專利名稱：一種提高過載響應速度的硅電容壓力傳感器的制作方法
技術領域：
一種提高過載響應速度的硅電容壓力傳感器技術領域[0001]本實用新型涉及傳感器制造技術領域，是一種提高過載響應速度的硅電容壓力傳感器。
背景技術：
[0002]硅電容壓力傳感器是一種新型的結構型壓力傳感器，核心敏感器件采用單晶硅材料，利用微電子和微機械加工融合技術制作，由于硅彈性體材料的自身優勢以及結構型力敏傳感器的原理及結構特點，使硅電容傳感器與以往的硅壓阻、金屬電容傳感器相比，在測量精度、穩定性、溫度性能等方面都具有更加明顯的優勢，成為未來傳感器發展的重要研究方向。硅電容傳感器的核心敏感器件把外加壓力信號轉換為相應的電容變化，檢測電路則把電容的變化轉換為需要的電信號，對該電信號進行處理就可以得到相應的輸出信號。[0003]對硅電容傳感器而言，目前采用的封裝結構是三膜片充灌液隔離密封結構，采用了隔離膜片的彈性力學特性和硅油的不可壓縮性來隔離外界介質和傳遞壓力。當傳感器工作時，外界待測介質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，壓力芯片響應壓力后將壓力信號轉換成電容變化，從而檢測外加壓力。[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、硅敏感芯片的可動極板、玻璃固定下極板封接成電容三極板結構，核心敏感器件中間的硅彈性可動極板采用單晶硅材料，并利用MEMS加工技術加工成島膜結構，構成電容器的一個可動極板，兩側固定極板則采用在玻璃材料上濺射金屬電極的方法構成電容器的固定極板，制作成對稱的差動電容結構。采用平板電容原理、極距變化型結構，在外加壓力作用下，電容極板間隙發生變化，通過檢測電容的變化來實現壓力信號的測量。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Pf)，間隙一般在5 10 μ m， 在外加壓力的作用下，硅芯片發生撓曲變形，且這種變形隨著外加壓力的增大而增大，當外加過載壓力達到一定程度，芯片中心島和固定極板電極貼合直至完全貼死，導油通道完全封死。當外加壓力卸載后，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的硅油，在貼合狀態下，如沒有導油通道，其回彈阻尼很大，就會阻止芯片過壓后的回彈速度，使得芯片此時對壓力的響應時間可長達2-5min，無法實現工業現場應用。因此， 提高電容傳感器過壓后對壓力的響應速度，是電容傳感器設計中的關鍵問題，必須予以解決，才能滿足工業現場的使用要求。經國內外相關文獻及專利報道的檢索，目前還未見提高硅電容壓力傳感器響應速度的方法的報導。發明內容[0005]本實用新型的目的是提供一種提高過載響應速度的硅電容壓力傳感器，利用硅微機械加工技術，在硅敏感芯片上制作出導油槽結構而實現。[0006]這種提高過載響應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、硅敏感芯片可動極板、玻璃固定下極板封接成電容三極板結構，其特征在于采用MEMS加工技術，在電容傳感器硅可動極板中心島上、下面分別制作導油槽結構，上、下玻璃固定極板中心表面有采用濺射工藝制作的與導油槽結構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壓和電極引出的金屬化孔，當可動極板過壓后和固定極板電極貼合時，導油槽仍保持導油通道暢通，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壓力的響應速度。[0007]本新型提高過載響應速度的硅電容壓力傳感器，是在可動極板的中心島上制作的線型導油槽結構，保證壓力達到過載后中心島和金屬電極貼合時，仍有線型導油槽形成暢通的導油通道，從而能有效地減小可動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壓力的響應速度。[0008]本設計制造的傳感器能真正地實現在工業現場應用，并能滿足工業自動控制系統對傳感器過載響應速度的需求，從而達到實用化技術要求。
[0009]圖1本新型硅電容壓力傳感器結構示意圖；[0010]圖2硅電容傳感器中心可動極板俯視圖；[0011]圖3硅電容傳感器中心可動極板剖視圖；[0012]圖4硅電容傳感器玻璃固定極板俯視圖；[0013]圖5槽型結構玻璃固定極板俯視圖；[0014]圖6現有技術中無導油槽結構硅電容傳感器過載后結構示意圖；[0015]圖7本設計帶導油槽結構硅電容傳感器結構示意圖；[0016]圖8本設計帶導油槽結構硅電容傳感器過載后結構示意圖；[0017]圖9本設計硅電容壓力傳感器裝配前多層結構示意圖。
具體實施方式
[0018]一種提高過載響應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構，如圖1所示，上玻璃固定極板1和下玻璃固定極板3為相同結構，且硅敏感芯片可動極板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極板2上有正方形中心島5， 在中心島5的兩面設計導油槽結構，并采用MEMS加工技術制作出線型導油槽7，見圖2、圖 3，在固定極板1、3相對的內側表面及中心孔處，采用濺射工藝制作與中心島5兩面上線型導油槽結構相匹配的幾何形狀的金屬方形電極4或槽形電極6以及導壓金屬化電極孔8。[0019]導油槽結構硅電容壓力傳感器的硅敏感芯片可動極板2采用島膜結構，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中的兩個叉紋框是圖3 中膜區10兩斜面，其特征在于采用MEMS加工技術在中心島5的兩個面制作線型導油槽結構留出與電極孔8相應的中心空位，并向中心島5的各邊腐蝕出線型導油槽結構，腐蝕出的槽與中心島5對應邊垂直，線型導油槽7的長度要長于固定極板1、3上金屬電極4或6 的外輪廓線，當硅敏感芯片可動極板2厚度為400微米時，導油槽寬度為50 100微米。[0020]電極方案一當可動極板2上中心島5的邊長大于固定極板1、3上金屬電極的邊長時，將固定極板1、3上的金屬電極4設計成正方形電極；電極方案二 當可動極板2上的中心島5的邊長小于或等于固定極板1、3上金屬電極的邊長時，將固定極板1、3上的金屬電極設計成槽形電極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，使得導油槽7的長度長于固定極板1、3上相對的金屬電極的邊緣。
權利要求1.一種提高過載響應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、硅敏感芯片可動極板、玻璃固定下極板封接成電容三極板結構，其特征在于采用MEMS 加工技術，在電容傳感器硅可動極板中心島上、下面分別制作導油槽結構，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油槽結構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壓引出電極孔，當可動極板過壓后和固定極板電極貼合時，導油槽結構仍保持導油通道暢通，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壓力的響應速度。
2.根據權利要求1所述的一種提高過載響應速度的硅電容壓力傳感器，其特征在于導油槽(7)的結構在保證中心島(5)兩面的5 10微米的初始極板間隙不變的前提下，采用MEMS加工技術在中心島(5)的兩面上制作成具有一定長度和寬度的線型結構導油槽，在中心島(5)的兩個面留出與電極孔⑶相應的中心空位，并向中心島(5)的各邊腐蝕出線型導油槽結構，腐蝕出的槽與中心島(5)對應邊垂直，線型導油槽(7)的長度要長于上、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、當硅敏感芯片可動極板(2)厚度為400微米時，導油槽寬度為50 100微米。
3.根據權利要求2所述的一種提高過載響應速度的硅電容壓力傳感器，其特征在于線型導油槽(7)導油槽的設計寬度直接決定導油槽的腐蝕深度，其相互關系為W = V^xZz,其中h為腐蝕深度，w為導油槽寬度；在腐蝕深度滿足安全系數前提下，相應增加導油槽的數量。
4.根據權利要求2所述的一種提高過載響應速度的硅電容壓力傳感器，其特征在于上、下固定極板(1、3)上金屬電極為了達到可動電極上線型導油槽(7)的長度尺寸長上、 下于固定極板(1、3)上金屬電極的外輪廓線的目的，當硅中心極板O)上中心島(5)的邊長大于上、下固定極板(1、；3)上金屬電極的邊長時，將上、下固定極板(1、；3)上的金屬電極設計成正方形電極G)。
5.根據權利要求2所述的一種提高過載響應速度的硅電容壓力傳感器，其特征在于上、下固定極板(1、3)上金屬電極當硅中心極板(2)上的中心島(5)的邊長小于或等于上、下固定極板(1、；3)上金屬電極的邊長時，將上、下固定極板(1、；3)上的金屬電極設計成槽形電極(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構，極板之間充灌有硅油介質，其特征在于可動極板的中心島上，采用MEMS加工技術制作線型導油槽結構，導油槽的長度長于固定極板上金屬電極的外輪廓線，使過載后導油通道不能被上、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，提高了對壓力的響應速度。
文檔編號G01L9/12GK202329908SQ20112047813
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者劉劍, 劉沁, 周磊, 龐士信, 張娜, 張治國, 李穎 申請人:沈陽儀表科學研究院