CN112683428B - 一种mems电感式压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种MEMS电感式压力传感器及其制备方法，该压力传感器包括：堆叠的第一衬底和第二衬底；压力敏感膜，设置在所述第一衬底的上表面；第一凹槽，设置在所述第一衬底的下表面，与所述压力敏感膜相对；铁磁芯，设置在所述压力敏感膜的下表面，位于所述第一凹槽中；第二凹槽，设置在所述第二衬底的上表面，与所述第一凹槽形成真空腔；第三凹槽，环绕并间隔所述第二凹槽设置在所述第二衬底的下表面；电感线圈层，设置在所述第二衬底的下表面。该传感器结构简单、线性度优、灵敏度高、温漂小、应用场景宽。
Description
技术领域
本发明涉及微机电***MEMS领域，具体涉及一种MEMS电感式压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器主要用于环境压力的测量，已有多年的发展历史，它在国防、军事、工业、农业及医疗等领域应用广泛，是当前最为普遍的一类传感器。MEMS压力传感器具有易微型化、制备精度高以及一致性好等优点，因此，备受人们青睐。MEMS压力传感器主要包括MEMS压阻式压力传感器和MEMS电容式压力传感器两种类型。MEMS压阻式压力传感器尺寸主要通过电阻变化来响应压力变化，它具有结构简单的优点，但温漂大。MEMS电容式压力传感器主要通过电容变化来响应压力变化，它具有温漂小的优点，但线性度差。此外，现有MEMS压阻式压力传感器和MEMS电容式压力传感器通常在一些无法连线的环境（如密封环境、易燃易爆等恶劣环境）也难以获得应用。
发明内容
为了解决本领域压力传感器存在的一些问题，本发明提出一种结构简单、线性度优、灵敏度高、温漂小、应用场景宽的MEMS电感式压力传感器及其制备方法。具体地，本发明所提出的技术方案如下：
一种MEMS电感式压力传感器，所述MEMS电感式压力传感器包括：
堆叠的第一衬底和第二衬底；
压力敏感膜，设置在所述第一衬底的上表面；
第一凹槽，设置在所述第一衬底的下表面，与所述压力敏感膜相对；
铁磁芯，设置在所述压力敏感膜的下表面，位于所述第一凹槽中；
第二凹槽，设置在所述第二衬底的上表面，与所述第一凹槽形成真空腔；
第三凹槽，环绕并间隔所述第二凹槽设置在所述第二衬底的下表面；
电感线圈层，设置在形成了所述第三凹槽的所述第二衬底的下表面。
可选地，还包括介于所述第二衬底的下表面和所述电感线圈层之间的绝缘层。
可选地，所述铁磁芯的高度大于或等于所述第一凹槽的深度。
可选地，所述铁磁芯的高度小于所述第一凹槽和所述第二凹槽的深度之和。
可选地，所述第二凹槽的截面尺寸大于所述铁磁芯的截面尺寸。
可选地，所述第三凹槽对称设置在所述第二凹槽的两侧。
可选地，所述电感线圈层包括若干根间隔设置的电感线。
可选地，所述第三凹槽的侧壁与所述第二凹槽的侧壁相交叠。
本发明还提出一种MEMS电感式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
选择第一衬底，刻蚀所述第一衬底的下表面，形成第一凹槽及压力敏感膜；
在所述压力敏感膜的下表面安装铁磁芯；
选择第二衬底，刻蚀所述第二衬底的上表面，形成第二凹槽；
刻蚀所述第二衬底的下表面，形成分布在所述第二凹槽两侧的第三凹槽；
在所述第二衬底的下表面制备电感线圈层；
键合所述第一衬底和所述第二衬底，所述第一凹槽和所述第二凹槽形成真空腔。
可选地，所述制备电感线圈层还包括预先在所述第二衬底的下表面制备绝缘层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的传感器通过电感变化来响应环境压力变化，因为电感对环境温度不敏感，因此，本发明传感器具有温漂小的特点。此外，本发明的传感器还具有线性度优、灵敏度高的优点。
2、本发明的传感器通过电感变化来响应环境压力变化，这使得它可以通过在传感器外部设置读出电感，利用电感耦合机制实现传感器信号的无线传输，传感器结构简单，可实现无源无线的压力测量，应用范围广泛。
3、本发明的MEMS电感式压力传感器可采用MEMS加工工艺进行高精度、高一致性、低成本制备。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的一种MEMS电感式压力传感器的剖面结构示意图。
图2为本发明其中一实施例的一种MEMS电感式压力传感器电感线圈层的平面结构俯视图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步的详细介绍。
实施例1
如图1-2所示，本发明所提出的MEMS电感式压力传感器，包括堆叠的第一衬底4和第二衬底7；
在第一衬底4的上表面形成有压力敏感膜1；与压力敏感膜1相对的第一衬底4的下表面经刻蚀形成有第一凹槽3；
在压力敏感膜1的下表面设置有铁磁芯2，铁磁芯2位于第一凹槽3中；
第二凹槽8，设置在第二衬底7的上表面，与第一凹槽3形成真空腔10；
第三凹槽9，环绕并间隔第二凹槽8设置在第二衬底7的下表面；
绝缘层6，设置在第二衬底7的下表面；
电感线圈层5，设置在绝缘层6的表面。
具体地，第一衬底4和第二衬底7例如为200-2000μm的单晶硅或玻璃，二者的材料可以相同，也可以不同。第一衬底4和第二衬底7可以通过键合的方式连接为整体，该键合方式比如是粘结剂键合。
压力敏感膜1例如形成在第一衬底4的上表面中央，厚度为5-50μm；如图1所示，该压力敏感膜1通过背面刻蚀第一衬底4而形成。
第一凹槽3，系从第一衬底4的下表面进行刻蚀而成，第一凹槽3正对该压力敏感膜1。
铁磁芯2设置在该压力敏感膜1的下表面，该铁磁芯2的材料为具有高磁导率的磁性材料，包括但不限于铁硅合金和镍铁合金等，这是因为选择具有高导磁率的材料作为铁磁芯2，有利于提高本发明的传感器的灵敏度。
对于第二衬底7，在其上表面形成的第二凹槽8，其正对铁磁芯2，与第一凹槽3形成真空腔10。
在第二衬底7的下表面，围绕第二凹槽8的形成区域相对应地形成第三凹槽9，第三凹槽9例如对称设置在第二凹槽8的两侧。
进一步地，在第二衬底7的下表面形成绝缘层6，绝缘层6覆盖第二衬底7的整个下表面及第三凹槽9，绝缘层6的材料为二氧化硅或氮化硅的至少一种，厚度为100-1000nm。绝缘层6用于实现电感线圈层5与第二衬底7的电隔离。
进一步地，在绝缘层6上制备电感线圈层5，电感线圈层5包括若干根间隔设置的电感线，呈螺旋结构。通过在第三凹槽9的底部和周侧区域设置电感线圈层5，这有助于增加电感的面积和匝数，形成三维电感，从而增强电感线圈层5的电感值并提高传感器的灵敏度。
其中，电感线圈层5的材料为金属，优选为Al、Ti、Au、Cu、Pt的至少一种，厚度为50-500nm。
其中，可选地，第三凹槽9的侧壁与第二凹槽8的侧壁相交叠，交叠区域的高度不小于100μm。这保证在环境压力作用下，铁磁芯2能够深入电感线圈层5，这有助于大幅提升本发明的传感器的灵敏度。
可选地，第二凹槽8与第一凹槽3的深度之和大于铁磁芯2高度，目的是防止在工作过程中铁磁芯2与第二凹槽（8）底部接触。
可选地，铁磁芯2的高度不小于第一凹槽3的深度，这有助于保证环境压力作用下的铁磁芯2的位移能引起较大的电感值变化，从而使得本发明的传感器具有较高的灵敏度。
可选地，第二凹槽8的截面尺寸大于铁磁芯2的截面尺寸，由此，在环境压力作用下，铁磁芯2可自由***第二凹槽8。优选的，该第二凹槽8的截面面积是铁磁芯2的截面面积的1.5-3.0倍，这既有助于降低第二凹槽8与铁磁芯2间的对准难度，又有助于保证环境压力作用下的铁磁芯2位移能引起较大的电感值的变化，从而进一步提升本发明的传感器的灵敏度。
本发明所提出的MEMS电感式压力传感器的工作原理如下：
在外界压力作用下，压力敏感膜1向下弯曲，并带动铁磁芯2产生向下的位移，铁磁芯2在接近或***电感线圈层6时，会引起电感线圈层6的磁通量发生变化，从而引起电感值发生变化，铁磁芯2向下的位移量越大、越靠近电感线圈层6，电感值也越大，从而实现环境压力到电信号的转换。由上可知，本发明的MEMS电感压力传感器主要通过磁通量的变化引起的电感变化，来响应环境压力的变化。因为电感值与磁通量呈正比，所以本发明的电感式传感器具有高线性度。
实施例2
本发明还提出一种MEMS电感式压力传感器的制备方法，具体地，该制备方法包括如下步骤：
a.选用500mm厚的N型(100)单晶硅片作为第一衬底4，通过光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，得到深度例如为480 μm的第一凹槽3和厚度例如为20μm的压力敏感薄膜1；
b.通过组装的方式在压力敏感膜1的下表面安装铁磁芯2，该铁磁芯2例如为镍铁合金块，其尺寸例如为：长´宽´高=200μm´200μm´600μm；
c.选用500mm厚的N型(100)单晶硅片作为第二衬底7，通过对第二衬底7的上表面进行光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，得到深度例如为400μm、底部截面尺寸例如为400μm´400μm的第二凹槽8；
d.对步骤c得到的第二衬底7的下表面进行双面对准光刻和KOH各向异性湿法腐蚀，得到在第二凹槽8左右两侧对称分布的第三凹槽9，第三凹槽9深度例如为400μm；
e.通过等离子体增强化学气相沉积PECVD技术在第二衬底7的下表面形成例如500nm的二氧化硅作为绝缘层6；
f.在第二衬底7的下表面通过剥离和电子束蒸发技术制备例如20nm Ti和100nmAu，形成电感线圈层5；
g.将步骤b得到的第一衬底4的下表面与步骤f得到的第二衬底7的上表面通过例如粘结剂键合的方式在真空下连接在在一起，形成真空腔10，并完成器件的制备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明的传感器通过电感变化来响应环境压力变化，因为电感对环境温度不敏感，因此，本发明传感器具有温漂小的特点。此外，本发明的传感器还具有线性度优、灵敏度高的优点。
2、本发明的传感器通过电感变化来响应环境压力变化，这使得它可以通过在传感器外部设置读出电感，利用电感耦合机制实现传感器信号的无线传输，传感器结构简单，可实现无源无线的压力测量，应用范围广泛。
3、本发明的MEMS电感式压力传感器可采用MEMS加工工艺进行高精度、高一致性、低成本制备。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (8)
1.一种MEMS电感式压力传感器，其特征在于，所述MEMS电感式压力传感器包括：
堆叠的第一衬底和第二衬底；
压力敏感膜，设置在所述第一衬底的上表面；
第一凹槽，设置在所述第一衬底的下表面，与所述压力敏感膜相对；
铁磁芯，设置在所述压力敏感膜的下表面，位于所述第一凹槽中；
第二凹槽，设置在所述第二衬底的上表面，与所述第一凹槽形成真空腔；
第三凹槽，环绕并间隔所述第二凹槽设置在所述第二衬底的下表面；
电感线圈层，设置在形成了所述第三凹槽的所述第二衬底的下表面；其中，
所述铁磁芯的高度大于或等于所述第一凹槽的深度；
所述第二凹槽的截面尺寸大于所述铁磁芯的截面尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS电感式压力传感器，其特征在于，还包括介于所述第二衬底的下表面和所述电感线圈层之间的绝缘层。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS电感式压力传感器，其特征在于，所述铁磁芯的高度小于所述第一凹槽和所述第二凹槽的深度之和。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS电感式压力传感器，其特征在于，所述第三凹槽对称设置在所述第二凹槽的两侧。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS电感式压力传感器，其特征在于，所述电感线圈层包括若干根间隔设置的电感线。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS电感式压力传感器，其特征在于，所述第三凹槽的侧壁与所述第二凹槽的侧壁相交叠。
7.一种MEMS电感式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择第一衬底，刻蚀所述第一衬底的下表面，形成第一凹槽及压力敏感膜；
在所述压力敏感膜的下表面安装铁磁芯；所述铁磁芯的高度大于或等于所述第一凹槽的深度；
选择第二衬底，刻蚀所述第二衬底的上表面，形成第二凹槽；所述第二凹槽的截面尺寸大于所述铁磁芯的截面尺寸；
刻蚀所述第二衬底的下表面，形成分布在所述第二凹槽两侧的第三凹槽；
在所述第二衬底的下表面制备电感线圈层；
键合所述第一衬底和所述第二衬底，所述第一凹槽和所述第二凹槽形成真空腔。
8.根据权利要求7所述的 一种MEMS电感式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备电感线圈层还包括预先在所述第二衬底的下表面制备绝缘层。
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