一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空传感器

一种绝压接触式mems电容薄膜真空传感器
技术领域
1.本发明属于属于mems微机械加工领域和真空计量技术领域，具体涉及一种绝压接触式mems电容薄膜真空传感器。


背景技术：

2.基于微机电系统(mems)压力传感器作为当今发展最快的压力传感器件之一，因其体积小、重量轻、成本低、易于集成和批量生产等优势，在一些领域逐步取代了传统的机械式压力传感器。mems 电容式真空传感器作为mems压力传感器的一员，主要用于大气压以下压力的测试，其具有灵敏度高、温度漂移低、直流响应好和功耗低等特性，因此，在各种mems 压力传感器的研究中越来越受到研究者的关注。
3.由于小量程压力测试对灵敏度的要求较高，对于mems电容薄膜真空传感器的研究较少，在提高压力灵敏度的同时，仍然面临着测量下限大于1000pa、分辨率低、大量程压力时感压膜易破损等问题。


技术实现要素：

4.本发明针对上述的不足之处提供一种分辨率高、灵敏度高的绝压接触式mems电容薄膜真空传感器。
5.本发明目的是这样实现的：一种绝压接触式mems电容薄膜真空传感器，包括传感器芯片，以及用于安装传感器芯片的外壳，以及将传感器芯片封装在外壳内的上壳；其特征在于：所述传感器芯片包括硼硅感压膜、硅基底和玻璃基底，三者至上而下依次连接；所述硅基底的一面设有腔体，硅基底将设有腔体一面与硼硅感压膜直接键合，并形成真空参考腔；所述真空参考腔内设有抽气孔，通过硅基底的另一面与玻璃基底阳极键合封堵抽气孔，真空参考腔形成高真空；所述真空参考腔内的下端面设有下电极，硼硅感压膜的下端面设有绝缘层；所述绝缘层、下电极与硼硅感压膜构成电容结构；所述硼硅感压膜上设有上引线电极；所述硅基底上在设有下引线电极。
6.优选的，所述硼硅感压膜上设有保护环，保护环将硼硅感压膜与硅基底分开。保护环将硼硅感压膜与硅基底分开，可以减小旁生电容对真空传感器灵敏度的影响，提高真空传感器的分辨率。
7.优选的，所述真空参考腔内的下端面设有下电极，硼硅感压膜的下端面设有绝缘层；所述绝缘层、下电极与硼硅感压膜构成电容结构。绝缘层将硼硅感压膜与真空参考腔体内的下电极绝缘开，避免测试时硼硅感压膜与下电极直接接触而短路。
8.优选的，所述硼硅感压膜的基底材料为硼掺杂的晶圆级p型硅，电阻率＜0.006ω
·
cm。
9.优选的，所述硼硅感压膜上设有上引线电极槽和下引线电极槽；
保护环；114-绝缘层；12-硅基底；121-抽气孔；122-下引线电极；123-真空参考腔；124-下电极；13-玻璃基底；400-上壳；401-进气孔；500-外壳；501-电极引线孔；502-支撑柱；700-前级电路板。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明做进一步概述。
27.如图1所示，一种绝压接触式mems电容薄膜真空传感器，包括传感器芯片1，以及用于安装传感器芯片1的外壳500，以及将传感器芯片1封装在外壳500内的上壳400；外壳500包括前级电路板700和支撑柱502，支撑柱502将前级电路板700固定在外壳500中，采用四根支撑柱502分别设置在前级电路板700的四周。前级电路板700上连接传感器芯片1，通过铝丝压焊使敏感电容与前级电路板700实现电气连接；外壳500的侧面设置有电极引线孔501，将前级电路板700的输出信号线通过外壳500侧面的电极引线孔501引出，并采用胶密封的方式实现外壳500和上壳400密封，上壳400上设置有进气孔401，通过上壳400的进气孔401与环境压力连通，实现外界环境压力测试。
28.进一步，如图2所示，传感器芯片1包括硼硅感压膜11、硅基底12和玻璃基底13，硼硅感压膜11、硅基底12和玻璃基底13至上而下依次连接；硅基底12的一面设置有腔体，设置有腔体的一面与硼硅感压膜11直接键合，并形成真空参考腔123；真空参考腔123内设置有抽气孔121，抽气孔121使用湿法腐蚀的方法制作，根据湿法腐蚀的各向异性，抽气孔121形成上表面为50μm，下表面为475μm的梯形；抽气孔121的上表面设置在真空参考腔123内，下表面与玻璃基底13连接；抽气孔121可以将形成真空腔的技术由现有硅-硅键合工艺技术转变为硅-硅直接键合和硅-玻璃阳极键合相结合的方式，提高直接键合的键合率，同时提高腔体的真空度，降低真空传感器的测量下限。硅基底12的另一面与玻璃基底13阳极键合封堵抽气孔121，并使真空参考腔123体内形成高真空。
29.进一步，硼硅感压膜11的下端面设置有绝缘层114，真空参考腔123体内设置有下电极124，真空参考腔123内的下电极124、绝缘层114与硼硅感压膜11构成电容结构；绝缘层114将硼硅感压膜11与真空参考腔123体内的下电极124绝缘开，避免测试时硼硅感压膜11与下电极124直接接触而短路。
30.进一步，硼硅感压膜11采用浓硼扩散和硅的自停止腐蚀的方法制作而成，硼硅感压膜11的厚度为6μm，宽厚比大于400；硼硅感压膜11上设置有保护环113，将硼硅感压膜11与硅基底12分开，可以减小旁生电容对传感器灵敏度的影响，提高了传感器的分辨率。真空参考腔123的深度小于硼硅感压薄膜在测量范围的最大挠度，外界环境压力大于一定值，硼硅感压膜11与下电极124接触，保证硼硅感压膜11不会因压力过大而损坏。
31.进一步，硼硅感压膜11上设置有上引线电极112槽和下引线电极122槽111，硼硅感压膜11上在设置有上引线电极112槽的位置设置上引线电极112；硅基底12上在设置有下引线电极122槽111的设置有下引线电极122；上引线电极112通过上引线电极112槽引出，下引线电极122通过下引线电极122槽111引出；上引线电极112和下引线电极122用于引出压力检测信号。
32.本发明通过真空测量系统对绝压接触式mems电容薄膜真空传感器的性能进行测试。真空测量系统包括泵组、进气针形阀、一套商用电容薄膜规和一个冷阴极电离规，泵组
将系统的真空度维持在 10-2 pa 的量级。进气针阀控制系统中的真空度以一定的速率变化。商用电容薄膜规用于检测测试系统真空室的低真空度，而冷阴极电离表用于测量高真空度。
33.在测试过程中，缓慢调节进气阀调节真空室的真空度，即可完成(10～80000)pa范围内真空度的测试，使用精密的 lcr 电容表测量电容变化。传感器的性能实验都是在一定的温度（25 ℃）和湿度（24% rh）的环境下进行的。
34.针对本发明的性能，对其进行电容-压力曲线测量，测量结果为如图5所示，绝压接触式mems电容薄膜真空传感器，以下简称为真空传感器，真空传感器的测量范围为(10～80000)pa，电容变化为 12.455 pf-33.241 pf。从图5中看出，测量下限小于 200 pa 时，真空传感器电容-压力特性曲线具有较好的线性度，真空传感器(10~110)pa 的灵敏度为 11.75 ff/pa。
35.抗过载能力测试：如图6所示，真空传感器在(10~100000)pa 全量程测量范围内分为三个阶段。第一阶段是真空传感器的正常工作阶段，真空传感器压力范围为(10~720)pa，在该阶段由于硼硅感压膜11受到的压力较小，硼硅感压膜11与真空腔处于非接触模式，最大灵敏度35.45ff/pa。第二阶段是真空传感器的主要工作阶段，其中输出电容主要是接触电容。在这个工作阶段，压力测试范围从为(720~38300)pa，硼硅感压膜11从非接触状态变为接触状态，当硼硅感压膜11与真空腔刚接触时，电容快速上升，随着接触面积逐渐增大，电容缓慢上升。接触阶段优化前后真空传感器的最大灵敏度为69.49 ff/pa。第三阶段为饱和阶段，压力测试范围为(38300~100000)pa，由于硼硅感压膜11尺寸的限制，硼硅感压膜11与真空腔接触面积逐渐达到饱和，电容变化缓慢，直至达到饱和。在此阶段，灵敏度为5.96 ff/pa。通过对真空传感器在(10~100000)pa 测量范围内的测试，验证了感压膜具有较好的抗过载能力。
36.工作原理：硼硅感压膜11与下电极124之间形成高真空度参考腔123，外界环境压力直接作用在硼硅感压膜11，当外界压力与参考腔内123的压力不同时，在硼硅感压膜11两侧形成压力差，硼硅感压膜11因两侧压力差异而变形，当外界压力大于真空度参考腔123内压力时，硼硅感压膜11向靠近下电极124的方向形变，导致硼硅感压膜11与下电极124之间的有效距离发生变化，从而引起电容的变化，随着外界的压力不断增大，硼硅感压膜11与下电极124之间的间距不断变小，当硼硅感压膜11与下电极124接触后，通过硼硅感压膜11与下电极124之间的位移变化以及硼硅感压膜11与介电质的接触面积来反应电容值的大小，通过测量电容得到相对真空值。
37.以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。