CN216246919U - 一种电容式芯片结构 - Google Patents

Abstract

一种电容式芯片结构属于微机电系统（MEMS）技术领域，尤其涉及一种电容式芯片结构。本实用新型提供一种改进型的电容式芯片结构。本实用新型包括下极板（3）、中间极板（4）和上极板（6），下极板（3）与中间极板（4）之间为下腔体，上极板（6）与中间极板（4）之间为上腔体。

Description

一种电容式芯片结构

技术领域

本实用新型属于微机电系统（MEMS）技术领域，尤其涉及一种电容式芯片结构。

背景技术

随着MEMS技术的发展，压力传感器成为各行业中不可缺少的关键器件，已被广泛应用于汽车电子，石油化工，生物医学和国防军工等领域。相比于压阻式压力传感器，电容式压力传感器具有灵敏度高、功耗低、温度特性好等优势，更加适合研制高精度压力传感器。特别是在现代航空航天技术和现代国防装备等方面对压力测量精度和可靠性要求日益增加的背景下，MEMS电容式压力传感器的研究受到国内外高度重视。

对于普通的电容式压力传感器，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，Wen H. Ko等人提出了一种接触电容式压力敏感结构（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。

实用新型内容

本实用新型就是针对上述问题，提供一种改进型的电容式芯片结构。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案，本实用新型包括下极板（3）、中间极板（4）和上极板（6），下极板（3）与中间极板（4）之间为下腔体，上极板（6）与中间极板（4）之间为上腔体。

作为一种优选方案, 本实用新型所述上腔体和下腔体为密封腔体。

作为另一种优选方案，本实用新型所述上极板（6）和下极板（3）接第一极性的电信号，中间极板（4）接第二极性的电信号，第一极性与第二极性相反;上极板（6）为感压极板；

或上极板（6）接第一极性的电信号, 下极板（3）接第二极性的电信号, 第一极性与第二极性相反; 中间极板（4）不接电信号;上极板（6）和下极板（3）均为感压极板。

作为另一种优选方案，本实用新型所述中间极板（4）和下极板（3）为不动极板。

作为另一种优选方案，本实用新型所述下极板（3）、中间极板（4）和上极板（6）的组合为多组，沿竖向布置；上方组的下极板（3）为相邻下方组的上极板（6）; 最上方组的上极板（6）和最下方组的下极板（3）为感压极板; 上方组的上极板（6）、上方组的下极板（3）和相邻下方组的下极板（3）接第一极性的电信号，上方组的中间极板（4）和相邻下方组的中间极板（4）接第二极性的电信号，第一极性与第二极性相反；

或下极板（3）、中间极板（4）和上极板（6）的组合为多组，沿竖向布置；上方组的中间极板（4）为相邻下方组的上极板（6）；上方组的下极板（3）为相邻下方组的中间极板（4）；最上方组的上极板（6）和最下方组的下极板（3）为感压极板; 上方组的上极板（6）、上方组的下极板（3）接第一极性的电信号，上方组的中间极板（4）和相邻下方组的下极板（3）接第二极性的电信号，第一极性与第二极性相反。

作为另一种优选方案，本实用新型所述下极板（3）、中间极板（4）和上极板（6）的组合为两组，沿竖向布置；上方组的下极板（3）为下方组的上极板（6）; 上方组的上极板（6）和下方组的下极板（3）为感压极板; 上方组的上极板（6）、上方组的下极板（3）和下方组的下极板（3）接第一极性的电信号，上方组的中间极板（4）和下方组的中间极板（4）接第二极性的电信号，第一极性与第二极性相反。

作为另一种优选方案，本实用新型所述中间极板（4）上设置有介质层（5）。

作为另一种优选方案，本实用新型所述下极板（3）设置在衬底（2）上。

作为另一种优选方案，本实用新型所述衬底（2）下端设置有垫块。

作为另一种优选方案，本实用新型所述下极板（3）外端向外延伸，向外延伸部的外端设置在衬底（2）上，该向外延伸部上设置有通孔形成进压腔使下极板感压；

作为另一种优选方案，本实用新型在所述衬底上设置通孔形成进压腔使下极板感压。

作为另一种优选方案，本实用新型所述上密封腔体的高度大于下密封腔体的高度。

作为另一种优选方案，本实用新型所述上密封腔体的长度大于下密封腔体的长度。

作为另一种优选方案，本实用新型所述上极板（6）的厚度小于中间极板（4）和下极板（3）的厚度。

作为另一种优选方案，本实用新型所述衬底（2）为单晶硅衬底。

其次，本实用新型所述下极板（3）下方为进压腔（1），下极板（3）为感压极板，中间极板（4）为可动极板，上极板（6）为感压极板。

另外，本实用新型所述上、中、下三个极板通过压焊点及金属引线（8）或压焊点与外部电路连接。

本实用新型有益效果。

本实用新型结构使用时，上极板感可用作感压极板，上极板（6）与中间极板（4）形成感压可变电容，中间极板（4）和下极板（3）可形成感压不变电容，将两个电容联接形成差分电容结构，抗共模干扰信号，输出特性更好。对比现在普遍应用平面排列的差分电容结构芯片，本实用新型更节省芯片面积，芯片面积可减小约二分之一。

本实用新型结构使用时，上、中、下三个极板均可作为感压可动极板，形成带有可动中间极板的双接触电容式压力敏感芯片，可被装配成差压压力传感器或者绝对压力传感器。在结构中设置有悬空可动的中间极板，外界压力可直接作用于下极板，这样上、下极板均可直接感受外界压力，工作过程中两极板会与中间极板上的介质层接触，输出两个电容信号，并联时输出电容值更大，增大电容值变化量，从而提高芯片的灵敏度，改善输出特性。上、下极板均可直接感受外界压力，可应用在需要同时测量两个不同的压力应用场景，提高了芯片集成度，减少了所需芯片数量，降低了成本。

本实用新型结构使用时，上腔体和下腔体内可设置随温度变化介电常数变化的物质，该物质与外界联通，可用于温度计的检测部件。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。本实用新型保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本实用新型结构示意图。

图2是本实用新型形成差分电容结构示意图。

图3是本实用新型形成差分电桥结构示意图。

图4是本实用新型设置垫块形成进压腔结构示意图。

图5是本实用新型设置通孔形成进压腔结构示意图。

图6是本实用新型上密封腔体的高度大于下密封腔体的高度结构示意图。

图7是本实用新型上密封腔体的长度大于下密封腔体的长度结构示意图。

图8是本实用新型上密封腔体的高度大于下密封腔体的高度;同时上密封腔体的长度大于下密封腔体的长度结构示意图。

图9是本实用新型上极板的厚度小于中间极板和下极板的厚度结构示意图。

图10是本实用新型的俯视图。

图11是图10的AA＇剖面图。

图12是本实用新型芯片单晶硅衬底上刻蚀进压腔后的俯视图。

图13是采用多个本实用新型芯片并联组合形成的芯片阵列的剖面图。

图14是本实用新型实施例中所设计量程为100kPa的带有可动中间极板的双接触电容式压力敏感芯片的输出特性曲线（即采用图11结构的输出特性曲线）。

图15是本实用新型采用图7结构的输出特性曲线。

图16是本实用新型采用图6结构的输出特性曲线。

图17是本实用新型采用图8结构的输出特性曲线。

图18是本实用新型形成差分电容结构（即图2结构）电容和压力关系的响应特性曲线。

图19是本实用新型形成差分电桥结构（即图3结构）电容和压力关系的响应特性曲线。

附图标记说明：

1. 进压腔，2.衬底硅片，3.下极板，4.中间极板，5.介质层，6.上极板，7. 上腔体，8.金属引线，9.下腔体，10.垫块,11.通孔。

图中下部的方块标注的是不同灰度图案所代表的材质。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括下极板（3）、中间极板（4）和上极板（6），下极板（3）与中间极板（4）之间为下腔体（9），上极板（6）与中间极板（4）之间为上腔体。本实用新型该结构可无衬底，在下极板下方放置支撑物，直接将本实用新型结构架起，令上极板（6）和下极板（3）同时感受压力；或将结构芯片竖起放置并固定，令上极板(6)和下极板（3）直接感受压力。

所述上腔体和下腔体为密封腔体。

如图2所示,所述上极板（6）和下极板（3）接第一极性的引线，中间极板（4）接第二极性的引线，第一极性与第二极性相反; 中间极板（4）和下极板（3）为不动极板, 上极板（6）为感压极板。此结构形成差分电容,提高测量精度,屏蔽共模信号干扰,芯片面积更小。上、中、下三个极板可采用圆形膜片，其有效半径均为200μm，其中，上极板（6）厚度为3μm，中间极板（4）厚度为25μm，下极板（3）厚度为25μm，上、下腔体高度均为0.3μm（上极板（6）与中间极板（4）上介质层的间距以及下极板（3）与中间极板（4）上介质层的间距），介质层厚度为50nm。对于上述尺寸参数的压力敏感芯片，得到电容和压力关系的响应特性曲线如图18所示，电容的变化量为0-5pF。

如图3所示,所述下极板（3）、中间极板（4）和上极板（6）的组合为两组，沿竖向布置；上方组的下极板（3）为下方组的上极板（6）; 上方组的上极板（6）和下方组的下极板（3）为感压极板; 上方组的上极板（6）、上方组的下极板（3）和下方组的下极板（3）接第一极性的引线，上方组的中间极板（4）和下方组的中间极板（4）接第二极性的引线，第一极性与第二极性相反。此结构形成两个差分电容联成差分电桥；进一步提高屏蔽共模信号干扰的性能，同时电容变化量增大，进一步提高测量精度、灵敏度、线性度；进一步减小芯片面积。上方组极板（6）和最下方组极板（3）感压可动，形成两个差分电容结构，同时联成电桥结构，抗共模干扰信号，输出特性更好，增大电容变化量，是单差分电容结构电容变化量的2倍，在任何同等制造工艺条件下，对比现在普遍应用平面排列的差分电容结构芯片，本实用新型更节省芯片面积，芯片面积可减小约四分之三，约是四个平面展开的电容形成的差分电容桥的面积的四分之一。上、中、下三个极板可采用圆形膜片，其有效直径均为400μm，其中，上极板（6）厚度为3μm，中间极板（4）厚度为25μm，下极板（3）厚度为25μm，下方组中间极板（4）厚度为25μm，下方组下极板（3）厚度为3μm，上方组、下方组腔体高度均为0.3μm（上极板（6）与中间极板（4）上介质层的间距以及下极板（3）与中间极板（4）上介质层的间距），介质层厚度为50nm。对于上述尺寸参数的压力敏感芯片，得到电容和压力关系的响应特性曲线如图19所示，电容的变化量为0-10pF。

所述上极板（6）接第一极性的电信号, 下极板（3）接第二极性的电信号, 第一极性与第二极性相反;中间极板（4）不接电信号;上极板（6）和下极板（3）均为感压极板。上极板（6）和下极板（3）均为感压极板,可明显提高灵敏度。

如图4所示,所述衬底（2）下端设置有垫块（10）。设置垫块（10），使大气与衬底（2）中部的开口（即进压腔1）连通，使下极板（3）感压。

如图5所示,所述下极板（3）外端向外延伸，向外延伸部的外端设置在衬底（2）上，该向外延伸部上设置有通孔(11)。设置通孔（11）使大气与衬底（2）中部的开口（即进压腔1）连通，使下极板（3）感压。上密封腔体和下密封腔体（9）的高度可均为0.6μm。

如图6所示,所述上密封腔体的高度大于下密封腔体（9）的高度。上密封腔体的高度可为0.7μm，下密封腔体（9）的高度可为0.4μm。该结构下极板与中间极板可更早接触，过载能力强、线性度好、灵敏度高，输出特性曲线线性度更好。

如图7所示,所述上密封腔体的长度大于下密封腔体（9）的长度。上密封腔体的长度可为115μm，下密封腔体（9）的长度可为60μm。该结构下密封腔体（9）截面积小，上极板与中间极板更早接触，输出特性曲线线性度更好。

如图8所示,所述上密封腔体的高度大于下密封腔体（9）的高度;同时上密封腔体的长度大于下密封腔体（9）的长度。

如图9所示,所述上极板（6）的厚度小于中间极板（4）和下极板（3）的厚度。上极板（6）的厚度可为2μm，中间极板（4）和下极板（3）的厚度可为30μm。中间极板（4）和下极板（3）的厚度较大，在量程范围内感受压力但不发生明显的形变，中间极板（4）与下极板（3）之间形成的电容C2基本不变。同时上极板（6）受压向下弯曲，上极板（6）与中间极板（4）之间的电容C1变化，C1与C2形成差分输出，精度更高。

所述衬底（2）为单晶硅衬底。

如图11所示,所述中间极板（4）上设置有介质层（5）（介质层可采用二氧化硅、氮化硅等，实现绝缘功能）。所述下极板（3）设置在衬底（2）上。

如图11所示,所述下极板（3）下方为进压腔（1），所述下极板（3）为感压极板，所述中间极板（4）为可动极板，所述上极板（6）为感压极板。外界压力可由经进压腔（1）作用于下极板（3）。设置在硅衬底（2）上的下极板（3）与上极板（6）均可直接感受外界压力，当有外界压力存在时，上极板（6）与下极板（3）会同时受到压力作用发生形变，与中间极板（4）上的介质层接触，使得两极板与中间极板（4）之间的电容值发生变化，由此将压力信号转换成电容信号输出。上极板（6）与中间极板（4）构成一个感压可变电容，下极板（3）与中间极板（4）构成第二个感压可变电容，当有外界压力作用于上、下极板（3）时，该芯片可输出两个电容信号。

如图11所示,所述上、中、下三个极板通过压焊点及金属引线（8）与外部电路连接。上、中、下三个极板可通过压焊点及金属引线与外部电路连接成压力检测电路，将压力信号转换成电信号输出。该芯片可被装配成差压压力传感器，当上极板（6）与下极板（3）处于不同的压力环境中时，处于较高压力环境中的一个极板会先与中间极板（4）接触，使得中间极板（4）随着该极板的形变而形变，两者形成联动的效果，构成第一个电容信号，此后处于较低压力环境中的另一极板与中间极板（4）接触，构成第二个电容信号。

该芯片可被装配成差压压力传感器，当上极板（6）与下极板（3）处于不同的压力环境中时，两极板与中间极板（4）的接触面积不同，敏感芯片输出两个不同大小的电容信号。

该芯片可被装配成绝对压力传感器，当上极板（6）与下极板（3）处于相同的压力环境中时，两极板会同时与中间极板（4）接触，且接触面积相同，敏感芯片输出两个相同大小的电容信号。

本实用新型这种带有可动中间极板（4）的双接触电容式压力敏感芯片，其上、中、下三个极板在形状上可以设计成被期望的任何形状，如正方形、矩形、圆形、环形等，也可以采用两个或者多个基本结构单元设计成并联组合的芯片阵列。

如图11所示,本实用新型结构中上、中、下三个极板均可为感压可动结构。在下极板（3）下方设置有进压腔，外界压力可经进压腔作用于下极板（3），使得下极板（3）与上极板（6）均可直接感受外界压力。当有外界压力存在时，上极板（6）与下极板（3）会同时受到压力作用发生形变，与中间极板（4）上的介质层接触，使得两极板与中间极板（4）之间的电容值发生变化，上、中、下三个极板通过压焊点及金属引线与外部电路连接，将压力信号转换成电信号的输出。

当有外界压力存在时，上、下极板（3）会同时受到压力作用发生弯曲形变，两极板与中间极板（4）之间距离发生改变，从而电容值发生变化；当压力大于某一压力值时，即接触压力，上极板（6）以及下极板（3）开始与中间极板（4）上的介质层接触，在这一过程中接触面积以一个近乎常数的增长率增大，使得接触电容值会很快远大于非接触电容值，测量电容以接触电容为主。因此，在这一压力范围内，传感器表现出更优越的线性度和更高的输出电容值，提高了传感器的性能。

如图11所示,采用本实用新型所提出的带有可动中间极板（4）的双接触电容式压力敏感结构，设计量程可为100kPa的绝对压力传感器，其主要结构参数可如下：

上、中、下三个极板可采用圆形膜片，其有效半径均为115μm，其中，上极板（6）厚度为2μm，中间极板（4）厚度为5μm，下极板（3）厚度为2μm，上、下腔体高度均为0.6μm（上极板（6）与中间极板（4）上介质层的间距以及下极板（3）与中间极板（4）上介质层的间距），介质层厚度为50nm。

对于上述尺寸参数的压力敏感芯片，利用有限元软件进行仿真分析，得到电容和压力关系的响应特性曲线如图14所示。该传感器的输出特性曲线可以划分为非接触区、过渡区、线性区和非线性接触区四个工作区域：当作用在上、下极板（3）上的压力很小时，上、下极板（3）与中间极板（4）不发生接触，压力敏感结构工作在非接触区，即区域Ⅰ，压力范围约为0～25kPa；随着压力的增加，上、下极板（3）开始与中间极板（4）上的介质层接触，工作区域进入过渡区，即区域Ⅱ，压力范围约为25kPa～35kPa，输出电容仍为非线性；当压力继续增加时，输出电容很快随之呈线性增加，此时压力敏感结构也随之进入线性工作区，即区域Ⅲ，压力范围约为35kPa～100kPa；最后随着压力的继续增大，接触面积的增大会受到尺寸的限制，电容的增长速率逐渐减缓，工作区域进入非线性接触区，即区域Ⅳ。

所设计传感器的线性区压力范围约为35kPa～100kPa，非线性度约为1.5%FS，灵敏度约为0.12pF/kPa，最大电容输出值约为12pF。

本实用新型提出的这种带有可动中间极板（4）的双接触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。

如图11所示, 本实用新型公开了一种带有可动中间极板（4）的双接触电容式压力敏感芯片。该芯片包括刻有进压腔的硅衬底，感压上极板（6），可动的中间极板（4），感压下极板（3），介质层，密封腔体，敏感芯片的上、中、下三个极板均可感压并可动，通过在结构中设置进压腔，使得外界压力可经进压腔作用于下极板（3）。当有外界压力存在时，上、下极板（3）会同时受到压力作用发生形变，与中间极板（4）上的介质层接触，使得两极板与中间极板（4）之间的电容值发生变化，三个极板通过压焊点与外部电路连接成压力检测电路，将压力信号转换成电信号输出。本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。

本实用新型的带有可动中间极板的双接触电容式压力敏感芯片，可被装配成差压压力传感器或者绝对压力传感器。在结构中设置有悬空可动的中间极板以及进压腔，外界压力可经进压腔作用于下极板，这样上、下极板均可直接感受外界压力，工作过程中两极板会与中间极板上的介质层接触，输出两个电容信号，从而提高芯片的灵敏度，改善输出特性。当该芯片被装配成差压压力传感器时，即上极板与下极板处于不同的压力环境中，处于较高压力环境中的一个极板会先与中间极板接触，随着压力的不断增加，中间极板也随着该极板的形变而形变，并对该极板的运动状态起到的调节作用，两者形成联动的效果，构成第一个电容信号，此后处于较低压力环境中的另一极板与中间极板接触，构成第二个电容信号；此时两极板与中间极板的接触面积不同，敏感芯片输出两个不同大小的电容信号，通过分析和处理这两个电容信号，可得到两极板所处环境中的压力差值。当该芯片被装配成绝对压力传感器时，即上极板与下极板处于相同的压力环境中，两极板会同时与中间极板接触，且接触面积相同，敏感芯片输出两个相同大小的电容信号，与普通接触式压力敏感芯片相比，在相同芯片面积的情况下，其输出电容值和灵敏度可增大一倍。因此，该压力敏感芯片表现出更高的灵敏度和更优越的输出特性，提高了传感器的性能，特别适合研制高精度压力传感器。

本实用新型可应用于压力检测，硅麦克风、湿度计、加速度计、流量计等。

可以理解的是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型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，仍然可以对本实用新型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，都在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种电容式芯片结构，包括下极板（3）、中间极板（4）和上极板（6），下极板（3）与中间极板（4）之间为下腔体，上极板（6）与中间极板（4）之间为上腔体。

2.根据权利要求1所述一种电容式芯片结构，其特征在于所述上腔体和下腔体为密封腔体。

3.根据权利要求1所述一种电容式芯片结构，其特征在于所述上极板（6）和下极板（3）接第一极性的电信号，中间极板（4）接第二极性的电信号，第一极性与第二极性相反;上极板（6）为感压极板;

或上极板（6）接第一极性的电信号, 下极板（3）接第二极性的电信号, 第一极性与第二极性相反; 中间极板（4）不接电信号;上极板（6）和下极板（3）均为感压极板。

4.根据权利要求1所述一种电容式芯片结构，其特征在于所述中间极板（4）和下极板（3）为不动极板；

或所述上极板（6）的厚度小于中间极板（4）和下极板（3）的厚度。

5.根据权利要求1所述一种电容式芯片结构，其特征在于所述下极板（3）、中间极板（4）和上极板（6）的组合为多组，沿竖向布置；上方组的下极板（3）为相邻下方组的上极板（6）;最上方组的上极板（6）和最下方组的下极板（3）为感压极板; 上方组的上极板（6）、上方组的下极板（3）和相邻下方组的下极板（3）接第一极性的电信号，上方组的中间极板（4）和相邻下方组的中间极板（4）接第二极性的电信号，第一极性与第二极性相反；

或下极板（3）、中间极板（4）和上极板（6）的组合为多组，沿竖向布置；上方组的中间极板（4）为相邻下方组的上极板（6）；上方组的下极板（3）为相邻下方组的中间极板（4）；最上方组的上极板（6）和最下方组的下极板（3）为感压极板; 上方组的上极板（6）、上方组的下极板（3）接第一极性的电信号，上方组的中间极板（4）和相邻下方组的下极板（3）接第二极性的电信号，第一极性与第二极性相反。

6.根据权利要求1所述一种电容式芯片结构，其特征在于所述下极板（3）、中间极板（4）和上极板（6）的组合为两组，沿竖向布置；上方组的下极板（3）为下方组的上极板（6）; 上方组的上极板（6）和下方组的下极板（3）为感压极板; 上方组的上极板（6）、上方组的下极板（3）和下方组的下极板（3）接第一极性的电信号，上方组的中间极板（4）和下方组的中间极板（4）接第二极性的电信号，第一极性与第二极性相反。

7.根据权利要求1所述一种电容式芯片结构，其特征在于所述中间极板（4）上设置有介质层（5）；所述衬底（2）为单晶硅衬底。

8.根据权利要求1所述一种电容式芯片结构，其特征在于所述下极板（3）设置在衬底（2）上；衬底（2）下端设置有垫块；

或所述下极板（3）下端设置有垫块。

9.根据权利要求7所述一种电容式芯片结构，其特征在于所述衬底上设置通孔形成进压腔使下极板感压；

或所述下极板（3）外端向外延伸，向外延伸部的外端设置在衬底（2）上，该向外延伸部上设置有通孔形成进压腔使下极板感压。

10.根据权利要求2所述一种电容式芯片结构，其特征在于所述上密封腔体的高度大于下密封腔体的高度；

或所述上密封腔体的长度大于下密封腔体的长度。

11.根据权利要求1所述一种电容式芯片结构，其特征在于所述下极板（3）下方为进压腔（1），下极板（3）为感压极板，中间极板（4）为可动极板，上极板（6）为感压极板。

12.根据权利要求1所述一种电容式芯片结构，其特征在于所述上、中、下三个极板通过压焊点及金属引线（8）或压焊点与外部电路连接。

Images