一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容式压力计的制作方法
【专利摘要】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4个电容极板组成：附于硅杯结构敏感膜片上的第一、第四极板与附于中间支撑层结构两表面的第二、第三极板。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，膜片通过中间支柱带动另一硅杯上膜片的移动，附于敏感膜片上的两极板也随之移动，改变了两个极板相对中间固定的极板之间的间距，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，可制备完全对称的差动结构，利用差动结构的优点，实现对压力的精确差动检测。
【专利说明】-种枯玻璃镶嵌结构微机械差分电容式压力计
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 电容式传感器有温度系数低、功耗低、灵敏度高、结构简单、动态特性好等优点，所 W电容式传感器得到了广泛的应用。然而由于电容式传感器本身的一些缺陷，如非线性，微 小电容的检测易受寄生电容的影响W及环境电磁场的干扰，电容式传感器性能的进一步提 升受到严峻挑战。
[0003] 电容式压力传感器的测量原理为被测量量引起电容极板间距、极板间介电常数、 极板对应面积等变化，从而改变电容的大小。通常W改变极板间距的测量方式为主，W平行 板电容为例：
[0004] 尸_ eS C - 了 …
[0005] 式中，C为电容值，e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，该种结构 的电容式传感器也是应用最广泛的结构。对于该类型传感器，在忽略微小因素的情况下，其 输出为AC = C。^。而对于差分式电容传感器，其输出增大一倍，同时其非线性相比单电容 大大减小，且对于由于温度变化等造成的共模量有一定的抑制作用。
[0006] 1995年瑞±电子与微技术中也的J.化rmann等人发明了一种基于H层娃结构的 差动式电容压力计，该压力计包括可通过流体的上下极板与随上下压力差变化的中间可动 极板。为了提高其工作稳定性，研究人员采用将压力计浸润在娃油当中的方法，提高了灵敏 度与线性度，但是同时限制了该压力计的使用范围。该压力计的中间可动极板所在的敏感 膜片采用1. 5微米厚度设计，对应测量范围为5mbar，增加膜片厚度可增大测量范围。由于 该H层结构采用表面带有氧化娃的烙融娃直接键合工艺，限制了其器件其他工艺的应用， 如不能采用金属层减少噪声等。该器件其上下两个电容均采用开放式的结构，其电容除了 随极板间距改变W外，同时受到温度、介质等外界因素的干扰，在温度从25C到locrc的变 化过程中，电容补偿达到IpF，即已经超过最大电容可变量的25%，同时具有非常大的非线 性补偿特征。
[0007] 2002年罗斯蒙特航天公司的Kevin C. Stark等人发明了另一种基于H层娃结构 的差动式电容压力计，该压力计包括上下两可动极板与中间固定极板，其H层结构表面均 有氧化娃绝缘层覆盖，采用烙融娃直接键合工艺将H层娃结构连接在一起。该压力计所用 结构得到了真空电容极板间隙，使得电容几乎不受外界温度、湿度、气氛等因素的影响，同 时该结构采用中间支柱连接上下两可动膜片，实现差分结构。遗憾的是，该结构由于上下膜 片均为娃原片厚度，其灵敏度特性极差，只对非常大的压力敏感。同时，该结构同样无法避 免键合区域电容过大问题。
[0008] 2003年ABB专利的Wolfgang Schulz等人发明了一种基于娃-玻璃-娃H层结构 的差分式压力计，其同样采用上下极板可动，中间极板固定的方式实现差动式压力敏感，上 下两膜片由中间的支柱连接。由于该结构的真空腔在中间的玻璃层中形成，其加工工艺极 其难W实现，尤其是中间支柱的制作，在微型传感器尺度几乎不可能做到，所W其只适用于 大尺寸压力计的制作。同时由于玻璃本身不导电，其中间固定极板采用附于玻璃表面的金 属引出时不可避免的破坏了真空腔的密封特性，或导致中间极板引出金属与上下层娃结构 短路的问题。
[0009] 目前，能够实现差动结构、电容间隙为真空腔W不受外界温度、湿度、气氛等影响、 键合区域电容值小、差动电容严格对称等特性的差分式电容压力计成果甚少。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于提出一种工艺工艺简单、结构稳定、性能优良的差动式电容压 力计，实现对于压力信号的差动式检测，利用差动结构的优点提高灵敏度与线性度，极大的 减小外界环境对压力计的干扰。
[0011] 本发明的一种微机械差分电容式压力计包括；感应压力的娃杯结构（其中包含敏 感膜片与娃岛结构），与敏感膜片通过绝缘支柱连接，两层娃杯之间的支撑结构，附于膜片 上与支撑结构上的金属极板。
[0012] 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娃杯 结构，娃杯结构感受外界压力变化，其膜片发生形变带动金属极板的移动。娃杯结构为在一 侧采用带有补偿图形的异性腐蚀出一个空腔而形成，或采用深等离子体刻蚀技术形成，娃 杯结构中的膜片为压力敏感膜片，娃岛为强制膜片在压力下W平行板方式移动；娃杯结构 的另一侧预先镶嵌入玻璃，该玻璃材料为碱性测娃酸盐，适用于阳极键合工艺，镶嵌玻璃位 置为键合区域；中间支撑结构包括中间的支柱，该支柱连接上下两层娃杯结构的敏感膜片， 实现两膜片在压力下发生相同的移动；中间支撑结构的四周为单晶娃，其通过阳极键合工 艺与上下两层娃杯结构中镶嵌的玻璃相连接，保证了 H层娃之间的电学绝缘，同时具有非 常高的稳定度；在娃杯结构与中间支撑层结构中间形成真空腔，保证了上下两电容极板间 介电常数不随外界温度、湿度、气氛等发生变化，抑制了杂散信号，提高了精度。
[0013] 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娃杯结 构中敏感膜片上的金属极板与中间支撑结构上的金属极板组成，上下两电容的极板初始间 距相等，其形状为方形去掉中也圆形或其他形状的结构，中间去除区域用于上下敏感膜片 与中间支柱的连接。
[0014] 本发明的一种微机械差分电容式压力计的工作原理是当娃杯的膜片感应到压力 时，膜片发生变形，连接在膜片上的支柱随之发生移动，带动另一娃杯上膜片的移动，最终 使得两电容极板间距均发生变化，且两间距的变化方向相反，大小相等，在极板间距变化量 远小于原始极板间距的情况下，两电容值发生大小相等，方向相反的变化，由此实现了电容 的精确差动检测。
[0015] 本发明中的H个极板的电极引出情况为；上下电极板的娃在镶嵌玻璃之前表面重 惨杂，通过欧姆接触有低电阻娃引出真空腔外，且通过金属压焊电极连接；中间固定极板的 娃采用双表面重惨杂，通过欧姆接触有低电阻娃引出真空腔外，且通过金属压焊电极连接。 本发明所采用镶嵌玻璃技术在保证实现H层娃结构电学绝缘的同时，实现了电容极板间隙 为真空腔体、键合区域电容小（镶嵌玻璃厚度可控）、真空腔内电容极板易引出等特点。
【专利附图】
【附图说明】 [0016]
[0017] 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；
[0018] 图2为本发明的一种微机械差分电容式压力计的娃杯结构示意图；
[0019] 图3为本发明的一种微机械差分电容式压力计的中间支撑层结构示意图；
[0020] 图4为发明的一种微机械差分电容式压力计剖面示意图；
[0021] 图5为发明的一种微机械差分电容式压力计工作模式示意图；
[0022] 图6为发明的一种微机械差分电容式压力计制作流程示意图；
【具体实施方式】：
[0023] 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。
[0024] 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。11为上下两层对称 的娃杯结构，第一电极板、第四电极板分别附于上下娃杯结构敏感膜片之上，13为中间支撑 层结构，第二电极板、第H电极板分别附于中间支撑层结构的两面，12为连接上下两层娃杯 结构中敏感膜片的支柱结构；H层娃结构纵向完全对称，形成H明治结构，其上下两层娃杯 结构的敏感膜片均可感受压力，上下电容差值为上下敏感膜片感受的压力差。
[00巧]图2a为本发明的一种微机械差分电容式压力计的娃杯结构极板面示意图。210为 娃杯结构的敏感膜片，其为单晶娃材料，第一（第四）电极板附于其上；211为单晶娃材料， 其上附有用于引线键合的金属材料；220为娃杯结构中镶嵌的玻璃材料，用于将上下敏感 膜片与中间支柱结构12连接在一起；221为娃杯结构中镶嵌的玻璃材料，用于将H层H明 治结构键合到一起。其中210与211均为重惨杂低电阻娃，第一（第四）电极板与210形 成欧姆接触，经低电阻娃引出至211，经与211形成欧姆接触的金属材料与金属线超声键合 引出。210与211均为可用于阳极键合的碱性测娃酸盐玻璃材料，在与中间支撑层与支柱阳 极键合后形成稳定结构，该玻璃为绝缘材料，同时由于其镶嵌深度可控，保证了键合区域H 层娃材料之间的距离可控，从而降低键合区域H层娃材料之间的电容值。
[0026] 图化为本发明的一种微机械差分电容式压力计的娃杯结构空腔面示意图。23为 带有补偿图形的各向异性腐蚀出的空腔结构，24为娃岛结构。其中23与24 -起形成了 E 型娃杯结构，压力敏感膜片的形变区域为23下方，其膜片厚度可控；24的存在提高了膜片 中央区域的刚度，保证膜片在压力作用下W平行板方式上下移动，从而带动其另一面附着 的第一（第四）金属电极板沿纵向上下移动，W改变电容极板间距。
[0027] 图3为本发明的一种微机械差分电容式压力计的中间支撑层结构示意图。12为 中间支柱结构，用于连接上下娃杯结构的敏感膜片；31为预先腐蚀空腔结构，31的高度即 为该压力计上下两电容的极板间距；32为支柱12与支撑层13之间的空隙。12与13高出 31部分为中间支撑层与上下两层娃杯结构的键合区域，该部分为单晶娃材料，分别对应于 上下两层娃杯材料中所镶嵌的玻璃材料220与221。该中间支撑层结构上下完全对称。
[0028] 图4为发明的一种微机械差分电容式压力计剖面示意图。41、42、43、44分别为第 一极板、第二极板、第H极板与第四极板；第一极板与第二极板对应形成上电容，第H极板 与第四极板对应形成下电容，两电容大小相等，极板间距均为真空空腔31的深度。
[0029] 图5为发明的一种微机械差分电容式压力计工作模式示意图。在上下娃杯结构分 别感受到压力501与502的情况下，由于501与502大小的不同产生压力差，敏感膜片发生 形变，带动第一电极41与第四电极44的移动，此时，上电容51的极板间距减小，51电容值 变大，下电容52的极板间距增大，52电容值减小。51与52的极板间距改变相同的距离，在 极板间距变化远小于原极板间距的情况下，两电容该变量大小相等，方向相反，形成完全对 称差动结构。
[0030] 图6a?图6e为发明的一种微机械差分电容式压力计制作流程示意图。首先将中 间支撑层娃片13腐蚀或刻蚀出电容间隙空腔31，采用金属气相沉积技术将金属电极板42、 43附于中间支撑层13的空腔31内；同样采用金属气相沉积技术将电极板44(41)附于预 先镶嵌玻璃材料的娃杯结构娃片11 (此时尚未形成娃杯结构）之上；将13与11采用阳极 键合技术对准键合，其中13的突出部分娃结构正对于11的镶嵌玻璃结构，保证两层结构之 间的绝缘，键合完成形成下电容52 ;采用深刻蚀技术将13刻蚀穿通，在中间支柱12与支撑 层13之间形成间隙32,使得支撑层12可W随着上下娃杯结构移动；将上娃杯结构11与中 间支撑层13阳极键合，形成上电容51，键合完成后的结构纵向完全对称；最后采用带有补 偿图形的各向异性腐蚀技术或深刻蚀技术使上下两层11形成带有娃岛的E型娃杯结构，完 成后结构如图4所示。
[0031] W上对本发明所提供的一种基于预置镶嵌玻璃材料娃基片的集成微机械电容式 压力计的工作原理与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，W上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核也思想； 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。
【权利要求】
1. 一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征自下而上包括：感应压力的上 硅杯结构（其中包含敏感膜片与膜片中间相连接的硅岛），附于敏感膜片上的第一极板结 构，与硅杯结构通过绝缘结构连接中间支撑层结构（包括与敏感膜片通过绝缘结构连接支 柱结构），附于支撑层上的第二极板结构，与上硅杯结构对称的下硅杯结构，附于中间支撑 层的第三极板结构，附于下硅杯敏感膜片的第四极板结构，由上下硅杯与中间支撑层组成 的密封腔体结构，其特征在于： 上硅杯结构中的膜片会因压力的作用而产生形变，敏感膜片带动第一极板移动，，支柱 结构随上硅杯结构膜片移动，带动下硅杯结构膜片移动，第四极板随下硅杯结构膜片移动， 由第一极板与第二极板构成的上电容与由第三极板与第四极板构成的下电容随即发生相 反变化，形成差动结构； 第一极板与第四极板由金属电极组成，其形状为方形除去中间圆形孔结构，极板的引 出通过与低电阻硅形成欧姆接触，经上下硅杯作为导体引出至密封腔体外，经金属与低电 阻硅形成欧姆接触后，由金属压焊电极引出； 第二极板与第三极板由金属电极组成，其形状为方形除去中间圆形或其他形状孔结 构，极板的引出通过与低电阻硅形成欧姆接触，经中间硅支撑层作为导体引出至密封腔体 夕卜，经金属与低电阻硅形成欧姆接触后，由金属压焊电极引出，第二极板与第三极板实为经 中间娃支撑层连接在一起的同一极板； 硅杯结构与中间支撑层结构经玻璃材料相连接，玻璃材料本身绝缘，经熔融工艺与阳 极键合工艺等将上下硅杯结构与中间支撑层结构连接在一起。
2. 根据权利要求1所述的一种娃玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于， 娃杯结构基于单晶娃片，娃片表面重掺杂，娃杯结构由娃片在背面形成一个环绕娃岛的空 腔组成，中间支撑结构基于单晶硅片，硅片表面重掺杂，该支撑结构包括与四周不相连的用 于连接上下硅杯结构膜片的支撑圆柱。
3. 根据权利要求1所述的一种娃玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于， 上下硅杯结构镶嵌绝缘玻璃结构，该玻璃结构用于连接硅杯结构与中间支撑层结构；由中 间支撑层上下表面与上下硅杯结构形成的间隙厚度相等，支中间撑层（包括支柱）与上下 硅杯经玻璃绝缘结构连接，硅杯结构与中间支撑层结构为绝缘状态。
4. 根据权利要求1所述的一种娃玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于， 上下硅杯结构预先腐蚀出环绕硅岛的腔体，一次腐蚀形成包括敏感膜片、硅岛与支撑膜片 的硅环状结构。
5. 根据权利要求1所述的一种娃玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于， 上下硅杯结构预先镶嵌绝缘玻璃，其玻璃表面与硅表面同高，与中间支撑层相连接时玻璃 部分对准中间支撑层。
6. 根据权利要求1所述的一种娃玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于， 上下硅杯结构与中间支撑层结构所形成的空腔为真空状态，该空腔包括上下电容间隙与支 柱和中间支撑层之间的间隙；上下硅杯结构在镶嵌玻璃之前预先进行表面重掺杂，得到低 电阻的娃表面，用于电极板的引出。
7. 根据权利要求1所述的一种娃玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于， 中间支撑层结构上下表面预先腐蚀出腔体，其腔体用于形成上下两电容的间隙，其上下两 腔体完全对称，中间支撑层的上下表面重掺杂，得到低电阻的硅表面，用于电极板的引出； 极板由附于硅片上的金属组成，电极的引出是通过与重掺杂硅形成欧姆接触，经重掺杂硅 引出密封腔外，经欧姆接触的金属压焊电极引出。
8. 根据权利要求1所述的一种娃玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于有 两个检测电容，该两个电容的第二极板与第三极板经电连接，第一极板与第四极板为可动 极板，第一极板移动后，经支柱带动第四极板移动，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所述的一种娃玻璃镶嵌结构微机械差分电容压力计，其特征在于， 压力计纵向为完全对称结构，其上下两压力敏感部分的机械特性、上下两电容的电学特性 完全一致，实现全对称差分信号检测；可将任一硅杯结构与玻璃在真空状态下键合，形成真 空空腔，用另外一个硅杯结构膜片感受压力，形成绝压式差分压力计；可将两硅杯结构膜片 分别感受不同压力，两膜片与支柱的移动取决于两压力的差值，形成差压式差分压力计。
【文档编号】B81B7/02GK104502003SQ201510023318
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月19日 优先权日:2015年1月19日
【发明者】崔万鹏, 刘冠东, 胡杭, 张帆顺, 李哲, 高成臣, 郝一龙 申请人:北京大学