[發(fā)明專利]一種基于微機電系統(tǒng)技術(shù)的硅電容真空傳感器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410162059.0
• 申請日: 2014-04-22
• 公開（公告）號: CN103994854A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳亞明;劉京;孫艷美;姚朝輝;徐永康
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇森博傳感技術(shù)有限公司
• 主分類號: G01L21/00
• 分類號: G01L21/00
• 代理公司: 宜興市天宇知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙) 32208
• 代理人: 李妙英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器，尤其涉及一種基于微機電系統(tǒng)技術(shù)的硅電容真空傳感器。

背景技術(shù)

現(xiàn)有技術(shù)公開的微型電容薄膜真空傳感器包括：（1）廈門大學(xué)研究了“基于MEMS技術(shù)的電容式微型真空傳感器”，如圖1所示，該電容式真空傳感器有兩個腔體，其中上面的腔體是一個真空腔，下面的腔體是鍵合形成的,?此腔體不是密封的。該真空傳感器采用了玻璃-硅-玻璃的三明治結(jié)構(gòu)，由玻璃襯底、下電極、絕緣層、硅膜片(上電極)、上層密封用的玻璃組成，其中下電極濺射在玻璃襯底上，電極上生長一絕緣層，硅膜是利用硅片的雙面光刻、擴散和各向異性腐蝕技術(shù)形成的。主要采用p+硅自停止腐蝕技術(shù)和陽極鍵合技術(shù)制作，真空傳感器的測量范圍為5×10^-3～6×10^-2Pa，具有較高的真空檢測靈敏度，但其技術(shù)不足是器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝繁瑣，尤其是由于硅敏感薄膜僅數(shù)微米厚，硅膜在大氣壓環(huán)境下將難以承受一個大氣壓力容易薄膜破裂，或者與玻璃襯底產(chǎn)生粘附而無法彈起導(dǎo)致失效。因此，該研究工作的結(jié)果到目前為止還沒有實用化。

（2）浙江大學(xué)研究了“力平衡微機械真空傳感器”，如圖2所示，該電容式真空傳感器也采用了玻璃-硅-玻璃的三明治結(jié)構(gòu)，共有兩個腔體，其中上面的腔體是非密封，下面的腔體是一個真空腔作為參考腔體。為了使參考腔有高的真空度,?使用了非蒸散吸氣劑來吸附參考腔中的殘余氣體。制作工藝上采用高摻雜硅自停止腐蝕技術(shù)精確控制硅敏感薄膜的厚度來制造出微米級厚的硅敏感薄膜，采用硅-璃鍵合技術(shù)形成真空參考腔體，采用噴砂工藝在玻璃上打孔制作電極引線。該傳感器共有兩個電容，一個為敏感電容，在0-200Pa的范圍內(nèi)敏感真空壓力的變化，另一個為驅(qū)動電容，在其上施加電壓可以拓展真空壓力的檢測范圍。該結(jié)構(gòu)的真空傳感其靈敏度較高，但其不足同樣是器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝繁瑣，還需要使用吸氣劑來吸附參考腔中的殘余氣體。由于硅敏感薄膜僅數(shù)微米厚，第二次硅-玻璃鍵合時，在陽極鍵合高電壓（約1000V）的靜電力作用下非常容易將硅可動電極與玻璃襯底靜電吸合而導(dǎo)致失效。當(dāng)傳感器在大氣壓環(huán)境下，硅可動電極也可能與玻璃襯底在巨大壓力作用下相互粘附而導(dǎo)致失效。同樣，該研究工作的結(jié)果到目前為止還沒有實際應(yīng)用。

現(xiàn)有的基于MEMS技術(shù)的電容薄膜真空傳感器可以獲得高靈敏度，用于5×10^-3Pa真空度的檢測，但其器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝繁瑣，尤其是數(shù)微米厚、毫米級尺寸硅敏感薄膜在大氣壓下薄膜破裂或與襯底的粘附問題，導(dǎo)致難以實際應(yīng)用。其主要的原因包括：

a）?電容薄膜真空傳感器的高靈敏度與超大壓力（一個大氣壓）過載要求的矛盾難以調(diào)和；

b）傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用玻璃-硅-玻璃的三明治結(jié)構(gòu)，需要上、下兩個腔體；

c）?工藝?yán)щy，如硅-玻璃陽極鍵合時高電壓導(dǎo)致的硅敏感薄膜與襯底的吸合問題、制作吸氣材料薄膜的MEMS工藝兼容性、p+硅自停止腐蝕；

d）工藝步驟繁瑣、冗長，失敗風(fēng)險大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種有效測量高真空、覆蓋真空度范圍大、制作工藝簡單、解決現(xiàn)有技術(shù)的微型電容薄膜傳感器敏感薄膜破裂、粘附失效以及玻璃材料放氣問題的基于微機電系統(tǒng)技術(shù)的硅電容真空傳感器。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供了以下技術(shù)方案：一種基于微機電系統(tǒng)技術(shù)的硅電容真空傳感器，包括上極板，下極板，中間絕緣層，真空腔以及上下極板上的電引線焊盤，其特征在于真空腔是上極板與中間絕緣層間、或者上極板、中間絕緣層與下極板間形成的密封腔，真空腔內(nèi)設(shè)計有絕緣支撐柱陣列，所述絕緣支撐柱的頂端面與上極板間留有空隙。

作為優(yōu)選，上極板為硅敏感薄膜,所述硅敏感薄膜的厚度為0.5-20um，硅敏感薄膜優(yōu)選為單晶硅敏感薄膜，根據(jù)制造工藝的不同也可以是多晶硅敏感薄膜或非晶硅敏感薄膜。?

中間絕緣層的作用是實現(xiàn)對硅敏感薄膜的物理支撐和與下極板的電絕緣，選材為與硅氣密性鍵合的絕緣材料，其與硅氣密性鍵合的絕緣材料優(yōu)選為二氧化硅或者二氧化硅層與氮化硅層的復(fù)合。中間絕緣層的厚度優(yōu)選為0.5-5um。