[發(fā)明專利]一種電容式差壓傳感器及其輸出特性計(jì)算方法與制作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810581229.7
• 申請(qǐng)日: 2018-06-07
• 公開（公告）號(hào): CN109029828B
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郝秀春;汪赟;李宇翔;蔣緯涵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L9/12
• 分類號(hào): G01L9/12;G06F17/50
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種電容式差壓傳感器及其輸出特性計(jì)算方法與制作方法。應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程和板殼理論建立了傳感器靜態(tài)及動(dòng)態(tài)輸出特性的計(jì)算方法，特別提出了一種真空高溫退火加工感壓膜的方法。本發(fā)明的一種新型的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)的差壓傳感器，傳感器加工方法簡單，具有較高的氣體壓力檢測(cè)分辨率，無需復(fù)雜的SOI(Silicon?On?Insulator,絕緣襯底上的硅)或復(fù)雜的在硅片上刻蝕腔體和感壓膜的方法，就可以通過將刻蝕的特定結(jié)構(gòu)的溝槽高溫真空退火，一步形成有圓孔的感壓膜和腔體。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種MEMS電容式差壓傳感器的設(shè)計(jì)，尤其涉及一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的電容式差壓傳感器的輸出特性及制備方法。

背景技術(shù)

MEMS電容式壓力傳感器相對(duì)于常見的壓阻式壓力傳感器具有溫度漂移小、信噪比高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)而廣泛使用。

現(xiàn)有對(duì)大氣壓的測(cè)量普遍采用的是電容式絕壓傳感器，其需要密閉的真空腔，對(duì)傳感器腔體的氣密性要求較高。此種傳感器可以測(cè)量壓力的變化，但分辨率較低，不能滿足高精度的壓力測(cè)量要求。

對(duì)于非真空密封的MEMS電容式絕壓傳感器，其腔體是處于某個(gè)壓力值，其大小由理想氣體狀態(tài)方程可知PV＝mRT，這個(gè)壓力依賴于溫度值的大小，溫度對(duì)腔體內(nèi)的壓力影響較大。

現(xiàn)今許多可穿戴設(shè)備及其他特殊人工智能設(shè)備中，常常需要檢測(cè)微小壓力或微小高度的變化。在美國專利US9，188，497B2中公開了一種差壓傳感器，傳感器采用開放式空腔的壓阻式懸臂梁結(jié)構(gòu)，具有較高的靈敏度和分辨率，可以檢測(cè)微小壓力的變化。但該傳感器制作工藝較為復(fù)雜，同時(shí)易受到溫度的影響。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種低成本的無需密閉真空腔的高分辨率的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的電容式差壓傳感器

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于：提供傳感器動(dòng)態(tài)差壓檢測(cè)的理論模型，并給出差壓測(cè)量原理和傳感器的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和頻率響應(yīng)分析等輸出特性方程。

本發(fā)明的第三個(gè)目的在于：提供傳感器的一種基于SON(Silicon-On-Nothing,空洞層上硅)構(gòu)造的加工制備方法。無需復(fù)雜的SOI(Silicon-On-Insulator,絕緣襯底上的硅)或復(fù)雜的在硅片上刻蝕腔體和感壓膜的方法，就可以通過將刻蝕的特定結(jié)構(gòu)的溝槽高溫真空退火，一步形成有圓孔的感壓膜和腔體。

為了上述目的，本發(fā)明的制作方法擬采用以下技術(shù)方案：一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的電容式差壓傳感器的制作方法，包含以下步驟：

步驟S1、設(shè)計(jì)單晶硅溝槽的圖形，并制作出相應(yīng)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(jī)對(duì)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、用掩膜版300上進(jìn)行光刻，再利用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)將光刻膠上的圖形刻蝕到單晶硅結(jié)構(gòu)層，形成硅溝槽301，襯底中央?yún)^(qū)域302蝕刻出一定半徑的圓形溝槽；

步驟S4、高溫?zé)o氧的環(huán)境下退火一段時(shí)間，單晶硅襯底100襯底表面的和溝槽上端的硅原子將發(fā)生遷移，使得溝槽表面能量最小化；此時(shí)，溝槽上的導(dǎo)角開始變圓，之后硅溝槽301開始慢慢封閉并形成掩埋的真空腔102，而中央?yún)^(qū)域302的圓形溝槽在該退火后不會(huì)與其他硅片連接在一起，兩邊的溝槽深寬比達(dá)到一定比例時(shí)，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?yún)^(qū)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(huán)形凹陷區(qū)域，再通過Au/Ti反應(yīng)濺射法，將上電極401覆蓋在玻璃凹陷區(qū)域，而玻璃基底400的凹陷區(qū)域周圍則為下電極402；