改进的压力传感器结构的制作方法
【专利摘要】一种微机电压力传感器结构，包括平面基底(21)、侧壁层(23)和隔膜板(20)。侧壁层形成从平面基底延伸到与隔膜板接触的侧壁。侧壁层由至少三个层形成：由绝缘材料构成的第一层(28)和第二层(29)以及由导电材料构成的第三层(27)，其中，第三层位于第一层与第二层之间。导电层提供在隔离侧壁层内的屏蔽电极。该屏蔽电极适于减小对电容式测量结果的不期望影响。
【专利说明】
改进的压力传感器结构
技术领域
[0001] 本发明涉及微机电装置，并且具体涉及根据独立权利要求的前序部分所述的改进 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，其与作用于表面上的力与该表面的面积的比率相对应。可用作测 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。因为利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。
[0004] 图1图示了用于感测压力的微机电装置的示例性结构。微机电压力传感器可以包 括横跨间隙12的薄隔膜10,间隙12包含在参考压力下的挥发性物质。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。可以利用电容式感测或压阻式感测将隔膜位移 转换为电信号。
[0005] MEMS压力传感器结构通常由图案化的材料层形成。MEMS制造工艺可能涉及层沉 积、光刻、蚀刻和晶圆键合的组合。图1示出了微机电压力传感器的示例性结构的侧视图和 俯视图。示例性的压力传感器是绝对压力传感器，其包括由平面基底11和侧壁层13形成的 体结构。由侧壁层13形成的侧壁从平面基底11延伸以形成空洞，该空洞的深度对应于侧壁 层13的厚度。在该特定类别的压力传感器结构中，空洞由在侧壁层13上延伸的隔膜板16来 密封。隔膜板16的跨间隙的周界开口延伸的部分提供了隔膜10,该隔膜10的外周由该开口 限定。隔膜10的一侧暴露于间隙的参考压力，而另一侧暴露于环境压力。因而，该隔膜10响 应于参考压力与环境压力之间的压力差而变形。例如，通过将电极布置在间隙的任一侧的 元件上并且利用该电极将由变形引起的间隙高度变化转换为电信号而以电容方式来检测 该变形的程度。
[0006] 图1的传感器的缺点在于其提供了跨侧壁13的并联电容。额外的并联电容趋于减 小传感器的相对灵敏度、损害传感器的1/C函数的线性度以及增大传感器的温度依赖性。该 结构还提供了泄露电流的通路以及跨侧壁13的外边缘的寄生电容。该外边缘位于传感器的 外表面，并且可能受外部条件如安装和保护材料、湿度以及化学污染所影响。这些影响可能 会对隔膜板16与平面基底11之间的总电容带来可变的部分，并且因此在确定传感器的压力 读数时引起误差。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种能够消除或者减轻上述缺点中的至少一个的压力传感 器结构。本发明的目的是利用根据独立权利要求的特征部分所述的压力传感器结构和压力 传感器来实现的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
[0008] 要求保护的发明定义了一种微机电压力传感器结构，其包括平面基底、侧壁层和 隔膜板。侧壁层形成从平面基底延伸到与隔膜板接触的侧壁。侧壁层由至少三个层形成：由 绝缘材料构成的第一层和第二层以及由导电材料构成的第三层，其中，第三层位于第一层 与第二层之间。
[0009]隔离侧壁层内的导电元件可以用作屏蔽电极，以显著减小对电容式测量结果的不 期望影响。
[0010]通过对实施方式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方式 的特征和优点。
【附图说明】
[0011] 在下文中，将参照附图并结合优选实施方式来详细描述本发明，在附图中：
[0012] 图1示出了微机电压力传感器的示例性结构的侧视图和俯视图；
[0013] 图2A、图2B图示了微机电压力传感器结构的示例性实施方式；
[0014]图3A至图3F图示了示例性电容转换器电路配置；
[0015]图4图示了微机电压力传感器结构的另一实施方式；
[0016]图5图不了微机电压力传感器结构的又一实施方式；
[0017]图6示出了示例性隔膜的相对弯曲；
[0018]图7图示了作为尺寸比的函数的绝对电容改变的变化；
[0019] 图8图示了作为相同尺寸比的函数的相对电容改变；
[0020] 图9图示了作为相同尺寸比的函数的1/C特性的非线性；
[0021] 图10图示了包括微机电压力传感器结构的微机电压力传感器。
【具体实施方式】
[0022] 以下实施方式是示例性的。虽然本说明书可以引用"一 (an)"、"一个(one)"或"一 些"实施方式，但是这并不一定意味着每个这样的引用是针对相同的（一个或多个)实施方 式，或者不一定意味着该特征仅适用于单个实施方式。可以将不同实施方式的单个特征进 行组合以提供另外的实施方式。
[0023] 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，其中该装置 架构可以实现本发明的各种实施方式。仅详细描述用于图示实施方式的相关元件。压力传 感器的各种实现包括本领域技术人员通常已知的元件，并且在本文中可以不对这些元件进 行具体描述。
[0024] 压力传感器结构的实施方式应用了参照图1所详细讨论的元件。图1图示了微机电 压力传感器的示例性结构，并且示出了所示传感器结构的侧视图和俯视图。绝对压力传感 器通常包含与周围环境隔离的密闭间隙。在差分压力传感器中，隔膜暴露于两个独立的压 力。如果另一压力是大气压力，则差分压力传感器可以被称为过压传感器。如果另一压力是 另外的已知参考压力，则差分压力传感器可以被称为相对传感器。本发明可以适用于包括 所要求保护的配置的任何类型的绝对压力传感器结构或差分压力传感器结构。
[0025]图1的示例性压力传感器结构是绝对压力传感器。所示压力传感器包括由平面基 底11和侧壁层13所形成的体结构。平面基底11可以由硅材料的晶圆制造，但是还可以在保 护范围内应用其它导体、半导体或绝缘体材料。平面基底11还可以包括材料层。作为示例， 平面基底的表面上的层可以是导电的，以充当电容式传感器的电极。作为另一示例，整个平 面基底可以具有足够高的导电性以充当电极。平面基底11具有第一表面14,该第一表面14 基本上沿平面基底11的平面延伸。此处，术语"基本上"意指:第一表面可以适于微小表面结 构（凸块或凹坑），但与平面基底11的平面对齐的表面面积的90%以上在容差范围内。
[0026] 如图1所示，侧壁13是非连续层，该非连续层提供了从第一表面14有利地朝向垂直 于第一表面14的方向延伸的侧壁。与第一表面14相距最远的侧壁层的表面是侧壁层的上表 面。在间隙另一侧的侧壁层的一个或多个表面是侧壁层的外表面。侧壁层13刚性地附接至 平面基底11，并且因此圈出平面基底21上的开放空间。侧壁层13的侧壁与平面基底11 一起 形成空洞，该空洞的深度对应于侧壁的高度和侧壁层13的厚度。通常，侧壁层非常薄，并且 因此该空洞非常浅，量级为微米或者甚至小于1微米。常规的侧壁层可以由电绝缘材料如二 氧化硅构成，但是可以应用其它电绝缘材料。在示例结构的俯视图中，以从虚线向外延伸的 长方形周界图示了侧壁层13的上表面19。虚线表示侧壁的内表面，并且这些内表面的上边 缘限定了由平面基底11与侧壁层13形成的空洞的周界开口。
[0027] 该空洞由在侧壁层13上延伸的隔膜板16密封。此处，术语"隔膜"指的是被锚接在 隔膜板外周的弹性变形材料膜。隔膜板16是向传感器结构提供隔膜10并在隔膜板的外周处 锚接该隔膜的平面对象。隔膜板16可以由一种或更多种材料层制成。经常在隔膜板中的至 少一层中使用硅材料，但是可以在保护范围内应用其它导体、半导体或绝缘体材料。隔膜板 16通过第二表面18连接至侧壁层13,该第二表面18是最初与平面基底11的第一表面14平行 的平面。需要注意的是，此处，术语"最初"指的是在传感器的制造阶段中元件的尺寸。本领 域技术人员理解到:在压力传感器的操作期间，各部分可能变形而不同于其最初的平面形 状。
[0028] 在图1的结构中，平面基底11、侧壁13和隔膜板16彼此附接，使得第一表面14、第二 表面18和侧壁13的内表面形成密闭间隙12,该密闭间隙12包含在参考压力下的挥发性物 质。间隙12可以被抽真空以仅包含少量残余气体，但该间隙12还可以填充有在选定参考压 力下的选定气体或者其它挥发性物质。
[0029]隔膜板16在间隙12的周界开口上方延伸的一部分提供了隔膜10,该隔膜10的外周 由开口限定。可以以电容方式检测隔膜10的变形，或者可替选地采用通过利用合并的压敏 电阻器或应变计电阻器将变形所引起的隔膜的应力转换为电信号的压阻式方法或类似的 基于应变计的方法来检测隔膜10的变形。所有这些方法在本领域中是公开的，并且在本文 中将不再详细地讨论本领域技术人员所公知的这些方法。
[0030] 图1的传感器结构的缺点在于，往往会存在与侧壁13相关联的大的恒定电容。由于 侧壁13位于隔膜板的外周处，所以与形成传感器电容器的压力敏感部分的弯曲隔膜10的面 积相比，侧壁13的面积相当大。此外，侧壁13的绝缘材料具有相当大的相对介电常数(在绝 缘材料是二氧化硅的情况下，相对介电常数为4)，这使与侧壁13相关联的电容乘倍增加。该 侧壁电容与传感器电容以电学的方式并联，并且当估算隔膜板16与平面基底11之间的电容 时，将传感器电容与侧壁电容相加。这有效地减小了相对灵敏度（由于施加的标称全刻度压 力引起的电容变化与在零压力下的电容的比率），并且呈现了作为压力的函数的1/C(电容 的倒数)特性的重度非线性。
[0031] 另外，传感器结构的外表面经常暴露于环境条件，这可能会引起电阻性泄露或电 容性泄露以及对电容式测量结果的其它寄生影响。
[0032]现在已经检测到:可以利用其中侧壁层包括集成的屏蔽电极的结构来有效地减小 这些影响。相应地，侧壁由至少三个层形成：由绝缘材料构成的第一层和第二层以及位于它 们之间的由导电材料构成的第三层。第三层提供了用于该结构的集成屏蔽电极。图2A、图2B 图示了这样的结构的示例性实施方式。图2A图示了所述结构的侧视图，而图2B图示了该结 构的俯视图。
[0033]图2A和图2B的微机电压力传感器结构包括如图1所描述的平面基底21和隔膜板 20。示例性绝对压力传感器结构还包括侧壁23,该侧壁23连接至平面基底21以及隔膜板20 以形成密闭间隙22,该密闭间隙22包含在参考压力下的挥发性物质。要注意的是，在差分压 力传感器结构中，例如可以通过平面基底21内的通道向间隙22引入参考压力。在图2的结构 中，隔膜板20的至少一部分由于参考压力与传感器结构周围的环境压力之间的差异而变 形。可以利用电容式感测将隔膜板20的位移转换成电信号。在平面基底21的第一表面24与 隔膜板20的第二表面25之间形成电容。侧壁23还对间隙22进行密封，使得在间隙22与传感 器的外部之间不存在可能的流体转移。
[0034]侧壁层23是包括至少三个层的多层结构，其中两个层27、28由电绝缘材料构成(优 选地由二氧化硅构成），并且在它们之间的层29由导电材料构成(优选地由多晶硅构成）。第 一层28的一个表面连接至平面基底21的第一表面24,而第一层的另一个表面连接至第三层 27。第二层29的一个表面连接至隔膜板上的第二表面25,而第二层的另一个表面连接至第 三层27。因而，形成侧壁层23的绝缘第一层28、提供屏蔽电极的第三层27以及第二层29堆叠 在彼此的顶部，使得它们至少部分地重叠。间隙22的高度由第一层28的厚度、第二层29的厚 度以及第三层27的厚度的总和来确定。
[0035]由于所描述的侧壁的多层结构，所以与侧壁23相关联的额外的并联电容现在被布 置成存在于隔膜板26与由第三层27所提供的屏蔽电极之间，而非存在于隔膜板26与平面基 底21之间。如将要描述的，可以利用电容转换器电路使该额外电容对隔膜板26与平面基底 21之间的测量电容的影响最小化，并且因此实际地消除了侧壁对相对灵敏度和线性度的不 利影响。
[0036]在该结构中，可以对第一层28、中间层27以及第二层29进行布置并进行图案化，使 得第一绝缘层28水平地延伸超过第三层27，并且第三层27水平地延伸超过第二绝缘层29。 换言之，在传感器结构的具有与其结构层垂直的(例如与第一表面24的平面垂直的)平面的 横截面中，与第三层27的外周相比，第一层28的外周与间隙相距较远，并且与第二层的外周 相比，第三层的外周与间隙相距较远。相应地，在同一横截面中，第一层28的相对内周之间 的距离（即间隙的宽度)可以小于第三层27的相对内周之间的距离1，并且第三层的相对内 周之间的距离1可以小于第二层29的相对内周之间的距离W 2。
[0037]如图2B中所示，因此，当从顶部观察时，第一绝缘层28的外周明显超过第三层27的 边缘，并且第三层27的外周明显超过第二层29的边缘。有利地，第二层的外周也延伸超过隔 膜板26,使得第二层29的外周明显超过隔膜板26的边缘。如果在没有隔膜板的情况下从顶 部观察侧壁，则在三个层23、27和28的内周和外周二者的所有位置处，可以看到第一层28的 一部分延伸超过第三层27的外边缘，并且第三层27的一部分延伸超过侧壁层23的外边缘。 相应地，外部泄漏电流和寄生电容影响被最小化，这是因为在隔膜板26与平面基底21之间 实际上不存在用于电阻性电流或电容性电流流动的便捷通路。在传感器的外周周围的所有 位置处，存在使该通路延长以及中断该通路的屏蔽层27。
[0038] 在上述结构中，可以借助于具有闭环运算放大器的电容转换器电路来消除或者至 少明显减小寄生电容和并联电容。在该布置中，测量电容结果是根据平面基底21与在没有 由第三层27创建的屏蔽电极(在俯视图中未被屏蔽电极覆盖的）的区域上方的隔膜板26之 间的电容而得到的。可以有效地消除平面基底21与屏蔽电极27之间的电容的影响、隔膜板 26与屏蔽电极27之间的电容的影响以及跨边缘23的寄生电容和泄漏电阻的影响。在图2的 传感器结构中，如果运算放大器电路被布置成使得屏蔽电极27保持与隔膜板20或平面基底 21中任一者的电极处于相同的电势，则可以使得运算放大器的电压输出基本上仅表示隔膜 板的中央部分与平面基底之间的电容。因此可以通过运算放大器的开环增益的因子而使跨 以下绝缘表面的并联电容以及可能的泄漏电流减小:从隔膜板至屏蔽电极27的绝缘表面以 及从屏蔽电极27至平面基底21的绝缘表面。
[0039] 对于传感器的适当操作，屏蔽电极27可以连接至恒定电势，优选地连接至与传感 器连接的电路的地电势或的虚拟地电势，或者连接至以下任何其它电势：该电势允许将在 隔膜板26与平面基底21之间流动的电流分成在隔膜板26与屏蔽电极27之间流动的电流以 及在平面基底21与屏蔽电极27之间流动的电流。换言之，可以适应性地调整在隔膜板26与 第三层27之间的电阻抗以及在平面基底21与第三层27之间的电阻抗，使得不影响在隔膜板 26与平面基底21之间的测量电容。
[0040] 图3A至图3F图示了适用于减小传感器结构中的不期望影响的示例性电容转换器 电路配置。该配置包括运算放大器30、用于平面基底电极的端子输入31、用于隔膜板电极的 端子输入36、连接至屏蔽电极的端子输入32、电压源34或电流源35以及参考阻抗37。连接这 些部件以获得以下电压输出：该电压输出表示在没有来自跨侧壁层的并联电容以及来自由 于变化的湿度所引起的绝缘层表面导电性的改变的明显影响的情况下，在隔膜板与平面基 底之间的电容。然而，对本领域技术人员来说清楚的是:在不脱离保护范围的情况下，可以 应用运算放大器电路配置的其它变型，该运算放大器电路配置以所要求保护的方式来应用 运算放大。
[0041]图3A至图3D示出了示例性的反相运算放大器电路，其中，正的非反相输入连接至 公共地电势或零电压端子。由于闭环反馈电路的近零差分输入电压要求，所以在反相输入 端处的电压电势近似等于在非反相输入端处的电压电势，并且产生虚拟地电势求和点38。
[0042] 在图3A中，屏蔽电极被布置成与平面基底相同的电势。如图3A所示，平面基底端子 31连接至放大器的反相输入端处的虚拟地电势，并且屏蔽电极端子32处于地电势。由于此， 所以屏蔽电极与平面基底之间的电压和电流是可忽略的并且实际上对在平面基底与隔膜 板之间所测量的电容值没有影响。隔膜板端子36连接至电压源34,使得屏蔽电极与隔膜板 之间的电流是可忽略的并且实际上对在隔膜板与平面基底之间所测量的电容值没有影响。 屏蔽电极与平面基底之间的电容被连接在地电势与虚拟地电势38之间，并且实际上对在隔 膜板与平面基底之间所测量的电容值没有影响。
[0043] 作为进一步的背景，由Cs来表示平面基底端子31与隔膜板端子36之间的电容，并 且由Cl来表示平面基底端子31与屏蔽电极端子32之间的电容。还假设以下：电压源34是具 有有效电压Ui的AC电压源;反馈电路元件37是具有等于C F的电容的电容器；以及放大器的 开环增益为A。放大器的输出电压Uo可以被写为：
[0045]因此，通过放大器开环增益的量使Cl的作用减小。隔膜板端子36与屏蔽电极端子 32之间的电容也对输出电压没有影响，这是因为该电容与电压源Ui并联连接，该电压源Ui作 为理想电压源可以在没有电压改变的情况下向该电容提供电流。
[0046]在图3B中，屏蔽电极被布置成与隔膜板几乎相同的电势。如图3B所示，隔膜板端子 36连接至放大器的反相输入端处的虚拟地电势，并且屏蔽电极端子32处于地电势。由于此， 所以屏蔽电极与隔膜板之间的电压和电流是可忽略的并且实际上对在平面基底与隔膜板 之间所测量的电容值没有影响。平面基底端子31连接至电压源34,使得屏蔽电极与平面基 底之间的电流是可忽略的并且实际上对在隔膜板与平面基底之间所测量的电容值没有影 响。屏蔽电极与平面基底之间的电容被连接在地电势与电压源之间，并且因此实际上对在 隔膜板与平面基底之间所测量的电容值没有影响。
[0047]在图3C中，屏蔽电极也被布置成与隔膜板几乎相同的电势。如图3C所示，隔膜板端 子36连接至放大器的反相输入端处的虚拟地电势，并且屏蔽电极端子32处于地电势。由于 此，所述屏蔽电极与隔膜板之间的电压和电流是可忽略的并且实际上对在平面基底与隔膜 板之间所测量的电容值没有影响。平面基底端子31连接至放大器30的输出端，使得屏蔽电 极与平面基底之间的电流是可忽略的并且实际上对在隔膜板与平面基底之间所测量的电 容值没有影响。屏蔽电极与平面基底之间的电容被连接在地电势与放大器30的输出端之 间，并且因此实际上对在隔膜板与平面基底之间所测量的电容值没有影响。
[0048]在图3D中，屏蔽电极再次被布置成与平面基底几乎相同的电势。如图3D所示，平面 基底端子31连接至放大器的反相输入端处的虚拟地电势，并且屏蔽电极端子32处于地电 势。由于此，所以屏蔽电极与平面基底之间的电压和电流是可忽略的并且实际上对在平面 基底与隔膜板之间所测量的电容值没有影响。隔膜板端子36连接至放大器30的输出端，使 得屏蔽电极与隔膜板之间的电流是可忽略的并且实际上对在隔膜板与平面基底之间所测 量的电容值没有影响。屏蔽电极与平面基底之间的电容被连接在地电势与虚拟地电势68之 间，并且因此实际上对在隔膜板与平面基底之间所测量的电容值没有影响。
[0049]在图3A至图3D中，屏蔽电极端子连接至地电势。平面基底的端子或隔膜板的端子 提供感应电容，并且传感器端子中的一个端子连接至放大器电路的虚拟地电势。当使通过 屏蔽电极端子的电流与通过隔膜板端子的电流彼此隔离时，这使得传感器端子中的一个和 屏蔽电极端子能够保持处于几乎相同的电压。以下在本发明范围之内：使用除了在图3A至 图3D中示出的布置以外的该原理的很多变型。
[0050] 图3E和图3F示出了示例性的非反相运算放大器电路。运算放大器30被用作电压跟 随器，其中，运算放大器的输出端直接连接回到反相输入端。反相输入端处的电压电势几乎 等于非反相输入端处的电压电势。
[0051] 在图3E中，屏蔽电极被布置成与隔膜板几乎相同的电势。如图3E所示，隔膜板端子 36连接至电流源35,其具有预定的或其它已知的电流。可以理解的是：电流源35还可以由具 有内部阻抗的电流源和电压源的组合形成，并且其中，电流不是恒定的，但是其可以通过利 用如分流电阻器或其它已知的电流测量技术进行测量来获知。由于隔膜板和屏蔽电极现在 处于几乎相同的电势，所以实际上在它们之间无电流流过。由于屏蔽电极与平面基底之间 的潜在的泄漏电流或电容性电流是在实际上不影响输出电压的情况下由放大器提供的，所 以实际上该电流也对隔膜板或平面基底之间的电压或电流没有影响。
[0052]作为进一步的背景，由Cs来表示平面基底端子31与隔膜板端子36之间的电容，并 且由Ci来表不放大器的反相输入(-)与非反相输入(+ )之间的电容。该电容包括放大器的输 入电容以及隔膜板端子36与屏蔽电极端子32之间的电容二者。还假设以下：电流源35是在 频率f处具有有效电流jj^AC源，并且放大器的开环增益为A。放大器的输出电压Uo可以被写 为：
[0054]因此，通过放大器开环增益A的量使G的作用减小。因为平面基底端子31与屏蔽电 极端子32之间的电容被连接在放大器的输出端子与地端子之间，所以该电容也对输出电压 无影响，并且因此对输出电压几乎无影响。
[0055]在图3F中，屏蔽电极被布置成与平面基底几乎相同的电势。如图3F所示，平面基底 端子31连接至电流源35,其具有预定的或其它已知的电流。由于平面基底和屏蔽电极现在 处于几乎相同的电势，所以实际上在它们之间无电流流过。由于屏蔽电极与隔膜板之间的 潜在的泄漏电流或电容性电流是在实际上不影响输出电压的情况下由放大器提供的，所以 实际上该电流也对隔膜板与平面基底之间的电压或电流没有影响。
[0056]在图3E和图3F中，屏蔽电极端子连接至放大器的输出端，该放大器被布置成紧紧 跟随传感器端子中的一个传感器端子的电势，从而使得屏蔽电极端子与所述一个传感器端 子之间的电流可忽略。以下在本发明范围之内：使用除了在图3E至图3F中给出的布置以外 的该原理的很多变型。
[0057]图3A至图3F的所有示例使用呈反馈配置的放大器，以保持屏蔽电极端子的电势接 近传感器端子中的一个的电势，同时保持通过屏蔽层的电流通路与通过隔膜板端子的电流 通路分开。
[0058]在图2A和图2B的传感器结构中，间隙22的高度由第一层28的厚度、第二层29的厚 度以及第三层27的厚度的总和来确定。在间隙高度需要非常小例如量级为一微米或更小的 应用中，这可能会引起层厚度小到不切实际。图4图示了更适于这样的应用的另一实施方式 的侧视图。该结构的俯视图与图2B所示的俯视图相对应。在该实施方式中，第一层28在平面 基底21的第一表面上延伸，并且在其顶部载有内电极层400。内电极层400在绝缘第一层28 上延伸，该内电极层400被第三层27的屏蔽电极所围绕。内电极层有利地延伸以填充屏蔽电 极内的几乎整个区域，但内电极层例如通过窄沟槽402而与第三层27的屏蔽电极电隔离。内 电极层的范围可以被布置成使得在通过结构层的横截面上，在第一层上的内电极层400的 宽度和第三层27的宽度是电隔离区域如沟槽402的宽度的多倍(至少十倍）。由于内电极层， 所以在内电极层400与隔膜板20的相对表面之间有效地形成介电间隙。相应地，传感器的电 容由此仅由第二层29的厚度来确定，而不再由第一层28的厚度和第三层27的厚度来确定。
[0059]有利地，内电极层400与屏蔽层27具有相同的厚度，并且由相同的导电材料制成。 在电隔离区域是沟槽的情况下，内电极层400可以如图4所示的那样仅穿过第三层延伸延伸 到平面基底，或者穿过第三层和第一层延伸到平面基底。在这两种情况中的任一情况下，隔 膜20与内电极层400之间的测量电容变得串联耦合至内电极层400与平面基底21之间的恒 定电容。在一些情况下，这可能给实现方式带来额外的复杂性。图5图示了另外的实施方式， 其中，电极层适于通过接触开口 501而与平面基底21处于电接触。有利地，接触开口比较小， 即在横截面中，内电极层400的宽度是接触开口501的宽度的多倍(至少十倍）。在范围内，也 可以使用较大的接触开口，但是这趋于使侧壁层的制造工艺复杂化。
[0060] 自由选择第一层28的厚度和第三层27的厚度以及增加层29的厚度的可能性使得 侧壁层的制造更容易。此外，由于可以增加介电层28的厚度和介电层29的厚度，所以屏蔽电 极27与平面基底21之间的电容以及屏蔽电极27与隔膜板26之间的电容将被减小。这降低了 噪声增益，并且因此降低了在传感器结构中与屏蔽电极一起使用的闭环放大器的电噪声。
[0061] 图1的传感器结构的另外的缺点在于，弯曲隔膜10与平面基底11之间的电容具有 与隔膜10的边缘(其接近于侧壁13处的支撑部)相关联的一部分，并且在该部分中，由于施 加的压力而引起的隔膜的弯曲不明显。
[0062]图2A和图2B的示例性实施方式（同样应用于图4和图5)图示了将侧壁层23进一步 布置成使得同样缓解该缺点的方法。在图2A中，W2表示隔膜的宽度，意指隔膜板20响应于环 境压力的改变而发生实质上弯曲的部分。图2A的W2对应于位于连接至隔膜板20的侧壁的上 表面的隔膜的横截面宽度，即第二层的在两个相对点处的相对侧壁之间的距离。W1表示隔 膜的未屏蔽宽度或电容性宽度。图2A的W1对应于第三层中的间隙的相应横截面宽度，即周 向第三层27的相对内周之间的距离，该横截面宽度根据传感器结构的同一横截面来确定。 当W2大于W1时，第三层27的一部分位于隔膜板20的弯曲隔膜与平面基底21之间。这意味着 在弯曲隔膜20与平面基底21之间的弯曲十分小的情况下，隔膜的一部分25的电容被排除在 所测量的传感器电容之外。
[0063] 图6至图9示出了利用示例性的测试传感器结构所得出的模拟结果，其中，长方形 隔膜的尺寸为〇 . 2 X 1mm，隔膜板的厚度为5wii，而间隙（侧壁）的高度为0.5wii。图6示出了沿 着在相对侧壁之间延伸的隔膜的宽度的相对弯曲的示例。图7图示了作为比的函数 的绝对电容改变的变化。图8图示了作为比的函数的相对电容改变。更具体地，图8示 出了电容改变与在零压力下的电容之间的比率的改变。图9图示了作为比率1 /W2的函数的 1/C特性的非线性。
[0064] 图6至图9示出了在接近边缘的区域中产生的电容部分对绝对灵敏度(每压力的电 容改变)具有很小的附加价值，并且对传感器的相对灵敏度(每压力的在零压力下的每电容 的电容改变)具有不利影响。图6示出了在隔膜的接近侧壁的部分，隔膜的弯曲非常小。图7 示出了 il/Ws = 0.4时，电容改变仍然是在1/W2 = 1时的最大值的大约80 % (~2.5/3.2)。 从图8中可以看到，在具有相同比率Wi/W2 = 0.4的情况下，相对电容改变已经提高了大约2 (~1.75/0.9)的因子。从图9中可以看到，在具有相同比率l/W^O. 4的情况下，非线性误差 已经从大于6%减小至0.6%。相应地，通过使比率1/W2减小至比1小，可以可控地提高相对 灵敏度和线性度，而无需明显妥协可获得的绝对电容改变。
[0065]图10图示了微机电压力传感器90的实施方式，该微机电压力传感器90包括所要求 保护的微机电压力传感器结构91。压力传感器还包括电路部分92。传感器结构91和电路部 分92可以是分呙的芯片。
[0066]电路部分92可以通过电线93连接至平面基底、连接至屏蔽层以及连接至隔膜板。 电路还可以包括运算放大器，该运算放大器以反馈配置连接以使屏蔽电极保持与平面基底 或第一平面层中的任一者处于相同的电势，并且使通过这些端子的电路通路保持分离，如 图2A、图2B、图4、图5以及图3A至图3F中所讨论的那样。
[0067]对本领域技术人员来说明显的是，随着技术进步，本发明的基本构思可以以多种 方式来实现。因此，本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变 化。
【主权项】
1. 一种微机电压力传感器结构，包括平面基底、侧壁层和隔膜板，其中， 所述侧壁层形成从所述平面基底延伸到与所述隔膜板接触的侧壁； 所述侧壁层由至少三个层形成：由绝缘材料构成的第一层和第二层以及由导电材料构 成的第三层，其中，所述第三层位于所述第一层与所述第二层之间。2. 根据权利要求1所述的微机电压力传感器结构，其特征在于:所述第一层水平地延伸 超过所述第三层，并且所述第三层水平地延伸超过所述第二层。3. 根据权利要求2所述的微机电压力传感器结构，其特征在于:在横截面中，所述第一 绝缘层的外周水平地延伸超过所述第三层的外周，并且所述第三层的外周水平地延伸超过 所述第二绝缘层的外周。4. 根据权利要求2或3所述的微机电压力传感器结构，其特征在于:在横截面中，所述第 一层的相对内周之间的距离小于所述第三层的相对内周之间的距离，并且所述第三层的相 对内周之间的距离小于所述第二层的相对内周之间的距离。5. 根据权利要求1、2或3所述的微机电压力传感器结构，其特征在于： 所述隔膜板的与所述侧壁层未接触的部分提供了隔膜； 处于所述第三层水平的间隙的横截面宽度与所述隔膜的相应横截面宽度之间的比率 小于1。6. 根据权利要求5所述的微机电压力传感器结构，其特征在于:所述比率在0.3至0.7的 范围内。7. 根据权利要求6所述的微机电压力传感器结构，其特征在于:所述比率为0.4。8. 根据前述权利要求中任一项所述的微机电压力传感器结构，其特征在于:所述第一 层和/或所述第二层由二氧化硅制成。9. 根据前述权利要求中任一项所述的微机电压力传感器结构，其特征在于所述侧壁内 的由导电材料构成的内电极层，其中，所述内电极层与所述第三层电隔离。10. 根据权利要求9所述的微机电压力传感器结构，其特征在于:所述电隔离由围绕所 述内电极层的电隔离区域提供。11. 根据权利要求10所述的微机电压力传感器结构，其特征在于：电隔离区域是穿过所 述内电极层和所述第一层延伸至所述平面基底的沟槽。12. 根据权利要求9、10或11所述的微机电压力传感器结构，其特征在于:所述内电极层 通过接触开口与所述平面基底电接触。13. -种压力传感器，包括前述权利要求中任一项所述的压力传感器结构。14. 根据权利要求13所述的压力传感器，其特征在于： 所述压力传感器包括电路，所述电路通过电线连接至所述平面基底、连接至所述屏蔽 电极以及连接至所述隔膜板； 所述电路包括运算放大器，所述运算放大器以反馈配置连接以使屏蔽电极保持与所述 平面基底或所述隔膜板中的任一者处于相同的电势，并且使得通过所述屏蔽电极的电流通 路与通过所述隔膜板的电流通路彼此分开。15. 根据权利要求13或14所述的压力传感器，其特征在于： 所述压力传感器包括电路，所述电路通过电线连接至所述平面基底、连接至所述导电 材料层以及连接至所述隔膜板； 所述电路包括运算放大器，所述运算放大器以反馈配置连接以使导电材料层保持与所 述平面基底或所述隔膜板中的任一者处于相同的电势，并且使通过所述屏蔽电极的电流通 路与通过隔膜板的电流通路彼此分开。16.根据权利要求14或15所述的压力传感器，其特征在于:所述运算放大器是反相运算 放大器或非反相运算放大器。
【文档编号】G01L9/00GK105917205SQ201580004485
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年1月13日
【发明人】海基·库斯玛, 吉田浩, 吉田浩一
【申请人】株式会社村田制作所