[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

说明书

本发明公开了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。应用理想气体状态方程和板壳理论建立了传感器静态及动态输出特性的计算方法，特别提出了一种真空高温退火加工感压膜的方法。本发明的一种新型的实时动态压力检测的差压传感器，传感器加工方法简单，具有较高的气体压力检测分辨率，无需复杂的SOI(Silicon‑On‑Insulator,绝缘衬底上的硅)或复杂的在硅片上刻蚀腔体和感压膜的方法，就可以通过将刻蚀的特定结构的沟槽高温真空退火，一步形成有圆孔的感压膜和腔体。

技术领域

本发明涉及一种MEMS电容式差压传感器的设计，尤其涉及一种实时动态压力测量的电容式差压传感器的输出特性及制备方法。

背景技术

MEMS电容式压力传感器相对于常见的压阻式压力传感器具有温度漂移小、信噪比高、响应速度快等优点而广泛使用。

现有对大气压的测量普遍采用的是电容式绝压传感器，其需要密闭的真空腔，对传感器腔体的气密性要求较高。此种传感器可以测量压力的变化，但分辨率较低，不能满足高精度的压力测量要求。

对于非真空密封的MEMS电容式绝压传感器，其腔体是处于某个压力值，其大小由理想气体状态方程可知PV＝mRT，这个压力依赖于温度值的大小，温度对腔体内的压力影响较大。

现今许多可穿戴设备及其他特殊人工智能设备中，常常需要检测微小压力或微小高度的变化。在美国专利US9，188，497B2中公开了一种差压传感器，传感器采用开放式空腔的压阻式悬臂梁结构，具有较高的灵敏度和分辨率，可以检测微小压力的变化。但该传感器制作工艺较为复杂，同时易受到温度的影响。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种低成本的无需密闭真空腔的高分辨率的实时动态压力测量的电容式差压传感器

本发明的另一个目的在于：提供传感器动态差压检测的理论模型，并给出差压测量原理和传感器的灵敏度、响应时间和频率响应分析等输出特性方程。

本发明的第三个目的在于：提供传感器的一种基于SON(Silicon-On-Nothing,空洞层上硅)构造的加工制备方法。无需复杂的SOI(Silicon-On-Insulator,绝缘衬底上的硅)或复杂的在硅片上刻蚀腔体和感压膜的方法，就可以通过将刻蚀的特定结构的沟槽高温真空退火，一步形成有圆孔的感压膜和腔体。

为了上述目的，本发明的制作方法拟采用以下技术方案：一种实时动态压力测量的电容式差压传感器的制作方法，包含以下步骤：

步骤S1、设计单晶硅沟槽的图形，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、用掩膜版300上进行光刻，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真空腔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；