一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器技术方案

一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，涉及微机电系统（MEMS）传感器和真空传感器制造领域，包括上极板、下极板、中间绝缘层、真空腔以及上下极板上的电引线焊盘，真空腔是上极板与中间绝缘层间、或者上极板、中间绝缘层与下极板间形成的密封腔，真空腔内设计有绝缘支撑柱阵列，所述绝缘支撑柱的顶端面与上极板间留有空隙。本实用新型专利技术能有效测量高真空度、覆盖真空度范围大、制作工艺简单，有效解决现有技术的微型电容薄膜传感器存在的敏感薄膜破裂、粘附失效以及所用玻璃材料放气等问题。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，涉及微机电系统（MEMS）传感器和真空传感器制造领域，包括上极板、下极板、中间绝缘层、真空腔以及上下极板上的电引线焊盘，真空腔是上极板与中间绝缘层间、或者上极板、中间绝缘层与下极板间形成的密封腔，真空腔内设计有绝缘支撑柱阵列，所述绝缘支撑柱的顶端面与上极板间留有空隙。本技术能有效测量高真空度、覆盖真空度范围大、制作工艺简单，有效解决现有技术的微型电容薄膜传感器存在的敏感薄膜破裂、粘附失效以及所用玻璃材料放气等问题。【专利说明】—种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器
本技术涉及微机电系统(MEMS)传感器，尤其涉及一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器。
技术介绍
现有技术公开的微型电容薄膜真空传感器包括:(1)厦门大学研究了 “基于MEMS技术的电容式微型真空传感器”，如图1所示，该电容式真空传感器有两个腔体，其中上面的腔体是一个真空腔，下面的腔体是键合形成的，此腔体不是密封的。该真空传感器采用了玻璃-硅-玻璃的三明治结构，由玻璃衬底、下电极、绝缘层、硅膜片(上电极)、上层密封用的玻璃组成，其中下电极溅射在玻璃衬底上，电极上生长一绝缘层，硅膜是利用硅片的双面光刻、扩散和各向异性腐蚀技术形成的。主要采用P+硅自停止腐蚀技术和阳极键合技术制作，真空传感器的测量范围为5X10_3?6X10_2Pa，具有较高的真空检测灵敏度，但其技术不足是器件结构复杂、工艺繁琐，尤其是由于硅敏感薄膜仅数微米厚，硅膜在大气压环境下将难以承受一个大气压力容易薄膜破裂，或者与玻璃衬底产生粘附而无法弹起导致失效。因此，该研究工作的结果到目前为止还没有实用化。(2)浙江大学研究了“力平衡微机械真空传感器”，如图2所示，该电容式真空传感器也采用了玻璃-硅-玻璃的三明治结构，共有两个腔体，其中上面的腔体是非密封，下面的腔体是一个真空腔作为参考腔体。为了使参考腔有高的真空度，使用了非蒸散吸气剂来吸附参考腔中的残余气体。制作工艺上采用高掺杂硅自停止腐蚀技术精确控制硅敏感薄膜的厚度来制造出微米级厚的硅敏感薄膜，采用硅-璃键合技术形成真空参考腔体，采用喷砂工艺在玻璃上打孔制作电极弓I线。该传感器共有两个电容，一个为敏感电容，在0-200Pa的范围内敏感真空压力的变化，另一个为驱动电容，在其上施加电压可以拓展真空压力的检测范围。该结构的真空传感其灵敏度较高，但其不足同样是器件结构复杂、工艺繁琐，还需要使用吸气剂来吸附参考腔中的残余气体。由于硅敏感薄膜仅数微米厚，第二次硅-玻璃键合时，在阳极键合高电压(约1000V)的静电力作用下非常容易将硅可动电极与玻璃衬底静电吸合而导致失效。当传感器在大气压环境下，硅可动电极也可能与玻璃衬底在巨大压力作用下相互粘附而导致失效。同样，该研究工作的结果到目前为止还没有实际应用。现有的基于MEMS技术的电容薄膜真空传感器可以获得高灵敏度，用于5X 10_3Pa真空度的检测，但其器件结构复杂、工艺繁琐，尤其是数微米厚、毫米级尺寸硅敏感薄膜在大气压下薄膜破裂或与衬底的粘附问题，导致难以实际应用。其主要的原因包括:a)电容薄膜真空传感器的高灵敏度与超大压力(一个大气压)过载要求的矛盾难以调和；b)传感器结构复杂，采用玻璃-硅-玻璃的三明治结构，需要上、下两个腔体；c)工艺困难，如硅-玻璃阳极键合时高电压导致的硅敏感薄膜与衬底的吸合问题、制作吸气材料薄膜的MEMS工艺兼容性、p+硅自停止腐蚀；d)工艺步骤繁琐、冗长，失败风险大。
技术实现思路
本技术针对上述现有技术的不足，提供了一种有效测量高真空、覆盖真空度范围大、制作工艺简单、解决现有技术的微型电容薄膜传感器敏感薄膜破裂、粘附失效以及玻璃材料放气问题的基于微机电系统技术的娃电容真空传感器。本技术为解决上述技术问题，提供了以下技术方案:一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，包括上极板，下极板，中间绝缘层，真空腔以及上下极板上的电引线焊盘，其特征在于真空腔是上极板与中间绝缘层间、或者上极板、中间绝缘层与下极板间形成的密封腔，真空腔内设计有绝缘支撑柱阵列，所述绝缘支撑柱的顶端面与上极板间留有空隙。作为优选，上极板为硅敏感薄膜，所述硅敏感薄膜的厚度为0.5-20um，硅敏感薄膜优选为单晶硅敏感薄膜，根据制造工艺的不同也可以是多晶硅敏感薄膜或非晶硅敏感薄膜。中间绝缘层的作用是实现对硅敏感薄膜的物理支撑和与下极板的电绝缘，选材为与硅气密性键合的绝缘材料，其与硅气密性键合的绝缘材料优选为二氧化硅或者二氧化硅层与氮化硅层的复合。中间绝缘层的厚度优选为0.5-5um。绝缘支撑柱阵列通常选择与中间绝缘层相同的材料，在保证硅敏感薄膜不破裂、不塑性变形的条件下，通过优化仿真确定绝缘支撑柱的尺寸和间隔，绝缘支撑柱的设计可以有很大的设计自由度。更具体地，绝缘支撑柱阵列里的各绝缘支撑柱呈均匀分布或非均匀分布，绝缘支撑柱横截面的形状和大小尺寸可以为相同或者不同，形状可以为圆形、方形或其他任何能起到支持作用的截面形状，绝缘支撑柱的横截面积优选为Ium2-1mm2,绝缘支撑柱之间的间距可以为相同或不同，绝缘支撑柱之间的间距的范围为0-800微米，优选50-100 微米。本技术的下极板，常规选择硅衬底，硅衬底最好为低阻硅，此时低阻硅衬底直接作为敏感电容的下板板。当硅电容真空传感器应用在如使用射频技术的无线真空传感器方面时，为了降低衬底的损耗，可以中阻硅或高阻硅作为衬底材料。当使用高阻硅作为衬底材料时，可以在高阻娃衬底表面进行掺杂制作娃电容真空传感器的底电极。上述的硅电容真空器，其初始电容即绝对真空时的电容包括“不变初始电容”和“可变化的初始电容”两上组成部分，减小不变初始电容的电容值可以提高敏感电容的相对变化量，从而提高硅电容真空传感器的检测灵敏度。在保证真空腔体键合密封性的前提下，硅敏感薄膜可以通过减小其边缘部分，以减小硅电容真空传感器的电容的不变化部分。为保证硅-硅键合腔体的气密性，边缘部分尺寸可以为数十微米至数百微米，具体需要保留的边缘部分尺寸需要通过工艺实验来确定。本技术的硅电容真空传感器，其电极引线与其它电容传感器一样都会引入pF量级的杂散电容，该杂散电容会增大传感器的总电容量，降低敏感电容的相对变化量。为了尽量降低引线杂散电容，所述的硅电容真空传感器的上、下电极板的电引线焊盘优选在芯片两边排布，尽量拉开距离，以减小传感器电极引线的寄生杂散电容。本技术真空腔中的绝缘支撑柱阵列，可以有效保护硅敏感薄膜在大气压力下薄膜不破裂、并避免硅敏感薄膜与硅衬底的大面积接触可能引起的粘附失效。另外，制造电容真空腔的主要材料是硅，不使用微机电系统技术常用的Pyrex玻璃材料，有效防止了玻璃材料在真空系统中的“放气”特性，避免了真空腔中的真空度变化或破坏的问题，使得本技术电容真空腔体在不使用“消气剂”的情况下，也同样具有极好的真空度。进一步地，本技术硅电容真空传感器可与同一结构的参考电容同时置于同一硅芯片上，形成一对差分电容，实现真空度的高精度测量，所述参考电容的空腔连通外界待测环境。由于参考电容采用与本技术硅电容真空传感器相同的结构和参数，具有相同的电容初始值，因其空腔连通外界待测环境，参考电容的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，包括上极板、下极板、中间绝缘层、真空腔以及上下极板上的电引线焊盘，其特征在于真空腔是上极板与中间绝缘层间、或者上极板、中间绝缘层与下极板间形成的密封腔，真空腔内设计有绝缘支撑柱阵列，所述绝缘支撑柱的顶端面与上极板间留有空隙。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴亚明，刘京，孙艳美，姚朝辉，徐永康，
申请(专利权)人：江苏森博传感技术有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32