專利名稱：靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種壓力傳感器，尤其是一種采用靜電鍵合工藝密封電容腔體制作的電容式微型壓力傳感器。
由于硅材料具有很好的力學(xué)性能，隨著半導(dǎo)體工藝的成熟，就有了用硅材料制作傳感器的手段。首先，進(jìn)行研究、制作的是硅壓阻式壓力傳感器。硅壓阻式壓力傳感器具有尺寸小、結(jié)構(gòu)與制作工藝簡單、傳感靈敏度高等特點(diǎn)，不足之處是傳感器的抗干擾能力差，溫度影響大。由硅和玻璃鍵合制作的電容式壓力傳感器與硅壓阻式壓力傳感器除具有尺寸小、結(jié)構(gòu)與制作工藝簡單、傳感靈敏度高的特點(diǎn)外，還具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高，抗干擾能力強(qiáng)、測量穩(wěn)定性好、溫度影響小等優(yōu)點(diǎn)。且有理想的零壓特性和過載保護(hù)，過載達(dá)20000％不會損壞。硅和玻璃鍵合的電容式壓力傳感器通常采用一片硅和一片玻璃鍵合的結(jié)構(gòu)，由于電極要從電容密封腔引出，因而就心須在硅面刻蝕一個槽來引出電極，從而產(chǎn)生了電容密封腔密封這個問題。為了解決這個問題，人們選用各種不同的材料來密封引出電極的槽，效果都不理想，原因是要使密封粘接材料同時對玻璃、硅和金屬都有很好的粘接性能非常困難，甚至是不可能的。CN1011074D號專利申請公開一種可成批生產(chǎn)的電容壓力傳感器，它使檢測元件和引線與壓力媒質(zhì)隔離并提供應(yīng)力隔離。該傳感器制成多層夾心結(jié)構(gòu)。一個硅晶片的一側(cè)蝕刻成一系列腔形成撓曲膜片，其一個表面作為電容器極板。一個玻璃層在兩側(cè)金屬化并有孔。玻璃層粘接到晶片上形成數(shù)微米的電容間隙。該組件夾在2個附加層之間，在真空中粘接。將4層夾心結(jié)構(gòu)做成單個傳感器。初始組件可制成一定形狀以衰減膜片的響應(yīng)次數(shù)，并在高頻輸入時降低虛假信號。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、有理想的零壓特性、過載保護(hù)能力強(qiáng)、線性度和靈敏度高，可用于-150～250℃惡劣環(huán)境，工藝通用性好的靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器及其制作工藝。
本實(shí)用新型設(shè)有一具有感受膜的上硅片、一帶電極的玻璃襯底、一用于密封電容腔體的硅片(以下稱密封硅片)和一對輸出極。上硅片的下表面為壓力感受膜片。壓力感受膜片周邊設(shè)保護(hù)墻，在壓力感受膜片一側(cè)的上硅片上設(shè)敞開口。上硅片的下表面設(shè)電容腔體。玻璃襯底的上下表面均為拋光面，上拋光面上設(shè)有電容腔電極和膜片電極，下拋光面上設(shè)有接觸電極，上下拋光面之間設(shè)貫通小孔，貫通小孔分別與電容腔電極和接觸電極連通，貫通小孔的表面設(shè)導(dǎo)電膜，電容腔電極與壓力感受膜片之間設(shè)絕緣層。密封硅片的上表面與接觸電極通過靜電鍵合連接在一起。在密封硅片和膜片電極上分別設(shè)傳感器輸出極，膜片電極上的傳感器輸出極穿過上硅片的敞開口。
靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器是一種電容式微型壓力傳感器，它具有很好的電容腔密封特性，因而具有很穩(wěn)定的工作特性，耗能低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，承受過壓能力強(qiáng)，線性度和靈敏度高。其性能指標(biāo)達(dá)到(1)測量環(huán)境的溫度范圍為-150～250℃；(2)壓力范圍10-4～103psi；(3)過壓保護(hù)滿量程的200～200000％或500psi；(4)可在幾小時內(nèi)承受高達(dá)500psi的壓力作用，在溫度為300℃環(huán)境下進(jìn)行測量；(5)準(zhǔn)確度在5～10年內(nèi)保持±1.5％的準(zhǔn)確度；(6)遲滯在5～10年內(nèi)保持滿量程1％的遲滯；(7)電源3～30V，5～15mw。
其次，靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，傳感器安裝后尺寸約為400μm×400μm。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高；測量穩(wěn)定性好，性能指標(biāo)優(yōu)異；有理想的零壓特性、過載保護(hù)和高靈敏度，過載達(dá)20000％不會損壞。能用于惡劣環(huán)境，溫度條件達(dá)-1 50～250℃。同時靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的硅材料加工工藝具有通用性，易于規(guī)模生產(chǎn)。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型的安裝圖。
圖3為圖2的A-A剖視圖。
圖4為圖2的B-B剖視圖。
圖5為圖2的C-C剖視圖。
圖6為靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器的制作工藝和安裝流程示意圖。
如圖1所示，本實(shí)用新型設(shè)有一是具有感受膜的上硅片12，二是有電極的玻璃襯底14，三是用來密封電容腔體的硅片(稱密封硅片)13。在上硅片12下表面有一層由P+刻蝕技術(shù)或PN結(jié)化學(xué)刻蝕技術(shù)形成的膜片15，硅膜片可為方形或圓形，壓力感受膜片16就在這一層上，它是膜片15的一部分。上硅片12上的感覺膜片16被一個隔離墻20包圍。在上硅片12上還設(shè)有一敞開口18。壓力感受膜片16與敞開口18之間被隔離墻20分開。電容腔體22在上硅片12的下表面由光刻、腐蝕制成。玻璃襯底14有兩個拋光面28，30，上拋光面28上有電容腔電極26和膜片電極24；下拋光面30上有接觸電極11。玻璃襯底14上有一個貫穿上拋面28和下拋光面30并分別與電容腔電極26和接觸電極11連通的小孔19，小孔19的表面鍍有導(dǎo)電膜，電極與孔表面的導(dǎo)電膜由金屬鍍膜而成，鍍膜工藝要保證既有良好的粘接性能又有良好的導(dǎo)電性。接觸電極11與電容腔電極26由金屬化小孔19連通。當(dāng)上硅片12的下表面23與玻璃襯底14的上表面28鍵合時，膜片電極24與膜片15連接在一起，膜片電極24置于敞開口18的下方。接觸電極11與密封硅片13的上表面10通過靜電鍵合連接在一起。在密封硅片13和膜片電極24上分別設(shè)傳感器輸出極。
圖2是傳感器的安裝圖，圖3為A-A剖視圖，圖4為B-B剖視圖，圖5為C-C剖視圖，從圖2～5可看出，傳感器的電容腔電極26和膜片電極24直接做在玻璃襯底14上，濺鍍在電容腔電極26上的絕緣層32用于防止膜片16變形時碰到電容腔電極26。為了保證靜電鍵合質(zhì)量，玻璃絕緣層32的尺寸要小于感受膜16的尺寸a和b(參見圖1)。電容腔電極26從電容腔體22延伸并覆蓋金屬化小孔19，金屬化小孔19同時被接觸電極11覆蓋。密封硅片13的上表面10與下表面都需要做擴(kuò)散，以使其與金屬具有歐姆接觸的特性。當(dāng)玻璃襯底14下表面30與密封硅片13的上表面10鍵合時，接觸電極11在與密封硅片13連接。傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮在一定工作溫度條件下，傳感器的工格壓力范圍和能承受的最大壓力，根據(jù)這個條件，壓力傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸要作相應(yīng)的改變。隔離墻20的尺寸根據(jù)傳感器受力情況而定，顯然，隔離墻要足夠厚，足夠牢固。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是傳感器能承受在制造、安裝、測量過程中的溫度變化，特別是在比較惡劣的環(huán)境下可利用這種傳感器進(jìn)行測量，通過電子儀表對電容變化或電壓變化進(jìn)行監(jiān)測，配置傳輸裝置和電子儀表可進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量。顯然，其電容器由膜片16、電容腔電極26和膜片底下的真空室22(電容腔體)與其隔離作用的絕緣層玻璃32構(gòu)成，其電容量為C＝∫∫ε0dxdy/[d-dmin(εg-ε0)/εg]，其中dxdy為膜片的微面積元，d為膜片和襯底間的距離，ε0為真空的介電常數(shù)，εg為玻璃的介電常數(shù)。在膜片和襯底相互接觸的地方，d＝dmin則d-dmin(εg-ε0)/εg＝dminε0/εg。有C＝∫∫εgdxdy/dmin，d是通過硅蝕刻技術(shù)形成的深度，dmin是電容腔電極26上面的絕緣層32的厚度，即d-dmin是襯底絕緣層頂端到膜片的距離。由于硅膜片15是利用P+刻蝕技術(shù)或PN結(jié)點(diǎn)化學(xué)刻蝕技術(shù)形成的，因此膜片的厚度h取決于P+層或PN的厚度，這個厚度可以進(jìn)行精確控制。真空密封腔(電容腔體)22位于膜片16的正下方，被絕緣層32覆蓋的電容腔電極26，即公式中的dxdy，在真空腔中并被做在玻璃襯底14上面。因此，膜片16受壓力作用時，電容值就發(fā)生變化。
圖3～5給出了電容腔電極26與膜片電容24的相對位置，電容腔電極26上面是絕緣層，膜片電極24則與膜15連接。電極24有一部分埋在隔離墻20底下，但并不穿過隔離墻20，這樣利用鍵合力就把電極24與感受膜16連接起來，因?yàn)楦惺苣?6是膜15的一部分。玻璃襯底上拋光面28上的電容腔電極26穿過隔離墻20底下的腔體21與金屬化小孔19和玻璃襯底14的下拋光面30上的接觸電極11連通，腔體21與真空密封腔電容腔體22是連通的。膜片電極24被密封在隔離墻20底下，從而保持密封腔22的真空狀態(tài)。
另外，電容腔電極26是通過接觸電極11與密封硅片13連接，從而徹底保證了密封腔22的真空度，并解決了主要的密封技術(shù)難題。精心選擇電容腔電極26的厚度和絕緣層厚度dmin，利用適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)方法或熱循環(huán)方法可以使電容腔電極26與絕緣層32的表面粘合在一起。
權(quán)利要求1.靜電鍵合密封電容腔體的壓力傳感器，其特征在于設(shè)有一具有感受膜的上硅片、一帶電極的玻璃襯底、一用于密封電容腔體的硅片，以下稱密封硅片；和一對輸出極；上硅片的下表面為壓力感受膜片，壓力感受膜片周邊設(shè)保護(hù)墻，在壓力感受膜片一側(cè)的上硅片上設(shè)敞開口；上硅片的下表面設(shè)電容腔體；玻璃襯底的上下表面均為拋光面，上拋光面上設(shè)有電容腔電極和膜片電極，下拋光面上設(shè)有接觸電極，上下拋光面之間設(shè)貫通小孔，貫通小孔分別與電容腔電極和接觸電極連通，貫通小孔的表面設(shè)導(dǎo)電膜，電容腔電極與壓力感受膜片之間設(shè)絕緣層；密封硅片的上表面與接觸電極通過靜電鍵合連接在一起，在密封硅片和膜片電極上分別設(shè)傳感器輸出極，膜片電極上的傳感器輸出極穿過上硅片的敞開口。
專利摘要涉及采用靜電鍵合工藝密封電容腔體制作的電容式壓力傳感器。設(shè)上硅片、玻璃襯底、密封硅片和輸出極；上硅片下表面為壓力感受膜片，上硅片上設(shè)敞開口；上硅片的下表面設(shè)電容腔體；玻璃襯底上拋光面設(shè)電容腔電極和膜片電極，下拋光面上設(shè)有接觸電極，上下拋光面之間設(shè)貫通小孔，貫通小孔分別與電容腔電極和接觸電極連通，貫通小孔的表面設(shè)導(dǎo)電膜，電容腔電極與壓力感受膜片之間設(shè)絕緣層；密封硅片的上表面與接觸電極通過靜電鍵合連接在一起，在密封硅片和膜片電極上分別設(shè)輸出極，膜片電極上的輸出極穿過上硅片的敞開口。具有很好的電容腔密封特性，穩(wěn)定的工作特性，耗能低，承受過壓能力強(qiáng)，線性度和靈敏度高。
文檔編號G01L9/12GK2540629SQ02233960
公開日2003年3月19日 申請日期2002年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月13日
發(fā)明者馮勇健 申請人:廈門大學(xué)