CN104062044A - 一种微机械差分电容式压力计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机械差分电容式压力计。该压力计的两个电容由三个电容极板组成：由玻璃片或硅片上淀积金属形成的上极板，重掺杂的硅形成的下级板，与敏感压力的膜片部分相连的单晶硅或多晶硅形成的中间可动极板。本压力计基于压力计结构中基本的硅杯结构，当压力作用于敏感膜片时，膜片变形，连接在敏感膜片上的中间极板也随之变形，从而使得上下两个电容的电容值发生变化，形成差动的信号输出。该压力计的制备工艺简单，可利用差动结构的优点，实现对压力的差动检测。

Description

一种微机械差分电容式压力计

技术领域

本发明涉及MEMS(微电子机械系统)差分电容式压力计技术领域。

背景技术

电容式结构在微传感器领域有十分广泛的应用，相较于压阻式结构，电容式结构有较低的温度系数，电容式结构具有功耗低、灵敏度高、结构简单、动态特性好等优点，所以电容式传感器被认为是一种很有发展前途的传感器。然而由于电容式传感器本身具有非线性，微小电容的检测易受寄生电容的影响以及环境电磁场的干扰，电容式传感器直到80年代才有比较大的进步。第一个硅电容式压力传感器是由FordMotor于1979年报道的，此后，很多公司，大学和科研机构相继报道了各种微机械电容式传感器。

电容式压力传感器中的电容一般情况为一个极板固定，另一个极板随压力的作用而产生变形，使得电容间距发生变化，从而引起电容值的变化。以平行板电容器为例，当忽略边际效应时，平行板电容的值为：

$c=\frac{\mathrm{\ϵS}}{d}---\left(1\right)$

式中，C为电容值，ε为极板间介电常数，S为两极板相互覆盖的有效面积，d为两极板间距。对于变间距型，平行板电容器的电容值随电容间距的变化而发生变化，这种结构的电容式传感器也是应用最广泛的结构。

差动式电容传感器中一般由两个电容器组成，它们有一个共用极板，当共用极板变形时，一个电容值C1随极板间距变化Δd时增加，另一个电容值C2随极板间距变化Δd时减小，它们的电容分别为：

$C_1=\frac{\mathrm{\ϵS}}{d_0+\mathrm{\Δd}}=\frac{\mathrm{\ϵS}}{d_0(1+\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0})}=C_0\frac{1}{1+\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}}=C_0[1-\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}+{\left(\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}\right)}^2-{\left(\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}\right)}^3+...]---\left(2\right)$

$C_2=\frac{\mathrm{\ϵS}}{d_0-\mathrm{\Δd}}=\frac{\mathrm{\ϵS}}{d_0(1-\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0})}=C_0\frac{1}{1-\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}}=C_0[1+\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}+{\left(\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}\right)}^3+...]---\left(3\right)$

电容的变化量为：

$\mathrm{\ΔC}=C_2-C_1={2C}_0(\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}+{\left(\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}\right)}^3+...)---\left(4\right)$

电容的相对变化量为：

$\frac{\mathrm{\Δd}}{C_0}=2(\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}+{\left(\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}\right)}^3+...)---\left(5\right)$

当Δd＜＜d₀时，略去高次项，则ΔC/C₀与Δd/d₀近似成线性关系，即

$\frac{\mathrm{\ΔC}}{C_0}\≈2\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}---\left(6\right)$

差动电容式传感器比单一电容的传感器的灵敏度增大了一倍，非线性又可大大降低，而且还能有效地补偿温度等共模信号造成的误差。

1994年美国密歇根大学的Carlos H.Mastrangelo等发明了一种差动式电容压力计，该差动式电容压力计包含一个随压力变化的电容与一个值不变的参考电容，参考电容与可动电容相比，除了没有膜片结构，其余特征完全一样。在压力的作用下，组成可动电容的下极板的膜片发生变形，使得电容的电容间隙变化。该传感器的压力敏感部分采用了性能优异、可重复性好的单晶硅，电容上极板采用的淀积多晶硅材料，电容间隙由PSG牺牲层最终形成，下极板通过硅重掺杂砷与金属欧姆接触引出。该传感器芯片面积为1.5*1.9mm²，参考电容为3.5pf，在100PSI压力下电容的变化为0.8pf，温度系数仅为100ppm℃^-1。然而该压力计结构不算严格意义上的差分结构，对于压力的作用，一个电容增大(减小)，另一个电容并不是相对地减小(增大)，而是固定不变。

2000年美国密歇根大学的ChuanChe Wang报道了一种对污染不敏感的差分电容式压力计，该差分电容的三个极板均为多晶硅组成，中间的极板是固定不动的，上下两极板则是连在一起，压力会使得上下两极板共同变形，两个电容的腔体是密封的，故可以对外界的污染可以起到隔绝的作用，该结构同样可对共模信号产生一定的抑制作用，实验表明，下电容在-70kPa到70kPa的压力范围内可以可以产生73fF的电容变化，，而在30到200kPa的共模压力范围内却只能产生2fF的电容变化。

2003年韩国的Dae-Sung Lee发表了一篇专利US6,651,506 B2，该专利介绍了一种差分式电容压力计的两种可能结构，该电容式压力传感器可以实现对压力的差分检测，但是实现工艺还存在一定的难度。

2011年美国密歇根大学的Y.Zhang报道了一种高灵敏，可隔绝外界环境干扰的电容式压力计，该压力计将压力敏感膜片与电容的一个极板分开，敏感膜片通过中心的一个绝缘支柱与电容器的可动极板实现机械上的连接，电的绝缘，膜片的变形带动可动极板的变形，实现电容值的变化。

目前人们对差分式电容压力计的研究成果较少，主要是可变电容与参考电容的结合，检测差分压力，或是一些仅在结构设计方面的成果，工艺简单，严格的差分式电容压力计的报道还很少。

发明内容

本发明的目的在于提出一种工艺上可行，且工艺简单，基于SOI材料或表面牺牲层技术与MEMS工艺技术相结合的一种差动式电容压力计，从而实现对电容式压力计的电容信号的差分检测，以利用差动结构的优点，实现对压力更为敏感的测量。

本发明的一种微机械差分电容式压力计包括：感应压力的硅杯结构(其中包含敏感膜片)，与敏感膜片通过绝缘支柱连接，其余部分悬空的中间可动极板，以及上电极盖板。

本发明的一种微机械差分电容式压力计基本结构为微机械压力计中常用的硅杯结构，硅杯结构既是压力敏感部位，也用来提供差动电容器中的下极板，硅杯的形成基于SOI片或硅片，通过在SOI片或硅片背面各向异性腐蚀出一个空腔而形成，硅杯结构中的膜片为压力敏感膜片；中间可动极板通过两个绝缘支柱与硅杯的压力敏感膜片连接在一起，绝缘支柱为二氧化硅，为SOI片的埋氧层或淀积的二氧化硅形成，中间可动极板由淀积的多晶硅材料或SOI片的单晶硅器件层组成；上极板与硅杯结构键合在一起，上极板为玻璃片时，与硅杯结构通过阳极键合连接在一起，上极板为硅片时，通过介质键合连接在一起。

本发明的一种微机械差分电容式压力计的两个差动电容中的下电容是由硅杯中的下极板和中间可动极板组成，两极板的初始间距等于可动极板与硅杯敏感膜片连接的绝缘支柱的高度，面积为两极板重叠区域的面积；上电容是由中间可动极板和上极板组成，两极板的间距等于上极板预先被腐蚀的深度减去中间可动极板距离下键合硅面的高度。

本发明的一种微机械差分电容式压力计的工作原理是当硅杯的膜片感应到压力时，膜片发生变形，连接在膜片上的绝缘支柱随之发生变动，连接在绝缘支柱上的中间极板也随之移动，最终使得中间极板与下极板的间距、中间极板与上极板的间距发生变化，两间距的变化方向相反，故电容值的变化相反，由此实现了电容的差动检测。

本发明中的三个极板的电极引出情况为：下电极板的硅重掺杂，通过欧姆接触与金属压焊电极连接，下极板的电极引出通过下极板上的金属压焊电极来引出；上电极的引出使用的是玻璃片或硅片上淀积的金属，在制作上极板时预先腐蚀出一个槽，金属压焊电极通过槽里的金属与上极板的金属电极连接；中间极板先通过悬臂梁与一固支部位连接，在固支部位再淀积金属电极引出，该固支部位是与硅基座连接，中间通过绝缘体实现与硅基座的绝缘，中间极板、悬臂梁、固支部位可以采用重掺杂的单晶硅或多晶硅，再通过欧姆接触与金属电极连接。

附图说明：

附图说明

图1为本发明的一种微机械差分电容式压力计的结构示意图；

图2为本发明的一种微机械差分电容式压力计的上极板的结构示意图；

图3A为本发明的一种微机械差分电容式压力计的硅片上的硅杯与中间极板的结构示意图；

图3B为图3A中硅片上的硅杯与中间极板的结构A-A′向剖面视图；

图4A为本发明的一种微机械差分电容式压力计的一种加工基片，该加工基片为单器件层SOI单晶硅圆片；

图4B为图4A中所述单器件层SOI单晶硅圆片的A-A向剖面视图；

图5a-图5f为本发明的一种微机械差分电容式压力计的硅杯与中间极板结构的具体实施方式的主要制备过程示意图；

图6a-图6c为本发明的一种微机械差分电容式压力计的上极板结构的具体实施方式的主要制备过程示意图；

图7为本发明的一种微机械差分电容式压力计的上极板与硅杯结构键合后的剖面图；

具体实施方式：

为使本发明的上述结构、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的一种微机械差分电容式压力计的结构示意图，100G为压力计的上电极盖板，100S为下硅片；图2为图1结构示意图中的上极板100G的结构示意图，在玻璃片或硅片31上光刻腐蚀出凹槽32，凹槽32用来后续的淀积金属，形成上电极板和压焊电极，凹槽33的作用是为下硅片100S上的悬臂梁留出键合时的空间，凹槽34是为划片留出的划片槽。

本发明的一种微机械差分电容式压力计的下硅片的结构如图3，衬底40为硅杯的形状，同时也是下极板。41a-41b为中间可动极板，采用2个极板可以增加电容的面积，增大电容值。42a-42b是两个绝缘支柱，分别连接中间极板41a与衬底40和中间极板41b与衬底40。悬臂梁43连接中间可动极板41a-41b与固支部分45和44，悬臂梁43悬空，与衬底40不接触。固支部分由45和44部分组成，44为绝缘体，45的组成材料与悬臂梁43、上极板41a-41b相同，为导电材料，绝缘体44连接45与衬底40。46与47均为金属压焊电极，固支部分45通过欧姆接触与压焊电极46连接，使得上极板得以引出，衬底40通过欧姆接触与压焊电极47连接，使得下极板得以引出。图3B为图3A中硅片上的硅杯与中间极板的结构A-A′向剖面视图。

图4为本发明的一种微机械差分电容式压力计的一种加工基片，该加工基片为单器件层SOI单晶硅圆片，21为该SOI片的器件层，22为SOI片的二氧化硅层，23为SOI片的衬底。

图5(a)至图5(f)为本发明所述的一种微机械差分电容式压力计的硅片上的结构的主要制备过程。

该实施方式基于SOI片，如图5a中为本实施方式中的SOI片，1为SOI片的器件层，2为二氧化硅层，3为SOI片的衬底。

首先将该SOI基片背面各向异性腐蚀出一个空腔4，形成硅杯的结构，如图5b；然后将SOI片的正面光刻图形化，刻蚀去除掉部分器件层与埋氧层，如图5c，5和6是被刻蚀掉的器件层与埋氧层，6为腐蚀小孔；接着正面扩散或离子注入，使得余留的器件层与露出来的SOI衬底重掺杂，如图5d；接着在SOI片正面淀积金属并且光刻图形化，留下下极板(SOI片的衬底)与中间极板(余留下的SOI片的器件层)的压焊电极，合金化形成欧姆接触，如图5e，其中7为中间极板的压焊电极，8为下极板的压焊电极；最后将SOI基片放入BHF腐蚀液中，腐蚀液透过腐蚀孔6腐蚀掉中间极板下的大部分埋氧层，如图5f，留下连接中间极板与下极板的绝缘支柱以及固支部分的绝缘连接。

除上述实施方式中使用SOI片作为加工基片外，也可以使用普通硅片作为加工基片，通过在硅片上淀积二氧化硅来代替SOI片中的埋氧层，淀积多晶硅材料作为中间极板，代替SOI片中的器件层，在这种方式中，硅片表面下极板的掺杂和多晶硅表面中间极板的掺杂可以分两步分别进行，使得整个硅表面均为重掺杂。

图6a-图6c为本发明的一种微机械差分电容式压力计的上极板结构的主要制备过程，图6a所示的为上极板的制作基片9，可以是玻璃片，也可以是硅片；图示6b将基片9光刻刻蚀出一定形状的凹槽10；图6c为在基片9上淀积金属，然后光刻图形化，留下上电极与压焊电极。

除了用淀积的金属作为电极外，也可以将硅上极板基片重掺杂，用重掺杂的硅作为上极板，这种情况下上极板的引出是通过金属压焊电极与重掺杂硅形成欧姆接触而引出。

图7为本发明的微机械差分电容式压力计的上极板与硅杯结构键合后的剖面图，图7中的100G为图1中的100G，为本发明的微机械差分电容式压力计的上极板，100S为图1中的100S，为本发明电容式压力计的硅杯结构。

以上对本发明所提供的一种基于预制空腔SOI基片的集成压阻式加速度计与压力计的加工方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种微机械差分电容压力计，其特征自下而上包括：感应压力的硅杯结构(其中包含敏感膜片)，与敏感膜片通过绝缘支柱连接，其余部分悬空的中间可动极板，以及上电极盖板，其特征在于：

硅杯结构中的膜片会因压力的作用而产生形变，连接于敏感膜片和中间极板的绝缘支柱随之变动，带动中间极板的移动，由下极板和中间极板构成的下电容与由中间极板和上极板构成的上电容的两个电容值分别发生变化，形成差动结构；

下极板由低电阻硅组成，包括膜片区域和膜片区域以外的与中间极板相对的部分，下极板的引出通过与低电阻硅形成欧姆接触的金属压焊电极引出；

中间极板由低电阻单晶硅或低电阻多晶硅组成，中间极板的引出通过与低电阻单晶硅或低电阻多晶硅形成欧姆接触的金属压焊电极引出；

上极板可由玻璃材料组成，玻璃材料本身绝缘不导电，在玻璃上淀积金属作为上电极，玻璃与硅杯阳极键合在一起，或者由硅片组成，上极板硅片与下极板硅通过绝缘介质键合在一起。

2.根据权利要求1所述的一种微机械差分电容压力计，其特征在于，中间可动极板、下极板与硅杯结构基于SOI片，中间可动极板由SOI片的硅单晶器件层形成，绝缘支柱由SOI片的埋氧层形成，下极板由SOI片的衬底组成，SOI片的器件层和衬底均为重掺杂，硅杯结构由SOI片在背面形成一个空腔组成。

3.根据权利要求1所述的一种微机械差分电容压力计，其特征在于，下极板与硅杯结构基于单晶硅片，硅片表面重掺杂，硅杯结构由硅片在背面形成一个空腔组成，中间可动极板由淀积多晶硅组成，多晶硅重掺杂，绝缘支柱由淀积的二氧化硅组成。

4.根据权利要求1所述的一种微机械差分电容压力计，其特征在于，下极板与硅杯结构基于SOI片，下极板由SOI片的单晶硅器件层组成，器件层重掺杂，硅杯结构由SOI片在背面形成一个空腔组成，中间可动极板由淀积多晶硅组成，多晶硅重掺杂，绝缘支柱由淀积的二氧化硅的组成。

5.根据权利要求1所述的一种微机械差分电容压力计，其特征在于，上极板由玻璃组成，玻璃预先腐蚀出腔体，在腔体里淀积金属作为上极板的电极，玻璃上极板通过阳极键合与硅杯结构组合在一起。

6.根据权利要求1所述的一种微机械差分电容压力计，其特征在于，上极板由硅片组成，硅片预先腐蚀出腔体，在腔体里淀积金属作为上极板的电极，硅上极板通过绝缘介质与硅杯结构键合在一起。

7.根据权利要求1所述的一种微机械差分电容压力计，其特征在于，上极板由硅片组成，硅片预先 腐蚀出腔体，硅片重掺杂作为上电极，上电极的引出是通过与重掺杂硅形成欧姆接触的金属压焊电极引出，硅上极板通过绝缘介质与硅杯结构键合在一起。

8.根据权利要求1所述的一种微机械差分电容压力计，其特征在于有两个检测电容，该两个电容共用一个极板，共用的极板为中间可动极板，中间极板移动后，一个电容的间距增大，另一个电容的间距减小，两个电容的电容值发生变化，一个增大，一个减小，形成差分的关系。

9.根据权利要求1所述的一种微机械差分电容压力计，其特征在于，绝缘支柱连接着感应压力的膜片和中间极板，膜片的变形带动绝缘支柱的变动，进而引起中间极板的移动，中间极板通过悬臂梁与一固支点连接，固支点由重掺杂的单晶硅或重掺杂的多晶硅(与中间极板的材料相同)通过绝缘基座(与绝缘支柱的材料相同)与硅杯相连，中间极板的引出是由通过与固支点的低电阻单晶硅或低电阻多晶硅形成欧姆接触的金属压焊电极引出。