一种基于MEMS的电容式压力传感器的制作方法

本发明属于微机电技术(mems)领域，具体涉及一种具有高灵敏度、高量程的基于mems的电容式压力传感器。

背景技术：

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。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精度高，温漂小等优点。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。在专利201410117606.3描述中的传感器是通过使用抑制柱的结构，缩短上极板拱起的最高与下极板之间的距离提高感应效率和敏感性，但是这种结构相对复杂，加工工艺变得复杂繁琐。专利201610868540.0描述中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。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。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。

技术实现要素：

鉴于以上所描述现有技术的缺点，本发明公开了一种高灵敏度的新型基于mems的电容式压力传感器的结构。

电容式压力传感器的电容基本公式为：式中：ε0为真空中的介电常数，εr为极板间绝缘层的相对介电常数；h为两极板间绝缘层的厚度；d为零载荷时电容器两极板间的初始间距；ω(x,y)为可动极板的中平面的垂直位移。由公式可以看出，外界是通过两电极板之间的间距来改变电容值的大小。因此我们提高电容极板之间的间距就可以很有效的提高电容灵敏度。

在本发明中，利用微机械杠杆原理，将薄膜的有效形变通过杠杆进行放大，即末端的位移l和支点处的位移l之比为l/l。图1为其示意图。通过此原理，可增大极板间的极限距离，从而提高其灵敏度。

本发明采用的具体技术方案是，一种基于mems的电容式压力传感器，其结构有三部分，包括：衬底，压力薄膜，固定下电极板，二氧化硅支撑层，悬臂上电级板，支撑柱、密封盖。其中衬底，压力薄膜，固定下电极板为第一部分；第二部分为二氧化硅支撑层；第三部分为悬臂上电极板，支撑柱、密封盖。完整传感器结构由这三部分通过键合而成。其中第三部分键合时，其矩形电极板与固定下电极板位置相对应，从而悬臂梁正对圆形薄膜。

进一步的，衬底其特征为矩形状硅晶体，通过微体加工技术形成圆形的感压薄膜；并且薄膜中心在衬底的三分之一处；然后再在衬底上溅射一层金属薄膜形成固定下电极。

进一步的，所描述的固定下电极其特征为除圆形感压薄膜外切矩形不溅射金属薄膜，在衬底的薄膜平面其他位置都将溅射金属薄膜，最终形成固定下电极板。

进一步的，所描述的二氧化硅支撑层为矩形边框，其边框内尺寸不小于圆形感压薄膜外切矩形的尺寸。

进一步的，所描述的第三部分中密封盖其特征为矩形壳体，其接触面内尺寸与二氧化硅支撑层接触面内尺寸一致。密封盖接触面上通过表面微加工工艺技术制造出悬臂上电极板结构

进一步的，所描述的悬臂上电极板其特征为悬臂梁与矩形板组合而成的形状，在悬臂梁正对圆形感压薄膜圆心处的位置，沉积出支撑柱，在悬臂梁上其悬臂梁根部处具有矩形小孔，其作用是减小悬臂梁的刚度。在悬臂上电极板结构上溅射有一层金属薄膜，最终作为悬臂上电极板。

进一步的，所描述的支撑柱其直径小于悬臂梁的宽度，其高度为二氧化硅支撑层的高度，即无受压状态下悬臂梁与圆形感压薄膜的距离，使其支撑柱顶在圆形感压薄膜的圆心处，最终形成类似杠杆的微结构。当感压薄膜受压变形将通过支撑柱顶起悬臂梁，从而改变上下极板之间的距离，设悬臂上级板长度为l，支撑柱到支点距离为l，则薄膜受压后位移与悬臂上极板的位移之比为l/l，以此增加了极板之间的可变距离，使得传感器灵敏度增大。

本发明的有益效果是，由于利用了微杠杆的原理，当感压薄膜受到外部压力时变形，通过支撑柱将悬臂梁向上顶，则悬臂梁末端的电极板将位移放大，提高电容的变化量，增加了其灵敏度。通过调整圆形感压薄膜位置的设计，可以改变薄膜位移增量比例，从而得到不同的传感器量程。也可以通过调整悬臂梁的刚度，如，宽度，厚度，形状等，可设计出高量程的压力传感器。本发明的基于mems的电容式压力传感器结构简单，生产工艺也易于生产，降低了制作成本。

附图说明

图1是原理示意图

图2是本发明整体结构示意图

图3是a-a截面剖视图

图4是本发明的第一部分和第二部分结构示意图(a)及其剖视图(b)

图5是本发明的第三部分结构示意图(a)及其剖视图(b)

图中标记：第一部分1，感压薄膜2，衬底3，固定下电极板4，二氧化硅支撑层5，支撑柱6，密封盖7，悬臂上电极板结构8，金属电极9，第三部分10，末端上电极板11，悬臂梁12

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明进一步的说明：

如图2和图3所示，本发明提供一种基于mems的电容式压力传感器，包括包括：衬底3，感压薄膜2，固定下电极板4，二氧化硅支撑层5，悬臂上电级板8,9，支撑柱6，密封盖7。其中衬底3，感压薄膜2，固定下电极板4为第一部分1，衬底1的材料为硅；第二部分5为二氧化硅支撑层5；第三部分10为悬臂上电极板8,9，支撑柱6，密封盖7。完整传感器结构由图4所示的第二部分5生长在第一部分1，然后和图5所示的第三部分10键合而成。其中第三部分10键合时其矩形电极板11与固定下电极板4位置相对应，从而悬臂梁12正对圆形感压薄膜2圆心。衬底硅3通过体微加工技术得到感压薄膜2，其中薄膜2的形状为圆形。位置可以根据设计以中心点为基准点偏于衬底中心即距离边三分一处。然后通过溅射技术在薄膜2层上溅射出固定下电极板4。第二部分为二氧化硅支撑层5，选择cvd技术直接沉积在第一部分的固定下电极上4。第三部分10是由密封盖7、悬臂上电极板8,9和支撑柱6组成，密封盖7可以由微体加工技术生成，然后在密封盖7上通过沉积形成悬臂上电极板结构8，然后通过溅射金属电极9最终形成悬臂上电极板8,9，接下来可以通过沉积技术沉积支撑柱6。最后通过键合将三部分组合起来。

其工作原理是，当感压薄膜2受到外部压力时变形，通过支撑柱6将悬臂梁12向上顶，由图1所示的微杠杆原理，设悬臂上级板长度为l，支撑柱6到悬臂梁12支点处距离为l，则感压薄膜2受压后位移与悬臂上极板8,9的位移之比为l/l，通过位移放大，悬臂梁12末端上电极板11和固定下电极板4之间间距放大，增加了极板之间的可变距离。然后通过外部的软硬件测量出电容变化量并转化为压力值。本发明中通过支撑柱6将悬臂梁12末端的电极板11将位移放大，则提高电容的变化量，增加了其灵敏度。其中可以通过调整圆形感压薄膜2的位置，可以改变薄膜2位移增量比例即l/l值，从而得到不同的传感器量程。也可以通过调整悬臂梁12的刚度，如：宽度，厚度，形状等，可设计出高量程的压力传感器。