电容式压力传感器及其制备方法、压力测量装置与流程

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种电容式压力传感器及其制备方法、压力测量装置。

背景技术：

随着传感器产业的发展，基于微电机系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)技术的传感器成为传感器行业发展的一个最重要分支。mems是一项用于批量制作微型结构、微传感器、微执行器、微系统以及它们的信号处理电路等的半导体技术。

基于mems技术的压力传感器在工业生产、医疗卫生、环境监测以及科学研究等众多领域有着广泛的应用。其中，电容式压力传感器是mems压力传感器的一种主要类型，其根本原理是将压力变化转换为电容变化。根据电容量公式，电容式压力传感器可以分为变间距式、变面积式和变介质式三种类型。由于实现方便，变间距式的电容式压力传感器最为常见。然而，一方面，变间距式的电容式压力传感器线性度较差，另一方面，真空密封性差，真空腔内电极易引出。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种电容式压力传感器及其制备方法、压力测量装置，旨在解决现有技术中电容式压力传感器线性度较差和真空密封性差，真空腔内电极易引出的技术问题。

为实现上述目的，本发明实施例第一方面提供一种电容式压力传感器，包括：

衬底10和盖板20；

衬底10包括顶层101、底层102和绝缘层103，绝缘层103位于顶层101和所述底层102之间；

底层102的下表面上开设有凹槽，盖板20罩盖所述凹槽，以使所述凹槽形成真空空腔1021，以及，使所述凹槽的槽底形成压敏薄膜1022；

顶层101上开设有至少一个可动叉指电容1011和至少一个固定叉指电容1012，可动叉指电容1011和固定叉指电容1012相互交错等距离排列，位于压敏薄膜1022的正上方；

可动叉指电容1011通过位于其正下方的绝缘层103贴合压敏薄膜1022，以便于可动叉指电容1011跟随压敏薄膜1022振动；

固定叉指电容1012正下方的绝缘层103，悬空位于底层102和固定叉指电容1012之间，以防止固定叉指电容1012跟随压敏薄膜1022振动。

本发明实施例第二方面提供一种电容式压力传感器的制备方法，包括：

按照第一预设掩模图形，刻蚀底层的下表面，在所述底层的下表面上形成形状为所述第一预设掩模图形的凹槽，所述凹槽的槽底形成压敏薄膜；

按照第二预设掩模图形，刻蚀顶层，在所述顶层上形成形状为所述第二预设掩模图形的叉指电容，所述叉指电容包括至少一个可动叉指电容和至少一个固定叉指电容；

将所述可动叉指电容通过位于其正下方的绝缘层贴合所述压敏薄膜，以及，将所述固定叉指电容正下方的绝缘层，悬空设置于所述底层和所述固定叉指电容之间。

本发明实施例第三方面提供一压力测量装置，包括本发明实施例第一方面所述的电容式压力传感器。

从上述本发明实施例可知，本发明提供的电容式压力传感器及其制备方法、压力测量装置，包括衬底和盖板，衬底包括顶层、底层和绝缘层，底层的下表面上开设有凹槽，盖板罩盖凹槽，使凹槽形成真空空腔，以及，使凹槽的槽底形成压敏薄膜，简化制作工艺，在保持良好真空密封性的同时，可避免真空空腔内电极的引出。顶层上开设有至少一个可动叉指电容和至少一个固定叉指电容，可动叉指电容和固定叉指电容相互交错等距离排列，位于压敏薄膜的正上方，可动叉指电容通过位于其正下方的绝缘层贴合压敏薄膜，固定叉指电容正下方的绝缘层悬空位于底层和固定叉指电容之间，当压敏薄膜受力发生形变时，由于可动叉指电容与压敏薄膜贴合，从而引起可动叉指电容的位置发生变化，又固定叉指电容不与压敏薄膜接触，从而固定叉指电容的位置固定不变，从而可动叉指电容相对于固定叉指电容之间的正对面积的改变，从而使可动叉指电容与固定叉指电容之间的电容值发生改变，具有良好的线性输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电容式压力传感器的轴测结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电容式压力传感器的一剖面轴测结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电容式压力传感器的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例提供的电容式压力传感器的俯视结构示意图；

图5为本发明另一实施例提供的电容式压力传感器制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“正上方”、“正下方”、“两端”、“两侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作。同时，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1、图2和图3，图1为本发明实施例提供的电容式压力传感器的轴测结构示意图，图2为本发明实施例提供的电容式压力传感器的一剖面轴测结构示意图，图3为本发明实施例提供的电容式压力传感器的剖面结构示意图，该电容式压力传感器包括：

衬底10和盖板20。

具体的，衬底10的材料为半导体材料，包括但不限于硅、锗、砷化镓等。盖板20的材料可选用pyrex7740键合玻璃。

衬底10包括顶层101、底层102和绝缘层103，绝缘层103位于顶层101和底层102之间。

底层102的下表面上开设有凹槽，盖板20罩盖凹槽，以使凹槽形成真空空腔1021，以及，使凹槽的槽底形成压敏薄膜1022。在底层上开设凹槽，剩余的一定深度的没有开设的底层，即凹槽的槽底，形成压敏薄膜1022，一方面在制备凹槽的同时制备了压敏薄膜1022，简化电容式压力传感器的结构，制作简单。另一方面，由于真空空腔1021腔底为压敏薄膜1022，还可避免真空空腔内电极的引出。

可选的，底层102的材料可为高阻硅。

更多的，在真空环境下，使盖板20罩盖该凹槽，通过阳极键合技术，将盖板20的罩盖面与底层102的下平面键合在一起，使凹槽形成真空空腔1021。

进一步的，压敏薄膜1022的形状为正方形或圆形，厚度以保证压敏薄膜的最佳灵敏度为准，大约为10～30微米。本发明实施例中，压敏薄膜的横截面的形状以正方形为例，其中，正方形的边长约为2000～3000微米。将压敏薄膜1022横截面的形状设计为圆形或正方形，当压敏薄膜1022受到压力时，该高度对称图形可使压敏薄膜1022均匀受力，从而均匀发生形变。

请参阅图4，图4为本发明实施例提供的电容式压力传感器的俯视结构示意图。

顶层101上开设有至少一个可动叉指电容1011和至少一个固定叉指电容1012，可动叉指电容1011和固定叉指电容1012相互交错等距离排列，位于压敏薄膜1022的正上方。本发明实施例中，可动叉指电容1011的数量以六个为例，固定叉指电容1012的数量以四个为例。

可选的，顶层101的材料为低阻硅。

进一步地，可动叉指电容1011和固定叉指电容1012位于压敏薄膜1022正上方的中心区域内，压敏薄膜1022中心区域的面积占压敏薄膜1022总面积的16～20％。在该区域内，当压敏薄膜发生形变时，可使压敏薄膜的形变最大化，从而进一步提高传感器的灵敏度。

可动叉指电容1011通过位于其正下方的绝缘层103贴合压敏薄膜1022，以便于可动叉指电容1011跟随压敏薄膜1022振动。

固定叉指电容1012正下方的绝缘层103，悬空位于底层102和固定叉指电容1012之间，以防止固定叉指电容1012跟随压敏薄膜1022振动。

进一步地，压敏薄膜1022与可动叉指电容1011之间的绝缘层面积大于压敏薄膜1022与固定叉指电容1012之间的绝缘层面积。以保证当压敏薄膜1022与固定叉指电容1012之间的绝缘层被释放时，压敏薄膜1022与可动叉指电容1011之间的绝缘层未被释放。

进一步地，顶层101上分别开设有多个隔离槽1013，多个隔离槽1013位于压敏薄膜1022四周的正上方。

进一步地，隔离槽1013内均分别设置有锚点电极1014，锚点电极1014均不接触隔离槽1013的槽壁，且锚点电极1014的表面涂覆有一层金属，用于连接引线。

进一步地，顶层101上还开设有至少一个连接杆1015、横杆1016。固定叉指电容1012位于横杆1016的一侧或两侧，与横杆1016一体成型，横杆1016的两端分别固定连接锚点电极1014。可动叉指电容1011与连接杆1015一体成型，连接杆1015的一端连接锚点电极1014。本发明实施例中，连接杆1015的数量以两个为例，每个连接杆1015分别于三个可动叉指电容1011一体成型。四个固定叉指电容1012以横杆1016两侧各两个的方式，与横杆1016一体成型。

可理解的，一个连接杆1015、可动叉指电容1011和固定叉指电容1012的数量，均以保证可动叉指电容1011和固定叉指电容1012相互交错等距离排列为准。

更多的，当顶层101上开设有连接杆1015和横杆1016时，压敏薄膜1022与可动叉指电容1011以及连接可动叉指电容1011的连接杆1015之间的绝缘层面积大于压敏薄膜1022与固定叉指电容1012以及连接固定叉指电容1012的横杆1016之间的绝缘层面积。

示例性的，当待检测的压力为大气压时，本发明实施例中所示的电容式压力传感器的工作原理：大气压作用于压敏薄膜，使大气压与真空腔室之间形成压力差，导致压敏薄膜发生形变，从而引起与压敏薄膜相连的可动叉指电容的位置发生变化，又固定叉指电容的位置固定不变，从而使可动叉指电容相对于固定叉指电容之间的正对面积的改变，进而引起可动叉指与固定叉指之间电容的改变，再通过检测电容即可测得大气压力的大小。

在本发明实施例中提供的电容式压力传感器，包括衬底和盖板，衬底包括顶层、底层和绝缘层，底层的下表面上开设有凹槽，盖板罩盖凹槽，使凹槽形成真空空腔，以及，使凹槽的槽底形成压敏薄膜，简化制作工艺，在保持良好真空密封性的同时，可避免真空空腔内电极的引出。顶层上开设有至少一个可动叉指电容和至少一个固定叉指电容，可动叉指电容和固定叉指电容相互交错等距离排列，位于压敏薄膜的正上方，可动叉指电容通过位于其正下方的绝缘层贴合压敏薄膜，固定叉指电容正下方的绝缘层悬空位于底层和固定叉指电容之间，当压敏薄膜受力发生形变时，由于可动叉指电容与压敏薄膜贴合，从而引起可动叉指电容的位置发生变化，又固定叉指电容不与压敏薄膜接触，从而固定叉指电容的位置固定不变，从而可动叉指电容相对于固定叉指电容之间的正对面积的改变，从而使可动叉指电容与固定叉指电容之间的电容值发生改变，具有良好的线性输出。

请参阅图5，图5为本发明第二实施例提供的电容式压力传感器制备方法的流程示意图，该方法包括：

s101、按照第一预设掩模图形，刻蚀底层的下表面，在底层的下表面上形成形状为第一预设掩模图形的凹槽，凹槽的槽底形成压敏薄膜；

具体的，在底层的下表面，通过光刻工艺、溅射工艺和刻蚀工艺形成凹槽。

其中，掩模是光刻工艺不可缺少的部件，掩模上承载有设计图形。

光刻工艺是指利用曝光和显影把掩模透射在抗蚀剂层上。

溅射工艺是指一定能量的粒子(离子或中性原子、分子)轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺。

刻蚀工艺是指用化学或者物理的方法有选择地去除不需要材料的工艺，即按照掩模图形把未被抗蚀剂掩蔽的薄膜层除去，从而在薄膜上得到与抗蚀剂层上完全相同图形的工艺。刻蚀工艺主要分为干法刻蚀与湿法刻蚀，干法刻蚀主要利用反应气体与等离子体进行刻蚀，湿法刻蚀主要利用化学试剂与被刻蚀材料发生化学反应进行刻蚀。

在本发明实施例中，首先，通过光刻工艺和溅射工艺在底层下表面溅射一层带有第一预设掩模图形的氧化锌。然后，采用干法刻蚀工艺将底层刻蚀一定深度，形成凹槽，凹槽的槽底即为压敏薄膜。最后，利用氯化氢去除氧化锌，完成凹槽和压敏薄膜的制备。将底层刻蚀一定深度而不是全部深度，使刻蚀掉的底层的部分形成凹槽，剩余的一定深度的没有刻蚀的底层，即凹槽的槽底形成压敏薄膜，一方面在制备凹槽的同时制备了压敏薄膜，简化电容式压力传感器的结构，制作简单。另一方面，由于真空空腔腔底为压敏薄膜，还可避免真空空腔内电极的引出。

其中，第一预设掩模图形即真空空腔的形状。

s102、按照第二预设掩模图形，刻蚀顶层，在顶层上形成形状为第二预设掩模图形的叉指电容，叉指电容包括至少一个可动叉指电容和至少一个固定叉指电容；

具体的，在顶层上，通过光刻工艺、溅射工艺和刻蚀工艺形成可动叉指电容和固定叉指电容。

在本发明实施例中，首先，按照第二预设掩模图形，通过光刻工艺和溅射工艺在顶层上表面溅射一层形状为第二预设掩模图形的氧化锌。然后，采用干法刻蚀工艺将在顶层上刻蚀出可动叉指电容和固定叉指电容。最后，利用氯化氢去除氧化锌，完成叉指电容的制备。其中，该第二预设掩模图形为可动叉指电容和固定叉指电容对应分布在压敏薄膜上的位置。

s103、将可动叉指电容通过位于其正下方的绝缘层贴合压敏薄膜，以及，将固定叉指电容正下方的绝缘层，悬空设置于底层和固定叉指电容之间。

更多的，保证压敏薄膜与可动叉指电容之间的绝缘层面积大于压敏薄膜与固定叉指电容之间的绝缘层面积。以使当压敏薄膜与固定叉指电容之间的绝缘层被释放时，压敏薄膜与可动叉指电容之间的绝缘层未被释放。

释放绝缘层首先将衬底放置在盛放氢氟酸的容器上，容器内氢氟酸的液面需距离衬底一定的距离，利用挥发的氢氟酸腐蚀衬底表面的氧化层。一段时间后，将衬底移动到盛放异丙醇的容器上，挥发异丙醇与反应产生的水汽结合。最后将衬底表面吹干，使异丙醇挥发并带走水汽。最后，如此往复多次，直至绝缘层释放。

其中，腐蚀氧化层具有一定速率，通过控制衬底在氢氟酸气氛中的时间就能达到释放固定面积的目的，由于可动叉指电容中绝缘层的面积大于固定叉指电容中绝缘层的面积，所以当固定叉指电容中绝缘层恰好释放完全时，可动叉指电容中绝缘层可未被释放。

进一步地，在顶层上刻蚀有多个隔离槽，隔离槽内均分别制备有锚点电极，将锚点电极均不接触隔离槽的槽壁，且将锚点电极的表面涂覆有一层金属，用于连接引线。

具体的，隔离槽的制备方法与叉指电容的制备方法相同，此处不再赘述。锚点电极的制备方法可通过光刻工艺及溅射工艺在顶层上表面溅射一层金属薄膜，金属可为金或铂金。从而在有抗蚀剂的地方，金属薄膜形成在抗蚀剂上，而没有抗蚀剂的地方，金属薄膜就直接形成在顶层上。再通过剥离工艺形成锚点电极。

其中，剥离工艺(lift-off)是指当使用溶剂去除顶层上的抗蚀剂时，不需要的金属就随着抗蚀剂层的溶解而脱落在溶剂中，而直接形成在衬底上的金属部分则保留下来形成锚点电极。

在本发明实施例中提供的电容式压力传感器，包括衬底和盖板，衬底包括顶层、底层和绝缘层，底层的下表面上开设有凹槽，盖板罩盖凹槽，使凹槽形成真空空腔，以及，使凹槽的槽底形成压敏薄膜，简化制作工艺，在保持良好真空密封性的同时，可避免真空空腔内电极的引出。顶层上开设有至少一个可动叉指电容和至少一个固定叉指电容，可动叉指电容和固定叉指电容相互交错等距离排列，位于压敏薄膜的正上方，可动叉指电容通过位于其正下方的绝缘层贴合压敏薄膜，固定叉指电容正下方的绝缘层悬空位于底层和固定叉指电容之间，当压敏薄膜受力发生形变时，由于可动叉指电容与压敏薄膜贴合，从而引起可动叉指电容的位置发生变化，又固定叉指电容不与压敏薄膜接触，从而固定叉指电容的位置固定不变，从而可动叉指电容相对于固定叉指电容之间的正对面积的改变，从而使可动叉指电容与固定叉指电容之间的电容值发生改变，具有良好的线性输出。

本发明实施例还提供了一种压力测量装置，包括如前述图1至图4所述的电容式压力传感器。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的一种电容式压力传感器及其制备方法、压力测量装置的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。