一种电容式压力传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于压力传感器领域，涉及一种电容式压力传感器及其制备方法，特别涉及一种大电容变化的电容式压力传感器。
【背景技术】
[0002]压力传感器是通过检测因压力而发生电阻、电容、电流、光等参数变化来测试压力变化的传感器，压力传感器与加速度传感器一样，都是量大面广的传感器，每年的需求量达到了几十亿只。
[0003]压力传感器种类繁多，主要有硅压阻式压力传感器、谐振型压力传感器、电容式压力传感器等，硅压阻式压力传感器是通过检测硅电阻阻值随压力变化而变化来检测压力，这种压力传感器因为硅电阻是半导体电阻，存在电阻阻值随温度变化，还有采用PN结隔离，存在PN结漏电等问题，其处理电路既要完成电阻信号的检测信号拾取与放大处理，又要进行硅电阻的温度补偿，这就对处理电路提出了非常高的要求，因此，硅压阻式压力传感器限于成本，主要用于精度要求不高、环境要求不高的领域。谐振型压力传感器是利用传感器的固有谐振频率随压力变化的特点来检测压力，它消除了传感器因外界环境变化(如:温度、磁等)造成对压力检测精度所带来的影响，是高精度压力检测的首选传感器，但是加工难度较大，世界上目前也只有三家公司研制成功。电容式压力传感器是电容极板的相对位置会随着压力的变化而改变，从而引起电容的改变，通过检测电路对电容的测量，实现压力的测量。这种传感器消除了硅压阻式压力传感器PN结漏电、电阻随温度变化所带来的影响的问题，同时还具有低功耗的优点，是中等精度压力检测的理想压力传感器，但是由于电容加工方式方法上的不同，性能差异也很大。专利文献I “电容式半导体压力传感器”(申请号:03147270.2)提出采用多晶硅作可动的电容极板，金属固定电极与一可动的多晶硅隔膜所构成的平板电容(Plate capacitor)，设置于一非单晶硅基底上，成为一种电容式半导体压力传感器，这种方法制作的压力传感器由于多晶硅杨氏模量比起不锈钢或单晶硅来差很多，造成多晶硅隔膜抗疲劳强度较差，因此可靠性不高，另外，该电容之间的空腔距离小，电容变化范围小，对外围电路检测提出了很高的要求；感应外界压力的多晶硅隔膜和引线是同面，需要增加保护工艺来保护引线，避免受外界影响。专利文献2 “高Q值大相对变化量电容压力传感器”(申请号:201010548819.3)，提出由周边固支的弹性振动膜片组成电容器，通过调整圆形电极与振动膜片半径之比、设置绝缘凸点等手段，使振动膜片处于大应变状态，最大电容与初始电容之比尽可能大，从而使电容达到大相对变化量、高Q值的目的。该方法虽然能够实现大电容变化，降低外围检测电路的要求，振动膜片可采用高杨氏模量的不锈钢材料制作，提高抗疲劳强度，进一步提高可靠性，但是整个电容的体积较大，批量生产能力差
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电容式压力传感器及其制备方法。
[0005]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0006]一种电容式压力传感器，包括由导电单晶硅可动电极板和金属固定电极构成的平板电容，其特征在于:还包括导电单晶硅基底和设置在导电单晶硅可动电极板和导电单晶硅基底之间的导电支承结构，所述导电单晶硅可动电极板、导电单晶硅基底和导电支承结构中间形成密闭腔室，所述金属固定电极设置在密闭腔室内部的导电单晶硅基底上；所述导电单晶硅基底包括多个彼此绝缘的导电单晶硅块，所述多个导电单晶硅块中各块均不同时与导电单晶硅可动电极板和金属固定电极连通，但至少各有一块分别与导电单晶硅可动电极板和金属固定电极连通。
[0007]优选的，所述导电单晶硅可动电极板包括单晶硅电极隔膜和单晶硅支承柱，该电极隔膜下部设有弹性膜腔室，上部设有可动极板腔室。
[0008]优选的，所述导电单晶硅可动电极板材质为N+型单晶硅，所述单晶硅电极隔膜厚度为105-155 μ m，弹性膜腔室的深度为250± 10 μ m，可动极板腔室的深度为20±5 μπι。
[0009]优选的，所述导电单晶硅基底包括彼此绝缘的左右两块，所述左右两块单晶硅基底上部分别设有导电引出端，下部分别设有凸起，所述左右两块单晶硅基底之间的硅槽区及下表面除凸起外的隔离区均设有绝缘材料，所述导电支承结构和金属固定电极分别与左侧或右侧的凸起直接接触。
[0010]优选的，所述导电单晶硅基底材质为N+型单晶硅，厚度为400±10μπι，电阻率为0.008-0.01 Ω.cm ;所述金属固定电极材质为含硅量0.7-1.2%的硅铝合金，厚度为1.2 + 0.1 μ m0
[0011]优选的，所述绝缘材料为玻璃粉。
[0012]优选的，导电支承结构为钛钨合金和铝硅合金两层复合结构。
[0013]优选的，所述金属固定电极的下表面设有二氧化硅层。
[0014]本发明制备所述电容式压力传感器的方法，首先制备导电单晶硅可移动电极板、然后制备固定电极、最后组对所得单晶硅可移动电极板和固定电极并去除固定电极多余部分得产品。
[0015]进一步，所述导电单晶硅可动电极板由以下步骤制得:
[0016]I)、选取N+型单晶娃片并进彳丁双面抛光；
[0017]2)、氧化步骤I)的单晶硅片，使其表面生成二氧化硅层；
[0018]3)、在步骤2)的单晶硅片双面沉积氮化硅层；
[0019]4)、刻蚀去除弹性膜腔室处的氮化硅和二氧化硅；
[0020]5)、刻蚀去除可动极板腔室处的氮化硅；
[0021]6)、利用蚀刻液初次蚀刻弹性膜腔室处的硅；
[0022]7)、刻蚀去除可动极板腔室处的二氧化硅；
[0023]8)、同步蚀刻可动极板腔室和弹性膜腔室处的硅至指定深度；
[0024]9)、去掉剩余的氮化硅和二氧化硅。
[0025]进一步，制备所述固定电极时包括以下步骤:
[0026]1)、选取 N+
[0027]型单晶硅片，单面抛光、双面氧化使其表面生成二氧化硅层；
[0028]2)、刻蚀去除步骤I)单晶硅片抛光面硅槽区和隔离区处的二氧化硅；
[0029]3)、初次刻蚀去除硅槽区的硅；
[0030]4)、同步刻蚀去除硅槽区和隔离区处的硅；
[0031]5)、去除余留的二氧化硅层；
[0032]6)、将玻璃粉均匀涂覆在硅槽区和隔离区位置并高温固化；
[0033]7)、在步骤6)的单晶硅硅槽区表面溅射铝硅固定电极，在隔离区表面溅射铝硅合金层，所述铝硅固定电极和铝硅合金层分别与单晶硅片下部不同的凸起接触且两者之间不导通；
[0034]8)、在步骤7)铝硅合金层表面溅射一层钛钨合金。
[0035]进一步，压力传感器组对按如下步骤进行:
[0036]I)、将导电单晶硅可动电极板和固定电极对准叠合，并加快导电支承结构中的金属扩散，使两者可靠键合；
[0037]2)、将步骤I)键合好的固定电极硅片进行减薄、抛光，露出隔离槽中的绝缘材料；
[0038]3)、在步骤2)固定电极背面、隔离槽两侧分别溅射或蒸发设置两个电容极板的引线电极。
[0039]本发明的有益效果在于:
[0040]本发明在低阻值单晶硅片正反两面腐蚀出深槽后作为电容可动极板，接触外界压力的弹性膜腔室可用来调节单晶硅薄膜的厚度，可动极板腔室可用来控制电容极板之间的电容；这种结构的电容可动极板腔室的深度可达10-30μπι，远高于常规电容极板间距，可以大幅增加电容变化值，进而提高传感器的灵敏度并降低电路的复杂程度；另外，该结构还具有杨氏模量高，不易损坏的优点。本发明的固定电极由多块彼此绝缘的单晶硅基底组成，金属