CN103994854A - 一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器 - Google Patents

Abstract

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。本发明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。

Description

一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器

技术领域

本发明涉及微机电系统（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。

背景技术

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5×10^-3～6×10^-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引线。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5×10^-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。

发明内容

本发明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硅电容真空传感器。

本发明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1um²-1mm²，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。

本发明的下极板，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，可以在高阻硅衬底表面进行掺杂制作硅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。

本发明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。

本发明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，使得本发明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，本发明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发明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，参考电容的电容值不随待测真空环境真空度变化而变化，与本发明硅电容真空传感器的敏感电容构成一对差分电容。参考电容可以降低真空传感器非线性，消除外界温度变化、电容漂移、老化等因素对硅电容真空传感器测量精度的影响。在测量环境真空度时，敏感电容的电容值随真空气压及其他外界因素（如温度）的变化而变化，而参考电容的电容值只随其他外界因素的变化而变化，不随真空气压变化，两者数值相减就可以得到电容值只与真空气压变化的关系，从而实现硅电容真空传感器高精度测量的功能。

作为本发明的进一步延伸，可将与本发明真空度检测范围相互衔接的多只硅电容真空传感器同时设计在同一硅芯片上，形成超大量程硅电容真空传感器。这些传感器采用相同的制造工艺步骤，一般情况下仅需要改变硅敏感薄膜的尺寸，它们的膜厚相同，即可采用同一工艺、在一块硅片上同时制造出不同真空度检测范围的硅电容真空传感器。粗真空测量传感器的硅敏感薄膜尺寸较小，其真空灵敏度较低，可以用于测量粗真空；高真空测量传感器的硅敏感薄膜尺寸较大，其真空灵敏度较高，可以用于测量高真空。例如，当硅薄膜的厚度为数微米时，粗真空测量传感器的硅薄膜尺寸约为数百微米至1毫米量级，高真空测量传感器的硅薄膜尺寸在1毫米到至10毫米量级。当传感器硅薄膜的厚度增加时，其硅薄膜尺寸需要相应的增加。通过2或3只硅电容真空传感器的测量数据融合，可以实现覆盖10^-5-10⁵Pa真空度范围，高达10个数量级的真空度覆盖，大大突破了传统真空传感器3-4个数量级的真空底覆盖范围。这样仅需要单一真空传感器芯片就可以实现从大气压到高真空的测量，极大地降低了真空传感器的体积、成本。实现高达10个数量级的真空度覆盖，主要得益于本发明的硅电容真空传感器超大压力过载能力。真空度测量数据融合方法包括但不限于，当测量粗真空时，高灵敏度的高真空测量传感器处于过载状态，但不会损坏，采用低灵敏度的粗真空测量传感器的测量值作为输出；当测量高真空时，低灵敏度的粗真空测量传感器输出很小，采用高灵敏度的高真空测量传感器的测量值作为输出；当真空度处于粗真空和高真空的过滤区域时，两个传感器均有输出，可以取其中一个传感器的测量值或两个传感器测量值的平均值作为最后的测量输出。

本发明的技术关键在于本发明与现有技术的显著不同是在于真空腔中设计了绝缘支撑柱阵列，其作用是在保护硅敏感薄膜在超大压力过载，如1个大气压力，硅敏感薄膜不破裂、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。为了实现高真空度的检测，真空传感器将必须采用高灵敏度的硅敏感膜，一般高真空传感器的检测量程设计为1Pa至10Pa，高灵敏的电容检测电路可以分辨10^-5Pa的真空度，但在1个大气压环境下，真空传感器的过载高达一万至十万倍，大大超出了通常电容压力传感器的过载能力（通常在几十至几百倍），如没有特殊设计，硅敏感薄膜将破裂（间隙较大时）或直接贴合到衬底上（间隙较小时）。如果硅敏感薄膜直接贴合到衬底上，将存在很大的风险将硅敏感薄膜粘附到衬底而无法弹起引起传感器失效，这是在微机电系统技术中很常见的“粘附效应”，尤其是在传感器的制造过程中和传感器长期超大压力过载的情况下。通过本发明的绝缘支撑柱阵列，巧妙地为超大压力过载的硅敏感薄膜提供了支撑，同时也大大减少了硅敏感薄膜与衬底的贴合面积，从而从根本上消除了硅敏感薄膜与硅衬底的大面积接触引起的粘附失效。

本发明的有益效果：1）引入绝缘支撑柱阵列作为硅敏感薄膜在大压力过载时的支撑和防粘附结构，有效解决了硅电容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，真空传感器不仅在制造过程中遇到大气压或溶液时不会被损坏，而且在使用中可以承受1个大气压的超大过载，并可以长期在大气压下保存而不失效。

2）硅电容真空传感器的超大压力（一个大气压）过载能力，保证了本发明的硅电容真空传感器可以通过多传感器的组合实现高达10个量级的真空度检测覆盖，而且该传感器的组合可以通过相同的制造工艺来一次制造完成；

3）硅电容真空传感器的结构简单，采用硅-硅双层全硅结构，无材料放气问题，可靠性高，还可以应用于高温环境的真空度测量；

4）本发明采用体硅微机械工艺或表面微机械工艺制作，其制造工艺成熟、稳定，工艺流程简单，可以批量制造，制造成品率高，大幅降低成本。

附图说明

图1为现有技术中基于MEMS技术的电容式微型真空传感器的结构示意图。

图2为现有技术力平衡微机械真空传感器的结构示意图。

图3 为本发明的主视图。

图4为图3的俯视图。

图5示出了硅敏感薄膜压在SiO₂微支撑柱阵列上部分的形变位移。

图6示出了硅敏感薄膜压在SiO₂微支撑柱阵列上部分的应力情况。

图7为硅敏感薄膜压在SiO₂微支撑柱阵列上整体的应力情况。

图8为气压和硅敏感薄膜最大位移之间的关系曲线图。

图9为差分电容真空传感器。

图10为超大量程硅电容真空传感器结构示意图。

具体实施方式

实施例1：一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，包括上极板001，下极板002，中间绝缘层003，真空腔004以及上下极板（001、002）上的电引线焊盘005，上极板001为硅敏感薄膜，真空腔004是上极板001、中间绝缘层003与下极板002间形成的密封腔，真空腔004内设计有绝缘支撑柱006阵列，所述绝缘支撑柱006的顶端面与上极板001间留有空隙，所述硅敏感薄膜的厚度为5um，所述中间绝缘层003为二氧化硅，中间绝缘层003厚度为2um，绝缘支撑柱006阵列里的各绝缘支撑柱006呈均匀分布，绝缘支撑柱006横截面的形状为圆形，大小和尺寸相同，绝缘支撑柱006的横截面积为50um²，绝缘支撑柱006之间的间距相同，间距为100微米。

实施例2：参照实施例1，硅敏感薄膜的厚度为10um，中间绝缘层003厚度为5um，绝缘支撑柱006阵列里的各绝缘支撑柱呈非均匀分布，绝缘支撑柱006横截面的形状为方形，大小和尺寸不相同，绝缘支撑柱006的横截面积在1um²-1mm²间，绝缘支撑柱006之间的间距相同，间距为500微米。

实施例3，参考实施例1，真空腔004是上极板001与中间绝缘层003间形成的密封腔，所述中间绝缘层003为二氧化硅层与氮化硅层的复合，中间绝缘层厚3 um,硅敏感薄膜的厚度为0.5um，绝缘支撑柱006阵列里的各绝缘支撑柱呈非均匀分布，绝缘支撑柱006横截面的形状为圆形，大小和尺寸相同，绝缘支撑柱006的横截面积是100um²，绝缘支撑柱006之间的间距不相同，间距在0-800微米间。

实施例4，参考实施例1，真空腔004是上极板001与中间绝缘层003间形成的密封腔，所述中间绝缘层003为二氧化硅层与氮化硅层的复合，硅敏感薄膜的厚度为20um，中间绝缘层003厚度为0.5um，绝缘支撑柱006阵列里的各绝缘支撑柱006呈非均匀分布，绝缘支撑柱006横截面的形状为圆形，大小和尺寸不相同，绝缘支撑柱006的横截面积在1um²-1mm²间，绝缘支撑柱006之间的间距不相同，间距在50-100微米间。

实施例5，一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，实施例1-4之一或类似的敏感电容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，所述参考电容的空腔连通外界待测环境，可实现真空度的高精度测量。

实施例6：一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，真空度检测范围相互衔接的多只硅电容真空传感器（结构参考实施例1-4和类似）同时设计在同一硅芯片上，形成超大量程硅电容真空传感器。

本发明上述实施例的制作工艺可以用体硅微机械工艺或表面微机械工艺。

以下为进行仿真分析硅敏感薄膜压力过载下的情况和正常测量时的检测情况：

1）在一个大气压即过载情况下对本发明的真空传感器进行仿真：在图5和图6中，硅敏感薄膜压在绝缘支撑柱阵列部分形变约为4纳米，应力最大约为15MPa，硅敏感薄膜没有接触到硅衬底短路，也不会达到硅的断裂强度6.9GPa发生断裂；在图7中，硅敏感薄膜中间部分由绝缘支撑柱阵列支撑，边缘部分应力最大约为35MPa，也没达到硅的断裂强度6.9GPa，不会发生断裂，即本发明的硅敏感膜在一个大气压的过载下不会破裂。

2）在10^-4Pa到1Pa的情况下，由图8气压和最大位移曲线可知，在该气压范围内，气压和电容上极板中心的最大位移量成正比。由C=ε₀S/d，在不受力和在0.0001Pa的作用下，电容变化量为△C≈ε₀S×△d/d^2，代入一组数据（电容板初始间距d=2um，硅敏感薄膜半径r=3mm）可求得△C约为0.22fF，即从真空到0.0001Pa的电容变化量约为0.22fF；同理可求得从真空到0.001Pa的电容变化量约为2.2fF，故要想检测气压从0.0001Pa到0.001Pa的变化，电路需要识别2.2-0.22≈2fF的电容变化，根据现在的技术，2fF的电容变化检测是可以实现的。从而也解决了检测气压从10^-4Pa变化到1Pa的难题，具有很高的真空检测灵敏度。

Claims (12)

1.一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。

2.根据权利要求1所述的一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，其特征在于上极板为硅敏感薄膜,所述硅敏感薄膜的厚度为0.5-20um。

3.根据权利要求1所述的一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，其特征在于中间绝缘层为与硅气密性键合的绝缘材料。

4.根据权利要求3所述的一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，其特征在于中间绝缘层为二氧化硅或者二氧化硅层与氮化硅层的复合。

5.根据权利要求3所述的一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，其特征在于中间绝缘层的厚度为0.5-5um。

6.根据权利要求1所述的一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，其特征在于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。

7.根据权利要求6所述的一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，其特征在于绝缘支撑柱横截面的形状和大小尺寸相同或者不同。

8.根据权利要求7所述的一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，其特征在于绝缘支撑柱的横截面积为1um²-1mm²。

9.根据权利要求6所述的一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，其特征在于绝缘支撑柱之间的间距相同或不同。

10.根据权利要求9所述的一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，其特征在于绝缘支撑柱之间的间距为0-800微米。

11.权利要求1-10所述的一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，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，所述参考电容的空腔连通外界待测环境。

12.权利要求1-10所述的一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，真空度检测范围相互衔接的多只硅电容真空传感器同时设计在同一硅芯片上，形成超大量程硅电容真空传感器。