改进的压力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电装置，并且特别地涉及根据独立权利要求的前序部分的改进的压力传感器结构和压力传感器。
【背景技术】
[0002]压力是一个物理量，其对应于作用于表面上的力与该表面的面积的比率。可以用作测量压力的计量器的装置是压力传感器。
[0003]大气压力是由处于大气压的空气柱施加在表面处的压力。大气压力随着海拔高度和气候模式而改变。用压力传感器获得的量可以排除环境大气压力并且在此情况下指示过压。如果包含大气压力，则结果指示绝对压力。
[0004]微机电系统或MEMS可以被定义为小型化机械和机电系统，其中，至少一些元件具有某种机械功能。因为使用用于创建集成电路的相同工具来创建MEMS装置，所以可以在硅片上制造微型机器和微电子元件以实现各种类型的装置。
[0005]图1图示了用于感测压力的微机电装置的示例性结构。微机电压力传感器通常包括横跨间隙12的薄隔膜10，间隙12提供了参考压力量。隔膜由于参考压力与传感器周围的环境压力之间的差异而变形。可以通过电容或压阻感测将隔膜位移转换为电信号。
[0006]对于微机电装置，其尺寸非常小；部件尺寸通常在从数十微米至数毫米的范围内。这给设计带来许多挑战。例如，在微机电压力传感器中，所检测的由于压力改变而引起的隔膜位移量可以为数纳米或者更小。这意味着，由位移所生成的信号较小。在不同操作温度下由热膨胀所引起的元件尺寸的改变已经可以引起测量值的显著变化。此外，需要将传感器结构和相关的电子器件封装在封装件中。该封装件可能具有与传感器结构不同的热膨胀系数，这可能引起较大的依赖于温度的弯曲应力，该弯曲应力使测量值失真。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是消除或者至少减轻这些不利影响，并且改进对微机电压力传感器中隔膜的压力所致烧曲(pressure-1nduced deflect1n)的检测。本发明的目的是根据独立权利要求的特征部分使用压力传感器结构和压力传感器来实现。
[0008]在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
[0009]要求保护的发明定义了长方形传感器结构，其中，尺寸成比例使得可以认为隔膜几乎一维地起作用。因此，隔膜较窄，以沿隔膜宽度经历在晶片的弯曲与隔膜的弯曲之间的最小差异。在垂直方向上隔膜为至少三倍长，因此，隔膜的弯曲形式与晶片的弯曲形式准确地对准。由于该特定尺寸，结构的弯曲所导致的总误差显著降低，并且同时更坚固的结构得以实现。此外，较长的隔膜提供了用于检测的更多挠曲区域并且因此显著提高了装置的灵敏度。
[0010]通过对实施例的详细描述来更详细地描述所要求保护的本发明及其实施例的特征和优点。
【附图说明】
[0011]下面，将参照附图结合优选实施例来对本发明进行更详细地描述，在附图中，
[0012]图1图示了出现有技术的旋转对称微机电压力传感器结构的示例性结构；
[0013]图2图示了示例性微机电压力传感器结构的侧视图和俯视图；
[0014]图3图示了弯曲传感器结构的弯曲形状；
[0015]图4图示了弯曲传感器结构中的不同曲面；
[0016]图5A图示了常规正方形隔膜的形状；
[0017]图5B图示了所要求保护的长方形隔膜的形状；
[0018]图6图示了在隔膜的宽度上晶片的第一表面的弯曲和隔膜的第二表面的弯曲；
[0019]图7图示了在隔膜的一半长度上晶片的第一表面的弯曲和隔膜的第二表面的弯曲；
[0020]图8图示了电容值作为所检测的压力的函数；
[0021]图9图示了隔膜的位移作为隔膜的宽度尺寸上的位置的函数；
[0022]图10图示了隔膜的位移作为隔膜的宽度尺寸上的位置的函数；
[0023]图11是示出长方形传感器结构沿其长度方向的侧视图；以及
[0024]图12图示了其中传感器结构被配置成包括多个感测隔膜的另一实施例。
【具体实施方式】
[0025]以下实施例是示例性的。虽然本说明书可以引用“一”、“一个”或“一些”实施例，但是这并不一定意味着:每个这样的引用是针对相同的实施例，或者该特征仅适用于单个实施例。可以将不同实施例的单个特征组合以提供另外的实施例。
[0026]在下文中，将通过装置架构的简单示例来对本发明的特征进行描述，该装置架构可以实现本发明的各种实施例。仅对用于图示实施例的相关元件进行详细说明。压力传感器的各种实施包括本领域技术人员所公知的元件，并且在本文中可以不作具体描述。
[0027]作为本发明的实施例，图2图示了微机电压力传感器的示例性结构。图2图示了所示传感器结构的侧视图和俯视图。所图示的压力传感器包括由平面基底21和侧壁23所形成的主体结构。例如，平面基底21可以由硅材料的晶片制造，但是在保护范围内还可以应用其他导体、半导体或绝缘体材料。平面基底21具有第一表面24，该第一表面24基本上沿第一平面25延伸。术语“基本上”这里意指:该表面可以适应微小表面结构(突起或凹坑)，但在容差范围内该表面面积的90%以上与第一平面25是对齐的。
[0028]如图2中所不，侧壁23从第一表面24有利地朝向垂直于第一平面25的方向延伸出去。侧壁23刚性地附接至平面基底21，并且因此限定(circumscribe) 了平面基底21上的开放空间。侧壁23与平面基底21 —起形成空洞，该空洞的深度对应于侧壁23的高度。侧壁可以是电绝缘材料例如二氧化硅，但在保护范围内还可以应用其他电绝缘材料。在示例性结构的俯视图中，侧壁的横截面示出为从虚线向外延伸的矩形边界。虚线表示侧壁的内表面，并且这些内表面的顶部边缘限定了由平面基底21和侧壁23形成的空洞的周界开
□ O
[0029]该空洞由在侧壁23上延伸的隔膜板26密封。术语隔膜这里指的是被锚接(anchored)在隔膜板外围的弹性变形材料膜。隔膜板26是为传感器结构提供隔膜27并且在其周边锚接该隔膜的平面对象。隔膜板26可以由硅材料制成，但是在保护范围内可以应用其他导体、半导体或绝缘体材料。隔膜板26通过第二表面28连接至侧壁23，该第二表面28是最初与基底21的第一表面24平行的平面。需要注意的是，术语“最初”这里指在传感器的制造阶段中第二表面的尺寸。本领域技术人员理解到:在压力传感器的操作期间，部分可能变形而不同于其最初的平面形状。
[0030]平面基底21、侧壁23和隔膜板26彼此附接，使得第一表面24、第二表面28和侧壁23的内表面形成密闭间隙22，该密闭间隙22包含在参考压力下的挥发性材料。间隙22可以被抽真空以包含仅少量残余气体，但该密闭间隙22还可以填充有在选定参考压力下的选定气体或者其他挥发性材料。
[0031]隔膜板26的在间隙22的周界开口上方延伸的一部分提供了隔膜27，该隔膜27的外围由开口限定，并且通过在侧壁的顶表面与隔膜板之间的坚固材料接触来提供锚接。隔膜27—侧暴露于间隙的参考压力并且另一侧暴露于隔膜板26的顶部上的环境压力。因此，该隔膜27响应于参考压力与环境压力之间的压力差进行变形。可以通过采用电极将间隙22的高度上的改变所引起的变形转换为电信号来以电容方式检测该变形的程度。可以替代地采用基于压阻的或类似的基于应变计的方法来检测变形，即通过采用合并的压敏电阻器或应变计电阻器将变形所引起的隔膜的应