[发明专利]紧凑型高灵敏度MEMS微电容式传感器

说明书

本发明涉及紧凑型高灵敏度MEMS微电容式传感器，包括由下往上依次设置的基底(10)、下隔离层(11)、下电极层(12)、上隔离层(13)、牺牲层(14)、振膜层(15)、上电极层(16)、绝缘层(17)，下电极层(12)和上电极层(16)均包括至少一个电极阵列单元(22)，电极阵列单元(22)包括多个电极单元，下电极层(12)的电极单元(19a)和/或上电极层(16)的电极单元(19b)的边缘具有多个缺口(20)。减少了电容结构电极固定部分的重叠面积，使得振膜振动时，电容变化幅度越大，在特征频率偏移后所能引起的阻抗变换越显著。

技术领域

本发明属于硅微机械加工技术领域，具体涉及紧凑型高灵敏度MEMS微电容式传感器。

背景技术

随着物联网的发展，对MEMS传感器的需求也日益增长，当前又有许多传感器会采用电容式结构对环境因素进行检测，诸如气体传感器、测距传感器、超声成像传感器、电容式麦克风等等。

其中，基于特征频率变化的MEMS电容式气体传感器主要是在传感器上表面振动部分沉积、旋涂气体吸附材料，在吸附和解吸附时其质量会发生微量变化。而且工作频率较高时，例如在超声频段，微小的质量变化就可以导致特征频率变化，使振动部分的振动频率偏离特征频率，振动幅度变小，从而使电容结构阻抗结构改变。通过检测电容结构的阻抗变换量便可以推算出所吸附气体的质量。因此，可检测阻抗变换的极限值越低，所能检测到的气体质量极限值就越低，即传感器的灵敏度越高。

传统的MEMS电容式气体传感器的电极部分普遍采用圆形，上下电极固定部分的面积较大，导致在振动时有效区域相对较小，因此，传感器的灵敏度不是很好。另外，MEMS传感器的尺寸较小，能够检测的气体质量范围的上限较低，在检测一些大量存在又对精度要求要高的气体时存在一定不足。

发明内容

本发明提供一种MEMS微电容式传感器，包括由下往上依次设置的基底、下隔离层、下电极层、上隔离层、牺牲层、振膜层、上电极层、绝缘层，所述下电极层和所述上电极层均包括至少一个电极阵列单元，所述电极阵列单元包括多个电极单元，所述下电极层的电极单元和/或所述上电极层的电极单元的边缘具有多个缺口，减少了电容结构电极固定部分的重叠面积，使得振膜振动时，电容变化幅度越大，在特征频率偏移后所能引起的阻抗变换越显著。

在上述的MEMS微电容式传感器，所述下电极层和所述上电极层相对的电极单元上的所述缺口错开。

在上述的MEMS微电容式传感器，所述缺口均匀分布在所述电极单元的边缘。

在上述的MEMS微电容式传感器，所述缺口的形状为圆形、或三角形、或矩形。

在上述的MEMS微电容式传感器，其特征在于，所述缺口向内不超过10um。

在上述的MEMS微电容式传感器，所述上电极层电极单元的面积小于所述下电极层电极单元的面积。

在上述的MEMS微电容式传感器，所述电极单元为圆形，所述上电极层电极单元的直径比所述下电极层电极单元的直径小2-4um。

在上述的MEMS微电容式传感器，所述下电极层电极单元之间的连接线与所述上电极层电极单元之间的连接线错开，尽量减少重叠面积。

在上述的MEMS微电容式传感器，所述电极阵列单元的长度逐级递减，呈阶梯状。

在上述的MEMS微电容式传感器，所述下电极层和所述上电极层均包括四个所述电极阵列单元，所述下电极层和所述上电极层的四个电极阵列单元均连接成惠斯通电桥。

本发明在电桥比较放大电路的基础上减少了电容结构电极固定部分的重叠面积，使得振动时可振动部分面积相对总面积更高，振动时的电容变化幅度更大，在特征频率偏移后所能引起的阻抗变换更显著。本发明改变了上下电极层中电极阵列单元的布局，使得同一面积下的电容结构单元数量更多，在用于气体检测时，可提高检测量程。