[發明專利]一種電容式差壓傳感器及其輸出特性計算方法與制作方法

有效

• 申請號: 201810581229.7
• 申請日: 2018-06-07
• 公開（公告）號: CN109029828B
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發明（設計）人: 郝秀春;汪赟;李宇翔;蔣緯涵
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G01L9/12
• 分類號: G01L9/12;G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種實時動態壓力測量的電容式差壓傳感器的制作方法，其特征在于，包含以下步驟：

步驟S1、繪制單晶硅溝槽的圖形，并制作出相應的掩膜版(300)；

步驟S2、提供低電阻率的單晶硅襯底，利用甩膠機對單晶硅襯底(100)的上表面均勻地涂抹光刻膠，形成光刻膠層(200)；

步驟S3、將掩膜版(300)上的圖形利用光刻技術投影到光刻膠上，再利用深反應離子刻蝕DRIE將光刻膠上的圖形刻蝕到單晶硅結構層，形成硅溝槽(301)，襯底中央區域(302)蝕刻出一定半徑的圓形溝槽；

步驟S4、高溫無氧的環境下退火一段時間，單晶硅襯底(100)襯底表面的和溝槽上端的硅原子將發生遷移，使得溝槽表面能量最小化；此時，溝槽上的導角開始變圓，之后硅溝槽(301)開始慢慢封閉并形成掩埋的空腔(102)，而中央區域(302)的圓形溝槽在該退火后不會與其他硅片連接在一起，兩邊的溝槽深寬比達到一定比例時，溝槽上端的硅原子遷移將使溝槽上端形成完整的懸空感壓膜硅層(105)，溝槽下端則留下空洞層即硅層中的體硅空腔(103)，中央區域(302)由于比較大不能在高溫下與其他硅膜融合而形成開口圓孔(104)；

步驟S5、在玻璃基底(400)上通過濕法刻蝕制作一定鏤空的環形凹陷區域，再通過Au/Ti反應濺射法，將上電極(401)覆蓋在玻璃凹陷區域，而玻璃基底(400)的凹陷區域周圍則為下電極(402)；

步驟S6、將步驟S5后的玻璃基底(400)上的下電極(402)與S4步驟形成的單晶硅襯底(100)通過陽極鍵合在一起，形成電容式差壓傳感器。

2.根據權利要求1所述的一種實時動態壓力測量的電容式差壓傳感器的制作方法，其特征在于，步驟S4中高溫為1200℃的無氧的環境下退火15～30min。

3.根據權利要求1所述一種實時動態壓力測量的電容式壓差傳感器的制作方法所制作的電容式壓差傳感器，其特征在于，包括玻璃基底(400)和單晶硅襯底(100)；

所述玻璃基底(400)表面開有鏤空的環形凹陷區域，凹陷區域覆蓋有上電極(401)，凹陷區域周圍突起處為下電極(402)；

所述單晶硅襯底(100)包括具有一定體積的體硅空腔(103)，體硅空腔(103)上面覆蓋有懸空感壓膜硅層(105)，感壓膜硅層(105)中心區域設有開口圓孔(104)；所述玻璃基底(400)上的下電極(402)與單晶硅襯底(100)通過陽極鍵合在一起，形成電容式差壓傳感器。

4.根據權利要求3所述的一種實時動態壓力測量的電容式差壓傳感器，其特征在于，通過改變感壓膜硅層(105)上的開口圓孔(104)的大小和體硅空腔(103)的體積來調節傳感器靈敏度，體硅空腔(103)體積越大，開口圓孔(104)開口半徑越小，傳感器的靈敏度越高。

5.根據權利要求3所述的一種實時動態壓力測量的電容式差壓傳感器，其特征在于，通過改變感壓膜硅層(105)上的開口圓孔(104)的大小和體硅空腔(103)的體積使得傳感器測量的氣壓頻率改變，開口圓孔(104)半徑越小傳感器測量的氣壓的低頻的截止頻率越低。

6.根據權利要求3所述的一種實時動態壓力測量的電容式差壓傳感器，其特征在于，感壓膜硅層(105)的膜半徑r₁＝300μm，開口圓孔(104)的半徑r₀＝1μm，膜厚度t＝1μm。

7.一種根據權利要求3-6任意一項所述的實時動態壓力測量的電容式差壓傳感器的輸出特性計算方法，其特征在于，包括步驟：根據感壓膜硅層(105)兩側的壓力差、感壓膜與電極之間的極距變化，獲得電容傳感器的電容C_m的變化；根據板殼理論公式計算圓形感壓膜周圍發生變形的撓度，求取出任意差壓下電容相對變化率；由理想氣體狀態方程獲得體硅空腔(103)的氣壓的變化，進而求取感壓膜腔體內與外界氣體的實時氣壓之差；進一步求取電容式差壓傳感器的靈敏度，得出感壓膜硅層(105)上的開口圓孔(104)的大小和體硅空腔(103)的體積與傳感器靈敏度關系；最后對傳感器的響應時間、傳感器的頻率響應進行分析。