紧凑型高灵敏度MEMS微电容式传感器制造技术

本发明专利技术涉及紧凑型高灵敏度MEMS微电容式传感器，包括由下往上依次设置的基底(10)、下隔离层(11)、下电极层(12)、上隔离层(13)、牺牲层(14)、振膜层(15)、上电极层(16)、绝缘层(17)，下电极层(12)和上电极层(16)均包括至少一个电极阵列单元(22)，电极阵列单元(22)包括多个电极单元，下电极层(12)的电极单元(19a)和/或上电极层(16)的电极单元(19b)的边缘具有多个缺口(20)。减少了电容结构电极固定部分的重叠面积，使得振膜振动时，电容变化幅度越大，在特征频率偏移后所能引起的阻抗变换越显著。

Compact and High Sensitivity Micro-Capacitance Sensor Based on MEMS

The present invention relates to a compact high sensitivity Micro-capacitive sensor based on micro-electronics, including a substrate (10), a lower isolation layer (11), a lower electrode layer (12), an upper isolation layer (13), a sacrificial layer (14), a vibrating film layer (15), an upper electrode layer (16), an insulating layer (17), a lower electrode layer (12) and an upper electrode layer (16), all of which include at least one electrode array unit (22), and a plurality of electrode array units (22). The edges of the electrode unit (19a) of the lower electrode layer (12) and/or the electrode unit (19b) of the upper electrode layer (16) have multiple notches (20). The overlap area of the fixed part of the capacitive structure electrodes is reduced, and the larger the change range of capacitance is, the more significant the impedance transformation can be caused by the characteristic frequency offset.

【技术实现步骤摘要】
紧凑型高灵敏度MEMS微电容式传感器
本专利技术属于硅微机械加工
，具体涉及紧凑型高灵敏度MEMS微电容式传感器。
技术介绍
随着物联网的发展，对MEMS传感器的需求也日益增长，当前又有许多传感器会采用电容式结构对环境因素进行检测，诸如气体传感器、测距传感器、超声成像传感器、电容式麦克风等等。其中，基于特征频率变化的MEMS电容式气体传感器主要是在传感器上表面振动部分沉积、旋涂气体吸附材料，在吸附和解吸附时其质量会发生微量变化。而且工作频率较高时，例如在超声频段，微小的质量变化就可以导致特征频率变化，使振动部分的振动频率偏离特征频率，振动幅度变小，从而使电容结构阻抗结构改变。通过检测电容结构的阻抗变换量便可以推算出所吸附气体的质量。因此，可检测阻抗变换的极限值越低，所能检测到的气体质量极限值就越低，即传感器的灵敏度越高。传统的MEMS电容式气体传感器的电极部分普遍采用圆形，上下电极固定部分的面积较大，导致在振动时有效区域相对较小，因此，传感器的灵敏度不是很好。另外，MEMS传感器的尺寸较小，能够检测的气体质量范围的上限较低，在检测一些大量存在又对精度要求要高的气体时存在一定不足。
技术实现思路
本专利技术提供一种MEMS微电容式传感器，包括由下往上依次设置的基底、下隔离层、下电极层、上隔离层、牺牲层、振膜层、上电极层、绝缘层，所述下电极层和所述上电极层均包括至少一个电极阵列单元，所述电极阵列单元包括多个电极单元，所述下电极层的电极单元和/或所述上电极层的电极单元的边缘具有多个缺口，减少了电容结构电极固定部分的重叠面积，使得振膜振动时，电容变化幅度越大，在特征频率偏移后所能引起的阻抗变换越显著。在上述的MEMS微电容式传感器，所述下电极层和所述上电极层相对的电极单元上的所述缺口错开。在上述的MEMS微电容式传感器，所述缺口均匀分布在所述电极单元的边缘。在上述的MEMS微电容式传感器，所述缺口的形状为圆形、或三角形、或矩形。在上述的MEMS微电容式传感器，其特征在于，所述缺口向内不超过10um。在上述的MEMS微电容式传感器，所述上电极层电极单元的面积小于所述下电极层电极单元的面积。在上述的MEMS微电容式传感器，所述电极单元为圆形，所述上电极层电极单元的直径比所述下电极层电极单元的直径小2-4um。在上述的MEMS微电容式传感器，所述下电极层电极单元之间的连接线与所述上电极层电极单元之间的连接线错开，尽量减少重叠面积。在上述的MEMS微电容式传感器，所述电极阵列单元的长度逐级递减，呈阶梯状。在上述的MEMS微电容式传感器，所述下电极层和所述上电极层均包括四个所述电极阵列单元，所述下电极层和所述上电极层的四个电极阵列单元均连接成惠斯通电桥。本专利技术在电桥比较放大电路的基础上减少了电容结构电极固定部分的重叠面积，使得振动时可振动部分面积相对总面积更高，振动时的电容变化幅度更大，在特征频率偏移后所能引起的阻抗变换更显著。本专利技术改变了上下电极层中电极阵列单元的布局，使得同一面积下的电容结构单元数量更多，在用于气体检测时，可提高检测量程。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1示出了MEMS微电容式传感器的一部分的结构图。图2示出了一种下电极层电极单元的平面图。图3示出了一种上电极层电极单元的平面图。图4示出了一种牺牲层的平面图。图5示出了下电极层、牺牲层和上电极层分层排布时的平面图。图6示出了电极阵列单元结构的平面图。具体实施方式MEMS微电容式传感器包括由下往上依次设置的基底10、下隔离层11、下电极层12、上隔离层13、牺牲层14、振膜层15、上电极层16、绝缘层17。下电极层12和上电极层16均包括至少一个电极阵列单元22，电极阵列单元22包括多个电极单元19。基底10起支撑固定作用，可采用为硅片。下隔离层11支撑下电极层12，并起绝缘保护作用，可为SiO2、SiNx等绝缘材料。下电极层12和上电极层16都包括多个电极单元19形成的电极阵列单元22。上电极层16位于下电极层12上方，上电极层16的一个电极单元19b正对下电极层12的一个电极单元19a，两者共同组成一个可振动电容结构。下电极层12和上电极层16的材料可为铝、多晶硅等导电物质。上隔离层13用于隔离保护电容阵列结构，可为SiO2、SiNx等绝缘材料。牺牲层14材料可为Al、Cr等腐蚀选择比高的材料，用来形成空腔，为振膜层15的振动提供空间。牺牲层14也是呈阵列分布的，位于下电极层12正上方，大小略小于下电极层12，每一个牺牲层14的所述空腔正对一个下电极层12的电极单元19a和上电极层16的电极单元19b。振膜层15用于支撑上电极层16，位于上电极层16的正下方。振膜层15振动时带动上电极层16一起振动，在振膜层15刻蚀一个垂直向下的腐蚀通道，使腐蚀液能够通过所述腐蚀通道进入腐蚀振膜层15下方的牺牲层14。所述腐蚀通道可通过上电极层16的电极单元19b来封堵。绝缘层17用于保护上电极层16，并起绝缘保护作用。图1示出了MEMS微电容式传感器的一部分的结构，其中下电极层12的电极单元19a和上电极层16的电极单元19b的边缘均具有多个缺口20。替代地，也可只在下电极层12的电极单元19a、或上电极层16的电极单元19b的边缘设置缺口20。电极单元19上的缺口20可减少电容结构电极固定部分的重叠面积，提高传感器的灵敏度和稳定性。参考图1，下电极层12和上电极层16相对的电极单元19上的缺口20错开，当然也可以不错开。参考图2、图3，缺口20均匀分布在电极单元19的边缘。上电极层16电极单元19b的面积小于下电极层12电极单元19b的面积，例如，电极单元19为圆形时，上电极层16圆形电极单元19b的直径比下电极层16圆形电极单元19a的直径小2-4um，防止光刻对准时的误差引起的错位。缺口20的形状可为圆形、或三角形、或矩形，当然也可以是其他形状的。缺口20向内不超过10um。参考图5，下电极层12电极单元19a之间的连接线18与上电极层16电极单元19b之间的连接线21错开，尽量减少重叠面积。其中，电极单元之间的连接线可以是直线、或交错的斜线、或曲线等。参考图6，下电极层12和上电极层16可分别具有四个电极阵列单元22，即MEMS微电容式传感器具有四个电容。分别将下电极层12和上电极层16的四个电极阵列单元22连接成惠斯通电桥，对微弱的原始信号进行放大。下电极层12和上电极层16的电极阵列单元22长度逐级递减，呈阶梯状，这样排布更为紧凑，充分利用了空间。四个电极阵列单元22排布时，较长的底部朝外，较短的顶部朝向电极层的中心位置，在中心位置处将四个电极阵列单元连接起来，缩短连接线，以此来提高阵列的面积利用率。电容阵列的上电极是可振动薄膜，受所通电信号的影响能够按其频率进行同步振动，通过电压比较法对连接成惠斯通电桥的电容阵列两极的信号进行处理可以得到更显著的电压幅值变化量。四个独立电容阵列中，相并联且电位不同的两个电容阵列振膜质量不变，另外两个电容阵列的电极质量会因吸附所检测的物体(如气体)而发生改变。在所述惠斯通电桥中通入固定特征频率交流电时，对应电容阵列的振膜质量发生改变，其特征频率将发生偏移，最大动态位移减小，使得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS微电容式传感器，包括由下往上依次设置的基底(10)、下隔离层(11)、下电极层(12)、上隔离层(13)、牺牲层(14)、振膜层(15)、上电极层(16)、绝缘层(17)，下电极层(12)和上电极层(16)均包括至少一个电极阵列单元(22)，电极阵列单元(22)包括多个电极单元，其特征在于，下电极层(12)的电极单元(19a)和/或上电极层(16)的电极单元(19b)的边缘具有多个缺口(20)。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS微电容式传感器，包括由下往上依次设置的基底(10)、下隔离层(11)、下电极层(12)、上隔离层(13)、牺牲层(14)、振膜层(15)、上电极层(16)、绝缘层(17)，下电极层(12)和上电极层(16)均包括至少一个电极阵列单元(22)，电极阵列单元(22)包括多个电极单元，其特征在于，下电极层(12)的电极单元(19a)和/或上电极层(16)的电极单元(19b)的边缘具有多个缺口(20)。2.根据权利要求1所述的MEMS微电容式传感器，其特征在于，下电极层(12)和上电极层(16)相对的电极单元上的缺口(20)错开。3.根据权利要求1或2所述的MEMS微电容式传感器，其特征在于，缺口(20)均匀分布在所述电极单元的边缘。4.根据权利要求1所述的MEMS微电容式传感器，其特征在于，缺口(20)的形状为圆形、或三角形、或矩形。5.根据权利要求1所述的MEMS微电容式传感器，其特征在于，缺口(20)...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈曦，卓文军，王俊力，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42