压力传感器以及压力传感器的制备方法

1.本发明涉及压力检测领域，尤其是涉及一种压力传感器以及压力传感器的制备方法。


背景技术：

2.相关技术中，压力是系统运行状态的重要检测指标之一，基于智能传感器的高精度、低功耗、高可靠压力检测技术是保障设备高效运转的重要前置条件。近年来，随着对压力传感器的研究深入，其商业化用途不断扩大，有望用于高精度微压测量领域。
3.现有压力传感器对微小压力测量灵敏度有限，压力传感器难以应用于微压测量工作中。因此，如何实现压力传感器对微小压力的高线性度及高灵敏度检测是目前亟需解决的关键问题。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出了一种压力传感器，该压力传感器对小数值压力检测灵敏度高，且压力传感器线性度高。
5.本发明进一步地提出了一种压力传感器的制备方法。
6.根据本发明的压力传感器，包括：
7.压力放大单元，所述压力放大单元包括第一本体和振动膜，所述第一本体具有连通的第一腔室和第二腔室，所述振动膜和所述第二腔室分别设于所述第一腔室两端，且所述振动膜覆盖所述第一腔室远离所述第二腔室的敞开端，所述第一腔室的体积大于所述第二腔室的体积；
8.压力感知单元，所述压力感知单元设于所述第一本体靠近所述第二腔室的一端，所述压力感知单元包括第二本体和电容器，所述第二本体具有与大气环境连通的气体腔，所述气体腔与所述第二腔室对应，所述电容器设于所述第一本体和所述第二本体之间，所述电容器与所述第二腔室和所述气体腔均相对设置，所述振动膜受压力时通过气体作用于所述电容器改变所述电容器的电容，以根据所述电容器的电容检测压力。
9.在本发明的一些示例中，所述第二本体设有排气孔，所述排气孔与所述气体腔连通，以连通所述气体腔和大气环境；
10.所述排气孔的体积小于所述气体腔的体积。
11.在本发明的一些示例中，所述第二本体靠近所述电容器的端部形成有所述气体腔，所述气体腔靠近所述电容器端部敞开。
12.在本发明的一些示例中，所述电容器包括：隔膜、第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极设于所述隔膜和所述第一本体之间，所述第二金属电极设于所述隔膜和所述第二本体之间，且所述气体腔的内壁面设有所述第二金属电极，所述振动膜受压力时通过气体作用于所述电容器使所述隔膜伸入所述气体腔内与设于所述内壁面的所述第二
金属电极接触，以改变所述电容器的电容。
13.在本发明的一些示例中，设于所述内壁面的所述第二金属电极设有避让孔，所述第二本体设有连通所述气体腔和大气环境的排气孔，所述排气孔与所述避让孔连通。
14.在本发明的一些示例中，所述第一腔室的体积v1，所述第二腔室的体积v2，满足关系式：5v2≤v1≤50v2。
15.在本发明的一些示例中，在所述压力传感器的轴向方向上，所述第二腔室的正投影位于所述第一腔室的正投影范围内；
16.沿所述压力传感器轴向方向，所述第二腔室的正投影位于所述气体腔的正投影范围内，或所述第二腔室的正投影与所述气体腔的正投影完全重合。
17.在本发明的一些示例中，在所述压力传感器的轴向方向上，所述第一腔室的高度、所述第二腔室的高度、所述气体腔的高度均为h，满足关系式：50μm≤h≤500μm；
18.所述第一腔室的直径、所述第二腔室的直径、所述气体腔的直径均r，满足关系式：50μm≤r≤5
㎜
。
19.根据本发明的压力传感器的制备方法，所述压力传感器包括压力放大单元和压力感知单元，所述压力放大单元包括第一本体和振动膜，所述第一本体具有连通的第一腔室和第二腔室，所述振动膜和所述第二腔室分别设于所述第一腔室两端，且所述振动膜覆盖所述第一腔室远离所述第二腔室的敞开端，所述压力感知单元设于所述第一本体靠近所述第二腔室的一端，所述压力感知单元包括第二本体和电容器，所述第二本体具有与大气环境连通的气体腔，所述气体腔与所述第二腔室对应，所述电容器设于所述第一本体和所述第二本体之间，所述电容器与所述第二腔室和所述气体腔均相对设置，所述制备方法包括以下步骤：
20.选取第一衬底作为所述第一本体，在所述第一本体上刻蚀形成所述第一腔室和所述第二腔室，将所述振动膜键合至所述第一本体远离所述第二腔室的端部以形成所述压力放大单元；
21.选取第二衬底作为所述第二本体，在所述第二本体上刻蚀形成所述气体腔，将所述电容器设于所述第二本体以形成所述压力感知单元；
22.将所述压力放大单元和所述压力感知单元通过键合技术连接以形成所述压力传感器。
23.在本发明的一些示例中，所述电容器包括：隔膜、第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极设于所述隔膜和所述第一本体之间，所述第二金属电极设于所述隔膜和所述第二本体之间，且所述气体腔的内壁面设有所述第二金属电极；
24.所述将所述电容器设于所述第二本体以形成所述压力感知单元，包括：在所述第二本体靠近所述第一本体的端面通过磁控溅射生成所述第二金属电极，在所述第二金属电极远离所述第二本体的一侧键合所述隔膜，在所述隔膜远离所述第二金属电极的一侧通过磁控溅射生成所述第一金属电极，以形成所述电容器。
25.本发明的有益效果是，根据本发明的压力传感器，通过压力放大单元和压力感知单元配合，能够提高压力传感器对小数值压力检测灵敏度，也能够提高压力传感器线性度。
26.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
27.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
28.图1是根据本发明实施例的压力传感器的截面图；
29.图2是根据本发明实施例的压力传感器的另一个角度截面图；
30.图3是根据本发明实施例的压力传感器的制备方法流程图；
31.图4是有无压力放大单元情况下压力传感器的电容随压力变化趋势示意图。
32.附图标记：
33.压力传感器100；
34.压力放大单元10；
35.第一本体11；第一腔室111；第二腔室112；
36.振动膜12；
37.压力感知单元20；
38.第二本体21；气体腔211；排气孔212；
39.电容器22；隔膜221；第一金属电极222；第二金属电极223；避让孔224。
具体实施方式
40.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
41.下面参考图1和图2描述根据本发明实施例的压力传感器100，压力传感器100为电容式压力传感器100。
42.如图1和图2所示，根据本发明实施例的压力传感器100包括：压力放大单元10和压力感知单元20。压力放大单元10包括第一本体11和振动膜12，第一本体11具有连通的第一腔室111和第二腔室112，振动膜12和第二腔室112分别设于第一腔室111两端，且振动膜12覆盖第一腔室111远离第二腔室112的敞开端。需要解释的是，当压力传感器100以图2中方向放置时，第一腔室111设置在振动膜12和第二腔室112之间，振动膜12设置在第一腔室111上端，第二腔室112设置在第一腔室111下端，第一腔室111靠近振动膜12的端部以及靠近第二腔室112的端部均敞开设置，振动膜12覆盖第一腔室111上端的敞开端，第二腔室112靠近第一腔室111的端部敞开设置，第二腔室112与第一腔室111连通。
43.压力感知单元20设于第一本体11靠近第二腔室112的一端，本技术以压力传感器100以图2中方向放置为例进行说明，压力感知单元20设于第一本体11的下端。压力感知单元20包括第二本体21和电容器22，第二本体21具有与大气环境连通的气体腔211，气体腔211与第二腔室112对应设置，需要说明的是，在图2中上下方向，气体腔211与第二腔室112对应布置。电容器22设于第一本体11和第二本体21之间，电容器22与第二腔室112和气体腔211均相对设置，进一步地，第二腔室112靠近电容器22的敞开端与电容器22正对设置，气体腔211靠近电容器22的敞开端与电容器22正对设置。第一腔室111的体积大于第二腔室112的体积，进一步地，第一腔室111的横截面积大于第二腔室112的横截面积。振动膜12受压力时通过气体作用于电容器22改变电容器22的电容，以根据电容器22的电容检测压力。
44.压力传感器100检测压力过程中，振动膜12受到压力的作用朝向第一腔室111内弯曲，第一腔室111内的气体朝向第二腔室112内流动，由于第一腔室111的体积大于第二腔室112的体积，气体从第一腔室111流入第二腔室112内后，气体压力增加，气体作用于电容器22上有利于使电容器22的电容改变，通过测试电容器22的电容变化检测出压力大小。其中，气体流入第二腔室112内压力增加，第二腔室112起到放大振动膜12振幅的效果，当振动膜12受到微小压力时，能够使电容器22的电容发生改变，可以使压力传感器100检测出微小压力，从而可以提高压力传感器100对小数值压力检测灵敏度，也可以提高压力传感器100线性度。并且，由于气体腔211与大气环境连通，气体作用于电容器22上后，气体腔211内气体可以排至大气环境中，气体腔211内的气体对电容器22的振动弯曲挠度没有局限性，可以提升压力传感器100检测灵敏度和和线性度。
45.由此，通过压力放大单元10和压力感知单元20配合，能够提高压力传感器100对小数值压力检测灵敏度，也能够提高压力传感器100线性度。
46.在本发明的一些实施例中，如图2所示，第二本体21靠近电容器22的端部形成有气体腔211，气体腔211靠近电容器22端部敞开设置。进一步地，如图2所示，电容器22可以包括：隔膜221、第一金属电极222和第二金属电极223，第一金属电极222设于隔膜221和第一本体11之间，第二金属电极223设于隔膜221和第二本体21之间，且气体腔211的内壁面设置有第二金属电极223，需要说明的是，气体腔211的内壁面包括气体腔211的底壁内壁面和气体腔211的侧壁内壁面，气体腔211的底壁内壁面设置有第二金属电极223，进一步地，气体腔211的侧壁内壁面也可以设置有第二金属电极223，第二本体21靠近电容器22的端部也可以设置有第二金属电极223，第二金属电极223贴设于第二本体21靠近电容器22的端部、气体腔211的底壁内壁面和气体腔211的侧壁内壁面。第一金属电极222设于隔膜221靠近第一本体11的表面。振动膜12受压力时通过气体作用于电容器22使隔膜221伸入气体腔211内与设于内壁面的第二金属电极223接触，以改变电容器22的电容。
47.具体地，压力传感器100检测压力过程中，振动膜12受到压力的作用朝向第一腔室111内弯曲，第一腔室111内的气体朝向第二腔室112内流动，由于第一腔室111的体积大于第二腔室112的体积，气体从第一腔室111流入第二腔室112内后，气体压力增加，气体通过第二腔室112作用于电容器22上后，由于气体压力增加，隔膜221的振动幅度大于振动膜12的振动幅度，隔膜221放大振动，起到放大振动膜12振幅的效果，隔膜221受到压力后，隔膜221的与气体腔211对应的部分、第一金属电极222与气体腔211对应的部分朝向气体腔211内弯曲，随着压力的增大，隔膜221与气体腔211的底壁内壁面的第二金属电极223接触面积改变引起电容器22电容的变化，从而通过测试电容器22的电容变化检测出压力大小，如此设置能够准确检测出压力大小，可以提升压力传感器100检测灵敏度以及线性度。并且，由于气体腔211与大气环境连通，气体作用于电容器22上后，气体腔211内气体可以排至大气环境中，气体腔211内的气体对隔膜221的振动弯曲挠度没有局限性，有利于隔膜221与第二金属电极223更好地接触，进一步提升压力传感器100的灵敏度和线性度。
48.进一步地，第一金属电极222和第二金属电极223均为厚度是100nm-1μm的导电性能良好的金属材料，优选的，金属电极材料为银、铝或者金。如此设置能够保证电容器22的工作性能，也可以保证第一金属电极222和第二金属电极223的使用寿命。隔膜221和振动膜12均为厚度1μm-10μm的弹性薄膜，优选的，该弹性薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷，但本发明
不限于此，弹性薄膜的材料也可以设置为与聚二甲基硅氧烷起到相同作用的材料。
49.在本发明的一些实施例中，如图2所示，第二本体21设置有排气孔212，排气孔212与气体腔211连通，排气孔212可以连通气体腔211和大气环境。进一步地，气体腔211的底壁设置有排气孔212，排气孔212贯穿气体腔211的底壁，从而使排气孔212连通气体腔211和大气环境，这样设置能够实现连通气体腔211和大气环境效果，可以简化压力传感器100结构。
50.在本发明的一些实施例中，如图2所示，设于内壁面的第二金属电极223设有避让孔224，第二本体21设有连通气体腔211和大气环境的排气孔212，排气孔212与避让孔224连通。其中，由于气体腔211的内壁面设置有第二金属电极223，通过设置避让孔224，避让孔224能够连通排气孔212和气体腔211，从而实现排气孔212和气体腔211连通效果，保证气体腔211内气体可以从排气孔212排至大气环境中，从而保证压力传感器100工作性能。
51.在本发明的一些实施例中，如图2所示，排气孔212的体积小于气体腔211的体积。其中，如果气体腔211不与大气环境连通，气体腔211易受外界温度影响，温度漂移相对较大。通过使排气孔212的体积小于气体腔211的体积，在降低压力传感器100温度漂移的同时，可以保证第一金属电极222和第二金属电极223接触后有足够的电容数值。
52.在本发明的一些实施例中，第一腔室111的体积v1，第二腔室112的体积v2，满足关系式：5v2≤v1≤50v2，例如：v1为5v2、或者v1为25v2、或者v1为50v2，v1和v2的关系可以根据具体使用情况具体限定。其中，通过限定5v2≤v1≤50v2，能够保证第一腔室111的体积大于第二腔室112的体积，气体流过第二腔室112后保证起到振动放大作用，保证使隔膜221的振动幅度大于振动膜12的振动幅度，从而使第一腔室111的体积和第二腔室112的体积比例适宜。
53.在本发明的一些实施例中，如图2所示，在压力传感器100的轴向方向上，压力传感器100的轴向方向是指图2中压力传感器100的上下方向，第二腔室112的正投影位于第一腔室111的正投影范围内，第二腔室112的横截面面积小于第一腔室111的横截面面积，气体从第一腔室111内流入第二腔室112内后，可以保证气体压力增加，气体流过第二腔室112后保证起到振动放大作用，并且，也便于使第二腔室112体积小于第二腔室112的体积。
54.在本发明的一些实施例中，如图2所示，沿压力传感器100轴向方向，第二腔室112的正投影位于气体腔211的正投影范围内，或者第二腔室112的正投影与气体腔211的正投影完全重合。如此设置能够保证气体作用于电容器22时隔膜221朝向气体腔211内弯曲，可以保证隔膜221与第二金属电极223接触面积改变，从而保证压力传感器100具有检测压力功能。
55.在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，第一腔室111、第二腔室112和气体腔211均可以为圆柱形腔体。在压力传感器100的轴向方向上，第一腔室111的高度、第二腔室112的高度、气体腔211的高度均为h，满足关系式：50μm≤h≤500μm，h可以设置为50μm、也可以设置为300μm、还可以设置为500μm，h的具体数值根据实际需求进行设定。第一腔室111的直径、第二腔室112的直径、气体腔211的直径均r，满足关系式：50μm≤r≤5
㎜
。在保证压力传感器100工作性能的基础上，如此设置能够使压力传感器100的外型尺寸尽量小，有利于压力传感器100小型化设计。
56.需要说明的是，如图4所示，压力传感器100设有压力放大单元10时，压力传感器100灵敏度比压力传感器100未设置压力放大单元10情况下灵敏度高。压力传感器100的第
一腔室111体积远大于第二腔室112体积，隔膜221的振动幅度大于振动膜12的振动幅度，通过使压力传感器100的第一腔室111体积大于第二腔室112体积，起到放大隔膜221振幅的效果，可以有效提高压力传感器100对小数值压力的检测灵敏度。压力传感器100的排气孔212使气体腔211与外界大气压相连，对隔膜221的振动弯曲挠度没有局限性，有利于隔膜221与第二金属电极223更好地接触，有利于提升压力传感器100线性度及灵敏度。压力传感器100的工作模式为接触式，依靠第一金属电极222和第二金属电极223接触面积的改变感知压力大小，具有很好的线性度。
57.在本发明的一些实施例中，压力传感器100可以包括发光部，发光部可以设置于第一本体11和/或第二本体21，发光部可以设置为灯等具有发光功能的零部件，通过设置发光部，能够使压力传感器100具有照明功能，光照不足情况下，便于用户找到压力传感器100。
58.在本发明的一些实施例中，排气孔212内设置有过滤网，过滤网具有过滤作用，可以防止外界颗粒物物体进入气体腔211内，避免颗粒物物体堆积在气体腔211内。
59.根据本发明实施例的压力传感器100的制备方法，压力传感器100为上述实施例中的压力传感器100，压力传感器100包括压力放大单元10和压力感知单元20，压力放大单元10包括第一本体11和振动膜12，第一本体11具有连通的第一腔室111和第二腔室112，振动膜12和第二腔室112分别设于第一腔室111两端，且振动膜12覆盖第一腔室111远离第二腔室112的敞开端，压力感知单元20设于第一本体11靠近第二腔室112的一端，压力感知单元20包括第二本体21和电容器22，第二本体21具有与大气环境连通的气体腔211，气体腔211与第二腔室112对应，电容器22设于第一本体11和第二本体21之间，电容器22与第二腔室112和气体腔211均相对设置。如图3所示，制备方法包括以下步骤：
60.s10、选取第一衬底作为第一本体11，在第一本体11上刻蚀形成第一腔室111和第二腔室112，将振动膜12键合至第一本体11远离第二腔室112的端部以形成压力放大单元10。
61.需要说明的是，第一衬底可以为硅衬底，在第一本体11表面进行光刻形成图形化的掩膜层，通过各向异性干法刻蚀形成第一腔室111。如图2所示，在第一腔室111的正下方中心位置，通过图形化的掩膜，各向异性干法刻蚀形成第二腔室112。通过键合技术将振动膜键12合至第一本体11的上表面形成压力放大单元10。
62.s20、选取第二衬底作为第二本体21，在第二本体21上刻蚀形成气体腔211，将电容器22设于第二本体21以形成压力感知单元20。
63.需要说明的是，第二衬底可以为硅衬底，在第二本体21表面进行光刻形成图形化的掩膜层，通过各向异性干法刻蚀形成气体腔211。进一步地，通过干法刻蚀在气体腔211的底壁各向异性刻蚀出排气孔212，以使气体腔211和大气环境连通。将电容器22设于第二本体21以形成压力感知单元20。
64.s30、将压力放大单元10和压力感知单元20通过键合技术连接以形成压力传感器100。
65.其中，通过上述的压力传感器100的制备方法，能够制备出满足需求的压力传感器100，可以提高压力传感器100对小数值压力检测灵敏度，也能够提高压力传感器100的线性度。
66.在本发明的一些实施例中，电容器22包括：隔膜221、第一金属电极222和第二金属
电极223，第一金属电极222设于隔膜221和第一本体11之间，第二金属电极223设于隔膜221和第二本体21之间，且气体腔211的内壁面设有第二金属电极223。
67.将电容器22设于第二本体21以形成压力感知单元20，包括：在第二本体21靠近第一本体11的端面通过磁控溅射生成第二金属电极223，在第二金属电极223远离第二本体21的一侧键合隔膜221，在隔膜221远离第二金属电极223的一侧通过磁控溅射生成第一金属电极222，以形成电容器22。具体地，如图2所示，在气体腔211上侧通过磁控溅射在气体腔211的底壁内壁面和侧壁内壁面生成第二金属电极223，在第二金属电极223上方键合隔膜221，在隔膜221的上表面通过磁控溅射生成第一金属电极222，以形成电容器22，如此设置能够将电容器22设于第二本体21上。
68.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
69.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。