一种高灵敏电容式压力传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种基于电容变化的压力传感器结构，尤其是通过薄膜受到压力后产生形变并利用机械力转换结构放大变形的原理使电容变化更灵敏的压力传感器结构。
【背景技术】
[0002]压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性，但其温度特性差，常用于要求不高的场合。电阻应变式传感器具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、动态特性和较高的自震频率。压电式压力传感器自震频率高、能适应恶劣环境，但低频性能差、温度效应敏感、使用及维修使用比较苛刻。电容式压力传感器通常采用敏感膜作为电容的一个电极，利用压力膜变形导致电容间距发生变化，从而引起电容变化的原理感测压力变化。这种传感器灵敏度高，但由于电容大小和间距成反比，因此线性不好，且电容两个电极通常不在一个平面上，电极引出较为复杂，导致工艺难度大。
【发明内容】
:
[0003]技术问题:本发明提出了一种利用机械放大原理放大应变的电容式压力传感器结构。该传感器的线性相比通常的电容式压力传感器得到很大改善。
[0004]
【发明内容】
:为解决上述技术问题，本发明提供了一种高灵敏电容式压力传感器，该传感器包括衬底，压力弹性膜，分别固定在衬底上的第一固定基座、第二固定基座和第三固定基座，机械杆，支撑轴，第一叉指电极和第二叉指电极，第一引线电极和第二引线，绝缘材料，其中，
[0005]衬底上设有压力弹性膜，该压力弹性膜的中心上表面通过绝缘材料和第一固定基座的一端相连，同时第一固定基座的另一端和机械杆的一端连接；
[0006]在衬底表面设有由第一叉指电极和第二叉指电极构成的电容结构，第一叉指电极和第二叉指电极通过绝缘材料固定在衬底上的第三固定基座，第一叉指电极和机械杆的另一端相连；
[0007]支撑杆中间靠近压力弹性膜边缘的位置通过支撑轴和第二固定基座连接；
[0008]同样的，第二固定基座的下表面通过绝缘材料和衬底相连。
[0009]优选的，支撑杆为刚性杆；以支撑轴为起点，到压力弹性膜中心位置的长度要小于到第一叉指电极连接处的长度，以保证该结构具有机械位移的放大作用。
[0010]优选的，机械杆、支撑轴和第二支撑结构、第三支撑结构的材料为同一种材料，且为导体材料。
[0011]优选的，其特征在于支撑轴宽度小于其厚度。
[0012]本发明还提供了一种制造高灵敏电容式压力传感器的方法，该方法包括如下步骤:
[0013]步骤I:选择100晶向的绝缘体上的娃作为衬底材料，通过磁控派射在表面淀积一层金属铝作为电极材料；
[0014]步骤2:正面光刻并采用等离子刻蚀工艺刻蚀金属铝和硅薄膜材料，形成电极、焊盘叉指电极、固定基座区、支撑轴和机械梁部分；
[0015]步骤3:衬底背面采用等离子增强化学气相淀积的方法生长一层氮化硅阻挡层;光刻并干法刻蚀该阻挡层，露出腐蚀窗口；
[0016]步骤4:采用氢氧化钾溶液腐蚀背面的硅，形成薄膜硅结构；
[0017]步骤5:正面腐蚀氧化硅中间层，释放出支撑梁和叉指电极结构，至此完成整个传感器的加工。
[0018]有益效果:I)机械放大杆的使用，可以使压力膜的变形成倍放大，从而提高了电容检测灵敏度;2)采用叉指电容的交叠面积变化来感测压力变化的原理，使压力和电容成正比关系，改善了普通电容敏感的线性;3)电容的两个电极同一面引出，工艺简单，且方便封装;4)采用电容敏感原理，温度效应低且功耗小。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的结构示意图，为俯视图，
[0020]图2为本发明的结构示意图，2为剖面图；
[0021]图3a为正面电极、焊盘叉指电极、固定基座区、支撑轴和机械梁部分形成方法示意图；
[0022]图3b为背面腐蚀窗口形成示意图；
[0023]图3c为压力膜形成示意图。
[0024]其中:衬底I，压力弹性膜2，第一固定基座31、第二固定基座32和第三固定基座33，机械杆4，支撑轴5，第一叉指电极61和第二叉指电极62，第一引线电极71和第二引线72，绝缘材料8。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0026]本发明提供的高灵敏电容式压力传感器，该传感器包括衬底I，压力弹性膜2，分别固定在衬底I上的第一固定基座31、第二固定基座32和第三固定基座33，机械杆4，支撑轴5，第一叉指电极61和第二叉指电极62，第一引线电极71和第二引线72，绝缘材料8，其中，
[0027]衬底I上设有压力弹性膜2，该压力弹性膜2的中心上表面通过绝缘材料8和第一固定基座31的一端相连，同时第一固定基座31的另一端和机械杆4的一端连接；
[0028]在衬底I表面设有由第一叉指电极61和第二叉指电极62构成的电容结构，第一叉指电极和第二叉指电极62通过绝缘材料8固定在衬底I上的第三固定基座33，第一叉指电极61和机械杆4的另一端相连；
[0029]支撑杆4中间靠近压力弹性膜2边缘的位置通过支撑轴5和第二固定基座32连接；
[0030]同样的，第二固定基座32的下表面通过绝缘材料8和衬底I相连。
[0031]支撑杆4为刚性杆；以支撑轴为起点，到压力弹性膜2中心位置的长度要小于到第一叉指电极61连接处的长度，以保证该结构具有机械位移的放大作用。
[0032]机械杆4、支撑轴5和第二支撑结构32、第三支撑结构33的材料为同一种材料，且为导体材料。
[0033]支撑轴5宽度小于其厚度。
[0034]本发明还提供了一种制造高灵敏电容式压力传感器的方法，该方法包括如下步骤:
[0035]步骤I:选择100晶向的绝缘体上的娃作为衬底材料，通过磁控派射在表面淀积一层金属铝作为电极材料；
[0036]步骤2:正面光刻并采用等离子刻蚀工艺刻蚀金属铝和硅薄膜材料，形成电极、焊盘叉指电极、固定基座区、支撑轴和机械梁部分(图3a);
[0037]步骤3:衬底背面采用等离子增强化学气相淀积的方法生长一层氮化硅阻挡层;光刻并干法刻蚀该阻挡层，露出腐蚀窗口(图3b);
[0038]步骤4:采用氢氧化钾溶液腐蚀背面的硅，形成薄膜硅结构(图3c);
[0039]步骤5:正面腐蚀氧化硅中间层，释放出支撑梁和叉指电极结构，至此完成整个传感器的加工。
【主权项】
1.一种高灵敏电容式压力传感器，其特征在于，该传感器包括衬底(I)，压力弹性膜(2)，分别固定在衬底(I)上的第一固定基座(31)、第二固定基座(32)和第三固定基座(33)，机械杆(4)，支撑轴(5)，第一叉指电极(61)和第二叉指电极(62)，第一引线电极(71)和第二引线(72)，绝缘材料(8)，其中， 衬底(I)上设有压力弹性膜(2)，该压力弹性膜(2)的中心上表面通过绝缘材料(8)和第一固定基座(31)的一端相连，同时第一固定基座(31)的另一端和机械杆(4)的一端连接；在衬底(I)表面设有由第一叉指电极(61)和第二叉指电极(62)构成的电容结构，第一叉指电极和第二叉指电极(62)通过绝缘材料(8)固定在衬底(I)上的第三固定基座(33)，第一叉指电极(61)和机械杆(4)的另一端相连； 支撑杆(4)中间靠近压力弹性膜(2)边缘的位置通过支撑轴(5)和第二固定基座(32)连接； 同样的，第二固定基座(32)的下表面通过绝缘材料(8)和衬底(I)相连。2.根据权利要求1所述的高灵敏电容式压力传感器，其特征在于，支撑杆(4)为刚性杆；以支撑轴为起点，到压力弹性膜(2)中心位置的长度要小于到第一叉指电极(61)连接处的长度，以保证该结构具有机械位移的放大作用。3.根据权利要求1或2所述的高灵敏电容式压力传感器，其特征在于，机械杆(4)、支撑轴(5)和第二支撑结构(32)、第三支撑结构(33)的材料为同一种材料，且为导体材料。4.根据权利要求1或2所述的高灵敏电容式压力传感器，其特征在于，支撑轴(5)宽度小于其厚度。5.一种制作高灵敏电容式压力传感器的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 步骤1:选择100晶向的绝缘体上的硅作为衬底材料，通过磁控溅射在表面淀积一层金属铝作为电极材料； 步骤2:正面光刻并采用等离子刻蚀工艺刻蚀金属铝和硅薄膜材料，形成电极、焊盘叉指电极、固定基座区、支撑轴和机械梁部分； 步骤3:衬底背面采用等离子增强化学气相淀积的方法生长一层氮化硅阻挡层;光刻并干法刻蚀该阻挡层，露出腐蚀窗口； 步骤4:采用氢氧化钾溶液腐蚀背面的硅，形成薄膜硅结构； 步骤5:正面腐蚀氧化硅中间层，释放出支撑轴和叉指电极结构，至此完成整个传感器的加工。
【专利摘要】本发明提供了一种高灵敏电容式压力传感器及其制作方法，该传感器包括衬底(1)，压力弹性膜(2)，分别固定在衬底(1)上的第一固定基座(31)、第二固定基座(32)和第三固定基座(33)，机械杆(4)，支撑轴(5)，第一叉指电极(61)和第二叉指电极(62)，第一引线电极(71)和第二引线(72)，绝缘材料(8)，其中，衬底(1)上设有压力弹性膜(2)，该压力弹性膜(2)的中心上表面通过绝缘材料(8)和第一固定基座(31)的一端相连，同时第一固定基座(31)的另一端和机械杆(4)的一端连接。本发明可以使压力膜的变形成倍放大，从而提高了电容检测灵敏度。
【IPC分类】G01L9/12, G01L1/14
【公开号】CN105547531
【申请号】CN201610035064
【发明人】秦明, 高磬雅, 穆林, 王庆贺, 黄庆安
【申请人】东南大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2016年1月19日