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    重庆时时彩有人控制: 一种具有高线性度的电容式压力传感器及其制备方法.pdf

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    一种 具有 线性 电容 压力传感器 及其 制备 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201510580359.5

    申请日:

    2015.09.11

    公开号:

    CN105606269A

    公开日:

    2016.05.25

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 专利权人的姓名或者名称、地址的变更IPC(主分类):G01L 1/14变更事项:专利权人变更前:东南大学变更后:东南大学变更事项:地址变更前:211189 江苏省南京市江宁区东南大学路2号变更后:210093 江苏省南京市鼓楼区汉口路22号南京大学科技园|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01L 1/14申请日:20150911|||公开
    IPC分类号: G01L1/14; G01L9/12 主分类号: G01L1/14
    申请人: 东南大学
    发明人: 聂萌; 包宏权; 黄庆安
    地址: 211189 江苏省南京市江宁区东南大学路2号
    优先权:
    专利代理机构: 南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙) 32249 代理人: 杨晓玲
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201510580359.5

    授权公告号:

    |||||||||

    法律状态公告日:

    2019.01.01|||2018.04.03|||2016.06.22|||2016.05.25

    法律状态类型:

    专利权人的姓名或者名称、地址的变更|||授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种具有高线性度的电容式压力传感器,该压力传感器包括从下向上依次布设的硅衬底层、二氧化硅层和多晶硅层;硅衬底层中设有第一空腔和四个下电极;二氧化硅层中设有多晶硅支撑层和第二空腔,第二空腔与第一空腔连通;多晶硅层包括可动敏感薄膜层、四个上电极、多晶硅锚区,每个上电极的一端通过连接杆与可动敏感薄膜层的一端面连接,每个上电极的另一端通过弹性件与多晶硅锚区连接,下电极位于连接杆的下方,且上电极靠近可动敏感薄膜层的端面和下电极远离第一空腔的端面处于同一面中。该压力传感器将纵向的位移变化转为化横向面积变化,具有高线性度,同时压力传感器的上下极板之间是非接触的,提高了器件的可靠性。

    权利要求书

    1.一种具有高线性度的电容式压力传感器,其特征在于,该压力传感器包括从下向上依次布设的硅衬底层(1)、二氧化硅层(2)和多晶硅层(3);其中,硅衬底层(1)中设有第一空腔(102)和四个下电极(101),第一空腔(102)贯穿硅衬底层(1),下电极(101)固定连接在硅衬底层(1)的上部,四个下电极(101)布设在第一空腔(102)的四周;二氧化硅层(2)中设有多晶硅支撑层(201)和第二空腔(202),多晶硅支撑层(201)固定连接在硅衬底层(1)的顶面;第二空腔(202)位于多晶硅支撑层(201)的内侧,且第二空腔(202)与第一空腔(102)连通;多晶硅层(3)包括可动敏感薄膜层(301)、四个上电极(302)、多晶硅锚区(303),可动敏感薄膜层(301)和上电极(302)均位于第二空腔(202)正上方,且每个上电极(302)的一端通过连接杆(305)与可动敏感薄膜层(301)的一端面连接,每个上电极(302)的另一端通过弹性件(304)与多晶硅锚区(303)连接,连接杆(305)和弹性件(304)相对布设,分别位于上电极(302)两侧;多晶硅锚区(303)固定连接在多晶硅支撑层(201)上;上电极(302)和下电极(101)一一对应,下电极(101)位于连接杆(305)的下方,且上电极(302)靠近可动敏感薄膜层(301)的端面和下电极(101)远离第一空腔(102)的端面处于同一面中。2.按照权利要求1所述的具有高线性度的电容式压力传感器,其特征在于,所述的弹性件(304)由多晶硅制成,且弹性件(304)呈弯折形。3.按照权利要求1所述的具有高线性度的电容式压力传感器,其特征在于,所述的可动敏感薄膜层(301)、上电极(302)、多晶硅锚区(303)、弹性件(304)和连接杆(305)位于同一平面内。4.一种具有高线性度的电容式压力传感器的制备方法,其特征在于,该制备方法包括以下步骤:第一步:在硅衬底层(1)上进行磷离子注入,形成传感器的下电极(101);第二步:在硅衬底层(1)上生长一层二氧化硅层(2),然后采用光刻工艺在二氧化硅层(2)上形成多晶硅支撑层(201)和湿法腐蚀的停止层(203);第三步:在二氧化硅层(2)上生长一层多晶硅层(3),然后采用光刻工艺,在多晶硅层(3)光刻形成可动敏感薄膜层(301)、传感器的上电极(302)、多晶硅锚区(303)、弹性件(304)和连接杆(305);第四步:在硅衬底层(1)背面进行各向异性湿法刻蚀,形成第一空腔(102);第五步:利用各向异性湿法腐蚀,腐蚀停止层(203),得到第二空腔(202),从而制成压力传感器。5.按照权利要求4所述的具有高线性度的电容式压力传感器的制备方法,其特征在于,所述的第三步中,上电极(302)为四个,可动敏感薄膜层(301)和上电极(302)均位于第二空腔(202)正上方,且每个上电极(302)的一端通过连接杆(305)与可动敏感薄膜层(301)的一端面连接,每个上电极(302)的另一端通过弹性件(304)与多晶硅锚区(303)连接;连接杆(305)和弹性件(304)相对布设,分别位于上电极(302)两侧;多晶硅锚区(303)固定连接在多晶硅支撑层(201)上。6.按照权利要求4所述的具有高线性度的电容式压力传感器的制备方法,其特征在于,所述的第三步中,所述的弹性件(304)由多晶硅制成,且弹性件(304)呈弯折形。7.按照权利要求4、5或6所述的具有高线性度的电容式压力传感器的制备方法,其特征在于,所述的第三步中,可动敏感薄膜层(301)、上电极(302)、多晶硅锚区(303)、弹性件(304)和连接杆(305)位于同一平面内。

    说明书

    一种具有高线性度的电容式压力传感器及其制备方法

    技术领域

    本发明涉及一种压力传感器,具体来说,涉及一种具有高线性度的电容式压
    力传感器及其制备方法。

    背景技术

    在利用硅微加工技术实现的产品中,压力传感器是发展较为成熟的一类。目
    前,压力传感器已广泛应用于各种工业和生物医学领域。电容式压力传感器由于
    高灵敏度,更好的温度性能,低功耗,无开启温度漂移,结构坚固,受外应力影
    响小等特点,逐渐成为压力传感器的一大热点。传统的变面积式的电容式压力传
    感器也称接触式电容传感器,当压力施加于可动敏感薄膜时,通过改变两极板的
    接触面积,从而改变传感器的输出电容。由于传感器的两极板相互接触,可能会
    出现两极板当压力撤去时不能分离,粘连在一起,从而带来可靠性不高的问题。

    发明内容

    技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种具有高线性度的电容式
    压力传感器及其制备方法,将纵向的位移变化转为化横向面积变化,具有高线性
    度,同时压力传感器的上下极板之间是非接触的,提高了器件的可靠性。

    技术方案:为解决上述技术问题,一方面,本发明实施例采用一种具有高线
    性度的电容式压力传感器,该压力传感器包括从下向上依次布设的硅衬底层、二
    氧化硅层和多晶硅层;其中,硅衬底层中设有第一空腔和四个下电极,第一空腔
    贯穿硅衬底层,下电极固定连接在硅衬底层的上部,四个下电极布设在第一空腔
    的四周;二氧化硅层中设有多晶硅支撑层和第二空腔,多晶硅支撑层固定连接在
    硅衬底层的顶面;第二空腔位于多晶硅支撑层的内侧,且第二空腔与第一空腔连
    通;多晶硅层包括可动敏感薄膜层、四个上电极、多晶硅锚区,可动敏感薄膜层
    和上电极均位于第二空腔正上方,且每个上电极的一端通过连接杆与可动敏感薄
    膜层的一端面连接,每个上电极的另一端通过弹性件与多晶硅锚区连接;连接杆
    和弹性件相对布设,分别位于上电极两侧;多晶硅锚区固定连接在多晶硅支撑层
    上;上电极和下电极一一对应,下电极位于连接杆的下方,且上电极靠近可动敏
    感薄膜层的端面和下电极远离第一空腔的端面处于同一面中。

    作为优选方案,所述的弹性件由多晶硅制成,且弹性件呈弯折形。

    作为优选方案,所述的可动敏感薄膜层、上电极、多晶硅锚区、弹性件和连
    接杆位于同一平面内。

    另一方面,本发明实施例提供一种具有高线性度的电容式压力传感器的制备
    方法,该制备方法包括以下步骤:

    第一步:在硅衬底层上进行磷离子注入,形成传感器的下电极;

    第二步:在硅衬底层上生长一层二氧化硅层,然后采用光刻工艺在二氧化硅
    层上形成多晶硅支撑层和湿法腐蚀的停止层;

    第三步:在二氧化硅层上生长一层多晶硅层,然后采用光刻工艺,在多晶硅
    层光刻形成可动敏感薄膜层、传感器的上电极、多晶硅锚区、弹性件和连接杆;

    第四步:在硅衬底层背面进行各向异性湿法刻蚀,形成第一空腔;

    第五步:利用各向异性湿法腐蚀,腐蚀停止层,得到第二空腔,从而制成压
    力传感器。

    作为优选方案,所述的第三步中,上电极为四个,可动敏感薄膜层和上电极
    均位于第二空腔正上方,且每个上电极的一端通过连接杆与可动敏感薄膜层的一
    端面连接,每个上电极的另一端通过弹性件与多晶硅锚区连接;连接杆和弹性件
    相对布设,分别位于上电极两侧;多晶硅锚区固定连接在多晶硅支撑层上。

    作为优选方案,所述的第三步中,所述的弹性件由多晶硅制成,且弹性件呈
    弯折形。

    作为优选方案,所述的第三步中,所述的可动敏感薄膜层、上电极、多晶硅
    锚区、弹性件和连接杆位于同一平面内。

    有益效果:与现有技术相比,本发明实施例具有以下有益效果:本实施例的
    压力传感器的灵敏度高、制备工艺主要采用表面微机械加工技术,工艺简单,可
    行性高。本实施例的电容式压力传感器将上下极板之间的纵向的位移变化转为化
    横向面积变化。此结构的变面积式压力传感器是非接触的。传统的变面积式的电
    容式压力传感器也称接触式电容传感器,当压力施加于可动敏感薄膜时,通过改
    变两极板的接触面积,从而改变传感器的输出电容。由于传感器的两极板相互接
    触,可能出现当压力撤去时,两极板不能分离,粘连在一起,从而带来可靠性问
    题。本实施例的电容式压力传感器,当压力施加于可动敏感薄膜时,薄膜向下弯
    曲,带动与之相连的上电极向薄膜中心靠近,从而改变与下电极的正对面积,因
    此改变传感器的输出电容。由于本实施例改变的两极板的正对面积,不会出现粘
    连问题,可靠性较高。

    附图说明

    图1为本发明实施例中压力传感器的结构剖视图;

    图2为本发明实施例中制备方法第一步的结构剖视图;

    图3是本发明实施例中制备方法第二步的结构剖视图;

    图4是本发明实施例中制备方法第三步的结构剖视图;

    图5是本发明实施例中制备方法第四步的结构剖视图;

    图6是本发明实施例中制备方法第五步的结构剖视图;

    图7是本发明实施例中多晶硅层和传感器下电极相对位置的俯视图。

    图中有:硅衬底1、二氧化硅层2、多晶硅层3、下电极101、第一空腔102、
    多晶硅支撑层201、第二空腔202、湿法腐蚀停止层203、可动敏感薄膜层301、
    上电极302、多晶硅锚区303、弹性件304、连接杆305。

    具体实施方式

    下面结合附图,对本发明的技术方案进行详细的说明。

    如图1所示,本发明实施例的一种具有高线性度的电容式压力传感器,包括
    从下向上依次布设的硅衬底层1、二氧化硅层2和多晶硅层3。硅衬底层1中设
    有第一空腔102和四个下电极101,第一空腔102贯穿硅衬底层1,下电极101
    固定连接在硅衬底层1的上部,四个下电极101布设在第一空腔102的四周。二
    氧化硅层2中设有多晶硅支撑层201和第二空腔202,多晶硅支撑层201固定连
    接在硅衬底层1的顶面。第二空腔202位于多晶硅支撑层201的内侧,且第二空
    腔202与第一空腔102连通。多晶硅层3包括可动敏感薄膜层301、四个上电极
    302、多晶硅锚区303,可动敏感薄膜层301和上电极302均位于第二空腔202
    正上方,且每个上电极302的一端通过连接杆305与可动敏感薄膜层301的一端
    面连接,每个上电极302的另一端通过弹性件304与多晶硅锚区303连接。连接
    杆305和弹性件304相对布设。连接杆305和弹性件304分别位于上电极302
    两侧。多晶硅锚区303固定连接在多晶硅支撑层201上。上电极302和下电极
    101一一对应,下电极101位于连接杆305的下方,且上电极302靠近可动敏感
    薄膜层301的端面和下电极101远离第一空腔102的端面处于同一面中。

    上述结构的电容式压力传感器工作时,当压力施加于可动敏感薄膜301时,
    可动敏感薄膜301向下弯曲,带动与之相连的上电极302向可动敏感薄膜301
    中心靠近。下电极101的位置是不变的。由于上电极302向可动敏感薄膜301
    中心靠近,从而改变压力传感器上电极302和下电极101之间的正对面积,进而
    改变压力传感器的输出电容。通过检测输出电容的变化,可以实现压力测量。该
    实施例的电容式压力传感器,将纵向的位移变化转为化横向面积变化。在横向面
    积变化过程中,上电极302和下电极101之间是非接触的。这样就确保了外界压
    力去除时,上电极302和下电极101不会粘接在一起。本实施例的压力传感器将
    纵向的位移变化转化为横向的面积变化,且上电极302和下电极101之间间隔第
    二空腔202,确保了上电极302和下电极101之间始终是非接触的状态。

    同时,本实施例的电容式压力传感器,具有高线性度。本实施例的电容式压
    力传感器其原理是基于变面积。根据平板电容公式:可知,电容与面
    积成线性关系。其中,C表示压力传感器的电容,ε0表示真空介电常数,εr表
    示介质层的相对介电常数(本实施例的介质层为空气),A表示上电极302和下
    电极101之间重叠的面积,d表示上电极302和下电极101的间距。

    作为一种优选方案,所述的弹性件304由多晶硅制成,且弹性件304呈弯折
    形。弹性件304由多晶硅制成,便于在制备多晶硅层3时,整体制备可动敏感薄
    膜层301、四个上电极302、多晶硅锚区303和连接杆304。弹性件304呈弯折
    形,使得其具有一定的弹性,结构也简单可靠。

    作为一种优选方案,所述的可动敏感薄膜层301、上电极302和多晶硅锚区
    303位于同一平面内。将多晶硅层3中的各部件置于同一平面内,便于制造加工。

    上述结构的电容式压力传感器的制备方法,包括以下步骤:

    第一步:如图2所示,在硅衬底层1上进行磷离子注入,形成传感器的下电
    极101。

    第二步:如图3所示,在硅衬底层1上生长一层二氧化硅层2,然后采用光
    刻工艺在二氧化硅层2上形成多晶硅支撑层201和湿法腐蚀的停止层203。

    第三步:如图4所示,在二氧化硅层2上生长一层多晶硅层3,然后采用光
    刻工艺,在多晶硅层3光刻形成可动敏感薄膜层301、传感器的上电极302、多
    晶硅锚区303、弹性件304和连接杆305。上电极302为四个,可动敏感薄膜层
    301和上电极302均位于第二空腔202正上方,且每个上电极302的一端通过连
    接杆305与可动敏感薄膜层301的一端面连接,每个上电极302的另一端通过弹
    性件304与多晶硅锚区303连接,连接杆305和弹性件304相对布设,分别位于
    上电极302两侧;多晶硅锚区303固定连接在多晶硅支撑层201上。

    第四步:如图5所示,在硅衬底层1背面进行各向异性湿法刻蚀,形成第一
    空腔102。

    第五步:如图6所示,利用各向异性湿法腐蚀,腐蚀停止层203,得到第二
    空腔202,从而制成压力传感器。

    上述实施例的电容式压力传感器中,硅衬底1中的下电极101通过离子注入
    形成。硅衬底1中的第一空腔102通过湿法腐蚀形成??啥舾斜∧げ?01、上
    电极302、弹性件304和多晶硅锚区303位于同一平面,而且材料都是多晶硅。
    在工艺上,这些部件通过生长一层多晶硅材料,然后光刻形成可动敏感薄膜层
    301、上电极302、弹性件304和多晶硅锚区303四个部件。弹性件303的存在
    使得上电极302向可动敏感薄膜层301中心移动更加容易。

    以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员
    应该了解,本发明不受上述具体实施例的限制,上述具体实施例和说明书中的描
    述只是为了进一步说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本
    发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求?;さ谋痉⒚鞣段?。
    本发明要求?;さ姆段в扇ɡ笫榧捌涞刃锝缍?。

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