[发明专利]一种电容式差压传感器及其输出特性计算方法与制作方法

权利要求书

1.一种实时动态压力测量的电容式差压传感器的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤S1、绘制单晶硅沟槽的图形，并制作出相应的掩膜版(300)；

步骤S2、提供低电阻率的单晶硅衬底，利用甩胶机对单晶硅衬底(100)的上表面均匀地涂抹光刻胶，形成光刻胶层(200)；

步骤S3、将掩膜版(300)上的图形利用光刻技术投影到光刻胶上，再利用深反应离子刻蚀DRIE将光刻胶上的图形刻蚀到单晶硅结构层，形成硅沟槽(301)，衬底中央区域(302)蚀刻出一定半径的圆形沟槽；

步骤S4、高温无氧的环境下退火一段时间，单晶硅衬底(100)衬底表面的和沟槽上端的硅原子将发生迁移，使得沟槽表面能量最小化；此时，沟槽上的导角开始变圆，之后硅沟槽(301)开始慢慢封闭并形成掩埋的空腔(102)，而中央区域(302)的圆形沟槽在该退火后不会与其他硅片连接在一起，两边的沟槽深宽比达到一定比例时，沟槽上端的硅原子迁移将使沟槽上端形成完整的悬空感压膜硅层(105)，沟槽下端则留下空洞层即硅层中的体硅空腔(103)，中央区域(302)由于比较大不能在高温下与其他硅膜融合而形成开口圆孔(104)；

步骤S5、在玻璃基底(400)上通过湿法刻蚀制作一定镂空的环形凹陷区域，再通过Au/Ti反应溅射法，将上电极(401)覆盖在玻璃凹陷区域，而玻璃基底(400)的凹陷区域周围则为下电极(402)；

步骤S6、将步骤S5后的玻璃基底(400)上的下电极(402)与S4步骤形成的单晶硅衬底(100)通过阳极键合在一起，形成电容式差压传感器。

2.根据权利要求1所述的一种实时动态压力测量的电容式差压传感器的制作方法，其特征在于，步骤S4中高温为1200℃的无氧的环境下退火15～30min。

3.根据权利要求1所述一种实时动态压力测量的电容式压差传感器的制作方法所制作的电容式压差传感器，其特征在于，包括玻璃基底(400)和单晶硅衬底(100)；

所述玻璃基底(400)表面开有镂空的环形凹陷区域，凹陷区域覆盖有上电极(401)，凹陷区域周围突起处为下电极(402)；

所述单晶硅衬底(100)包括具有一定体积的体硅空腔(103)，体硅空腔(103)上面覆盖有悬空感压膜硅层(105)，感压膜硅层(105)中心区域设有开口圆孔(104)；所述玻璃基底(400)上的下电极(402)与单晶硅衬底(100)通过阳极键合在一起，形成电容式差压传感器。

4.根据权利要求3所述的一种实时动态压力测量的电容式差压传感器，其特征在于，通过改变感压膜硅层(105)上的开口圆孔(104)的大小和体硅空腔(103)的体积来调节传感器灵敏度，体硅空腔(103)体积越大，开口圆孔(104)开口半径越小，传感器的灵敏度越高。

5.根据权利要求3所述的一种实时动态压力测量的电容式差压传感器，其特征在于，通过改变感压膜硅层(105)上的开口圆孔(104)的大小和体硅空腔(103)的体积使得传感器测量的气压频率改变，开口圆孔(104)半径越小传感器测量的气压的低频的截止频率越低。

6.根据权利要求3所述的一种实时动态压力测量的电容式差压传感器，其特征在于，感压膜硅层(105)的膜半径r₁＝300μm，开口圆孔(104)的半径r₀＝1μm，膜厚度t＝1μm。

7.一种根据权利要求3-6任意一项所述的实时动态压力测量的电容式差压传感器的输出特性计算方法，其特征在于，包括步骤：根据感压膜硅层(105)两侧的压力差、感压膜与电极之间的极距变化，获得电容传感器的电容C_m的变化；根据板壳理论公式计算圆形感压膜周围发生变形的挠度，求取出任意差压下电容相对变化率；由理想气体状态方程获得体硅空腔(103)的气压的变化，进而求取感压膜腔体内与外界气体的实时气压之差；进一步求取电容式差压传感器的灵敏度，得出感压膜硅层(105)上的开口圆孔(104)的大小和体硅空腔(103)的体积与传感器灵敏度关系；最后对传感器的响应时间、传感器的频率响应进行分析。