CN112284608B - 电容式微机械气压传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种电容式微机械气压传感器及其制备方法。电容式微机械气压传感器包括：衬底，设置有气腔和气体传输通道，所述气体传输通道将所述气腔与外界连通；分布式电容阵列，设置在所述衬底内，所述分布式电容阵列之间设置有所述气体传输通道；导电介质，可移动地设置在所述气体传输通道中；加热件，设置在所述衬底内，并与所述气腔相对应，以通过加热所述气腔内的气体推动所述导电介质在所述气体传输通道内移动。利用移动的导电介质代替形变的机械薄膜，避免了残余应力、热应力、非线性等带来的设计和可靠性问题；气压与“加热温度‑膨胀体积”曲线的斜率成正比，因此传感器的输出特性为线性，同时温漂小，传感器的设计灵活度高。

Description

电容式微机械气压传感器及其制备方法

技术领域

本公开属于传感器技术领域，具体涉及一种电容式微机械气压传感器及其制备方法。

背景技术

气压传感器广泛应用于气象、汽车、医疗和智能家居等众多领域，电容式气压传感器利用电容结构或者敏感介质的变化表征气压的变化，随着物联网产业的发展以及智能器件需求的增加，微机械气压传感器成为气压传感器产业的发展方向。

传统的电容式微机械气压传感器主要基于三种工作原理：1.变间距原理；2.变面积原理；3.变介电常数原理。1998年，M.Esashi(人名)等人提出一种变间距原理的电容式微机械气压传感器，通过气压使得敏感膜变形，从而改变敏感电容器的电极间距，进而使得敏感电容变化。1996年，W.H Ko(人名)等人提出一种变面积原理的电容式微机械气压传感器，通过气压使得敏感膜变形，从而使得敏感电容器的电极接触面积变化，进而使得敏感电容变化。2004年，Zhou Min-Xin(人名)等人提出一种变介电常数原理的电容式微机械气压传感器，通过应力使得敏感电介质的介电常数发生变化，从而使得敏感电容变化。

上述电容式微机械气压传感器，无论采用何种原理，均是基于气压变化造成敏感膜形变，从而使得电容器结构或者应力变化来实现气压敏感。但是，敏感膜中的残余应力以及热应力会造成意外的形变和温漂，此外，由于薄膜形变的非线性特征，使得传感器的设计较为复杂，往往需要反复的验证和修改。

发明内容

本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种电容式微机械气压传感器及其制备方法。

本公开的一个方面，提供一种电容式微机械气压传感器，包括：

衬底，所述衬底内设置有气腔和气体传输通道，所述气体传输通道将所述气腔与外界连通；

分布式电容阵列，所述分布式电容阵列设置在所述衬底内，所述分布式电容阵列之间设置有所述气体传输通道；

导电介质，所述导电介质可移动地设置在所述气体传输通道中；

加热件，所述加热件设置在所述衬底内，并与所述气腔相对应，以通过加热所述气腔内的气体推动所述导电介质在所述气体传输通道内移动。

在一些可选地实施方式中，所述分布式电容阵列包括多个第一电容极板和多个第二电容极板；

所述多个第一电容极板位于所述气体传输通道背离所述气腔的一侧，并沿所述气体传输通道的长度方向间隔设置；

所述多个第二电容极板位于所述气体传输通道朝向所述气腔的一侧，并沿所述气体传输通道的长度方向间隔设置；以及，

每个所述第一电容极板对应至少一个所述第二电容极板。

在一些可选地实施方式中，所述电容式微机械气压传感器还包括第一绝缘层和第二绝缘层，所述第一绝缘层与所述第二绝缘层相对间隔设置；以及，

所述第一绝缘层包覆所述多个第一电容极板，所述第二绝缘层包覆所述多个第二电容极板，所述第一绝缘层与所述第二绝缘层之间的间隔设置有所述气体传输通道。

在一些可选地实施方式中，所述加热件包括多个加热电阻，所述多个加热电阻沿所述气腔的长度方向间隔设置。

在一些可选地实施方式中，在所述电容式微机械气压传感器包括第一绝缘层时，所述第一绝缘层还包覆所述多个加热电阻。

在一些可选地实施方式中，所述衬底包括键合设置的第一衬底和第二衬底；

所述第一衬底朝向所述第二衬底的一侧设置有所述加热件以及部分所述分布式电容阵列；

所述第二衬底朝向所述第一衬底的一侧设置有所述气腔、所述气体传输通道以及另一部分所述分布式电容阵列。

在一些可选地实施方式中，所述电容式微机械气压传感器还包括第三绝缘层，所述第三绝缘层设置在所述第二衬底和所述另一部分分布式电容阵列之间。

在一些可选地实施方式中，所述导电介质采用导电液滴。

本公开的另一方面，提供一种电容式微机械气压传感器的制备方法，所述制备方法包括：

分别提供第一衬底和第二衬底；

在所述第一衬底上形成加热件、多个第一电容极板以及形成包覆所述加热件和所述多个第一电容极板的第一绝缘层；

在所述第二衬底上依次形成第三绝缘层和多个第二电容极板以及形成包覆所述多个第二电容极板的第二绝缘层，并在所述第二绝缘层上形成深槽和浅槽；

将所述第二衬底与所述第一衬底键合，形成气腔和气体传输通道，所述气体传输通道将所述气腔与外界连通；

在所述气体传输通道内形成导电介质，以制备得到所述电容式微机械气压传感器。

在一些可选地实施方式中，所述在所述气体传输通道内形成导电介质，包括：

在低气压条件下将键合形成的传感器结构浸入导电聚合物液体中；

提高外部气压，将少量导电聚合物压入气体传输通道，形成导电液滴。

本公开的电容式微机械气压传感器及其制备方法，利用移动的导电介质代替形变的机械薄膜，避免了残余应力、热应力、非线性等带来的设计和可靠性问题；气压与“加热温度-膨胀体积”曲线的斜率成正比，因此传感器的输出特性为线性，同时温漂小；传感器的输出特性可以由气腔大小、气体传输通道截面积、气体传输通道长度、分布式电容阵列结构等来进一步调整，传感器的设计灵活度高。

附图说明

图1为本公开一实施例的电容式微机械气压传感器的结构示意图；

图2为本公开另一实施例的电容式微机械气压传感器的制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。

如图1所示，本公开的一方面，涉及一种电容式微机械气压传感器，包括衬底、分布式电容阵列、导电介质11和加热件3。衬底可以采用硅材料、氮化硅材料等制作形成，本公开实施例对此并不限制。衬底内设置有气腔9和气体传输通道10，所述气体传输通道10将所述气腔9与外界连通。也就是说，如图1所述，气体传输通道10的左端与气腔9连通，气体传输通道10的右端与外界连通。对于气腔9以及气体传输通道10的形状以及尺寸并没有作出限定，但为了提高气压传感器的灵敏度，气体传输通道10的横截面尺寸应远小于气腔9的横截面尺寸，以便气腔9内的气体受热后可以推动气体传输通道10内的导电介质11移动。

示例性的，如图1所示，所述分布式电容阵列设置在所述衬底内，所述气体传输通道10位于所述分布式电容阵列之间。所述导电介质11可移动地设置在所述气体传输通道10中。所述加热件3设置在所述衬底内，并与所述气腔9相对应，以通过加热所述气腔9内的气体推动所述导电介质11在所述气体传输通道10内移动。

具体地，如图1所示，在气体传输通道10中置入导电介质11后，该导电介质11可以将一定量的气体封在气腔9中，这样，通过加热件3加热气腔9中的气体，可以使得气体膨胀进而移动气体传输通道10中的导电介质11。导电介质11的移动位置可以由分布式电容阵列测得，从而可以得到气体膨胀体积。加热温度可以由加热件3(如加热电阻等)的电载荷控制，在平衡时气腔9内的气压和外部相等，气压可以由加热温度与气体膨胀体积的曲线斜率表征，具体推导过程如下：

具体地，根据气体状态方程气压P、体积V和温度T的关系可以表示为：

PV＝nRT (1)

其中，nR为常数。

气腔内的气压和外界气压平衡，当温度发生变化时，气体的体积发生变化：

PΔV＝nRΔT (2)

通过上述关系式(1)至关系式(3)不难可以看出，气压可以由加热温度与气体膨胀体积的曲线斜率表征。

本实施例的电容式微机械气压传感器，利用移动的导电介质代替形变的机械薄膜，避免了残余应力、热应力、非线性等带来的设计和可靠性问题；气压与“加热温度-膨胀体积”曲线的斜率成正比，因此传感器的输出特性为线性，同时温漂小；传感器的输出特性可以由气腔大小、气体传输通道截面积、气体传输通道长度、分布式电容阵列结构等来进一步调整，传感器的设计灵活度高。

示例性的，如图1所示，所述分布式电容阵列包括多个第一电容极板2，所述多个第一电容极板2位于所述气体传输通道10背离所述气腔9的一侧，并沿所述气体传输通道10的长度方向间隔设置。也就是说，如图1所示，所述多个第一电容极板2位于所述气体传输通道10的下方，所述多个第一电容极板2沿所述气体传输通道10的左右方向间隔设置。优选地，所述多个第一电容极板2可以沿所述气体传输通道10的长度方向等间隔设置，当然，除此以外，所述多个第一电容极板2也可以采用其他一些间隔设置方式，例如，相邻第一电容极板2之间的距离依次递增、依次减小、先减小后增大或先增大后减小等等，本公开实施例对此并不限制。

示例性的，如图1所示，所述分布式电容阵列还包括多个第二电容极板6，所述多个第二电容极板6位于所述气体传输通道10朝向所述气腔9的一侧，并沿所述气体传输通道10的长度方向间隔设置。也就是说，如图1所示，所述多个第二电容极板6位于所述气体传输通道10的上方，所述多个第二电容极板6沿所述气体传输通道10的左右方向间隔设置。同样优选地，所述多个第二电容极板6可以沿所述气体传输通道10的长度方向等间隔设置，当然，除此以外，所述多个第二电容极板6也可以采用其他一些间隔设置方式，例如，相邻第二电容极板6之间的距离依次递增、依次减小、先减小后增大或先增大后减小等等，本公开实施例对此并不限制。

示例性的，如图1所示，每个第一电容极板2可以对应一个所述第二电容极板6，当然，除此以外，每个第一电容极板2可以对应两个第二电容极板6，或者每个第一电容极板2也可以对应三个或三个以上的第二电容极板6等等，本公开实施例对此并不限制。

需要说明的是，对于分布式电容阵列所包括的第一电容极板和第二电容极板的数量并没有作出限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行设计，例如，分布式电容阵列可以包括4～6个第一电容极板以及相应的第二电容极板等等。

示例性的，如图1所示，所述加热件3包括多个加热电阻，所述多个加热电阻沿所述气腔9的长度方向间隔设置。也就是说，如图1所示，所述多个加热电阻沿所述气腔9的左右方向间隔设置。优选地，该多个加热电阻可以沿气腔9的长度方向等间隔设置，或者，多个加热电阻也可以采取其他一些间隔设置方式，本公开实施例对此并不限制。

示例性的，如图1所示，为了便于在衬底上形成上述的气腔9、气体传输通道10以及分布式电容阵列和加热件3等结构，衬底可以采用分体式设计，也就是说，如图1所示，衬底可以包括键合设置的第一衬底1和第二衬底8，第二衬底8位于第一衬底1的上方。可以在第一衬底1的上表面设置有所述加热件3和多个第一电容极板2。相应的，可以在第二衬底8的下表面设置有与多个第一电容极板2一一对应的多个第二电容极板6、以及从下表面向上表面凹陷形成的气腔9和气体传输通道10，在该气体传输通道10内设置有所述导电介质11。采用分体式设计的衬底结构，可以便于在各衬底上制备各器件，从而可以简化传感器的制作工艺，降低制作成本。

示例性的，如图1所示，所述电容式微机械气压传感器还包括第一绝缘层4、第二绝缘层5和第三绝缘层7，所述第一绝缘层4与所述第二绝缘层5相对间隔设置。所述第一绝缘层4包覆所述多个第一电容极板2和所述多个加热电阻，所述第二绝缘层5包覆所述多个第二电容极板6，所述第一绝缘层4与所述第二绝缘层5之间的间隔设置有所述气体传输通道10。所述第三绝缘层7设置在所述第二衬底8和所述多个第二电容极板6之间。

需要说明的是，对于各绝缘层的材料并没有作出限定，例如，可以采用氧化硅、氮化硅等绝缘材料制作形成，本公开实施例对此并不限制。

示例性的，如图1所示，所述导电介质11可以采用导电液滴，采用导电液滴制作形成导电介质11，在气腔9内的气体因受热发生膨胀时，可以更好地推动导电液滴移动，从而可以使得传感器更为敏感。当然，除此以外，本领域技术人员还可以根据实际需要，选择其他一些导电介质，本公开实施例对此并不限制。

本公开的另一方面，涉及一种电容式微机械气压传感器的制备方法，该电容式微机械气压传感器的结构可以参考前文相关记载，在此不作赘述。

如图2所示，一种电容式微机械气压传感器的制备方法S100，包括：

S110、分别提供第一衬底和第二衬底。

示例性的，可以一并结合图1，分别提供第一衬底1和第二衬底8，第一衬底1和第二衬底8可以均采用玻璃衬底等。

S120、在所述第一衬底上形成加热件、多个第一电容极板以及形成包覆所述加热件和所述多个第一电容极板的第一绝缘层。

示例性的，在本步骤中，可以一并结合图1，在第一衬底1上生长一层多晶硅，光刻、腐蚀形成多个第一电容极板2和多个加热电阻，然后通过化学气象淀积在表面淀积氧化硅，形成第一绝缘层4，接下来通过化学机械平坦化工艺使得第一绝缘层4平坦。

S130、在所述第二衬底上依次形成第三绝缘层和多个第二电容极板以及形成包覆所述多个第二电容极板的第二绝缘层，并在所述第二绝缘层上形成深槽和浅槽。

示例性的，在本步骤中，可以一并结合图1，在第二衬底8氧化形成第三绝缘层7，溅射铝金属层并光刻、腐蚀形成第二电容极板6，然后通过化学气象淀积在表面淀积氧化硅，形成第二绝缘层5，通过化学机械平坦化工艺使得第二绝缘层5平坦，并在第二绝缘层5上通过光刻、腐蚀形成浅槽，为形成毛气体传输通道11做准备。接着由等离子体刻蚀技术在第二衬底8上进行深槽刻蚀，为形成气腔9做准备。

S140、将所述第二衬底与所述第一衬底键合，形成气腔和气体传输通道，所述气体传输通道将所述气腔与外界连通。

S150、在所述气体传输通道内形成导电介质，以制备得到所述电容式微机械气压传感器。

示例性的，在本步骤中，可以一并结合图1，可以在低气压条件下将键合形成的传感器结构浸入导电聚合物液体中，提高外部气压，将少量导电聚合物压入气体传输通道10，然后取出传感器结构，在气体传输通道10中形成导电液滴。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种电容式微机械气压传感器，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底内设置有气腔和气体传输通道，所述气体传输通道将所述气腔与外界连通；

分布式电容阵列，所述分布式电容阵列设置在所述衬底内，所述分布式电容阵列之间设置有所述气体传输通道；

导电介质，所述导电介质可移动地设置在所述气体传输通道中；

加热件，所述加热件设置在所述衬底内，并与所述气腔相对应，以通过加热所述气腔内的气体推动所述导电介质在所述气体传输通道内移动。

2.根据权利要求1所述的电容式微机械气压传感器，其特征在于，所述分布式电容阵列包括多个第一电容极板和多个第二电容极板；

所述多个第一电容极板位于所述气体传输通道背离所述气腔的一侧，并沿所述气体传输通道的长度方向间隔设置；

所述多个第二电容极板位于所述气体传输通道朝向所述气腔的一侧，并沿所述气体传输通道的长度方向间隔设置；以及，

每个所述第一电容极板对应至少一个所述第二电容极板。

3.根据权利要求2所述的电容式微机械气压传感器，其特征在于，所述电容式微机械气压传感器还包括第一绝缘层和第二绝缘层，所述第一绝缘层与所述第二绝缘层相对间隔设置；以及，

所述第一绝缘层包覆所述多个第一电容极板，所述第二绝缘层包覆所述多个第二电容极板，所述第一绝缘层与所述第二绝缘层之间的间隔设置有所述气体传输通道。

4.根据权利要求1至3任一项所述的电容式微机械气压传感器，其特征在于，所述加热件包括多个加热电阻，所述多个加热电阻沿所述气腔的长度方向间隔设置。

5.根据权利要求4所述的电容式微机械气压传感器，其特征在于，在所述电容式微机械气压传感器包括第一绝缘层时，所述第一绝缘层还包覆所述多个加热电阻。

6.根据权利要求1至3任一项所述的电容式微机械气压传感器，其特征在于，所述衬底包括键合设置的第一衬底和第二衬底；

所述第一衬底朝向所述第二衬底的一侧设置有所述加热件以及部分所述分布式电容阵列；

所述第二衬底朝向所述第一衬底的一侧设置有所述气腔、所述气体传输通道以及另一部分所述分布式电容阵列。

7.根据权利要求6所述的电容式微机械气压传感器，其特征在于，所述电容式微机械气压传感器还包括第三绝缘层，所述第三绝缘层设置在所述第二衬底和所述另一部分分布式电容阵列之间。

8.根据权利要求1至3任一项所述的电容式微机械气压传感器，其特征在于，所述导电介质采用导电液滴。

9.一种电容式微机械气压传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

分别提供第一衬底和第二衬底；

在所述第一衬底上形成加热件、多个第一电容极板以及形成包覆所述加热件和所述多个第一电容极板的第一绝缘层；

在所述第二衬底上依次形成第三绝缘层和多个第二电容极板以及形成包覆所述多个第二电容极板的第二绝缘层，并在所述第二绝缘层上形成深槽和浅槽；

将所述第二衬底与所述第一衬底键合，形成气腔和气体传输通道，所述气体传输通道将所述气腔与外界连通；

在所述气体传输通道内形成导电介质，以制备得到所述电容式微机械气压传感器。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述在所述气体传输通道内形成导电介质，包括：

在低气压条件下将键合形成的传感器结构浸入导电聚合物液体中；

提高外部气压，将少量导电聚合物压入气体传输通道，形成导电液滴。

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