[發明專利]一種雙動極板電容式壓力敏感芯片

有效

• 申請號: 202110392196.3
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN112964417B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 揣榮巖
• 申請（專利權）人: 午芯（遼寧省）高科技有限公司
• 主分類號: G01L9/12
• 分類號: G01L9/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種雙動極板電容式壓力敏感芯片。該芯片包括刻有凹槽及進壓通道的單晶硅襯底，感壓上極板，感壓下極板，介質層，密封腔體，其特征在于：敏感結構中上、下兩極板均可感壓并可動，通過在結構中設置進壓通道，使得外界壓力可由進壓通道經凹槽作用于下極板。當有外界壓力存在時，上、下極板會同時受到壓力作用發生形變，形成雙動效果，兩極板通過壓焊點與外部電路連接成壓力檢測電路，將壓力信號轉換成電信號輸出。本壓力敏感芯片具有靈敏度高、線性度好、線性量程范圍大、溫度漂移小、過載能力強、制造工藝與集成電路工藝兼容等優點。

技術領域

本發明主要涉及一種雙動極板電容式壓力敏感芯片，屬于微機電系統(MEMS)領域。

背景技術

隨著MEMS技術的發展，壓力傳感器成為各行業中不可缺少的關鍵器件，已被廣泛應用于汽車電子，石油化工，生物醫學和國防軍工等領域。相比于壓阻式壓力傳感器，電容式壓力傳感器具有靈敏度高、功耗低、溫度特性好等優勢，更加適合研制高精度壓力傳感器。特別是在現代航空航天技術和現代國防裝備等方面對壓力測量精度和可靠性要求日益增加的背景下，MEMS電容式壓力傳感器的研究受到國內外高度重視。

對于普通的電容式壓力傳感器，一般采用平行板電容器結構，主要由可動極板和固定極板組成，當有壓力作用于可動極板時，兩極板間距改變，從而電容值發生變化，通過檢測電容值實現對壓力的測量，但存在輸入與輸出之間非線性嚴重、過載能力低等不足。上世紀90年代，Wen?H.Ko等人提出了一種接觸電容式壓力敏感結構(美國專利號：5,528,452)，該結構的主要特點是在工作過程中隨著外界壓力的不斷增大，感壓上極板會接觸到下極板上的介質層，這時輸出電容值會與壓力變化呈現近似線性關系，從而在一定程度上提高普通電容式壓力傳感器的線性度，但其靈敏度相對較低且線性度和線性響應范圍也需要進一步提高。

為提高電容式壓力傳感器的性能，本發明提出了一種雙動極板電容式壓力敏感結構，其特征主要在于敏感結構中上、下兩極板均可感壓并可動，通過在結構中設置凹槽和進壓通道，使得外界壓力可由進壓通道經凹槽作用于下極板。當有外界壓力存在時，上、下極板會同時受到壓力作用發生形變，形成雙動效果；隨著壓力的不斷增大，上極板與下極板上的介質層相互接觸，接觸面積以一個近乎常數的增長率改變，且速率比普通接觸電容式壓力敏感結構更快。因此，該壓力敏感芯片表現出更高的靈敏度和更優越的輸出特性，提高了傳感器的性能，特別適合研制微小量程壓力傳感器。

正是在這種研究背景下，本發明提出了一種雙動極板電容式壓力敏感芯片。

發明內容

發明目的：

本發明，一種雙動極板電容式壓力敏感芯片，是指本發明附圖所示的壓力敏感芯片，或采用與附圖相同原理設計的不同形狀的壓力敏感芯片。目的在于提高MEMS電容式壓力傳感器的靈敏度、線性度和過載能力，增大線性響應范圍，減小芯片面積，降低成本。

技術方案：

本發明是通過以下技術方案來實現的：

一種雙動極板電容式壓力敏感芯片，其特征在于：該芯片包括刻有凹槽及進壓通道的單晶硅襯底，位于襯底之上的感壓下極板，下極板上的介質層，感壓上極板，上極板與下極板構成的密封腔體；上、下極板通過壓焊點及金屬引線與外部電路連接成壓力檢測電路，將壓力信號轉換成電信號輸出。

在下極板下方設置有凹槽和進壓通道，位于單晶硅襯底的內部，外界壓力可由進壓通道經凹槽作用于下極板。

上極板與下極板構成密封腔體，下極板位于上極板與襯底凹槽之間，并相對于硅襯底懸空可動。

在下極板上設置有介質層，位于下極板之上。

設置在硅襯底上的下極板與上極板均為感壓可動結構，當有外界壓力存在時，上極板與下極板會同時受到壓力作用發生形變，形成雙動效果，使得兩極板間電容值發生變化，由此將壓力信號轉換成電信號輸出。