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)明屬于壓力傳感器領(lǐng)域，涉及一種電容式壓力傳感器及其制備方法，特別涉及一種大電容變化的電容式壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]壓力傳感器是通過檢測因壓力而發(fā)生電阻、電容、電流、光等參數(shù)變化來測試壓力變化的傳感器，壓力傳感器與加速度傳感器一樣，都是量大面廣的傳感器，每年的需求量達(dá)到了幾十億只。
[0003]壓力傳感器種類繁多，主要有硅壓阻式壓力傳感器、諧振型壓力傳感器、電容式壓力傳感器等，硅壓阻式壓力傳感器是通過檢測硅電阻阻值隨壓力變化而變化來檢測壓力，這種壓力傳感器因為硅電阻是半導(dǎo)體電阻，存在電阻阻值隨溫度變化，還有采用PN結(jié)隔離，存在PN結(jié)漏電等問題，其處理電路既要完成電阻信號的檢測信號拾取與放大處理，又要進(jìn)行硅電阻的溫度補償，這就對處理電路提出了非常高的要求，因此，硅壓阻式壓力傳感器限于成本，主要用于精度要求不高、環(huán)境要求不高的領(lǐng)域。諧振型壓力傳感器是利用傳感器的固有諧振頻率隨壓力變化的特點來檢測壓力，它消除了傳感器因外界環(huán)境變化(如:溫度、磁等)造成對壓力檢測精度所帶來的影響，是高精度壓力檢測的首選傳感器，但是加工難度較大，世界上目前也只有三家公司研制成功。電容式壓力傳感器是電容極板的相對位置會隨著壓力的變化而改變，從而引起電容的改變，通過檢測電路對電容的測量，實現(xiàn)壓力的測量。這種傳感器消除了硅壓阻式壓力傳感器PN結(jié)漏電、電阻隨溫度變化所帶來的影響的問題，同時還具有低功耗的優(yōu)點，是中等精度壓力檢測的理想壓力傳感器，但是由于電容加工方式方法上的不同，性能差異也很大。專利文獻(xiàn)I “電容式半導(dǎo)體壓力傳感器”(申請?zhí)?03147270.2)提出采用多晶硅作可動的電容極板，金屬固定電極與一可動的多晶硅隔膜所構(gòu)成的平板電容(Plate capacitor)，設(shè)置于一非單晶硅基底上，成為一種電容式半導(dǎo)體壓力傳感器，這種方法制作的壓力傳感器由于多晶硅楊氏模量比起不銹鋼或單晶硅來差很多，造成多晶硅隔膜抗疲勞強度較差，因此可靠性不高，另外，該電容之間的空腔距離小，電容變化范圍小，對外圍電路檢測提出了很高的要求；感應(yīng)外界壓力的多晶硅隔膜和引線是同面，需要增加保護(hù)工藝來保護(hù)引線，避免受外界影響。專利文獻(xiàn)2 “高Q值大相對變化量電容壓力傳感器”(申請?zhí)?201010548819.3)，提出由周邊固支的彈性振動膜片組成電容器，通過調(diào)整圓形電極與振動膜片半徑之比、設(shè)置絕緣凸點等手段，使振動膜片處于大應(yīng)變狀態(tài)，最大電容與初始電容之比盡可能大，從而使電容達(dá)到大相對變化量、高Q值的目的。該方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)大電容變化，降低外圍檢測電路的要求，振動膜片可采用高楊氏模量的不銹鋼材料制作，提高抗疲勞強度，進(jìn)一步提高可靠性，但是整個電容的體積較大，批量生產(chǎn)能力差

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種電容式壓力傳感器及其制備方法。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0006]一種電容式壓力傳感器，包括由導(dǎo)電單晶硅可動電極板和金屬固定電極構(gòu)成的平板電容，其特征在于:還包括導(dǎo)電單晶硅基底和設(shè)置在導(dǎo)電單晶硅可動電極板和導(dǎo)電單晶硅基底之間的導(dǎo)電支承結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)電單晶硅可動電極板、導(dǎo)電單晶硅基底和導(dǎo)電支承結(jié)構(gòu)中間形成密閉腔室，所述金屬固定電極設(shè)置在密閉腔室內(nèi)部的導(dǎo)電單晶硅基底上；所述導(dǎo)電單晶硅基底包括多個彼此絕緣的導(dǎo)電單晶硅塊，所述多個導(dǎo)電單晶硅塊中各塊均不同時與導(dǎo)電單晶硅可動電極板和金屬固定電極連通，但至少各有一塊分別與導(dǎo)電單晶硅可動電極板和金屬固定電極連通。
[0007]優(yōu)選的，所述導(dǎo)電單晶硅可動電極板包括單晶硅電極隔膜和單晶硅支承柱，該電極隔膜下部設(shè)有彈性膜腔室，上部設(shè)有可動極板腔室。
[0008]優(yōu)選的，所述導(dǎo)電單晶硅可動電極板材質(zhì)為N+型單晶硅，所述單晶硅電極隔膜厚度為105-155 μ m，彈性膜腔室的深度為250± 10 μ m，可動極板腔室的深度為20±5 μπι。
[0009]優(yōu)選的，所述導(dǎo)電單晶硅基底包括彼此絕緣的左右兩塊，所述左右兩塊單晶硅基底上部分別設(shè)有導(dǎo)電引出端，下部分別設(shè)有凸起，所述左右兩塊單晶硅基底之間的硅槽區(qū)及下表面除凸起外的隔離區(qū)均設(shè)有絕緣材料，所述導(dǎo)電支承結(jié)構(gòu)和金屬固定電極分別與左側(cè)或右側(cè)的凸起直接接觸。
[0010]優(yōu)選的，所述導(dǎo)電單晶硅基底材質(zhì)為N+型單晶硅，厚度為400±10μπι，電阻率為0.008-0.01 Ω.cm ;所述金屬固定電極材質(zhì)為含硅量0.7-1.2%的硅鋁合金，厚度為1.2 + 0.1 μ m0
[0011]優(yōu)選的，所述絕緣材料為玻璃粉。
[0012]優(yōu)選的，導(dǎo)電支承結(jié)構(gòu)為鈦鎢合金和鋁硅合金兩層復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0013]優(yōu)選的，所述金屬固定電極的下表面設(shè)有二氧化硅層。
[0014]本發(fā)明制備所述電容式壓力傳感器的方法，首先制備導(dǎo)電單晶硅可移動電極板、然后制備固定電極、最后組對所得單晶硅可移動電極板和固定電極并去除固定電極多余部分得產(chǎn)品。
[0015]進(jìn)一步，所述導(dǎo)電單晶硅可動電極板由以下步驟制得:
[0016]I)、選取N+型單晶娃片并進(jìn)彳丁雙面拋光；
[0017]2)、氧化步驟I)的單晶硅片，使其表面生成二氧化硅層；
[0018]3)、在步驟2)的單晶硅片雙面沉積氮化硅層；
[0019]4)、刻蝕去除彈性膜腔室處的氮化硅和二氧化硅；
[0020]5)、刻蝕去除可動極板腔室處的氮化硅；
[0021]6)、利用蝕刻液初次蝕刻彈性膜腔室處的硅；
[0022]7)、刻蝕去除可動極板腔室處的二氧化硅；
[0023]8)、同步蝕刻可動極板腔室和彈性膜腔室處的硅至指定深度；
[0024]9)、去掉剩余的氮化硅和二氧化硅。
[0025]進(jìn)一步，制備所述固定電極時包括以下步驟:
[0026]1)、選取 N+
[0027]型單晶硅片，單面拋光、雙面氧化使其表面生成二氧化硅層；
[0028]2)、刻蝕去除步驟I)單晶硅片拋光面硅槽區(qū)和隔離區(qū)處的二氧化硅；
[0029]3)、初次刻蝕去除硅槽區(qū)的硅；
[0030]4)、同步刻蝕去除硅槽區(qū)和隔離區(qū)處的硅；
[0031]5)、去除余留的二氧化硅層；
[0032]6)、將玻璃粉均勻涂覆在硅槽區(qū)和隔離區(qū)位置并高溫固化；
[0033]7)、在步驟6)的單晶硅硅槽區(qū)表面濺射鋁硅固定電極，在隔離區(qū)表面濺射鋁硅合金層，所述鋁硅固定電極和鋁硅合金層分別與單晶硅片下部不同的凸起接觸且兩者之間不導(dǎo)通；
[0034]8)、在步驟7)鋁硅合金層表面濺射一層鈦鎢合金。
[0035]進(jìn)一步，壓力傳感器組對按如下步驟進(jìn)行:
[0036]I)、將導(dǎo)電單晶硅可動電極板和固定電極對準(zhǔn)疊合，并加快導(dǎo)電支承結(jié)構(gòu)中的金屬擴散，使兩者可靠鍵合；
[0037]2)、將步驟I)鍵合好的固定電極硅片進(jìn)行減薄、拋光，露出隔離槽中的絕緣材料；
[0038]3)、在步驟2)固定電極背面、隔離槽兩側(cè)分別濺射或蒸發(fā)設(shè)置兩個電容極板的引線電極。
[0039]本發(fā)明的有益效果在于:
[0040]本發(fā)明在低阻值單晶硅片正反兩面腐蝕出深槽后作為電容可動極板，接觸外界壓力的彈性膜腔室可用來調(diào)節(jié)單晶硅薄膜的厚度，可動極板腔室可用來控制電容極板之間的電容；這種結(jié)構(gòu)的電容可動極板腔室的深度可達(dá)10-30μπι，遠(yuǎn)高于常規(guī)電容極板間距，可以大幅增加電容變化值，進(jìn)而提高傳感器的靈敏度并降低電路的復(fù)雜程度；另外，該結(jié)構(gòu)還具有楊氏模量高，不易損壞的優(yōu)點。本發(fā)明的固定電極由多塊彼此絕緣的單晶硅基底組成，金屬