[實用新型]一種基于微機電系統技術的硅電容真空傳感器

有效

• 申請號: 201420196540.7
• 申請日: 2014-04-22
• 公開（公告）號: CN203811323U
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 吳亞明;劉京;孫艷美;姚朝輝;徐永康
• 申請（專利權）人: 江蘇森博傳感技術有限公司
• 主分類號: G01L21/00
• 分類號: G01L21/00
• 代理公司: 宜興市天宇知識產權事務所(普通合伙) 32208
• 代理人: 李妙英

技術領域

本實用新型涉及微機電系統（MEMS）傳感器，尤其涉及一種基于微機電系統技術的硅電容真空傳感器。

背景技術

現有技術公開的微型電容薄膜真空傳感器包括：（1）廈門大學研究了“基于MEMS技術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-玻璃的三明治結構，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形成的。主要采用p+硅自停止腐蝕技術和陽極鍵合技術制作，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，但其技術不足是器件結構復雜、工藝繁瑣，尤其是由于硅敏感薄膜僅數微米厚，硅膜在大氣壓環境下將難以承受一個大氣壓力容易薄膜破裂，或者與玻璃襯底產生粘附而無法彈起導致失效。因此，該研究工作的結果到目前為止還沒有實用化。

（2）浙江大學研究了“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-玻璃的三明治結構，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的范圍內敏感真空壓力的變化，另一個為驅動電容，在其上施加電壓可以拓展真空壓力的檢測范圍。該結構的真空傳感其靈敏度較高，但其不足同樣是器件結構復雜、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致失效。當傳感器在大氣壓環境下，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致失效。同樣，該研究工作的結果到目前為止還沒有實際應用。

現有的基于MEMS技術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，但其器件結構復雜、工藝繁瑣，尤其是數微米厚、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，導致難以實際應用。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和；

b）傳感器結構復雜，采用玻璃-硅-玻璃的三明治結構，需要上、下兩個腔體；

c）?工藝困難，如硅-玻璃陽極鍵合時高電壓導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，失敗風險大。

發明內容

本實用新型針對上述現有技術的不足，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、解決現有技術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技術的硅電容真空傳感器。

本實用新型為解決上述技術問題，提供了以下技術方案：一種基于微機電系統技術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，真空腔內設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，硅敏感薄膜優選為單晶硅敏感薄膜，根據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選為二氧化硅或者二氧化硅層與氮化硅層的復合。中間絕緣層的厚度優選為0.5-5um。