一种绝缘型气体压力传感器及其制备方法与流程

1.本发明涉及压力传感器技术领域，更具体地，涉及一种绝缘型气体压力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.电容压力传感器具有直流特性稳定、漂移小、功耗低和温度系数小等优点，在压力、角速度、加速度等测量方面得到广泛应用。
3.气体压力传感器按照工作原理分为压阻式、谐振式、电容式等，本专利的气体压力传感器属于电容式压力传感器，可测量大气压以下的绝对气压。电容式压力传感器的典型结构包括上极板、真空腔、下极板三部分，按照电容的计算公式，电容式压力传感器的工作原理又分为：变间距式和变面积式。
4.但是，传统的变间距式电容式压力传感器的工作原理是：电容器的间距d随着气体压强变化，导致输出电容的变化。但间距d和输出电容呈反比关系，导致输出电容的线性度不好。由此可知，现有设计的电容压力传感器中，始终存在测量范围、测量灵敏度和线性度之间的不平衡问题，不能同时兼顾传感器输出电容和压强之间的灵敏度和线性度关系。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中存在的现有设计的电容压力传感器中，始终存在测量范围、测量灵敏度和线性度之间的不平衡的技术问题。
6.本发明提供了一种绝缘型气体压力传感器制备方法，包括以下步骤：
7.s1，取硅作为基底，清洗，烘干；
8.s2，依次在硅基上用等离子增强化学气相沉淀法(pecvd)淀积二氧化硅和氮化硅，形成衬底；
9.s3，在衬底上旋涂光刻胶，在掩模版下曝光、显影，将光刻胶图案化，向光刻胶的凹槽内淀积掺磷多晶硅，形成梳齿电极，之后去掉光刻胶；
10.s4，淀积支撑层，厚度为梳齿电极和绝缘阵列厚度之和；
11.s5，将支撑层材料刻蚀一定厚度，使得凹槽底部与梳齿电极顶部处于同一高度，之后向凹槽内淀积绝缘阵列，绝缘阵列插入各相邻两个所述梳齿电极之间；
12.s6，淀积多晶硅材料作为压力敏感薄膜，并在压力敏感薄膜上打孔，通过湿法腐蚀，形成真空腔，最后利用淀积的方法密封空腔；
13.s7，在结构侧壁，梳齿电极处，溅射一层金属，将电极引出。
14.优选地，所述s3具体包括：在衬底上旋涂光刻胶，其中光刻胶的厚度等于梳齿电极厚度。
15.优选地，所述s4中的支撑层的材料为二氧化硅。
16.优选地，所述s5具体包括：利用干法刻蚀将支撑层材料刻蚀一定厚度。
17.优选地，所述s7中溅射一层金属的材料具体为铜或金。
18.本发明还提供了一种绝缘型气体压力传感器，包括：面对面设置压力敏感薄膜及衬底，且所述压力敏感薄膜及衬底之间形成密封空腔；
19.所述压力敏感薄膜上设有绝缘阵列，所述衬底上设有梳齿电极，所述绝缘阵列插入各相邻两个所述梳齿电极之间。
20.优选地，所述压力敏感薄膜的材料为多晶硅材料。
21.优选地，所述衬底包括多层结构，且由下到上的每层结构依次为硅、二氧化硅、氮化硅。
22.有益效果：本发明提供的一种绝缘型气体压力传感器及其制备方法，其中，传感器包括：面对面设置压力敏感薄膜及衬底，且所述压力敏感薄膜及衬底之间形成密封空腔；所述压力敏感薄膜上设有绝缘阵列，所述衬底上设有梳齿电极，所述绝缘阵列插入各相邻两个所述梳齿电极之间。介电常数与输出电容成正比关系，首先保证了其线性度，其次通过计算得到，绝缘材料的介电常数越大，电容变化量就越大，其最大电容变化量大于1个初始电容，通过绝缘材料的材料选择来调整灵敏度大小。这种结构打破了变间距式电容式压力传感器灵敏度和线性度相互制约的关系，电容器极板间的介电常数随外界压力发生变化，从而改变输出电容。该压力传感器做到了可以同时兼顾灵敏度和线性度，在获得良好线性度的同时拥有大的灵敏度。
附图说明
23.图1为本发明提供的一种绝缘型气体压力传感器制备方法流程图；
24.图2为本发明提供的一种绝缘型气体压力传感器的结构图；
25.图3为本发明提供的一种绝缘型气体压力传感器的内部结构图；
26.图4为本发明提供的一种绝缘型气体压力传感器的灵敏度侧视图。
27.附图标记说明：压力敏感薄膜1，衬底2，电容器上极板3，电容器下极板4，绝缘阵列5。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
29.图1为本发明提供的一种绝缘型气体压力传感器制备方法，包括以下步骤：
30.s1，取硅作为基底，清洗，烘干。
31.s2，依次在硅基上用等离子增强化学气相沉淀法(pecvd)淀积二氧化硅和氮化硅，形成硅/二氧化硅/氮化硅衬底。由下到上的每层结构依次为硅、二氧化硅、氮化硅。
32.s3，在衬底上旋涂光刻胶(厚度等于梳齿电极厚度)，在掩模版下曝光、显影，将光刻胶图案化，向光刻胶的凹槽内淀积掺磷多晶硅，形成梳齿电极，之后去掉光刻胶。
33.s4，淀积支撑层材料(这里选用二氧化硅)，厚度为梳齿电极和绝缘阵列厚度之和。
34.s5，利用干法刻蚀将支撑层材料刻蚀一定厚度，凹槽底部与梳齿电极顶部处于同一高度，之后向凹槽内淀积绝缘阵列材料。
35.s6，淀积多晶硅材料(压力敏感薄膜)，并在多晶硅上打孔，通过湿法腐蚀，形成真空腔，最后利用淀积的方法密封空腔。
36.s7，在结构侧壁，梳齿电极处，溅射一层金属材料(铜或金等材料)，将电极引出。
37.介电常数与输出电容成正比关系，首先保证了其线性度，其次通过计算得到，绝缘材料的介电常数越大，电容变化量就越大，其最大电容变化量大于1个初始电容，通过绝缘材料的材料选择来调整灵敏度大小。这种结构打破了变间距式电容式压力传感器灵敏度和线性度相互制约的关系，电容器极板间的介电常数随外界压力发生变化，从而改变输出电容。该压力传感器做到了可以同时兼顾灵敏度和线性度，在获得良好线性度的同时拥有大的灵敏度。
38.如图2和图3所示，该传感器的工作方式为：当外界气体压力作用在压力敏感薄膜1上，压力敏感薄膜1带动绝缘阵列5向下产生位移，插入到电容器上极板3与电容器下极板4的空隙中间，改变电容器上、下极板间的介电常数，使输出电容发生改变。电容器整体上是一个梳齿结构，每个梳齿与相邻的梳齿构成一个电容器，多个电容器之间是并联关系，提供一个较大的初始电容。压力敏感薄膜1的材料可以是多晶硅、单晶硅、氮化硅或碳化硅；绝缘阵列5的材料可以是氮化硅等大介电常数的材料，电容器的上下极板为不同掺杂的多晶硅材料；整个结构的侧壁可以是二氧化硅材料，用于真空腔的形成。
39.如图4所示，优选的方案，对梳齿电极对数(即并联电容器)做了研究，梳齿电极的对数决定了初始电容的大小，同时也影响着绝缘阵列的大小，进而影响压力敏感薄膜的形变。通过仿真了50对-90对的梳齿电极对数下不同气体压力的输出电容，最后得出：梳齿对数越多，输出电容与压强的灵敏度和线性度越好，这打破了灵敏度和线性度之间相互制约的关系。
40.不同梳齿电极对数(即并联电容器个数)下的灵敏度变化图。表明：随着梳齿电极对数的增加，灵敏度增加。如下表1所示。
41.表1梳齿电极对数与线性度关系
42.梳齿电极对数5060708090100线性度r20.890.930.940.970.990.99
43.如图2和图3所示，本发明实施例还提供了一种绝缘型气体压力传感器，包括：面对面设置压力敏感薄膜1及衬底2，且所述压力敏感薄膜1及衬底2之间形成密封空腔；所述压力敏感薄膜1上设有绝缘阵列5，所述衬底2上设有梳齿电极，所述绝缘阵列5插入各相邻两个所述梳齿电极之间。
44.整个结构包括压力敏感薄膜1(感知气体压力，产生形变)、真空腔(与外界气体压力形成压差)、硅衬底2(易于集成和沉积薄膜)、电容器(输出电容)、绝缘阵列5(提供大的介电常数)，其中电容器的上下极板与硅衬底简称衬底2相接触，绝缘阵列5与压力敏感薄膜1相接触。
45.具体地，压力敏感薄膜1的作用是感知气体压力，产生形变。真空腔的作用是与外界气体压力形成压差。衬底2的作用是易于集成和沉积薄膜。电容器的作用是输出电容。绝缘阵列5的作用是提供大的介电常数。
46.该传感器的工作方式为：当外界气体压力作用在压力敏感薄膜1上，压力敏感薄膜1带动绝缘阵列5向下产生位移，插入到电容器上极板3与电容器下极板4的空隙中间，改变电容器上、下极板间的介电常数，使输出电容发生改变。电容器整体上是一个梳齿结构，每个梳齿与相邻的梳齿构成一个电容器，多个电容器之间是并联关系，提供一个较大的初始
电容。压力敏感薄膜1的材料可以是多晶硅、单晶硅、氮化硅或碳化硅；绝缘阵列5的材料可以是氮化硅等大介电常数的材料，电容器的上下极板为不同掺杂的多晶硅材料；整个结构的侧壁可以是二氧化硅材料，用于真空腔的形成。
47.有益效果：本发明提供的一种绝缘型气体压力传感器及其制备方法，其中，传感器包括：面对面设置压力敏感薄膜及衬底，且所述压力敏感薄膜及衬底之间形成密封空腔；所述压力敏感薄膜上设有绝缘阵列，所述衬底上设有梳齿电极，所述绝缘阵列插入各相邻两个所述梳齿电极之间。介电常数与输出电容成正比关系，首先保证了其线性度，其次通过计算得到，绝缘材料的介电常数越大，电容变化量就越大，其最大电容变化量大于1个初始电容，通过绝缘材料的材料选择来调整灵敏度大小。这种结构打破了变间距式电容式压力传感器灵敏度和线性度相互制约的关系，电容器极板间的介电常数随外界压力发生变化，从而改变输出电容。该压力传感器做到了可以同时兼顾灵敏度和线性度，在获得良好线性度的同时拥有大的灵敏度。
48.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
49.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。