WO2017077168A1 - Sensor de presión capacitivo con capacitancias de referencia y método de obtención del mismo - Google Patents

Sensor de presión capacitivo con capacitancias de referencia y método de obtención del mismo Download PDF

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WO2017077168A1
WO2017077168A1 PCT/ES2016/070788 ES2016070788W WO2017077168A1 WO 2017077168 A1 WO2017077168 A1 WO 2017077168A1 ES 2016070788 W ES2016070788 W ES 2016070788W WO 2017077168 A1 WO2017077168 A1 WO 2017077168A1
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sensor
electrode
substrate
insulating material
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PCT/ES2016/070788
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French (fr)
Inventor
Jordi SACRISTÁN RIQUELME
Juan Carlos BOHÓRQUEZ REYES
Fredy Enrique SEGURA-QUIJANO
Álvaro Uriel ACHURY FLORIAN
Edgar Alberto UNIGARRO CALPA
Fernando RAMIREZ RODRÍGUEZ
Original Assignee
Consejo Superior De Investigaciones Cientificas (Csic)
Universidad De Los Andes
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor

Definitions

  • the object of the present invention is a capacitive pressure sensor with reference capacitances, capable of being monolithically integrated in microelectronic circuits, so that its reference capacitances do not increase the total area of the sensor.
  • Piezoresistive, piezoelectric or capacitive microelectronic pressure sensors that are composed of a flexible membrane, airtight cavity and two or more electrodes are currently known. These pressure sensors work by changes of some electrical property (resistance, voltage, capacitance) caused by the deflection of the flexible membrane that deforms due to the force exerted by the differential between the pressure of the hermetic cavity and the pressure external to the sensor.
  • the capacitive pressure sensors consist of two electrodes that are located parallel to each other, with an airtight cavity that separates them.
  • One of the electrodes is located on a substrate so that it is not mechanically affected by the pressure and the other electrode is generally, or is located on a flexible membrane, capable of being deformed by an external pressure to be measured.
  • reference capacitances are placed in the designs of the capacitive pressure sensors for the purpose of compensating the pressure measurements and as a reference in the electronic measurement circuits. For example, it is known to use the reference capacitances to compensate for the displacement of the signal caused by the temperature, or to estimate the parasitic capacitances associated with the substrates that are in contact with the pressure sensor.
  • these reference capacitances occupy the same volume as the pressure sensor and are manufactured in an additional area near it. This implies a significant increase in manufacturing costs and final sensor size.
  • the monolithic integration of capacitive pressure sensors in microelectronic circuits using a single silicon substrate consists of a process that uses one or several layers deposited on the substrate as sacrificial layers.
  • the sensor cavity is constructed by emptying the sacrificial layers by means of a chemical attack, and then completely sealing the cavity using a deposition of oxides or metals ending the manufacture of the sensor.
  • the capacitive pressure sensor with reference capacitances of the present invention is capable of being monolithically integrated in a microelectronic circuit and comprises: a substrate of semiconductor material,
  • first sensor electrode inserted in the central part of the lower face of the second layer, this first electrode resulting parallel to the substrate, so that they are in contact with the upper face of the first layer
  • connection walls formed by two elongated grooves and filled with a conductive material that perpendicularly cross the first, the second and the third to the upper surface of the substrate, confining between said connection walls the first electrode, the two reference electrodes and the airtight cavity,
  • a passivation layer that partially covers the third layer, so that the passivation layer comprises gaps that allow the application of a selective wet chemical attack and
  • a flexible membrane which exposes its upper face to an external pressure and comprising said passivation layer and a second sensor electrode, this second electrode being concentric to the first sensor electrode and where two opposite sides of the second electrode are anchored to the connection walls and the other two opposite sides of the second electrode to the passivation layer completely sealing the hermetic cavity in vacuo.
  • the second electrode being anchored to the lateral connection walls and exposed to the medium to be measured, is mainly deformed in its central part due to a difference between the pressure of the medium to be measured and the pressure in the hermetic cavity.
  • said anchoring of the second sensor electrode with the connection wall ensures that the deformations on it are concentrated in the center of the second sensor electrode, and therefore that deformations in areas close to the anchor points are negligible.
  • the surface of the first and second sensor electrodes are substantially square and the surface of the second sensor electrode is larger than the surface of the first sensor electrode.
  • the sensitivity of the capacitive sensor is maintained, and the value of the initial capacitance is reduced by creating a space capable of accommodating said two reference electrodes. That is, by reducing the size of the first sensor electrode, not only is a space created to accommodate the reference electrodes but also the initial capacitance of the capacitive pressure sensor is decreased.
  • the surface of the two reference electrodes is substantially rectangular.
  • said reference surface is substantially elongated forming an "L”.
  • the connection walls electrically connect the second sensor electrode with the ground plane of the substrate. Thanks to this configuration the sensor is shielded against external electromagnetic interference.
  • the reference electrodes are in the periphery, that is to say near the points of attachment of the membrane with the connection walls, their sensitivity with respect to pressure variations can be neglected.
  • this capacitive pressure sensor thanks to its particular geometry achieves a significant decrease in the area of the first electrode of the pressure sensor.
  • This reduction of the first electrode generates the space necessary to receive the reference electrodes without increasing the area necessary for its manufacture, which generates an initial capacitance lower than that described in the prior art.
  • the connection of the second electrode with the ground plane of the substrate minimises the connection of the second electrode with the ground plane of the substrate, the capacitive pressure sensor is shielded from external electromagnetic interference.
  • the method of obtaining a sensor described above comprises the following steps:
  • stamping of a first layer of insulating material on the substrate realization of a first elongated groove on two opposite sides of the first layer
  • impression of conductive material in the two second elongated grooves impression of a sacrificial metal in the central part of the face furthest from the substrate on the second layer
  • the selective wet chemical attack is applied only to the sacrificial metal that will form the capacitive pressure sensor cavity.
  • a photolithography process is carried out where a resistant photo layer is placed that serves to protect the areas of the integrated circuit except the openings of the sacrificial metal.
  • the resistant photo is applied to the sensor in a spin coating process.
  • a double-sided tape is used to hold the capacitive pressure sensor. Once the polymer is applied, a curing process is carried out on the resistant photo.
  • the patterns of a mask in which only the sacrificial metal openings are exposed are transferred.
  • an alignment device with an ultraviolet lamp exposes the mask on the photoresist.
  • a developer wash must be done to expose the photoresist microstructures on the integrated circuit.
  • An additional curing step of the photoresist can be performed to improve the adhesion of the photoresist on the integrated circuit and the hardness thereof so as to adequately support the chemical etching process.
  • a selective chemical solution is used that attacks only the sacrificial metal so that the other layers of the capacitive pressure sensor are not affected by this process.
  • care must be taken not to damage the microstructure released from the membrane.
  • the sensor must always be submerged in a solution avoiding exposing the structures to the surface tension of the liquids.
  • a critical point drying process is performed. This process allows to preserve delicate structures in the processes of obtaining electronic microstructures. Drying consists in carrying out the phase change between liquid and gas at a specific pressure and temperature of each substance, guaranteeing the decrease in surface tension on the structure being dried.
  • this drying process is carried out with C0 2 carbon dioxide at 31.1 ° C with a pressure of 1021 psi.
  • the preparation for this process consists in submerging the integrated circuit that will form the pressure sensor in isopropyl alcohol one hour before taking it to a drying machine. Once the sample is ready for the drying process, liquid C0 2 is loaded into the drying machine that is responsible for carrying out the increase in temperature and pressure in a controlled manner.
  • This drying process allows the flexible membrane to be preserved on the cavity avoiding adhesion problems. With the sensor membrane structures released, it is possible to seal the hermetic cavity and the first sensor electrode.
  • the second sensor electrode is obtained from metal deposition using mechanical masks, this deposition seals the cavity tightly since it anchors the second sensor electrode to the connection walls and the passivation layer.
  • this mask is constructed with two levels, the first level is used to hold the integrated circuit during the deposition of the aluminum of the second electrode and the second level has an opening on the membrane where the material aligned with the parts is to be deposited where aluminum is deposited.
  • the mechanical mask is preferably constructed and not limited to a glass substrate. Engravings with HF hydrofluoric acid are engraved for the mask on the glass, for which it is necessary to use a copper shield over the areas that do not want to engrave. The copper layer is deposited by a Physical deposition of PVD vapor and recorded with ferric chloride after transferring the pattern using a sturdy photo.
  • the process is repeated with HF a plurality of times (preferably 12 times) so that in each step only 100 ⁇ of the glass is attacked. In each of these steps the process of transferring the mask with copper onto the glass should be repeated.
  • a PVD deposition with 3 ⁇ aluminum is performed to seal the cavity tightly and generate the second sensor electrode electrically connected to the lateral grounding walls.
  • the process of physical deposition of metals by evaporation requires a high vacuum to prevent oxidation of metals and to facilitate their evaporation. This ensures that the reference pressure inside the airtight cavity is less than 1 10 "5 mBar, which is considered vacuum sealed. In the evaporation process it is important to maintain the high vacuum to avoid heating the samples, if It is necessary to stop during the deposition process and pause for two hours to allow the integrated circuit not to exceed 200 ° C during the process.
  • Figure 1. Shows a schematic view of a cross section of the capacitive pressure sensor.
  • Figure 2. Schematically shows the electrical model of the capacitive pressure sensor.
  • Figure 3. Shows an exploded view of a three-dimensional model of the sensor capacitive pressure within section A-A '.
  • Figure 4a Shows a graph of the deformation calculated in the central cross-section of the flexible electrode, for applied external pressures of 100 [mmHg], 200 [mmHg], 300 [mmHg], 400 [mmHg].
  • Figure 4b Shows a graph of the deformation of the flexible electrode near the anchor point at 50 ⁇ to 70 ⁇ , for external applied pressures of 100 [mmHg], 200 [mmHg], 300 [mmHg], 400 [mmHg].
  • Figure 5. Shows a graph of the capacitance variation in the reference electrodes.
  • Figure 6. Shows a graph of the pressure sensor response minus the initial capacitance value as the size of the first sensor electrode decreases with a side of 400 ⁇ ⁇ , 300 ⁇ , 240 ⁇ and 200 ⁇
  • a capacitive pressure sensor (1) comprising: a substrate (2) of semiconductor material,
  • a second layer (4) of insulating material covering the first layer (3) a first sensor electrode (9) inserted in the central part of the lower face of the second layer (4), this first sensor electrode (9) results parallel to the substrate (2), so that they are in contact with the upper face of the first layer (3), two reference electrodes (10, 10 ') inserted in the sides of the lower face of the second layer (4) and separated from each other by the first sensor electrode (9), so that they are in contact with the upper face of the first layer (3), a third layer (5) of insulating material covering said second layer (4), a hermetic vacuum cavity (12) confined in the central part of the third layer (5), two connection walls (11) formed by two elongated grooves and filled with a conductive material that perpendicularly cross the first, second and third layers (3, 4, 5) to the upper surface of the substrate (2), confining between said connection walls (11) the first electrode (9), the two reference electrodes (10, 10 ') and the airtight cavity (12),
  • a passivation layer (6) partially covering the third layer (5) so that the passivation layer (6) comprises gaps that allow the application of a selective wet chemical attack
  • a flexible membrane which exposes its upper face to an external pressure and comprises a second sensor electrode (8) and the passivation layer (6), this second electrode (8) resulting concentric to the first sensor electrode (9) and where two opposite sides of each other are connected to the connection walls (11) and the other two sides to the passivation layer (6) completely sealing the hermetic cavity (12) in a vacuum.
  • the substrate (2) of semiconductor material, the first layer (3) of insulating material covering the substrate (2) and the second layer (4) of insulating material covering the first layer (3) have been previously obtained by CMOS microelectronic procurement technology.
  • the semiconductor material of the substrate (2) is silicon or gallium arsenide.
  • the insulating material of the first, second and third layers (3, 4, 5) is silicon oxide or silicon dioxide.
  • the first sensor electrode (9) and the two reference electrodes (10, 10 ') are metallized by aluminum.
  • the second sensor electrode (8) is metallized by an aluminum deposition.
  • the passivation layer (6) comprises silicon nitride.
  • the material that fills the connection walls (11) is aluminum.
  • Figure 2 shows the electrical model of the sensor (1), where the second sensor electrode (8) is grounded.
  • the first sensor electrode (9) and the two reference electrodes (10, 10 ') are used to make the measurements of the sensor (1) and the reference capacitance (13, 13') respectively.
  • These electrodes (9, 10, 10 ') are connected in parallel with the parasitic capacitances (14, 14', 14 ") caused by the substrate (2).
  • the upper and lower part of the hermetic cavity (12), that is to say the part that is in contact with the first and the second sensor electrode (9.8) form the capacitance (7) of the sensor (1) and the Two reference electrodes (10, 10 ') with the second sensor electrode (8) make up the reference capacitance (13, 13').
  • the capacitance (7) of the sensor (1) and the reference capacitance (13, 13 ') are calculated considering the deformations in the second sensor electrode (8) caused by the external pressure.
  • a three-dimensional model of the capacitive pressure sensor (1) is made, as shown in Figure 3, simulated using a COMSOL finite element software.
  • the second sensor electrode (8) is considered as a thin membrane composed of the passivation layer (6), the third layer (5) of silicon oxide and the deposited aluminum layer of the second electrode sensor (8).
  • the four corners of the second sensor electrode (8) are anchored to the passivation layer (6) and the layers (3, 4, 5) of silicon oxide, so that the simulation preserves the geometry of the sensor (1) of capacitive pressure resulting from the process of obtaining. Additionally, in this preferred embodiment a square area with a side of 500 ⁇ is established for the capacitive pressure sensor (1).
  • Design thicknesses are the thicknesses of the layers of the CMOS UMC Mixed mode RFCMOS microelectronic technology.
  • the substrate (2) has a thickness of 525 ⁇
  • the layers (3, 4) have a thickness of 1.38 ⁇ and 0.80 ⁇ when the oxide is on the metal layers
  • the third layer (5) of silicon oxide has a thickness of 2.50 ⁇ and 0.50 ⁇ when the oxide is on the metal layers
  • the passivation layer (6) of silicon nitride has a thickness of 0.70 ⁇ .
  • a thickness of 3 ⁇ is finally established for the aluminum layer deposited on the flexible membrane that integrates the second sensor electrode (8).
  • the deformation of the flexible membrane is analyzed by a static simulation that uses the mechanical module to calculate the deformation with the model of an elastic linear material for isotropic materials with a uniform load.
  • the Duhamel-Hooke law is used, which relates the stress tensor S with the tension tensor e, equation 2.
  • C is the fourth order elastic tensioner
  • S 0 is the initial stress
  • e 0 is the initial stress
  • Tref i is the tensioner of thermal expansion
  • Table 1 shows the mechanical properties used for the simulation of the deformation of the second sensor electrode (8) of the capacitive pressure sensor (1).
  • the pressure inside the hermetic cavity (12) equal to zero is established, considering that the hermetic cavity (12) is vacuum sealed.
  • the electrostatic model was used to calculate the capacitance value (7) in the second sensor electrode (8). Maxwell's equations are used in this simulation considering that the currents are static so that you have to:
  • V ⁇ D p v (6)
  • VV is the gradient of the electric potential
  • V ⁇ D is the point product of the electric displacement and is p v the electric charge density.
  • V t is the potential between the electrode to be measured and ground
  • W e is the electrical energy and the integral evaluates the energy that is contained in the ⁇ domain.
  • the response of the capacitive pressure sensor (1) with respect to pressure variations can be obtained from the model generated in COMSOL.
  • the behavior of pressure sensitive capacitance (7) and reference capacitance (13, 13 ') are especially analyzed.
  • the simulation response of the mechanical model is shown in Figure 4a.
  • the maximum deformation of the sensor (1) of 2 ⁇ is achieved with an external pressure of 53.32 kPa corresponding to 400 mmHg.
  • the maximum deformations are in the center of the second sensor electrode (8), so that the first sensor electrode (9) of the sensor (1) located in the center under this second sensor electrode (8) guarantees the maximum capacitance variation (7) dependent on external pressure.
  • the deformations of the second electrode (8) are limited by the space available in the hermetic cavity ( 12), in this way near the membrane anchor points the deformation is minimal. It can be seen in Figure 4b that for the proposed sensor (1) the deformation near the anchor points is less than 0.1 ⁇ in the case of the maximum pressure applied on the sensor (1).
  • the reference electrodes (10, 10 ') are designed as rectangles with a length of 400 ⁇ and a width of 20 ⁇ and are located under the membrane, parallel to the edges of the cavity (9), where the deformation is minimal .
  • Figure 5 shows the response of the reference capacitances (13, 13 ') with respect to the change in pressure.
  • the simulated nominal capacitances of the reference capacitances (13, 13 ') are 1 17.45 fF and 1 17.79 fF for reference electrode (10, 10') respectively.
  • the variation of the reference capacitance (13, 13 ') with respect to The external pressure is 2.15 aF / mmHg.
  • the sensitivity of the sensor (1) is defined as the ratio between the change in capacitance (7) for a given range of variation of the external pressure.
  • Figure 6 shows the response of the sensor (1) against external pressure variations in the range of 0 mmHg to 400 mmHg.
  • Table 2 shows the sensitivity values, the nominal capacitance and the percentage comparisons taking the first electrode (9) on the side of 400 ⁇ as the initial value for each case. It is shown that although with a 40% reduction in the size of the first electrode (9) the sensitivity reduction is only 14.5% over the original, however the initial capacitance (7) is reduced by 64.4 %.
  • the first sensor electrode and the reference electrodes are within the airtight cavity.

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Abstract

El sensor (1) de presión capacitivo con capacitancias de referencia (13, 13') comprende una cavidad hermética (12) sellada al vacío dispuesta sobre una capa aislante en donde están insertados un primer electrodo sensor (9) y dos electrodos de referencia (10, 10') que no incrementan el área total del sensor. Un segundo electrodo sensor (8) integrado en una membrana flexible cubre la cavidad (12). Cuando una fuerza externa deforma la membrana, la capacitancia (7) entre los electrodos sensores (8) y (9) varía mientras que las capacitancias (13, 13') entre el electrodo (8) y los electrodos de referencia (10, 10') sirven de referencia porque la deformación de la membrana cerca de los electrodos (10,10') es mínima. El sensor comprende también dos muros (11) que conectan el electrodo (8) con tierra blindando así el sensor frente a interferencias electromagnéticas externas. El método de obtención del sensor permite su integración monolítica en circuitos microelectrónicos.

Description

SENSOR DE PRESION CAPACITIVO CON CAPACITANCIAS DE REFERENCIA Y
METODO DE OBTENCION DEL MISMO
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la presente invención es un sensor de presión capacitivo con capacitancias de referencia, susceptible de ser integrado monolíticamente en circuitos microelectrónicos, de modo que sus capacitancias de referencia no incrementan el área total del sensor.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Actualmente son conocidos los sensores de presión microelectrónicos de tipo piezoresistivo, piezoeléctrico o capacitivo que se componen de una membrana flexible, una cavidad hermética y dos o más electrodos. Estos sensores de presión funcionan por cambios de alguna propiedad eléctrica (resistencia, voltaje, capacitancia) causada por la deflexión de la membrana flexible que se deforma a causa de la fuerza ejercida por el diferencial entre la presión de la cavidad hermética y la presión externa al sensor.
Más concretamente, los sensores de presión capacitivos constan de dos electrodos que se ubican de forma paralela entre ellos, con una cavidad hermética que los separa. Uno de los electrodos se ubica sobre un sustrato de manera que no se vea afectado mecánicamente por la presión y el otro electrodo generalmente es, o se encuentra ubicado sobre una membrana flexible, susceptible de ser deformada por una presión externa a medir.
Un ejemplo de estos sensores integrado monolíticamente en un circuito CMOS esta descrito en la patente española ES2055588T3, donde se propone un proceso para la fabricación de un sensor de presión capacitivo que incluye las siguientes etapas, empezando a partir de un substrato semiconductor: aplicación de una película soporte, precipitación de una película de semiconductor policristalino, dopado de la película de semiconductor policristalino, y eliminado de la película de soporte. Para que el sensor de presión que sea compatible con circuitos CMOS, y para incrementar la exactitud del sensor, proponen aislar una zona semiconductora del substrato semiconductor y que se aplique una película aislante en la zona del semiconductor aislado, estando localizada la película semiconductora policristalina en la película aislante por encima de la zona del semiconductor aislado.
Adicionalmente, en los diseños de los sensores de presión capacitivos se colocan capacitancias de referencia con el propósito de realizar compensaciones en las medidas de presión y como referencia en los circuitos de medida electrónicos. Por ejemplo, es conocido el uso de las capacitancias de referencia para compensar el desplazamiento de la señal causado por la temperatura, o para estimar las capacitancias parásitas asociadas a los sustratos que se encuentran en contacto con el sensor de presión.
Habitualmente, estas capacitancias de referencia ocupan el mismo volumen que el sensor de presión y se fabrican en un área adicional cerca de este. Esto implica un incremento significativo en los costos de fabricación y tamaño final del sensor.
Actualmente, la mayoría de los sensores de presión capacitivos comerciales se fabrican a partir de dos sustratos de silicio. En uno de los sustratos se fabrica la membrana flexible y las paredes de la cavidad. El otro sustrato se utiliza como una capa para sellar dicha cavidad. La unión de los dos sustratos se hace mediante un sellado de fusión entre el silicio o las capas depositadas sobre los dos sustratos. Esta configuración presenta el inconveniente de la carga térmica generada en el proceso de fusión siendo un gran problema para la integración monolítica de este tipo de sensor capacitivo.
Con tal de solucionar este problema, se conoce el uso de un sustrato de silicio y un sustrato de vidrio, en donde la membrana flexible y las paredes de la cavidad se fabrican sobre el sustrato de silicio. La unión del sustrato de silicio y el sustrato de vidrio se realiza mediante un sellado anódico.
A pesar de esto, en ambos casos, la fabricación de los electrodos y las cavidades requieren de pasos adicionales sobre los sustratos tales como fotolitografía, deposición de metales, grabado húmedo y seco. El aumento del número de pasos durante la fabricación afecta negativamente el índice de producción en los procesos de fabricación microelectrónicos y de sensores integrados. La integración monolítica de sensores de presión capacitivos en circuitos microelectrónicos utilizando un único sustrato de silicio, consta de un proceso que utiliza una o varias capas depositadas sobre el sustrato como capas de sacrificio. La cavidad del sensor se construye vaciando por medio de un ataque químico las capas de sacrificio, para después sellar completamente la cavidad utilizando una deposición de óxidos o metales terminando la fabricación del sensor. Finalmente se realizan procesos de fotolitografía y grabado físico o químico para remover el material depositado de las áreas donde no es necesario. En los procesos que utilizan ataques químicos húmedos sobre un único sustrato de silicio para la fabricación de microestructuras se corre el riesgo de que el sustrato y la estructura liberada que forma la membrana, no se puedan separar. Esto es debido a que el proceso de secado actual para los ataques químicos húmedos pueden generar fuerzas entre la membrana liberada y el sustrato generando una adhesión permanente entre ambos. Las ventajas de la integración monolítica son la obtención del incremento de la transduccion de la señal, la reducción en el número de pines del chip, la inmunidad frente a interferencias electromagnéticas, así como la reducción en el costo de producción en comparación con la utilización de múltiples chips. Sin embargo se deben considerar las restricciones intrínsecas del proceso de fabricación de circuitos integrados como son la selección de materiales, especialmente sus propiedades mecánicas, la temperatura máxima soportada por el chip y la compatibilidad de post-procesos adicionales con los circuitos electrónicos.
Aunque son varios los sistemas de sensores y circuitos integrados que se han llevado a una producción comercial, las técnicas de fabricación para la integración monolítica no son estándar. Con los avances en las técnicas y procesos de fabricación de circuitos integrados existe la posibilidad de realizar mejoras en los diseños que conlleven a la reducción en los tamaños y/o los costos de fabricación de estos sistemas de sensores y circuitos integrados.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El sensor de presión capacitivo con capacitancias de referencia de la presente invención es susceptible de ser integrado monolíticamente en un circuito microelectrónico y comprende: un sustrato de material semiconductor,
una primera capa de material aislante que cubre el sustrato,
una segunda capa de material aislante que cubre la primera capa,
un primer electrodo sensor insertado en la parte central de la cara inferior de la segunda capa, resultado este primer electrodo paralelo al sustrato, de modo que están en contacto con la cara superior de la primera capa,
dos electrodos de referencia insertados en los laterales de la cara inferior de la segunda capa y separados entre ellos por el primer electrodo sensor, de modo que están en contacto con la cara superior de la primera capa,
una tercera capa de material aislante que cubre dicha segunda capa,
una cavidad hermética al vacío confinada en la parte central de la tercera capa, dos muros de conexión formados por dos hendiduras alargadas y rellenas de un material conductor que atraviesan perpendicularmente la primera, la segunda y la tercera hasta la superficie superior del sustrato, confinando entre dichos muros de conexión el primer electrodo, los dos electrodos de referencia y la cavidad hermética,
una capa de pasivación que cubre parcialmente la tercera capa, de modo que la capa de pasivación comprende unos huecos que permiten la aplicación de un ataque químico húmedo selectivo y
una membrana flexible, que expone su cara superior a una presión exterior y que comprende dicha capa de pasivación y un segundo electrodo sensor, resultando este segundo electrodo concéntrico al primer electrodo sensor y en donde dos lados opuestos entre si del segundo electrodo se encuentran anclados a los muros conexión y los otros dos lados opuestos del segundo electrodo a la capa de pasivación sellando totalmente al vacío la cavidad hermética.
Concretamente, el segundo electrodo al estar anclado a los muros de conexión laterales y expuesto al medio a medir, se deforma principalmente en su parte central debido a una diferencia entre la presión del medio a medir y la presión en la cavidad hermética. Esto es debido a que dicho anclaje del segundo electrodo sensor con el muro de conexión garantiza que las deformaciones sobre este se concentren en el centro del segundo electrodo sensor, y por tanto que sean despreciables las deformaciones en las áreas cercanas a los puntos de anclaje. Preferentemente, la superficie del primer y el segundo electrodo sensor son sustancialmente cuadrada y la superficie del segundo electrodo sensor es mayor que la superficie del primer electrodo sensor.
Mediante esta reducción del tamaño del primer electrodo sensor con respecto al segundo electrodo sensor se mantiene la sensibilidad del sensor capacitivo, y se consigue disminuir el valor de la capacitancia inicial creando un espacio capaz de alojar dichos dos electrodos de referencia. Es decir, al reducir el tamaño del primer electrodo sensor, no solo se crea un espacio para alojar los electrodos de referencia sino que también se disminuye la capacitancia inicial del sensor de presión capacitivo.
Preferentemente, la superficie de los dos electrodos de referencia es sustancialmente rectangular. Alternativamente, dicha superficie de referencia es sustancialmente alargada formando una "L". Habitualmente, los muros de conexión conectan eléctricamente el segundo electrodo sensor con el plano de tierra del sustrato. Gracias a esta configuración el sensor se encuentra blindado frente a interferencias electromagnéticas externas.
Adicionalmente, como los electrodos de referencia se encuentren en la periferia, es decir cerca de los puntos de sujeción de la membrana con los muros de conexión, su sensibilidad con respecto a variaciones de presión se puede despreciar.
En resumen este sensor capacitivo de presión gracias a su particular geometría logra una disminución significativa del área del primer electrodo del sensor de presión. Esta reducción del primer electrodo genera el espacio necesario para acoger los electrodos de referencia sin incrementar el área necesaria para su fabricación, lo cual genera una capacitancia inicial inferior a la descrita en el estado de la técnica. Gracias a la conexión del segundo electrodo con el plano a tierra del sustrato el sensor de presión capacitivo está blindado frente a interferencias electromagnéticas externas.
El método de obtención de un sensor descrito anteriormente, comprende las siguientes etapas:
preparación del sustrato,
estampación de una primera capa de material aislante sobre el sustrato, realización de una primera hendidura alargada en dos laterales opuestos de la primera capa,
impresión de un material conductor en las dos primeras hendiduras de alargadas, impresión de un primer electrodo sensor paralelo al sustrato en el centro y sobre la primera capa de material aislante,
impresión de dos electrodos de referencia en los laterales sobre la primera capa estando separados el uno del otro por el primer electrodo sensor,
estampación de una segunda capa de material aislante sobre la primera capa y los electrodos,
realización de una segunda hendidura alargada en dos laterales opuestos de la segunda capa de modo que están dispuestas sobre las primeras hendiduras alargadas,
impresión de material conductor en las dos segundas hendiduras alargadas, impresión de un metal de sacrificio en la parte central de la cara más lejana al sustrato sobre la segunda capa,
estampación de una tercera capa de material aislante sobre la segunda capa y que cubre parcialmente el metal de sacrificio,
realización de una tercera hendidura alargada en dos laterales opuestos de la tercera dispuestas de modo que están dispuestas sobre las segundas hendiduras alargadas,
impresión de material conductor en las dos terceras hendiduras alargadas para formar dos muros de conexión,
estampación de una capa de pasivacion que cubre parcialmente la tercera capa de modo que la capa de pasivacion comprende unos huecos que permiten la aplicación de un ataque químico húmedo selectivo,
estampación de una capa fotoresistente que cubre parcialmente la capa de pasivacion,
aplicación del ataque químico húmedo selectivo que elimina, a través de unos huecos en la capa de pasivacion, en la tercera capa de material aislante y en la capa fotoresistente, totalmente el metal de sacrificio, formado la base de una membrana flexible que comprende dicha capa de pasivacion,
eliminar la capa fotoresistente,
colocar una máscara física sobre el sensor dejando expuesto únicamente el área del segundo electrodo y los huecos en la pasivacion, y depositar aluminio mediante la técnica de deposición física de vapor a través de los huecos de la capa de pasivación y los huecos de la tercera capa de material aislante, rellenado parcialmente la cavidad hermética y formando el segundo electrodo sensor comprendido en la membrana flexible.
Más concretamente el ataque químico húmedo selectivo se aplica únicamente sobre el metal de sacrificio que conformará la cavidad del sensor de presión capacitivo.
Para esto previamente a realizar la etapa de aplicar el ataque químico se realiza un proceso de fotolitografía en donde se coloca una capa de foto resistente que sirve para proteger las áreas del circuito integrado excepto las aperturas del metal de sacrificio.
El foto resistente se aplica al sensor en un proceso de "spin coating". Para sujetar el sensor de presión capacitivo se utiliza una cinta doble faz. Una vez aplicado el polímero se realiza un proceso de curado en el foto resistente.
Posteriormente, se transfieren los patrones de una máscara en la cual están expuestas únicamente las aperturas del metal de sacrificio. Utilizando un equipo de alineación con una lámpara ultravioleta se expone la máscara sobre el fotoresistente. Se debe hacer un lavado en revelador para exponer las microestructuras del fotoresistente sobre el circuito integrado. Se puede realizar un paso adicional de curado del fotoresistente para mejorar la adhesión del fotoresistente sobre el circuito integrado y la dureza del mismo de manera que soporte adecuadamente el proceso de grabado químico.
Para la remoción del metal de sacrificio se utiliza una solución química selectiva que ataca únicamente al metal de sacrificio de manera que las otras capas del sensor de presión capacitivo no se vean afectadas por este proceso. Una vez se ha eliminado el metal de sacrificio se debe tener cuidado de no dañar la microestructura liberada de la membrana. Para esto el sensor debe estar siempre sumergido en una solución evitando exponer las estructuras a la tensión superficial de los líquidos. Posteriormente, se realiza un proceso de secado de punto crítico. Este proceso permite preservar las estructuras delicadas en los procesos de obtención de microestructuras electrónicas. El secado consiste en realizar el cambio de fase entre líquido y gas a una presión y temperatura específicas de cada sustancia garantizando la disminución en la tensión superficial sobre la estructura que se está secando.
Habitualmente, este proceso de secado se realiza con dióxido de carbono C02 a 31.1 °C con una presión de 1021 psi. La preparación para este proceso consiste en sumergir el circuito integrado que formará el sensor de presión en alcohol isopropilico una hora antes de llevarlo a una máquina de secado. Una vez se tiene la muestra lista para el proceso de secado se carga C02 líquido en la máquina de secado que se encarga de realizar el incremento en temperatura y presión de manera controlada. Este proceso de secado permite preservar la membrana flexible sobre la cavidad evitando problemas de adhesión. Con las estructuras de la membrana del sensor liberada, es posible realizar el sellado de la cavidad hermética y el primer electrodo sensor.
Concretamente, el segundo electrodo sensor se obtiene de la deposición de metales utilizando mascaras mecánicas, esta deposición sella la cavidad herméticamente ya que ancla el segundo electrodo sensor a los muros de conexión y a la capa de pasivación.
Utilizar las máscaras mecánicas permite terminar la obtención del sensor en un solo paso. También tiene la ventaja de contar con un control más preciso sobre los espesores y propiedades mecánicas de los materiales con los que se construye este electrodo.
Más concretamente, esta máscara se construye con dos niveles, el primer nivel se utiliza para sujetar el circuito integrado durante la deposición del aluminio del segundo electrodo y el segundo nivel tiene una apertura sobre la membrana donde se va a depositar el material alineada con las partes donde se deposita el aluminio. La máscara mecánica se construye preferentemente y de forma no limitativa en un sustrato de vidrio. Para el grabado de la máscara sobre el vidrio se hacen grabados con ácido fluorhídrico HF, para lo cual es necesario utilizar una protección de cobre sobre las áreas que no se desean grabar. La capa de cobre se deposita mediante una deposición física de vapor PVD y se graba con cloruro férrico después de transferir el patrón mediante un foto resistente.
Para el control de la profundidad del grabado se repite el proceso con HF una pluralidad de veces (preferentemente 12 veces) de manera que en cada paso se ataque únicamente 100 μηι del vidrio. En cada uno de estos pasos se debe repetir el proceso de transferencia de la máscara con cobre sobre el vidrio.
Se realiza una deposición PVD con aluminio de 3 μηι para sellar la cavidad herméticamente y generar el segundo electrodo sensor del sensor conectado eléctricamente con los muros de conexión lateral a tierra.
El proceso de deposición físico de metales por evaporación requiere un alto vacío para evitar la oxidación de los metales y para facilitar su evaporación. Esto garantiza que la presión de referencia dentro de la cavidad hermética sea menor de 1 10"5 mBar, lo que se considera sellado al vacío. En el proceso de evaporación es importante mantener el alto vacío para evitar el calentamiento de las muestras, de ser necesario se debe parar en el proceso de deposición y realizar pausas de dos horas para permitir que el circuito integrado no supere los 200 °C durante el proceso.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista esquemática de un corte transversal del sensor de presión capacitivo.
Figura 2.- Muestra de forma esquemática el modelo eléctrico del sensor de presión capacitivo. Figura 3.- Muestra una vista en explosión de un modelo tridimensional del sensor de presión capacitivo dentro de la sección A-A'.
Figura 4a.- Muestra una gráfica de la deformación calculada en el corte transversal central del electrodo flexible, para presiones externas aplicadas de 100 [mmHg], 200 [mmHg], 300 [mmHg], 400 [mmHg].
Figura 4b.- Muestra una gráfica de la deformación del electrodo flexible cerca del punto de anclaje en 50 μηι hasta 70 μηι, para presiones externas aplicadas de 100 [mmHg], 200 [mmHg], 300 [mmHg], 400 [mmHg].
Figura 5.- Muestra una gráfica de la variación de la capacitancia en los electrodos de referencia.
Figura 6.- Muestra una gráfica de la respuesta del sensor de presión menos el valor inicial de capacitancia al disminuir el tamaño del primer electrodo del sensor con un lado de 400 μι ι, 300 μητι, 240 μηι y 200 μηι
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN En una realización preferente de esta invención, tal y como muestra la figura 1 , un sensor (1) de presión capacitivo que comprende: un sustrato (2) de material semiconductor,
una primera capa (3) de material aislante que cubre el sustrato (2),
una segunda capa (4) de material aislante que cubre la primera capa (3), un primer electrodo sensor (9) insertado en la parte central de la cara inferior de la segunda capa (4), resultado este primer electrodo sensor (9) paralelo al sustrato (2), de modo que están en contacto con la cara superior de la primera capa (3), dos electrodos de referencia (10, 10') insertados en los laterales de la cara inferior de la segunda capa (4) y separados entre ellos por el primer electrodo sensor (9), de modo que están en contacto con la cara superior de la primera capa (3), una tercera capa (5) de material aislante que cubre dicha segunda capa (4), una cavidad hermética (12) al vacío confinada en la parte central de la tercera capa (5), dos muros de conexión (11) formados por dos hendiduras alargadas y rellenas de un material conductor que atraviesan perpendicularmente la primera, la segunda y la tercera capa (3, 4, 5) hasta la superficie superior del sustrato (2), confinando entre dichos muros de conexión (11) el primer electrodo (9), los dos electrodos de referencia (10, 10') y la cavidad hermética (12),
una capa de pasivación (6) que cubre parcialmente la tercera capa (5) de modo que la capa de pasivación (6) comprende unos huecos que permiten la aplicación de un ataque químico húmedo selectivo, y
una membrana flexible, que expone su cara superior a una presión exterior y comprende un segundo electrodo sensor (8) y la capa de pasivación (6), resultado este segundo electrodo (8) concéntrico al primer electrodo sensor (9) y en donde dos de sus lados opuestos entre si se encuentran conectados a los muros de conexión (11) ) y los otros dos lados a la capa de pasivación (6) sellando totalmente al vacío la cavidad hermética (12).
Preferentemente, el sustrato (2) de material semiconductor, la primera capa (3) de material aislante que cubre el sustrato (2) y la segunda capa (4) de material aislante que cubre la primera capa (3) han sido previamente obtenidos mediante tecnología de obtención microelectrónica CMOS.
Preferentemente, el material semiconductor del sustrato (2) es silicio o arseniuro de galio.
Preferentemente, el material aislante de la primera, segunda y tercera capa (3, 4, 5) es de óxido de silicio o dióxido de silicio.
Preferentemente, el primer electrodo sensor (9) y los dos electrodos de referencia (10, 10') están metalizados mediante aluminio.
Preferente, el segundo electrodo sensor (8) esta metalizado mediante una deposición de aluminio.
Preferentemente, la capa de pasivación (6) comprende nitruro de silicio. Preferente el material que rellena los muros de conexión (11) es aluminio. En la figura 2 se muestra el modelo eléctrico del sensor (1), en donde el segundo electrodo del sensor (8) está referenciado a tierra. El primer electrodo del sensor (9) y los dos electrodos de referencia (10, 10') se utilizan para realizar las mediciones del sensor (1) y de los capacitancias de referencia (13, 13') respectivamente. Estos electrodos (9, 10, 10') están conectados en paralelo con las capacitancias parásitas (14, 14', 14") causadas por el sustrato (2).
Más concretamente, la parte superior e inferior de la cavidad hermética (12), es decir la parte que está en contacto con el primer y el segundo electrodo sensor (9,8) conforman la capacitancia (7) del sensor (1) y los dos electrodos de referencia (10, 10') con el segundo electrodo sensor (8) conforman las capacitancias de referencia (13, 13').
Las capacitancias parásitas (14, 14', 14") con el sustrato (2) se calculan utilizando la ecuación 1 , donde la permitividad del vació es ε0 = 8.8541 * 10"12 [F/m] , er es la constante dieléctrica del medio (para el óxido silico ssio2 = 4.2, para el nitruro de silicio ¾3n4 = 7-5 > Para Ia cavidad hermética (12) sellada al vacío ενα = 1), a es el área del electrodo y d es la separación entre el electrodo y el plano a tierra del sustrato (2). = s0sr ^ (1)
La capacitancia (7) del sensor (1) y las capacitancias de referencia (13, 13') se calculan considerando las deformaciones en el segundo electrodo sensor (8) causadas por la presión externa. Para esto se realiza un modelo tridimensional del sensor (1) de presión capacitivo, tal y como se muestra en la figura 3, simulado utilizando un software de elementos finitos COMSOL.
Simulación de sensor de presión capacitivo
Dentro del modelo del sensor (1) se considera el segundo electrodo sensor (8) como una membrana delgada compuesta por la capa de pasivación (6), la tercera capa (5) de óxido de silicio y la capa de aluminio depositado del segundo electrodo sensor (8). Las cuatro esquinas del segundo electrodo sensor (8) se encuentran ancladas a la capa de pasivación (6) y las capas (3, 4, 5) de óxido de silicio, de manera que la simulación conserva la geometría del sensor (1) de presión capacitivo resultante del proceso de obtención. Adicionalmente, en esta realización preferente se establece un área cuadrada con un lado de 500 μηι para el sensor (1) de presión capacitivo. Se toman como parámetros de diseño los espesores de las capas de la tecnología de obtención microelectrónica CMOS UMC Mixed mode RFCMOS. El sustrato (2) tiene un grosor de 525 μηι, las capas (3, 4) tienen un grosor de 1.38 μηι y de 0.80 μηι cuando el óxido se encuentra sobre las capas metálicas, la tercera capa (5) de óxido de silicio tiene un grosor de 2.50 μηι y 0.50 μηι cuando el óxido se encuentra sobre las capas metálicas y la capa de pasivacion (6) de nitruro de silicio tiene un grosor de 0.70 μηι. Se establece finalmente un espesor de 3 μηι para la capa de aluminio depositada sobre la membrana flexible que integra el segundo electrodo sensor (8).
La deformación de la membrana flexible se analiza mediante una simulación estática que utiliza el módulo mecánico para calcular la deformación con el modelo de un material lineal elástico para materiales isotrópicos con una carga uniforme. Para el cálculo de la deformación se utiliza la ley de Duhamel-Hooke que relaciona el tensor del estrés S con el tensor de la tensión e, ecuación 2.
S = 50 + C: O - e0 - αθ) (2)
Donde C es el tensor elástico de cuarto orden, S0 es el estrés inicial, e0 es la tensión inicial, θ = T— Tref es la diferencia entre la temperatura ambiente T y la temperatura de referencia Tref y o: es el tensor de expansión térmica.
La carga uniforme aplicada Fv sobre el sensor (1) determina el valor del gradiente del tensor simétrico del estrés σ que para el caso estático es igual al tensor del estrés σ = S. Finalmente la ecuación 4 relaciona el tensor de la tensión con las deformaciones u presentadas en la geometría.
-V. a = Fv (3)
e = i (yu + VuT) (4)
La tabla 1 muestra las propiedades mecánicas utilizadas para la simulación de la deformación del segundo electrodo sensor (8) del sensor (1) de presión capacitivo. Para la simulación se establece la presión dentro de la cavidad hermética (12) igual a cero, considerando que la cavidad hermética (12) se encuentra sellada al vacío. También se establece el sustrato (2) como un plano de referencia mecánica donde no se presentan deformaciones.
Figure imgf000016_0001
A partir de las deformaciones calculadas por el software COMSOL en el módulo mecánico se realizó la integración con el módulo electrostático para calcular los cambios en capacitancia (7) generados por la presión externa sobre el sensor (1). Para acoplar las dos físicas de simulación dentro del software se utilizaron los módulos de malla en desplazamiento y deformación de geometría. En estos módulos se toma la solución del vector de desplazamiento con las deformaciones u y se aplican estas deformaciones directamente sobre la geometría y la malla del solucionador del simulador. En las geometrías que no tienen una solución directa con las deformaciones u se establecen deformaciones libres de manera que el volumen en la simulación y las barreras entre los elementos de las geometrías se mantienen constantes y continuos respectivamente.
Se utilizó el modelo electrostático para calcular el valor de la capacitancia (7) en el segundo electrodo sensor (8). En esta simulación se emplean las ecuaciones de maxwell considerando que las corrientes son estáticas de manera que se tiene que:
E = - w (5)
V■ D = pv (6)
Donde E es el campo eléctrico, VV es el gradiente del potencial eléctrico, V■ D es el producto punto del desplazamiento eléctrico y es pv la densidad de carga eléctrica.
El cálculo de la capacitancia en la simulación se puede realizar mediante la ecuación 7; para la capacitancia (7) del sensor (1) se aplica entre el segundo electrodo del sensor (8) y el primer electrodo del sensor (9), y para las capacitancias de referencia (13, 13') se aplica entre el segundo electrodo del sensor (8) y los electrodos de referencia (10, 10'),
Cu = ^ mwe dn (7)
Donde Vt es el potencial entre el electrodo a medir y tierra, We es la energía eléctrica y la integral evalúa la energía que se encuentra contenida en el dominio Ω.
Resultados de la simulación
A partir del modelo generado en COMSOL se puede obtener la respuesta del sensor (1 ) de presión capacitivo con respecto a las variaciones de presión. Se analiza especialmente el comportamiento de la capacitancia (7) sensible a presión y las capacitancias de referencia (13, 13').
La respuesta de la simulación del modelo mecánico se muestra en la figura 4a. La deformación máxima del sensor (1 ) de 2 μηι se alcanza con una presión externa de 53,32 kPa que corresponde a 400 mmHg. Las deformaciones máximas se encuentran en el centro del segundo electrodo sensor (8), de manera que el primer electrodo sensor (9) del sensor (1 ) ubicado en el centro debajo de este segundo electrodo sensor (8) garantiza la máxima variación en capacitancia (7) dependiente de la presión externa.
Puesto que el segundo electrodo sensor (8) es lo suficientemente largo en comparación con la profundidad de la cavidad hermética (12) del sensor (1 ) las deformaciones del segundo electrodo (8) se ven limitadas por el espacio disponible en la cavidad hermética (12), de esta manera cerca de los puntos de anclaje de la membrana la deformación es mínima. Se puede observar en la figura 4b que para el sensor (1 ) propuesto la deformación cerca de los puntos de anclaje es menor a 0.1 μηι en el caso de la presión máxima aplicada sobre el sensor (1 ).
Los electrodos de referencia (10, 10') se diseñan como rectángulos con un largo de 400 μηι y un ancho de 20 μηι y se ubican debajo de la membrana, paralelos a los bordes de la cavidad (9), donde la deformación es mínima. En la figura 5 se muestra la respuesta de las capacitancias de referencia (13, 13') con respecto al cambio de presión. Las capacitancias nominales simuladas de las capacitancias de referencia (13, 13') son de 1 17.45 fF y 1 17.79 fF para electrodo de referencia (10, 10') respectivamente. La variación de la capacitancia de referencia (13, 13') con respecto a la presión externa es de 2.15 aF/mmHg.
Se realizaron simulaciones para evaluar la respuesta del sensor (1) frente a cambios en la presión externa. Para esto se define la sensibilidad del sensor (1) como la relación entre el cambio de capacitancia (7) para un determinado rango de variación de la presión externa.
En la figura 6 se muestra la respuesta del sensor (1) frente a las variaciones de presión externa en el rango de 0 mmHg a 400 mmHg.
En esta figura 6 el valor de la capacitancia nominal del sensor (1) se substrae de la curva para poder comparar la respuesta del sensor (1). Se realizó el análisis de sensibilidad del sensor (1) diseñado al reducir el área del primer electrodo del sensor (9) en 25%, 40% y 50% con respecto del tamaño original.
En la tabla 2 se muestran los valores de sensibilidad, la capacitancia nominal y las comparaciones porcentuales tomando el primer electrodo (9) de lado 400 μηι como valor inicial para cada caso. Se muestra que aunque con una reducción del 40% en el tamaño del primer electrodo (9) la reducción en la sensibilidad es apenas de un 14,5% sobre el original, sin embargo la capacitancia (7) inicial se reduce en 64,4%.
Figure imgf000018_0001
En otra realización preferente no representada, el primer electrodo sensor y los electrodos de referencia se encuentran dentro de la cavidad hermética.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1.- Sensor (1) de presión capacitivo con capacitancias de referencia (13, 13') susceptible de ser integrado monolíticamente en un circuito microelectrónico que comprende:
un sustrato (2) de material semiconductor,
una primera capa (3) de material aislante que cubre el sustrato (2),
una segunda capa (4) de material aislante que cubre la primera capa (3), caracterizado porque adicionalmente comprende:
- un primer electrodo sensor (9) insertado en la parte central de la cara inferior de la segunda capa (4), resultado este primer electrodo (9) paralelo al sustrato (2), de modo que están en contacto con la cara superior de la primera capa (3), dos electrodos de referencia (10, 10') insertados en los laterales de la cara inferior de la segunda capa (4) y separados entre ellos por el primer electrodo sensor (9), de modo que están en contacto con la cara superior de la primera capa (3), una tercera capa (5) de material aislante que cubre dicha segunda capa (4), una cavidad hermética (12) al vacío confinada en la parte central de la tercera capa (5),
dos muros de conexión (11) formados por dos hendiduras alargadas y rellenas de un material conductor que atraviesan perpendicularmente la primera, la segunda y la tercera capa (3, 4, 5) hasta la superficie superior del sustrato (2), confinando entre dichos muros de conexión (11) el primer electrodo (9), los dos electrodos de referencia (10, 10') y la cavidad hermética (12),
una capa de pasivación (6) que cubre parcialmente la tercera capa (5), de modo que la capa de pasivación (6) comprende unos huecos que permiten la aplicación de un ataque químico húmedo selectivo y
una membrana flexible, que expone su cara superior a una presión exterior y comprende un segundo electrodo sensor (8) y la capa de pasivación (6), resultado este segundo electrodo (8) concéntrico al primer electrodo sensor (9) y en donde dos de sus lados opuestos entre si se encuentran conectados a los muros de conexión (11) y los otros dos lados a la capa de pasivación (6) sellando totalmente al vacío la cavidad hermética (12).
2.- Sensor (1) según la reivindicación 1 , caracterizado porque la superficie del segundo electrodo sensor (8) es mayor que la superficie del primer electrodo sensor (9) generando un espacio susceptible de acoger los electrodos de referencia (10, 10').
3.- Sensor (1) según la reivindicación 1 , caracterizado porque la superficie del primer y el segundo sensor (9, 8) es sustancialmente cuadrada.
4.- Sensor (1) según la reivindicación 1 , caracterizado porque la superficie de cada electrodo de referencia (10, 10') es sustancialmente alargada formando una "L".
5. - Sensor (1) según la reivindicación 1 , caracterizado porque la superficie de cada electrodo de referencia (10, 10') es sustancialmente rectangular.
6. - Sensor (1) según la reivindicación 1 , caracterizado porque los muros de conexión (11) conectan eléctricamente el segundo electrodo sensor (8) con el plano de tierra del sustrato (2).
7.- Sensor (1) según la reivindicación 1 , caracterizado porque el material semiconductor es silicio o arseniuro de galio.
8. - Sensor (1) según la reivindicación 1 , caracterizado porque el material aislante es de óxido de silicio o dióxido de silicio.
9. - Sensor (1) según la reivindicación 1 , caracterizado porque el primer electrodo sensor (9) y los dos electrodos de referencia (10, 10') están metalizados mediante aluminio.
10. - Sensor (1) según la reivindicación 1 , caracterizado porque el segundo electrodo sensor (8) esta metalizado mediante una deposición de aluminio.
11. - Sensor (1) según la reivindicación 1 , caracterizado porque la capa de pasivación (6) comprende nitruro de silicio.
12.- Sensor (1) según la reivindicación 1 , caracterizado porque el material que rellena los muros de conexión (11) es aluminio.
13.- Método de obtención de un sensor (1), caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
preparación de un sustrato (2), estampación de una primera capa (3) de material aislante sobre el sustrato (2), realización de una primera hendidura alargada en dos laterales opuestos de la primera capa,
impresión de un material conductor en las dos primeras hendiduras de alargadas, impresión de un primer electrodo sensor (9) paralelo al sustrato (2) en el centro y sobre la primera capa (3) de material aislante,
impresión de dos electrodos de referencia (10, 10') en los laterales de la primera capa (3) estando separados el uno del otro por el primer electrodo sensor (9), estampación de una segunda capa (4) de material aislante sobre la primera capa
(3) y los electrodos (9, 10, 10'),
realización de una segunda hendidura alargada en dos laterales opuestos de la segunda capa de modo que están dispuestas sobre las primeras hendiduras alargadas,
impresión de material conductor en las dos segundas hendiduras alargadas, impresión de un metal de sacrificio en la parte central de la cara más lejana al sustrato (2) y sobre la segunda capa (4),
estampación de una tercera capa (5) de material aislante sobre la segunda capa
(4) y que cubre parcialmente el metal de sacrificio,
realización de una tercera hendidura alargada en dos laterales opuestos de la tercera dispuestas de modo que están dispuestas sobre las segundas hendiduras alargadas,
impresión de material conductor en las dos terceras hendiduras alargadas para formar dos muros de conexión
estampación de una capa de pasivación (6) que cubre parcialmente la tercera capa (5) de modo que la capa de pasivación comprende unos huecos que permiten la aplicación de un ataque químico húmedo selectivo,
estampación de una capa fotoresistente temporal que cubre parcialmente la capa de pasivación (6),
aplicación del ataque químico húmedo selectivo que elimina, a través de unos huecos en la capa de pasivación (6), en la tercera capa (5) y en la capa fotoresistente, totalmente el metal de sacrificio, formado la base de una membrana flexible que comprende dicha capa de pasivación,
eliminar la capa fotoresistente,
colocar una máscara física sobre el sensor (1) dejando expuesto únicamente el área del segundo electrodo (8) y los huecos en la capa de pasivación (6), y depositar aluminio mediante la técnica de deposición física de vapor a través de los huecos de la capa de pasivación (6) y los huecos de la tercera capa (5), rellenado parcialmente la cavidad hermética (12) y formando el segundo electrodo sensor (8) comprendido en la membrana flexible.
14.- Método según la reivindicación 13, caracterizado porque el sustrato (2) de material semiconductor, la una primera capa (3) de material aislante que cubre el sustrato (2) y la segunda capa (4) de material aislante que cubre la primera capa (3) han sido previamente obtenidos mediante tecnología de obtención microelectrónica CMOS.
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