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CN105371878B - 一种环境传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环境传感器及其制造方法，包括基材，在所述基材的上端设有至少一个凹槽，还包括位于基材上方的敏感膜层，所述敏感膜层包括固定在基材端面上的固定部，以及伸入至凹槽内的弯曲部，所述弯曲部与凹槽的侧壁构成了用于检测信号的电容器；其中，所述弯曲部、固定部与凹槽形成了密闭的容腔。本发明的环境传感器，将传统设置在基材表面的电容器结构，改为垂直伸入基材内部的电容器结构，加大凹槽的深度即可增大电容器两个极板之间的感测面积，由此可大大缩小电容器在基材上的覆盖面积，满足了现代电子器件的轻薄化发展。

Description

一种环境传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，更具体地，涉及一种用于测量的环境传感器；本发明还涉及一种环境传感器制造方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，手机、笔记本电脑等电子产品的体积在不断减小，而且人们对这些便携电子产品的性能要求也越来越高，这就要求与之配套的电子零部件的体积也必须随着减小。
传感器作为测量器件，已经普遍应用在手机、笔记本电脑等电子产品上。在现有的工艺结构中，一般都是通过半导体加工的方式，在基材的表面沉积两个导电膜层，该两个导电膜层构成了平行电容结构。当外界的环境变化时，两个导电膜层之间的距离或相对面积发生变化，由此该平行电容结构可输出相应的检测电信号。这种平行设置的电容结构，占用的面积较大，不符合现代的发展要求。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种环境传感器的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种环境传感器，包括基材，在所述基材的上端设有至少一个凹槽，还包括位于基材上方的敏感膜层，所述敏感膜层包括固定在基材端面上的固定部，以及伸入至凹槽内的弯曲部，所述弯曲部与凹槽的侧壁构成了用于检测信号的电容器；其中，所述弯曲部、固定部与凹槽形成了密闭的容腔。
优选地，所述弯曲部悬空在所述凹槽内。
优选地，所述弯曲部的底端通过第一牺牲层固定在凹槽的底端。
优选地，所述敏感膜层还包括连接相邻两个弯曲部的连接部，所述连接部悬空在基材端面的上方。
优选地，在所述连接部上还设置有镂空，所述镂空将相邻两个弯曲部绝缘开；还包括填充所述镂空的第二牺牲层。
本发明还提供了一种环境传感器，包括基材，在所述基材的上端设有至少一个凹槽，还包括通过绝缘层至少设置在基材凹槽侧壁上的固定膜层；还包括位于基材上方的敏感膜层，所述敏感膜层包括固定在基材端面上的固定部，以及伸入至凹槽内的弯曲部，所述弯曲部与固定膜层的侧壁构成了用于检测信号的电容器；其中，所述弯曲部、固定部与凹槽形成了密闭的容腔。
本发明还提供了一种环境传感器的制造方法，包括以下步骤；
a)在基材的上端面刻蚀出凹槽，并在基材的上端面、凹槽的内壁上沉积第一牺牲层；
b)在第一牺牲层的上方沉积敏感膜层，该敏感膜层包括位于基材端面上的固定部，以及伸入至凹槽内的弯曲部；
c)对位于基材端面上的敏感膜层进行刻蚀，形成镂空；
d)通过该镂空至少将位于弯曲部与凹槽侧壁之间的第一牺牲层腐蚀掉；
e)在所述敏感膜层的上方沉积第二牺牲层，且该第二牺牲层将所述镂空密封；
f)将位于弯曲部上方位置的第二牺牲层腐蚀掉。
优选地，在步骤e)与步骤f)之间，还包括以下步骤：对第二牺牲层上位于镂空两侧的位置进行刻蚀以形成侧壁槽，并在第二牺牲层的上端沉积保护层，该保护层同时填充在侧壁槽内。
优选地，所述步骤d)中，将弯曲部与凹槽之间的第一牺牲层完全腐蚀掉，使弯曲部悬空在凹槽内。
优选地，所述步骤a)中在沉积第一牺牲层之前，还包括在凹槽的内壁上依次沉积第三牺牲层、固定膜层的步骤。
本发明的环境传感器，敏感膜层的弯曲部与凹槽的侧壁构成了垂直式的电容器结构，当外界环境发生变化(例如压力变化)时，弯曲部会随之发生形变，由此可以改变弯曲部与凹槽侧壁之间的距离，使该电容器输出的信号发生变化。本发明的环境传感器，将传统设置在基材表面的电容器结构，改为垂直伸入基材内部的电容器结构，加大凹槽的深度即可增大电容器两个极板之间的感测面积，由此可大大缩小电容器在基材上的覆盖面积，满足了现代电子器件的轻薄化发展。
本发明的发明人发现，在现有技术中，传感器采用平铺在基材的表面上，由此占用了大量的芯片面积，不利于传感器小型化的发展。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明环境传感器的结构示意图。
图2至图10是本发明环境传感器制造方法的工艺流程图。
图11是本发明环境传感器另一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参考图1，本发明提供了一种环境传感器，其可以是压力传感器、温度传感器、湿度传感器等用于检测周围环境的传感器，其包括基材1，在所述基材1的上端面设有至少一个凹槽1a，凹槽1a的数量可以根据实际结构需要进行设置，该凹槽1a的形状可以是U形槽结构，也可以是本领域技术人员所熟知的圆弧槽结构等。
本发明的环境传感器，还包括位于基材1上方的敏感膜层3，该敏感膜层3包括固定在基材1端面上的固定部3b，以及伸入至凹槽1a中的弯曲部3a，其中，所述弯曲部3a与凹槽1a的侧壁构成了用于检测周围环境的电容器结构。具体地，该敏感膜层3可以采用多晶硅材料，其可以通过沉积等方式设置在基材1上。其中，固定部3b与基材1之间可设置第一牺牲层2。在此需要注意的是，牺牲层可以采用氧化硅等本领域技术人员所熟知的材料，牺牲层同时还可以作为绝缘层使用，以保证部件之间的绝缘，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。通过第一牺牲层2使固定部3b与基材1之间互相绝缘；同时该第一牺牲层2可以将敏感膜层3支撑在基材1的上方，防止敏感膜层3中的弯曲部3a与基材1接触在一起。
弯曲部3a与凹槽1a的形状相匹配，例如凹槽1a为U形结构时，该弯曲部3a可以选择U形槽结构，也可以选择本领域技术人员所熟知的圆弧槽结构。弯曲部3a小于凹槽1a的尺寸，使得该弯曲部3a可以伸入至凹槽1a内。所述弯曲部3a、固定部3b与凹槽1a共同围成了一密闭的容腔。
本发明的环境传感器，敏感膜层的弯曲部3a与凹槽1a的侧壁构成了垂直式的电容器结构，当外界环境发生变化(例如压力变化)时，弯曲部3a会随之发生形变，由此可以改变弯曲部3a与凹槽1a侧壁之间的距离，使该电容器输出的信号发生变化。本发明的环境传感器，其可以是长条形、梳齿状、螺旋状或者本领域技术人员所熟知的其它形状；将传统设置在基材表面的电容器结构，改为垂直伸入基材内部的电容器结构，加大凹槽的深度即可增大电容器两个极板之间的感测面积，由此可大大缩小电容器在基材上的覆盖面积，本发明环境传感器的覆盖面积可以缩小至传统传感器覆盖面积的1/5-1/10，或更小，这满足了现代电子器件的轻薄化发展。
在本发明一个优选的实施方式中，所述敏感膜层的弯曲部3a悬空在基材的凹槽1a内，也就是说，弯曲部3a与凹槽1a之间没有任何的连接关系，当外界环境发生变化时，弯曲部3a会随之发生形变，由此可以改变弯曲部3a与凹槽1a侧壁之间的距离，使该电容器输出的信号发生变化。
在本发明另一优选的实施方式中，所述敏感膜层的弯曲部3a伸入至基材的凹槽1a内，且弯曲部3a的底端与凹槽1a的底端通过第二牺牲层4连接在一起，也就是说，通过第二牺牲层4将弯曲部3a的底端固定住。当外界环境发生变化时，由于弯曲部3a的底端被固定住，从而可以防止弯曲部3a在凹槽1a内摆动，只有弯曲部3a侧壁的位置会随外界环境的变化而发生形变，由此改变了弯曲部3a与凹槽1a侧壁之间的距离，使该电容器输出的信号发生变化。
在本发明一个优选的实施方式中，当凹槽1a的数量设置有多个的时候，固定部3b可以设置在每个凹槽1a的边缘位置，也可以仅设置在最外侧凹槽1a的边缘。当设置在最外侧凹槽1a的边缘时，所述敏感膜层3还包括连接相邻两个弯曲部3a的连接部3d，参考图1，且该连接部3d优选悬空在基材1端面的上方。此时由于弯曲部3a、连接部3d与基材1不接触在一起，也就是说，弯曲部3a、连接部3d均处于悬空的状态，这就提高了弯曲部3a的灵敏度，使得最终检测到的结果更为精准。
本发明的环境传感器，可以根据实际需要设置多组电容结构，这就需要在某些连接部3d上还设置镂空3c，参考图5，通过该镂空3c将相邻两个弯曲部3a绝缘开；同时，为了保证该环境传感器具有一密闭的容腔，还需要在镂空3c里填充第二牺牲层4，参考图7。本发明进一步优选的是，在该第二牺牲层的上端还可设置保护层5，通过该保护层5可以防止水或雾气进入至环境传感器的内部。
上述实施例中，环境传感器的电容器结构由敏感膜层的弯曲部3a、凹槽1a的侧壁构成。在本发明另一具体的实施方式中，参考图11，至少在基材1凹槽1a的侧壁上设置有固定膜层8，该固定膜层8与敏感膜层3弯曲部3a的侧壁构成了用于检测信号的电容器结构。基材1可以采用单晶硅材料，固定膜层8、敏感膜层3均可采用多晶硅材料；为了保证固定膜层8与基材1之间绝缘，在所述固定膜层8与凹槽1a的侧壁之间设置有第三绝缘层7，该第三绝缘层7与上述的第一绝缘层2一样，均可采用二氧化硅材料。
第三绝缘层7、固定膜层8可仅设置在凹槽1a的侧壁上；也可以延伸至基材1的整个上端面，例如可通过沉积等方式在基材1的上端依次形成第三绝缘层7、固定膜层8，该第三绝缘层7、固定膜层8与基材1整个上端的形状相匹配。也就是说，在凹槽1a的位置，第三绝缘层7、固定膜层8沿着凹槽1a的内壁延伸，呈与凹槽1a匹配的形状。当外界环境发生变化(例如压力变化)时，弯曲部3a会随之发生形变，由此可以改变弯曲部3a与固定膜层8侧壁之间的距离，使该电容器输出的信号发生变化。
本发明还提供了一种环境传感器的制造方法，其包括以下步骤；
a)首先，在基材1的上端面刻蚀出多个凹槽1a，参考图2；并在基材1的上端面、凹槽1a的内壁上沉积第一牺牲层2，参考图3；基材1可以采用单晶硅材料，其凹槽1a的形状根据实际需要进行选择，例如采用U形槽、圆弧槽结构等；第一牺牲层2沉积在整个基材1的上端面，并且与基材1整个上端的形状相匹配；
在此需要注意的是，牺牲层可以采用氧化硅等本领域技术人员所熟知的材料，牺牲层同时还可以作为绝缘层使用，以保证部件之间的绝缘，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
b)在第一牺牲层2的上方沉积敏感膜层3，该敏感膜层3包括位于基材1端面上的固定部3b，以及伸入至凹槽1a内的弯曲部3a；当凹槽1a的数量设置有多个时，所述敏感膜层3还包括连接相邻两个弯曲部3a的连接部3d，参考图4，该敏感膜层3可以采用多晶硅材料，其沉积在第一牺牲层2的上端，并与第一牺牲层2整个端面的形状相匹配；
c)对位于基材1端面上的敏感膜层3进行刻蚀，形成镂空3c，参考图5；具体地，该镂空3c设置在连接部3d位置，在此需要注意的是，该镂空3c可以作为腐蚀孔对第一牺牲层2进行腐蚀；同时也可以根据实际设计需要，通过该镂空3c将两个相邻的弯曲部3a相互隔绝开，例如当需要在基材1形成多组电容器结构的时候，也就是说需要使某些相邻的弯曲部3a相互绝缘时，可以设置该镂空3c贯通至连接部3d的两端，从而使相邻的两个弯曲部3a完全断开；
d)通过该镂空3c至少将位于弯曲部3a与凹槽1a侧壁之间的第一牺牲层2腐蚀掉，参考图6；可利用氢氟酸对第一牺牲层2进行腐蚀，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明；
在本发明一个具体的实施方式中，通过腐蚀，将弯曲部3a与凹槽1a侧壁之间的第一牺牲层2腐蚀掉，保留弯曲部3a与凹槽1a底端之间的第一牺牲层2，使得弯曲部3a的底端通过第一牺牲层2固定在凹槽1a的底端；也就是说，弯曲部3a的底端通过第一牺牲层2连接在凹槽1a的底端，弯曲部3a的侧壁与凹槽1a的侧壁构成了环境传感器的电容器结构。
在本发明另一具体的实施方式中，通过镂空3c将弯曲部3a与凹槽1a之间第一牺牲层2完全腐蚀掉，使得弯曲部3a与凹槽1a之间没有任何的连接关系，也就是说，所述弯曲部3a悬空在基材1的凹槽1a内，从而提高了弯曲部3a的敏感度，这有利于提高电容器结构的检测精度。
进一步优选的是，通过腐蚀，将连接部3d下方的第一牺牲层2也腐蚀掉，使得连接部3d悬空在基材1的端面上，提高了与其连接的弯曲部3a的敏感度，进一步提高了电容器结构的检测精度；
e)在所述敏感膜层3的上方沉积第二牺牲层4，且该第二牺牲层4将所述镂空3c密封，参考图7；
f)将位于弯曲部3a上方的第二牺牲层4腐蚀掉，从而将弯曲部3a露出，以便该弯曲部3a可以感应外界的环境变化，最终形成了本发明的环境传感器，参考图1。
在本发明一个优选的实施方式中，在步骤e)与步骤f)之间，还包括以下步骤：对第二牺牲层4上位于镂空两侧的位置进行刻蚀以形成侧壁槽4a，参考图8，并在第二牺牲层4的上端沉积保护层5，该保护层5同时填充在该侧壁槽4a内，之后再对保护层5进行图形化刻蚀，参考图9。保护层5可以采用氮化硅材料，通过沉积、刻蚀的等本领域技术人员所熟知的方式将其设置在镂空的位置上。
本发明进一步优选的是，在所述步骤e)与步骤f)之间，还包括在基材1、敏感膜层3上沉积金属电极6的步骤，该金属电极6可作为电容器引线的两个焊点，以便于将电容器的信号引出，参考图10。
本发明为了得到由弯曲部3a、固定膜层8构成的环境传感器，所述步骤a)中在沉积第一牺牲层2之前，还包括至少在凹槽1a的内壁上依次沉积第三牺牲层7、固定膜层8的步骤。通过该步骤将固定膜层8固定在基材1凹槽1a的内壁上，通过后续的步骤形成敏感膜层3的弯曲部3a，从而使弯曲部3a与固定膜层3构成了用于检测电信号变化的电容器结构。
本发明的环境传感器及其制造方法，还包括用于封装的外壳(视图未给出)，所述外壳可以固定在基材1上，并将MEMS环境传感器的电容器结构封装起来，对应地，还设置有连通MEMS环境传感器弯曲部与外界的导通孔等，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种环境传感器，其特征在于：包括基材(1)，在所述基材(1)的上端设有至少一个凹槽(1a)，还包括位于基材(1)上方的敏感膜层(3)，所述敏感膜层(3)包括固定在基材(1)端面上的固定部(3b)，以及伸入至凹槽(1a)内的弯曲部(3a)，所述弯曲部(3a)与凹槽(1a)的侧壁构成了用于检测信号的电容器；其中，所述弯曲部(3a)、固定部(3b)与凹槽(1a)形成了密闭的容腔。
2.根据权利要求1所述的环境传感器，其特征在于：所述弯曲部(3a)悬空在所述凹槽(1a)内。
3.根据权利要求1所述的环境传感器，其特征在于：所述弯曲部(3a)的底端通过第一牺牲层(2)固定在凹槽(1a)的底端。
4.根据权利要求1所述的环境传感器，其特征在于：所述敏感膜层(3)还包括连接相邻两个弯曲部(3a)的连接部(3d)，所述连接部(3d)悬空在基材(1)端面的上方。
5.根据权利要求4所述的环境传感器，其特征在于：在所述连接部(3d)上还设置有镂空(3c)，所述镂空(3c)将相邻两个弯曲部(3a)绝缘开；还包括填充所述镂空(3c)的第二牺牲层(4)。
6.一种环境传感器，其特征在于：包括基材(1)，在所述基材(1)的上端设有至少一个凹槽(1a)，还包括通过绝缘层至少设置在基材(1)凹槽(1a)侧壁上的固定膜层(8)；还包括位于基材(1)上方的敏感膜层(3)，所述敏感膜层(3)包括固定在基材(1)端面上的固定部(3b)，以及伸入至凹槽(1a)内的弯曲部(3a)，所述弯曲部(3a)与固定膜层(8)的侧壁构成了用于检测信号的电容器；其中，所述弯曲部(3a)、固定部(3b)与凹槽(1a)形成了密闭的容腔。
7.一种环境传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤；
a)在基材(1)的上端面刻蚀出凹槽(1a)，并在基材(1)的上端面、凹槽(1a)的内壁上沉积第一牺牲层(2)；
b)在第一牺牲层(2)的上方沉积敏感膜层(3)，该敏感膜层(3)包括位于基材(1)端面上的固定部(3b)，以及伸入至凹槽(1a)内的弯曲部(3a)；
c)对位于基材(1)端面上的敏感膜层(3)进行刻蚀，形成镂空(3c)；
d)通过该镂空(3c)至少将位于弯曲部(3a)与凹槽(1a)侧壁之间的第一牺牲层(2)腐蚀掉；
e)在所述敏感膜层(3)的上方沉积第二牺牲层(4)，且该第二牺牲层(4)将所述镂空(3c)密封；
f)将位于弯曲部(3a)上方位置的第二牺牲层(4)腐蚀掉。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：在步骤e)与步骤f)之间，还包括以下步骤：对第二牺牲层(4)上位于镂空(3c)两侧的位置进行刻蚀以形成侧壁槽(4a)，并在第二牺牲层(4)的上端沉积保护层(5)，该保护层(5)同时填充在侧壁槽(4a)内。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述步骤d)中将弯曲部(3a)与凹槽(1a)之间的第一牺牲层(2)完全腐蚀掉，使弯曲部(3a)悬空在凹槽(1a)内。
10.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述步骤a)中在沉积第一牺牲层(2)之前，还包括在凹槽(1a)的内壁上依次沉积第三牺牲层(7)、固定膜层(8)的步骤。
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