[发明专利]一种硅玻璃镶嵌结构微机械差分电容式压力计

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS(微电子机械系统)差分电容式压力计技术领域。

背景技术

电容式传感器有温度系数低、功耗低、灵敏度高、结构简单、动态特性好等优点，所以电容式传感器得到了广泛的应用。然而由于电容式传感器本身的一些缺陷，如非线性，微小电容的检测易受寄生电容的影响以及环境电磁场的干扰，电容式传感器性能的进一步提升受到严峻挑战。

电容式压力传感器的测量原理为被测量量引起电容极板间距、极板间介电常数、极板对应面积等变化，从而改变电容的大小。通常以改变极板间距的测量方式为主，以平行板电容为例：

c=ϵSd---(1)]]>

式中，C为电容值，ε为极板间介电常数，S为两极板相互覆盖的有效面积，d为两极板间距。对于变间距型，平行板电容器的电容值随电容间距的变化而发生变化，这种结构的电容式传感器也是应用最广泛的结构。对于该类型传感器，在忽略微小因素的情况下，其输出为而对于差分式电容传感器，其输出增大一倍，同时其非线性相比单电容大大减小，且对于由于温度变化等造成的共模量有一定的抑制作用。

1995年瑞士电子与微技术中心的J.Hermann等人发明了一种基于三层硅结构的差动式电容压力计，该压力计包括可通过流体的上下极板与随上下压力差变化的中间可动极板。为了提高其工作稳定性，研究人员采用将压力计浸润在硅油当中的方法，提高了灵敏度与线性度，但是同时限制了该压力计的使用范围。该压力计的中间可动极板所在的敏感膜片采用1.5微米厚度设计，对应测量范围为5mbar，增加膜片厚度可增大测量范围。由于该三层结构采用表面带有氧化硅的熔融硅直接键合工艺，限制了其器件其他工艺的应用，如不能采用金属层减少噪声等。该器件其上下两个电容均采用开放式的结构，其电容除了随极板间距改变以外，同时受到温度、介质等外界因素的干扰，在温度从25℃到100℃的变化过程中，电容补偿达到1pF，即已经超过最大电容可变量的25％，同时具有非常大的非线性补偿特征。

2002年罗斯蒙特航天公司的Kevin C.Stark等人发明了另一种基于三层硅结构的差动式电容压力计，该压力计包括上下两可动极板与中间固定极板，其三层结构表面均有氧化硅绝缘层覆盖，采用熔融硅直接键合工艺将三层硅结构连接在一起。该压力计所用结构得到了真空电容极板间隙，使得电容几乎不受外界温度、湿度、气氛等因素的影响，同时该结构采用中间支柱连接上下两可动膜片，实现差分结构。遗憾的是，该结构由于上下膜片均为硅原片厚度，其灵敏度特性极差，只对非常大的压力敏感。同时，该结构同样无法避免键合区域电容过大问题。

2003年ABB专利的Wolfgang Schulz等人发明了一种基于硅-玻璃-硅三层结构的差分式压力计，其同样采用上下极板可动，中间极板固定的方式实现差动式压力敏感，上下两膜片由中间的支柱连接。由于该结构的真空腔在中间的玻璃层中形成，其加工工艺极其难以实现，尤其是中间支柱的制作，在微型传感器尺度几乎不可能做到，所以其只适用于大尺寸压力计的制作。同时由于玻璃本身不导电，其中间固定极板采用附于玻璃表面的金属引出时不可避免的破坏了真空腔的密封特性，或导致中间极板引出金属与上下层硅结构短路的问题。

目前，能够实现差动结构、电容间隙为真空腔以不受外界温度、湿度、气氛等影响、键合区域电容值小、差动电容严格对称等特性的差分式电容压力计成果甚少。

发明内容

本发明的目的在于提出一种工艺工艺简单、结构稳定、性能优良的差动式电容压力计，实现对于压力信号的差动式检测，利用差动结构的优点提高灵敏度与线性度，极大的减小外界环境对压力计的干扰。

本发明的一种微机械差分电容式压力计包括：感应压力的硅杯结构(其中包含敏感膜片与硅岛结构)，与敏感膜片通过绝缘支柱连接，两层硅杯之间的支撑结构，附于膜片上与支撑结构上的金属极板。