一种介质插入型电容式压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术属于压力传感器领域，更具体地，涉及一种介质插入型电容式压力传感器及其制备方法。该介质插入型电容式压力传感器包括基体、支撑层和感压层，基体包括衬底和梳状电极，感压层包括弹性薄膜和位于该弹性薄膜下方与之相连接的感压阵列，感压阵列的阵列单元正好位于梳状电极梳齿间隙的正上方，而弹性薄膜、衬底以及支撑层围成一个封闭的真空腔结构，使得弹性薄膜在压力作用下，带动感压阵列向下移动，而梳状电极的位置固定不变，从而使感压阵列插入到梳齿电极平行板电容的两极板之间，改变电极板间电介质的相对介电常数，进而引起电容的改变，再通过检测电容即可测得压力的大小。该电容式压力传感器可以在增加线性度的同时，提高其灵敏度。提高其灵敏度。提高其灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种介质插入型电容式压力传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于压力传感器领域，更具体地，涉及一种介质插入型电容式压力传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]基于MEMS技术的压力传感器在工业生产、医疗卫生、环境监测以及科学研究等众多领域有着广泛的应用。其中，电容式压力传感器是MEMS压力传感器的一种主要类型，其根本原理是将压力变化转换为电容变化。根据电容计算公式：其中，ε0为真空介电常数，是固定值；ε
r
为相对介电常数，为电容电极板间电介质的等效相对介电常数；A为电容电极板的正对面积；d为电容电极板的间距。现有的电容式压力传感器一般是通过改变电容电极板的间距d和/或正对面积A来改变电容。
[0003]对于变间距式电容式压力传感器，其基本结构是由弹性薄膜和基片组成。这些器件中的弹性薄膜作为电容器的一个电极，而另一个电极则是位于其下方的基板上。当膜片根据施加的压力发生偏转时，电极之间的平均间隙发生变化，进而导致电容的变化。由平行板电容计算公式可以知道，电容与平行板电容的间距成反比。所以变间距的电容式压力传感器的输入负载与输出电容的非线性度比较大，这是变间距式电容式压力传感器的主要缺陷之一。
[0004]除了上述变间距式电容式压力传感器，也有基于改变电容间正对面积原理的电容式压力传感器。中国专利CN109231156A公开了一种电容式压力传感器，包含可动叉指电容和固定叉指电容，当压敏薄膜受力发生形变时，可动叉指电容相对于固定叉指电容之间的正对面积发生改变，进而使电容值发生改变。该方法通过改变电容电极板的正对面积来改变电容，虽然可以一定程度提高该压力传感器的线性度，但是该压力传感器其灵敏度仍具有提高的空间。
[0005]现有的电容式压力传感器均有弹性薄膜结构。对于含有弹性薄膜的电容式压力传感器，根据压力检测范围和弹性薄膜的形变对其工作区域进行划分，分为小挠度形变工作区域和大挠度形变工作区域。当电容式压力传感器工作在小挠度形变区域时，弹性薄膜的最大形变小于膜厚的20％，压力检测范围小，这类传感器线性度好，但灵敏度低，通常需要在灵敏度和线性度之间折中考虑，存在灵敏度和线性度相互制约的问题。为了使电容式压力传感器具有大的灵敏度，一些现有的电容式压力传感器工作在大挠度形变区域。当传感器工作在大挠度形变区域时，弹性薄膜的最大形变大于膜厚的20％，压力检测范围大，传感器具有较大的灵敏度，但是大挠度形变区域的线性度较差，因此其同样存在灵敏度和线性度相互制约的问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种介质插入型电容式压力传感
器及其制备方法，通过对电容式压力传感器的结构进行重新设计，提供了一种按照全新工作原理作用的电容式压力传感器，该压力传感器能够通过改变电容极板间的相对介电常数ε
r
来改变输出电容值；对该工作在大挠度形变区域的压力传感器进行模拟仿真，结果表明，不仅其灵敏度得到较大程度的提高，而且其线性度也得到了大的改善，最终在得到高灵敏度的同时也可以得到高线性度，解决了现有技术的电容式压力传感器线性度以及灵敏度相互制约、不能兼顾的技术问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种介质插入型电容式压力传感器，包括基体、支撑层和感压层；其中：
[0008]所述基体包括衬底和位于衬底表面的梳状电极；
[0009]所述感压层包括位于所述梳状电极上方的感压阵列以及位于所述感压阵列上方且与所述感压阵列相连接的弹性薄膜；所述感压阵列包括若干个阵列单元，每一个阵列单元位于所述梳状电极的梳齿间隙的正上方，且所述阵列单元的宽度小于所述梳状电极梳齿间隙的宽度；
[0010]所述支撑层位于所述基体与所述感压层之间，且位于所述梳状电极和所述感压阵列的外围；所述支撑层顶端与所述弹性薄膜相连接，所述支撑层底端与所述衬底相连接，所述弹性薄膜、所述支撑层与所述衬底围成封闭空腔结构，所述梳状电极和所述感压阵列位于该封闭空腔结构中；
[0011]使用时，所述梳状电极固定不动，所述弹性薄膜受到向下的压力而发生形变，带动所述感压阵列向下插入所述梳状电极的梳齿间隙中，引起所述梳状电极所形成的电容间电介质的相对介电常数的变化，进而引起电容的改变。
[0012]优选地，所述梳状电极为由接地电极和终端电极交叉排列而形成，任意两个相邻的梳齿构成一对平行板电容，所述梳状电极包括多对平行板电容，且电容间并联；
[0013]所述接地电极和终端电极均包括梳齿和梳柄，所述梳柄一端与所述梳齿相连接，另一端与位于所述支撑层侧壁的金属电极相连接，将该梳状电极引出。
[0014]优选地，所述衬底包括自下而上依次层叠设置的硅/二氧化硅/氮化硅。
[0015]优选地，所述梳状电极的材料为掺磷多晶硅。
[0016]优选地，所述梳状电极其单个电极宽度为1-4μm，厚度为20-35μm，电极间距为4-8μm。
[0017]优选地，所述感压阵列采用的材料其相对介电常数大于4；每一个所述阵列单元的宽度为2-8μm，高度为30-80μm，任意相邻的两个阵列单元的间距为3-6μm，且所述阵列单元的宽度小于所述梳状电极梳齿间隙的宽度2-4μm。
[0018]优选地，所述感压阵列的材质为氮化硅。
[0019]优选地，在水平方向上，每一个所述阵列单元位于所述梳状电极的梳齿间隙中央位置；在竖直方向上，每一个所述阵列单元的底部与梳状电极的顶部齐平。
[0020]优选地，所述弹性薄膜材质为多晶硅、单晶硅、氮化硅或碳化硅；所述弹性薄膜的厚度为15-30μm。
[0021]优选地，所述弹性薄膜的厚度为20μm。
[0022]优选地，所述弹性薄膜材质为多晶硅。
[0023]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的压力传感器的制备方法，包括如下
步骤：
[0024](1)在衬底的上表面淀积梳状电极材料，按照第一预设掩膜图形，刻蚀底层梳状电极材料，形成所述梳状电极；
[0025](2)在步骤(1)获得的材料表面依次淀积牺牲层材料和感压层材料，按照第二预设掩膜图形，刻蚀底层感压层材料，形成所述感压阵列；
[0026](3)在步骤(2)获得的材料表面淀积牺牲层材料，直至其高度与所述感压阵列顶端相同，根据第三预设掩膜图形，刻蚀底部牺牲层材料直至衬底表面，然后向刻蚀沟槽内淀积支撑层材料，形成所述支撑层；
[0027](4)在步骤(3)获得的材料表面淀积弹性薄膜材料，以在所述感压阵列上方形成所述弹性薄膜；
[0028](5)根据第四预设掩膜图形，在步骤(3)获得的弹性薄膜表面、非感压阵列区域刻蚀出牺牲层材料释放孔，利用湿法腐蚀去除牺牲层材料，之后通过淀积工艺密封释放孔，以形成所述封闭空腔结构；
[0029](6)在步骤(5)所述封闭空腔结构外侧壁梳状电极处淀积金属材料，将该梳状电极引出。
[0030]优选地，步骤(2)所述牺牲层材料为二氧化硅。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种介质插入型电容式压力传感器，其特征在于，包括基体、支撑层和感压层；其中：所述基体包括衬底和位于衬底表面的梳状电极；所述感压层包括位于所述梳状电极上方的感压阵列以及位于所述感压阵列上方且与所述感压阵列相连接的弹性薄膜；所述感压阵列包括若干个阵列单元，每一个阵列单元位于所述梳状电极的梳齿间隙的正上方，且所述阵列单元的宽度小于所述梳状电极梳齿间隙的宽度；所述支撑层位于所述基体与所述感压层之间，且位于所述梳状电极和所述感压阵列的外围；所述支撑层顶端与所述弹性薄膜相连接，所述支撑层底端与所述衬底相连接，所述弹性薄膜、所述支撑层与所述衬底围成封闭空腔结构，所述梳状电极和所述感压阵列位于该封闭空腔结构中；使用时，所述梳状电极固定不动，所述弹性薄膜受到向下的压力而发生形变，带动所述感压阵列向下插入所述梳状电极的梳齿间隙中，引起所述梳状电极所形成的电容间电介质的相对介电常数的变化，进而引起电容的改变。2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述梳状电极为由接地电极和终端电极交叉排列而形成，任意两个相邻的梳齿构成一对平行板电容，所述梳状电极包括多对平行板电容，且电容间并联；所述接地电极和终端电极均包括梳齿和梳柄，所述梳柄一端与所述梳齿相连接，另一端与位于所述支撑层侧壁的金属电极相连接，将该梳状电极引出。3.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述梳状电极的材料为掺磷多晶硅。4.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述梳状电极其单个电极宽度为1-4μm，厚度为20-35μm，电极间距为4-8μm。5.如权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，所述感压阵列采用的材料其相对介电常数大于4；每一个所述阵列单元的宽度为2-8μm，高度为30-80μm，任意相邻的两个阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗为，侯笑笑，傅邱云，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：