一种MEMS压力传感器的制作方法

本申请涉及压力传感器，尤其涉及一种mems压力传感器。

背景技术：

1、微机电系统(mems)是集微结构、微执行器、微传感器以及信号处理和控制电路甚至接口、通信和电源等于一体的微型器件或者系统，mems具有制作成本低、质量小、体积小、性能高、易于集成等优点。近年来，mems技术高速发展，应用广泛，比如在航天、汽车、生物技术等领域。

2、在微型传感器中，压力传感器是一种比较常见也重要的传感器，一般的有压阻式、压电式、电容式等原理的压力传感器。目前传感器中压阻式压力传感器的线性度很好，但精度一般，灵敏度也较低；电容式压力传感器与之相比具有精度高、温漂小等优点。

3、例如专利201680043400.8描述的电容式压力传感器，通过第一电极和第二电极之间的腔室形成电容来测量压力值，不过此传感器中灵敏度也因为腔室中突出的基座变得较小。

4、专利201610868540.0描述的传感器为接触式传感器，传感器的上下电极设置在外界流体中，可以测量流体中的压力情况，但不同的流体的介电常数不同，需要不同的电容标定，操作繁琐。且在该专利中薄膜作为活动电极，其法向位移比较小，若需提高其灵敏度，则需增大器件尺寸为代价。

5、专利201710688334.6所描述的压力传感器中，在移动薄膜上增加了岛状结构厚度以实现抗过载，但同时它也失去了高量程的效果，其灵敏度也会有相应的损失。

6、以上专利都表现出在电容式压力传感器设计中，因为感压薄膜的局限性而限制了传感器的灵敏度。一般在电容式压力传感器设计中为了具有较大灵敏度，需要薄膜具有较大的挠度，薄膜的厚度将尽量的小或者增大薄膜面积。由于非常薄的薄膜气密性比较难保证，减小薄膜厚度制造不易，最终出现传感器尺寸比较大或者灵敏度较低的现象。

技术实现思路

1、本申请提供了一种mems压力传感器，解决了目前的mems电容式压力传感器因为感压薄膜的局限性而限制了传感器的灵敏度等问题。

2、本申请提供了一种mems压力传感器，包括基座，所述基座的顶面设有凹腔，所述凹腔的内壁从上往下依次设有第一环形槽和第二环形槽，所述第一环形槽内密封安装有一级感压膜片，所述第二环形槽内密封安装有二级感压膜片；所述一级感压膜片、二级感压膜片与凹腔的内壁合围形成密封腔，所述密封腔内部填充有导压液，所述密封腔的内径从上往下依次递减；所述二级感压膜片与凹腔的底部合围形成检测腔，所述检测腔的底面设有固定电极，所述二级感压膜片的底面设有与固定电极相配的活动电极，所述固定电极与活动电极构成第一电容器。

3、本申请提供的技术方案中，通过设置一级感压膜片和二级感压膜片，并在二级感压膜片的底面设置活动电极，在检测腔的底面设置与活动电极相配的固定电极；由于密封腔内填充有导压液，且密封腔的内径从上往下依次递减，当一级感压膜片受压向下弯曲形变时，密封腔内的导压液会压迫二级感压膜片向下弯曲形变，由于密封腔的下部内径小于上部内径，为了维持密封腔的容积恒定，二级感压膜片的形变量会大于一级感压膜片的形变量，从而实现了对一级感压膜片形变量的放大，从而提高了mems压力传感器的灵敏度。

4、在某些实施方式中，所述固定电极与活动电极之间设有参考电极，所述参考电极与活动电极构成第二电容器，所述第一电容器和第二电容器的电容差值被配置为与施加在一级感压膜片上的压力呈线性关系；通过在固定电极与活动电极之间设置参考电极，使得第一电容器与第二电容器的电容差值与压力传感器感受到的压力呈线性变化，一方面可以抑制电容受到外界环境的温度、气压等因素的影响，消除环境因素造成的零点漂移，从而提高mems压力传感器检测数据的准确性；另一方面能够实现在特定的膜片刚度下解决mems压力传感器输出非线性的问题。

5、在某些实施方式中，所述活动电极和参考电极为圆形电极，所述固定电极为环形电极，所述固定电极的外径与活动电极的外径相配，所述固定电极的内径与参考电极的外径相配，所述固定电极、参考电极、活动电极同轴设置，这种结构设计可以避免参考电极与固定电极之间互相影响，活动电极的外部环形区域与固定电极的顶面对应构成第一电容器，活动电极的中部圆形区域与参考电极的顶面对应构成第二电容器。

6、在某些实施方式中，所述mems压力传感器还包括信号处理芯片，所述信号处理芯片分别与第一电容器、第二电容器电连接，信号处理芯片根据第一电容器与第二电容器的电容差值计算施加在一级感压膜片上的压力数据。

7、在某些实施方式中，所述检测腔的侧壁开设有与外界连接连通的气体平衡通道，通过在检测腔的侧壁开设连通外界的气体平衡通道，使检测腔内的气压始终维持恒定，当二级感压膜片向下形变时不会压缩检测腔内的空气，检测腔内的气压维持恒定，从而不会反过来影响二级感压膜片的形变，进一步提高了检测数据的准确性。

8、进一步的，所述气体平衡通道的进出口设有防水透气膜，防止水分通过气体平衡通道进入检测腔影响检测腔内介质的介电常数，从而进一步保障了检测数据的准确性。

9、在某些实施方式中，所述基座包括从上往下依次设置的盖板层、芯体层和衬底层，所述第一环形槽设在芯体层的顶面，所述第二环形槽设在衬底层的顶面；所述盖板层的底面与芯体层的顶面采用键合的方式连接，所述芯体层的底面与衬底层的顶面采用键合的方式连接，采用这种结构设计方便传感器的加工。

10、在某些实施方式中，所述基座采用硅、碳化硅或玻璃等材料制成。

11、上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

技术特征：

1.一种mems压力传感器，其特征在于，包括基座(1)，所述基座(1)的顶面设有凹腔(2)，所述凹腔(2)的内壁从上往下依次设有第一环形槽和第二环形槽，所述第一环形槽内密封安装有一级感压膜片(3)，所述第二环形槽内密封安装有二级感压膜片(4)；所述一级感压膜片(3)、二级感压膜片(4)与凹腔(2)的内壁合围形成密封腔(5)，所述密封腔(5)内部填充有导压液，所述密封腔(5)的内径从上往下依次递减；所述二级感压膜片(4)与凹腔(2)的底部合围形成检测腔(6)，所述检测腔(6)的底面设有固定电极(7)，所述二级感压膜片(4)的底面设有与固定电极(7)相配的活动电极(8)，所述固定电极(7)与活动电极(8)构成第一电容器(9)。

2.根据权利要求1所述的一种mems压力传感器，其特征在于，所述固定电极(7)与活动电极(8)之间设有参考电极(10)，所述参考电极(10)与活动电极(8)构成第二电容器(11)，所述第一电容器(9)和第二电容器(11)的电容差值被配置为与施加在一级感压膜片(3)上的压力呈线性关系。

3.根据权利要求2所述的一种mems压力传感器，其特征在于，所述活动电极(8)和参考电极(10)为圆形电极，所述固定电极(7)为环形电极，所述固定电极(7)的外径与活动电极(8)的外径相配，所述固定电极(7)的内径与参考电极(10)的外径相配，所述固定电极(7)、参考电极(10)、活动电极(8)同轴设置。

4.根据权利要求2所述的一种mems压力传感器，其特征在于，所述mems压力传感器还包括信号处理芯片，所述信号处理芯片分别与第一电容器(9)、第二电容器(11)电连接。

5.根据权利要求1所述的一种mems压力传感器，其特征在于，所述检测腔(6)的侧壁开设有与外界连接连通的气体平衡通道(12)。

6.根据权利要求5所述的一种mems压力传感器，其特征在于，所述气体平衡通道(12)的进出口设有防水透气膜(13)。

7.根据权利要求1所述的一种mems压力传感器，其特征在于，所述基座(1)包括从上往下依次设置的盖板层(110)、芯体层(120)和衬底层(130)，所述第一环形槽设在芯体层(120)的顶面，所述第二环形槽设在衬底层(130)的顶面；所述盖板层(110)的底面与芯体层(120)的顶面采用键合的方式连接，所述芯体层(120)的底面与衬底层(130)的顶面采用键合的方式连接。

8.根据权利要求1所述的一种mems压力传感器，其特征在于，所述基座(1)采用硅、碳化硅或玻璃材料制成。

技术总结
本发明提供了一种MEMS压力传感器，包括基座，基座的顶面设有凹腔，所述凹腔的内壁从上往下依次设有一级感压膜片和二级感压膜片；所述一级感压膜片、二级感压膜片与凹腔的内壁合围形成密封腔，所述密封腔内部填充有导压液，所述密封腔的内径从上往下依次递减；所述二级感压膜片与凹腔的底部合围形成检测腔，所述检测腔的底面设有固定电极，所述二级感压膜片的底面设有与固定电极相配的活动电极，所述固定电极与活动电极构成第一电容器。当一级感压膜片受压向下弯曲形变时，密封腔内的导压液会压迫二级感压膜片向下弯曲形变，二级感压膜片的形变量会大于一级感压膜片的形变量，从而放大了一级感压膜片的形变量，提高了MEMS压力传感器的灵敏度。

技术研发人员：王小平,曹万,李凡亮,杨军,吴林,王红明,吴登峰,洪鹏,梁世豪
受保护的技术使用者：武汉飞恩微电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19