CN117664202A - 传感器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器及电子设备，传感器包括：膜体，所述膜体可形变；第一电极，所述第一电极设于所述膜体的第一侧的局部位置，所述第一电极可形变；绝缘层，所述绝缘层设于所述第一电极远离所述膜体的一侧；第二电极，所述第二电极的至少一部分设于所述绝缘层远离所述膜体的一侧；其中，所述膜体在第一形变状态和第二形变状态之间可切换，在所述膜体处于所述第一形变状态时，所述膜体与所述绝缘层之间间隔开；在所述膜体处于所述第二形变状态时，所述第一电极的至少一部分通过所述膜体与所述绝缘层接触。根据本发明实施例的传感器兼具接触式电容压力传感器功能和非接触式电容压力传感器功能。

Description

传感器及电子设备

技术领域

本发明涉及微机械电子(MEMS)技术领域，更具体地，涉及一种传感器和包括传感器的电子设备。

背景技术

电容式压力传感器是一种利用电容值的变化来测量压力的传感器。它基于电容与电极之间的距离(或极板面积)变化以及介质的性质，通过测量电容值的变化来推断压力的大小。电容式压力传感器通常可以实现较高的测量精度，特别是在低压范围内。其可以在短时间内快速响应压力变化，适用于动态测量。电容式传感器通常具有较好的长期稳定性和可靠性，其输出信号不易受到外部环境的影响。同时，根据应用的需求，可以设计不同形状和尺寸的电容结构，以适应不同的测量环境和压力范围。由于其诸多优点，电容式压力传感器在如空气动力学研究、医疗设备监测和精密工业流程控制等许多新兴领域得到广泛应用。

其中，电容式压力传感器分为接触式和非接触式两种。

具体地，非接触式电容压力传感器遵循电容随间距改变的工作原理。其不足之处体现在随着输入压力的增大，其线性度会越来越差，传感器的读出信号需要经过特定的外围电路来消除非线性的影响，大大增加了传感器的制造成本和制造难度，所以其压力测量范围有限，只能适用于小量程。

接触式电容压力传感器虽然可以做到较大的量程，但是在接触区由于压力造成上电极与绝缘层的接触面积的变化率仍存在非线性，所以接触式电容压力传感器虽然提升了小压力下的线性度，大压力量程下的非线性仍然具有问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种传感器，能够解决现有技术的电容式压力传感器只能采用单一接触式或者非接触式的技术问题。

本发明的另一个目的在于提供一种电子设备，该电子设备包括上述传感器。

为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。

根据本发明第一方面实施例的传感器，包括：膜体，所述膜体可形变；第一电极，所述第一电极设于所述膜体的第一侧的局部位置，所述第一电极可形变；绝缘层，所述绝缘层设于所述第一电极远离所述膜体的一侧；第二电极，所述第二电极的至少一部分设于所述绝缘层远离所述膜体的一侧；其中，所述膜体在第一形变状态和第二形变状态之间可切换，在所述膜体处于所述第一形变状态时，所述膜体与所述绝缘层之间间隔开；在所述膜体处于所述第二形变状态时，所述第一电极的至少一部分通过所述膜体与所述绝缘层接触。

可选地，所述第一电极设于所述膜体的中心区域。

可选地，所述膜体沿自身的厚度方向具有通孔。

可选地，所述绝缘层的第一侧面与所述第一电极相对，所述绝缘层的第一侧面为平面。

可选地，所述绝缘层的第二侧面与所述第二电极相对，从所述第二电极向所述第一电极的方向为第一方向，在所述第一方向上，所述第二侧面的厚度非均匀设置。

可选地，所述绝缘层的第二侧面具有台阶面。

可选地，第二方向与所述第一方向垂直，在所述第二方向上，所述绝缘层具有第一区域和第二区域，与所述第一区域对应的所述绝缘层具有第一厚度，与所述第二区域对应的所述绝缘层具有第二厚度，所述第一区域相对于所述第二区域靠近所述第一电极的中心区域，所述第二厚度大于所述第一厚度。

可选地，在所述第二方向上，所述绝缘层还具有第三区域，所述第二区域位于所述第三区域和所述第一区域之间，与所述第三区域对应的所述绝缘层具有第三厚度，所述第三厚度小于所述第二厚度。

可选地，所述绝缘层的第二侧面与所述第二电极贴合。

可选地，所述绝缘层嵌设于所述第二电极的局部位置。

可选地，所述的传感器还包括：支撑件，所述支撑件与所述膜体连接，所述支撑件用于支撑所述膜体。

可选地，所述支撑件与所述膜体为一体成型件。

可选地，所述的传感器还包括：基体，所述基体与所述第二电极连接，所述基体用于支撑所述第二电极。

根据本发明第二方面实施例的传感器，包括上述任一所述的传感器。

根据本发明实施例的传感器兼具接触式电容压力传感器功能和非接触式电容压力传感器功能。此外，本发明实施例的传感器可以作为MEMS压力芯片使用。

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为根据本发明的一个实施例的传感器的俯视图；

图2为图1中沿A-A方向的截面图；

图3为向下施加压力P1的示意图；

图4为向下施加压力P1的示意图；

图5(a)至图5(i)为制造本发明的一个实施例的传感器的步骤示意图；

图6为根据本发明的一个实施例的制备传感器的流程图。

附图标号

传感器100；

膜体10；通孔11；

第一电极20；

绝缘层30；台阶面31；

第二电极40；

空腔50；

支撑件60；

基体70；

牺牲层80；

密封件90；

第一厚度H1；第二厚度H2；第三厚度H3。

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。

下面结合附图具体描述根据本发明实施例的传感器100。

如图1至图4所示，根据本发明实施例的传感器100，包括膜体10、第一电极20、绝缘层30和第二电极40。

具体而言，膜体10可形变，第一电极20设于膜体10的第一侧的局部位置，第一电极20可形变，绝缘层30设于第一电极20远离膜体10的一侧，第二电极40的至少一部分设于绝缘层30远离膜体10的一侧。

其中，膜体10在第一形变状态和第二形变状态之间可切换，在膜体10处于第一形变状态时，膜体10与绝缘层30之间间隔开；在膜体10处于第二形变状态时，第一电极20的至少一部分通过膜体10与绝缘层30接触。

换句话说，根据本发明实施例的传感器100主要由膜体10、第一电极20、绝缘层30和第二电极40组成，由于膜体10和第一电极20分别可变形，因此膜体10的至少一部分可以与第一电极20同步形变，例如，第一电极20位于膜体10的上表面，通过对第一电极20施加向下的作用力，第一电极20的至少一部分发生形变，并可以驱动膜体10的至少一部分发生形变。其中，膜体10可以定义为压力感受膜或者定义为敏感膜。

具体地，膜体10在受力变形的过程中可以从初始状态切换至第一形变状态，并可以在更大的作用力下从第一形变状态切换至第二形变状态。其中，在膜体10处于初始状态时，膜体10和绝缘层30之间具有空腔50；在膜体10处于第一形变状态时，膜体10与绝缘层30之间间隔开，第一电极20与第二电极40之间也是间隔开的状态；在膜体10处于第二形变状态时，膜体10与绝缘层30接触，第一电极20通过膜体10与绝缘层30接触，又因为绝缘层30与第二电极40连接，因此第一电极20和第二电极40间接连接。可见，通过采用可变形的第一电极20有利于调节第一电极20和第二电极40之间的距离。

也就是说，本发明实施例的工作区间分为非接触区间和接触区间。其中，非接触区间与第一形变状态对应，接触区间与第二形变状态对应。

其中，将待测气压(将压力的压力值定义为P)从膜体10的上方施加到膜体10上，通过膜体10向下传递至第一电极20上，在压力P1的作用下，膜体10连同第一电极20在空腔50位置产生形变；

下面对非接触区间进行详细说明。

在压力P较小时(如图3所示)，膜体10的形变量较小，膜体10不会接触到空腔50下面的绝缘层结构；此时工作在非接触区域；随着膜的形变，第一电极20与第二电极40之间的间距发生变化，根据公式：电容间距d改变造成电容值C的改变，可以通过后续电路检测电容C的变化量完成被测压力的测量。

其中，在非接触阶段，与现有技术的全覆盖电极的方案相比，本发明实施例的第一电极20只是覆盖膜体10的局部区域，缩小了电容上下极板正对的有效面积，输出的初始电容值会降低。但是膜体10的挠度变化明显的重点感压区域并没有减小，因此电容相对变化可以得到提高，从而可以提高非接触阶段的灵敏度。

需要说明的是，第一电极20设于膜体10的局部位置，即采用非全覆盖方式，例如，膜体10沿水平方向延伸，第一电极20位于膜体10的上表面且未全部覆盖膜体10的上表面。与全电极覆盖结构相比，在本实施例中，第一电极20局部设置，可以通过降低初始电容值，实现提升相对电容变化量，并且提升了非接触工作区域的非线性度。

下面对接触区间进行详细说明。

在压力P较大时(如图4所示)，膜体10的形变量较大，膜体10接触到下面的绝缘层结构，此时工作在接触区域(例如图4中圈示的A区域)，同样，随着接触区域面积变大，电容值C改变，可以通过后续电路检测电容C的变化量完成被测压力的测量。其中，在接触阶段，当压力增大达到触点压力，膜体10开始接触底部电极，传感器100进入接触阶段。

由此，根据本发明实施例的传感器100兼具接触式电容压力传感器功能和非接触式电容压力传感器功能。此外，本发明实施例的传感器100可以作为MEMS压力芯片使用。

根据本发明的一个实施例，第一电极20设于膜体10的中心区域，也就是说，在本实施例中采用中心电极结构，在压力感受膜的中心设计区域进行电极覆盖。需要说明的是，在本实施例中，中心电极只是覆盖中心重点区域，缩小了电容上下极板正对的有效面积，输出的初始电容值会进一步降低。

在本发明的一些具体实施方式中，膜体10沿自身的厚度方向具有通孔11，该通孔11可以作为释放结构，可以用于空腔50的释放以及后续密封。

根据本发明的一个实施例，绝缘层30的第一侧面与第一电极20相对，绝缘层30的第一侧面为平面。在本实施例中，通过将绝缘层30的第一侧面设计为平面结构，有利于实现膜体与绝缘层30的第一侧面平滑接触。

在本发明的一些具体实施方式中，绝缘层30的第二侧面与第二电极40相对，从第二电极40向第一电极20的方向为第一方向，在第一方向上，第二侧面的厚度非均匀设置。例如，第一方向为上下方向，绝缘层30可以位于第二电极40的至少一部分的上侧，膜体10可以位于绝缘层30的上方，第一电极20可以位于膜体10的上表面的局部区域。在上下方向上，绝缘层30具有厚度，在水平方向上，绝缘层30上的不同位置的厚度可以设置的不一致，也就是说，实现在第一方向上，第二侧面的厚度非均匀设置。

需要说明的是，对于传统结构的接触式电容传感器而言，当膜体10接触底部绝缘层30后，随着压力的不断增加，电容随着压力升高的变化率先增大再减小，即灵敏度随着压力的增加先升高再降低。相比而言，在本实施例中，绝缘层30的厚度非均匀设计，通过底部绝缘层30的厚度差异调整上下电极间距的变化率，从而实现对灵敏度进行补偿，实现提升接触区域的非线性度，进而提升工作量程。并且，根据薄膜形变理论的分析可知，随着压力的不断变化，薄膜形变面积的非线性变化导致了压力传感器在接触阶段的非线性输出，限制了了线性工作范围。因此设计了底部非均匀绝缘结构从中心往边缘方向不断改变接触区域的绝缘层30厚度，从而提升接触阶段的非线性度。

由此，通过采用非均匀厚度的绝缘层30，提升了小量程(非接触区)的灵敏度；并且通过底部非均匀结构优化接触区的非线性度；解决了非接触区的量程小，接触区非线性度大的问题，有效结合了非接触区和接触区域的工作范围，提升了芯片量程的同时，保证有较高的灵敏度和非线性度。

根据本发明的一个实施例，绝缘层30的第二侧面具有台阶面31，不仅有利于实现非均匀厚度的绝缘层30的设置，而且便于加工实施和厚度的控制。

在本发明的一些具体实施方式中，第二方向与第一方向垂直，在第二方向上，绝缘层30具有第一区域和第二区域，与第一区域对应的绝缘层30具有第一厚度，与第二区域对应的绝缘层30具有第二厚度，第一区域相对于第二区域靠近第一电极20的中心区域，第二厚度大于第一厚度。例如，第一方向为上下方向，第二方向为水平方向。沿着上下方向对传感器100的局部进行切割，形成的截面如图2所示，其中第一区域具有第一厚度，第一厚度为H1，第二区域具有第二厚度，第二厚度为H2，可以看出H2＞H1。

在本发明的一些具体实施方式中，在第二方向上，绝缘层30还具有第三区域，第二区域位于第三区域和第一区域之间，与第三区域对应的绝缘层30具有第三厚度，第三厚度小于第二厚度。例如，其中第三区域具有第三厚度，第三厚度为H3，可以看出H2＞H3。

根据本发明的一个实施例，绝缘层30的第二侧面与第二电极40贴合，也就是说，在加工时，可以直接在第二电极40上设置绝缘层30，便于加工设计。

在本发明的一些具体实施方式中，绝缘层30嵌设于第二电极40的局部位置，例如，第二电极40的上表面具有凹槽，绝缘层30嵌设在第二电极40的凹槽位置。可选地，绝缘层30的上表面与第二电极40的凹槽上边沿齐平。

根据本发明的一个实施例，传感器100还包括：支撑件60，支撑件60与膜体10连接，支撑件60用于支撑膜体10。例如，支撑件60环设于膜体10的外边缘，且与膜体10的外边缘连接。在本实施例中，通过采用支撑件60有利于控制处于初始状态的膜体10的位置，控制空腔50的大小，控制膜体10的位移程度。

在本发明的一些具体实施方式中，如图2和图5(f)所示，支撑件60与膜体10为一体成型件，也就是说，支撑件60和膜体10的材质相同，可以选用一体成型工艺同时制备得到支撑件60和膜体10，不仅便于加工，提高效率，降低成本，而且提高整体性和装配效率。

可选地，支撑件60为氮化硅。

可选地，第一电极20选用Au材料。

在本发明的一些具体实施方式中，传感器100还包括基体70，基体70与第二电极40连接，基体70用于支撑第二电极40。例如，基体70位于第二电极40的下方。可选地，基体70除了能够对第二电极40起到支撑作用外，还可以对支撑件60起到支撑作用，即支撑件60可以设置在基体70上，便于支撑件60、基体70等可以作为一个整体，提高安装速率和整体性。

可选地，基体70为硅结构。

可选地，第二电极40为由浓硼掺杂形成，例如可以在硅结构上设置由浓硼掺杂形成的第二电极40。

下面结合具体实施例对根据本发明实施例的传感器100的制备过程进行详细说明，步骤如图6所示。

(1)准备一块硅片，如图5(a)所示；

(2)通过光刻和刻蚀来确定掺杂区域形状、大小、位置，将硅片的上表面进浓硼掺杂，如图5(b)所示；

(3)通过离子束刻蚀，刻蚀出阶梯状凹槽，接着在凹槽处沉积氮化硅，并做表面平整化处理，如图5(c)所示；

(4)之后再在氮化硅上淀积一层二氧化硅牺牲层80，如图5(d)所示；

(5)沉积一层氮化硅将二氧化硅完全覆盖，再做表面平整化处理，如图5(e)所示；

(6)采用lift-off工艺溅射上电极金属膜。在氮化硅之上，先渡一层薄的Cr/Ti金属增加表面附着力，再溅射一层金形成电极，面积小于下极板，如图5(f)所示；

(7)接着，对其表面刻蚀形成牺牲层释放窗口区域，如图5(f)所示；

(8)在进行横向刻蚀释放牺牲层工艺之前，在电极上覆盖一层厚的光刻胶以确保电极不会因长时间腐蚀而起泡，且要保证刻蚀孔不能有光刻胶。显影后，通过牺牲层释放工艺去除二氧化硅牺牲层，形成空腔50，如图5(h)所示；

(9)采用真空气相沉积派瑞林(密封件90)来密封释放孔，如图5(i)所示。

通过上述步骤，可以制备得到一种传感器100，更具体地，可以制备得到一种带有中心电极-底部绝缘层30非均匀结构的MEMS压力芯片。该传感器100的结构包括底部支撑硅结构(即基体70)，硅结构上由浓硼掺杂形成的底电极(即第二电极40)，底电极上面的非均匀绝缘层结构(即绝缘层30)，以及上层支撑氮化硅支撑结构(即支撑层)，在长层支撑氮化硅中具有通过侧壁形成压力空腔。在压力空腔的上面是敏感薄膜(即膜体10)，膜体10可以用于感知压力发生形变。此外，在敏感薄膜上可以设计有四个释放结构(即在膜体10上设计四个通孔11)，可以用于空腔50的释放以及后续密封。并且，在膜体10的中心位置的上面可以设计有中心上电极(即第一电极20)，上电极可以采用Au材料。

本发明还提供了一种电子设备，该电子设备包括上述任一实施例所述的传感器，由于本发明实施例的传感器兼具接触式电容压力传感器功能和非接触式电容压力传感器功能，因此本发明实施例的电子设备也具有同样的优点，在此不作赘述。

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 (14)

1.一种传感器，其特征在于，包括：

膜体，所述膜体可形变；

第一电极，所述第一电极设于所述膜体的第一侧的局部位置，所述第一电极可形变；

绝缘层，所述绝缘层设于所述第一电极远离所述膜体的一侧；

第二电极，所述第二电极的至少一部分设于所述绝缘层远离所述膜体的一侧；

其中，所述膜体在第一形变状态和第二形变状态之间可切换，在所述膜体处于所述第一形变状态时，所述膜体与所述绝缘层之间间隔开；在所述膜体处于所述第二形变状态时，所述第一电极的至少一部分通过所述膜体与所述绝缘层接触。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一电极设于所述膜体的中心区域。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述膜体沿自身的厚度方向具有通孔。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述绝缘层的第一侧面与所述第一电极相对，所述绝缘层的第一侧面为平面。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述绝缘层的第二侧面与所述第二电极相对，从所述第二电极向所述第一电极的方向为第一方向，在所述第一方向上，所述第二侧面的厚度非均匀设置。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述绝缘层的第二侧面具有台阶面。

7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，第二方向与所述第一方向垂直，在所述第二方向上，所述绝缘层具有第一区域和第二区域，与所述第一区域对应的所述绝缘层具有第一厚度，与所述第二区域对应的所述绝缘层具有第二厚度，所述第一区域相对于所述第二区域靠近所述第一电极的中心区域，所述第二厚度大于所述第一厚度。

8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，在所述第二方向上，所述绝缘层还具有第三区域，所述第二区域位于所述第三区域和所述第一区域之间，与所述第三区域对应的所述绝缘层具有第三厚度，所述第三厚度小于所述第二厚度。

9.根据权利要求6或7或8所述的传感器，其特征在于，所述绝缘层的第二侧面与所述第二电极贴合。

10.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述绝缘层嵌设于所述第二电极的局部位置。

11.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括：

支撑件，所述支撑件与所述膜体连接，所述支撑件用于支撑所述膜体。

12.根据权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述支撑件与所述膜体为一体成型件。

13.根据权利要求1或11或12所述的传感器，其特征在于，还包括：

基体，所述基体与所述第二电极连接，所述基体用于支撑所述第二电极。

14.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-13中任一所述的传感器。