矽電容壓力傳感器的製作方法
2023-09-16 09:02:05 2
專利名稱：矽電容壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於傳感器技術領域，具體地說是一種利用單晶矽材料，利用微電子和微機械加工融合技術製作的矽電容壓力傳感器。
背景技術：
矽電容差壓傳感器是一種新型的結構型差壓傳感器，其核心敏感器件採用單晶矽材料，利用微電子和微機械加工融合技術製作，由於娃材料彈性體的材料的自身優勢，使娃電容傳感器與以往的金屬電容傳感器相比，在測量精度、穩定性等方面都具有更加明顯的優勢。矽電容傳感器的核心敏感器件把外加的兩個壓力信號轉換為相應的電容變化，檢測電路則把電容的變化轉換為需要的電信號，對該電信號進行處理就可以得到響應的輸出信 號。作為智能壓力變送器的核心壓力檢測部件，可以在工業現場中壓力、流量、液位等多個測量中得到應用。對於差壓測量傳感器來說，在理想情況下其輸出與外加壓力差敏感，要求對單側的壓力值不敏感，即差壓傳感器的靜壓影響應該很小。但實際情況中，許多因素都會造成差壓傳感器的輸出信號受到靜壓的影響，這種靜壓(正負腔壓力相同)影響對傳感器的差壓測量結果造成一種附加誤差，直接影響傳感器的綜合測量精度。為了提高差壓傳感器的綜合精度，有必要降低差壓傳感器的靜壓影響。目前矽電容壓力傳感器核心部件是由玻璃-矽-玻璃形成的差動電容結構實現，在不考慮外部封裝結構的情況下，由於玻璃和矽為異種材料，其特性存在差異，導致最終形成的檢測部件的特性受到溫度、靜壓的影響，導致傳感器的輸出信號具有比較大的溫度漂移和靜壓誤差。特別是對於微小量程的傳感器，該類影響更大。如對於6kpa量程傳感器，溫度漂移0. 1%FS/°C，靜壓誤差達到10%FS，難於滿足高精度測量的要求。為減小矽電容傳感器的靜壓誤差，在其核心部件設計方面可以考慮採用矽-矽-矽結構實現，即採用矽材料代替玻璃材料製作電容極板，即電容壓力敏感器件中心極板和固定極板都採用矽材料為基底材料，相關的技術即是通常矽矽鍵合。避免了兩種材料的特性的差異對傳感器特性帶來的各類影響。一般來說保證矽矽鍵合達到良好的效果需要良好的鍵合條件首先是溫度，由於兩矽片的鍵合最終是靠加熱來實現的，因此，溫度在鍵合過程中起著關鍵的作用，矽矽鍵合需要的溫度一般要求800°C以上。其次是矽片表面的平整度。拋光矽片或熱氧化矽片表面總有一定的起伏和表面粗糙度。若表面粗糙度很大，鍵合後就會使界面產生孔洞，從而造成鍵合面不完全。最後，就是表面的清潔度。如果鍵合工藝不是在超淨環境中進行的，則矽片表面就會有一些塵埃顆粒，會造成鍵合面出現空洞。室溫下貼合時陷入界面的氣體也會引起孔洞。另外，矽矽鍵合工藝如果直接用於電容傳感器的製作，由於矽矽之間需電隔離，一般是通過二氧化矽絕緣膜層鍵合，將在矽極板間產生很大的寄生電容，對正常傳感器的電容信號產生幹擾，對提高電容傳感器的測量精度極為不利。
發明內容
本發明的目的是提供一 種利用單晶矽材料，利用微電子和微機械加工融合技術製作的娃電容壓力傳感器。本發明的目的是這樣實現的它包括有矽片層和玻璃層，其特徵是在島膜結構的矽中心可動極板上下兩側分別連接有一矽固定極板，所述的矽固定極板包括採用靜電封接的矽片層和玻璃層，該玻璃層的厚度為50-200微米；所述矽固定極板的中部設有中心引壓孔，在中心引壓孔內及靠近中心引壓孔的矽固定極板的外表面設置有鋁膜層。本發明目的還包括娃電容壓力傳感器的加工方法，它包括有娃固定極板，娃中心可動極板，其特徵是所述矽固定極板加工方法為先將雙面拋光的矽片層和玻璃層進行靜電封接，然後採用超聲機械開中心引壓孔，再對玻璃層進行減薄磨拋使其厚度為50-200微米，然後，再經雙面濺射鋁膜、光刻、腐蝕加工工藝而成為矽固定極板；所述矽中心可動極板加工方法為先將矽片層經氧化、光刻、腐蝕加工工藝製作成中心島，然後再次氧化、光亥IJ、腐蝕工藝製作成矽敏感膜片，實現具有島膜結構的矽中心可動極板製作；將上述矽中心可動極板的上下兩側分別連接有一矽固定極板，並採用靜電封接工藝通過薄層玻璃把矽極板連接起來，組成了具有「娃-玻璃-娃-玻璃-娃」五層敏感芯體核心結構的電容壓力傳感器。如上所述的雙面拋光的矽片層和玻璃層進行靜電封接為真空靜電封接。本發明所述玻璃層的優化厚度為100±10微米，在該厚度範圍內，其測量精度更高，更適用於尖端技術領域。本發明具有如下優點
本發明針對現有矽電容傳感器的核心部件，提出了一種新的設計實現方案。即使用靜電封接工藝通過薄層玻璃把矽極板連接起來，不需要高溫鍵合爐、超淨環境，工藝條件簡單，與現有的工藝直接相容，特別是可以調整玻璃薄層的厚度，控制層間寄生電容在一定範圍內。本發明的技術方案實現的矽電容傳感器性能實現了近似矽-矽-矽方案的效果。發明的方案中，上下娃-玻璃極板，上層娃極板厚度為I I. 5毫米,玻璃層50微米 200微米，中心極板厚度0. 4毫米，矽材料為100晶面，邊緣沿110晶向。玻璃和矽材料表面通過拋光工藝達到靜電封接的要求。本發明的娃電容壓力傳感器，核心部件米用娃-娃-娃結構實現，米用娃材料代替玻璃材料，製作電容固定極板，即電容壓力敏感器件中心極板和固定極板都採用矽材料為基底材料製作，避免了兩種材料的特性的差異對傳感器特性帶來的各類影響，有效地減小靜壓誤差，降低傳感器的溫漂。本發明還具有結構合理、安全可靠、應用範圍寬、測量精度高等優點。
圖I是本發明矽電容敏感器的結構示意簡 圖2是本發明固定極板加工工藝流程簡 圖3是本發明矽中心極板加工工藝流程簡 圖4是本發明電容傳感器靜壓分析曲線 圖5是本發明使用狀態的芯體結構圖；圖6是本發明的矽電容傳感器產品結構簡圖附圖主要部分的符號說明
I :娃上極板；2 :玻璃連接層；3 :娃中心可動極板；4 :玻璃連接層；5 :娃下極板；6 :下電極；7 :上電極；8 :引壓孔；9 :導壓管組件；10 :傳感器連接脖；11 :傳感器本體。下面將結合附圖通過實例對本發明作進一步詳細說明，但下述的實例僅僅是本發明其中的例子而已，並不代表本發明所限定的權利保護範圍，本發明的權利保護範圍以權利要求書為準。
具體實施例方式實例I
如圖I 圖6所示，在島膜結構的矽中心可動極板3的上下兩側分別連接有一矽固定極板，所述的上矽固定極板包括採用靜電封接的矽上極板I和玻璃連接層2，下矽固定極板包括採用靜電封接的矽下極板5和玻璃連接層4 ;所述矽固定極板的中部設有中心引壓孔8，在中心引壓孔內及靠近中心引壓孔上部及下部的矽固定極板的外表面設置有鋁膜下電極6及鋁膜上電極7 ;從而依上至下組成了具有「矽-玻璃-矽-玻璃-矽」五層敏感芯體核心結構的電容壓力傳感器。本發明的新型矽電容壓力傳感器核心敏感器件採用MEMS加工工藝製作，製作流程包括固定極板的製作、中心可動極板的製作、敏感器件的製作三個主要的組成部分。固定極板的製作如圖2所示，將雙面拋光，表面狀態達到靜電封接技術要求的矽片和玻璃進行真空靜電封接，然後採用超聲機械打孔技術製作中心導氣孔，再對其上的玻璃層進行減薄磨拋，其特徵是玻璃薄層厚度的控制，其厚度值直接影響靜壓誤差的大小，依據理論計算控制在100± 10微米，此外玻璃薄層的平整度和光潔度應滿足靜電封接技術要求。之後，通過雙面濺射鋁膜、光刻、腐蝕等工藝實現矽固定極板製作。中心可動極板的製作如圖3所示，首先將矽片氧化，採用光刻、腐蝕工藝製作中心島，再次氧化，採用光刻、腐蝕工藝製作矽敏感膜片，實現島膜結構的矽中心可動極板製作。敏感器件的製作如圖I所示，採用靜電封接工藝通過薄層玻璃把矽極板連接起來，組成「矽-玻璃-矽-玻璃-矽」電容壓力傳感器五層敏感芯體核心結構。其中上層矽極板厚度為I. 5毫米，其上的薄層玻璃厚度為100微米，中心極板厚度0.4毫米，下層矽極板厚度為I. 5毫米，其上的薄層玻璃厚度為100微米，矽材料為100晶面，邊緣沿110晶向，玻璃材料為7740#硼矽玻璃。靜電封接時將矽片和帶有薄層玻璃的上下矽極板通過雙面同時靜電封接工藝封裝成五層密封芯體結構，封接條件和薄層玻璃厚度對傳感器靜壓誤差的影響特性詳見下表。表I :雙面同時靜電封接工藝條件
權利要求
1.一種娃電容壓力傳感器，它包括有娃片層和玻璃層，其特徵是在島膜結構的娃中心可動極板上下兩側分別連接有一矽固定極板，所述的矽固定極板包括採用靜電封接的矽片層和玻璃層，該玻璃層的厚度為50-200微米；所述矽固定極板的中部設有中心引壓孔，在中心引壓孔內及靠近中心引壓孔的矽固定極板的外表面設置有鋁膜層。
2.根據權利要求I所述的矽電容壓力傳感器，其特徵是所述的傳感器依上至下組成了具有「娃-玻璃-娃-玻璃-娃」五層敏感芯體核心結構的電容壓力傳感器。
3.根據權利要求I所述的矽電容壓力傳感器，其特徵是所述玻璃層的厚度為100±10微米。
4.一種娃電容壓力傳感器的加工方法,它包括有娃固定極板，娃中心可動極板，其特徵是所述矽固定極板加工方法為先將雙面拋光的矽片層和玻璃層進行靜電封接，然後採用超聲機械開中心引壓孔，再對玻璃層進行減薄磨拋使其厚度為50-200微米，然後，再經雙面濺射鋁膜、光刻、腐蝕加工工藝而成為矽固定極板；所述矽中心可動極板加工方法為先將矽片層經氧化、光刻、腐蝕加工工藝製作成中心島，然後再次氧化、光刻、腐蝕工藝製作成矽敏感膜片，實現具有島膜結構的矽中心可動極板製作；將上述矽中心可動極板的上下兩側分別連接有一矽固定極板，並採用靜電封接工藝通過薄層玻璃把矽極板連接起來，組成了具有「娃-玻璃-娃-玻璃-娃」五層敏感芯體核心結構的電容壓力傳感器。
5.根據權利要求4所述的矽電容壓力傳感器的加工方法，其特徵是雙面拋光的矽片層和玻璃層進行靜電封接為真空靜電封接。
6.根據權利要求4所述的矽電容壓力傳感器的加工方法，其特徵是所述玻璃層的厚度為100±10微米。
7.根據權利要求4所述的矽電容壓力傳感器的加工方法，其特徵是上下矽-玻璃極板，上層矽極板厚度為I I. 5毫米，玻璃層50微米 200微米，中心極板厚度0. 4毫米，矽材料為100晶面，邊緣沿110晶向。
全文摘要
一種矽電容壓力傳感器，它包括有矽片層和玻璃層，其技術要點是在島膜結構的矽中心可動極板上下兩側分別連接有一矽固定極板，所述的矽固定極板包括採用真空靜電封接的矽片層和玻璃層，該玻璃層的厚度為50-200微米；所述矽固定極板的中部設有中心引壓孔，在中心引壓孔內及靠近中心引壓孔的矽固定極板的外表面設置有鋁膜層。本發明針對現有矽電容傳感器的核心部件，提出了一種新的設計實現方案。即使用靜電封接工藝通過薄層玻璃把矽極板連接起來，不需要高溫鍵合爐、超淨環境，工藝條件簡單，與現有的工藝直接相容，特別是可以調整玻璃薄層的厚度，控制層間寄生電容在一定範圍內。本方案實現的矽電容傳感器性能實現了近似矽-矽-矽方案的效果。
文檔編號G01L9/12GK102654426SQ20121014474
公開日2012年9月5日 申請日期2012年5月11日 優先權日2012年5月11日
發明者劉劍, 周磊, 張娜, 張治國, 李穎 申請人:瀋陽儀表科學研究院