对称电容式压力传感器及其制备方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102967394 A (43)申请公布日 2013.03.13 CN 102967394 A *CN102967394A* (21)申请号 201210340680.2 (22)申请日 2012.09.15 G01L 1/14(2006.01) G01L 9/12(2006.01) B81C 1/00(2006.01) B81C 3/00(2006.01) (71)申请人 华东光电集成器件研究所 地址 233042 安徽省蚌埠市经济开发区财院 路 10 号 (72)发明人 汪祖民 展明浩 吕东锋 郭群英 徐栋 黄斌 王鹏 何凯旋 (74)专利代理机构 安徽省蚌埠博源

2、专利商标事 务所 34113 代理人 杨晋弘 (54) 发明名称 对称电容式压力传感器及其制备方法 (57) 摘要 本发明涉及微电子机械领域中的一种对称电 容式压力传感器， 采用 MEMS 体硅工艺进行加工制 作， 其特征在于包括 ： 硅片制作的基体 （6） ， 基体 （6） 两面分别设有完全对称的检测电容腔 （3） 和 参考电容腔 （4） ， 基体 （6）背面键合连接硅盖板 （5） ， 基体 （6） 正面键合连接由 SOI 硅片制成的压 力敏感膜 （1） ， 压力敏感膜 （1） 一侧的基体上设有 电极 （7） 。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 9 页 (1

3、9)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 9 页 1/1 页 2 1. 一种对称电容式压力传感器， 其特征在于包括 ： 硅片制作的基体 （6） ， 基体 （6） 两面 分别设有完全对称的检测电容腔 （3） 和参考电容腔 （4） ， 基体 （6） 背面键合连接硅盖板 （5） ， 基体 （6） 正面键合连接由 SOI 硅片制成的压力敏感膜 （1） ， 压力敏感膜 （1） 一侧的基体上设 有电极 （7） 。 2. 一种对称电容式压力传感器的制备方法， 其特征在于包括以下步骤 ： （1） 、 基体采用的硅片， 硅片清洗后、 表面经氧化形成隔离层

4、； （2） 、 基体双面光刻并双面腐蚀， 形成完全对称的检测电容腔和参考电容腔 ； （3） 、 基体背面与硅盖板硅硅键合， 形成封闭的参考电容 ； （4） 、 基体正面与 SOI 硅片硅 - 硅键合， 形成检测电容 ； （5） 、 SOI 硅片的底层硅去除， 形成压力敏感膜 ； （6） 、 压力敏感膜光刻并干法刻蚀， 露出基体上的电极。 权 利 要 求 书 CN 102967394 A 2 1/3 页 3 对称电容式压力传感器及其制备方法 技术领域 0001 本发明属于微电子机械系统领域， 具体涉及到一种对称电容式压力传感器及其制 备方法， 用来解决传统电容式压力传感器杂散电容影响大、 性能一

5、致性差的难题。 背景技术 0002 MEMS 压力传感器是测量压力的传感器件， 是使用极为广泛的一种传感器， 具有体 积小、 重量轻、 灵敏度高、 精度高， 动态特性好， 耐腐蚀、 零位小等优点。按照检测信号的不 同， 常见的 MEMS 压力传感器有三种 ： 压阻式、 电容式和压电式 MEMS 压力传感器。与压阻式 压力传感器相比较， 电容式压力传感器具有高灵敏度、 低温漂、 低功耗和高稳定性等优点获 得了大量的应用。 0003 电容式压力传感器包含两类 ： 绝对压力传感器和相对压力传感器， 其结构一般包 括两个部分 ： 固定极板和压力敏感膜。如图 1、 2 所示为绝对压力传感器结构示意图 （

6、图 1 所 示， 包括四个部分 101 压力敏感膜、 102 检测电极、 103 下盖板、 104 中间隔离层） 。当外部有 压力作用在压力敏感膜上时发生形变， 从而使得固定极板与压力敏感膜之间的间距发生变 化， 根据平行板电容器的公式可以知道， 极板之间的距离变化使得电容值产生变化， 从而通 过外部信号采集电路测出电容值的变化获得外部压力的大小完测量。 该种结构的参考电容 通常做在同一平面， 寄生电容较大， 难以满足压力传感器的应用要求 ； 同时压敏薄膜的加工 厚度难以控制， 使得器件的性能一致性和可靠性得不到保障。 发明内容 0004 本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的检测电容与参考

7、电容做在同一平 面， 寄生电容较大， 同时压敏薄膜的加工厚度难以控制的缺陷， 提供的一种对称电容式压力 传感器及其制备方法。 0005 本发明采用的技术方案如下 ： 1、 一种对称电容式压力传感器， 其特征在于包括 ： , 硅片制作的基体， 基体两面分别设 有完全对称的检测电容腔和参考电容腔， 基体背面键合连接硅盖板， 基体正面键合连接由 SOI 硅片制成的压力敏感膜， 压力敏感膜一侧的基体上设有电极。 0006 上述技术方案中压力敏感膜与中间基体组成检测电容， 中间基体与下盖板组成参 考电容， 利用现有的硅硅键合工艺实现结构的键合封装， 实现器件的加工制作。 0007 2、 一种对称电容式压

8、力传感器的制备方法， 包括以下步骤 ： （1） 、 基体采用的硅片清洗、 表面氧化 ； （2） 、 基体双面光刻并双面腐蚀， 形成完全对称的检测电容腔和参考电容腔 ； （3） 、 基体背面与硅盖板硅硅键合， 形成封闭的参考电容 ； （4） 、 基体正面与 SOI 硅片硅 - 硅键合， 形成检测电容 ； （5） 、 SOI 硅片的底层硅去除， 形成压力敏感膜 ； （6） 、 压力敏感膜光刻并干法刻蚀， 露出基体电极。 说 明 书 CN 102967394 A 3 2/3 页 4 0008 本发明基体部分利用双面光刻的精确对准， 利用 KOH 同步双面腐蚀， 实现双面检 测电容浅腔及参考电容浅腔的

9、均匀一致性加工， 从而保证了器件参考电容与检测电容的杂 散电容一致而相互抵消， 提高了器件的性能 ； 下盖板采用普通硅片， 利用硅硅键合实现参考 电容的高气密性加工 ； 压力敏感膜采用 SOI 硅片， 利用硅硅键合实现检测电容的高气密性 加工， 在通过减薄等工艺去除 SOI 硅片的低层硅， 实现压力敏感膜的均匀性制作， 保证了器 件的长期稳定性和性能一致性。 0009 本发明的技术技术效果 ： 对称电容式压力传感器利用体硅工艺的高精度实现中间电极的双面腐蚀， 实现结构的 完全对称， 从而减小杂散寄生电容对信号的影响， 极大的提高了器件的性能 ； 利用 SOI 硅片 的顶层硅确立压敏薄膜的厚度，

10、 实现了压力薄膜厚度的精确控制， 保证了器件性能的一致 性 ； 利用硅硅键合工艺避免了新材料引入的应力， 同时提高了压力腔室的密封性， 易于获得 高性能压力传感器。 本发明解决了常规电容式压力传感器杂散电容等寄生电容对信号影响 大、 性能一致性差的难题， 满足目前汽车、 航天等领域的需求。 附图说明 0010 图 1 是传统常规电容式压力传感器剖面图 ； 图 2 本发明的对称电容式压力传感器俯视图 ； 图 3 是本发明的对称电容式压力传感器的剖面图 ； 图 4 是中间基体采用的硅片清洗、 氧化步骤示意图 ； 图 5 是中间基体双面光刻并 KOH 双面腐蚀形成对称电容浅腔的示意图 ； 图 6 是

11、中间基体与下盖板硅硅键合， 形成参考电容的示意图 ； 图 7 是中间基体与 SOI 硅片硅 - 硅键合， 形成检测电容的示意图 ； 图 8 是 SOI 硅片减薄去除底层硅后， 形成压力敏感膜的示意图 ； 图 9 是压力敏感膜光刻并干法刻蚀， 露出中间电极的示意图。 具体实施方案 0011 一、 如图 2、 图 3 所示， 本发明提供的一种对称电容式压力传感器， 包括 ： 硅片制作 的基体 6， 基体 6 两面分别设有完全对称的检测电容腔 3 和参考电容腔 4， 基体 6 背面键合 连接硅盖板 5， 基体 6 正面键合连接由 SOI 硅片制成的压力敏感膜 1， 压力敏感膜 1 一侧的 基体上设有

12、电极 7。 0012 二、 一种对称电容式压力传感器的制备方法， 采用现有的 MEMS 体硅工艺进行加工 制作， 具体工艺步骤为 ： （1） 、 基体 6 采用硅片， 硅片清洗后、 经氧化形成 SO2隔离层 6a， 如图 4 ； （2） 、 基体6采用光刻工艺形成双面浅腔图形， 并经KOH双面腐蚀， 形成正面的检测电容 腔 3 和背面参考电容腔 4， 如图 5 ； （3） 、 基体 6 背面与硅盖板 5 硅硅键合， 形成参考电容 4， 如图 6 ； （4） 、 基体 6 正面与 SOI 硅片硅 - 硅键合， 形成检测电容 3， SOI 硅片由顶层硅 1、 绝缘层 1a 和底层硅 1b 组成，

13、如图 7 所示 ； （5） 、 SOI 硅片由底层硅去除， 剩余的顶层硅 1 及绝缘层 1a 即压力敏感膜 1， 如图 8 所 说 明 书 CN 102967394 A 4 3/3 页 5 示 ； （6） 、 压力敏感膜 1 光刻并干法刻蚀， 露出基体 6 作为电极 7， 完成传感器的制作， 如图 9 所示。 说 明 书 CN 102967394 A 5 1/9 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 102967394 A 6 2/9 页 7 图 2 说 明 书 附 图 CN 102967394 A 7 3/9 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 102967394 A 8 4/9 页 9 图 4 说 明 书 附 图 CN 102967394 A 9 5/9 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 102967394 A 10 6/9 页 11 图 6 说 明 书 附 图 CN 102967394 A 11 7/9 页 12 图 7 说 明 书 附 图 CN 102967394 A 12 8/9 页 13 图 8 说 明 书 附 图 CN 102967394 A 13 9/9 页 14 图 9 说 明 书 附 图 CN 102967394 A 14