一種電容式壓力傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓力傳感器及其制備方法，特別是一種基于介電應(yīng)變效應(yīng)帶溫度補償?shù)碾娙菔綁毫鞲衅骷捌浼庸し椒ā?br>【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的壓力傳感器的感應(yīng)原理主要包括兩種:壓阻感應(yīng)和電容感應(yīng)。壓阻感應(yīng)的原理是:壓力作用下，由于膜變形產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致膜上電阻發(fā)生變化。電容感應(yīng)的原理一般是:將傳感器設(shè)計成一個電容結(jié)構(gòu)，將電容的其中一個極板設(shè)計為可動結(jié)構(gòu)。壓力作用下，該可動電極發(fā)生形變或位移，使電容間距發(fā)生變化，傳感器的電容值也隨之改變。但這兩種壓力傳感器都存在一些缺陷:(I)壓阻式壓力傳感器:這類壓力傳感器一般對設(shè)計的要求很高，對壓敏電阻材料的電阻率、電阻形狀以及擺放位置都有嚴格要求，而且加工工藝的要求也很高，加工時必須保證構(gòu)成惠斯通電橋的四個壓敏電阻阻值完全相等，否則就會導(dǎo)致傳感器的零點漂移等問題。此外，壓阻式壓力傳感器的功耗一般比較高。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器節(jié)點的供電問題對功耗提出了嚴格的限制，這個要求限制了壓阻式壓力傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。(2)電容式壓力傳感器:現(xiàn)有的基于變間距原理的電容式壓力傳感器雖然具有功耗低，溫漂小等特點，但也存在一些的問題。第一個主要問題是結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，尤其是電極引出問題，并且由于存在一個可動電極，導(dǎo)致封裝困難，可靠性較差。第二個主要問題是非線性問題，由于電容值與間距之間的關(guān)系是非線性的，導(dǎo)致了電容值與待測壓力之間的非線性。由于上述問題的存在，東南大學(xué)MEMS教育部重點實驗室周閔新等人提出了基于介電應(yīng)變效應(yīng)的“三明治”結(jié)構(gòu)電容式壓力傳感器，可以解決電容式壓力傳感器電極引出困難和非線性問題，但是該“三明治”電容結(jié)構(gòu)存在著溫漂的問題。本發(fā)明就是針對該結(jié)構(gòu)進行的改進，用于解決傳感器的溫漂問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，測量原理新穎的電容式壓力傳感器，并且該結(jié)構(gòu)解決了由于感壓機制的局限性帶來的溫漂問題。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005]—種電容式壓力傳感器，包括形成有壓力腔的襯底娃片5，在所述襯底娃片5上方疊置有多個電容器，其中中間電容器的上電極為上面電容器的下電極，中間電容器的下電極為下面電容器的上電極，所述多個電容器的電容介質(zhì)互不相同。
[0006]進一步地，包括對所述襯底硅片5的背面進行各向異性腐蝕而在其正面所形成的硅膜I。
[0007]進一步地，所述多個電容器包括第一電容器及第二電容器，其中第一電容器的下電極6系對襯底娃片5或者娃膜I的上表面重摻雜而形成。
[0008]進一步地，所述第一電容器的電容介質(zhì)是；所述第二電容器的電容介質(zhì)是。
[0009]進一步地，還包括所述襯底硅片5背面鍵合的玻璃3，以形成密封腔。
[0010]本發(fā)明還提出一種電容式壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0011]a:在所述襯底硅片5的正面選擇重摻雜區(qū)域，進行離子注入；
[0012]b:在所述襯底硅片5上方生長第一絕緣介質(zhì)層；
[0013]c:在所述第一絕緣層上生長第一金屬層，經(jīng)光刻形成為第一電容的上電極；
[0014]d:在第一金屬層上生長第二絕緣介質(zhì)層；
[0015]e:在所述第二絕緣介質(zhì)層上生長第二金屬層；
[0016]f:對襯底硅片5進行背面腐蝕，在所述襯底硅片5正面形成硅膜I，在其背面形成壓力腔。
[0017]進一步地，所述第一絕緣介質(zhì)和所述第二絕緣介質(zhì)不同。
[0018]進一步地，在步驟a之前，還包括在襯底硅片5的上下底面熱氧化生成氧化層。
[0019]進一步地，還包括在所述襯底硅片5的背面鍵合玻璃3。
[0020]進一步地，所述背面腐蝕采用TMAH溶液，腐蝕過程中對所述襯底硅片5正面進行保護。
[0021]本發(fā)明提出的壓力傳感器，具有以下有益效果:
[0022](I)基于介電應(yīng)變效應(yīng)(在應(yīng)力或應(yīng)變的作用下，電容的介質(zhì)材料的介電常數(shù)會發(fā)生變化)的感壓機制決定了加工出的傳感器存在溫度效應(yīng)。本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)可以進行溫度補償從而解決溫漂問題。
[0023](2)本發(fā)明的加工工藝簡單，加工過程不需要用到十分復(fù)雜的工藝步驟。
[0024](3)與傳統(tǒng)的溫度補償?shù)姆椒?設(shè)計一個形狀尺寸相同輸出不隨壓力變化的參考結(jié)構(gòu))相比，該方案大大減小了芯片面積。此外該結(jié)構(gòu)有兩個感壓電容，可以將它們并聯(lián)提高結(jié)構(gòu)的靈敏度。
【附圖說明】
[0025]附圖1是本發(fā)明的主視圖。
[0026]附圖2是本發(fā)明的俯視圖。
[0027]圖中硅膜I，第一絕緣介質(zhì)2，玻璃3，第一電容的上電極/第二電容的下電極及壓焊塊4，襯底硅片5，第一電容的下電結(jié)6，第二絕緣介質(zhì)7，第二電容的上電極8，第一電容下電極引出壓焊塊9，10為第二電容的上電極引出壓焊塊。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明利用介電應(yīng)變效應(yīng)。硅膜受壓力作用發(fā)生形變使得位于其上的兩個電容的電介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力/應(yīng)變，電介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，傳感器的輸出電容發(fā)生變化，由于這兩個電容的值隨溫度和壓力的變化都會發(fā)生變化。因此，傳感器的兩個輸出電容采用不同介質(zhì)，利用它們的溫度效應(yīng)不同，解決溫漂問題。測量出的兩個電容可以表示成兩個與溫度和壓力相關(guān)的量:C1?f\(P，T)，C2?f2(P，T)。對兩個方程求解，可以反推出測試條件下的氣壓和溫度。
[0029]實施例1
[0030]本發(fā)明提出一種電容式壓力傳感器，包括:形成有壓力腔的襯底娃片，在襯底娃片上方疊置有多個電容器，其中中間電容器的上電極為上面電容器的下電極，中間電容器的下電極為下面電容器的上電極，并且多個電容器的電容介質(zhì)互不相同。例如，參見圖1，雙面拋光的襯底娃片5的上表面重摻雜形成第一個電容的下電極6，在下電極6的正上方的表面生長一層絕緣層2作為第一個電容的介質(zhì)層，在該介質(zhì)層上方生長一層金屬層形成第一個電容的上電極及壓焊塊4，該電極同時還作為第二個電容的下電極，同時還利用該層金屬形成壓焊塊9，第一個電容的下電極就通過壓焊塊9引出。在該電極的正上方生長一層絕緣層7作為第二個電容的介質(zhì)層，這里需要注意的是絕緣層2和絕緣層7是兩種不同的材料。然后在該絕緣介質(zhì)層7上方生長一層金屬材料形成第二個電容的上電極8和壓焊塊10最后，襯底娃片5背面各向異性腐蝕在其正面表面形成一塊娃膜1，襯底娃片5背面與玻璃3進行陽極鍵合，在硅膜I下方形成一個密封腔。
[0031]利用介電應(yīng)變的原理，將壓力變化轉(zhuǎn)化成膜上兩個電容的電容值變化。利用該傳感器可以在測量壓力的同時進行溫度補償。傳感器中包含的兩個電容的電容值隨壓力和溫度的變化都會發(fā)生變化。由于該傳感器的感壓