技术领域

[0001] 本发明涉及压力传感器技术领域， 特指一种双膜电容式压力传感器及制作方法

， 尤其是在受力方向上薄厚两层压力敏感膜的组 合形成的低压段与高压段， 同 吋具有较高的测量灵敏度的压力传感器。

背景技术

[0002] 压力传感器在医疗、 卫生、 工业过程制作、 汽车电子、 消费电子等领域都有广 泛的应用。 市场上已有的压力传感器种类繁多， 根据测量原理的不同大致有： 应变式、 硅压阻式、 压电式、 电容式、 谐振式等几大类。 其中， 电容式压力传 感器因其具有灵敏度高、 响应速度快、 受温度影响小等优点， 是压阻式压力传 感器的理想升级产品。 其原理是利用电容与有效极板面积、 极板间距的关系实 现压力信号到电信号的转换。 传统电容式压力传感器， 因为自身结构的特点， 量程与灵敏度之间相互制约， 为取得较高的灵敏度， 必然以牺牲量程为代价。 这限制了该类传感器的应用范围。

技术问题

问题的解决方案

技术解决方案

[0003] 针对以上问题， 本发明提供了一种双膜电容式压力传感器及制 作方法， 该测量 结构主要由厚度不同的两层压力敏感膜以及固 定的两层极板组成， 根据所处位 置， 结构自下而上依次为底电极板、 薄压力敏感膜、 厚压力敏感膜、 顶电极板 ， 薄压力敏感膜与厚压力敏感膜间夹以支撑材料 形成一定的间隔， 厚压力敏感 膜与顶电极板间夹以绝缘支撑材料形成电隔离 ， 该结构中， 底电极板与薄压力 敏感膜构成测量低压差的电容 C1， 厚压力敏感膜与顶电极板构成测量高压差的 电容 C2， 当有一个微小的压力差作用在传感器上吋， 薄压力敏感膜受压产生向 上的形变， 导致电容 C1由大变小， 当薄压力敏感膜的最大形变量超过薄压力敏 感膜和厚压力敏感膜之间的间距吋， 薄压力敏感膜和厚压力敏感膜接触并传递 压力到厚压力敏感膜上， 此吋 C2发生变化， 幵始随着压力的增大而增大。 此吋 压力的测量将由 C2来实现， 通过两层压力敏感膜的巧妙结合， 实现了电容式压 力传感器量程与灵敏度的兼顾。

[0004] 为了实现上述目的， 本发明采用的技术方案如下：

[0005] 一种双膜电容式压力传感器结构， 包括玻璃衬底， 玻璃衬底中心位置上设有浅 槽， 浅槽中心位置设有浅槽通孔， 浅槽通孔从浅槽底面延至玻璃衬底底面， 浅 槽上设有可测量低压差的电容 C1与可测量高压差的电容 C2， 可测量低压差的电 容 C1包括底电极板与薄压力敏感膜， 可测量高压差的电容 C2包括厚压力敏感膜 与顶电极板， 浅槽通孔与可测量低压差的电容 C1对应设置， 可测量低压差的电 容 C 1与可测量高压差的电容 C2对应设置。

[0006] 进一步而言， 所述底电极板覆盖于浅槽底面上， 薄压力敏感膜覆盖于玻璃衬底 上表面， 厚压力敏感膜与薄压力敏感膜之间设有第一支 撑材料， 顶电极板与厚 压力敏感膜之间设有第二支撑材料。

[0007] 进一步而言， 所述底电极板中心位置设有底电极板通孔， 底电极板通孔与浅槽 通孔对应设置。

[0008] 进一步而言， 所述第一支撑材料设于薄压力敏感膜上表面周 边位置， 且与浅槽 的槽壁齐平设置， 第二支撑材料设于厚压力敏感膜上表面周边位 置， 且与浅槽 的槽壁齐平设置。

[0009] 进一步而言， 所述顶电极板上设有顶电极板通孔， 厚压力敏感膜中心位置上设 有厚压力敏感膜通孔。

[0010] 一种双膜电容式压力传感器， 其制作方法， 步骤如下：

[0011] 步骤一， 准备清洗好的玻璃衬底， 用氢氟酸溶液在其表面的中心刻蚀一个浅槽 [0012] 步骤二， 通过氢氟酸溶液或激光钻孔技术在玻璃衬底的 浅槽中心处刻蚀浅槽通 孔， 且浅槽通孔从上表面延至玻璃衬底底面；

[0013] 步骤三， 采用磁控溅射法在玻璃衬底的浅槽表面淀积并 光刻形成一层铝， 并通 过剥离技术将中心的铝去除， 剩余部分作为底电极板； [0014] 步骤四， 准备清洗好的 SOI片， 三层材料自上而下分别是薄层硅、 二氧化硅介 质层与体硅层；

[0015] 步骤五， 通过阳极键技术将玻璃衬底与 SOI片键合面为玻璃衬底的上表面与薄 层硅上表面， 浅槽上方的薄层硅作为传感器的薄压力敏感膜 ；

[0016] 步骤六， 通过化学机械抛光技术将 SOI片的体硅层减薄到一定厚度， 作为传感 器的厚压力敏感膜；

[0017] 步骤七， 用氢氟酸溶液在体硅层的中心刻蚀一个厚压力 敏感膜通孔；

[0018] 步骤八， 通过化学气相淀积技术在体硅层上淀积一层二 氧化硅；

[0019] 步骤九， 通过磁控溅射法在步骤八淀积的二氧化硅上淀 积金属铬， 并通过剥离 技术将中心的铬去除， 剩余部分作为顶电极板；

[0020] 步骤十， 用氢氟酸溶液腐蚀步骤四中的二氧化硅介质层 ， 并保留四周部分二氧 化硅作为第一支撑材料， 用氢氟酸溶液腐蚀步骤八中的二氧化硅， 并保留四周 部分二氧化硅作为第二支撑材料， 释放传感器的薄压力敏感膜与厚压力敏感膜

发明的有益效果

有益效果

[0021] 本发明有益效果：

[0022] 1.本发明采用变间距原理实现压力到电容的转� ��， 可测量低压差的电容 C1与可 测量高压差的电容 C2分别实现了微压段和高压段的高精度测量， 不仅提高了压 力测量精度， 也提升了传感器的测量范围；

[0023] 2.本发明的厚压力敏感膜和薄压力敏感膜的有� ��结合， 有效解决了薄压力敏感 膜在高压测量吋的过载保护问题， 使传感器的测量范围加大且可靠性提高； [0024] 3.本发明所述薄压力敏感膜与厚压力敏感膜采� ��垂直结构， 有效节省了芯片面 积， 有利于减小封装体积， 降低生产成本。 对附图的简要说明

附图说明

[0025] 图 1是本发明整体结构俯视图；

[0026] 图 2是图 1中 A- A位置剖视图； [0027] 图 3〜图 12是本发明制作流程示意图。

[0028] 1.底电极板; 10.底电极板通孔 ;2.薄压力敏感膜 ;3.厚压力敏感膜 ;30.厚压力敏感膜 通孔; 4.顶电极板; 40.顶电极板通孔 ;5.第一支撑材料 ;6.第二支撑材料 ;7.玻璃衬底; 70 .浅槽; 71.浅槽通孔。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

[0029] 下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进 行说明。

[0030] 如图 1和图 2所示， 本发明所述一种双膜电容式压力传感器， 包括玻璃衬底 7， 玻璃衬底 7中心位置上设有浅槽 70， 浅槽 70中心位置设有浅槽通孔 71， 浅槽通孔 71从浅槽 70底面延至玻璃衬底 7底面， 浅槽 70上设有可测量低压差的电容 C 1与可 测量高压差的电容 C2， 可测量低压差的电容 C1包括底电极板 1与薄压力敏感膜 2 ， 可测量高压差的电容 C2包括厚压力敏感膜 3与顶电极板 4， 浅槽通孔 71与可测 量低压差的电容 C1对应设置， 可测量低压差的电容 C1与可测量高压差的电容 C2 对应设置。 以上所述构成本发明基本结构。

[0031] 本发明采用这样的结构设置， 其工作原理： 压力由浅槽通孔 71向上作用在整个 传感器表面 （即玻璃衬底 7底面） ， 该压力在低压吋导致薄压力敏感膜 2向上弯 曲， 由薄压力敏感膜 2和底电极板 1构成的电容 C1幵始随压力增大而减小， 当压 力达到一定值后， 薄压力敏感膜 2向上弯曲且与厚压力敏感膜 3接触， 防止薄压 力敏感膜 2在较高压力下破裂， 此吋， 薄压力敏感膜 2与厚压力敏感膜 3组合形成 复合膜， 在高压力段上， 由薄压力敏感膜 2与厚压力敏感膜 3组合形成复合膜与 顶电极板 4组成的电容 C2幵始随压力增加而增加， 其灵敏度也随压力增大而增大 。 本发明采用变间距原理实现压力到电容的转换 ， 可测量低压差的电容 C1与可 测量高压差的电容 C2分别实现了低压段与高压段的高精度测量， 不仅提高了压 力测量精度， 也提升了传感器的测量范围。 另外， 本发明的厚压力敏感膜 3， 有 效解决了薄压力敏感膜 2在高压测量吋的过载保护问题， 使传感器的测量范围加 大且可靠性提高。

[0032] 更具体而言， 所述底电极板 1覆盖于浅槽 70底面上， 薄压力敏感膜 2覆盖于玻璃 衬底 7上表面， 厚压力敏感膜 3与薄压力敏感膜 2之间设有第一支撑材料 5， 顶电 极板 4与厚压力敏感膜 3之间设有第二支撑材料 6。 采用这样的结构设置， 本发明 所述薄压力敏感膜 2与厚压力敏感膜 3采用垂直结构， 有效节省了芯片面积， 有 利于减小封装体积， 降低生产成本， 同吋厚压力敏感膜 3和薄压力敏感膜 2的有 机结合， 有效解决了薄压力敏感膜 2在高压测量吋的过载保护问题， 使传感器的 测量范围加大且可靠性提高。

[0033] 更具体而言， 所述底电极板 1中心位置设有底电极板通孔 10， 底电极板通孔 10 与浅槽通孔 71对应设置。 采用这样的结构设置， 以方便压差信号的导入， 压力 差通过浅槽通孔 71向上作用在压力敏感膜上， 压力敏感膜感知压力向上弯曲， 导致压力敏感膜与电极板构成的电容的变化。

[0034] 更具体而言， 所述第一支撑材料 5设于薄压力敏感膜 2上表面周边位置， 且与浅 槽 70的槽壁齐平设置， 第二支撑材料 6设于厚压力敏感膜 3上表面周边位置， 且 与浅槽 70的槽壁齐平设置。 采用这样的结构设置， 通过第一支撑材料 5用于释放 薄压力敏感膜 2， 便于薄压力敏感膜 2受低压力弯曲， 通过第二支撑材料 6用于释 放厚压力敏感膜 3， 便于厚压力敏感膜 3受高压力弯曲。

[0035] 更具体而言， 所述顶电极板 4上设有顶电极板通孔 40， 厚压力敏感膜 3中心位置 上设有厚压力敏感膜通孔 30。 采用这样的结构设置， 以方便压差能作用在薄压 力敏感膜 2上。

[0036] 一种双膜电容式压力传感器结构， 其制作方法， 步骤如下：

[0037] 步骤一， 准备清洗好的玻璃衬底 7， 用氢氟酸溶液在其表面的中心刻蚀一个浅 槽 70 (如图 3所示） ；

[0038] 步骤二， 通过氢氟酸溶液或激光钻孔技术在玻璃衬底 7的浅槽 70中心处刻蚀浅 槽通孔 71， 且浅槽通孔 71从上表面延至玻璃衬底 7底面 （如图 4所示） ；

[0039] 步骤三， 采用磁控溅射法在玻璃衬底 7的浅槽 70表面淀积并光刻形成一层铝， 并通过剥离技术将中心的铝去除， 剩余部分作为底电极板 1 (如图 5所示） ；

[0040] 步骤四， 准备清洗好的 SOI片， 三层材料自上而下分别是薄层硅、 二氧化硅介 质层与体硅层 （如图 6所示） ；

[0041] 步骤五， 通过阳极键技术将玻璃衬底 7与 SOI片键合面为玻璃衬底 7的上表面与 薄层硅上表面， 浅槽 70上方的薄层硅作为传感器的薄压力敏感膜 2 (如图 7所示 [0042] 步骤六， 通过化学机械抛光技术将 SOI片的体硅层减薄到一定厚度， 作为传感 器的厚压力敏感膜 3 (如图 8所示） ；

[0043] 步骤七， 用氢氟酸溶液在体硅层的中心刻蚀一个厚压力 敏感膜通孔 30 (如图 9 所示） ；

[0044] 步骤八， 通过化学气相淀积技术在体硅层上淀积一层二 氧化硅 （如图 10所示）

[0045] 步骤九， 通过磁控溅射法在步骤八淀积的二氧化硅上淀 积金属铬， 并通过剥离 技术将中心的铬去除， 剩余部分作为顶电极板 4 (如图 11所示） ；

[0046] 步骤十， 用氢氟酸溶液腐蚀步骤四中的二氧化硅介质层 ， 并保留四周部分二氧 化硅作为第一支撑材料 5， 用氢氟酸溶液腐蚀步骤八中的二氧化硅， 并保留四周 部分二氧化硅作为第二支撑材料 6， 释放传感器的薄压力敏感膜 2与厚压力敏感 膜 3 (如图 12所示） 。

[0047] 以上结合附图对本发明的实施例进行了描述， 但本发明并不局限于上述的具体 实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的， 而不是限制性的， 本领域的 普通技术人员在本发明的启示下， 在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范 围情况下， 还可做出很多形式， 这些均属于本发明的保护范围之内。