一种双膜电容式压力传感器及制作方法与流程

本发明涉及压力传感器技术领域，特指一种双膜电容式压力传感器及制作方法，尤其是在受力方向上薄厚两层压力敏感膜的组合形成的低压段与高压段，同时具有较高的测量灵敏度的压力传感器。

背景技术：

压力传感器在医疗、卫生、工业过程制作、汽车电子、消费电子等领域都有广泛的应用。市场上已有的压力传感器种类繁多，根据测量原理的不同大致有：应变式、硅压阻式、压电式、电容式、谐振式等几大类。其中，电容式压力传感器因其具有灵敏度高、响应速度快、受温度影响小等优点，是压阻式压力传感器的理想升级产品。其原理是利用电容与有效极板面积、极板间距的关系实现压力信号到电信号的转换。传统电容式压力传感器，因为自身结构的特点，量程与灵敏度之间相互制约，为取得较高的灵敏度，必然以牺牲量程为代价。这限制了该类传感器的应用范围。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供了一种双膜电容式压力传感器及制作方法，该测量结构主要由厚度不同的两层压力敏感膜以及固定的两层极板组成，根据所处位置，结构自下而上依次为底电极板、薄压力敏感膜、厚压力敏感膜、顶电极板，薄压力敏感膜与厚压力敏感膜间夹以支撑材料形成一定的间隔，厚压力敏感膜与顶电极板间夹以绝缘支撑材料形成电隔离，该结构中，底电极板与薄压力敏感膜构成测量低压差的电容c1，厚压力敏感膜与顶电极板构成测量高压差的电容c2，当有一个微小的压力差作用在传感器上时，薄压力敏感膜受压产生向上的形变，导致电容c1由大变小，当薄压力敏感膜的最大形变量超过薄压力敏感膜和厚压力敏感膜之间的间距时，薄压力敏感膜和厚压力敏感膜接触并传递压力到厚压力敏感膜上，此时c2发生变化，开始随着压力的增大而增大。此时压力的测量将由c2来实现，通过两层压力敏感膜的巧妙结合，实现了电容式压力传感器量程与灵敏度的兼顾。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种双膜电容式压力传感器结构，包括玻璃衬底，玻璃衬底中心位置上设有浅槽，浅槽中心位置设有浅槽通孔，浅槽通孔从浅槽底面延至玻璃衬底底面，浅槽上设有可测量低压差的电容c1与可测量高压差的电容c2，可测量低压差的电容c1包括底电极板与薄压力敏感膜，可测量高压差的电容c2包括厚压力敏感膜与顶电极板，浅槽通孔与可测量低压差的电容c1对应设置，可测量低压差的电容c1与可测量高压差的电容c2对应设置。

进一步而言，所述底电极板覆盖于浅槽底面上，薄压力敏感膜覆盖于玻璃衬底上表面，厚压力敏感膜与薄压力敏感膜之间设有第一支撑材料，顶电极板与厚压力敏感膜之间设有第二支撑材料。

进一步而言，所述底电极板中心位置设有底电极板通孔，底电极板通孔与浅槽通孔对应设置。

进一步而言，所述第一支撑材料设于薄压力敏感膜上表面周边位置，且与浅槽的槽壁齐平设置，第二支撑材料设于厚压力敏感膜上表面周边位置，且与浅槽的槽壁齐平设置。

进一步而言，所述顶电极板上设有顶电极板通孔，厚压力敏感膜中心位置上设有厚压力敏感膜通孔。

一种双膜电容式压力传感器，其制作方法，步骤如下：

步骤一，准备清洗好的玻璃衬底，用氢氟酸溶液在其表面的中心刻蚀一个浅槽；

步骤二，通过氢氟酸溶液或激光钻孔技术在玻璃衬底的浅槽中心处刻蚀浅槽通孔，且浅槽通孔从上表面延至玻璃衬底底面；

步骤三，采用磁控溅射法在玻璃衬底的浅槽表面淀积并光刻形成一层铝，并通过剥离技术将中心的铝去除，剩余部分作为底电极板；

步骤四，准备清洗好的soi片，三层材料自上而下分别是薄层硅、二氧化硅介质层与体硅层；

步骤五，通过阳极键技术将玻璃衬底与soi片键合面为玻璃衬底的上表面与薄层硅上表面，浅槽上方的薄层硅作为传感器的薄压力敏感膜；

步骤六，通过化学机械抛光技术将soi片的体硅层减薄到一定厚度，作为传感器的厚压力敏感膜；

步骤七，用氢氟酸溶液在体硅层的中心刻蚀一个厚压力敏感膜通孔；

步骤八，通过化学气相淀积技术在体硅层上淀积一层二氧化硅；

步骤九，通过磁控溅射法在步骤八淀积的二氧化硅上淀积金属铬，并通过剥离技术将中心的铬去除，剩余部分作为顶电极板；

步骤十，用氢氟酸溶液腐蚀步骤四中的二氧化硅介质层，并保留四周部分二氧化硅作为第一支撑材料，用氢氟酸溶液腐蚀步骤八中的二氧化硅，并保留四周部分二氧化硅作为第二支撑材料，释放传感器的薄压力敏感膜与厚压力敏感膜。

本发明有益效果：

1.本发明采用变间距原理实现压力到电容的转换，可测量低压差的电容c1与可测量高压差的电容c2分别实现了微压段和高压段的高精度测量，不仅提高了压力测量精度，也提升了传感器的测量范围；

2.本发明的厚压力敏感膜和薄压力敏感膜的有机结合，有效解决了薄压力敏感膜在高压测量时的过载保护问题，使传感器的测量范围加大且可靠性提高；

3.本发明所述薄压力敏感膜与厚压力敏感膜采用垂直结构，有效节省了芯片面积，有利于减小封装体积，降低生产成本。

附图说明

图1是本发明整体结构俯视图；

图2是图1中a-a位置剖视图；

图3～图12是本发明制作流程示意图。

1.底电极板；10.底电极板通孔；2.薄压力敏感膜；3.厚压力敏感膜；30.厚压力敏感膜通孔；4.顶电极板；40.顶电极板通孔；5.第一支撑材料；6.第二支撑材料；7.玻璃衬底；70.浅槽；71.浅槽通孔。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。

如图1和图2所示，本发明所述一种双膜电容式压力传感器，包括玻璃衬底7，玻璃衬底7中心位置上设有浅槽70，浅槽70中心位置设有浅槽通孔71，浅槽通孔71从浅槽70底面延至玻璃衬底7底面，浅槽70上设有可测量低压差的电容c1与可测量高压差的电容c2，可测量低压差的电容c1包括底电极板1与薄压力敏感膜2，可测量高压差的电容c2包括厚压力敏感膜3与顶电极板4，浅槽通孔71与可测量低压差的电容c1对应设置，可测量低压差的电容c1与可测量高压差的电容c2对应设置。以上所述构成本发明基本结构。

本发明采用这样的结构设置，其工作原理：压力由浅槽通孔71向上作用在整个传感器表面(即玻璃衬底7底面)，该压力在低压时导致薄压力敏感膜2向上弯曲，由薄压力敏感膜2和底电极板1构成的电容c1开始随压力增大而减小，当压力达到一定值后，薄压力敏感膜2向上弯曲且与厚压力敏感膜3接触，防止薄压力敏感膜2在较高压力下破裂，此时，薄压力敏感膜2与厚压力敏感膜3组合形成复合膜，在高压力段上，由薄压力敏感膜2与厚压力敏感膜3组合形成复合膜与顶电极板4组成的电容c2开始随压力增加而增加，其灵敏度也随压力增大而增大。本发明采用变间距原理实现压力到电容的转换，可测量低压差的电容c1与可测量高压差的电容c2分别实现了低压段与高压段的高精度测量，不仅提高了压力测量精度，也提升了传感器的测量范围。另外，本发明的厚压力敏感膜3，有效解决了薄压力敏感膜2在高压测量时的过载保护问题，使传感器的测量范围加大且可靠性提高。

更具体而言，所述底电极板1覆盖于浅槽70底面上，薄压力敏感膜2覆盖于玻璃衬底7上表面，厚压力敏感膜3与薄压力敏感膜2之间设有第一支撑材料5，顶电极板4与厚压力敏感膜3之间设有第二支撑材料6。采用这样的结构设置，本发明所述薄压力敏感膜2与厚压力敏感膜3采用垂直结构，有效节省了芯片面积，有利于减小封装体积，降低生产成本，同时厚压力敏感膜3和薄压力敏感膜2的有机结合，有效解决了薄压力敏感膜2在高压测量时的过载保护问题，使传感器的测量范围加大且可靠性提高。

更具体而言，所述底电极板1中心位置设有底电极板通孔10，底电极板通孔10与浅槽通孔71对应设置。采用这样的结构设置，以方便压差信号的导入，压力差通过浅槽通孔71向上作用在压力敏感膜上，压力敏感膜感知压力向上弯曲，导致压力敏感膜与电极板构成的电容的变化。

更具体而言，所述第一支撑材料5设于薄压力敏感膜2上表面周边位置，且与浅槽70的槽壁齐平设置，第二支撑材料6设于厚压力敏感膜3上表面周边位置，且与浅槽70的槽壁齐平设置。采用这样的结构设置，通过第一支撑材料5用于释放薄压力敏感膜2，便于薄压力敏感膜2受低压力弯曲，通过第二支撑材料6用于释放厚压力敏感膜3，便于厚压力敏感膜3受高压力弯曲。

更具体而言，所述顶电极板4上设有顶电极板通孔40，厚压力敏感膜3中心位置上设有厚压力敏感膜通孔30。采用这样的结构设置，以方便压差能作用在薄压力敏感膜2上。

一种双膜电容式压力传感器结构，其制作方法，步骤如下：

步骤一，准备清洗好的玻璃衬底7，用氢氟酸溶液在其表面的中心刻蚀一个浅槽70(如图3所示)；

步骤二，通过氢氟酸溶液或激光钻孔技术在玻璃衬底7的浅槽70中心处刻蚀浅槽通孔71，且浅槽通孔71从上表面延至玻璃衬底7底面(如图4所示)；

步骤三，采用磁控溅射法在玻璃衬底7的浅槽70表面淀积并光刻形成一层铝，并通过剥离技术将中心的铝去除，剩余部分作为底电极板1(如图5所示)；

步骤四，准备清洗好的soi片，三层材料自上而下分别是薄层硅、二氧化硅介质层与体硅层(如图6所示)；

步骤五，通过阳极键技术将玻璃衬底7与soi片键合面为玻璃衬底7的上表面与薄层硅上表面，浅槽70上方的薄层硅作为传感器的薄压力敏感膜2(如图7所示)；

步骤六，通过化学机械抛光技术将soi片的体硅层减薄到一定厚度，作为传感器的厚压力敏感膜3(如图8所示)；

步骤七，用氢氟酸溶液在体硅层的中心刻蚀一个厚压力敏感膜通孔30(如图9所示)；

步骤八，通过化学气相淀积技术在体硅层上淀积一层二氧化硅(如图10所示)；

步骤九，通过磁控溅射法在步骤八淀积的二氧化硅上淀积金属铬，并通过剥离技术将中心的铬去除，剩余部分作为顶电极板4(如图11所示)；

步骤十，用氢氟酸溶液腐蚀步骤四中的二氧化硅介质层，并保留四周部分二氧化硅作为第一支撑材料5，用氢氟酸溶液腐蚀步骤八中的二氧化硅，并保留四周部分二氧化硅作为第二支撑材料6，释放传感器的薄压力敏感膜2与厚压力敏感膜3(如图12所示)。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。