CN1605560A - 电容传感器 - Google Patents

Abstract

一种电容型传感器包括上面具有电极的玻璃平板，和由半导体材料形成的且上面形成有绝缘凸缘的微机械加工结构。在绝缘凸缘上形成导电密封并布置成粘合于玻璃基片从而限定包含电极的封闭腔，借此限定电容元件，在使用中，该导电密封被布置成使电信号通过从而确定其电容，该电容表示待由传感器确定的参数。

Description

电容传感器

技术领域

硅传感器广泛地应用于大而日益变化的领域，包括一些重要的领域，例如医疗设备、汽车领域如引擎控制和轮胎压力监测、工业过程控制和航空电子设备工业。基于硅的传感器最经常使用的转换原理是电容探测和压阻探测。

背景技术

压阻传感器通常被认为比电容传感器更耐用(robust)。另一个优点是它们给出的输出信号与输入具有良好的线性。另一方面，电容传感器与压阻传感器相比的优点是，它们消耗功率小，但是具有非线性直接输出信号且对电磁干扰更加敏感。电容硅传感器能够制得尺寸很小，并能够容易地通过表面微机械加工制成。然而，它们并不非常耐用，且在大多数应用中需要通过凝胶或者其它的柔性材料保护它们的压力敏感隔膜免受的压力破坏。这使得由于添加到该隔膜顶部的块(mass)导致振动敏感性增加。在专利申请EP-A-742581和EP-A-994330中说明了制造硅压力传感器和惯性传感器的先进且经过良好证明的方法，但是它们仍具有上述问题。

发明内容

本发明试图提供一种电容硅传感器装置，其解决了上述问题。

根据本发明，提供了一种电容类型的传感器，其包括：

玻璃板，在其上面形成有电极；和

微机械加工结构，其由半导体材料形成并且在上面形成有绝缘凸缘(rim)；以及

导电密封(conducting seal)，其在绝缘凸缘上形成并被布置成与玻璃基片结合从而限定包含电极的封闭腔(enclosed cavity)，借此限定电容元件，在使用中，该导电密封被布置成使电信号经过从而确定其电容，电容表示待由传感器确定的参数。

本发明讲授了一种电容装置，用于测量物理变量例如压力、流量和加速度。本发明的压力传感器装置具有微机械加工的硅隔膜，其起电容器内可动电极的作用；通过阳极粘合(anodic bonding)作用密封的片上真空参考体积(on-chip vacuum reference volume)，其起电容器内的间隙的作用，并且在玻璃上具有电容器的反电极(counterelectrode)，通过传导系统与密封腔的外部连接，该传导系统由玻璃上的金属互连、玻璃上的金属与硅部分上的金属密封环之间的压力接触件构成，其也形成一个封闭的密封腔(sealed cavity)。本发明产生了耐用而可靠的传感器，具有良好的介质兼容性，并通过使被测变量入口朝向硅隔膜的后侧而获得。所使用的处理技术使得制造成本较低，这是大量生产领域例如在汽车工业中需要的。可以制作变型，其通过在玻璃上形成电容器并联的电极系统来调节电容值。其它的变型可以包括集成MOS电容器。

通过使硅平面处理与硅体微机械加工处理相结合可以使本发明成为可能，硅体微机械加工例如干腐蚀、各向异性和选择腐蚀、玻璃的薄膜金属化和玻璃与薄膜层之间的阳极粘合。所有这些技术在微系统技术(MST)和微电机械系统(MEMS)中是众所周知的。

尽管在说明书中，选择硅作为材料，但是本发明并不仅限于硅，也能够使用其它的半导体材料制成，例如III-V半导体如GaAs或者高温半导体SiC。

附图说明

为了较好地理解本发明及其特征和优点，下面参考详细说明和附图，其中：

图1是根据本发明的第一和基本类型电容绝对压力传感器的剖面图；

图2是图1中的压力传感器通过A-A线的顶视图；

图3是根据本发明的电容加速传感器的顶视图；

图4显示了图1中玻璃上的金属电极与密封环的金属之间压力接触件的一种布置的细节；

图5显示了图1中玻璃上的金属电极与密封环的金属之间压力接触件的第二种布置的细节；

图6是根据本发明的电容绝对压力传感器第二实例的顶视图，其包括可调金属氧化物半导体电容器；

图7是根据本发明的电容压力传感器第三实例的顶视图，其具有可调的电极图形；和

图8显示了在通过阳极粘合将各部分层压在一起形成传感器之前，图1和2所示电容压力传感器分离的硅和玻璃部分。

具体实施方式

参考图1和2，传感器具有硅部分100，在基片上形成的刚性支持缘102和柔性微结构，该柔性微结构形成了薄柔性隔膜104。基片被重掺杂以便获得低串联阻抗。在隔膜104内腐蚀出浅凹槽，且支持缘102在其表面上具有电绝缘层107。在电绝缘层107上形成导电薄膜层108，作为围绕隔膜104的环。

第一玻璃部分120具有薄膜表面传导系统，在其表面上形成有金属互连，其构成面向硅隔膜104的平板电极121。玻璃120被阳极粘合于硅部分100上的导电薄膜层上，借此在界面122上形成完全的密封环108。

如图1和2所示，平板电极121通过电压力接触件109a和109b与导电薄膜密封环108接触。这样，隔膜104的腐蚀凹槽提供了器件内的密封腔123。

基片100和玻璃部分120形成了电容传感器件，用玻璃120上的平板电极121作为第一电极。该电极通过在电极121与金属密封环108之间形成的压力接触件109a、109b与密封腔123外部的丝线键合焊垫111a电连接。密封腔123起电容器中电绝缘间隙的作用。柔性隔膜104是可变电容器的第二电极，并通过支持缘102与密封腔外部的电接触焊垫111b电连接。

当外力施加在隔膜104的柔性结构上，借此将隔膜104压向玻璃上的平板电极121，在电容器内产生较小的间隙123时，电容改变从而提供传感功能。

优选地，绝缘层107在电介质材料上形成，且密封环108也起导体的作用，从而在玻璃120上的平板电极121与位于空腔外部的丝线键合焊垫111a之间提供电接触。

如上所述，图1和2所示的基本传感器件包括柔性微结构，其能够采用薄隔膜104的形式。在该实例中，施加在隔膜104上的压力将隔膜104压向平板电极121，处于薄膜传导系统的形式。因此减小了电极之间的间隙112。因此该传感器件能够用作压力传感器，探测气压或者液压的变化。

图1和2的传感器还包括弹性中心凸起(resilient center boss)106和电绝缘微机械超载保护部件110。这一部件保证，在所感测的参数极度变化的影响下，部件110与玻璃120上的电极121接触，借此保证两个电极继续电绝缘。

图3显示了本发明传感器件的另一个实例，其是电容加速计的形式。加速计40包括在基片430上构建的硅部分400。硅部分400具有刚性支持缘402，其通过薄柔性弹簧连接于地震块(seismic mass)406，从而块406由弹簧的末端支持。弹簧和块构成薄柔性隔膜404，其通过支持缘402与电接触焊垫(未显示)电连接。

硅支持缘402具有电绝缘环形层407，其表面具有导电薄膜层408。该薄膜层起导电密封环408的作用，其围绕隔膜404，并与图1中压力传感器的密封环408相似。

电容加速计40的玻璃部分420具有薄膜传导系统，在其表面上形成有金属互连，并且面向硅部分400。该传导系统在使用中起平板电极的作用。

玻璃部分420被阳极粘合于硅部分400，从而在两个部分之间的界面422上形成完全的密封。

从图3能够看出，密封环408具有形成于电极421和密封环408之间的压力接触区域409A、409B，并连接位于电容加速计外部的丝线键合区域411，以便提供引出和/或进入传感器件的电连接。压力接触件409A和409B在平板电极421与薄膜密封环408之间形成有效的电连接。

在薄隔膜404内腐蚀浅凹槽，从而当玻璃与硅部分如上所述地连接时，在平板电极421和隔膜404之间存在真空参考体积(vacuumreference volume)。因此在传感器件的玻璃420和硅400部分之间提供密封腔423。该密封腔起电容加速计的电绝缘间隙的作用。

在使用中，平板电极421和硅隔膜404的地震块406分别起电容加速计40的第一和第二电极的作用。

加速计40以和上述电容压力传感器10类似的方式发挥作用。施加在块406上的加速度驱动隔膜404向着或者背离平板电极421偏转，借此改变电极之间间隙412的尺寸，从而测量电容值。在感测相对大的加速度时，为了维持电极之间的电绝缘，在隔膜404上提供电绝缘机械过载保护部件410。

参考图4和5，它们显示了用于形成传感器件压力接触件109的可选择构型。图4显示了作为单个部件的压力接触件109的细节，该部件使玻璃120的金属电极121与密封环108的金属连结。图5中，电极121的金属和密封环108的金属彼此直接接触。这些压力接触布置使用密封环122将密封功能和电接触功能合并在单个部件内，借此允许简化器件，具有更少的部分。这一合并还使器件易于制造。

图6显示了本发明进一步的实例，其中传感器件20通过传感器的基片与一个或多个金属氧化物半导体电容器(MOS电容器)212a-d串联。在多个MOS电容器的实例中，它们彼此并联。MOS电容器应当初始具有比传感器更高的电容值，并使互连213a-d设计成具有能够用激光束除去的区域。通过以这种方法“调节”MOS电容器，能够减小其电容，从而增加系统的总电容值。

通过以这种方法增加总电容，电容器作为被测参数的函数改变的比率、器件的敏感性、能够设定在不依赖于处理公差的恒定限定值。

“调节”总电容值的进一步方法存在于图7所示的传感器30的实例中。这里，传感器30玻璃部分320上的电极图形由至少两个电极构成。电极321a-h通过玻璃部分(322a-h)和硅部分(323a-d)的金属互连系统并联在空腔内。连接顶电容电极的金属线能够用激光束穿过玻璃，从而能够减小传感器的总电容值。

图8示出了根据本发明的器件(如图1和2示出的)的制造过程的顺序。硅基片应当通过标准光刻方法、离子轰击和/或高温扩散掺杂剂被重掺杂。传感器的硅部分100，包括刚性支持缘102，能够通过本技术领域内众所周知的标准方法加以制造，例如硅平面处理、双侧光刻以及湿和干腐蚀步骤。凹槽在两个腐蚀步骤中在硅上湿和/或干腐蚀而成。第一步生成压力接触件109a和109b，第二步生成凹槽从而在完全制造的传感器中提供间隙112。电绝缘层107可以热生长或者气相沉积在刚性支持缘102的表面上，然后在其顶部形成密封环108，其处于导电薄膜层的形式。

玻璃部分120上的金属平板电极121能够通过用于在玻璃上制造薄膜结构的标准方法制造。间隙112和压力接触件109a和109b的位置也能够通过在玻璃120内腐蚀凹槽生成，或者通过在玻璃部分120和硅部分100内执行联合腐蚀步骤生成。

通过在真空中，将玻璃基片120阳极粘合于硅基片100上完成该传感器件的制造，产生如图1和2所示的结构，其中玻璃基片120具有金属电极121并在上面已经形成薄膜互连，最终结构具有(阳极粘合的)密封环108和密封空腔123，它们通过在硅基片的表面内腐蚀出的凹槽形成。

Claims (14)

1.一种电容类型传感器，包括：

玻璃平板，其上面具有电极；和

微机械加工结构，其由半导体材料形成并在其上面形成有绝缘凸缘；以及

导电密封，形成在绝缘凸缘上，并被配置成粘合于玻璃基片从而限定包含电极的封闭腔，借此限定电容元件，在使用中，该导电密封被配置成使电信号经过从而确定其电容，该电容表示待由该传感器确定的参数。

2.根据权利要求1的传感器，其中微机械加工结构包括隔膜。

3.根据权利要求2的传感器，其中在隔膜上还安装有电连接件。

4.根据权利要求3的传感器，其中隔膜的电连接件由半导体材料提供。

5.根据权利要求2-4的传感器，其中隔膜包括刚硬的中心凸起。

6.根据前述任一权利要求的传感器，其中半导体材料是硅。

7.根据前述任一权利要求的传感器，其中半导体材料构成刚性支持缘。

8.根据前述任一权利要求的传感器，其中玻璃基片与半导体材料之间的密封通过阳极粘合提供。

9.根据前述任一权利要求的传感器，其中在空腔的外部提供附加的压力接触件从而允许其它器件相互作用。

10.根据前述任一权利要求的传感器，其中在制造该器件期间，电极的形状被加工成其尺寸能够调节以便控制其电容。

11.根据前述任一权利要求的传感器，被配置成压力传感器。

12.根据权利要求1-10中任何一个的传感器，被配置成加速计。

13.根据前述任一权利要求的传感器，其中导电密封与玻璃基片上的电极电连接。

14.根据前述任一权利要求的传感器，其中导电密封与空腔外部的电粘合垫连接。

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