專利名稱：一種提高過載響應(yīng)速度的硅電容壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種提高過載響應(yīng)速度的硅電容壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及傳感器制造技術(shù)領(lǐng)域，是一種提高過載響應(yīng)速度的硅電容壓力傳感器。
背景技術(shù)：
[0002]硅電容壓力傳感器是一種新型的結(jié)構(gòu)型壓力傳感器，核心敏感器件采用單晶硅材料，利用微電子和微機(jī)械加工融合技術(shù)制作，由于硅彈性體材料的自身優(yōu)勢(shì)以及結(jié)構(gòu)型力敏傳感器的原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使硅電容傳感器與以往的硅壓阻、金屬電容傳感器相比，在測(cè)量精度、穩(wěn)定性、溫度性能等方面都具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)，成為未來傳感器發(fā)展的重要研究方向。硅電容傳感器的核心敏感器件把外加壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電容變化，檢測(cè)電路則把電容的變化轉(zhuǎn)換為需要的電信號(hào)，對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行處理就可以得到相應(yīng)的輸出信號(hào)。[0003]對(duì)硅電容傳感器而言，目前采用的封裝結(jié)構(gòu)是三膜片充灌液隔離密封結(jié)構(gòu)，采用了隔離膜片的彈性力學(xué)特性和硅油的不可壓縮性來隔離外界介質(zhì)和傳遞壓力。當(dāng)傳感器工作時(shí)，外界待測(cè)介質(zhì)和感壓芯片被硅油與波紋膜片隔離開來，使壓力幾乎可以沒有損耗的傳遞到壓力芯片，壓力芯片響應(yīng)壓力后將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電容變化，從而檢測(cè)外加壓力。[0004]硅電容傳感器的核心敏感器件是采用靜電封接工藝將玻璃固定上極板、硅敏感芯片的可動(dòng)極板、玻璃固定下極板封接成電容三極板結(jié)構(gòu)，核心敏感器件中間的硅彈性可動(dòng)極板采用單晶硅材料，并利用MEMS加工技術(shù)加工成島膜結(jié)構(gòu)，構(gòu)成電容器的一個(gè)可動(dòng)極板，兩側(cè)固定極板則采用在玻璃材料上濺射金屬電極的方法構(gòu)成電容器的固定極板，制作成對(duì)稱的差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)。采用平板電容原理、極距變化型結(jié)構(gòu)，在外加壓力作用下，電容極板間隙發(fā)生變化，通過檢測(cè)電容的變化來實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的測(cè)量。一般情況下，受制作工藝和元件尺寸的限制，電容傳感器的電容值都很小(幾Pf 幾十個(gè)Pf)，間隙一般在5 10 μ m， 在外加壓力的作用下，硅芯片發(fā)生撓曲變形，且這種變形隨著外加壓力的增大而增大，當(dāng)外加過載壓力達(dá)到一定程度，芯片中心島和固定極板電極貼合直至完全貼死，導(dǎo)油通道完全封死。當(dāng)外加壓力卸載后，由于芯片中心島和固定極板金屬電極之間充灌的是具有一定粘度系數(shù)的硅油，在貼合狀態(tài)下，如沒有導(dǎo)油通道，其回彈阻尼很大，就會(huì)阻止芯片過壓后的回彈速度，使得芯片此時(shí)對(duì)壓力的響應(yīng)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)2-5min，無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。因此， 提高電容傳感器過壓后對(duì)壓力的響應(yīng)速度，是電容傳感器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，必須予以解決，才能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。經(jīng)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)及專利報(bào)道的檢索，目前還未見提高硅電容壓力傳感器響應(yīng)速度的方法的報(bào)導(dǎo)。發(fā)明內(nèi)容[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種提高過載響應(yīng)速度的硅電容壓力傳感器，利用硅微機(jī)械加工技術(shù)，在硅敏感芯片上制作出導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)。[0006]這種提高過載響應(yīng)速度的硅電容壓力傳感器，是采用靜電封接工藝將玻璃固定上極板、硅敏感芯片可動(dòng)極板、玻璃固定下極板封接成電容三極板結(jié)構(gòu)，其特征在于采用MEMS加工技術(shù)，在電容傳感器硅可動(dòng)極板中心島上、下面分別制作導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)，上、下玻璃固定極板中心表面有采用濺射工藝制作的與導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)相匹配的幾何形狀的金屬電極，且玻璃固定極板中心有用于導(dǎo)壓和電極引出的金屬化孔，當(dāng)可動(dòng)極板過壓后和固定極板電極貼合時(shí)，導(dǎo)油槽仍保持導(dǎo)油通道暢通，從而有效地減小芯片中心島過壓貼合后的回彈阻尼， 提高電容傳感器過載后對(duì)壓力的響應(yīng)速度。[0007]本新型提高過載響應(yīng)速度的硅電容壓力傳感器，是在可動(dòng)極板的中心島上制作的線型導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)，保證壓力達(dá)到過載后中心島和金屬電極貼合時(shí)，仍有線型導(dǎo)油槽形成暢通的導(dǎo)油通道，從而能有效地減小可動(dòng)極板和固定極板之間過壓貼合后的回彈阻尼，從而有效提高過載后對(duì)壓力的響應(yīng)速度。[0008]本設(shè)計(jì)制造的傳感器能真正地實(shí)現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，并能滿足工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)傳感器過載響應(yīng)速度的需求，從而達(dá)到實(shí)用化技術(shù)要求。


[0009]圖1本新型硅電容壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；[0010]圖2硅電容傳感器中心可動(dòng)極板俯視圖；[0011]圖3硅電容傳感器中心可動(dòng)極板剖視圖；[0012]圖4硅電容傳感器玻璃固定極板俯視圖；[0013]圖5槽型結(jié)構(gòu)玻璃固定極板俯視圖；[0014]圖6現(xiàn)有技術(shù)中無導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)硅電容傳感器過載后結(jié)構(gòu)示意圖；[0015]圖7本設(shè)計(jì)帶導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)硅電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；[0016]圖8本設(shè)計(jì)帶導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)硅電容傳感器過載后結(jié)構(gòu)示意圖；[0017]圖9本設(shè)計(jì)硅電容壓力傳感器裝配前多層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
[0018]一種提高過載響應(yīng)速度的硅電容壓力傳感器，采用靜電封接工藝將電容三極板封接成三明治結(jié)構(gòu)，如圖1所示，上玻璃固定極板1和下玻璃固定極板3為相同結(jié)構(gòu)，且硅敏感芯片可動(dòng)極板2和玻璃固定極板1、3之間有硅油充灌，用于壓力傳遞；其特征在于夾在玻璃固定上極板1、玻璃固定下極板3之間的硅敏感芯片的可動(dòng)極板2上有正方形中心島5， 在中心島5的兩面設(shè)計(jì)導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)，并采用MEMS加工技術(shù)制作出線型導(dǎo)油槽7，見圖2、圖 3，在固定極板1、3相對(duì)的內(nèi)側(cè)表面及中心孔處，采用濺射工藝制作與中心島5兩面上線型導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)相匹配的幾何形狀的金屬方形電極4或槽形電極6以及導(dǎo)壓金屬化電極孔8。[0019]導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)硅電容壓力傳感器的硅敏感芯片可動(dòng)極板2采用島膜結(jié)構(gòu)，兩面中心是腐蝕成一定電容間隙的中心島5，與周邊通過膜片10相連，圖2中的兩個(gè)叉紋框是圖3 中膜區(qū)10兩斜面，其特征在于采用MEMS加工技術(shù)在中心島5的兩個(gè)面制作線型導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)留出與電極孔8相應(yīng)的中心空位，并向中心島5的各邊腐蝕出線型導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)，腐蝕出的槽與中心島5對(duì)應(yīng)邊垂直，線型導(dǎo)油槽7的長(zhǎng)度要長(zhǎng)于固定極板1、3上金屬電極4或6 的外輪廓線，當(dāng)硅敏感芯片可動(dòng)極板2厚度為400微米時(shí)，導(dǎo)油槽寬度為50 100微米。[0020]電極方案一當(dāng)可動(dòng)極板2上中心島5的邊長(zhǎng)大于固定極板1、3上金屬電極的邊長(zhǎng)時(shí)，將固定極板1、3上的金屬電極4設(shè)計(jì)成正方形電極；電極方案二 當(dāng)可動(dòng)極板2上的中心島5的邊長(zhǎng)小于或等于固定極板1、3上金屬電極的邊長(zhǎng)時(shí)，將固定極板1、3上的金屬電極設(shè)計(jì)成槽形電極6，方形電極4和槽型電極6的形狀分別見圖4、圖5，槽形電極6的各條邊中部均有凹缺，使得導(dǎo)油槽7的長(zhǎng)度長(zhǎng)于固定極板1、3上相對(duì)的金屬電極的邊緣。
權(quán)利要求1.一種提高過載響應(yīng)速度的硅電容壓力傳感器，是采用靜電封接工藝將玻璃固定上極板、硅敏感芯片可動(dòng)極板、玻璃固定下極板封接成電容三極板結(jié)構(gòu)，其特征在于采用MEMS 加工技術(shù)，在電容傳感器硅可動(dòng)極板中心島上、下面分別制作導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)，上、下玻璃固定極板中心表面有采用濺射工藝制作的和線型導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)相匹配的幾何形狀的的金屬電極， 且玻璃固定極板中心有導(dǎo)壓引出電極孔，當(dāng)可動(dòng)極板過壓后和固定極板電極貼合時(shí)，導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)仍保持導(dǎo)油通道暢通，從而有效地減小芯片中心島過壓貼合后的回彈阻尼，提高電容傳感器過載后對(duì)壓力的響應(yīng)速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高過載響應(yīng)速度的硅電容壓力傳感器，其特征在于導(dǎo)油槽(7)的結(jié)構(gòu)在保證中心島(5)兩面的5 10微米的初始極板間隙不變的前提下，采用MEMS加工技術(shù)在中心島(5)的兩面上制作成具有一定長(zhǎng)度和寬度的線型結(jié)構(gòu)導(dǎo)油槽，在中心島(5)的兩個(gè)面留出與電極孔⑶相應(yīng)的中心空位，并向中心島(5)的各邊腐蝕出線型導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)，腐蝕出的槽與中心島(5)對(duì)應(yīng)邊垂直，線型導(dǎo)油槽(7)的長(zhǎng)度要長(zhǎng)于上、下固定極板(1、3)上方形金屬電極G)、槽形金屬電極(6)的外輪廓線、當(dāng)硅敏感芯片可動(dòng)極板(2)厚度為400微米時(shí)，導(dǎo)油槽寬度為50 100微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高過載響應(yīng)速度的硅電容壓力傳感器，其特征在于線型導(dǎo)油槽(7)導(dǎo)油槽的設(shè)計(jì)寬度直接決定導(dǎo)油槽的腐蝕深度，其相互關(guān)系為W = V^xZz,其中h為腐蝕深度，w為導(dǎo)油槽寬度；在腐蝕深度滿足安全系數(shù)前提下，相應(yīng)增加導(dǎo)油槽的數(shù)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高過載響應(yīng)速度的硅電容壓力傳感器，其特征在于上、下固定極板(1、3)上金屬電極為了達(dá)到可動(dòng)電極上線型導(dǎo)油槽(7)的長(zhǎng)度尺寸長(zhǎng)上、 下于固定極板(1、3)上金屬電極的外輪廓線的目的，當(dāng)硅中心極板O)上中心島(5)的邊長(zhǎng)大于上、下固定極板(1、；3)上金屬電極的邊長(zhǎng)時(shí)，將上、下固定極板(1、；3)上的金屬電極設(shè)計(jì)成正方形電極G)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高過載響應(yīng)速度的硅電容壓力傳感器，其特征在于上、下固定極板(1、3)上金屬電極當(dāng)硅中心極板(2)上的中心島(5)的邊長(zhǎng)小于或等于上、下固定極板(1、；3)上金屬電極的邊長(zhǎng)時(shí)，將上、下固定極板(1、；3)上的金屬電極設(shè)計(jì)成槽形電極(6)，槽形電極(6)的各條邊中部均有凹缺。
專利摘要一種提高過載響應(yīng)速度的硅電容壓力傳感器，采用靜電封接工藝將電容三極板封接成三明治結(jié)構(gòu)，極板之間充灌有硅油介質(zhì)，其特征在于可動(dòng)極板的中心島上，采用MEMS加工技術(shù)制作線型導(dǎo)油槽結(jié)構(gòu)，導(dǎo)油槽的長(zhǎng)度長(zhǎng)于固定極板上金屬電極的外輪廓線，使過載后導(dǎo)油通道不能被上、下固定極板上的金屬電極完全貼死，形成暢通的導(dǎo)油通道，從而顯著提高了過載后極板之間的回彈力，提高了對(duì)壓力的響應(yīng)速度。
文檔編號(hào)G01L9/12GK202329908SQ20112047813
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者劉劍, 劉沁, 周磊, 龐士信, 張娜, 張治國(guó), 李穎 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院