一種具有高線性度的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，具體來說，涉及一種具有高線性度的電容式壓力傳 感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在利用硅微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品中，壓力傳感器是發(fā)展較為成熟的一類。目前，壓 力傳感器已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。電容式壓力傳感器由于高靈敏度，更好 的溫度性能，低功耗，無開啟溫度漂移，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，受外應(yīng)力影響小等特點(diǎn)，逐漸成為壓力傳 感器的一大熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的變面積式的電容式壓力傳感器也稱接觸式電容傳感器，當(dāng)壓力施 加于可動敏感薄膜時，通過改變兩極板的接觸面積，從而改變傳感器的輸出電容。由于傳感 器的兩極板相互接觸，可能會出現(xiàn)兩極板當(dāng)壓力撤去時不能分離，粘連在一起，從而帶來可 靠性不高的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 技術(shù)問題:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種具有高線性度的電容式壓力 傳感器及其制備方法，將縱向的位移變化轉(zhuǎn)為化橫向面積變化，具有高線性度，同時壓力傳 感器的上下極板之間是非接觸的，提高了器件的可靠性。
[0004] 技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，一方面，本發(fā)明實(shí)施例采用一種具有高線性度的 電容式壓力傳感器，該壓力傳感器包括從下向上依次布設(shè)的硅襯底層、二氧化硅層和多晶 硅層;其中，硅襯底層中設(shè)有第一空腔和四個下電極，第一空腔貫穿硅襯底層，下電極固定 連接在硅襯底層的上部，四個下電極布設(shè)在第一空腔的四周；二氧化硅層中設(shè)有多晶硅支 撐層和第二空腔，多晶硅支撐層固定連接在硅襯底層的頂面;第二空腔位于多晶硅支撐層 的內(nèi)側(cè)，且第二空腔與第一空腔連通；多晶硅層包括可動敏感薄膜層、四個上電極、多晶硅 錨區(qū)，可動敏感薄膜層和上電極均位于第二空腔正上方，且每個上電極的一端通過連接桿 與可動敏感薄膜層的一端面連接，每個上電極的另一端通過彈性件與多晶硅錨區(qū)連接;連 接桿和彈性件相對布設(shè)，分別位于上電極兩側(cè);多晶硅錨區(qū)固定連接在多晶硅支撐層上;上 電極和下電極一一對應(yīng)，下電極位于連接桿的下方，且上電極靠近可動敏感薄膜層的端面 和下電極遠(yuǎn)離第一空腔的端面處于同一面中。
[0005] 作為優(yōu)選方案，所述的彈性件由多晶硅制成，且彈性件呈彎折形。
[0006] 作為優(yōu)選方案，所述的可動敏感薄膜層、上電極、多晶硅錨區(qū)、彈性件和連接桿位 于同一平面內(nèi)。
[0007] 另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種具有高線性度的電容式壓力傳感器的制備方 法，該制備方法包括以下步驟：
[0008] 第一步:在硅襯底層上進(jìn)行磷離子注入，形成傳感器的下電極；
[0009] 第二步：在硅襯底層上生長一層二氧化硅層，然后采用光刻工藝在二氧化硅層上 形成多晶硅支撐層和濕法腐蝕的停止層；
[0010] 第三步:在二氧化硅層上生長一層多晶硅層，然后采用光刻工藝，在多晶硅層光刻 形成可動敏感薄膜層、傳感器的上電極、多晶硅錨區(qū)、彈性件和連接桿；
[0011] 第四步:在硅襯底層背面進(jìn)行各向異性濕法刻蝕，形成第一空腔；
[0012] 第五步:利用各向異性濕法腐蝕，腐蝕停止層，得到第二空腔，從而制成壓力傳感 器。
[0013] 作為優(yōu)選方案，所述的第三步中，上電極為四個，可動敏感薄膜層和上電極均位于 第二空腔正上方，且每個上電極的一端通過連接桿與可動敏感薄膜層的一端面連接，每個 上電極的另一端通過彈性件與多晶硅錨區(qū)連接;連接桿和彈性件相對布設(shè)，分別位于上電 極兩側(cè);多晶硅錨區(qū)固定連接在多晶硅支撐層上。
[0014] 作為優(yōu)選方案，所述的第三步中，所述的彈性件由多晶硅制成，且彈性件呈彎折 形。
[0015] 作為優(yōu)選方案，所述的第三步中，所述的可動敏感薄膜層、上電極、多晶硅錨區(qū)、彈 性件和連接桿位于同一平面內(nèi)。
[0016] 有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例具有以下有益效果:本實(shí)施例的壓力傳 感器的靈敏度高、制備工藝主要采用表面微機(jī)械加工技術(shù)，工藝簡單，可行性高。本實(shí)施例 的電容式壓力傳感器將上下極板之間的縱向的位移變化轉(zhuǎn)為化橫向面積變化。此結(jié)構(gòu)的變 面積式壓力傳感器是非接觸的。傳統(tǒng)的變面積式的電容式壓力傳感器也稱接觸式電容傳感 器，當(dāng)壓力施加于可動敏感薄膜時，通過改變兩極板的接觸面積，從而改變傳感器的輸出電 容。由于傳感器的兩極板相互接觸，可能出現(xiàn)當(dāng)壓力撤去時，兩極板不能分離，粘連在一起， 從而帶來可靠性問題。本實(shí)施例的電容式壓力傳感器，當(dāng)壓力施加于可動敏感薄膜時，薄膜 向下彎曲，帶動與之相連的上電極向薄膜中心靠近，從而改變與下電極的正對面積，因此改 變傳感器的輸出電容。由于本實(shí)施例改變的兩極板的正對面積，不會出現(xiàn)粘連問題，可靠性 較高。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中壓力傳感器的結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第一步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0019] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第二步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0020] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第三步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0021] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第四步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0022] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第五步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0023 ]圖7是本發(fā)明實(shí)施例中多晶硅層和傳感器下電極相對位置的俯視圖。
[0024]圖中有:硅襯底1、二氧化硅層2、多晶硅層3、下電極101、第一空腔102、多晶硅支撐 層201、第二空腔202、濕法腐蝕停止層203、可動敏感薄膜層301、上電極302、多晶硅錨區(qū) 303、彈性件304、連接桿305。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種具有高線性度的電容式壓力傳感器，包括從下向 上依次布設(shè)的硅襯底層1、二氧化硅層2和多晶硅層3。硅襯底層1中設(shè)有第一空腔102和四個 下電極101，第一空腔102貫穿硅襯底層1，下電極101固定連接在硅襯底層1的上部，四個下 電極101布設(shè)在第一空腔102的四周。二氧化硅層2中設(shè)有多晶硅支撐層201和第二空腔202， 多晶硅支撐層201固定連接在硅襯底層1的頂面。第二空腔202位于多晶硅支撐層201的內(nèi) 偵L且第二空腔202與第一空腔102連通。多晶硅層3包括可動敏感薄膜層301、四個上電極 302、多晶硅錨區(qū)303,可動敏感薄膜層301和上電極302均位于第二空腔202正上方，且每個 上電極302的一端通過連接桿305與可動敏感薄膜層301的一端面連接，每個上電極302的另 一端通過彈性件304與多晶硅錨區(qū)303連接。連接桿305和彈性件304相對布設(shè)。連接桿305和 彈性件304分別位于上電極302兩側(cè)。多晶硅錨區(qū)303固定連接在多晶硅支撐層201上。上電 極302和下電極101--對應(yīng)，下電極101位于連接桿305的下方，且上電極302靠近可動敏感 薄膜層301的端面和下電極101遠(yuǎn)離第一空腔102的端面處于同一面中。
[0027]上述結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器工作時，當(dāng)壓力施加于可動敏感薄膜301時，可動敏 感薄膜301向下彎曲，帶動與之相連的上電極302向可動敏感薄膜301中心靠近。下電極101 的位置是不變的。由于上電極302向可動敏感薄膜301中心靠近，從而改變壓力傳感器上電 極302和下電極101之間的正對面積，進(jìn)而改變壓力傳感器的輸出電容。通過檢測輸出電容 的變化，可以實(shí)現(xiàn)壓力測量。該實(shí)施例的電容式壓力傳感器，將縱向的位移變化轉(zhuǎn)為化橫向 面積變化。在橫向面積變化過程中，上電極302和下電極101之間是非接觸的。這樣就確保了 外界壓力去除時，上電極302和下電極101不會粘接在一起。本實(shí)施例的壓力傳感器將縱向 的位移變化轉(zhuǎn)化為橫向的面積變化，且上電極302和下電極101之間間隔第二空腔202,確保 了上電極302和下電極101之間始終是非接觸的狀態(tài)。
[0028]同時，本實(shí)施例的電容式壓力傳感器，具有高線性度。本實(shí)施例的電容式壓力