[发明专利]一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统（MEMS）传感器，尤其涉及一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器。

背景技术

现有技术公开的微型电容薄膜真空传感器包括：（1）厦门大学研究了“基于MEMS技术的电容式微型真空传感器”，如图1所示，该电容式真空传感器有两个腔体，其中上面的腔体是一个真空腔，下面的腔体是键合形成的, 此腔体不是密封的。该真空传感器采用了玻璃-硅-玻璃的三明治结构，由玻璃衬底、下电极、绝缘层、硅膜片(上电极)、上层密封用的玻璃组成，其中下电极溅射在玻璃衬底上，电极上生长一绝缘层，硅膜是利用硅片的双面光刻、扩散和各向异性腐蚀技术形成的。主要采用p+硅自停止腐蚀技术和阳极键合技术制作，真空传感器的测量范围为5×10^-3～6×10^-2Pa，具有较高的真空检测灵敏度，但其技术不足是器件结构复杂、工艺繁琐，尤其是由于硅敏感薄膜仅数微米厚，硅膜在大气压环境下将难以承受一个大气压力容易薄膜破裂，或者与玻璃衬底产生粘附而无法弹起导致失效。因此，该研究工作的结果到目前为止还没有实用化。

（2）浙江大学研究了“力平衡微机械真空传感器”，如图2所示，该电容式真空传感器也采用了玻璃-硅-玻璃的三明治结构，共有两个腔体，其中上面的腔体是非密封，下面的腔体是一个真空腔作为参考腔体。为了使参考腔有高的真空度, 使用了非蒸散吸气剂来吸附参考腔中的残余气体。制作工艺上采用高掺杂硅自停止腐蚀技术精确控制硅敏感薄膜的厚度来制造出微米级厚的硅敏感薄膜，采用硅-璃键合技术形成真空参考腔体，采用喷砂工艺在玻璃上打孔制作电极引线。该传感器共有两个电容，一个为敏感电容，在0-200Pa的范围内敏感真空压力的变化，另一个为驱动电容，在其上施加电压可以拓展真空压力的检测范围。该结构的真空传感其灵敏度较高，但其不足同样是器件结构复杂、工艺繁琐，还需要使用吸气剂来吸附参考腔中的残余气体。由于硅敏感薄膜仅数微米厚，第二次硅-玻璃键合时，在阳极键合高电压（约1000V）的静电力作用下非常容易将硅可动电极与玻璃衬底静电吸合而导致失效。当传感器在大气压环境下，硅可动电极也可能与玻璃衬底在巨大压力作用下相互粘附而导致失效。同样，该研究工作的结果到目前为止还没有实际应用。

现有的基于MEMS技术的电容薄膜真空传感器可以获得高灵敏度，用于5×10^-3Pa真空度的检测，但其器件结构复杂、工艺繁琐，尤其是数微米厚、毫米级尺寸硅敏感薄膜在大气压下薄膜破裂或与衬底的粘附问题，导致难以实际应用。其主要的原因包括：

a） 电容薄膜真空传感器的高灵敏度与超大压力（一个大气压）过载要求的矛盾难以调和；

b）传感器结构复杂，采用玻璃-硅-玻璃的三明治结构，需要上、下两个腔体；

c） 工艺困难，如硅-玻璃阳极键合时高电压导致的硅敏感薄膜与衬底的吸合问题、制作吸气材料薄膜的MEMS工艺兼容性、p+硅自停止腐蚀；

d）工艺步骤繁琐、冗长，失败风险大。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种有效测量高真空、覆盖真空度范围大、制作工艺简单、解决现有技术的微型电容薄膜传感器敏感薄膜破裂、粘附失效以及玻璃材料放气问题的基于微机电系统技术的硅电容真空传感器。

本发明为解决上述技术问题，提供了以下技术方案：一种基于微机电系统技术的硅电容真空传感器，包括上极板，下极板，中间绝缘层，真空腔以及上下极板上的电引线焊盘，其特征在于真空腔是上极板与中间绝缘层间、或者上极板、中间绝缘层与下极板间形成的密封腔，真空腔内设计有绝缘支撑柱阵列，所述绝缘支撑柱的顶端面与上极板间留有空隙。

作为优选，上极板为硅敏感薄膜,所述硅敏感薄膜的厚度为0.5-20um，硅敏感薄膜优选为单晶硅敏感薄膜，根据制造工艺的不同也可以是多晶硅敏感薄膜或非晶硅敏感薄膜。 

中间绝缘层的作用是实现对硅敏感薄膜的物理支撑和与下极板的电绝缘，选材为与硅气密性键合的绝缘材料，其与硅气密性键合的绝缘材料优选为二氧化硅或者二氧化硅层与氮化硅层的复合。中间绝缘层的厚度优选为0.5-5um。