CN1330952C - 聚合材料气压传感器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感技术领域，特别是一种采用聚合材料制作的气压传感器芯片的结构和制作方法。本发明的气压传感器芯片，在制造过程中以聚合材料作为压力敏感薄膜。在玻璃片或硅片等基片上制作一个平板电极及其引线。用SU-8胶、聚酰亚胺等聚合材料制成薄膜形状作为压力敏感部分。在薄膜下边有一个平板电极及其引线，与基片上的平板电极一起，形成一个电容。薄膜与基片之间密封有一定气压的空气。当外界压力与内部密封空气气压有差异时，引起薄膜产生形变，从而引起两极板间电容变化，通过测量电容达到测量气压的目的。

Description

聚合材料气压传感器芯片

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别是一种采用聚合材料制作的气压传感器芯片的结构和制作方法。

背景技术

气压传感器是传感技术应用的重要方向之一。气压是大气监测、天气预报中的重要物理量。很多生产领域也需要监测各种气体的压力。通常对大气压力的测量采用的是空压盒传感器，硅压力传感器。空压盒传感器的缺点是体积较大，难以满足微型化集成化的要求。硅压力传感器体积小精度高，但是制作工艺复杂，成本也很高。

微机械电子系统(MEMS：micro electronic mechanical system)是近十多年来发展起来的新技术，它是指可以用微电子微机械等批量加工工艺制造的集微执行器、微传感器、集成电路等部件于一体的微机电系统。其特点是体积小，性能稳定，可批量生产，因而成本低，性能一致性好。SU-8胶是微机械电子系统MEMS加工技术中的新型聚合材料，它的优点是可做高深宽比的图形，强度和稳定性较好，跟硅相比成本低廉。聚酰亚胺是光刻胶，它在固化后有较高强度，因此可以制成压力器件，成本也较低廉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制作工艺简单、体积小、成本低的，由新材料制作的气压传感器芯片和制作方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种聚合材料气压传感器芯片，其在基片上有一密封盒体，盒体顶部中间位置有一聚合材料薄膜，其侧边有一台阶，台阶上有上焊盘，密封盒体的另一侧边有下焊盘；基片与密封盒体之间有一空腔，空腔为微腔，内充有空气；空腔底面有下电极，顶面有上电极；上电极与下电极正相对设置，处于空腔顶面的聚合材料薄膜的中间位置；下电极延伸出密封盒体后，与下焊盘相接，下电极和下焊盘都固接在基片上；上电极延伸出密封盒体后，与上焊盘相接，上电极固接在聚合材料薄膜上，上焊盘固接在台阶上。

所述的气压传感器芯片，其所述密封盒体，是由聚合材料制作的。

所述的气压传感器芯片，其所述聚合材料为SU-8胶、聚酰亚胺。

所述的气压传感器芯片，其所述基片为硅片或玻璃片。

所述的气压传感器芯片，其所述空腔为微腔，高度在5～6μm之间。

所述的气压传感器芯片，其所述上电极和下电极是平板电极，平板电极为方形、长方形或圆形。

所述的气压传感器芯片，其所述上电极、下电极、上焊盘、下焊盘是由铂金或金薄膜制作的。

所述的气压传感器芯片的制备方法，其包括如下步骤：

第一步：在基片上射频溅射铂金或金薄膜，光刻出一个平板下电极，及其引线和下焊盘，该平板电极做为测压电容的下电极；

第二步：在下电极上甩一定厚度的聚合材料，曝光制作边框图形后，并不显影，作为牺牲层，待以后去除；

第三步：将第二步得到的成品置于暗室中，通过蒸发的方法制作铂金或金薄膜，并光刻出一个平板上电极，及其引线和上焊盘，该平板电极做为测压电容的上电极；

第四步：于暗室中，在第三步得到的成品上，再甩一定厚度的聚合材料作为压力敏感薄膜；

第五步：于暗室中，将第四步得到的成品固化显影后，第二步中的聚合材料已经去除，形成空腔，空腔内部封有一定气压的空气；

第六步：在第五步得到的成品上，再甩一层聚合材料作密封和加固边框；

第七步：修整定型，得成品。

所述的气压传感器芯片，其制作方法中第二步所述的一定厚度的聚合材料，厚度在5～6μm之间。

所述的气压传感器芯片，其制作方法中第四步所述的一定厚度的聚合材料，厚度在20～25μm之间。

本发明提供的传感器芯片采用聚合材料薄膜作为压力敏感元件，以电容法检测气压，具有体积小、功耗低、成本低、一致性好等优点，其制作工艺简单、与IC工艺兼容，因此能满足很多需求。

本发明的气压传感器芯片具有如下特点：

1、聚合材料气压传感器芯片提供了一种新型的气压测量传感器结构和制作工艺。

2、利用微机械电子系统(MEMS)技术制造的、在硅片或玻璃上的气压传感器芯片具有体积小，功耗低，成本低、一致性好等特点。

附图说明

图1为本发明的聚合材料气压传感器芯片立体结构示意图；

图2为本发明的聚合材料气压传感器芯片剖面结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，为本发明的聚合材料气压传感器芯片结构示意图。其中，在基片1上有一盒体2，盒体2侧壁围成的下开口边缘与基片1密封固接，其顶部中间位置有一薄膜3，盒体2侧壁与顶部薄膜3都为聚合材料制成。盒体2侧壁的侧边有一伸出的台阶4，台阶4上有上焊盘5，盒体2侧壁的另一侧边伸出有下焊盘6。基片1与盒体2内部形成一空腔7，空腔7为微腔，高度在5～6μm之间，空腔7内充有空气。空腔7的底面由基片1被围部分上表面构成，其上固接有下电极8，顶部薄膜3内表面固接有上电极9，其处于顶部薄膜3的中间位置；上电极9与下电极8都位于盒体2侧壁围成的空腔7内，上下正相对设置；下电极8延伸出密封盒体2侧壁后，与下焊盘6相接，下电极8和下焊盘6都固接在基片1上；上电极9延伸出密封盒体2侧壁后，与上焊盘5相接，上电极9固接在顶部薄膜3上，上焊盘5固接在台阶4上。

基片1可为硅片或玻璃片。

聚合材料为聚酰亚胺或SU-8胶。

上电极9和下电极8是平板电极，上电极9和下电极8之间构成一空气电容器，平板电极可为方形、长方形或圆形。上电极9、下电极8、上焊盘5、下焊盘6是由铂金或金薄膜制作的。

本发明的聚合材料气压传感器芯片，其制作方法如下：

第一步：在基片1上射频溅射铂金或金薄膜，光刻出一个平板下电极8，及其引线和下焊盘6，该平板电极做为测压电容的下电极8。

第二步：在下电极8上甩厚度为5μm的聚合材料(聚酰亚胺或SU-8胶)曝光制作边框图形后，并不显影，作为牺牲层，待以后去除。

第三步：将第二步得到的成品置于暗室中，通过蒸发的方法制作铂金或金薄膜，并光刻出一个平板上电极9，及其引线和上焊盘5，该平板电极做为测压电容的上电极9。

第四步：于暗室中，在第三步得到的成品上，再甩20μm厚的聚合材料(聚酰亚胺或SU-8胶)作为压力敏感薄膜3。

第五步：于暗室中，将第四步得到的成品固化显影后，第一层SU-8胶已经去除，形成空腔(压力微腔)7，空腔7内部封有一定气压的空气。

第六步：在第五步得到的成品上，再甩一层聚合材料(聚酰亚胺或SU-8胶)作密封和加固边框。

第七步：修整定型，得成品。

本发明的气压测量原理是：外部的气压变化时，导致聚合材料薄膜形变，引起电容发生变化。当外部压力小于内部气压时，两电极间距增大，电容变小。反之，则变大。因此可以通过对电容的测量确定气压。

如果电极和聚合材料薄膜为方形，其电容可通过下式计算：

$C=\mathrm{\ϵ}\underset{S}{\∫\∫}\frac{\mathrm{dxdy}}{d_0+W(x,y)}$

式中ε为空气介电常数，S为薄膜区域，d₀为薄膜内的压力与薄膜外的压力平衡时，上下电极之间的距离，W(x，y)为距离薄膜中心(x，y)处的薄膜的挠度，对于形变很小时薄膜可以近似表示为

$W(x,y)=W_0\cos \left(\frac{\mathrm{\πx}}{\mathrm{\α}}\right)\cos \left(\frac{\mathrm{\πy}}{\mathrm{\α}}\right)$

a为薄膜的半边长，其中W₀是薄膜的中心挠度，可表示为：

其中σ为固有应力，h为薄膜厚度，P_内为内部气体压强，P_外为外界气体压强，为作用在薄膜上的压强，K为一个因子。

可以看出，外部压强P_外变小则W(x，y)变大，即积分的分母变大，故电容C变小。反之，外部压强P_外变大则W(x，y)变小，即积分的分母变小，故电容C变大。因此可以通过对电容的测量确定气压。

实施例：

本实例是在一个3×3mm²的玻璃基片1上，固化的聚合物腔壁构成盒体2，为1.5×1.5mm²方形，中间聚合物薄膜3厚度20μm，也为1×1mm²方形。基片1与聚合物薄膜3之间是空腔7，微腔体容室高度为5μm，空腔7内部封有一定气压的空气。基片1中间部位上表面有平板下电极8，聚合物薄膜3中间部位下表面有平板上电极9，上电极9和下电极8上下正相对，各有一引出线。两引出线由盒体2的右上角和下边延伸出后，分别和上焊盘5、下焊盘6相接。上焊盘5、下焊盘6，为方便焊接引线。上电极9和下电极8之间构成一空气电容器。上述即构成一个聚合材料压力传感器芯片。

其加工过程是首先在玻璃基片1上蒸发金薄膜，制作成测压电容的下电极8及其引线和下焊盘6。再在其上甩厚度为5μm厚的SU-8胶，曝光制作边框图形后，并不显影，作为牺牲层以后去除。下面工艺要在暗室下进行下操作。蒸发金薄膜作为上电极9、引线和上焊盘5，作为测压电容的上电极。在其上再甩20μm厚的SU-8胶作为压力敏感薄膜3。固化显影后，第一层SU-8胶已经去除，形成压力微腔7。根据尺寸要求，再甩一层SU-8胶，在空腔7周围固化形成腔壁，起到支撑薄膜3和加强密封的作用，并构成加固边框。最后，修整定型后，得成品。

Claims (10)

1、一种聚合材料气压传感器芯片，其特征在于，在基片上有一盒体，盒体侧壁围成的下开口边缘与基片密封固接，其顶部中间位置有一薄膜；盒体侧壁的侧边有一伸出的台阶，台阶上有上焊盘，盒体侧壁的另一侧边伸出有下焊盘；基片与盒体内部形成一空腔，空腔为微腔，内充有空气；空腔的底面由基片被围部分上表面构成，其上固接有下电极，顶部薄膜内表面固接有上电极，其处于顶部薄膜的中间位置；上电极与下电极都位于盒体侧壁围成的空腔内，上下正相对设置；下电极延伸出密封盒体侧壁后，与下焊盘相接，下电极和下焊盘都固接在基片上；上电极延伸出密封盒体侧壁后，与上焊盘相接，上电极固接在顶部薄膜上，上焊盘固接在台阶上。

2、如权利要求1所述的气压传感器芯片，其特征在于，所述盒体侧壁与顶部薄膜，都是由聚合材料制作的。

3、如权利要求1或2所述的气压传感器芯片，其特征在于，所述聚合材料为SU-8胶或聚酰亚胺。

4、如权利要求1所述的气压传感器芯片，其特征在于，所述基片为硅片或玻璃片。

5、权利要求1所述的气压传感器芯片，其特征在于，所述空腔为微腔，高度在5～6μm之间。

6、如权利要求1所述的气压传感器芯片，其特征在于，所述上电极和下电极是平板电极，平板电极为方形、长方形或圆形。

7、如权利要求1或6所述的气压传感器芯片，其特征在于，所述上电极、下电极、上焊盘、下焊盘是由铂金或金薄膜制作的。

8、如权利要求1所述的气压传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：在基片上射频溅射铂金或金薄膜，光刻出一个平板下电极，及其引线和下焊盘，该平板电极做为测压电容的下电极；

第二步：在下电极上甩一定厚度的聚合材料，曝光制作边框图形后，并不显影，作为牺牲层，待以后去除；

第三步：将第二步得到的成品置于暗室中，通过蒸发的方法制作铂金或金薄膜，并光刻出一个平板上电极，及其引线和上焊盘，该平板电极做为测压电容的上电极；

第四步：于暗室中，在第三步得到的成品上，再甩一定厚度的聚合材料作为压力敏感薄膜；

第五步：于暗室中，将第四步得到的成品固化显影后，第二步中的聚合材料已经去除，形成空腔，空腔内部封有一定气压的空气；

第六步：在第五步得到的成品上，再甩一层聚合材料作密封和加固边框；

第七步：修整定型，得成品。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，其制作方法中第二步所述的一定厚度的聚合材料，厚度在5～6μm之间。

10、如权利要求8所述的方法，其特征在于，其制作方法中第四步所述的一定厚度的聚合材料，厚度在20～25μm之间。

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