传感器芯片的外壳，以及将传感器芯片封装在外壳内的上壳；传感器芯片包括硼硅感压膜、硅基底和玻璃基底，三者至上而下依次连接；硅基底的一面设有腔体，硅基底将设有腔体一面与硼硅感压膜直接键合，形成真空参考腔；真空参考腔内设有抽气孔，通过硅基底的另一面与玻璃基底阳极键合封堵抽气孔，真空参考腔形成高真空。本发明通过在真空参考腔内部设有抽气孔，将形成真空参考腔的技术转变为硅‑硅直接键合和硅‑玻璃阳极键合相结合的方式，简化了工艺流程，降低了真空传感器的测量下限；硼硅感压膜上设有保护环，减小传感器灵敏度的影响，提高真空传感器的分辨率。

Description

一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器

技术领域

本发明属于属于MEMS微机械加工领域和真空计量技术领域，具体涉及一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器。

背景技术

基于微机电系统(MEMS)压力传感器作为当今发展最快的压力传感器件之一，因其体积小、重量轻、成本低、易于集成和批量生产等优势，在一些领域逐步取代了传统的机械式压力传感器。MEMS 电容式真空传感器作为MEMS压力传感器的一员，主要用于大气压以下压力的测试，其具有灵敏度高、温度漂移低、直流响应好和功耗低等特性，因此，在各种MEMS压力传感器的研究中越来越受到研究者的关注。

由于小量程压力测试对灵敏度的要求较高，对于MEMS电容薄膜真空传感器的研究较少，在提高压力灵敏度的同时，仍然面临着测量下限大于1000Pa、分辨率低、大量程压力时感压膜易破损等问题。

发明内容

本发明针对上述的不足之处提供一种分辨率高、灵敏度高的绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器。

本发明目的是这样实现的：一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器，包括传感器芯片，以及用于安装传感器芯片的外壳，以及将传感器芯片封装在外壳内的上壳；其特征在于：所述传感器芯片包括硼硅感压膜、硅基底和玻璃基底，三者至上而下依次连接；

所述硅基底的一面设有腔体，硅基底将设有腔体一面与硼硅感压膜直接键合，并形成真空参考腔；

所述真空参考腔内设有抽气孔，通过硅基底的另一面与玻璃基底阳极键合封堵抽气孔，真空参考腔形成高真空；

所述真空参考腔内的下端面设有下电极，硼硅感压膜的下端面设有绝缘层；所述绝缘层、下电极与硼硅感压膜构成电容结构；

所述硼硅感压膜上设有上引线电极；所述硅基底上在设有下引线电极。

优选的，所述硼硅感压膜上设有保护环，保护环将硼硅感压膜与硅基底分开。保护环将硼硅感压膜与硅基底分开，可以减小旁生电容对真空传感器灵敏度的影响，提高真空传感器的分辨率。

优选的，所述真空参考腔内的下端面设有下电极，硼硅感压膜的下端面设有绝缘层；所述绝缘层、下电极与硼硅感压膜构成电容结构。绝缘层将硼硅感压膜与真空参考腔体内的下电极绝缘开，避免测试时硼硅感压膜与下电极直接接触而短路。

优选的，所述硼硅感压膜的基底材料为硼掺杂的晶圆级P型硅，电阻率＜0.006Ω·cm。

优选的，所述硼硅感压膜上设有上引线电极槽和下引线电极槽；

所述上引线电极通过上引线电极槽引出，下引线电极通过下引线电极槽引出；所述上引线电极和下引线电极用于引出压力检测信号。

优选的，所述真空参考腔的深度小于硼硅感压膜测量范围的最大挠度，真空参考腔的底面溅射小于腔体底面积的下电极，溅射的电极材料为铝。真空参考腔的深度小于硼硅感压薄膜在测量范围的最大挠度，外界环境压力大于一定值，硼硅感压膜与下电极接触，保证硼硅感压膜不会因压力过大而损坏。

优选的，所述真空参考腔为圆形，直径为2500μm。

优选的，所述抽气孔使用湿法腐蚀的方法制作，抽气孔结构为梯形；所述抽气孔的上表面连接真空参考腔，下表面连接玻璃基底。增加的梯形抽气孔，可以将形成真空参考腔的技术由现有硅-硅键合工艺技术转变为硅-硅直接键合和硅-玻璃阳极键合相结合的方式，提高直接键合的键合率，同时提高腔体内的真空度，降低真空传感器的测量下限。

优选的，所述外壳内设有前级电路板，以及用于将前级电路板固定在外壳内的支撑柱；所述传感器芯片通过铝丝压焊在前级电路板上；

所述外壳上设有用于引出电极的电极引线孔，电极引线孔设于外壳的侧面。

优选的，所述上壳上设有用于测量进气孔。设置进气孔，方便真空测量系统对真空传感器进行测量，真空测量系统测量时，通过进气孔进入真空传感器内进行测量。

本发明的有益效果为：1、通过在真空参考腔内部设置有抽气孔，将形成真空参考腔的技术由现有硅-硅键合工艺技术转变为硅-硅直接键合和硅-玻璃阳极键合相结合的方式，无需多次标准清洗及活化工艺，简化了工艺流程，提高了键合率，降低了传感器的测量下限，提高传感器的分辨率；同时硼硅感压膜上加工有保护环，将硼硅感压膜与硅基底分开，可以减小旁生电容对传感器灵敏度的影响，提高了传感器的分辨率。

2、通过将硼硅感压膜、硅基底和玻璃基底采用接触式结构，防止感压薄膜在高压力作用下受到破坏，改善了灵敏度和线性度的兼顾性，提高输出重复性和稳定性；同时，可以实现10Pa～80000Pa的测压量程。

3、通过将本发明设置成三层封装结构，解决了真空参考腔内电极线引出需要问题，降低电极线引出的工艺复杂性和制作成本问题；同时增加本发明灵敏度高、温度漂移低、体积小、能耗低、精度高、测量值等优点。

4、通过将硼硅感压膜采用硼掺杂的晶圆级P型硅材料，改变半导体的导电特性，有效提高感压膜的电子传输性能，进一步提高传感器的性能；硼硅感压膜具有腐蚀自停止的特点，可以精确控制感压膜的厚度；大宽厚比感压膜可以增大灵敏度，增大基础电容。

附图说明

图1为本发明的层次结构示意图。

图2为图1中A-A方向的截面图。

图3为本发明的整体结构示意图。

图4为本发明整体结构示意图的截面图。

图5为本发明绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器性能测试的数据图。

图6为本发明绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器抗过载测试的数据图。

其中，1-传感器芯片；11-硼硅感压膜；111-下引线电极槽；112-上引线电极；113-保护环；114-绝缘层；12-硅基底；121-抽气孔；122-下引线电极；123-真空参考腔；124-下电极；13-玻璃基底；400-上壳；401-进气孔；500-外壳；501-电极引线孔；502-支撑柱；700-前级电路板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步概述。

如图1所示，一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器，包括传感器芯片1，以及用于安装传感器芯片1的外壳500，以及将传感器芯片1封装在外壳500内的上壳400；外壳500包括前级电路板700和支撑柱502，支撑柱502将前级电路板700固定在外壳500中，采用四根支撑柱502分别设置在前级电路板700的四周。前级电路板700上连接传感器芯片1，通过铝丝压焊使敏感电容与前级电路板700实现电气连接；外壳500的侧面设置有电极引线孔501，将前级电路板700的输出信号线通过外壳500侧面的电极引线孔501引出，并采用胶密封的方式实现外壳500和上壳400密封，上壳400上设置有进气孔401，通过上壳400的进气孔401与环境压力连通，实现外界环境压力测试。

进一步，如图2所示，传感器芯片1包括硼硅感压膜11、硅基底12和玻璃基底13，硼硅感压膜11、硅基底12和玻璃基底13至上而下依次连接；硅基底12的一面设置有腔体，设置有腔体的一面与硼硅感压膜11直接键合，并形成真空参考腔123；真空参考腔123内设置有抽气孔121，抽气孔121使用湿法腐蚀的方法制作，根据湿法腐蚀的各向异性，抽气孔121形成上表面为50μm，下表面为475μm的梯形；抽气孔121的上表面设置在真空参考腔123内，下表面与玻璃基底13连接；抽气孔121可以将形成真空腔的技术由现有硅-硅键合工艺技术转变为硅-硅直接键合和硅-玻璃阳极键合相结合的方式，提高直接键合的键合率，同时提高腔体的真空度，降低真空传感器的测量下限。硅基底12的另一面与玻璃基底13阳极键合封堵抽气孔121，并使真空参考腔123体内形成高真空。

进一步，硼硅感压膜11的下端面设置有绝缘层114，真空参考腔123体内设置有下电极124，真空参考腔123内的下电极124、绝缘层114与硼硅感压膜11构成电容结构；绝缘层114将硼硅感压膜11与真空参考腔123体内的下电极124绝缘开，避免测试时硼硅感压膜11与下电极124直接接触而短路。

进一步，硼硅感压膜11采用浓硼扩散和硅的自停止腐蚀的方法制作而成，硼硅感压膜11的厚度为6μm，宽厚比大于400；硼硅感压膜11上设置有保护环113，将硼硅感压膜11与硅基底12分开，可以减小旁生电容对传感器灵敏度的影响，提高了传感器的分辨率。真空参考腔123的深度小于硼硅感压薄膜在测量范围的最大挠度，外界环境压力大于一定值，硼硅感压膜11与下电极124接触，保证硼硅感压膜11不会因压力过大而损坏。

进一步，硼硅感压膜11上设置有上引线电极112槽和下引线电极122槽111，硼硅感压膜11上在设置有上引线电极112槽的位置设置上引线电极112；硅基底12上在设置有下引线电极122槽111的设置有下引线电极122；上引线电极112通过上引线电极112槽引出，下引线电极122通过下引线电极122槽111引出；上引线电极112和下引线电极122用于引出压力检测信号。

本发明通过真空测量系统对绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器的性能进行测试。真空测量系统包括泵组、进气针形阀、一套商用电容薄膜规和一个冷阴极电离规，泵组将系统的真空度维持在 10^-2 Pa 的量级。进气针阀控制系统中的真空度以一定的速率变化。商用电容薄膜规用于检测测试系统真空室的低真空度，而冷阴极电离表用于测量高真空度。

在测试过程中，缓慢调节进气阀调节真空室的真空度，即可完成(10～80000)Pa范围内真空度的测试，使用精密的 LCR 电容表测量电容变化。传感器的性能实验都是在一定的温度（25 ℃）和湿度（24% RH）的环境下进行的。

针对本发明的性能，对其进行电容-压力曲线测量，测量结果为如图5所示，绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器，以下简称为真空传感器，真空传感器的测量范围为(10～80000)Pa，电容变化为 12.455 pF-33.241 pF。从图5中看出，测量下限小于 200 Pa 时，真空传感器电容-压力特性曲线具有较好的线性度，真空传感器(10~110)Pa 的灵敏度为11.75 fF/Pa。

抗过载能力测试：如图6所示，真空传感器在(10~100000)Pa 全量程测量范围内分为三个阶段。第一阶段是真空传感器的正常工作阶段，真空传感器压力范围为(10~720)Pa，在该阶段由于硼硅感压膜11受到的压力较小，硼硅感压膜11与真空腔处于非接触模式，最大灵敏度35.45fF/Pa。第二阶段是真空传感器的主要工作阶段，其中输出电容主要是接触电容。在这个工作阶段，压力测试范围从为(720~38300)Pa，硼硅感压膜11从非接触状态变为接触状态，当硼硅感压膜11与真空腔刚接触时，电容快速上升，随着接触面积逐渐增大，电容缓慢上升。接触阶段优化前后真空传感器的最大灵敏度为69.49 fF/Pa。第三阶段为饱和阶段，压力测试范围为(38300~100000)Pa，由于硼硅感压膜11尺寸的限制，硼硅感压膜11与真空腔接触面积逐渐达到饱和，电容变化缓慢，直至达到饱和。在此阶段，灵敏度为5.96fF/Pa。通过对真空传感器在(10~100000)Pa 测量范围内的测试，验证了感压膜具有较好的抗过载能力。

工作原理：硼硅感压膜11与下电极124之间形成高真空度参考腔123，外界环境压力直接作用在硼硅感压膜11，当外界压力与参考腔内123的压力不同时，在硼硅感压膜11两侧形成压力差，硼硅感压膜11因两侧压力差异而变形，当外界压力大于真空度参考腔123内压力时，硼硅感压膜11向靠近下电极124的方向形变，导致硼硅感压膜11与下电极124之间的有效距离发生变化，从而引起电容的变化，随着外界的压力不断增大，硼硅感压膜11与下电极124之间的间距不断变小，当硼硅感压膜11与下电极124接触后，通过硼硅感压膜11与下电极124之间的位移变化以及硼硅感压膜11与介电质的接触面积来反应电容值的大小，通过测量电容得到相对真空值。

以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器，包括传感器芯片（1），以及用于安装传感器芯片的外壳（500），以及将传感器芯片（1）封装在外壳内的上壳（400）；其特征在于：所述传感器芯片（1）包括硼硅感压膜(11)、硅基底(12)和玻璃基底(13)，三者至上而下依次连接；

所述硅基底(12)的一面设有腔体，硅基底(12)将设有腔体一面与硼硅感压膜(11)直接键合，并形成真空参考腔（123）；

所述真空参考腔内（123）设有抽气孔（121），通过硅基底(12)的另一面与玻璃基底(13)阳极键合封堵抽气孔（121），真空参考腔（123）形成高真空；

所述真空参考腔（123）内的下端面设有下电极（124），硼硅感压膜(11)的下端面设有绝缘层（114）；所述绝缘层（114）、下电极（124）与硼硅感压膜(11)构成电容结构；

所述硼硅感压膜(11)上设有上引线电极（112）；所述硅基底(12)上在设有下引线电极（122）。

2.根据权利要求1所述的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器，其特征在于：所述硼硅感压膜(11)上设有保护环（113），保护环（113）将硼硅感压膜(11)与硅基底(12)分开。

3.根据权利要求1所述的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器，其特征在于：所述硼硅感压膜(11) 的基底材料为硼掺杂的晶圆级P型硅，电阻率＜0.006Ω·cm。

4.根据权利要求1所述的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器，其特征在于：所述硼硅感压膜(11)上设有上引线电极槽和下引线电极槽（111）；

所述上引线电极（112）通过上引线电极槽引出，下引线电极（122）通过下引线电极槽（111）引出；所述上引线电极（112）和下引线电极（122）用于引出压力检测信号。

5.根据权利要求1所述的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器，其特征在于：所述真空参考腔(123)的深度小于硼硅感压膜(11)测量范围的最大挠度，真空参考腔(123)的底面溅射小于腔体底面积的下电极(124)，溅射的电极材料为铝。

6.根据权利要求1所述的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器，其特征在于：所述真空参考腔（123）为圆形，直径为2500μm。

7.根据权利要求1所述的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器，其特征在于：所述抽气孔(121)使用湿法腐蚀的方法制作，抽气孔(121)结构为梯形；所述抽气孔(121)的上表面连接真空参考腔（123），下表面连接玻璃基底(13)。

8.根据权利要求1所述的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器，其特征在于：所述外壳内设有前级电路板（700），以及用于将前级电路板（700）固定在外壳内的支撑柱（502）；所述传感器芯片（1）通过铝丝压焊在前级电路板（700）上；

所述外壳（500）上设有用于引出电极的电极引线孔（501），电极引线孔（501）设于外壳（500）的侧面。

9.根据权利要求1所述的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器，其特征在于：所述上壳（400）上设有用于测量进气孔（401）。

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