[发明专利]一种微压力传感器及其制备与检测方法

说明书

技术领域：

本发明涉及MEMS及压力检测技术，特别涉及一种微压力传感器及其制备与检测方法。

背景技术：

微压力传感器在工业控制、医疗设备、航空航天以及军事武器等领域均有迫切的需求和广泛的应用，因而对该类传感器的研究则具有重要的实用意义。随着MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems,微型机械电子系统)技术的发展，MEMS微压力传感器已广泛应用微压力测量领域。MEMS微压力传感器主要有压阻式、电容式以及谐振式三种。压阻式微压传感器主要利用硅的压阻效应，通过硅膜受压后膜内集成惠斯登电桥输出电压的变化来测量被测压力的大小。虽然其输出与输入具有良好的线性关系，但硅薄膜中力敏电阻的温度敏感性要求传感器必须实行温度补偿，增加了测量的复杂性，同时硅膜中惠斯登电桥的集成致使其薄膜厚度难以在保证测量精度条件下进一步减小来实现更小量程和更高灵敏度的压力测量。电容式硅微压力传感器利用电容极距变化将压力变化转化为电容的变化，有着温度稳定性好、灵敏度高、功耗低、进一步微型化变得相对简单等一系列优点，但其输出与输入的线性度较差。谐振式硅微压力传感器是利用谐振梁的固有频率随施加轴向力的改变而改变来实现压力测量的，虽然其测量精度、稳定性和分辨力都优于以上两种，但为了保证较高品质因子，传感器芯片需要真空密封，因而结构复杂，加工难度较大，成本高。

发明内容

基于上述技术现状，本发明提出一种微压力传感器结构及其制备与检测方法，为流体的微小压力测量提供一种全新的检测方法，以实现更小压力的高灵敏度测量。

本发明一种微压力传感器对液体压力进行检测的方法，其特征在于：所述传感器包括上电极、中电极、下电极，上电极和中电极之间形成闭合的上空腔，中电极和下电极之间形成闭合的下空腔，所述上空腔和下空腔的内壁分别设置有上绝缘层和下绝缘层，检测时，在上电极和中电极之间施加偏置电压，在中电极和下电极之间施加交流激励信号，使中电极发生谐振，以该谐振频率作为参考频率，当有压力作用在上电极时或者作用在上电极上的压力发生变化时，引起上电极与中电极之间的电容和静电力发生改变，从而导致中电极的谐振频率发生改变，调节激励信号的频率使中电极再次谐振，通过谐振频率的变化与被测压力之间的关系即可实现被测压力的检测。

所述上电极与中电极之间的静电场力与上电极的变形的平方成反比。

作用在上电极上的压力与中电极的谐振频率为线性关系。

一种微压力传感器，上述方法应用该传感器进行压力检测，所述传感器包括上电极、中电极，以及下电极，所述上电极和中电极之间设置有上支柱，该上支柱以及上电极和中电极环绕形成闭合的上空腔，所述中电极和下电极之间设置有下支柱，该下支柱以及中电极和下电极环绕形成闭合的下空腔，所述上空腔和下空腔的内壁分别设置有上绝缘层和下绝缘层，所述上电极用于承受压力用作压力敏感元件，所述中电极用作谐振元件。

所述上绝缘层的形状与上空腔形状相同，其横向尺寸小于或等于上空腔横向尺寸。

所述下绝缘层形状与上空腔形状相同，其横向尺寸小于或等于下空腔横向尺寸。

所述上绝缘层位于中电极的上表面或上电极的下表面，所述下绝缘层位于中电极的下表面或下电极的上表面。

一种微压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)取<111>晶向单晶硅作为第一单晶硅，重掺杂后在第一单晶硅上表面形成二氧氧化硅层，第一单晶硅部分作为基底。

(2)光刻第一单晶硅上表面的二氧化硅层，形成下空腔图形窗口，刻蚀图形窗口内的二氧化硅至下绝缘层厚度，形成下二氧化硅绝缘层，未被刻蚀的二氧化硅层则形成下支柱；

(3)采用化学机械抛光技术抛光下支柱的上表面；同时取SOI片作为第一SOI片，重掺杂顶部单晶硅后抛光其上表面；

(4)采用阳极键合技术，将下支柱的上表面与第一SOI片的顶部单晶硅的上表面进行真空键合，此时形成下空腔，其中，下支柱在下侧，SOI片在上侧；

(5)用四甲基氢氧化铵溶液完全刻蚀掉第一SOI片衬底硅，露出埋层二氧化硅，光刻该埋层二氧化硅形成上空腔图形窗口，刻蚀图形窗口中的二氧化硅至上绝缘层厚度，形成上绝缘层，周围未刻蚀的二氧化硅层形成上支柱；

(6)光刻第一SOI片的埋层二氧化硅形成上空腔图形窗口，刻蚀图形窗口中的二氧化硅至上绝缘层厚度，形成上绝缘层，周围未刻蚀的二氧化硅层形成上支柱；

(7)采用化学机械抛光技术抛光上支柱的上表面；同时取另一SOI最为第二SOI片，并重掺杂顶部单晶硅层，抛光其上表面；