专利名称：一种提高过载响应速度的硅电容压力传感器的制作方法
技术领域：
一种提高过载响应速度的硅电容压力传感器技术领域[0001]本实用新型涉及传感器制造技术领域，是一种提高过载响应速度的硅电容压力传感器。
背景技术：
[0002]硅电容压力传感器是一种新型的结构型压力传感器，核心敏感器件采用单晶硅材料，利用微电子和微机械加工融合技术制作，由于硅弹性体材料的自身优势以及结构型力敏传感器的原理及结构特点，使硅电容传感器与以往的硅压阻、金属电容传感器相比，在测量精度、稳定性、温度性能等方面都具有更加明显的优势，成为未来传感器发展的重要研究方向。硅电容传感器的核心敏感器件把外加压力信号转换为相应的电容变化，检测电路则把电容的变化转换为需要的电信号，对该电信号进行处理就可以得到相应的输出信号。[0003]对硅电容传感器而言，目前采用的封装结构是三膜片充灌液隔离密封结构，采用了隔离膜片的弹性力学特性和硅油的不可压缩性来隔离外界介质和传递压力。当传感器工作时，外界待测介质和感压芯片被硅油与波纹膜片隔离开来，使压力几乎可以没有损耗的传递到压力芯片，压力芯片响应压力后将压力信号转换成电容变化，从而检测外加压力。[0004]硅电容传感器的核心敏感器件是采用静电封接工艺将玻璃固定上极板、硅敏感芯片的可动极板、玻璃固定下极板封接成电容三极板结构，核心敏感器件中间的硅弹性可动极板采用单晶硅材料，并利用MEMS加工技术加工成岛膜结构，构成电容器的一个可动极板，两侧固定极板则采用在玻璃材料上溅射金属电极的方法构成电容器的固定极板，制作成对称的差动电容结构。采用平板电容原理、极距变化型结构，在外加压力作用下，电容极板间隙发生变化，通过检测电容的变化来实现压力信号的测量。一般情况下，受制作工艺和元件尺寸的限制，电容传感器的电容值都很小(几Pf 几十个Pf)，间隙一般在5 10 μ m， 在外加压力的作用下，硅芯片发生挠曲变形，且这种变形随着外加压力的增大而增大，当外加过载压力达到一定程度，芯片中心岛和固定极板电极贴合直至完全贴死，导油通道完全封死。当外加压力卸载后，由于芯片中心岛和固定极板金属电极之间充灌的是具有一定粘度系数的硅油，在贴合状态下，如没有导油通道，其回弹阻尼很大，就会阻止芯片过压后的回弹速度，使得芯片此时对压力的响应时间可长达2-5min，无法实现工业现场应用。因此， 提高电容传感器过压后对压力的响应速度，是电容传感器设计中的关键问题，必须予以解决，才能满足工业现场的使用要求。经国内外相关文献及专利报道的检索，目前还未见提高硅电容压力传感器响应速度的方法的报导。发明内容[0005]本实用新型的目的是提供一种提高过载响应速度的硅电容压力传感器，利用硅微机械加工技术，在硅敏感芯片上制作出导油槽结构而实现。[0006]这种提高过载响应速度的硅电容压力传感器，是采用静电封接工艺将玻璃固定上极板、硅敏感芯片可动极板、玻璃固定下极板封接成电容三极板结构，其特征在于采用MEMS加工技术，在电容传感器硅可动极板中心岛上、下面分别制作导油槽结构，上、下玻璃固定极板中心表面有采用溅射工艺制作的与导油槽结构相匹配的几何形状的金属电极，且玻璃固定极板中心有用于导压和电极引出的金属化孔，当可动极板过压后和固定极板电极贴合时，导油槽仍保持导油通道畅通，从而有效地减小芯片中心岛过压贴合后的回弹阻尼， 提高电容传感器过载后对压力的响应速度。[0007]本新型提高过载响应速度的硅电容压力传感器，是在可动极板的中心岛上制作的线型导油槽结构，保证压力达到过载后中心岛和金属电极贴合时，仍有线型导油槽形成畅通的导油通道，从而能有效地减小可动极板和固定极板之间过压贴合后的回弹阻尼，从而有效提高过载后对压力的响应速度。[0008]本设计制造的传感器能真正地实现在工业现场应用，并能满足工业自动控制系统对传感器过载响应速度的需求，从而达到实用化技术要求。
[0009]图1本新型硅电容压力传感器结构示意图；[0010]图2硅电容传感器中心可动极板俯视图；[0011]图3硅电容传感器中心可动极板剖视图；[0012]图4硅电容传感器玻璃固定极板俯视图；[0013]图5槽型结构玻璃固定极板俯视图；[0014]图6现有技术中无导油槽结构硅电容传感器过载后结构示意图；[0015]图7本设计带导油槽结构硅电容传感器结构示意图；[0016]图8本设计带导油槽结构硅电容传感器过载后结构示意图；[0017]图9本设计硅电容压力传感器装配前多层结构示意图。
具体实施方式
[0018]一种提高过载响应速度的硅电容压力传感器，采用静电封接工艺将电容三极板封接成三明治结构，如图1所示，上玻璃固定极板1和下玻璃固定极板3为相同结构，且硅敏感芯片可动极板2和玻璃固定极板1、3之间有硅油充灌，用于压力传递；其特征在于夹在玻璃固定上极板1、玻璃固定下极板3之间的硅敏感芯片的可动极板2上有正方形中心岛5， 在中心岛5的两面设计导油槽结构，并采用MEMS加工技术制作出线型导油槽7，见图2、图 3，在固定极板1、3相对的内侧表面及中心孔处，采用溅射工艺制作与中心岛5两面上线型导油槽结构相匹配的几何形状的金属方形电极4或槽形电极6以及导压金属化电极孔8。[0019]导油槽结构硅电容压力传感器的硅敏感芯片可动极板2采用岛膜结构，两面中心是腐蚀成一定电容间隙的中心岛5，与周边通过膜片10相连，图2中的两个叉纹框是图3 中膜区10两斜面，其特征在于采用MEMS加工技术在中心岛5的两个面制作线型导油槽结构留出与电极孔8相应的中心空位，并向中心岛5的各边腐蚀出线型导油槽结构，腐蚀出的槽与中心岛5对应边垂直，线型导油槽7的长度要长于固定极板1、3上金属电极4或6 的外轮廓线，当硅敏感芯片可动极板2厚度为400微米时，导油槽宽度为50 100微米。[0020]电极方案一当可动极板2上中心岛5的边长大于固定极板1、3上金属电极的边长时，将固定极板1、3上的金属电极4设计成正方形电极；电极方案二 当可动极板2上的中心岛5的边长小于或等于固定极板1、3上金属电极的边长时，将固定极板1、3上的金属电极设计成槽形电极6，方形电极4和槽型电极6的形状分别见图4、图5，槽形电极6的各条边中部均有凹缺，使得导油槽7的长度长于固定极板1、3上相对的金属电极的边缘。
权利要求1.一种提高过载响应速度的硅电容压力传感器，是采用静电封接工艺将玻璃固定上极板、硅敏感芯片可动极板、玻璃固定下极板封接成电容三极板结构，其特征在于采用MEMS 加工技术，在电容传感器硅可动极板中心岛上、下面分别制作导油槽结构，上、下玻璃固定极板中心表面有采用溅射工艺制作的和线型导油槽结构相匹配的几何形状的的金属电极， 且玻璃固定极板中心有导压引出电极孔，当可动极板过压后和固定极板电极贴合时，导油槽结构仍保持导油通道畅通，从而有效地减小芯片中心岛过压贴合后的回弹阻尼，提高电容传感器过载后对压力的响应速度。
2.根据权利要求1所述的一种提高过载响应速度的硅电容压力传感器，其特征在于导油槽(7)的结构在保证中心岛(5)两面的5 10微米的初始极板间隙不变的前提下，采用MEMS加工技术在中心岛(5)的两面上制作成具有一定长度和宽度的线型结构导油槽，在中心岛(5)的两个面留出与电极孔⑶相应的中心空位，并向中心岛(5)的各边腐蚀出线型导油槽结构，腐蚀出的槽与中心岛(5)对应边垂直，线型导油槽(7)的长度要长于上、下固定极板(1、3)上方形金属电极G)、槽形金属电极(6)的外轮廓线、当硅敏感芯片可动极板(2)厚度为400微米时，导油槽宽度为50 100微米。
3.根据权利要求2所述的一种提高过载响应速度的硅电容压力传感器，其特征在于线型导油槽(7)导油槽的设计宽度直接决定导油槽的腐蚀深度，其相互关系为W = V^xZz,其中h为腐蚀深度，w为导油槽宽度；在腐蚀深度满足安全系数前提下，相应增加导油槽的数量。
4.根据权利要求2所述的一种提高过载响应速度的硅电容压力传感器，其特征在于上、下固定极板(1、3)上金属电极为了达到可动电极上线型导油槽(7)的长度尺寸长上、 下于固定极板(1、3)上金属电极的外轮廓线的目的，当硅中心极板O)上中心岛(5)的边长大于上、下固定极板(1、；3)上金属电极的边长时，将上、下固定极板(1、；3)上的金属电极设计成正方形电极G)。
5.根据权利要求2所述的一种提高过载响应速度的硅电容压力传感器，其特征在于上、下固定极板(1、3)上金属电极当硅中心极板(2)上的中心岛(5)的边长小于或等于上、下固定极板(1、；3)上金属电极的边长时，将上、下固定极板(1、；3)上的金属电极设计成槽形电极(6)，槽形电极(6)的各条边中部均有凹缺。
专利摘要一种提高过载响应速度的硅电容压力传感器，采用静电封接工艺将电容三极板封接成三明治结构，极板之间充灌有硅油介质，其特征在于可动极板的中心岛上，采用MEMS加工技术制作线型导油槽结构，导油槽的长度长于固定极板上金属电极的外轮廓线，使过载后导油通道不能被上、下固定极板上的金属电极完全贴死，形成畅通的导油通道，从而显著提高了过载后极板之间的回弹力，提高了对压力的响应速度。
文档编号G01L9/12GK202329908SQ20112047813
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者刘剑, 刘沁, 周磊, 庞士信, 张娜, 张治国, 李颖 申请人:沈阳仪表科学研究院