一種改進(jìn)的壓力傳感器結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及微機(jī)電裝置，并且特別設(shè)及一種根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的前序的改進(jìn)的壓 力傳感器結(jié)構(gòu)和壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓力是物理量，該物理量對應(yīng)于作用于表面的力與表面面積之比。能夠用作測量 壓力的計(jì)量器的裝置是壓力傳感器。
[0003] 微機(jī)電系統(tǒng)、或MEMS可W被定義為小型化機(jī)械及機(jī)電系統(tǒng)，其中至少一些元件具 有某種機(jī)械功能。因?yàn)镸EMS裝置可W由被用來制作集成電路的相同工具來制造，微機(jī)械元 件及微電子元件可W在一個(gè)娃片上制造，W實(shí)現(xiàn)各種類型的裝置。
[0004] 圖1示出了用于壓力感測的微機(jī)電裝置的示例結(jié)構(gòu)。微機(jī)電壓力傳感器可W包括 薄隔膜10,該隔膜跨提供基準(zhǔn)壓力的間隙12。該隔膜由于基準(zhǔn)壓力和傳感器周圍的環(huán)境壓 力間的不同而變形。隔膜位移可W通過電容感測或壓阻感測而轉(zhuǎn)換成電信號。 陽0化]MEMS壓力傳感器結(jié)構(gòu)通常由材料的圖案化層形成。MEMS制造過程可W設(shè)及層沉 積、光刻、蝕刻及晶圓鍵合的組合。圖1示出了微機(jī)電壓力傳感器的示例結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖及俯 視圖。被示出的壓力傳感器是絕對壓力傳感器，該傳感器包括由平面基座11和側(cè)壁層13 形成的主體結(jié)構(gòu)。由側(cè)壁層13形成的側(cè)壁從平面基座11延伸開W形成中空部，中空部的 深度與側(cè)壁層13的厚度相對應(yīng)。在一類壓力傳感器結(jié)構(gòu)中，該中空部由在側(cè)壁層13上延 伸的隔膜板16氣密密封。隔膜板16的在間隙的周部開口上延伸的部分提供了由該開口限 定其外圍的隔膜10。隔膜10的一側(cè)暴露到間隙的基準(zhǔn)壓力，并且另一側(cè)暴露到環(huán)境壓力。 因此，隔膜10響應(yīng)于基準(zhǔn)壓力和環(huán)境壓力之間的壓力差而變形。例如可W通過W下方式電 容地檢測該變形的程度：將元件的電極設(shè)置在間隙的兩側(cè)，并利用電極將變形導(dǎo)致的間隙 的高度變化轉(zhuǎn)換成電信號。
[0006] MEMS傳感器結(jié)構(gòu)的材料層提供間隙的氣密密封，使得中空部被隔膜板密封后，實(shí) 際上幾乎沒有外來物質(zhì)可W進(jìn)入該縫隙。然而，傳感器結(jié)構(gòu)的外表面常常暴露到環(huán)境條件， 環(huán)境條件可能引起電阻性泄漏或電容性泄漏W及對電容測量結(jié)果的其它雜散效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種壓力傳感器結(jié)構(gòu)，其對于環(huán)境條件的變化時(shí)特別是濕 度的變化具有增強(qiáng)的魯棒性。通過根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的特征部分的壓力傳感器結(jié)構(gòu)W及壓 力傳感器來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
[0008] 在從屬權(quán)利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0009] 所要求保護(hù)的發(fā)明定義了微機(jī)電壓力傳感器結(jié)構(gòu)，其包括平面基座、側(cè)壁層和隔 膜板。側(cè)壁層的側(cè)壁圍繞地從平面基座延伸開到側(cè)壁層的相反表面。平面基座、側(cè)壁層W 及隔膜板彼此附接，W在基準(zhǔn)壓力下形成密封的閉合間隙。側(cè)壁層內(nèi)的側(cè)壁的內(nèi)表面的上 邊緣形成隔膜的外圍。隔膜板包括一個(gè)或多個(gè)平面材料層，平面材料層的第一平面材料層 跨隔膜的外圍。側(cè)壁層的上表面包括至少一個(gè)隔離區(qū)域，該隔離區(qū)域不被隔膜板覆蓋。
[0010] 側(cè)壁層的上表面上的隔離區(qū)域可W被動地用來提高隔膜的電極元件和平面基座 的電極元件之間的絕緣性。另一方面，隔離區(qū)域可W主動地應(yīng)用導(dǎo)電保護(hù)元件和運(yùn)算放大 電路W消除或至少緩解由環(huán)境濕度對電容測量結(jié)果引起的雜散效應(yīng)。
[0011] 利用實(shí)施例的詳細(xì)描述，更詳細(xì)地說明所要求保護(hù)的發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)及其實(shí)施 例。
【附圖說明】
[0012] 在下文中，將結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例，參考所附的附圖，較詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中，
[0013] 圖1示出了微機(jī)電壓力傳感器的示例結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和俯視圖；
[0014] 圖2圖解了微機(jī)電壓力傳感器結(jié)構(gòu)的實(shí)施例；
[0015] 圖3圖解了W下實(shí)施例：其中該結(jié)構(gòu)在側(cè)壁層外圍附近的區(qū)域中包括隔離區(qū)域；
[0016] 圖4圖解了具有隔離區(qū)域和至少部分圍繞隔膜板的周部保護(hù)元件的實(shí)施例；
[0017] 圖5A至圖5F圖解了示例電容轉(zhuǎn)換電路配置；
[0018] 圖6圖解了具有RC傳輸線的擴(kuò)展電容效果；
[0019] 圖7圖解了隔離區(qū)域被絕緣材料層覆蓋的實(shí)施例；
[0020] 圖8圖解了W下實(shí)施例：其中絕緣材料層覆蓋隔離區(qū)域W及隔膜板的第一平面材 料層的至少一部分；
[0021] 圖9圖解了W下實(shí)施例：其中導(dǎo)電材料層在側(cè)壁層的上表面上從側(cè)壁層的外表面 向間隙在絕緣材料層上延伸一段距離；W及
[0022] 圖10圖解了設(shè)置有基準(zhǔn)板的微機(jī)電壓力傳感器結(jié)構(gòu)的實(shí)施例； 陽023] 圖11A至圖11D示出了不同的隔膜板和基準(zhǔn)板配置；
[0024] 圖12圖解了示例濕度測試的結(jié)果；
[0025] 圖13示出了相同測試樣本配置中的補(bǔ)償電容；
[00%] 圖14圖解了用于減小傳感器結(jié)構(gòu)中雜散電容的其它實(shí)施例；
[0027] 圖15圖解了微機(jī)電壓力傳感器結(jié)構(gòu)的其它實(shí)施例；
[0028] 圖16圖解了其它實(shí)施例的方面，其中隔離區(qū)域形成了側(cè)壁層的上表面上的元件 之間的溝槽；
[0029] 圖17圖解了微機(jī)電壓力傳感器的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0030] W下實(shí)施例是示例性的。雖然說明書可能引用了 "一"、"一個(gè)"或"一些"實(shí)施例， 但是運(yùn)并不一定意味著每個(gè)運(yùn)樣的引用都指的是相同的實(shí)施例，或意味著該特征僅應(yīng)用于 單個(gè)實(shí)施例?？蒞結(jié)合不同實(shí)施例的個(gè)別特征來提供另外的實(shí)施例。
[0031] 在下文中，將通過裝置架構(gòu)的簡單示例來描述本發(fā)明的特征，在裝置架構(gòu)的簡單 示例下可W實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各種實(shí)施例。僅詳細(xì)描述了與說明各實(shí)施例有關(guān)的元件。壓力傳 感器的各種實(shí)現(xiàn)包括通常為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知且在本文中可不進(jìn)行具體描述的元件。
[0032] 壓力傳感器結(jié)構(gòu)的實(shí)施例應(yīng)用參照圖1更詳細(xì)描述的元件。圖1圖解了微機(jī)電壓 力傳感器的示例結(jié)構(gòu)，并示出了所圖解的傳感器結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和俯視圖。所圖解的壓力傳 感器結(jié)構(gòu)包括由平面基座11和側(cè)壁層13形成的主體結(jié)構(gòu)。平面基座11可w由娃材料的 晶圓制造，但是在保護(hù)范圍內(nèi)可W應(yīng)用其它導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體材料或絕緣材料。平面基座11 也可W由材料層構(gòu)成。舉例來說，平面基座表面上的層可W是導(dǎo)電的，W充當(dāng)電容傳感器的 電極。作為另一示例，整個(gè)平面基座可W具有足夠高的電導(dǎo)性，W充當(dāng)電極。平面基座11 具有基本上沿著平面基座11的平面延伸的第一表面14。術(shù)語"基本上"意指第一表面可W 容納較小的表面結(jié)構(gòu)（凸起或凹入），但是90%W上的表面區(qū)域在容限范圍內(nèi)與平面基座 11的平面對齊。
[003引如圖1所示，偵幢層13是非連續(xù)層，其提供從第一表面14有利地向垂直于第一表 面14的方向延伸的側(cè)壁。側(cè)壁層的離第一表面14最遠(yuǎn)的表面是側(cè)壁層的上表面。側(cè)壁層 的與間隙相反的表面是側(cè)壁層的外表面。側(cè)壁層13剛性地附接至平面基座11，且因此在平 面基座上圍繞成開放空間。側(cè)壁層13的側(cè)壁連同平面基座11 一起形成中空部，中空部的 深度與側(cè)壁的高度和側(cè)壁層13的厚度相對應(yīng)。通常側(cè)壁層非常薄，因此中空部非常低，為 微米量級。側(cè)壁層可W是電絕緣材料，例如二氧化秒，但是在保護(hù)范圍內(nèi)可W使用其它電絕 緣材料。在示例結(jié)構(gòu)的俯視圖中，側(cè)壁層13的上表面19被圖解為具有矩形外圍，使得側(cè)壁 自虛線向外延伸。虛線表示側(cè)壁的內(nèi)表面，并且運(yùn)些內(nèi)表面的上邊緣限定了由平面基座11 和側(cè)壁層13形成的中空部的周部開口。
[0034] 該中空部被隔膜板16氣密密封，其中隔膜板16在側(cè)壁層13上延伸。術(shù)語隔膜在 此是指彈性變形材料的膜，其中該膜在其外圍被錯(cuò)定。隔膜板16是向傳感器結(jié)構(gòu)提供隔膜 10并在其外圍錯(cuò)定隔膜的平面物體。隔膜板16可W由一個(gè)或多個(gè)材料層制成。娃材料通 常至少被用在隔膜板的一個(gè)層中，但是在保護(hù)范圍內(nèi)可W使用其它導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體材料 或絕緣材料。隔膜板16通過第二表面18連接至側(cè)壁層13,其中第二表面18為最初平行于 平面基座11的第一表面14的平面。需要注意的是，術(shù)語"最初"在此設(shè)及傳感器制造階段 的元件的尺寸。本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解，在壓力傳感器運(yùn)行期間，部件可能會變形脫離它們 最初的平面形狀。 陽03引平面基座11、偵幢層13和隔膜板16彼此附接，W使第一表面14、第二表面18和 側(cè)壁13的內(nèi)表面在基準(zhǔn)壓力下形成氣密的封閉間隙12。間隙12可W被抽空W僅含有少量 的殘余氣體，但是它也可W在選定的基準(zhǔn)壓力下填充有所選氣體或其它揮發(fā)性材料。
[0036] 在周部開口上延伸至間隙12的隔膜板16的一部分提供了隔膜10,隔膜10的外圍 由該開口限定?？蒞電容地檢測隔膜10的變形，或者，可W通過用并入的壓電電阻器或應(yīng) 變計(jì)電阻器將隔膜中引起變形的應(yīng)力轉(zhuǎn)換成電信號，用壓阻性或類似的基于應(yīng)變計(jì)的方法 來檢測隔膜10的變形。所有運(yùn)些方法都在本領(lǐng)域中公開了，并且因此對于本領(lǐng)域的技術(shù)人 員是熟知的，本文中不再具體詳細(xì)地論述。
[0037] 圖2圖解了圖1的現(xiàn)有技術(shù)壓力傳感器