CN217110956U - 悬浮式电容敏感芯片 - Google Patents

Abstract

悬浮式电容敏感芯片属于微机电系统（MEMS）技术领域，尤其涉及一种悬浮式电容敏感芯片。本实用新型提供一种悬浮式电容敏感芯片。本实用新型包括上极板（1）和下极板（2）,上极板（1）与下极板（2）之间为腔体（3），其特征在于腔体（3）内具有气体（4）和/或下极板（2）上设置有支撑（5）。

Description

悬浮式电容敏感芯片

技术领域

本实用新型属于微机电系统（MEMS）技术领域，尤其涉及一种悬浮式电容敏感芯片。

背景技术

MEMS即微机电系统，多学科交叉的前沿领域，被列为影响未来制造业的五项颠覆性技术之一，MEMS先进传感器已成为我国发展战略，MEMS压力传感器是技术密集型产业，已成为各行业中不可缺少的关键器件，被广泛应用于消费电子，汽车电子，航空航天，石油化工，生物医学和国防军工等领域。MEMS压力传感器的关键核心技术是压力敏感芯片，目前主流技术路线是压阻式和电容式，而电容式压力敏感芯片具有温度特性好、灵敏度高、功耗低、精度高等优势。电容式压力传感器在需要高精度测量压力的领域，受到广泛重视、应用和研究。

电容式压力敏感芯片是通过感压极板受压后，极板产生物理形变从而改变电容值，实现压力测量。目前，电容式压力敏感芯片工作原理主要分为非接触式和接触式，非接触式普通电容式压力敏感芯片，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，WenH.Ko等人提出了一种接触电容式压力敏感芯片结构（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。针对以上问题，本实用新型设计了一种新结构，工作原理介于接触式和非接触式之间，称为悬浮式电容压力敏感芯片。

实用新型内容

本实用新型就是针对上述问题，提供一种悬浮式电容敏感芯片。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案，本实用新型包括上极板（1）和下极板（2）,上极板（1）与下极板（2）之间为腔体（3），其特征在于腔体（3）内具有气体（4）和/或下极板（2）上设置有支撑（5）。

作为一种优选方案，本实用新型所述腔体（3）为密封腔体。

作为另一种优选方案，本实用新型所述上极板（1）或衬底（7）上设置有使腔体（3）与外界连通的连通孔（10）。

作为另一种优选方案，本实用新型所述支撑（5）为多个，均布于下极板（2）上。

作为另一种优选方案，本实用新型所述支撑（5）的横截面为匚字形或回字形。

作为另一种优选方案，本实用新型所述下极板（2）上设置有第二凹槽（9），凹槽侧壁部位作为支撑（5）；当多个凹槽时，第二凹槽（9）与第二凹槽（9）之间的凸起部位作为支撑（5）。

作为另一种优选方案，本实用新型所述气体（4）为空气或氮气。

作为另一种优选方案，本实用新型所述下极板（2）的下端为衬底（7）。

作为另一种优选方案，本实用新型所述衬底（7）上设置有第一凹槽（6），第一凹槽（6）与下极板（2）形成腔体。

作为另一种优选方案，本实用新型所述第一凹槽（6）与下极板（2）形成的腔体通过压力通道与外部连通。

作为另一种优选方案，本实用新型所述压力通道设置在衬底（7）上。

其次，本实用新型所述下极板（2）上端设置有介质层（8），支撑（5）设置在介质层（8）的上端。

另外，本实用新型所述上极板（1）和下极板（2）分别通过压焊点及金属引线或压焊点与外部电路连接。

本实用新型有益效果。

本实用新型腔体（3）内具有气体（4）和/或下极板（2）上设置有支撑（5），

提供了一种新型的电容式芯片结构，该新型的电容式芯片结构兼有非接触式和接触式的优点，迟滞性好、过载能力强、量程大、输出特性好。

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是本实用新型实施例1结构示意图。

图2是本实用新型实施例2结构示意图。

图3是本实用新型下极板上设置匚字形支撑的俯视图。

图4是本实用新型下极板上设置回字形支撑的俯视图。

图5是本实用新型下极板上凹槽内设置支撑的剖面图。

图6是本实用新型实施例3结构示意图。

图7是本实用新型密封腔体充入气体芯片工作示意图。

图8是本实用新型下极板上有支撑芯片工作示意图。

图9是本本实用新型密封腔体充入气体和下极板上有支撑芯片工作示意图。

图10是本实用新型电容和压力关系的响应特性曲线。

图11、12是本实用新型腔体为非密封腔体的设计构造实例。

图13是本实用新型设置压力通道结构示意图。

附图标记说明：

1.上极板，2.下极板，3.腔体，4.气体，5.支撑，6.下极板下方的凹槽，7.衬底，8.介质层，9.下极板上的凹槽，10.连通孔，11.压力通道。

具体实施方式

如图所示，本实用新型包括上极板（1）和下极板（2）,上极板（1）与下极板（2）之间为腔体（3）。

所述腔体（3）为密封腔体。

所述腔体（3）内具有气体（4）。现有压力敏感芯片的密封腔体为真空的。

如图1所示，腔体（3）内部充入气体（4），上极板（1）直接受压。

如图7所示,腔体（3）内部气体（4）对上极板（1）的向上张力会使上极板（1）悬浮在下极板（2）上方；当上极板（1）受压减小时，腔体（3）内部气体（4）压强迫使上极板（1）迅速减小形变，从而减小迟滞特性。

第一种芯片工作原理，本实用新型中上极板（1）为感压极板，上极板（1）感压后向下极板（2）方向产生形变，从而改变上极板（1）与下极板（2）间的电容值，此时具备非接触式的优点。随着上极板（1）受压增大，当快与下极板（2）接触时，密封腔体(3)体积减小，内部的气体压强增大，此时腔体（3）内部气体（4）对上极板（1）的向上张力会使上极板（1）悬浮在下极板（2）上方，此时具备接触式的优点。当上极板（1）受压减小时，腔体（3）内部气体（4）压强迫使上极板（1）迅速减小形变，从而减小迟滞特性。内部气体（4）冲入量可以根据量程、腔体（3）体积、气体（4）密度和压强计算出来，如图（7）所示。

如图2所示,所述下极板（2）上设置有支撑（5）。

如图8所示,上极板（1）接触到下极板（2）上的支撑（5）时，上极板（1）悬浮在下极板（2）上方，而不与下极板（2）接触。

第二种芯片工作原理，本实用新型中上极板（1）为感压极板，上极板（1）感压后向下极板（2）方向产生形变，从而改变上极板（1）与下极板（2）间的电容值，此时具备非接触式的优点。随着上极板（1）受压增大，上极板（1）接触到下极板（2）上的支撑时，上极板（1）悬浮在下极板（2）上方，而不与下极板（2）接触，此时具备接触式的优点，如图（8）所示。

第三种芯片工作原理，本实用新型中上极板（1）为感压极板，上极板（1）感压后向下极板（2）方向产生形变，从而改变上极板（1）与下极板（2）间的电容值，此时具备非接触式的优点。随着上极板（1）受压增大，此时腔体（3）内部气体（4）对上极板（1）的向上张力和下极板（2）上的支撑（5）共同起作用，使上极板（1）悬浮在下极板（2）上方，而不与下极板（2）接触，此时具备接触式的优点。当上极板（1）受压减小时，腔体（3）内部气体（4）压强迫使上极板（1）迅速减小形变，从而减小迟滞特性。内部气体（4）冲入量可以根据量程、腔体（3）体积、气体（4）密度和压强计算出来，如图（9）所示。

如图9所示,此时腔体（3）内部气体（4）对上极板（1）的向上张力和下极板（2）上的支撑（5）共同起作用，使上极板（1）悬浮在下极板（2）上方，而不与下极板（2）接触；当上极板（1）受压减小时，腔体（3）内部气体（4）压强迫使上极板（1）迅速减小形变，从而减小迟滞特性。

所述支撑（5）为多个，均布于下极板（2）上。

所述支撑（5）的横截面为匚字形或回字形。

所述下极板（2）上设置有第二凹槽（9），第二凹槽（9）与第二凹槽（9）之间的凸起部位作为支撑（5）。

所述气体（4）为空气或氮气。腔体（3）内的气体可以是单一的气体，也可以是混合气体。

下极板（2）上的支撑（5）相互之间可以联通（比如横截面为匚字形的支撑（5）），也可以不联通（比如横截面为回字形的支撑（5））。当上极板（1）与支撑（5）接触时，相互联通的支撑（5）之间的气体均匀分布，整个腔体（3）内的气体（4）压强均匀分布，压力改变时，上极板（1）受到腔体（3）内的气体（4）对外的张力是均匀的。当只有支撑就能满足性能要求时，如大压力量程，支撑可以不联通；小压力高精度量程需求时，支撑可以连通。

所述下极板（2）的下端为衬底（7）。

所述衬底（7）上设置有第一凹槽（6），第一凹槽（6）与下极板（2）形成腔体。腔体可以是密封的，也可以与外部相连。

如图6所示,本实用新型包括上极板（1）、下极板（2）、上极板（1）与下极板（2）之间腔体（3）、腔体（3）内部充入的气体（4）、支撑（5）、第一凹槽（6）、衬底（7），上极板（1）直接受压。当第一凹槽（6）是密封的时，下极板（2）可以跟随上极板（1）向下运动，提高输出特性线性度，增大量程，提高过载能力。当第一凹槽（6）与外部相连时，下极板（2）与上极板（1）同时感受相同压力，下极板（2）向上极板（1）方向运动，提高输出特性线性度，提高灵敏度，增大量程，提高过载能力。

所述第一凹槽（6）与下极板（2）形成的腔体通过压力通道与外部连通。

如图12所示，所述压力通道（11）可设置在衬底（7）上。

所述下极板（2）上端设置有介质层（8），支撑（5）设置在介质层（8）的上端。上述支撑（5）的各种设置形式均可设置在介质层（8）上。介质层（8）可采用二氧化硅或氮化硅。支撑（5）可以在下极板（2）上直接刻蚀出来，此时支撑（5）和下极板（2）是一体；也可以由介质层（8）直接刻蚀出需要的形状，此时介质层（8）与支撑（5）是一体；还可以在介质层（8）上再做出支撑（5），根据芯片的尺寸确定需要哪种方案制作支撑（5）。

所述上极板（1）和下极板（2）分别通过压焊点及金属引线或压焊点与外部电路连接。

如图11、12所示，所述上极板（1）或衬底（7）上设置有使腔体（3）与外界连通的连通孔（10）。腔体（3）也可以是不密封的, 不密封的腔体（3）与支撑（5）配合用，此结构芯片可应用于加速度计测量加速度，也可用于表压测量压力。

如图10（针对图8结构测得的数据）所示,采用本实用新型所提出的带有支撑（5）的压力敏感芯片结构，设计量程可为0-190kPa的绝对压力传感器，上、下极板可采用环形膜片，上极板（6）厚度可为3.5μm，下极板（3）厚度可为3.5μm，腔体（3）高度可为1.2μm，支撑（5）高度可为50nm。

本实用新型提出的悬浮式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。本实用新型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，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、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 (10)

1.悬浮式电容敏感芯片，包括上极板（1）和下极板（2）,上极板（1）与下极板（2）之间为腔体（3），其特征在于腔体（3）内具有气体（4）和/或下极板（2）上设置有支撑（5）。

2.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片，其特征在于所述腔体（3）为密封腔体。

3.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片，其特征在于所述支撑（5）为多个，均布于下极板（2）上。

4.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片，其特征在于所述支撑（5）的横截面为匚字形或回字形。

5.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片，其特征在于所述下极板（2）上设置有第二凹槽（9），凹槽侧壁部位作为支撑（5）；当多个凹槽时，第二凹槽（9）与第二凹槽（9）之间的凸起部位作为支撑（5）。

6.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片，其特征在于所述下极板（2）的下端为衬底（7）。

7.根据权利要求6所述悬浮式电容敏感芯片，其特征在于所述衬底（7）上设置有第一凹槽（6），第一凹槽（6）与下极板（2）形成腔体。

8.根据权利要求7所述悬浮式电容敏感芯片，其特征在于所述第一凹槽（6）与下极板（2）形成的腔体通过压力通道与外部连通。

9.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片，其特征在于所述下极板（2）上端设置有介质层（8），支撑（5）设置在介质层（8）的上端。

10.根据权利要求1所述悬浮式电容敏感芯片，其特征在于所述上极板（1）和下极板（2）分别通过压焊点及金属引线或压焊点与外部电路连接。

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