一種電容式壓力傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種壓力傳感器，具體來說，涉及一種電容式壓力傳感器及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 在利用硅微加工技術實現的產品中，壓力傳感器是發展較為成熟的一類。目前，壓力傳 感器已廣泛應用于各種工業和生物醫學領域。電容式壓力傳感器由于高靈敏度，更好的溫 度性能，低功耗，無開啟溫度漂移，結構堅固，受外應力影響小等特點，逐漸成為壓力傳感器 的一大熱點。傳統電容式壓力傳感器由于其輸出電容變化量小，不利于壓力的檢測，需要通 過后續處理電路放大輸出電容的變化量，使得處理電路往往比較復雜，因此電容式壓力傳 感器的應用受到限制。
【發明內容】
[0003] 技術問題：本發明所要解決的技術問題是：提供一種電容式壓力傳感器，在分析傳感 器性能時，具有更高的效率和靈敏度。同時還提供該傳感器的制備方法，簡單易行。
[0004] 技術方案：為解決上述技術問題，本發明實施例采用的技術方案是： 一種電容式壓力傳感器，該壓力傳感器包括從下向上依次布設的SOI硅片、單晶硅層、 二氧化硅層和多晶硅層；所述的SOI硅片中設有真空密封腔；所述的二氧化硅層包括高度 相等且平行布設的第一支撐層、第二支撐層和第三支撐層，第一支撐層位于真空密封腔正 上方區域中，第二支撐層和第三支撐層位于真空密封腔正上方區域外側，第二支撐層位于 第一支撐層和第三支撐層之間；多晶硅層包括第一多晶硅層和第二多晶硅層，第一多晶硅 層固定連接在第一支撐層和第二支撐層上，第二多晶硅層固定連接在第三支撐層上，且第 一多晶硅層的一端面和第二多晶硅層的一端面相對。
[0005] 作為優選方案，所述的SOI硅片包括從下向上依次布設的硅支撐層、二氧化硅絕 緣層和硅器件層，真空密封腔位于二氧化硅絕緣層中，且真空密封腔分別與硅支撐層和硅 器件層接觸。
[0006] 作為優選方案，所述的第一多晶硅層與第二支撐層相對的一端伸出第二支撐層， 第一多晶硅層為懸臂梁結構。
[0007] 作為優選方案，所述的第二多晶硅層整體固定連接在第三支撐層上。
[0008] 作為優選方案，所述的第一多晶硅層和第二多晶硅層構成壓力傳感器的兩個電 極。
[0009] -種電容式壓力傳感器的制備方法，該制備方法包括以下步驟： 第一步，在SOI硅片的硅器件層進行各向異性干法刻蝕至二氧化硅絕緣層，刻蝕出相 互平行的淺槽，形成第一犧牲層釋放孔；第一犧牲層位于二氧化硅絕緣層中，用于形成真空 密封腔； 第二步，通過第一犧牲層釋放孔，利用氫氟酸對SOI硅片的二氧化硅絕緣層釋放第一 犧牲層，形成真空密封腔的腔體； 第三步，在SOI硅片的硅器件層上方外延生長一層單晶硅層，密封真空密封腔； 第四步，在單晶硅層上方外延生長一層二氧化硅層； 第五步，光刻二氧化硅層，形成第一支撐層、第二支撐層、第三支撐層和第二犧牲層；第 二犧牲層位于第一支撐層和第二支撐層之間，以及位于第二支撐層和第三支撐層之間； 第六步，在二氧化硅層上方外延生長一層多晶硅層，光刻形成第一多晶硅層和第二多 晶娃層； 第七步，利用氫氟酸釋放第二犧牲層，制成壓力傳感器。
[0010] 作為優選方案，所述的步驟10)中，SOI硅片為雙面拋光，SOI硅片包括從下向上依 次布設的硅支撐層、二氧化硅絕緣層和硅器件層。
[0011] 有益效果：與現有技術相比，本發明實施例具有以下有益效果：壓力傳感器的靈 敏度高、制備工藝采用表面微機械加工技術，工藝簡單，可行性高。本發明實施例利用杠桿 原理，當在真空密封腔正上方的單晶硅層施加壓力時，單晶硅層向下彎曲，帶動與之通過二 氧化硅層相連的多晶硅層，使得此部分的多晶硅向下轉動，通過控制二氧化硅支撐層的位 置，可以有效地放大控制杠桿另一端的位移量，從而控制電容式壓力傳感器兩電極之間的 正對面積，改變壓力傳感器的輸出電容，檢測其變化可以實現壓力測量。本發明實施例方便 地利用杠桿原理來放大壓力傳感器輸出電容的變化量，在分析傳感器的性能時，具有更高 的靈敏度，簡化后續處理電路。同時，該電容式壓力傳感器采用表面微機械加工技術，有效 的解決了電容式壓力傳感器的電極引出問題，同時避免了形成壓力腔常規用的MEMS鍵合 工藝，簡化了電容式壓力傳感器的制造工藝，使MEMS結構可以與CMOS工藝兼容。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明實施例中壓力傳感器的結構剖視圖； 圖2為本發明實施例中制備方法第一步的結構剖視圖； 圖3是本發明實施例中制備方法第二步的結構剖視圖； 圖4是本發明實施例中制備方法第三步的結構剖視圖； 圖5是本發明實施例中制備方法第四步的結構剖視圖； 圖6是本發明實施例中制備方法第五步的結構剖視圖； 圖7是本發明實施例中制備方法第六步的結構剖視圖； 圖8是本發明實施例中制備方法第七步的結構剖視圖。
[0013] 圖9是本發明實施例中第一多晶硅層和第二支撐層的等效原理圖； 圖10是圖9中第一多晶硅層受力變形圖。
[0014] 圖中有：S0I硅片1、硅支撐層101、二氧化硅絕緣層102、硅器件層103、真空密封 腔2、單晶硅層3、二氧化硅層4、第一支撐層401、第二支撐層402、第三支撐層403、第二犧 牲層404、多晶硅層5、第一多晶硅層501、第二多晶硅層502、第一犧牲層6。
【具體實施方式】
[0015] 下面結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細的說明。
[0016] 如圖1所示，本發明實施例提供一種電容式壓力傳感器，該壓力傳感器包括從下 向上依次布設的SOI (對應中文：絕緣襯底上的娃；英文全稱為：Silicon-On-Insulator) 硅片1、單晶硅層3、二氧化硅層4和多晶硅層5。所述的SOI硅片1中設有真空密封腔2。 二氧化硅層4包括高度相等且平行布設的第一支撐層401、第二支撐層402和第三支撐層 403,第一支撐層401位于真空密封腔2正上方區域中，第二支撐層402和第三支撐層403 位于真空密封腔2正上方區域外側，第二支撐層402位于第一支撐層401和第三支撐層403 之間；多晶硅層5包括第一多晶硅層501和第二多晶硅層502,第一多晶硅層501固定連接 在第一支撐層401和第二支撐層402上，第二多晶硅層502固定連接在第三支撐層403上， 且第一多晶娃層501的一端面和第二多晶娃層502的一端面相對。
[0017] 上述實施例的電容式壓力傳感器中，所述的SOI硅片1包括從下向上依次布設的 硅支撐層101、二氧化硅絕緣層102和硅器件層103,真空密封腔2位于二氧化硅絕緣層102 中，且分別與硅支撐層101和硅器件層103接觸。將真空密封腔2設置在二氧化硅絕緣層 102中，使真空密封腔2各處高度一致，且充分利用了 SOI片的結構特點。
[0018] 上述實施例的電容式壓力傳感器中，所述的第一多晶硅層501與第二支撐層402 相對的一端伸出第二支撐層402,第一多晶硅層501為懸臂梁結構。本實施例利用杠桿原理 來實現電容的測量。第一多晶硅層501為懸臂梁。利用第二支撐層402作為支點，第一多 晶硅層501固定連接在第二支撐層402上，第一多晶硅層501相當于杠桿。
[0019] 另外，所述的第二多晶硅層502整體固定連接在第三支撐層403上。在測量過程 中，第二多晶硅層502整體是固定不動的。利用第一多晶硅層501的位置變化，來改變第一 多晶硅層501和第二多晶硅層502之間的相對面積。
[0020] 上述實施例的電容式壓力傳感器中，用以密封真空密封腔2的單晶硅層3也可以 是其它材料制成，例如二氧化硅和氮化硅。二氧化硅層4用作第二犧牲層和多晶硅層5的 支撐層，其中第二犧牲層用以懸空多晶硅層5,支撐層用以支撐多晶硅層5。
[0021] 上述實施例的電容式壓力傳感器，利用杠桿原理，當在真空密封腔2正上方的單 晶硅層3施加壓力時，單晶硅層3向下彎曲，帶動與之通過第一支撐層401相連的第一多晶 硅層501，使得此部分的多晶硅層向下轉動，通過控制第二支撐層402的位置，可以有效地 放大控制杠桿另一端的位移量，從而控制電容式壓力傳感器兩電極之間的正對面積，改變 壓力傳感器的輸出電容，檢測其變化可以實現壓力測量。
[0022] 具體來說，上述結構的電容式壓力傳感器中，第一多晶硅層501和第二多晶硅層 502構成壓力傳感器的兩個電極。第二支撐層402和第一多晶硅層501構成杠桿，第二支撐 層402相當于杠桿的支點。上述結構的電容式壓力傳感器的工作過程是：當向位于真空密 封腔2正上方的單晶硅層3施加壓力時，單晶硅層3向下彎曲。第一多晶硅層501通過第 一支撐層401連接在單晶硅層3上，且第一支撐層401位于真空密封腔2正上方。這樣，單 晶硅層3向下彎曲，會帶動第一多晶硅層501 -端向下轉動。由于第二支撐層402位于真 空密封腔2正上方區域以外，第二支撐層402固定不動。當第一多晶硅層501 -端向下轉 動時，第一多晶硅層501另一端向上轉動。這樣，第一多晶硅層501的另一端端面和第二多 晶硅層502的一端端面之間的正對面積發生變化。通過控制第二支撐層402的位置，可以 有效地放大控制第一多晶硅層501