小量程MEMS电容式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，具体为一种小量程MEMS电容式压力传感器及其制备方法。

背景技术

压力传感器作为最为成熟的MEMS器件之一，目前主要用于测量一个大气压(100kPa)以上的压力，并且已经实现商业化批量生产；测量100kPa以下压力的传感器受到制备困难和成本较高等客观因素制约尚不常见。可是无论是在民用还是军用方面，压力传感测试的需求越来越大，其应用环境也变得越来越多样。其中，对小量程MEMS压力传感器的需求主要在大气压强和生物体内部压力的测量。

由于待测的压力小，灵敏度低是MEMS压力传感器测量小量程压力时面对的最大难题。MEMS压力传感器种类多样，依据作用机理的不同进行分类，主要有压阻式和电容式两种。摩托罗拉(Motorola)MPX5100系列压阻式压力传感器是压阻式压力传感器的重要商用代表。由于易受外界温度影响，所以压阻式压力传感器一般存在较大温度漂移，且灵敏度低、功耗大，并不适合一些低功耗及精度高的应用领域。而随着MEMS加工工艺的成熟，加上电容式压力传感器本身尺寸小，成本低，温度特性好、精度高、功耗低等诸多优点，使得电容式压力传感器技术得到越来越多的关注。电容式压力传感器是将压力信号变成电容信号的换能器。其工作原理为可变电容，其中可变电容的一个或两个电极由压力敏感膜形成，在外界压力作用下，作为电容电极的压力敏感膜产生变形导致电容间隙发生改变，从而导致电容值发生改变。此电容值的改变通过后续电路的处理变成电压或者电流信号。

对于上述的极距变化型电容压力传感器是利用改变上下极板间距来改变电容值，具有固有的非线性特性，因此期望设计出线性度良好且灵敏度高的电容压力传感器。在专利CN105241584A中公开了一种电容式压力传感器，其在下移动极板中心键合一个移动质量块，通过移动质量块与固定电极间距的变化带来电容的变化，从而实现压力的测量。由于质量块的移动为整体平行移动因此具有较高的线性度，但该传感器的腔体是通过键合等一系列复杂工艺形成的，无法保证腔体长期的气密性，并且由于质量块本身的质量和体积无法适用于大压力范围的测量。在专利CN1484008A中公开了一种多层膜电容式压力传感器，该传感器是通过多层膜结构来提高传感器线性度，这对传感器的体微加工工艺提出了更高的要求且不利于传感器的小型化和集成化。

如今，在MEMS行业主要是利用体加工工艺来制造传感器压敏薄膜，然而体加工工艺无法制作超薄薄膜并且难以和CMOS工艺兼容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小量程MEMS电容式压力传感器及其制备方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种小量程MEMS电容式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1，于衬底上淀积下电极层，并将所述下电极层刻蚀形成单个阵列的下电极；

S2，在所述下电极上淀积介质层，所述介质层作为所述下电极的保护层；

S3，于所述介质层上淀积牺牲层；

S4，接着经光刻、刻蚀形成下电极引出孔；

S5，继续沉积上电极，并在其表面形成牺牲层释放孔；

S6，对所述牺牲层进行释放；

S7，将所述牺牲层释放孔进行密封，从而形成密封腔体。

进一步，采用P型或N型抛光硅片作为所述衬底。

进一步，所述介质层由PECVD淀积氮化硅制得，氮化硅的厚度控制在700～900nm之间。

进一步，所述牺牲层由PECVD淀积氧化硅制得，所述氧化硅的厚度控制在0.5～1.5μm之间，并通过光刻和刻蚀来确定牺牲层的形状、大小和位置。

进一步，接着，第二次由PECVD淀积氧化硅，并通过光刻和刻蚀来确定其形状、大小和位置，该层材料作为开牺牲层释放孔的区域。

进一步，淀积Al/Ti将牺牲层释放孔密封。

进一步，所述牺牲层分为第一牺牲层和第二牺牲层，所述第一牺牲层和第二牺牲层对称设置，且所述第一牺牲层和所述第二牺牲层之间具有间隔。

进一步，一部分所述上电极沉积在所述第一牺牲层和所述第二牺牲层之间的间隔槽中，所述牺牲层释放孔开设在位于该间隔槽中的所述上电极上，且所述牺牲层释放孔有两个，两个所述牺牲层释放孔对称设置。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种小量程MEMS电容式压力传感器，由上述的制备方法制得。

进一步，包括衬底、于所述衬底上淀积的下电极、于所述下电极上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、由于工艺成熟，其所形成的硅微结构机械性能良好，尤其使用淀积Al/Ti侧面释放孔所形成的腔体结构密封性能优异。

2、基于介电伸缩效应原理，电容间隙、极板面积和电容介电材料介电常数值随所受压力的变化而变化，并且呈现明显的单调性，该特性可以实现压力或者气压等数据检测，并且像这种下电极-介质层-上电极夹层结构的电容式压力传感器也具有很好的线性度。

3、结构上基于变间隙式电容器原理，采用并联的单元阵列形式，提高了电容受压力作用产生形变从而导致传感器电容的变化量，且电容介质层的介电常数高于空气介电常数值数倍，因而有效的提高了电容随压力的变化量，传感器的灵敏度得到提高。

4、结合MEMS微加工技术，该电容式压力传感器体积小，功耗低，响应时间短。

5、具有夹层电容结构的压力传感器有效地提高了传感器的灵敏度和线性度，温度漂移小，适用于大温度范围内的压力测量。

6、采用侧面开孔释放，不仅可以将牺牲层释放处理干净，而且大大降低了堵孔工艺的难度，从而形成了有效牢固的密封腔体环境。

7、可动极板厚度仅1um的电容式压力传感器，缩小了芯片的尺寸，解决了小量程压力测量时灵敏度过低的问题，并且极大程度降低了传感器的加工难度，采用这种结构还适合与标准集成电路工艺兼容加工实现单片集成传感器。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种小量程MEMS电容式压力传感器的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种小量程MEMS电容式压力传感器的示意图；

附图标记中：1-衬底；2-上电极；3-介质层；4-牺牲层；5-下电极；6-密封腔体；7-牺牲层释放孔；8-引出孔；9-光刻胶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供一种小量程MEMS电容式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：S1，于衬底1上淀积下电极5层，并将所述下电极5层刻蚀形成单个阵列的下电极5；S2，在所述下电极5上淀积介质层3，所述介质层3作为所述下电极5的保护层；S3，于所述介质层3上淀积牺牲层4；S4，接着经光刻、刻蚀形成下电极5引出孔8；S5，继续沉积上电极2，并在其表面形成牺牲层释放孔7；S6，对所述牺牲层4进行释放；S7，将所述牺牲层释放孔7进行密封，从而形成密封腔体6。其中图1的各个步骤，为了方便描述，将它们按照制备顺序依次定义为步骤a、步骤b、步骤c、步骤d、步骤e、步骤f、步骤g、步骤h、步骤i、步骤j、步骤k、步骤l、步骤m、步骤n、步骤o、步骤p、步骤q、步骤r、步骤s、步骤t、步骤u、步骤v、步骤w、步骤x。在本实施例中，制得的压力传感器的核心部分是最后的密封腔体6，通过该密封腔体6可以形成内外压强差，当传感器的灵敏电极，即上电极2感受到内外压强差时，压强差将会引起电极膜片(即上电极2)的变形，而电极膜片的变形会引起电容变化，电容的变化和压力的大小会呈现一一对应的关系，因此，压力传感器结构稳定，低成本，加工工艺简单，且与CMOS-IC工艺具有较好的兼容性，缩小了芯片的尺寸。可以精确控制传感器的灵敏度及一致性，而且电容式压力传感器不受外界环境温度变化的影响，提高了传感器的耐高温能力。通过本制备工艺，由于加工工艺简单，可以有效控制成本，但却可以制得结构稳定的压力传感器，且其与CMOS-IC工艺具有较好的兼容性，缩小了芯片的尺寸。其中介质层3作为绝缘层，可以将空间隔开，使用淀积Al/Ti侧面释放孔所形成的腔体结构密封性能优异。由此形成的电容式压力传感器电容值主要由薄膜体厚度决定。基于介电伸缩效应原理，电容间隙、极板面积和电容介电材料介电常数值随所受压力的变化而变化，并且呈现明显的单调性，该特性可以实现压力或者气压等数据检测，并且像这种下电极5-介质层3-上电极2夹层结构的电容式压力传感器也具有很好的线性度。如此制备的传感器的可动极板厚度仅1um的电容式压力传感器，缩小了芯片的尺寸，解决了小量程压力测量时灵敏度过低的问题，并且极大程度降低了传感器的加工难度，采用这种结构还适合与标准集成电路工艺兼容加工实现单片集成传感器。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，采用P型或N型抛光硅片作为所述衬底1。在准备衬底1前，依据压力传感器量程要求确定电容极板的面积、电容间隙以及可动极板的厚度，制作光刻版完成设计。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，所述介质层3由PECVD淀积氮化硅制得，氮化硅的厚度控制在700～900nm之间。在本实施例中，淀积300nm厚的金属Au作为压力传感器的下电极5，同时刻蚀下电极5层以形成单个阵列的下电极5形状，见步骤a-d。如步骤a所示，现在衬底1上设下电极5，如步骤b所示，在下电极5上设光刻胶9，接着刻蚀下电极5形成单个阵列的下电极5形状，如步骤c所示图形，然后去掉多余的光刻胶9后如步骤d。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，所述牺牲层4由PECVD淀积氧化硅制得，所述氧化硅的厚度控制在0.5～1.5μm之间，并通过光刻和刻蚀来确定牺牲层4的形状、大小和位置。在本实施例中，PECVD淀积介质层3材料氮化硅，氮化硅的厚度为800nm，该层不仅作为电容结构的介质层3，同时也作为当刻蚀牺牲层4时下电极5的保护层，见步骤e。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，接着，第二次由PECVD淀积氧化硅，并通过光刻和刻蚀来确定其形状、大小和位置，该层材料作为开牺牲层释放孔7的区域。在本实施例中，步骤e后，PECVD淀积1um厚的牺牲层4材料氧化硅，并通过光刻和刻蚀来确定氧化硅牺牲层4的形状、大小和位置，见步骤f-i，接着，第二次PECVD淀积300nm厚的氧化硅，并通过光刻和刻蚀来确定其形状、大小和位置，见步骤f-m；该层材料作为整个传感器侧面开孔释放的区域，因此明显减小牺牲层释放孔7的高度，不仅可以将牺牲层4释放处理干净，而且大大降低了堵孔工艺的难度，从而形成了有效牢固的密封腔体6环境。其中，如步骤f所示，在介质层3上淀积牺牲层4，如步骤g所示，接着在牺牲层4上设光刻胶9，然后进行刻蚀，如步骤h所示图形，然后去掉多余的光刻胶9，如步骤i所示图形。完了后再第二次淀积氧化硅，如步骤j所示图形。接着再设光刻胶9，并进行刻蚀，如步骤k所示图形。刻蚀完毕后如步骤l所示图形。接着去掉多余光刻胶9如步骤m所示图形。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，接着是形成电极引出孔8的步骤，请见步骤n-p。其中，步骤n，还是先在步骤m的基础上设光刻胶9，然后按照图案进行刻蚀。刻蚀完毕后如步骤o所示图形。接着去除多余的光刻胶9，如图p所示图形，即可得到电极引出孔8。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，淀积Al/Ti将牺牲层释放孔7密封。所述牺牲层4分为第一牺牲层4和第二牺牲层4，所述第一牺牲层4和第二牺牲层4对称设置，且所述第一牺牲层4和所述第二牺牲层4之间具有间隔。一部分所述上电极2沉积在所述第一牺牲层4和所述第二牺牲层4之间的间隔槽中，所述牺牲层释放孔7开设在位于该间隔槽中的所述上电极2上，且所述牺牲层释放孔7有两个，两个所述牺牲层释放孔7对称设置。在本实施例中，在结构层上沉积200nm厚的上电极2Au，并对其表面刻蚀形成牺牲层释放孔7区域，见步骤q-t。其中，步骤q，在步骤p的基础上沉积上电极2，然后如步骤r所示，还是先设光刻胶9然后进行刻蚀，刻蚀完毕后如步骤s所示，接着如步骤t所示去除多余的光刻胶9，得到牺牲层释放孔7。该牺牲层释放孔7位于侧面，且具有两个，两个牺牲层释放孔7对称设置。接着通过牺牲层4释放工艺去除牺牲层4，并淀积0.7um厚的Al/Ti将牺牲层释放孔7进行密封，见步骤u-x。具体地，如步骤u所示通过该牺牲层释放孔7将牺牲层4释放，接着通过Al/Ti将牺牲层释放孔7进行密封，如步骤v的图形所示。接着继续刻蚀，将上电极2和下电极5分开，如步骤w和步骤x的图形所示。

本发明实施例提供一种小量程MEMS电容式压力传感器，由上述的制备方法制得。包括衬底1、于所述衬底1上淀积的下电极5、于所述下电极5上。本传感器结构上基于变间隙式电容器原理，采用并联的单元阵列形式，提高了电容受压力作用产生形变从而导致传感器电容的变化量，且电容介质层3的介电常数高于空气介电常数值数倍，因而有效的提高了电容随压力的变化量，传感器的灵敏度得到提高。具有夹层电容结构的压力传感器有效地提高了传感器的灵敏度和线性度，温度漂移小，适用于大温度范围内的压力测量。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。