[发明专利]微小极间距电容式力敏传感器及其制造方法

说明书

本发明涉及一种带有弹性薄膜的电容式力敏传感器件，属微机电器件技术领域。在它的弹性薄膜的中心部位设有可动的电容极板。此电容的另一极板——固定极板则通过支架固定在边框上，与可动极板保持微小极间距。本发明的技术要点是：事先对用以制造弹性膜片的基片进行精密外形加工，然后把可动极板锚定到膜片表面，接着把膜片与边框键合，再把不动极板封接到边框上。从而精密控制膜片厚度、均匀性、平整度及传感电容的微小极间距，并制造出新结构的微型化的高精度、高稳定性的便于批量生产的廉价的电容式力敏传感器。

技术领域

本发明涉及微小极间距电容式力敏传感器，特别涉及微型化的电容式力敏传感器，属微机电器件技术领域。

背景技术

电容式力敏器件一般都把对力敏感的弹性薄膜作为传感电容的可动极板。为了提高电容式力敏传感器的灵敏度和线性度，陆续有人提出在传感膜片上附加平板电极的方案。如英国专利GB2189607A，美国专利U.S.Patent4562742。及至MEMS器件问世，以U.S.Patent4203128 为代表的利用半导体微加工技术制造小型化的力敏传感器的发明很多，但未见在弹性膜片中心附加平电极的方案。近年来市场上出现E型膜结构(也称岛膜结构)的电容式力敏器件，如中国专利03284809.9，它的弹性膜片中心厚四周薄，这样虽改善了线性，但弹性牺牲很大，仍有明显技术缺陷。

一般说，电容式力敏传感器有六大技术指标：1.重复性，2.线性度，3.产品一致性，4. 灵敏度，5.稳定性，6.小型化。把平膜片(包括E型膜片)作为传感电容可动极板的力敏器件，结构上难以兼顾以上六大指标。例如：要提高第1.2.3.项指标需要使电容极间距加大，而要满足第4.5.6.项指标有应该减少电容极间距。有时同一技术指标又对结构参数提出相反要求。例如：减小传感电容极间距可以增大传感电容量从而提高其稳定性，但如果弹性膜片有潜在的应力变化，或周边固支强度不足，则电容极间距的减小，反而会降低它的稳定性。再加上与表面微加工伴生的不同材料的叠加，导电层与绝缘层的叠加，带来了诸多漂移因素。这使制造精密的、稳定性好的电容式力敏传感器成为难事。最终的结果是它的精度每提高一个数量级，价格也提升一个数量级甚至更多。

经分析，本人认为通过在电容式力敏传感器的弹性膜片上附加可动平板电极的方法可以较好的解决上述问题，从而方便、廉价地生产出高精度、高灵敏度、高稳定性、高一致性、高线性度、易于小型化的电容式力敏传感器。为此本人先后申请了以此为基本发明思想的三个中国专利。专利号分别是93118056.2、98100185.8、03131054.0。申请号为98100185.8 的专利申请首次提出了用半导体微加工技术制造出弹性膜片中心带有附加平电极的MEMS电容式传感器件。本发明是它的后续技术。

发明内容

本发明的目的是在已有技术基础上改进传感器结构，并提出精密控制膜片厚度和平整度、均匀性、以及精密控制传感器微小极间距的简便的、便于批量生产方法。从而制造出高灵敏度、高重复性、高精度、高稳定性、天然线性输出且漂移小的廉价的力敏传感器件，特别是 MEMS器件。

本发明的内容是电容式微小极间距力敏传感器。参见图10，它由膜片2、下边框5和上边框5’、定极板6、可动极板4’、盖板19等部分组成。膜片2由硅片经化学机械抛光并与边框键合后腐蚀产生。下边框5通过膜片外围部分和上边框5’键合成一个整体。不动极板6通过支架6’借助于低熔点玻璃 7与边框5’封结成一个整体，并与可动极板4’保持精确间距。可动极板4’通过膜片2与边框5外侧的铝镀层13与外界保持低欧姆接触。而定极板6上的导电层通过支架6’上的键合点8经由盖板中心孔17引出馈线。

本发明主要内容如下：

1在本发明中，膜片和边框先是分开制造的。先对拟制成膜片的硅片进行精密加工，再把可动极板4′(或12)锚定到膜片的光滑表面，然后把它和边框熔融键合到一起，键合后再对硅片进行腐蚀减薄形成膜片，这就使膜片的厚度和均匀性得到更精密的控制且高度平整，且便于利用集成电路工艺、设备进行批量生产、便于小型化。