CN109831729B - 紧凑型高灵敏度mems微电容式传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及紧凑型高灵敏度MEMS微电容式传感器,包括由下往上依次设置的基底(10)、下隔离层(11)、下电极层(12)、上隔离层(13)、牺牲层(14)、振膜层(15)、上电极层(16)、绝缘层(17),下电极层(12)和上电极层(16)均包括至少一个电极阵列单元(22),电极阵列单元(22)包括多个电极单元,下电极层(12)的电极单元(19a)和/或上电极层(16)的电极单元(19b)的边缘具有多个缺口(20)。减少了电容结构电极固定部分的重叠面积,使得振膜振动时,电容变化幅度越大,在特征频率偏移后所能引起的阻抗变换越显著。
Description
技术领域
本发明属于硅微机械加工技术领域,具体涉及紧凑型高灵敏度MEMS微电容式传感器。
背景技术
随着物联网的发展,对MEMS传感器的需求也日益增长,当前又有许多传感器会采用电容式结构对环境因素进行检测,诸如气体传感器、测距传感器、超声成像传感器、电容式麦克风等等。
其中,基于特征频率变化的MEMS电容式气体传感器主要是在传感器上表面振动部分沉积、旋涂气体吸附材料,在吸附和解吸附时其质量会发生微量变化。而且工作频率较高时,例如在超声频段,微小的质量变化就可以导致特征频率变化,使振动部分的振动频率偏离特征频率,振动幅度变小,从而使电容结构阻抗结构改变。通过检测电容结构的阻抗变换量便可以推算出所吸附气体的质量。因此,可检测阻抗变换的极限值越低,所能检测到的气体质量极限值就越低,即传感器的灵敏度越高。
传统的MEMS电容式气体传感器的电极部分普遍采用圆形,上下电极固定部分的面积较大,导致在振动时有效区域相对较小,因此,传感器的灵敏度不是很好。另外,MEMS传感器的尺寸较小,能够检测的气体质量范围的上限较低,在检测一些大量存在又对精度要求要高的气体时存在一定不足。
发明内容
本发明提供一种MEMS微电容式传感器,包括由下往上依次设置的基底、下隔离层、下电极层、上隔离层、牺牲层、振膜层、上电极层、绝缘层,所述下电极层和所述上电极层均包括至少一个电极阵列单元,所述电极阵列单元包括多个电极单元,所述下电极层的电极单元和/或所述上电极层的电极单元的边缘具有多个缺口,减少了电容结构电极固定部分的重叠面积,使得振膜振动时,电容变化幅度越大,在特征频率偏移后所能引起的阻抗变换越显著。
在上述的MEMS微电容式传感器,所述下电极层和所述上电极层相对的电极单元上的所述缺口错开。
在上述的MEMS微电容式传感器,所述缺口均匀分布在所述电极单元的边缘。
在上述的MEMS微电容式传感器,所述缺口的形状为圆形、或三角形、或矩形。
在上述的MEMS微电容式传感器,其特征在于,所述缺口向内不超过10um。
在上述的MEMS微电容式传感器,所述上电极层电极单元的面积小于所述下电极层电极单元的面积。
在上述的MEMS微电容式传感器,所述电极单元为圆形,所述上电极层电极单元的直径比所述下电极层电极单元的直径小2-4um。
在上述的MEMS微电容式传感器,所述下电极层电极单元之间的连接线与所述上电极层电极单元之间的连接线错开,尽量减少重叠面积。
在上述的MEMS微电容式传感器,所述电极阵列单元的长度逐级递减,呈阶梯状。
在上述的MEMS微电容式传感器,所述下电极层和所述上电极层均包括四个所述电极阵列单元,所述下电极层和所述上电极层的四个电极阵列单元均连接成惠斯通电桥。
本发明在电桥比较放大电路的基础上减少了电容结构电极固定部分的重叠面积,使得振动时可振动部分面积相对总面积更高,振动时的电容变化幅度更大,在特征频率偏移后所能引起的阻抗变换更显著。本发明改变了上下电极层中电极阵列单元的布局,使得同一面积下的电容结构单元数量更多,在用于气体检测时,可提高检测量程。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1示出了MEMS微电容式传感器的一部分的结构图。
图2示出了一种下电极层电极单元的平面图。
图3示出了一种上电极层电极单元的平面图。
图4示出了一种牺牲层的平面图。
图5示出了下电极层、牺牲层和上电极层分层排布时的平面图。
图6示出了电极阵列单元结构的平面图。
具体实施方式
MEMS微电容式传感器包括由下往上依次设置的基底10、下隔离层11、下电极层12、上隔离层13、牺牲层14、振膜层15、上电极层16、绝缘层17。下电极层12和上电极层16均包括至少一个电极阵列单元22,电极阵列单元22包括多个电极单元19。
基底10起支撑固定作用,可采用为硅片。下隔离层11支撑下电极层12,并起绝缘保护作用,可为SiO2、SiNx等绝缘材料。下电极层12和上电极层16都包括多个电极单元19形成的电极阵列单元22。上电极层16位于下电极层12上方,上电极层16的一个电极单元19b正对下电极层12的一个电极单元19a,两者共同组成一个可振动电容结构。下电极层12和上电极层16的材料可为铝、多晶硅等导电物质。上隔离层13用于隔离保护电容阵列结构,可为SiO2、SiNx等绝缘材料。牺牲层14材料可为Al、Cr等腐蚀选择比高的材料,用来形成空腔,为振膜层15的振动提供空间。牺牲层14也是呈阵列分布的,位于下电极层12正上方,大小略小于下电极层12,每一个牺牲层14的所述空腔正对一个下电极层12的电极单元19a和上电极层16的电极单元19b。振膜层15用于支撑上电极层16,位于上电极层16的正下方。振膜层15振动时带动上电极层16一起振动,在振膜层15刻蚀一个垂直向下的腐蚀通道,使腐蚀液能够通过所述腐蚀通道进入腐蚀振膜层15下方的牺牲层14。所述腐蚀通道可通过上电极层16的电极单元19b来封堵。绝缘层17用于保护上电极层16,并起绝缘保护作用。
图1示出了MEMS微电容式传感器的一部分的结构,其中下电极层12的电极单元19a和上电极层16的电极单元19b的边缘均具有多个缺口20。替代地,也可只在下电极层12的电极单元19a、或上电极层16的电极单元19b的边缘设置缺口20。电极单元19上的缺口20可减少电容结构电极固定部分的重叠面积,提高传感器的灵敏度和稳定性。
参考图1,下电极层12和上电极层16相对的电极单元19上的缺口20错开,当然也可以不错开。参考图2、图3,缺口20均匀分布在电极单元19的边缘。上电极层16电极单元19b的面积小于下电极层12电极单元19b的面积,例如,电极单元19为圆形时,上电极层16圆形电极单元19b的直径比下电极层16圆形电极单元19a的直径小2-4um,防止光刻对准时的误差引起的错位。缺口20的形状可为圆形、或三角形、或矩形,当然也可以是其他形状的。缺口20向内不超过10um。
参考图5,下电极层12电极单元19a之间的连接线18与上电极层16电极单元19b之间的连接线21错开,尽量减少重叠面积。其中,电极单元之间的连接线可以是直线、或交错的斜线、或曲线等。
参考图6,下电极层12和上电极层16可分别具有四个电极阵列单元22,即MEMS微电容式传感器具有四个电容。分别将下电极层12和上电极层16的四个电极阵列单元22连接成惠斯通电桥,对微弱的原始信号进行放大。下电极层12和上电极层16的电极阵列单元22长度逐级递减,呈阶梯状,这样排布更为紧凑,充分利用了空间。四个电极阵列单元22排布时,较长的底部朝外,较短的顶部朝向电极层的中心位置,在中心位置处将四个电极阵列单元连接起来,缩短连接线,以此来提高阵列的面积利用率。
电容阵列的上电极是可振动薄膜,受所通电信号的影响能够按其频率进行同步振动,通过电压比较法对连接成惠斯通电桥的电容阵列两极的信号进行处理可以得到更显著的电压幅值变化量。
四个独立电容阵列中,相并联且电位不同的两个电容阵列振膜质量不变,另外两个电容阵列的电极质量会因吸附所检测的物体(如气体)而发生改变。在所述惠斯通电桥中通入固定特征频率交流电时,对应电容阵列的振膜质量发生改变,其特征频率将发生偏移,最大动态位移减小,使得电容阵列的容值改变,导致对应阻抗变化,通过比较节点电压可以放大所测电信号。
上述实施例的MEMS微电容式传感器可通过以下方法制作:
步骤a,采用化学气相沉积技术(CVD)、热氧化法或正硅酸乙酯(TEOS)热分解法在基底10上制备厚度为200~1000的SiO2薄膜,该SiO2薄膜层即为下隔离层11。
步骤b,在下SiO2薄膜层上制备厚度为100~500的多晶硅或Al薄膜,该多晶硅薄膜层即为下电极层12。
步骤c,按照设计的阵列的图案,对下电极层12采用光刻刻蚀(litho-etch),若干个边缘具有缺口20的电极单元19a作为一个电极阵列单元22,将四个电极阵列单元22连接成惠斯通电桥。
步骤d,采用化学气相沉积技术(CVD)在下电极层12上制备厚度为200~1000的SiO2薄膜,该SiO2薄膜层即为上隔离层13。
步骤e,在上SiO2薄膜层上采用磁控溅射(FHR)制备厚度为0.5um~1.5um的Al或Cr等易腐蚀材料;
步骤f,通过光刻刻蚀方法(litho-etch)将腐蚀材料刻蚀成阵列排布的结构。
步骤g,采用化学气相沉积技术(CVD)在牺牲层14上继续制备厚度为0.5um~1um的SiO2薄膜,作为振膜层15。
步骤h,通过光刻刻蚀方法(litho-etch)将振膜层15刻蚀出腐蚀圆孔,所述腐蚀圆孔分布在牺牲层14所述腐蚀通道上端部并围绕在圆形薄膜四周,使用腐蚀液对牺牲层14进行腐蚀。
步骤i,在振膜层15采用磁控溅射(FHR)制备0.2um~0.5um的Al,作为上电极层16,并将所述腐蚀圆孔封上。
步骤j,通过光刻刻蚀方法(litho-etch)在上电极层16上刻蚀具有缺口20的电极单元19b,若干个电极单元19b作为一个电极阵列单元22,将四个电极阵列单元22连接成惠斯通电桥。
步骤k,采用化学气相沉积技术(CVD)在上电极层16上继续制备厚度为100nm~300nm的SiNx薄膜,作为绝缘层17。
Claims (10)
1.一种MEMS微电容式传感器,包括由下往上依次设置的基底(10)、下隔离层(11)、下电极层(12)、上隔离层(13)、牺牲层(14)、振膜层(15)、上电极层(16)、绝缘层(17),下电极层(12)和上电极层(16)均包括至少一个电极阵列单元(22),电极阵列单元(22)包括多个电极单元,上电极层(16)的一个电极单元(19b)正对下电极层(12)的一个电极单元(19a),牺牲层(14)呈阵列分布,牺牲层(14)上具有为振膜层(15)的振动提供空间的空腔,所述空腔正对下电极层(12)的电极单元(19a)和上电极层(16)的电极单元(19b),其特征在于,下电极层(12)的电极单元(19a)和/或上电极层(16)的电极单元(19b)的边缘具有多个缺口(20)。
2.根据权利要求1所述的MEMS微电容式传感器,其特征在于,下电极层(12)和上电极层(16)相对的电极单元上的缺口(20)错开。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS微电容式传感器,其特征在于,缺口(20)均匀分布在所述电极单元的边缘。
4.根据权利要求1所述的MEMS微电容式传感器,其特征在于,缺口(20)的形状为圆形、或三角形、或矩形。
5.根据权利要求1所述的MEMS微电容式传感器,其特征在于,缺口(20)向内不超过10um。
6.根据权利要求1所述的MEMS微电容式传感器,其特征在于,上电极层(16)电极单元(19b)的面积小于下电极层(12)电极单元(19a)的面积。
7.根据权利要求1所述的MEMS微电容式传感器,其特征在于,所述电极单元为圆形,上电极层(16)圆形电极单元的直径比下电极层(12)圆形电极单元的直径小2-4um。
8.根据权利要求1所述的MEMS微电容式传感器,其特征在于,下电极层(12)电极单元(19a)之间的连接线(18)与上电极层(16)电极单元(19b)之间的连接线(21)错开。
9.根据权利要求1所述的MEMS微电容式传感器,其特征在于,电极阵列单元(22)的长度逐级递减,呈阶梯状。
10.根据权利要求1、8或9所述的MEMS微电容式传感器,其特征在于,下电极层(12)和上电极层(16)均包括四个电极阵列单元(22),下电极层(12)和上电极层(16)的四个电极阵列单元(22)均分别连接成惠斯通电桥。
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