專利名稱：電容式硅微機械雨量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于微機械(MEMS)硅體加工的雨量傳感器，尤其是采用硅作 為敏感材料，玻璃或陶瓷等非硅材料作為襯底的電容式雨量傳感器。
背景技術(shù)：
迄今為止，國內(nèi)外已經(jīng)投入使用的固態(tài)存儲雨量計大部分是由翻斗式傳感器與 固態(tài)數(shù)據(jù)采集記錄裝置一-固態(tài)存儲記錄儀(以下簡稱記錄儀)連接組成。翻斗式雨量 計有兩種形式一雙翻斗式和單翻斗式，目前分別用于II型站和CAWS型站。
現(xiàn)有固態(tài)存儲雨量計存在著明顯的缺陷和不足，主要是傳感技術(shù)落后于信息處 理技術(shù)?，F(xiàn)有翻斗式雨量傳感器結(jié)構(gòu)簡單、無功耗的突出優(yōu)點使其得到廣泛推廣使 用，但該傳感器自身固有的缺陷和不足之處十分明顯和突出，如:測量精度差、領(lǐng)ll量 誤差隨雨強變化劇烈、受外界隨機因素影響大、儀器安裝調(diào)整煩瑣，使用中規(guī)范檢 定困難，由于存在可動結(jié)構(gòu)需要經(jīng)常清理和維護等等。在其他的方面各種新型的雨 量傳感器得到了大量的應(yīng)用，如用于化工業(yè)，建筑和車輛上的雨量傳感器。在雨量 傳感器中常用的測量原理有(1)重量(2)光學變化(3)電容(4)電阻。
比較典型的是自動控制汽車刮水系統(tǒng)的雨量傳感器。該雨量傳感器檢測雨量的 方法主要有電容式、紅外散射式。正常天氣情況下，目前的電容式雨量傳感器有一 固定的電容值，當有雨下到電容的柵極之間時，改變了電容的介電常數(shù)從而改變電 容值，以此判斷雨量的大小。紅外散射式是目前產(chǎn)品化雨量傳感器的主要工作方式， 傳感器自身發(fā)出的紅外光線透過玻璃入射到玻璃外表面，當有雨時，雨滴對光產(chǎn)生 散射，從玻璃射回傳感器接收端的光線變?nèi)?，從而判斷是否下雨、雨量大小?br>
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提出一種電容式硅微機械雨量傳感器，該傳感器由 于采用體硅薄膜作為敏感材料，采用絕緣材料作為襯底，大大減少了寄生電容的影 響。同時所有引線都從絕緣襯底上引出，簡化了工藝。采用帶有厚板的敏感膜結(jié)構(gòu)，使電容間距大大縮小，提高了測量靈敏度。
技術(shù)方案本發(fā)明的電容式硅微機械雨量傳感器采用單晶硅膜作為敏感材料， 采用絕緣材料玻璃或陶瓷作為絕緣襯底，用高摻雜的硅質(zhì)量塊的下表面作為電容上 電極，在硅質(zhì)量塊的上表面是一層氧化硅，絕緣襯底上濺射的金屬作為電容的下電 極，上下電極圖形一致，由多個單元形成一個2x2以上的二維陣列，且單元并聯(lián)在 一起，襯底與硅質(zhì)量塊用導電膠進行組裝，器件制作完成之后，進行引線鍵合，然 后在傳感器上表面均勻涂敷一層硅橡膠使其完全密封。釆用單晶硅膜作為敏感部分， 同時作為電容的一個電極，且該電極在絕緣襯底上直接引出。電容陣列單元中敏感膜 都帶有厚的硅質(zhì)量塊(6)，以減小與下電極的間距。
有益效果我國乃至世界大量采用的降水傳感器是翻斗式和虹吸式雨量傳感 器。它們都存在明顯的不足之處。比如系統(tǒng)笨重，安裝繁瑣，成本高，只適用于專 業(yè)性測量。與傳統(tǒng)的傳感器相比，電容式硅微機械雨量傳感器具有體積小、重量輕、 成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同 時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能. 由于釆用絕緣材料作為襯底，大大減少了寄生電容的影響。同時所有引線都從絕緣 襯底上引出，簡化了工藝，采用采用帶有厚板的敏感膜結(jié)構(gòu)，使電容間距大大縮小， 提高了測量靈敏度，總之電容式硅微機械雨量傳感器具有靈敏度高，溫度穩(wěn)定性好， 線性度高，可實現(xiàn)數(shù)字化輸出等優(yōu)點。


圖l是本發(fā)明的單元結(jié)構(gòu)示意圖，圖中有單晶硅膜l，金屬2，玻璃或陶瓷3， 氧化硅4，導電膠5，硅質(zhì)量塊6。
圖2為一個3 x 3結(jié)構(gòu)的雨量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的電容式硅微機械雨量傳感器利用壓敏電容將降雨的大小轉(zhuǎn)變?yōu)閴?力引起的彈性膜的形變，再將形變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸妮敵?，通過檢測雨水沖擊作用間造 成的電容的變化間接測量雨量的大小。為了減小寄生電容，采用絕緣材料玻璃或者 陶瓷作為襯底。為了提高電容的靈敏度，采用帶有厚板的敏感膜結(jié)構(gòu)，縮小了電容 間的間距。為了統(tǒng)計雨量的降水率，傳感器由多個基本結(jié)構(gòu)組成，并且每個電容單元的結(jié) 構(gòu)都完全相同。每個結(jié)構(gòu)如附圖l所示，形成nxn陣列，每個單元為一獨立的測量 單元，通過電路讀取和數(shù)據(jù)處理，可以測出雨在傳感器上的大小分布，進而根據(jù)測 量時間，可統(tǒng)計出雨量的降水量，同時還可根據(jù)分布情況，計算出是否冰雹或雨或 雪等。電容上下電極分別由高摻雜的硅以及玻璃上濺射的金屬鋁電極構(gòu)成。當上電 極表面受到雨水沖擊時，電容間距便會發(fā)生變化，致使輸出的電容變化。
本發(fā)明是一種電容結(jié)構(gòu)的雨量傳感器。其基本單元由高摻雜的硅以及玻璃上濺 射的金屬鋁電極構(gòu)成的壓敏電容組成。壓敏電容單元中受力發(fā)生形變的部分主要是 上電極，這部分主要是帶有質(zhì)量塊的周邊固置方形膜結(jié)構(gòu)。當受到雨水沖擊時，電 容間距便會發(fā)生變化。
該傳感器采用單晶硅膜1作為敏感材料，采用絕緣材料玻璃或陶瓷3作為絕緣 襯底，用高摻雜的硅質(zhì)量塊6的下表面作為電容上電極，在硅質(zhì)量塊6的上表面是 一層氧化硅4，絕緣襯底上濺射的金屬2作為電容的下電極，上下電極圖形一致， 由多個單元形成一個2x2以上的二維陣列，襯底與硅質(zhì)量塊6用導電膠5進行組裝， 器件制作完成之后，進行引線鍵合，然后在傳感器上表面均勻涂敷一層硅橡膠使其 完全密封。
本傳感器的制作過程為器件釆用MEMS體硅工藝制作。選取4英寸p型(IOO) 單晶低阻硅片，厚度515ym和4英寸的7740玻璃圓片。
(a) 硅片首先熱氧化；
(b) 背面光刻硅片，去掉背面氧化層，然后以Si02做掩膜用TMAH腐蝕出10 wm 的淺槽作為電容極板的間距；
(c) 再次熱氧化硅片；
(d) 第二次背面光刻，去掉背面氧化層，TMAH腐蝕，用時間自停止實現(xiàn)帶質(zhì)量塊 的硅膜；
(e) 在玻璃表面濺射一層金屬；
(f) 光刻、腐蝕金屬形成下電極；
(g) 玻璃與硅片面對面貼合并用有機硅橡膠包封保護；
權(quán)利要求
1. 一種電容式硅微機械雨量傳感器，其特征在于該傳感器采用單晶硅膜(1)作為敏感材料，采用絕緣材料玻璃或陶瓷(3)作為絕緣襯底，用高摻雜的硅質(zhì)量塊(6)的下表面作為電容上電極，在硅質(zhì)量塊(6)的上表面是一層氧化硅(4)，絕緣襯底上濺射的金屬(2)作為電容的下電極，上下電極圖形一致，由多個單元形成一個2×2以上的二維陣列，且單元并聯(lián)在一起，襯底與硅質(zhì)量塊(6)用導電膠(5)進行組裝，器件制作完成之后，進行引線鍵合，然后在傳感器上表面均勻涂敷一層硅橡膠使其完全密封。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式硅微機械雨量傳感器，其特征在于采用單晶硅 膜(1)作為敏感部分，同時作為電容的一個電極，且該電極在絕緣襯底上直接引出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電容式硅微機械雨量傳感器，其特征在于電容陣 列單元中敏感膜都帶有厚的硅質(zhì)量塊(6)，以減小與下電極的間距。
全文摘要
電容式硅微機械雨量傳感器采用單晶硅膜(1)作為敏感材料，采用絕緣材料玻璃或陶瓷(3)作為絕緣襯底，用高摻雜的硅質(zhì)量塊(6)的下表面作為電容上電極，在硅質(zhì)量塊(6)的上表面是一層氧化硅(4)，絕緣襯底上濺射的金屬(2)作為電容的下電極，上下電極圖形一致，由多個單元形成一個2×2以上的二維陣列，襯底與硅質(zhì)量塊(6)用導電膠(5)進行組裝，器件制作完成之后，進行引線鍵合，然后在傳感器上表面均勻涂敷一層硅橡膠使其完全密封。本傳感器是將雨水的沖擊力轉(zhuǎn)換成壓敏電容信號，根據(jù)電容的變化量間接檢測雨量的大小。該傳感器靈敏度高，溫度穩(wěn)定性好，體積小，便攜性好，成本低的優(yōu)點，能廣泛應(yīng)用于各種場合。
文檔編號B81B7/02GK101509788SQ20091002582
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者余輝洋, 明 秦, 顧興蓮 申請人:東南大學