CN116929415A - 悬浮式电容敏感芯片 - Google Patents
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Abstract
悬浮式电容敏感芯片属于微机电系统(MEMS)技术领域,尤其涉及一种悬浮式电容敏感芯片。本发明提供一种悬浮式电容敏感芯片。本发明包括上极板(1)和下极板(2),上极板(1)与下极板(2)之间为腔体(3),其特征在于腔体(3)内具有气体(4)和/或下极板(2)上设置有支撑(5)。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域,尤其涉及一种悬浮式电容敏感芯片。
背景技术
MEMS即微机电系统,多学科交叉的前沿领域,被列为影响未来制造业的五项颠覆性技术之一,MEMS先进传感器已成为我国发展战略,MEMS压力传感器是技术密集型产业,已成为各行业中不可缺少的关键器件,被广泛应用于消费电子,汽车电子,航空航天,石油化工,生物医学和国防军工等领域。MEMS压力传感器的关键核心技术是压力敏感芯片,目前主流技术路线是压阻式和电容式,而电容式压力敏感芯片具有温度特性好、灵敏度高、功耗低、精度高等优势。电容式压力传感器在需要高精度测量压力的领域,受到广泛重视、应用和研究。
电容式压力敏感芯片是通过感压极板受压后,极板产生物理形变从而改变电容值,实现压力测量。目前,电容式压力敏感芯片工作原理主要分为非接触式和接触式,非接触式普通电容式压力敏感芯片,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,WenH.Ko等人提出了一种接触电容式压力敏感芯片结构(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,但存在着灵敏度较低、线性区域的量程范围较小等不足,且无法应用于差压测量领域中。针对以上问题,本发明设计了一种新结构,工作原理介于接触式和非接触式之间,称为悬浮式电容压力敏感芯片。
发明内容
本发明就是针对上述问题,提供一种悬浮式电容敏感芯片。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案,本发明包括上极板(1)和下极板(2),上极板(1)与下极板(2)之间为腔体(3),其特征在于腔体(3)内具有气体(4)和/或下极板(2)上设置有支撑(5)。
作为一种优选方案,本发明所述腔体(3)为密封腔体。
作为另一种优选方案,本发明所述上极板(1)或衬底(7)上设置有使腔体(3)与外界连通的连通孔(10)。
作为另一种优选方案,本发明所述支撑(5)为多个,均布于下极板(2)上。
作为另一种优选方案,本发明所述支撑(5)的横截面为匚字形或回字形。
作为另一种优选方案,本发明所述下极板(2)上设置有凹槽(9),凹槽侧壁部位作为支撑(5);当多个凹槽时,凹槽(9)与凹槽(9)之间的凸起部位作为支撑(5)。
作为另一种优选方案,本发明所述气体(4)为空气或氮气。
作为另一种优选方案,本发明所述下极板(2)的下端为衬底(7)。
作为另一种优选方案,本发明所述衬底(7)上设置有凹槽(6),凹槽(6)与下极板(2)形成腔体。
作为另一种优选方案,本发明所述凹槽(6)与下极板(2)形成的腔体通过压力通道与外部连通。
作为另一种优选方案,本发明所述压力通道设置在衬底(7)上。
其次,本发明所述下极板(2)上端设置有介质层(8),支撑(5)设置在介质层(8)的上端。
另外,本发明所述上极板(1)和下极板(2)分别通过压焊点及金属引线或压焊点与外部电路连接。
本发明有益效果。
本发明腔体(3)内具有气体(4)和/或下极板(2)上设置有支撑(5),
提供了一种新型的电容式芯片结构,该新型的电容式芯片结构兼有非接触式和接触式的优点,迟滞性好、过载能力强、量程大、输出特性好。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1是本发明实施例1结构示意图。
图2是本发明实施例2结构示意图。
图3是本发明下极板上设置匚字形支撑的俯视图。
图4是本发明下极板上设置回字形支撑的俯视图。
图5是本发明下极板上凹槽内设置支撑的剖面图。
图6是本发明实施例3结构示意图。
图7是本发明密封腔体充入气体芯片工作示意图。
图8是本发明下极板上有支撑芯片工作示意图。
图9是本本发明密封腔体充入气体和下极板上有支撑芯片工作示意图。
图10是本发明电容和压力关系的响应特性曲线。
图11、12是本发明腔体为非密封腔体的设计构造实例。
图13是本发明设置压力通道结构示意图。
附图标记说明:
1.上极板,2.下极板,3.腔体,4.气体,5.支撑,6.下极板下方的凹槽,7.衬底,8.介质层,9.下极板上的凹槽,10.连通孔,11.压力通道。
具体实施方式
如图所示,本发明包括上极板(1)和下极板(2),上极板(1)与下极板(2)之间为腔体(3)。
所述腔体(3)为密封腔体。
所述腔体(3)内具有气体(4)。现有压力敏感芯片的密封腔体为真空的。
如图1所示,腔体(3)内部充入气体(4),上极板(1)直接受压。
如图7所示,腔体(3)内部气体(4)对上极板(1)的向上张力会使上极板(1)悬浮在下极板(2)上方;当上极板(1)受压减小时,腔体(3)内部气体(4)压强迫使上极板(1)迅速减小形变,从而减小迟滞特性。
第一种芯片工作原理,本发明中上极板(1)为感压极板,上极板(1)感压后向下极板(2)方向产生形变,从而改变上极板(1)与下极板(2)间的电容值,此时具备非接触式的优点。随着上极板(1)受压增大,当快与下极板(2)接触时,密封腔体(3)体积减小,内部的气体压强增大,此时腔体(3)内部气体(4)对上极板(1)的向上张力会使上极板(1)悬浮在下极板(2)上方,此时具备接触式的优点。当上极板(1)受压减小时,腔体(3)内部气体(4)压强迫使上极板(1)迅速减小形变,从而减小迟滞特性。内部气体(4)冲入量可以根据量程、腔体(3)体积、气体(4)密度和压强计算出来,如图(7)所示。
如图2所示,所述下极板(2)上设置有支撑(5)。
如图8所示,上极板(1)接触到下极板(2)上的支撑(5)时,上极板(1)悬浮在下极板(2)上方,而不与下极板(2)接触。
第二种芯片工作原理,本发明中上极板(1)为感压极板,上极板(1)感压后向下极板(2)方向产生形变,从而改变上极板(1)与下极板(2)间的电容值,此时具备非接触式的优点。随着上极板(1)受压增大,上极板(1)接触到下极板(2)上的支撑时,上极板(1)悬浮在下极板(2)上方,而不与下极板(2)接触,此时具备接触式的优点,如图(8)所示。
第三种芯片工作原理,本发明中上极板(1)为感压极板,上极板(1)感压后向下极板(2)方向产生形变,从而改变上极板(1)与下极板(2)间的电容值,此时具备非接触式的优点。随着上极板(1)受压增大,此时腔体(3)内部气体(4)对上极板(1)的向上张力和下极板(2)上的支撑(5)共同起作用,使上极板(1)悬浮在下极板(2)上方,而不与下极板(2)接触,此时具备接触式的优点。当上极板(1)受压减小时,腔体(3)内部气体(4)压强迫使上极板(1)迅速减小形变,从而减小迟滞特性。内部气体(4)冲入量可以根据量程、腔体(3)体积、气体(4)密度和压强计算出来,如图(9)所示。
如图9所示,此时腔体(3)内部气体(4)对上极板(1)的向上张力和下极板(2)上的支撑(5)共同起作用,使上极板(1)悬浮在下极板(2)上方,而不与下极板(2)接触;当上极板(1)受压减小时,腔体(3)内部气体(4)压强迫使上极板(1)迅速减小形变,从而减小迟滞特性。
所述支撑(5)为多个,均布于下极板(2)上。
所述支撑(5)的横截面为匚字形或回字形。
所述下极板(2)上设置有凹槽(9),凹槽(9)与凹槽(9)之间的凸起部位作为支撑(5)。
所述气体(4)为空气或氮气。腔体(3)内的气体可以是单一的气体,也可以是混合气体。
下极板(2)上的支撑(5)相互之间可以联通(比如横截面为匚字形的支撑(5)),也可以不联通(比如横截面为回字形的支撑(5))。当上极板(1)与支撑(5)接触时,相互联通的支撑(5)之间的气体均匀分布,整个腔体(3)内的气体(4)压强均匀分布,压力改变时,上极板(1)受到腔体(3)内的气体(4)对外的张力是均匀的。当只有支撑就能满足性能要求时,如大压力量程,支撑可以不联通;小压力高精度量程需求时,支撑可以连通。
所述下极板(2)的下端为衬底(7)。
所述衬底(7)上设置有凹槽(6),凹槽(6)与下极板(2)形成腔体。腔体可以是密封的,也可以与外部相连。
如图6所示,本发明包括上极板(1)、下极板(2)、上极板(1)与下极板(2)之间腔体(3)、腔体(3)内部充入的气体(4)、支撑(5)、凹槽(6)、衬底(7),上极板(1)直接受压。当凹槽(6)是密封的时,下极板(2)可以跟随上极板(1)向下运动,提高输出特性线性度,增大量程,提高过载能力。当凹槽(6)与外部相连时,下极板(2)与上极板(1)同时感受相同压力,下极板(2)向上极板(1)方向运动,提高输出特性线性度,提高灵敏度,增大量程,提高过载能力。
所述凹槽(6)与下极板(2)形成的腔体通过压力通道与外部连通。
如图12所示,所述压力通道(11)可设置在衬底(7)上。
所述下极板(2)上端设置有介质层(8),支撑(5)设置在介质层(8)的上端。上述支撑(5)的各种设置形式均可设置在介质层(8)上。介质层(8)可采用二氧化硅或氮化硅。支撑(5)可以在下极板(2)上直接刻蚀出来,此时支撑(5)和下极板(2)是一体;也可以由介质层(8)直接刻蚀出需要的形状,此时介质层(8)与支撑(5)是一体;还可以在介质层(8)上再做出支撑(5),根据芯片的尺寸确定需要哪种方案制作支撑(5)。
所述上极板(1)和下极板(2)分别通过压焊点及金属引线或压焊点与外部电路连接。
如图11、12所示,所述上极板(1)或衬底(7)上设置有使腔体(3)与外界连通的连通孔(10)。腔体(3)也可以是不密封的, 不密封的腔体(3)与支撑(5)配合用,此结构芯片可应用于加速度计测量加速度,也可用于表压测量压力。
如图10(针对图8结构测得的数据)所示,采用本发明所提出的带有支撑(5)的压力敏感芯片结构,设计量程可为0-190kPa的绝对压力传感器,上、下极板可采用环形膜片,上极板(6)厚度可为3.5μm,下极板(3)厚度可为3.5μm,腔体(3)高度可为1.2μm,支撑(5)高度可为50nm。
本发明提出的悬浮式电容式压力敏感芯片,可用于消费电子、汽车电子、工业测控、医疗电子、航空航天以及国防军工等多个领域中绝压和差压压力的测量。本发明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,特别适合研制高精度压力传感器。
本发明可应用于压力检测,硅麦克风、加速度计、流量计等。
可以理解的是,以上关于本发明的具体描述,仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案,本领域的普通技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或等同替换,以达到相同的技术效果;只要满足使用需要,都在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.悬浮式电容敏感芯片,包括上极板(1)和下极板(2),上极板(1)与下极板(2)之间为腔体(3),其特征在于腔体(3)内具有气体(4)和/或下极板(2)上设置有支撑(5)。
2.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片,其特征在于所述腔体(3)为密封腔体。
3.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片,其特征在于所述支撑(5)为多个,均布于下极板(2)上。
4.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片,其特征在于所述支撑(5)的横截面为匚字形或回字形。
5.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片,其特征在于所述下极板(2)上设置有凹槽(9),凹槽侧壁部位作为支撑(5);当多个凹槽时,凹槽(9)与凹槽(9)之间的凸起部位作为支撑(5)。
6.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片,其特征在于所述下极板(2)的下端为衬底(7)。
7.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片,其特征在于所述衬底(7)上设置有凹槽(6),凹槽(6)与下极板(2)形成腔体。
8.根据权利要求7所述悬浮式电容敏感芯片,其特征在于所述凹槽(6)与下极板(2)形成的腔体通过压力通道与外部连通。
9.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片,其特征在于所述下极板(2)上端设置有介质层(8),支撑(5)设置在介质层(8)的上端。
10.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片,其特征在于所述上极板(1)和下极板(2)分别通过压焊点及金属引线或压焊点与外部电路连接。
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