一种高灵敏宽量程电容式力传感器的制作方法

本实用新型涉及传感器技术领域，特别涉及一种高灵敏宽量程电容式力传感器。

背景技术：

力传感器在生活、工业中应用十分广泛，广泛应用于水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、电力、机床等众多行业。力传感器的种类丰富，常见的力传感器包括电容式力传感器、电阻应变片式力传感器、压电式传感器、谐振式力传感器等。其中，电容式力传感器的优点是结构简单，温度稳定性好，价格便宜，灵敏度高，过载能力强。随着科技的进步和发展，对力传感器的要求越来越高，其体积要求更小、灵敏度更高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种高灵敏宽量程电容式力传感器，以实现小体积、高灵敏度、宽量程的力传感器。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高灵敏宽量程电容式力传感器，包括相键合的硅衬底和玻璃衬板，

所述硅衬底的第一端通过介质连接有上层硅薄膜；所述上层硅薄膜的表面依次形成有第一硼硅膜和第一膜上电极；

所述硅衬底的第二端形成有下层硅悬臂梁，所述硅衬底的第二端和所述下层硅悬臂梁的上表面覆盖有第二硼硅膜；所述第二硼硅膜的表面依次形成有第二硼硅膜和第二膜上电极；

所述高灵敏宽量程电容式力传感器还包括衬底电极，位于所述玻璃衬板的顶表面。

可选的，所述衬底电极位于所述玻璃衬板的中心位置。

可选的，所述衬底电极的第一部分与所述第一硼硅膜构成第一平行板电容，第二部分与所述第二硼硅膜构成第二平行板电容。

可选的，所述下层硅悬臂梁的一端与所述硅衬底连接，另一端悬空；其上表面与所述硅衬底齐平。

可选的，所述上层硅薄膜的一端悬浮，另一端通过所述介质与所述硅衬底连接。

可选的，所述上层硅薄膜高于所述下层硅悬臂梁，且所述上层硅薄膜向下弯曲时能够接触到所述下层硅悬臂梁。

可选的，所述上层硅薄膜的厚度小于所述下层硅悬臂梁的厚度。

在本实用新型提供的高灵敏宽量程电容式力传感器中，包括相键合的硅衬底和玻璃衬板，所述硅衬底的第一端通过介质连接有上层硅薄膜；所述上层硅薄膜的表面依次形成有第一硼硅膜和第一膜上电极；所述硅衬底的第二端形成有下层硅悬臂梁，所述硅衬底的第二端和所述下层硅悬臂梁的上表面覆盖有第二硼硅膜；所述第二硼硅膜的表面依次形成有第二硼硅膜和第二膜上电极；所述高灵敏宽量程电容式力传感器还包括衬底电极，位于所述玻璃衬板的顶表面。

本实用新型具有以下有益效果：

（1）利用了两个不同灵敏度的力敏感梁，上层硅薄膜力敏感梁比较薄，对力更加敏感，使得力传感器在小力时，比较灵敏，下层硅悬臂梁厚度较大，对力不是那么敏感，能够承受较大的力，增加了力传感器的量程；

（2）下层硅悬臂梁在一定程度上起到对上层硅薄膜的支撑作用，起到保护作用，使得传感器更可靠；

（3）利用两个电容值的大小反映力的大小，对外围测量电路要求低，简单可靠；能够采用硅微机械技术加工，工艺可靠、批量制造容易且成本低。

附图说明

图1是本实用新型提供的高灵敏宽量程电容式力传感器结构示意图；

图2是高灵敏宽量程电容式力传感器制备方法的流程示意图；

图3是提供硅片的结构示意图；

图4是去掉部分硅片上方的硅薄膜层和对应的氧化硅中间层的示意图；

图5是形成第一硼硅膜和第二硼硅膜的示意图；

图6是形成第一硅膜上电极和第二硅膜上电极的示意图；

图7是在硅衬底背面腐蚀一定厚度的示意图；

图8是将上层硅薄膜和下层悬臂梁分离释放的示意图；

图9是在玻璃衬底上形成衬底电极的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种高灵敏宽量程电容式力传感器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

实施例一

本实用新型提供了一种高灵敏宽量程电容式力传感器，其结构如图1所示。所述高灵敏宽量程电容式力传感器包括相键合的硅衬底1和玻璃衬板2；其中，所述硅衬底1的第一端通过介质8连接有上层硅薄膜3；所述上层硅薄膜3的表面依次形成有第一硼硅膜51和第一膜上电极61；所述硅衬底1的第二端形成有下层硅悬臂梁4，所述硅衬底1的第二端和所述下层硅悬臂梁4的上表面覆盖有第二硼硅膜52；所述第二硼硅膜52的表面依次形成有第二硼硅膜52和第二膜上电极62。进一步的，所述高灵敏宽量程电容式力传感器还包括衬底电极7，位于所述玻璃衬板2的顶表面，位于所述玻璃衬板2的中心位置，即所述衬底电极7的中心位置和所述玻璃衬板2的中心位置重合。所述衬底电极7的第一部分与所述第一硼硅膜51构成第一平行板电容，第二部分与所述第二硼硅膜52构成第二平行板电容，两个电容的电容值大小可以反映传感器所受力的大小。

具体的，所述下层硅悬臂梁4的一端与所述硅衬底1连接，另一端悬空；其上表面与所述硅衬底1齐平。所述上层硅薄膜3的一端悬浮，另一端通过所述介质8与所述硅衬底1连接。所述上层硅薄膜3高于所述下层硅悬臂梁4，与所述下层硅悬臂梁4的上表面的存在一定距离的间隙，所述上层硅薄膜3向下弯曲时能够接触到所述下层硅悬臂梁4。所述上层硅薄膜3的厚度比所述下层硅悬臂梁4的厚度薄很多，对力具有更高的敏感度。

请参阅图1，衬底电极7的右半部分和第一硼硅膜51构成第一平行板电容，左半部分和第二硼硅膜52构成第二平行板电容。当施加较小的力到传感器上时，所述上层硅薄膜3首先发生发生形变，所述第一硼硅膜51和所述衬底电极7之间的距离变小，所述第一平行板电容变大，上层硅薄膜3并未接触下层硅悬臂梁4，所述第二平行板电容不变。施加的力继续增加时，上层硅薄膜3的发生的形变增大，所述第一平行板电容也越来越大，上层硅薄膜3会接触到下层硅悬臂梁4，施加的力足够大时，上层硅薄膜3会引起下层硅悬臂梁4发生形变，第二硼硅膜52和衬底电极7间的距离会变小，所述第二平行板电容会变大。这样，根据传感器电容所述第一平行板电容和所述第二平行板电容值的大小，就可以测量传感器所受力的大小，传感器具有高灵敏宽量程的特点。

本实用新型提出的高灵敏宽量程电容式力传感器是利用两个电容来反映力的大小。传感器有两个不同的力敏感度的力敏感梁，当施加较小的力到传感器上时，上层硅薄膜首先发生形变但不会接触到下层悬臂梁，第一个电容的容值发生变化，第二个电容的容值保持不变；施加的力继续增加时，上层硅薄膜的发生的形变越来越大，第一个电容的电容值也越来越大，施加的力足够大时，上层硅薄膜会接触到下层硅悬臂梁，引起下层硅悬臂梁发生形变时，第二个电容的电容值也开始发生变化。这样，该传感器就可以测量较小的力，敏感度比较高，也可以测量较大的力，具有较宽的量程。

本实用新型的高灵敏宽量程电容式力传感器通过以下方法制备而成：

步骤s21、提供硅片，去掉部分硅片表面的硅薄膜层和对应的氧化硅中间层，形成上层硅薄膜并露出部分硅衬底；

步骤s22、在所述上层硅薄膜以及露出的部分硅衬底的表面进行浓硼扩散，形成第一硼硅膜和第二硼硅膜；

步骤s23、光刻形成上电极图形，并形成第一硅膜上电极和第二硅膜上电极；

步骤s24、从硅衬底背面腐蚀一定厚度，背面光刻，形成下层悬臂梁，采用氢氟酸湿法腐蚀从背面将所述上层硅薄膜和所述下层悬臂梁分离释放；

步骤s25、提供玻璃衬底，在所述玻璃衬底上溅射一层铬金作为衬底电极；

步骤s26、将加工好的硅片和玻璃衬底进行键合，形成该传感器。

首先，提供如图3所示衬底为（100）晶向的硅片，通过反应离子刻蚀工艺去掉部分硅片上方的硅薄膜层和对应的氧化硅中间层8，形成上层硅薄膜3并露出下层部分的硅衬底1，如图4所示；

然后，如图5所示，在所述上层硅薄膜3的表面以及露出的部分硅衬底1的上表面（在图中为所述硅衬底1的左侧）进行浓硼扩散，形成第一硼硅膜51和第二硼硅膜52；

接着，光刻形成上电极图形，并采用磁控溅射电极金属铝形成第一硅膜上电极61和第二硅膜上电极62；请参阅图6，所述第一硅膜上电极61形成在所述第一硼硅膜51上，所述第二硅膜上电极62形成在所述第二硼硅膜52上；

采用四甲基氢氧化氨从所述硅衬底1背面腐蚀一定厚度，如图7所示，背面光刻，形成下层悬臂梁4，正面用胶保护，采用氢氟酸湿法腐蚀从背面将所述上层硅薄膜3和所述下层悬臂梁4分离释放，如图8；

选取一块玻璃衬底2，先进行标准清洗，在所述玻璃衬底2上溅射一层铬金作为衬底电极7，如图9所示；

最后使用硅-玻璃键合工艺，将如图8所示加工好的硅片和如图9所示加工好的玻璃衬底2进行键合，形成如图1所示的传感器。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。