專利名稱：新型硅電容壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于傳感器技術領域，具體地說是一種利用單晶硅材料，利用微電子和微機械加工融合技術制作的新型硅電容壓力傳感器。
背景技術：
硅電容差壓傳感器是一種新型的結(jié)構型差壓傳感器，其核心敏感器件采用單晶硅材料，利用微電子和微機械加工融合技術制作，由于娃材料彈性體的材料的自身優(yōu)勢，使娃電容傳感器與以往的金屬電容傳感器相比，在測量精度、穩(wěn)定性等方面都具有更加明顯的優(yōu)勢。硅電容傳感器的核心敏感器件把外加的兩個壓力信號轉(zhuǎn)換為相應的電容變化，檢測電路則把電容的變化轉(zhuǎn)換為需要的電信號，對該電信號進行處理就可以得到響應的輸出信號。作為智能壓力變送器的核心壓力檢測部件，可以在工業(yè)現(xiàn)場中壓力、流量、液位等多個 測量中得到應用。對于差壓測量傳感器來說，在理想情況下其輸出與外加壓力差敏感，要求對單側(cè)的壓力值不敏感，即差壓傳感器的靜壓影響應該很小。但實際情況中，許多因素都會造成差壓傳感器的輸出信號受到靜壓的影響，這種靜壓(正負腔壓力相同)影響對傳感器的差壓測量結(jié)果造成一種附加誤差，直接影響傳感器的綜合測量精度。為了提高差壓傳感器的綜合精度，有必要降低差壓傳感器的靜壓影響。目前硅電容壓力傳感器核心部件是由玻璃-硅-玻璃形成的差動電容結(jié)構實現(xiàn)，在不考慮外部封裝結(jié)構的情況下，由于玻璃和硅為異種材料，其特性存在差異，導致最終形成的檢測部件的特性受到溫度、靜壓的影響，導致傳感器的輸出信號具有比較大的溫度漂移和靜壓誤差。特別是對于微小量程的傳感器，該類影響更大。如對于6kpa量程傳感器，溫度漂移0. 1%FS/°C，靜壓誤差達到10%FS，難于滿足高精度測量的要求。為減小硅電容傳感器的靜壓誤差，在其核心部件設計方面可以考慮采用硅-硅-硅結(jié)構實現(xiàn)，即采用硅材料代替玻璃材料制作電容極板，即電容壓力敏感器件中心極板和固定極板都采用硅材料為基底材料，相關的技術即是通常硅硅鍵合。避免了兩種材料的特性的差異對傳感器特性帶來的各類影響。一般來說保證硅硅鍵合達到良好的效果需要良好的鍵合條件首先是溫度，由于兩硅片的鍵合最終是靠加熱來實現(xiàn)的，因此，溫度在鍵合過程中起著關鍵的作用，硅硅鍵合需要的溫度一般要求800°C以上。其次是硅片表面的平整度。拋光硅片或熱氧化硅片表面總有一定的起伏和表面粗糙度。若表面粗糙度很大，鍵合后就會使界面產(chǎn)生孔洞，從而造成鍵合面不完全。最后，就是表面的清潔度。如果鍵合工藝不是在超凈環(huán)境中進行的，則硅片表面就會有一些塵埃顆粒，會造成鍵合面出現(xiàn)空洞。室溫下貼合時陷入界面的氣體也會引起孔洞。另外，硅硅鍵合工藝如果直接用于電容傳感器的制作，由于硅硅之間需電隔離，一般是通過二氧化硅絕緣膜層鍵合，將在硅極板間產(chǎn)生很大的寄生電容，對正常傳感器的電容信號產(chǎn)生干擾，對提高電容傳感器的測量精度極為不利。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種利用單晶硅材料，利用微電子和微機械加工融合技術制作的新型硅電容壓力傳感器。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的它包括有硅片層和玻璃層，其特征是在島膜結(jié)構的硅中心可動極板上下兩側(cè)分別連接有一硅固定極板，所述的硅固定極板包括采用靜電封接的硅片層和玻璃層，該玻璃層的厚度為50-200微米；所述硅固定極板的中部設有中心引壓孔，在中心引壓孔內(nèi)及靠近中心引壓孔的硅固定極板的外表面設置有鋁膜層。本實用新型的娃電容壓力傳感器加工方法，它包括有娃固定極板，娃中心可動極板，所述的硅固定極板加工方法為先將雙面拋光的硅片層和玻璃層進行靜電封接，然后采用超聲機械開中心引壓孔，再對玻璃層進行減薄磨拋使其厚度為50-200微米，然后，再經(jīng)雙面濺射鋁膜、光刻、腐蝕加工工藝而成為硅固定極板；所述的硅中心可動極板加工方法為先將硅片層經(jīng)氧化、光刻、腐蝕加工工藝制作成中心島，然后再次氧化、光刻、腐蝕工藝制作成硅敏感膜片，實現(xiàn)具有島膜結(jié)構的硅中心可動極板制作；將上述硅中心可動極板 的上下兩側(cè)分別連接有一硅固定極板，并采用靜電封接工藝通過薄層玻璃把硅極板連接起來，組成了具有“娃-玻璃-娃-玻璃-娃”五層敏感芯體核心結(jié)構的電容壓力傳感器。如上所述的雙面拋光的硅片層和玻璃層進行靜電封接為真空靜電封接。本實用新型所述玻璃層的優(yōu)化厚度為100±10微米，在該厚度范圍內(nèi)，其測量精度更高，更適用于尖端技術領域。本實用新型具有如下優(yōu)點本實用新型針對現(xiàn)有硅電容傳感器的核心部件，提出了一種新的設計實現(xiàn)方案。即使用靜電封接工藝通過薄層玻璃把硅極板連接起來，不需要高溫鍵合爐、超凈環(huán)境，工藝條件簡單，與現(xiàn)有的工藝直接相容，特別是可以調(diào)整玻璃薄層的厚度，控制層間寄生電容在一定范圍內(nèi)。本實用新型的技術方案實現(xiàn)的娃電容傳感器性能實現(xiàn)了近似娃-娃-娃方案的效果。發(fā)明的方案中，上下娃-玻璃極板，上層娃極板厚度為I I. 5毫米,玻璃層50微米 200微米，中心極板厚度0. 4毫米，硅材料為100晶面，邊緣沿110晶向。玻璃和硅材料表面通過拋光工藝達到靜電封接的要求。本實用新型的硅電容壓力傳感器，核心部件采用硅-硅-硅結(jié)構實現(xiàn)，采用硅材料代替玻璃材料，制作電容固定極板，即電容壓力敏感器件中心極板和固定極板都采用硅材料為基底材料制作，避免了兩種材料的特性的差異對傳感器特性帶來的各類影響，有效地減小靜壓誤差，降低傳感器的溫漂。本實用新型還具有結(jié)構合理、安全可靠、應用范圍寬、測量精度高等優(yōu)點。

圖I是本實用新型硅電容敏感器的結(jié)構示意簡圖；圖2是本實用新型固定極板加工工藝流程簡圖；圖3是本實用新型硅中心極板加工工藝流程簡圖；圖4是本實用新型電容傳感器靜壓分析曲線圖；圖5是本實用新型使用狀態(tài)的芯體結(jié)構圖；[0021]圖6是本實用新型的硅電容傳感器產(chǎn)品結(jié)構簡圖。附圖主要部分的符號說明I :娃上極板；2 :玻璃連接層；3 :娃中心可動極板；4 :玻璃連接層；5 :娃下極板；6 :下電極；7 :上電極；8 :引壓孔；9 :導壓管組件；10 :傳感器連接脖；11 :傳感器本體。下面將結(jié)合附圖通過實例對本實用新型作進一步詳細說明，但下述的實例僅僅是本實用新型其中的例子而已，并不代表本實用新型所限定的權利保護范圍，本實用新型的權利保護范圍以權利要求書為準。
具體實施方式
實例I如圖I 圖6所示，在島膜結(jié)構的硅中心可動極板3的上下兩側(cè)分別連接有一硅固定極板，所述的上硅固定極板包括采用靜電封接的硅上極板I和玻璃連接層2，下硅固定極板包括采用靜電封接的硅下極板5和玻璃連接層4 ;所述硅固定極板的中部設有中心引壓孔8，在中心引壓孔內(nèi)及靠近中心引壓孔上部及下部的硅固定極板的外表面設置有鋁膜下電極6及鋁膜上電極7 ;從而依上至下組成了具有“硅-玻璃-硅-玻璃-硅”五層敏感芯體核心結(jié)構的電容壓力傳感器。本實用新型的新型硅電容壓力傳感器核心敏感器件采用MEMS加工工藝制作，制作流程包括固定極板的制作、中心可動極板的制作、敏感器件的制作三個主要的組成部分。固定極板的制作如圖2所示，將雙面拋光，表面狀態(tài)達到靜電封接技術要求的硅片和玻璃進行真空靜電封接，然后采用超聲機械打孔技術制作中心導氣孔，再對其上的玻璃層進行減薄磨拋，其特征是玻璃薄層厚度的控制，其厚度值直接影響靜壓誤差的大小，依據(jù)理論計算控制在100± 10微米，此外玻璃薄層的平整度和光潔度應滿足靜電封接技術要求。之后，通過雙面濺射鋁膜、光刻、腐蝕等工藝實現(xiàn)硅固定極板制作。中心可動極板的制作如圖3所示，首先將硅片氧化，采用光刻、腐蝕工藝制作中心島，再次氧化，采用光刻、腐蝕工藝制作硅敏感膜片，實現(xiàn)島膜結(jié)構的硅中心可動極板制作。敏感器件的制作如圖I所示，采用靜電封接工藝通過薄層玻璃把硅極板連接起來，組成“硅-玻璃-硅-玻璃-硅”電容壓力傳感器五層敏感芯體核心結(jié)構。其中上層硅極板厚度為I. 5毫米，其上的薄層玻璃厚度為100微米，中心極板厚度0. 4毫米，下層硅極板厚度為I. 5毫米，其上的薄層玻璃厚度為100微米，硅材料為100晶面，邊緣沿110晶向，玻璃材料為7740#硼硅玻璃。靜電封接時將硅片和帶有薄層玻璃的上下硅極板通過雙面同時靜電封接工藝封裝成五層密封芯體結(jié)構，封接條件和薄層玻璃厚度對傳感器靜壓誤差的影響特性詳見下表。表I :雙面同時靜電封接工藝條件
射全
Sjno450— <400490—480 450—480
^JEEv 800- 1000 800^ 1000<600800—1000
KfIQ Mn8—10Si-IOS^TO<5[0030]表2、薄層玻璃厚度對靜壓誤差的影響特性
I盲桂極板厚度I下層桂極板厚度I桂中心極板厚度I薄層玻璃厚度I靜壓誤差
I. SttittiI. 5mm0. 4mm50 微米0. 025%
I. 5mmI. 5mm0.4mm100 微米0.075%
I. 5mmI. 5mm0.4mm150 微米0. 125% I. 5mmI. 5mm0.4mm200 微米0.4%從上表可以看出，通過玻璃夾層進行三層硅的雙面同時靜電封接，其封接溫度、封接電壓、封接時間是要滿足特定的條件才能實現(xiàn)的，改變?nèi)刂械娜魏我粋€要素到某一極限值以外，如封接溫度低于400°C或封接電壓低于600V或封接時間小于5min都會造成封接不全。薄層玻璃的厚度對靜壓誤差的大小起決定性作用，通過ansys軟件分析技術得到薄層玻璃厚度對靜壓誤差影響趨勢曲線，見圖4 ;據(jù)此選定合適的玻璃薄層的厚度，有效地控制靜壓誤差，提升電容傳感器的精度。圖5所示的結(jié)構為下部安裝了導壓管組件9的本實用新型使用狀態(tài)的芯體結(jié)構圖；圖6是本實用新型的硅電容傳感器產(chǎn)品結(jié)構簡圖，其中，圖中的10為傳感器連接脖，11為傳感器本體。
權利要求1.新型硅電容壓力傳感器，它包括有硅片層和玻璃層，其特征是在島膜結(jié)構的硅中心可動極板上下兩側(cè)分別連接有一硅固定極板，所述的硅固定極板包括采用靜電封接的硅片層和玻璃層，該玻璃層的厚度為50-200微米；所述硅固定極板的中部設有中心引壓孔，在中心引壓孔內(nèi)及靠近中心引壓孔的硅固定極板的外表面設置有鋁膜層。
2.根據(jù)權利要求I所述的新型硅電容壓力傳感器，其特征是所述的傳感器依上至下組成了具有“娃-玻璃-娃-玻璃-娃”五層敏感芯體核心結(jié)構的電容壓力傳感器。
3.根據(jù)權利要求I所述的新型硅電容壓力傳感器，其特征是所述玻璃層的厚度為100±10 微米。
4.根據(jù)權利要求I所述的新型硅電容壓力傳感器，其特征是上下硅-玻璃極板，上層硅極板厚度為I I. 5毫米，玻璃層50微米 200微米，中心極板厚度0. 4毫米，硅材料為 100晶面，邊緣沿110晶向。
專利摘要新型硅電容壓力傳感器，它包括有硅片層和玻璃層，其技術要點是在島膜結(jié)構的硅中心可動極板上下兩側(cè)分別連接有一硅固定極板，所述的硅固定極板包括采用真空靜電封接的硅片層和玻璃層，該玻璃層的厚度為50-200微米；所述硅固定極板的中部設有中心引壓孔，在中心引壓孔內(nèi)及靠近中心引壓孔的硅固定極板的外表面設置有鋁膜層。本實用新型針對現(xiàn)有硅電容傳感器的核心部件，提出了一種新的設計實現(xiàn)方案。即使用靜電封接工藝通過薄層玻璃把硅極板連接起來，不需要高溫鍵合爐、超凈環(huán)境，工藝條件簡單，與現(xiàn)有的工藝直接相容，特別是可以調(diào)整玻璃薄層的厚度，控制層間寄生電容在一定范圍內(nèi)。本方案實現(xiàn)的硅電容傳感器性能實現(xiàn)了近似硅-硅-硅方案的效果。
文檔編號G01L9/12GK202562689SQ201220210020
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月11日 優(yōu)先權日2012年5月11日
發(fā)明者張治國, 李穎, 張娜, 周磊, 劉劍 申請人:沈陽儀表科學研究院