CN115931185B - 一种电容式微机电传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电容式微机电传感器。所述电容式微机电传感器包括衬底、支撑层和振动层，所述支撑层设置在所述衬底上，所述振动层设置在所述支撑层上，所述支撑层中具有镂空区，所述镂空区在所述衬底与所述振动层之间形成有空腔，所述振动层与所述支撑层连接的部分为固定部，所述振动层与所述空腔对应的部分为振动部。本申请实施例通过结合振动部中心区域的横电容和边缘区域的纵电容，使得能够在外界压力的作用下，利用振动部上这两个区域相反方向的运动以及相反的电容间距变化，形成差分电容结构，从而提高电容式微机电传感器的感测灵敏度和感测线性度。

Description

一种电容式微机电传感器

技术领域

本申请属于微机电系统技术领域，具体地，涉及一种电容式微机电传感器。

背景技术

随着信息化时代的发展，微机电传感器的应用领域愈渐广泛，尤其是消费类电子设备以及可穿戴电子设备。其中，电容式微机电传感器基于电容器原理可以将压力值转换为电容值，以能够便捷地实现压力感测，且具有结构设计简单、制作工艺难度小等优点，故而也广受亲睐。

但是，在现有的电容式微机电传感器中，一般采用单平板电容实现压力感测，也即感测部分仅包括单个敏感电容，这导致了电容式微机电传感器的感测灵敏度欠缺。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种电容式微机电传感器的新技术方案。

根据本申请实施例提供了一种电容式微机电传感器。

所述电容式微机电传感器包括：

衬底、支撑层和振动层，所述支撑层设置在所述衬底上，所述振动层设置在所述支撑层上，所述支撑层中具有镂空区，所述镂空区在所述衬底与所述振动层之间形成有空腔，所述振动层与所述支撑层连接的部分为固定部，所述振动层与所述空腔对应的部分为振动部；

在所述空腔内，所述振动部的中心区域上设置有至少一个中心可动极板，所述衬底上设置有至少一个中心固定极板，所述中心固定极板以及所述中心可动极板与所述振动层平行，所述中心可动极板与所述中心固定极板的位置一一对应构成横电容；

在所述空腔内，所述振动部的边缘区域设置有至少一个边缘可动竖极板，所述衬底上设置有至少一个边缘固定竖极板，所述边缘固定竖极板以及所述边缘可动竖极板与所述振动层垂直，所述边缘可动竖极板与所述边缘固定竖极板一一对应构成纵电容。

可选地，两个所述中心可动极板和两个所述中心固定极板，以构成两个所述横电容；

两个所述边缘可动竖极板和两个所述边缘固定竖极板，以构成两个所述纵电容；

两个所述横电容和两个所述纵电容构成惠斯通桥式电路。

可选地，所述边缘固定竖极板相对于所述边缘可动竖极板更靠近所述振动部的中心区域；

所述横电容与所述纵电容用于构成差分电容。

可选地，构成所述纵电容的一对边缘可动竖极板与边缘固定竖极板之间的间距为预定电极间距。

可选地，在所述振动层的朝向所述空腔的一侧，所述振动层上设置有连接结构，所述中心可动极板设置在所述连接结构上，所述连接结构间隔在所述振动层与所述中心可动极板之间。

可选地，所述衬底上形成有衬底隔离层，所述支撑层设置在所述衬底隔离层上，所述中心固定极板设置在所述衬底隔离层上。

可选地，所述振动层上开设有贯穿的穿孔。

可选地，在所述振动层的远离于所述空腔的表面上设置有封堵件，所述封堵件封闭所述穿孔。

可选地，在所述振动层的远离于所述空腔的表面上设置有密封罩，所述密封罩中具有密封腔，所述密封罩罩在所述振动层的振动部上，所述密封腔通过所述穿孔与所述空腔连通。

可选地，在所述固定部上设置有电连接焊盘，所述电连接焊盘与所述横电容和纵电容的基板一一对接。

本申请实施例的技术效果在于，通过结合振动部中心区域的横电容和边缘区域的纵电容，使得能够在外界压力的作用下，利用振动部上这两个区域相反方向的运动以及相反的电容间距变化，形成差分电容结构，从而提高电容式微机电传感器的感测灵敏度和感测线性度。

通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请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申请的实施例，并且连同其说明一起用于解释本申请的原理。

图1为本申请实施例的一种电容式微机电传感器的一个示意图；

图2为本申请实施例的一种电容式微机电传感器的另一个示意图；

图3为本申请实施例的一种电容式微机电传感器的一个俯视图；

图4为图3中四组电容的一个等效示意图；

图5为本申请实施例的一种电容式微机电传感器的一个制备工艺图；

图6为本申请实施例的一种电容式微机电传感器的再一个结构示意图。

附图标记：

1、衬底；11、中心固定极板；12、边缘固定竖极板；13、衬底隔离层；2、支撑层；21、空腔；3、振动层；31、固定部；311、电连接焊盘；32、振动部；321、中心可动极板；322、边缘可动竖极板；33、连接结构；34、穿孔；35、封堵件；36、密封罩。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本申请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申请的范围。

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，决不作为对本申请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。

根据本发明实施例提供了一种电容式微机电传感器。电容式微机电传感器多使用多晶硅等材料作为敏感膜材料，当敏感膜在外界压力作用下变形时，敏感膜与底部固定电极之间的电容量会发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号，以实现压力信号至电信号的转换。

如图1-图6所示，本发明实施例提供的电容式微机电传感器包括：

衬底1、支撑层2和振动层3，所述支撑层2设置在所述衬底1上，所述振动层3设置在所述支撑层2上，所述支撑层2中具有镂空区，所述镂空区在所述衬底1与所述振动层3之间形成有空腔21，所述振动层3与所述支撑层2连接的部分为固定部31，所述振动层3与所述空腔21对应的部分为振动部32；

在所述空腔21内，所述振动部32的中心区域上设置有至少一个中心可动极板321，所述衬底1上设置有至少一个中心固定极板11，所述中心固定极板11以及所述中心可动极板321与所述振动层3平行，所述中心可动极板321与所述中心固定极板11的位置一一对应构成横电容；

在所述空腔21内，所述振动部32的边缘区域设置有至少一个边缘可动竖极板322，所述衬底1上设置有至少一个边缘固定竖极板12，所述边缘固定竖极板12以及所述边缘可动竖极板322与所述振动层3垂直，所述边缘可动竖极板322与所述边缘固定竖极板12一一对应构成纵电容。

如图1和图2所示，本发明实施例将支撑层2设置在衬底1上，将振动层3设置在支撑层2上，以能够在支撑层2上沉积振动层3，振动层3可以为多晶硅材料，能够便于振动层3在外界压力的作用下发生振动。支撑层2中具有镂空区，镂空区在衬底1与振动层3之间形成有空腔21，也即，在衬底1上沉积完整的支撑层2之后，可以牺牲部分支撑层2，仅保留两侧的支撑层2以用于支撑，而所牺牲的部分支撑层2则形成镂空区，镂空区在衬底1与振动层3之间形成有空腔21，可以利用该空腔21来布置其他器件，以实现电容式微机电传感器的感测功能。

如图1和图2所示，振动层3可以包括固定部31和振动部32，振动层3与支撑层2连接的部分为固定部31，固定部31固定于支撑层2上并能够保持静止，振动层3与空腔21对应的部分为振动部32，振动部32能够在外界压力的作用下发生振动，以实现电容式微机电传感器的感测功能。

具体地，在空腔21内，振动层3与空腔21对应的部分的中心区域，也即振动部32的中心区域上可以设置至少一个中心可动极板321，中心可动极板321可以沿垂直于振动层3的方向运动。而衬底1上可以设置至少一个中心固定极板11，中心固定极板11固定于衬底1上，中心固定极板11以及中心可动极板321与振动层3平行，且中心可动极板321与中心固定极板11的位置一一对应以构成横电容。使得当振动部32在外界压力作用下振动时，带动中心可动极板321沿垂直于振动层3的方向运动，以相应改变中心可动极板321与中心固定极板11之间的间距，从而改变中心可动极板321与中心固定极板11之间的电容值，以此能够实现电容式微机电传感器的压力感测功能。

并且，在空腔21内，振动层3与空腔21对应的部分的边缘区域，也即振动部32的边缘区域可以设置至少一个边缘可动竖极板322，边缘可动竖极板322也可以运动。而衬底1上可以设置至少一个边缘固定竖极板12，边缘固定竖极板12固定于衬底1上，边缘固定竖极板12以及边缘可动竖极板322与振动层3垂直，且边缘可动竖极板322与边缘固定竖极板12一一对应以构成纵电容。使得当振动部32在外界压力作用下振动时，能够带动边缘可动竖极板322运动，以相应改变边缘可动竖极板322与边缘固定竖极板12之间的间距，从而改变边缘可动竖极板322与边缘固定竖极板12之间的电容值，以此能够实现电容式微机电传感器的压力感测功能。

其中，由于横电容和纵电容的布置位置差异以及纵电容附近固定部31的固支影响，使得在有外界压力作用时，横电容和纵电容的电极间距会反向变化。比如横电容的电极间距增大时，纵电容的电极间距反而会减小；而横电容的电极间距减小时，纵电容的电极间距反而会增大，以使横电容和纵电容的电容值也反向变化，从而形成了差分电容结构，以能够提高电容式微机电传感器的感测灵敏度和感测线性度。

本发明实施例通过结合振动部32中心区域的横电容和边缘区域的纵电容，使得能够在外界压力的作用下，利用不同位置处不同方向的运动以及间距变化，形成差分电容结构，以能够提高电容式微机电传感器的感测灵敏度和感测线性度。另外，本发明实施例利用横电容和纵电容所形成的差分电容结构，也能够降低外界环境温度变化带来的温度漂移误差，同时还能够减小因电容式微机电传感器自身受力变形所导致的误差，从而也提高了电容式微机电传感器的感测可靠性和感测精准性。

可选地，两个所述中心可动极板321和两个所述中心固定极板11，以构成两个所述横电容；

两个所述边缘可动竖极板322和两个所述边缘固定竖极板12，以构成两个所述纵电容；

两个所述横电容和两个所述纵电容构成惠斯通桥式电路。

如图3和图4所示，本发明实施例的电容式微机电传感器可以包括两个横电容C1、C3和两个纵电容C2、C4，以能够构成惠斯通桥式电路。具体地，在振动部32的中心区域上设置两个中心可动极板321，相应在衬底1上设置两个中心固定极板11，以形成两个横电容C1、C3。并在振动部32的边缘区域设置两个边缘可动竖极板322，相应在衬底1上设置两个边缘固定竖极板12，以形成两个纵电容C2、C4，两个纵电容C2、C4分别位于两个横电容C1、C3的两侧，以构成惠斯通桥式电路。

本发明实施例利用两个横电容C1、C3和两个纵电容C2、C4构成惠斯通桥式电路，在外界压力作用下，两个横电容C1、C3和两个纵电容C2、C4的电极间距能够反向变化，相应两个横电容C1、C3和两个纵电容C2、C4的电容值也反向变化，以此能够提高电容式微机电传感器的感测灵敏度和感测线性度。

可选地，所述边缘固定竖极板12相对于所述边缘可动竖极板322更靠近所述振动部32的中心区域；

所述横电容与所述纵电容用于构成差分电容。

如图1和图2所示，本发明实施例设置边缘固定竖极板12相对于边缘可动竖极板322更靠近振动部32的中心区域，也即边缘可动竖极板322相对于边缘固定竖极板12更远离振动部32的中心区域，使得边缘可动竖极板322能够较为靠近固定部31，便于边缘可动竖极板322在固定部31的固支拉力作用下，能够发生较为明显的与振动部32的中心区域反向的运动，进一步提高了电容式微机电传感器的感测灵敏度。

另外，横电容与纵电容所构成的差分电容，使得能够在外界压力的作用下，利用不同位置处不同方向的运动以及间距变化，能够提高电容式微机电传感器的感测灵敏度和感测线性度。并且，也能够降低外界环境温度变化带来的温度漂移误差，同时还能够减小因电容式微机电传感器自身受力变形所导致的误差，从而也提高了电容式微机电传感器的感测可靠性和感测精准性。

可选地，构成所述纵电容的一对边缘可动竖极板322与边缘固定竖极板12之间的间距为预定电极间距。

具体地，在本发明实施例中，当包括一对边缘可动竖极板322与边缘固定竖极板12也即一组纵电容时，边缘可动竖极板322与边缘固定竖极板12之间的间距为预定电极间距，可以设置较小的预定电极间距，以能够节省空腔21的高度空间，同时便于边缘可动竖极板322与边缘固定竖极板12之间形成纵电容。

在另一个实施例中，当包括两对边缘可动竖极板322与边缘固定竖极板12也即两组纵电容时，两组纵电容之间具有一定的间隔距离，同样一对边缘可动竖极板322与边缘固定竖极板12之间的间距为预定电极间距，可以设置较小的预定电极间距，以能够节省空腔21的高度空间，同时便于边缘可动竖极板322与边缘固定竖极板12之间形成纵电容。

可选地，在所述振动层3的朝向所述空腔21的一侧，所述振动层3上设置有连接结构33，所述中心可动极板321设置在所述连接结构33上，所述连接结构33间隔在所述振动层3与所述中心可动极板321之间。

如图1和图2所示，本发明实施例设置在振动层3的朝向空腔21的一侧上还设置有连接结构33，连接结构33用于连接中心可动极板321。能够在利用连接结构33连接中心可动极板321和振动层3，以便于振动层3带动中心可动极板321运动的同时，还可以通过连接结构33自身的高度来便捷调整中心可动极板321和中心固定极板11之间的间距，以形成恰当的横电容，满足电容式微机电传感器的感测需求。

另外，还可以设置连接结构33间隔排布在振动层3与中心可动极板321之间，能够进一步提高中心可动极板321和振动层3连接的可靠性，便于中心可动极板321的设置，还能够提高振动层3和中心可动极板321之间运动传递的均匀性和一致性，便于振动层3带动中心可动极板321可靠运动，提高电容式微机电传感器的结构可靠性和感测可靠性。

可选地，所述衬底1上形成有衬底隔离层13，所述支撑层2设置在所述衬底隔离层13上，所述中心固定极板11设置在所述衬底隔离层13上。

如图1和图2所示，本发明实施例设置在衬底1上形成有衬底隔离层13，衬底隔离层13可用于沉积并设置电极结构，衬底隔离层13可以为二氧化硅、氮化硅等材料。将支撑层2设置在衬底隔离层13上，将中心固定极板11设置在衬底隔离层13上，能够在利用衬底隔离层13便捷设置相关结构的同时，也隔离开了上方的电极结构和下方的衬底1，避免了沉积工艺对衬底1造成损伤，延长了衬底1的使用寿命。

可选地，所述振动层3上开设有贯穿的穿孔34。

如图1和图2所示，本发明实施例设置在振动层3上还开设有贯穿的振动层3的穿孔34，在该电容式微机电传感器的沉积过程中，可以通过穿孔34便捷地进行空腔21内牺牲层的释放，以得到所需的空腔21布置，从而实现电容式微机电传感器的压力感测功能。其中，穿孔34的数量可以为多个，多个穿孔34均匀布置在振动层3上，以能够在提高空腔21内牺牲层的释放效率的同时，保证电容式微机电传感器的结构美观性。

可选地，在所述振动层3的远离于所述空腔21的表面上设置有封堵件35，所述封堵件35封闭所述穿孔34。

如图1和图2所示，本发明实施例在振动层3远离于空腔21的表面上还设置有封堵件35，封堵件35用于封闭穿孔34，以能够在利用穿孔34完成空腔21内牺牲层的释放之后，封闭空腔21的内部，以保证振动层3能够对外界压力产生灵敏感知并相应振动，提高了电容式微机电传感器的感测灵敏度。

可选地，在所述振动层3的远离于所述空腔21的表面上设置有密封罩36，所述密封罩36中具有密封腔，所述密封罩36罩在所述振动层3的振动部32上，所述密封腔通过所述穿孔34与所述空腔21连通。

如图6所示，本发明实施例在振动层3的远离于空腔21的表面上设置有密封罩36，密封罩36用于保护其内部的结构。密封罩36中具有密封腔，密封罩36罩在振动层3的振动部32上，以能够对振动部32形成保护，且密封腔能够通过穿孔34与空腔21连通，使得密封腔与空腔21之间的气压保持平衡。

在一个实施例中，在应用于振动传感器中时，可以根据设计需要设置密封腔和空腔21内合适的真空度，以达到所需的阻尼要求，从而满足振动传感器的不同振动需求。

可选地，在所述固定部31上设置有电连接焊盘311，所述电连接焊盘311与所述横电容和纵电容的基板一一对接。

如图1和图2所示，本发明实施例在固定部31上设置有电连接焊盘311，电连接焊盘311与横电容和纵电容的基板一一对接，便于通过电连接焊盘311连接测试电路以检测横电容和纵电容的电容值，实现压力信号至电信号的转换，从而实现电容式微机电传感器的压力感测功能。

如图5所示，本发明实施例还提供了一种电容式微机电传感器的制备方法，该制备方法包括：

第一，在衬底1上沉积衬底隔离层13和下极板层；

第二，刻蚀形成下极板导电结构；

第三，沉积牺牲层和支撑层2；

第四，制作电极并沉积振动层3；

第五，刻蚀形成穿孔34，利用穿孔34释放牺牲层并沉积封堵件35以封闭穿孔34；

第六，制作电连接焊盘311。

虽然已经通过例子对本申请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，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种电容式微机电传感器，其特征在于，包括：

衬底(1)、支撑层(2)和振动层(3)，所述支撑层(2)设置在所述衬底(1)上，所述振动层(3)设置在所述支撑层(2)上，所述支撑层(2)中具有镂空区，所述镂空区在所述衬底(1)与所述振动层(3)之间形成有空腔(21)，所述振动层(3)与所述支撑层(2)连接的部分为固定部(31)，所述振动层(3)与所述空腔(21)对应的部分为振动部(32)；

在所述空腔(21)内，所述振动部(32)的中心区域上设置有至少一个中心可动极板(321)，所述衬底(1)上设置有至少一个中心固定极板(11)，所述中心固定极板(11)以及所述中心可动极板(321)与所述振动层(3)平行，所述中心可动极板(321)与所述中心固定极板(11)的位置一一对应构成横电容；

在所述空腔(21)内，所述振动部(32)的边缘区域设置有至少一个边缘可动竖极板(322)，所述衬底(1)上设置有至少一个边缘固定竖极板(12)，所述边缘固定竖极板(12)以及所述边缘可动竖极板(322)与所述振动层(3)垂直，所述边缘可动竖极板(322)与所述边缘固定竖极板(12)一一对应构成纵电容。

2.根据权利要求1所述的电容式微机电传感器，其特征在于，包括：

两个所述中心可动极板(321)和两个所述中心固定极板(11)，以构成两个所述横电容；

两个所述边缘可动竖极板(322)和两个所述边缘固定竖极板(12)，以构成两个所述纵电容；

两个所述横电容和两个所述纵电容构成惠斯通桥式电路。

3.根据权利要求1所述的电容式微机电传感器，其特征在于，所述边缘固定竖极板(12)相对于所述边缘可动竖极板(322)更靠近所述振动部(32)的中心区域；

所述横电容与所述纵电容用于构成差分电容。

4.根据权利要求1所述的电容式微机电传感器，其特征在于，构成所述纵电容的一对边缘可动竖极板(322)与边缘固定竖极板(12)之间的间距为预定电极间距。

5.根据权利要求1所述的电容式微机电传感器，其特征在于，在所述振动层(3)的朝向所述空腔(21)的一侧，所述振动层(3)上设置有连接结构(33)，所述中心可动极板(321)设置在所述连接结构(33)上，所述连接结构(33)间隔在所述振动层(3)与所述中心可动极板(321)之间。

6.根据权利要求1所述的电容式微机电传感器，其特征在于，所述衬底(1)上形成有衬底隔离层(13)，所述支撑层(2)设置在所述衬底隔离层(13)上，所述中心固定极板(11)设置在所述衬底隔离层(13)上。

7.根据权利要求1所述的电容式微机电传感器，其特征在于，所述振动层(3)上开设有贯穿的穿孔(34)。

8.根据权利要求7所述的电容式微机电传感器，其特征在于，在所述振动层(3)的远离于所述空腔(21)的表面上设置有封堵件(35)，所述封堵件(35)封闭所述穿孔(34)。

9.根据权利要求7所述的电容式微机电传感器，其特征在于，在所述振动层(3)的远离于所述空腔(21)的表面上设置有密封罩(36)，所述密封罩(36)中具有密封腔，所述密封罩(36)罩在所述振动层(3)的振动部(32)上，所述密封腔通过所述穿孔(34)与所述空腔(21)连通。

10.根据权利要求1所述的电容式微机电传感器，其特征在于，在所述固定部(31)上设置有电连接焊盘(311)，所述电连接焊盘(311)与所述横电容和纵电容的基板一一对接。