一种改进的压力传感器结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及微机电装置，并且特别设及一种根据独立权利要求的前序的改进的压 力传感器结构和压力传感器。
【背景技术】
[0002] 压力是物理量，该物理量对应于作用于表面的力与表面面积之比。能够用作测量 压力的计量器的装置是压力传感器。
[0003] 微机电系统、或MEMS可W被定义为小型化机械及机电系统，其中至少一些元件具 有某种机械功能。因为MEMS装置可W由被用来制作集成电路的相同工具来制造，微机械元 件及微电子元件可W在一个娃片上制造，W实现各种类型的装置。
[0004] 图1示出了用于压力感测的微机电装置的示例结构。微机电压力传感器可W包括 薄隔膜10,该隔膜跨提供基准压力的间隙12。该隔膜由于基准压力和传感器周围的环境压 力间的不同而变形。隔膜位移可W通过电容感测或压阻感测而转换成电信号。 阳0化]MEMS压力传感器结构通常由材料的图案化层形成。MEMS制造过程可W设及层沉 积、光刻、蚀刻及晶圆键合的组合。图1示出了微机电压力传感器的示例结构的侧视图及俯 视图。被示出的压力传感器是绝对压力传感器，该传感器包括由平面基座11和侧壁层13 形成的主体结构。由侧壁层13形成的侧壁从平面基座11延伸开W形成中空部，中空部的 深度与侧壁层13的厚度相对应。在一类压力传感器结构中，该中空部由在侧壁层13上延 伸的隔膜板16气密密封。隔膜板16的在间隙的周部开口上延伸的部分提供了由该开口限 定其外围的隔膜10。隔膜10的一侧暴露到间隙的基准压力，并且另一侧暴露到环境压力。 因此，隔膜10响应于基准压力和环境压力之间的压力差而变形。例如可W通过W下方式电 容地检测该变形的程度：将元件的电极设置在间隙的两侧，并利用电极将变形导致的间隙 的高度变化转换成电信号。
[0006] MEMS传感器结构的材料层提供间隙的气密密封，使得中空部被隔膜板密封后，实 际上几乎没有外来物质可W进入该缝隙。然而，传感器结构的外表面常常暴露到环境条件， 环境条件可能引起电阻性泄漏或电容性泄漏W及对电容测量结果的其它杂散效应。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种压力传感器结构，其对于环境条件的变化时特别是湿 度的变化具有增强的鲁棒性。通过根据独立权利要求的特征部分的压力传感器结构W及压 力传感器来实现本发明的目的。
[0008] 在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
[0009] 所要求保护的发明定义了微机电压力传感器结构，其包括平面基座、侧壁层和隔 膜板。侧壁层的侧壁围绕地从平面基座延伸开到侧壁层的相反表面。平面基座、侧壁层W 及隔膜板彼此附接，W在基准压力下形成密封的闭合间隙。侧壁层内的侧壁的内表面的上 边缘形成隔膜的外围。隔膜板包括一个或多个平面材料层，平面材料层的第一平面材料层 跨隔膜的外围。侧壁层的上表面包括至少一个隔离区域，该隔离区域不被隔膜板覆盖。
[0010] 侧壁层的上表面上的隔离区域可W被动地用来提高隔膜的电极元件和平面基座 的电极元件之间的绝缘性。另一方面，隔离区域可W主动地应用导电保护元件和运算放大 电路W消除或至少缓解由环境湿度对电容测量结果引起的杂散效应。
[0011] 利用实施例的详细描述，更详细地说明所要求保护的发明的特征和优点及其实施 例。
【附图说明】
[0012] 在下文中，将结合优选实施例，参考所附的附图，较详细地描述本发明，其中，
[0013] 图1示出了微机电压力传感器的示例结构的侧视图和俯视图；
[0014] 图2图解了微机电压力传感器结构的实施例；
[0015] 图3图解了W下实施例：其中该结构在侧壁层外围附近的区域中包括隔离区域；
[0016] 图4图解了具有隔离区域和至少部分围绕隔膜板的周部保护元件的实施例；
[0017] 图5A至图5F图解了示例电容转换电路配置；
[0018] 图6图解了具有RC传输线的扩展电容效果；
[0019] 图7图解了隔离区域被绝缘材料层覆盖的实施例；
[0020] 图8图解了W下实施例：其中绝缘材料层覆盖隔离区域W及隔膜板的第一平面材 料层的至少一部分；
[0021] 图9图解了W下实施例：其中导电材料层在侧壁层的上表面上从侧壁层的外表面 向间隙在绝缘材料层上延伸一段距离；W及
[0022] 图10图解了设置有基准板的微机电压力传感器结构的实施例； 阳023] 图11A至图11D示出了不同的隔膜板和基准板配置；
[0024] 图12图解了示例湿度测试的结果；
[0025] 图13示出了相同测试样本配置中的补偿电容；
[00%] 图14图解了用于减小传感器结构中杂散电容的其它实施例；
[0027] 图15图解了微机电压力传感器结构的其它实施例；
[0028] 图16图解了其它实施例的方面，其中隔离区域形成了侧壁层的上表面上的元件 之间的沟槽；
[0029] 图17图解了微机电压力传感器的实施例。
【具体实施方式】
[0030] W下实施例是示例性的。虽然说明书可能引用了 "一"、"一个"或"一些"实施例， 但是运并不一定意味着每个运样的引用都指的是相同的实施例，或意味着该特征仅应用于 单个实施例。可W结合不同实施例的个别特征来提供另外的实施例。
[0031] 在下文中，将通过装置架构的简单示例来描述本发明的特征，在装置架构的简单 示例下可W实现本发明的各种实施例。仅详细描述了与说明各实施例有关的元件。压力传 感器的各种实现包括通常为本领域技术人员所熟知且在本文中可不进行具体描述的元件。
[0032] 压力传感器结构的实施例应用参照图1更详细描述的元件。图1图解了微机电压 力传感器的示例结构，并示出了所图解的传感器结构的侧视图和俯视图。所图解的压力传 感器结构包括由平面基座11和侧壁层13形成的主体结构。平面基座11可w由娃材料的 晶圆制造，但是在保护范围内可W应用其它导体材料、半导体材料或绝缘材料。平面基座11 也可W由材料层构成。举例来说，平面基座表面上的层可W是导电的，W充当电容传感器的 电极。作为另一示例，整个平面基座可W具有足够高的电导性，W充当电极。平面基座11 具有基本上沿着平面基座11的平面延伸的第一表面14。术语"基本上"意指第一表面可W 容纳较小的表面结构（凸起或凹入），但是90%W上的表面区域在容限范围内与平面基座 11的平面对齐。
[003引如图1所示，侦幢层13是非连续层，其提供从第一表面14有利地向垂直于第一表 面14的方向延伸的侧壁。侧壁层的离第一表面14最远的表面是侧壁层的上表面。侧壁层 的与间隙相反的表面是侧壁层的外表面。侧壁层13刚性地附接至平面基座11，且因此在平 面基座上围绕成开放空间。侧壁层13的侧壁连同平面基座11 一起形成中空部，中空部的 深度与侧壁的高度和侧壁层13的厚度相对应。通常侧壁层非常薄，因此中空部非常低，为 微米量级。侧壁层可W是电绝缘材料，例如二氧化秒，但是在保护范围内可W使用其它电绝 缘材料。在示例结构的俯视图中，侧壁层13的上表面19被图解为具有矩形外围，使得侧壁 自虚线向外延伸。虚线表示侧壁的内表面，并且运些内表面的上边缘限定了由平面基座11 和侧壁层13形成的中空部的周部开口。
[0034] 该中空部被隔膜板16气密密封，其中隔膜板16在侧壁层13上延伸。术语隔膜在 此是指弹性变形材料的膜，其中该膜在其外围被错定。隔膜板16是向传感器结构提供隔膜 10并在其外围错定隔膜的平面物体。隔膜板16可W由一个或多个材料层制成。娃材料通 常至少被用在隔膜板的一个层中，但是在保护范围内可W使用其它导体材料、半导体材料 或绝缘材料。隔膜板16通过第二表面18连接至侧壁层13,其中第二表面18为最初平行于 平面基座11的第一表面14的平面。需要注意的是，术语"最初"在此设及传感器制造阶段 的元件的尺寸。本领域的技术人员理解，在压力传感器运行期间，部件可能会变形脱离它们 最初的平面形状。 阳03引平面基座11、侦幢层13和隔膜板16彼此附接，W使第一表面14、第二表面18和 侧壁13的内表面在基准压力下形成气密的封闭间隙12。间隙12可W被抽空W仅含有少量 的残余气体，但是它也可W在选定的基准压力下填充有所选气体或其它挥发性材料。
[0036] 在周部开口上延伸至间隙12的隔膜板16的一部分提供了隔膜10,隔膜10的外围 由该开口限定。可W电容地检测隔膜10的变形，或者，可W通过用并入的压电电阻器或应 变计电阻器将隔膜中引起变形的应力转换成电信号，用压阻性或类似的基于应变计的方法 来检测隔膜10的变形。所有运些方法都在本领域中公开了，并且因此对于本领域的技术人 员是熟知的，本文中不再具体详细地论述。
[0037] 图2图解了图1的现有技术压力传感器