專利名稱：硅電容壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種利用單晶硅材料，利用微電子和微機(jī)械加工融合技術(shù)制作的硅電容壓力傳感器。
背景技術(shù)：
硅電容差壓傳感器是一種新型的結(jié)構(gòu)型差壓傳感器，其核心敏感器件采用單晶硅材料，利用微電子和微機(jī)械加工融合技術(shù)制作，由于娃材料彈性體的材料的自身優(yōu)勢(shì)，使娃電容傳感器與以往的金屬電容傳感器相比，在測(cè)量精度、穩(wěn)定性等方面都具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。硅電容傳感器的核心敏感器件把外加的兩個(gè)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電容變化，檢測(cè)電路則把電容的變化轉(zhuǎn)換為需要的電信號(hào)，對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行處理就可以得到響應(yīng)的輸出信 號(hào)。作為智能壓力變送器的核心壓力檢測(cè)部件，可以在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中壓力、流量、液位等多個(gè)測(cè)量中得到應(yīng)用。對(duì)于差壓測(cè)量傳感器來說，在理想情況下其輸出與外加壓力差敏感，要求對(duì)單側(cè)的壓力值不敏感，即差壓傳感器的靜壓影響應(yīng)該很小。但實(shí)際情況中，許多因素都會(huì)造成差壓傳感器的輸出信號(hào)受到靜壓的影響，這種靜壓(正負(fù)腔壓力相同)影響對(duì)傳感器的差壓測(cè)量結(jié)果造成一種附加誤差，直接影響傳感器的綜合測(cè)量精度。為了提高差壓傳感器的綜合精度，有必要降低差壓傳感器的靜壓影響。目前硅電容壓力傳感器核心部件是由玻璃-硅-玻璃形成的差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，在不考慮外部封裝結(jié)構(gòu)的情況下，由于玻璃和硅為異種材料，其特性存在差異，導(dǎo)致最終形成的檢測(cè)部件的特性受到溫度、靜壓的影響，導(dǎo)致傳感器的輸出信號(hào)具有比較大的溫度漂移和靜壓誤差。特別是對(duì)于微小量程的傳感器，該類影響更大。如對(duì)于6kpa量程傳感器，溫度漂移0. 1%FS/°C，靜壓誤差達(dá)到10%FS，難于滿足高精度測(cè)量的要求。為減小硅電容傳感器的靜壓誤差，在其核心部件設(shè)計(jì)方面可以考慮采用硅-硅-硅結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，即采用硅材料代替玻璃材料制作電容極板，即電容壓力敏感器件中心極板和固定極板都采用硅材料為基底材料，相關(guān)的技術(shù)即是通常硅硅鍵合。避免了兩種材料的特性的差異對(duì)傳感器特性帶來的各類影響。一般來說保證硅硅鍵合達(dá)到良好的效果需要良好的鍵合條件首先是溫度，由于兩硅片的鍵合最終是靠加熱來實(shí)現(xiàn)的，因此，溫度在鍵合過程中起著關(guān)鍵的作用，硅硅鍵合需要的溫度一般要求800°C以上。其次是硅片表面的平整度。拋光硅片或熱氧化硅片表面總有一定的起伏和表面粗糙度。若表面粗糙度很大，鍵合后就會(huì)使界面產(chǎn)生孔洞，從而造成鍵合面不完全。最后，就是表面的清潔度。如果鍵合工藝不是在超凈環(huán)境中進(jìn)行的，則硅片表面就會(huì)有一些塵埃顆粒，會(huì)造成鍵合面出現(xiàn)空洞。室溫下貼合時(shí)陷入界面的氣體也會(huì)引起孔洞。另外，硅硅鍵合工藝如果直接用于電容傳感器的制作，由于硅硅之間需電隔離，一般是通過二氧化硅絕緣膜層鍵合，將在硅極板間產(chǎn)生很大的寄生電容，對(duì)正常傳感器的電容信號(hào)產(chǎn)生干擾，對(duì)提高電容傳感器的測(cè)量精度極為不利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一 種利用單晶硅材料，利用微電子和微機(jī)械加工融合技術(shù)制作的娃電容壓力傳感器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括有硅片層和玻璃層，其特征是在島膜結(jié)構(gòu)的硅中心可動(dòng)極板上下兩側(cè)分別連接有一硅固定極板，所述的硅固定極板包括采用靜電封接的硅片層和玻璃層，該玻璃層的厚度為50-200微米；所述硅固定極板的中部設(shè)有中心引壓孔，在中心引壓孔內(nèi)及靠近中心引壓孔的硅固定極板的外表面設(shè)置有鋁膜層。本發(fā)明目的還包括娃電容壓力傳感器的加工方法，它包括有娃固定極板，娃中心可動(dòng)極板，其特征是所述硅固定極板加工方法為先將雙面拋光的硅片層和玻璃層進(jìn)行靜電封接，然后采用超聲機(jī)械開中心引壓孔，再對(duì)玻璃層進(jìn)行減薄磨拋使其厚度為50-200微米，然后，再經(jīng)雙面濺射鋁膜、光刻、腐蝕加工工藝而成為硅固定極板；所述硅中心可動(dòng)極板加工方法為先將硅片層經(jīng)氧化、光刻、腐蝕加工工藝制作成中心島，然后再次氧化、光亥IJ、腐蝕工藝制作成硅敏感膜片，實(shí)現(xiàn)具有島膜結(jié)構(gòu)的硅中心可動(dòng)極板制作；將上述硅中心可動(dòng)極板的上下兩側(cè)分別連接有一硅固定極板，并采用靜電封接工藝通過薄層玻璃把硅極板連接起來，組成了具有“娃-玻璃-娃-玻璃-娃”五層敏感芯體核心結(jié)構(gòu)的電容壓力傳感器。如上所述的雙面拋光的硅片層和玻璃層進(jìn)行靜電封接為真空靜電封接。本發(fā)明所述玻璃層的優(yōu)化厚度為100±10微米，在該厚度范圍內(nèi)，其測(cè)量精度更高，更適用于尖端技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有硅電容傳感器的核心部件，提出了一種新的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。即使用靜電封接工藝通過薄層玻璃把硅極板連接起來，不需要高溫鍵合爐、超凈環(huán)境，工藝條件簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有的工藝直接相容，特別是可以調(diào)整玻璃薄層的厚度，控制層間寄生電容在一定范圍內(nèi)。本發(fā)明的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的硅電容傳感器性能實(shí)現(xiàn)了近似硅-硅-硅方案的效果。發(fā)明的方案中，上下娃-玻璃極板，上層娃極板厚度為I I. 5毫米,玻璃層50微米 200微米，中心極板厚度0. 4毫米，硅材料為100晶面，邊緣沿110晶向。玻璃和硅材料表面通過拋光工藝達(dá)到靜電封接的要求。本發(fā)明的娃電容壓力傳感器，核心部件米用娃-娃-娃結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，米用娃材料代替玻璃材料，制作電容固定極板，即電容壓力敏感器件中心極板和固定極板都采用硅材料為基底材料制作，避免了兩種材料的特性的差異對(duì)傳感器特性帶來的各類影響，有效地減小靜壓誤差，降低傳感器的溫漂。本發(fā)明還具有結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、應(yīng)用范圍寬、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明硅電容敏感器的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn) 圖2是本發(fā)明固定極板加工工藝流程簡(jiǎn) 圖3是本發(fā)明硅中心極板加工工藝流程簡(jiǎn) 圖4是本發(fā)明電容傳感器靜壓分析曲線 圖5是本發(fā)明使用狀態(tài)的芯體結(jié)構(gòu)圖；圖6是本發(fā)明的硅電容傳感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖附圖主要部分的符號(hào)說明
I :娃上極板；2 :玻璃連接層；3 :娃中心可動(dòng)極板；4 :玻璃連接層；5 :娃下極板；6 :下電極；7 :上電極；8 :引壓孔；9 :導(dǎo)壓管組件；10 :傳感器連接脖；11 :傳感器本體。下面將結(jié)合附圖通過實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但下述的實(shí)例僅僅是本發(fā)明其中的例子而已，并不代表本發(fā)明所限定的權(quán)利保護(hù)范圍，本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)例I
如圖I 圖6所示，在島膜結(jié)構(gòu)的硅中心可動(dòng)極板3的上下兩側(cè)分別連接有一硅固定極板，所述的上硅固定極板包括采用靜電封接的硅上極板I和玻璃連接層2，下硅固定極板包括采用靜電封接的硅下極板5和玻璃連接層4 ;所述硅固定極板的中部設(shè)有中心引壓孔8，在中心引壓孔內(nèi)及靠近中心引壓孔上部及下部的硅固定極板的外表面設(shè)置有鋁膜下電極6及鋁膜上電極7 ;從而依上至下組成了具有“硅-玻璃-硅-玻璃-硅”五層敏感芯體核心結(jié)構(gòu)的電容壓力傳感器。本發(fā)明的新型硅電容壓力傳感器核心敏感器件采用MEMS加工工藝制作，制作流程包括固定極板的制作、中心可動(dòng)極板的制作、敏感器件的制作三個(gè)主要的組成部分。固定極板的制作如圖2所示，將雙面拋光，表面狀態(tài)達(dá)到靜電封接技術(shù)要求的硅片和玻璃進(jìn)行真空靜電封接，然后采用超聲機(jī)械打孔技術(shù)制作中心導(dǎo)氣孔，再對(duì)其上的玻璃層進(jìn)行減薄磨拋，其特征是玻璃薄層厚度的控制，其厚度值直接影響靜壓誤差的大小，依據(jù)理論計(jì)算控制在100± 10微米，此外玻璃薄層的平整度和光潔度應(yīng)滿足靜電封接技術(shù)要求。之后，通過雙面濺射鋁膜、光刻、腐蝕等工藝實(shí)現(xiàn)硅固定極板制作。中心可動(dòng)極板的制作如圖3所示，首先將硅片氧化，采用光刻、腐蝕工藝制作中心島，再次氧化，采用光刻、腐蝕工藝制作硅敏感膜片，實(shí)現(xiàn)島膜結(jié)構(gòu)的硅中心可動(dòng)極板制作。敏感器件的制作如圖I所示，采用靜電封接工藝通過薄層玻璃把硅極板連接起來，組成“硅-玻璃-硅-玻璃-硅”電容壓力傳感器五層敏感芯體核心結(jié)構(gòu)。其中上層硅極板厚度為I. 5毫米，其上的薄層玻璃厚度為100微米，中心極板厚度0.4毫米，下層硅極板厚度為I. 5毫米，其上的薄層玻璃厚度為100微米，硅材料為100晶面，邊緣沿110晶向，玻璃材料為7740#硼硅玻璃。靜電封接時(shí)將硅片和帶有薄層玻璃的上下硅極板通過雙面同時(shí)靜電封接工藝封裝成五層密封芯體結(jié)構(gòu)，封接條件和薄層玻璃厚度對(duì)傳感器靜壓誤差的影響特性詳見下表。表I :雙面同時(shí)靜電封接工藝條件
權(quán)利要求
1.一種娃電容壓力傳感器，它包括有娃片層和玻璃層，其特征是在島膜結(jié)構(gòu)的娃中心可動(dòng)極板上下兩側(cè)分別連接有一硅固定極板，所述的硅固定極板包括采用靜電封接的硅片層和玻璃層，該玻璃層的厚度為50-200微米；所述硅固定極板的中部設(shè)有中心引壓孔，在中心引壓孔內(nèi)及靠近中心引壓孔的硅固定極板的外表面設(shè)置有鋁膜層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅電容壓力傳感器，其特征是所述的傳感器依上至下組成了具有“娃-玻璃-娃-玻璃-娃”五層敏感芯體核心結(jié)構(gòu)的電容壓力傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅電容壓力傳感器，其特征是所述玻璃層的厚度為100±10微米。
4.一種娃電容壓力傳感器的加工方法,它包括有娃固定極板，娃中心可動(dòng)極板，其特征是所述硅固定極板加工方法為先將雙面拋光的硅片層和玻璃層進(jìn)行靜電封接，然后采用超聲機(jī)械開中心引壓孔，再對(duì)玻璃層進(jìn)行減薄磨拋使其厚度為50-200微米，然后，再經(jīng)雙面濺射鋁膜、光刻、腐蝕加工工藝而成為硅固定極板；所述硅中心可動(dòng)極板加工方法為先將硅片層經(jīng)氧化、光刻、腐蝕加工工藝制作成中心島，然后再次氧化、光刻、腐蝕工藝制作成硅敏感膜片，實(shí)現(xiàn)具有島膜結(jié)構(gòu)的硅中心可動(dòng)極板制作；將上述硅中心可動(dòng)極板的上下兩側(cè)分別連接有一硅固定極板，并采用靜電封接工藝通過薄層玻璃把硅極板連接起來，組成了具有“娃-玻璃-娃-玻璃-娃”五層敏感芯體核心結(jié)構(gòu)的電容壓力傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅電容壓力傳感器的加工方法，其特征是雙面拋光的硅片層和玻璃層進(jìn)行靜電封接為真空靜電封接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅電容壓力傳感器的加工方法，其特征是所述玻璃層的厚度為100±10微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅電容壓力傳感器的加工方法，其特征是上下硅-玻璃極板，上層硅極板厚度為I I. 5毫米，玻璃層50微米 200微米，中心極板厚度0. 4毫米，硅材料為100晶面，邊緣沿110晶向。
全文摘要
一種硅電容壓力傳感器，它包括有硅片層和玻璃層，其技術(shù)要點(diǎn)是在島膜結(jié)構(gòu)的硅中心可動(dòng)極板上下兩側(cè)分別連接有一硅固定極板，所述的硅固定極板包括采用真空靜電封接的硅片層和玻璃層，該玻璃層的厚度為50-200微米；所述硅固定極板的中部設(shè)有中心引壓孔，在中心引壓孔內(nèi)及靠近中心引壓孔的硅固定極板的外表面設(shè)置有鋁膜層。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有硅電容傳感器的核心部件，提出了一種新的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。即使用靜電封接工藝通過薄層玻璃把硅極板連接起來，不需要高溫鍵合爐、超凈環(huán)境，工藝條件簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有的工藝直接相容，特別是可以調(diào)整玻璃薄層的厚度，控制層間寄生電容在一定范圍內(nèi)。本方案實(shí)現(xiàn)的硅電容傳感器性能實(shí)現(xiàn)了近似硅-硅-硅方案的效果。
文檔編號(hào)G01L9/12GK102654426SQ20121014474
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月11日
發(fā)明者劉劍, 周磊, 張娜, 張治國(guó), 李穎 申請(qǐng)人:沈陽儀表科學(xué)研究院