CN113340517B - Mems电容压力芯片及其制备方法、电容式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机电***MEMS电容压力芯片及其制备方法、电容式压力传感器，本发明在上极板及下极板上分别设置了感压膜和引压孔，通过双感压膜结构以及引压孔结构的设计，使得上、下极板会产生相同大小的形变，该形变引起电容变化是现有单感压膜的电容式压力传感器芯片的两倍，所以本发明芯片灵敏度也是现有电容压力传感器芯片的两倍，因此本发明可以有效提高电容式压力传感器灵敏度，从而解决了现有电容式压力传感器灵敏度低的问题。

Description

MEMS电容压力芯片及其制备方法、电容式压力传感器

技术领域

本发明涉及压力测试技术领域，特别是涉及一种微机电***(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)电容压力芯片及其制备方法、电容式压力传感器。

背景技术

电容压力传感器芯片是电容式压力传感器的核心器件，是压力传感器中直接感受加压力信号的器件，是压力传感器的敏感元件。传统的MEMS电容式压力传感器敏感芯片以变间隙式平行板电容器为模型工作。两块平行板子一块为上极板、一块为下极。其中上极板为感压膜，其厚度较薄，下极板为固定极板。外界压力直接作用到上极板上，使上极板发生形变，从而导致上极板与下极板之间的间距发生变化，继而引起二者的电容变化。当上极板在小挠度的变形范围内可以近似的认为压力的变化与上下极板之间的电容变化成正比。通过后续的处理电路将电容两转化为电压或者电流信号，从而完成压力的测量。

但是目前这种基于单感压膜结构灵敏度偏低，当感受到外界压力时，只有作为感压膜结构的极板发生形变，由此产生的电容变化较低，造成灵敏度偏低。而随着医学、大气、深空探测等领域的快速发展，也对电容式压力传感器也提出了更高的灵敏度的测量要求，因此，如何制备一种高灵敏度的电容压力传感器成为现在亟待需要解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种微机电***MEMS电容压力芯片及其制备方法和电容式压力传感器，以解决现有电容式压力传感器灵敏度低的问题。

第一方面，本发明提供了一种微机电***MEMS电容压力芯片，所述电容压力芯片包括相键合的下极板和上极板；所述下极板上设有下感压膜，所述上极板上设有上感压膜，所述下感压膜与所述上感压膜相对应设置；所述下感压膜***设有下引压孔，所述上感压膜***设有上引压孔，所述下引压孔与所述上引压孔相连通，通过所述下引压孔与所述上引压孔将外界压力传入所述上感压膜，以使所述下感压膜和所述上感压膜将外界压力信息转换为电容信号，并通过所述下极板和所述上极板将所述电容信号以电流形式进行输出，以基于所述电流对所述外界压力进行检测。

可选地，所述下极板与所述下感压膜均为方形，且所述下感压膜设置在所述下极板的中心位置；所述上极板与所述上感压膜均为方形，且所述上感压膜设置在所述上极板的中心位置。

可选地，所述上引压孔为多个，且所述上引压孔均布在所述上感压膜***；

所述下引压孔为多个，且所述下引压孔均布在所述下感压膜***；

其中，所述上引压孔与所述下引压孔的数量相同。

可选地，所述上引压孔和所述下引压孔均为4个，且分别设置在所述上感压膜和所述下感压膜各边的中点位置。

可选地，所述上极板与所述下极板上均设有一个电极，通过所述电极将所述下感压膜与所述上感压膜所检测到的电容信号转换为电流信号或电压信号并进行输出。

可选地，所述芯片还包括密封罩；

所述密封罩的外形与所述上极板的外形相适配，通过将所述密封罩与所述上极板相键合，以避免所述上极板内的外界压力向外传播。

可选地，所述密封罩内设有两个导电玻璃浆料孔，所述导电玻璃浆料孔内注有导电玻璃浆料，并设有一个信号引出针；

其中一个导电玻璃浆料孔贯穿所述上极板与所述下极板的电极相连接，另一个电玻璃浆料孔直接与所述上极板电极连接。

可选地，所述下极板依次包括底层硅层、氧化硅绝缘层、顶层硅层和氧化硅键合层，所述上极板依次包括衬底硅层、氧化硅绝缘层、顶层硅层和氧化硅键合层，其中，所述下极板与所述上极板之间通过氧化硅键合层进行键合。

第二方面，本发明提供了一种制备上述任一种所述的微机电***MEMS电容压力芯片的方法，该方法包括：分别制备下极板、上极板以及密封罩，并将制备的所述下极板、所述上极板以及所述密封罩依次进行键合，得到电容压力芯片；其中，制备所述下极板和所述上极板的步骤包括：对清洁后的绝缘硅片的底层硅的中心位置按预设图案进行图形化，并腐蚀至氧化硅绝缘层；对所述绝缘硅片的顶层进行热氧化形成氧化硅键合层；在所述氧化硅键合层的预设位置进行图形化和开窗，并对开窗区域进行剥离制备电极；在所述氧化硅键合层的中心位置进行图形化、刻蚀所述氧化硅键合层，并制备得到上感压膜和下感压膜；在所述上感压膜和所述下感压膜上分别刻蚀得到上引压孔和下引压孔，最后得到所述上极板和所述下极板。

可选地，最后得到所述上极板和所述下极板，包括：对制备完上引压孔和下压孔后的所述绝缘硅片进行划片，得到所述上极板和所述下极板。

第三方面，本发明还提供了一种电容式压力传感器，所述电容式压力传感器内设有上述任一种所述的微机电***MEMS电容压力芯片。

本发明有益效果如下：

本发明在上极板及下极板上分别设置了感压膜和引压孔，通过双感压膜结构以及引压孔结构的设计，使得上、下极板会产生相同大小的形变，该形变引起电容变化是现有单感压膜的电容式压力传感器芯片的两倍，所以本发明芯片灵敏度也是现有电容压力传感器芯片的两倍，因此本发明可以有效提高电容式压力传感器灵敏度，从而解决了现有电容式压力传感器灵敏度低的问题。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的一种MEMS电容压力传感器芯片的结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的下极板的结构示意图；

图3是本发明第一实施例提供的下极板的剖面图；

图4是本发明第一实施例提供的上极板的结构示意图；

图5是本发明第一实施例提供的上极板的剖面图；

图6是本发明第一实施例提供的密封罩的结构示意图；

附图说明：1下极板、2上极板、3密封罩、4导电玻璃浆料孔、5信号引出针、6、下极板感压膜、7下极板引压孔、8下极板电极、9上极板感压膜、10上极板引压孔、11上极板电极、12底层硅层、13氧化硅绝缘层、14顶层硅层、15氧化硅键合层、16上极板导电浆料引出孔、17密封腔结构。

具体实施方式

本发明实施例针对现有电容式压力传感器灵敏度低的问题，通过在上、下极板上分别设置感压膜，并通过引压孔将压力引入上极板，使得上、下极板的感压膜能够产生相同大小的形变，也即本发明通过双感压膜的结构可以有效提高电容式压力传感器灵敏度。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明第一实施例提供了一种微机电***MEMS电容压力芯片，参见图1，该电容压力芯片包括相键合的下极板1和上极板2；

所述下极板1上设有下感压膜，所述上极板2上设有上感压膜，所述下感压膜与所述上感压膜相对应设置；

所述下感压膜***设有下引压孔，所述上感压膜***设有上引压孔，所述下引压孔与所述上引压孔相连通，通过所述下引压孔与所述上引压孔将外界压力传入所述上感压膜，以使所述下感压膜和所述上感压膜将外界压力信息转换为电容信号，并通过所述下极板1和所述上极板2将所述电容信号以电流形式进行输出，以基于所述电流对所述外界压力进行检测。

也就是说，本发明实施例是通过在上、下极板1上分别设置感压膜，并通过引压孔将压力引入上极板2，使得上、下极板1的感压膜能够产生相同大小的形变，通过双感压膜的结构以有效提高电容式压力传感器灵敏度。

需要说明的是，本发明的上极板2和下极板1是形状相同的两块平行的板子，二者所采用的材料是绝缘体上硅材料(Silicon-On-Insulator，SOI)，或者是硅及碳化硅等材料，本发明实施例中的密封罩3采用玻璃，其材料也可以采用硅和蓝宝石等材料。

具体实施时，本发明实施例将上极板2和下极板1结构感压膜和引压孔完全对称，当感受到介质压力时，由于上极板2、下极板1感压面相通，故二者会感受到大小相同方向相反的压力，另外由于上极板2、下极板1结构完全对称，所以上极板2、下极板1会产生相同大小的形变，该形变引起电容变化，而该电容变化是现有的电容式压力传感器芯片(即单感压膜)的两倍，相应的芯片灵敏度也是现有电容压力传感器芯片的两倍。

具体实施时，本发明实施例所述下极板1与所述下感压膜均为方形，且所述下感压膜设置在所述下极板1的中心位置；相应地，本发明实施例的所述上极板2与所述上感压膜均为方形，且所述上感压膜设置在所述上极板2的中心位置。

当然在具体实施时，本领域技术人员也可以根据实际需要来将上极板2和下极板1设置为其他的形状，如将上极板2和下极板1设置为圆形或其他多边形，但为了获得更好的测量精度，需要将上极板2和下极板1设置为相同的形状。

在上极板2上所设置的上引压孔为多个，且上引压孔均布在所述上感压膜***；并且在下极板1上所设置的下引压孔为多个，且下引压孔均布在所述下感压膜***，并且所述上引压孔与所述下引压孔的数量相同。

通过将引压孔均匀的设置在感压膜外，可以使得进入上极板2的外界压力是平衡状态，进而提高电容式压力传感器测量的精度。

具体实施时，基于本发明实施例的上极板2和下极板1以及感压膜均是方形的，所以本发明实施例将上引压孔和下引压孔均为4个，且分别设置在所述上感压膜和所述下感压膜各边的中点位置，具体如图2和图4所示。

进一步地，本发明实施例在所述上极板2与所述下极板1上均设有一个电极，该电极的位置可以根据实际需要任意设置，本发明实施例通过所述电极将所述下感压膜与所述上感压膜所检测到的电容信号转换为电流信号或电压信号并进行输出。

如图3和图5所示，本发明实施例所述下极板1依次包括底层硅层12、氧化硅绝缘层13、顶层硅层14和氧化硅键合层15，所述上极板2依次包括衬底硅层、氧化硅绝缘层13、顶层硅层14和氧化硅键合层15，其中，所述下极板1与所述上极板2之间通过氧化硅键合层15进行键合。

如图6所示，本发明实施例的芯片上还设有密封罩3，该密封罩3的外形与上极板2的外形相适配，通过将密封罩3与上极板2相键合，以避免上极板2内的外界压力向外传播。

具体来说，本发明实施例的上极板引压孔10与下极板引压孔7相通，介质压力通过下极板引压孔7传递到上极板引压孔10最终传递到上极板感压膜9上，上极板感压膜9在压力的作用下发生形变，该形变引起的电容变化将通过上极板电极11传递。密封罩3通过键合方式和上极板2连接在一起，它能够保障介质压力不再向后续结构传递，密封罩3具有通孔结构，通孔内灌注有导电玻璃浆料，导电玻璃浆料分别与上、下极板1的电极相连接，且通过烧结的方式将信号引出针5与导电玻璃浆料连接，从而使电容信号通过上、下极板电极8传递到导电玻璃浆料然后传递到信号引出针5上。

具体实施时，本发明实施例的密封罩3内设有两个导电玻璃浆料孔4，所述导电玻璃浆料孔4内注有导电玻璃浆料，并设有一个信号引出针5；其中一个导电玻璃浆料孔4通过上极板导电浆料引出孔16贯穿所述上极板2，并与所述下极板电极8相连接，另一个导电玻璃浆料孔4直接与所述上极板电极11连接。

下面将通过一个具体的例子来对本发明所述的电容压力芯片进行详细的解释和说明：

参见图1-图6，本发明实施例提供了一种新型MEMS电容压力传感器芯片，该芯片包括下极板1、上极板2、密封罩3、导电玻璃浆料、信号引出针5等结构组成。下极板主要包含下极板感压膜6、下极板引压孔7、下极板电极8，下极板感压膜6是感受到压力将发生形变，该形变引起的电容变化将通过下极板电极8传递，下极板引压孔7将压力信号向上极板2传递。上极板2和下极板1通过键合的方式连接到一起，上极板2包含上极板感压膜9、上极板引压孔10、上极板电极11，上极板引压孔10与下极板引压孔7相通，介质压力通过下极板引压孔7传递到上极板引压孔10最终传递到上极板感压膜9上，上极板感压膜9在压力的作用下发生形变，该形变引起的电容变化将通过上极板电极11传递。密封罩3通过键合方式和上极板2连接在一起，它能够保障介质压力不再向后续结构传递，密封罩3具有通孔结构，即上述的导电玻璃浆料孔4，通孔内灌注有导电玻璃浆料，导电玻璃浆料分别与上极板2、下极板电极8相连接，且通过烧结的方式将信号引出针5与导电玻璃浆料连接，从而使电容信号通过上极板2、下极板电极8传递到导电玻璃浆料然后传递到信号引出针5上。

下极板1采用SOI材料，其中顶层硅层14和底层硅12都采用低阻硅，顶层硅层14和氧化硅绝缘层13的厚度分别为5μm和1μm。下极板1结构如图2所示，具有一个下极板感压膜6以及四个下极板引压孔7。

下极板1剖面图如图3所示，由下到上依次分别为底层硅12、氧化硅绝缘层13、顶层硅层14、氧化硅键合层15及下极板电极8。

上极板2采用SOI材料，其中顶层硅和底层硅12都采用低阻硅，顶层硅层14和氧化硅绝缘层13的厚度分别为5μm和1μm。上极板2结构如图4所示具有一个上极板感压膜9、四个上极板引压孔10以及一个玻璃导电浆料引出孔。

上极板2剖面图如图5所示，由下到上分别为底层硅12、上极板电极11、氧化硅绝缘层13、顶层硅层14以及氧化硅键合层15，玻璃导电浆料引出孔绝缘层。

密封罩3采用BF33玻璃包含两个玻璃导电浆料引出孔以及一个密封腔结构17。

相应地，本发明第二实施例提供了一种制备本发明第一实施例中任一种所述的微机电***MEMS电容压力芯片的方法，该方法包括：

分别制备下极板、上极板以及密封罩，并将制备的所述下极板、所述上极板以及所述密封罩依次进行键合，得到电容压力芯片；

其中，制备所述下极板和所述上极板的步骤包括：

对清洁后的绝缘硅片的底层硅的中心位置按预设图案进行图形化，并腐蚀至氧化硅绝缘层；

对所述绝缘硅片的顶层进行热氧化形成氧化硅键合层；

在所述氧化硅键合层的预设位置进行图形化和开窗，并对开窗区域进行剥离制备电极；

在所述氧化硅键合层的中心位置进行图形化、刻蚀所述氧化硅键合层，并制备得到上感压膜和下感压膜；

在所述上感压膜和所述下感压膜上分别刻蚀得到上引压孔和下引压孔，最后得到所述上极板和所述下极板。

需要说明的是，本发明实施例上述所述的图形化、刻蚀和开窗是基于一定的尺寸工艺而进行的，因为本领域技术人员能够知晓，所以本发明实施例对此不作详细的说明。

总体来说，本发明实施例通过在上、下极板上分别设置感压膜，并通过引压孔将压力引入上极板，使得上、下极板的感压膜能够产生相同大小的形变，也即本发明通过双感压膜的结构可以有效提高电容式压力传感器灵敏度。

下面将通过一个具体的例子来对本发明实施例所述的方法进行详细的解释和说明：

1)对硅及玻璃晶圆进行清洗。

本发明实施例选用4寸或者6寸的SOI晶圆硅及BF33玻璃晶圆，使用丙酮及酒精分别将其超声清洗干净，并用氮气吹干。

2)SOI底层硅腐蚀。将上、下极板顶层硅进行保护后，分别对其底层硅进行图形化，然后对底层硅使用KOH腐蚀液进行腐蚀，腐蚀至氧化硅绝缘层处。

3)SOI顶层硅腐蚀。将上、下极板顶层进行热氧化，在顶层硅上方形成200～300nm的氧化硅键合层。

4)上、下极板电极制备。分别将上极板绝缘层、下极板键合层进行图形化、开窗，采用剥离工艺制备电极。电极采用PVD沉积方式由30-50nm金属铬和150-300nm金属金组成。电极制备完成后在真空中进行退火，使电极层和硅形成欧姆接触。

5)上、下极板感压膜制备。将上、下极板顶层硅进行图形化后，采用I CP刻蚀氧化硅键合层和顶层硅层，将顶层硅刻蚀至1μm。

6)上、下极板引压孔制备。将上、下极板顶层硅进行图形化后，采用I CP刻蚀氧化硅键合层、顶层硅层和氧化硅绝缘层，最后刻蚀成通孔。

7)上、下极板键合。使用亲水键合方法，将上、下极板键合在一起。

8)密封罩制备。将BF33正、反面图形化，采用BOE溶液对其进行腐蚀形成密封腔结构，采用喷砂工艺对其进行处理形成玻璃导电浆料引出孔。

9)上极板与密封罩键合。采用阳极键合方式将上极板与密封罩键合在一起。

10)划片。键合完成后使用划片机进行划片，将整个晶圆切割成单个的芯片。

11)信号引出针。信号引出针采用可阀合材料，将导电玻璃浆料填充到玻璃导电浆料引出孔，使用特制的工装将信号引出针固定到导电浆料中，然后在真空下对其进行烧结，将导电玻璃浆料固化。

12)贮存。将制备完成的芯片，存放于干燥柜或氮气柜中备用。

本发明实施例的相关内容可以参见本发明第一实施例进行理解，本发明对此不作详细的论述。

本发明第三实施例提供了一种电容式压力传感器，所述电容式压力传感器内设有本发明第一实施例所述的任一种微机电***MEMS电容压力芯片。具体可参见本发明第一实施例进行理解，本发明对此不作详细的论述。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种微机电***MEMS电容压力芯片，其特征在于，包括相键合的下极板和上极板；

所述下极板上设有下感压膜，所述上极板上设有上感压膜，所述下感压膜与所述上感压膜相对应设置，其中，所述上感压膜和所述下感压膜均为硅材质；

所述下感压膜***设有下引压孔，所述上感压膜***设有上引压孔，所述下引压孔与所述上引压孔相连通，通过所述下引压孔与所述上引压孔将外界压力传入所述上感压膜，以使所述下感压膜和所述上感压膜将外界压力信息转换为电容信号，并通过所述下极板和所述上极板将所述电容信号以电流形式进行输出，以基于所述电流对所述外界压力进行检测；

其中，是通过对清洁后的绝缘硅片的底层硅的中心位置按预设图案进行图形化，并腐蚀至氧化硅绝缘层；对所述绝缘硅片的顶层进行热氧化形成氧化硅键合层；在所述氧化硅键合层的预设位置进行图形化和开窗，并对开窗区域进行剥离制备电极；在所述氧化硅键合层的中心位置进行图形化、刻蚀所述氧化硅键合层，并制备得到上感压膜和下感压膜；在所述上感压膜和所述下感压膜上分别刻蚀得到上引压孔和下引压孔，最后得到所述上极板和所述下极板。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，

所述下极板与所述下感压膜均为方形，且所述下感压膜设置在所述下极板的中心位置；

所述上极板与所述上感压膜均为方形，且所述上感压膜设置在所述上极板的中心位置。

3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，

所述上引压孔为多个，且所述上引压孔均布在所述上感压膜***；

所述下引压孔为多个，且所述下引压孔均布在所述下感压膜***；

其中，所述上引压孔与所述下引压孔的数量相同。

4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，

所述上引压孔和所述下引压孔均为4个，且分别设置在所述上感压膜和所述下感压膜各边的中点位置。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的芯片，其特征在于，

所述上极板与所述下极板上均设有一个电极，通过所述电极将所述下感压膜与所述上感压膜所检测到的电容信号转换为电流信号或电压信号并进行输出。

6.根据权利要求5所述的芯片，其特征在于，所述芯片还包括密封罩；

所述密封罩的外形与所述上极板的外形相适配，通过将所述密封罩与所述上极板相键合，以避免所述上极板内的外界压力向外传播。

7.根据权利要求6所述的芯片，其特征在于，

所述密封罩内设有两个导电玻璃浆料孔，所述导电玻璃浆料孔内注有导电玻璃浆料，并设有一个信号引出针；

其中一个导电玻璃浆料孔贯穿所述上极板与所述下极板的电极相连接，另一个导电玻璃浆料孔直接与所述上极板电极连接。

8.根据权利要求7所述的芯片，其特征在于，

所述下极板依次包括底层硅层、氧化硅绝缘层、顶层硅层和氧化硅键合层，所述上极板依次包括衬底硅层、氧化硅绝缘层、顶层硅层和氧化硅键合层，其中，所述下极板与所述上极板之间通过氧化硅键合层进行键合。

9.一种制备权利要求1-8中任一项所述的微机电***MEMS电容压力芯片的方法，其特征在于，包括：

分别制备下极板、上极板以及密封罩，并将制备的所述下极板、所述上极板以及所述密封罩依次进行键合，得到电容压力芯片，其中，所述上感压膜和所述下感压膜均为硅材质；

其中，制备所述下极板和所述上极板的步骤包括：

对清洁后的绝缘硅片的底层硅的中心位置按预设图案进行图形化，并腐蚀至氧化硅绝缘层；

对所述绝缘硅片的顶层进行热氧化形成氧化硅键合层；

在所述氧化硅键合层的预设位置进行图形化和开窗，并对开窗区域进行剥离制备电极；

在所述氧化硅键合层的中心位置进行图形化、刻蚀所述氧化硅键合层，并制备得到上感压膜和下感压膜；

在所述上感压膜和所述下感压膜上分别刻蚀得到上引压孔和下引压孔，最后得到所述上极板和所述下极板。

10.一种电容式压力传感器，其特征在于，所述电容式压力传感器内设有权利要求1-8中任意一项所述的微机电***MEMS电容压力芯片。

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