CN1225494A - 带有附加极板的可变形弹性薄膜电容器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有附加电容极板的可变形薄膜电容器件,属微机电器件领域。该器件的两个电容极板中至少有一个是由附着在可变形弹性薄膜上的附加极板。附加极板的面积可大于薄膜面积且不随薄膜的形变而形变。按照本发明可制成多种体积小,灵敏度高的电容式微机电器件,如压力传感器、话筒、声发射、声测量、谐振器件等。

Description

带有附加极板的可变形弹性薄膜电容器件

本发明涉及一种带有附加极板的可变形弹性薄膜电容器件，属微机电器件领域。

目前已有的微型电容式弹性薄膜器件种类很多，其薄膜结构大多与图1所示的美国专利U.S.Patent 4203128相同。图1中01是带有硅薄膜的硅片，03是硅片，02是厚度为1μ的sio2间隔绝缘层。两硅片即是电容器的两个极板，间距仅为1μ因而整个器件可以做得很小而仍具有较大的本底电容量。但用这种薄膜结构制成的电容式微机电器件有一个共同性的问题—电容相对变化量较小。因为无论是在机械外力还是在电场力作用下薄膜形变位移时，越是靠近膜的边缘部分。其位移越小直至为零。这种情况极大地降低了器件的灵敏度。

本发明的目的是提出一种新的微小极间距弹性薄膜电容结构。采用本发明结构的弹性薄膜电容式微机电器件不但外型小而且灵敏度高。

本发明的内容是带有附加极板的可变形弹性薄膜电容器件由带有厚边框的弹性薄膜，固支在弹性薄膜中心部位的附加电容极板以及另一电容极板组成。附加极板仅与弹性薄膜中心部位保持很小的接触面积且附加极板的面积可大于弹性薄膜的面积。另一电容极板与附加极板保持微小间距，它可以是导电性的平基片，也可以是另一个弹性薄膜上带有附加极板的基片。

本发明的带有附加极板的周边固支可变形弹性薄膜电容器件，当弹性薄膜在外界压力或电场力作用下发生机械形变时，附着在弹性薄膜中心部位的附加极板产生最大位移而保持原有形状，与弹性薄膜本身作为电容器极板的情况相比，前者显然会产生大得多的电容量的变化，从而极大地提高器件的灵敏度而相对降底器件固有的各种漂移从而明显提高器件的性能。

附图说明：

图1是已有技术示意图。

图2-图11是本发明的8个实施例。

图12-图15是本发明基本制造过程示意图。

图17-图20是本发明的另外4个实施例。

下面结合附图详细介绍本发明的内容。

图2是本发明的第一个实施例。图中1是带有硅薄膜的硅片，2是Sio₂绝缘层，3是带有凹坑的硅片，4是带有中心支点的附加电容电极板。极板4的中心支点固定在硅薄膜的中心部位，故当薄膜形变时，附加电极板4的位移与硅薄膜中心部位的最大位移相等，而且由于附加极板的支点横截面积很小，又处于薄膜中心部位所以位移过程中它的形状始终不变。只要硅片3凹坑深度适当，使附加电极4与作为另一容极板的凹坑底部之间具有微小极间距，就可以使该器件仅有很小的体积而同时具有大的本底电容量及电容相对变化量。如图2所示，附加极板4的面积大于硅薄膜的面积，这不但可使硅薄膜的边框更牢固从而减少迟滞并且加大了器件的电容相对变化量，而且还减少了Sio₂绝缘层的面积提高了器件长期稳定性。

图3是本发明的第二个实施例。它由图2所示的单独器件阵列化并联而成。这样制成的器件具有更大的本底电容量以便于用较简单的驱动电路获得更高的分辩率，还提高了产品的一致性。

图4-图6是本发明的第三个实施例。图中附加极板5与附加极板4的区别是它为多个单独的弹性薄膜所共有。硅片3的凹坑内有高度与边框相等的截顶金字塔状突起，突起通过附加极板5上的开孔支撑在硅片1薄膜之间的位置。这种结构的器件的本底电容量及电容相对变化量进一步加大或者是在保证一定电容量的基础上把器件的横截面做得更小。图5中可见附加极板5上的方形开孔。图中的方形黑点为附加电极5的支点也即它与硅薄膜的接点。图6为硅片3的截面图。从A-A断面沿箭头方向观看整个器件，即可见到图4所示的截面图。2为Sio₂间隔绝缘层。

图7是本发明的第4个实施例。图中硼硅玻璃7代替了硅片3，其上的导电层8是电容的另一极板。图中6为两电容极板之间的间隔绝缘层，它可以由硅片氧化出的Sio₂层光刻形成，也可以是低熔点玻璃层。

图8是本发明的第5个实施例。该器件由两片带有硅薄膜的硅片1组成，薄膜上都有附加极板4以进一步提高其电容相对变化量。同样6既可以是Sio₂层也可以是低熔点玻璃层。

图9是本发明的第六个实施例。图中作为电容极板之一的硅片9的截顶金字塔型突出部伸入到附加极板10的凹坑内以保证较大的本底电容量。该实施例的优点是弹性薄膜外表面平整对外界干挠小。图中2是Sio₂绝缘间隔层。

图10是本发明的第七个实施例。图中硼硅玻璃7上的金属导电层8是电容极板之一。附加极板11与图9中的附加极板10的区别是它伸出硅片1的凹坑且伸出部分与硅片平面平行。这种结构可用平极板7代替带有突出部的极板9，更主要是它进一步减少了薄膜面积从而在不增加器件面积的情况下使边框部分更坚固，而更坚固的边框则降低了对间隔绝缘层6的强度要求，甚至使用简单的有机粘接剂粘接基片6和硅片1也可使该器件的迟滞很小。基片7当然也可用平硅片代替。

图11是本发明第八个实施例。本实施例的特点是硅片1的薄膜两侧都具有附加极板4。把绝缘层2和6的开口(图中未画出)分别连通到不同部位，可用来测量这两处的压力差，也可使两个腔体中的一个密封，从而成为测量绝对压力的传感器。这是一个具有两个传感电容的差动式电容传感器，灵敏度及线性均较好。

图12-16是说明本发明基本制作过程的示意图。这一基本制作过程是：

1、制备如图12所示的带有硅薄膜的硅片。

具体步骤是：

a、取通常制作集成电路的(100)硅片清洗干净后一面氧化出1μ厚的Sio₂层，另一个面向内扩散硼。护散浓度应达到10¹⁹/cm³，深度为所希望得到的薄膜厚度。

b、在此硅片的带有Sio₂层的面光刻出方孔。方孔大小决定薄膜面积。通过方孔对硅进行各向异性腐蚀最终形成带有硅薄膜的硅片1。详细工艺过程可参见Volume MAG-11 IEEE Transactions onMagnetics Mar.2,1975“single Crystal Silicon BarrierJosephson Junction,”P766，也可参见J.Electrochem.Soc.:SOLID STATE SIENCE AND TECHNOLOGY August 1978“TheFabrication of Highprecision nozzles by the AnisotropicEtching of(100)Silicon p1321.

2、如图13所示在硅薄膜的下表面涂敷过渡层12，并在与硅薄膜中心对应的位置光刻出边长3-5μ的小孔。过渡层可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是光致抗蚀剂AZ-1350，厚度0.5μ至几个μ。

3、如图14所示，在过渡层12上再涂敷一层导电层，其厚度应超过过渡层2倍以上以保证附加极板支点的强度和防止附加极板在电场力作用下明显形变。如果过渡层是二氧化硅或氧化硅，则导电层采用多晶硅，如果过渡层是AZ-1350光致抗蚀剂，则可采用铝为导电层。把导电层光刻成附加极板并把过渡层蚀去或溶解掉，附加极板便制作完成，如图15所示。二氧化硅层可由硅片热氧化获得，氮化硅、多晶硅可用CVD法获得，三者均采用常规半导体制造工艺可参见“集成电路制造技术—原理与实践”(著者庄同曾等)一书有关章节。

4、图16所示的带凹坑的硅片3同样是用各向异性腐蚀法产生的，它的腐蚀深度由腐蚀时间控制。硅片上表面附着的Sio₂层2是硅片热氧化后光刻成的，它既是腐蚀凹坑的掩膜又是器件电容极板间的间隔绝缘层，厚度为1μ左右。

5、在绝缘层2上涂少量低熔点玻璃，把上下硅片对准压紧升温使玻璃溶化，即把两个基片封接到一起。

如果要制造测量相对压力的传感器，可以在方框型的绝缘层2上光刻出缺口并注意不要在缺口上涂敷低熔点玻璃以使封接后腔内与外界连通。

图1-图11所示的各实施例制作起来基本采用上述步骤。制作中部下凹的附加极板10和11时，光刻过渡层中心孔及附加极板宜采用投影曝光，还应注意保证附加电极斜面的厚度，为此可用真空离子镀膜或化学镀或CVD技术来涂敷形成附加极板的导电层。间隔6如果超过几微米时宜采用低熔点玻璃封接。图9中硅片9上的截顶金字塔型凸台的形成与凹坑的形成方法相同，只要把掩膜由透明方孔变为不透明的方块即可。图11中硅薄膜两面都带有附加极板4，其制作可两面同时进行，并无特殊之处。

图17是又一种硅薄膜电容器件。其特点是硅片1的两个表面都向内凹。这既加强了硅片边框部分对薄膜的支撑强度，也便于控制附加极板4与另一电容极板8之间的间距。由于支撑强度大，硅片1与基片7的封接可使用普通的有机粘接剂如氰基丙稀酸酯而保持良好性能。当然也可以把两片如图17所示的带有附加极板4的硅片1封接到一起制成迟滞小灵敏度高的器件。

图18所示的薄膜电容器件的特点是它的薄膜不是Si而百Sio₂、金刚石、氧化铝等弹性材料用以满足特定场合的需求。它的好处还在于膜厚便于精确控制。Sio₂膜可由热氧化生成，金刚石、氧化铝薄膜则用CVD法先在Si片上生成然后从背面把相应部位的硅蚀去，其工艺过程与前述基本相同。

图19所示的硅薄膜器件的特点是附加极板4位于硅薄膜的凹坑内，该器件的外表面平整，对外界挠动小，失真小。

图20所示实施例是图17及图10实施例的结合，当然也可以把两片图20所示的带附加极板11的硅片1封接到一起形成一种灵敏度高迟滞小的器件。

以上所有实施例都可作为电容式压力传感器使用，如腔体密封可测绝对压，腔体开口可测相对压。它们也可用作声强计、话简、如对它们的两个极板施加交变电压信号，还可以用作声发射壮置及谐振器件。

Claims (8)

1、一种可变形弹性薄膜电容式微机电器件，包括基片及间隔绝缘层，其中至少有一个基片具有周边固支的可变形弹性薄膜，其特征在于它至少还包括有一个附加电容极板，附加电容极板的中心支点固定在弹性薄膜中心处，其面积可大于硅薄膜面积。

2、如权利要求1所述的微机电器件，其特征在于其可变形弹性薄膜是在硅片上形成的硅薄膜，硅薄膜的一个面与硅片齐平另一面内凹，附加电容极板支撑在此凹坑内的硅薄膜表面上。附加电容极板可伸出凹坑而含有与硅片表面平行部分。

3、如权利要求1所述的微机电器件，其特征在于可变形弹性薄膜是在硅片上形成的硅薄膜，硅薄膜的一个面与硅片齐平另一面内凹，附加电容极板处于与硅片齐平的硅薄膜表面上。

4、如权利要求1所述的微机电器件，其特征在于其可变形弹性薄膜是在硅片上形成的硅薄膜，硅薄膜的两个表面都是由硅片表面内凹形成的，至少有一个表面中心处支撑着带有中心支点的附加电容极板，附加电容极板可以伸出凹坑并与硅片表面平行。

5、如权利要求1所述的微机电器件，其特征在于薄膜两个表面的中心部位各支撑一个带有中心支点的附加电容极板。

6、如权利要求1所述的微机电器件，其特征在于其可变形弹性薄膜是以硅片为边框的二氧化硅薄膜。

7、如权利要求1所述的微机电器件，其特征在于可变形弹性薄膜是以硅片为边框的氧化铝薄膜。

8、如权利要求1所述的微机电器件，其特征在于可变形弹性薄膜是以硅片为边框的金刚石薄膜。

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