[发明专利]电容式MEMS压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种电容式MEMS压力传感器。

背景技术

电容式压力传感器具有低温漂、高灵敏度、低噪声和较大的动态范围等显著的优点而被广泛应用。接触式电容压力传感器由硅膜片、衬底、衬底电极和绝缘层构成。硅膜片和衬底电极间构成一个电容结构；受压力作用后硅膜片变形，此时电极间距d发生了相应的变化。 MEMS电容式压力传感器包括了两个电容：一个是用于测量的测量电容C_x，另一个是用于温度补偿的参考电容C_o，当膜片（上电极）受到压力p作用时发生变形，随着压力的增大膜片与衬底的距离逐渐缩小，在压力达到接触点压力（即膜片中心接触到绝缘层时的压力）之前，测量电容器的电容值由C =εA/d决定，式中，ε、A、d分别是电极间的介电常数、有效面积和极板间距。压力载荷引起的极板间距d的变化必然会使电容C发生相应的变化。当压力p 继续增加时，达到接触点之后，测量电容值则由非接触电容和接触电容决定。在极坐标系下的非接触电容量的积分表达式为                                                     ，式中ε₀为真空介电常数；ε_a为空气的相对介电常数；ε_i为绝缘层材料的相对介电常数；t为绝缘层的厚度；g为初始间隙；w(r)为半径为r的圆上的变形。计算时以圆形膜片的中心作为坐标原点。在一定的范围内接触区域随着压力线性地增大，从而使电容值产生线性的变化。通过选择适当膜片的尺寸、厚度和电极的间距等的器件参数，可以提高传感器的灵敏度和线性范围。由此可见，传统的电容式MEMS压力传感器为提高灵敏度，是通过增大检测薄膜的尺寸、减小检测薄膜的厚度以及缩小电极极板间间距来实现，但是由此引入非线性以及器件动态响应范围等指标的劣化；由于增大了薄膜尺寸，使得器件的尺寸进一步增大，以及成本增加。

发明内容

为了克服上述问题，本发明公开了一种从器件结构上规避传统压力传感器上述问题的电容式MEMS压力传感器。

本发明采用的具体技术方案是，一种电容式MEMS压力传感器，包括：

衬底；

检测薄膜，固定铺设于所述衬底的上表面上；所述衬底上设有使检测薄膜与外界工作介质接触并承受其压力的通孔或沟槽；

具有引线的上电极板，其固定连接于所述衬底的上表面上或所述检测薄膜上，并位于所述检测薄膜上方且与所述检测薄膜之间形成间隙；

具有引线的下电极板，其固定设置于所述检测薄膜上，并位于所述检测薄膜与所述上电极板之间的间隙中，所述下电极板与所述上电极板构成电容。

优选的，所述下电极板的中部与所述检测薄膜点连接或通过一凸起或柱体连接。

优选的，所述检测薄膜为导体，并设有引线，所述上电极板与所述检测薄膜之间形成腔室，所述上电极板上设置有至少一个贯穿的释放孔，所述下电极板位于所述腔室中并与所述检测薄膜通过绝缘材料连接，所述上电极板固定连接于所述衬底的上表面上或通过绝缘材料连接于所述检测薄膜上。

优选的，所述下电极板下表面几何中心处向下延伸形成一下电极板连接部，所述下电极板连接部与所述检测薄膜的工作部上表面的几何中心处通过绝缘层固定连接。

优选的，所述衬底从上到下依次为氮化硅层、二氧化硅层和硅衬底，所述检测薄膜设置于所述氮化硅层上。

优选的，所述检测薄膜为多晶硅薄膜。

优选的，所述上电极板和下电极板均为多晶硅制成。

优选的，所述绝缘层为氮化硅制成。

优选的，所述上电极板的纵向中轴剖面为n形，将所述下电极板罩设于其内腔中，其内部上底面为平面，并与所述下电极板构成电容。

本发明的有益效果是，由于将检测薄膜和电容上下电极分开，而不是作为其中之一，器件工作时，外界工作介质与检测薄膜接触，压迫检测薄膜，带动检测电极下极板动作，改变了上下电极极板间间距，产生电容变化，进而由引线引出至外接电容检测电路，由侦测电容的改变量得出上下电极极板间间距的变化，进而换算成工作介质的压力数值。由于上下电极不再受力变形，其有效面积基本恒定，电容值由间距决定，同时检测薄膜和检测电容的面积可分开调节，在设计器件时在规定的器件参数下可以更加灵活的调整器件尺寸，以降低成本。

本发明也从器件结构上回避了传统压力传感器中为提高灵敏度而调整薄膜尺寸所引入的非线性以及动态响应范围改变的问题。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。