一种mems电容式压力传感器及其制作方法
【专利摘要】一种MEMS电容式压力传感器，其通过将桥式电路中感应电容开孔处理制作成参考电容，因为感应电容和参考电容的结构几乎相同，故，两电容温度系数一致，该两电容受温度影响程度相同，而桥式电路之输出检测信号为一差分信号，故桥式电路所输出的检测信号不受温度参数的影响，该检测信号在桥式电路部分就实现了自动温度校正，具有上述结构的压力传感器无需设置温度补偿模块，便可精准测量外界气压，液压和水压等变化。该压力传感器无需温度补偿模块的同时，该压力传感器的感应电容与参考电容均叠加在集成的基础电路上层，压力传感器面积大幅缩小。
【专利说明】-种MEMS电容式压力传感器及其制作方法 【【技术领域】】
[0001] 本发明涉及微机电领域，特别涉及一种能够实现自动温度校正的电容式压力传感 器，以及该传感器之制作方法。 【【背景技术】】
[0002] 微机电系统（Microelectro Mechanical Systems，简称MEMS)是在微电子技术基 础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，是一种采用半导体工艺制造微型机电器件的 技术。与传统机电器件相比，MEMS器件在耐高温、小体积、低功耗方面具有十分明显的优 势。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一，它涉及电子、机械、材料、物 理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。
[0003] 压力传感器作为MEMS器件之一，相对于传统的机械传感器，其具有尺寸小，控制 精度高等优点，故，该压力传感器被广泛地使用在各大电子领域，例如：轮胎压力监测压力 传感器，发动机机油压力传感器，汽车刹车系统空气压力传感器等。
[0004] 压力传感器是一种将压力信号转换为电信号的换能器。根据工作原理的不同分为 压阻式压力传感器和电容式压力传感器。电容式压力传感器是利用电容敏感元件，将被测 压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器，其原理为通过压力改变顶部电极和 底部电极之间的电容，以此来测量压力。与压阻式压力传感器相比具有动态响应快，灵敏度 高等优点，其分辨率较好的同时，具有低温漂移和适于批量生产的特点。然而，测压时，电容 变化量较小，其特性曲线有较严重的非线性，且受温度变化的影响，因此，在环境温度变化 较大时，除了需要进行非线性校正外，还需要进行温度补偿，因此，对于每一个电容，进行线 性化校正与温度漂移补偿就变得非常重要。在现有的压力传感器均设置有温度补偿电路模 块，从而减弱温度对压力传感器之检测精度的影响，如图1所示，现有压力传感器50包括一 桥式电路51，基础电路52以及温度补偿模块53,基础电路52用于处理桥式电路51传输过 来的检测数据，温度补偿模块53用于实现对检测数据的温度补偿。但这种设置温度补偿模 块的方式不仅增加了传感器的体积，也提高了传感器的成本。 【
【发明内容】
】
[0005] 为克服目前电容式压力传感器之温度补偿模块所带来的精度低，体积大，成本高 以及现有电容式压力传感器的兼容性差等缺点，本发明提供一种能够实现自动温度校正， 体积小，成本低，兼容性好的电容式压力传感器以及该压力传感器的制造方法。
[0006] 本发明提供一种MEMS电容式压力传感器，该压力传感器包括一桥式电路与基础 电路，桥式电路与基础电路相连接，该桥式电路包括感应电容和参考电容，感应电容感应外 界环境之压力变化，参考电容感应的压力参数与外界环境之压力参数保持一致。
[0007] 优选地，该参考电容包括一压力腔，该压力腔与外界连通。
[0008] 优选地，该参考电容包括下极板，感应薄膜层及密封层，感应薄膜层位于下极板与 密封层之间，且感应薄膜层与下极板之间包括一压力腔，该压力腔通过参考电容上设置的 通孔与外界连通。
[0009] 优选地，感应电容包括一压力腔，该压力腔与外界隔绝。
[0010] 优选地，该压力传感器包括一衬底，该衬底内部集成了基础电路，基础电路之上集 成了感应电容和参考电容，该感应电容与参考电容构成桥式电路。
[0011] 优选地，该感应电容包括一下极板，一感应薄膜层，位于下极板与感应薄膜层之间 的压力腔，以及覆盖于感应薄膜层上的密封层，该感应电容与参考电容的温度参数一致。
[0012] 本发明还提供一种MEMS电容式压力传感器的制造方法，其包括步骤：
[0013] S1 :提供一衬底；及
[0014] S2 :在衬底之上制作感应电容与参考电容，该感应电容感应外界环境之压力变化， 该参考电容感应的压力参数与外界环境之压力参数保持一致。
[0015] 优选地，在步骤S2中，制作感应电容与参考电容的步骤包括：制作一感应电容压 力腔和一参考电容压力腔，该感应电容压力腔为密闭空间，该参考电容压力腔与外界连通。
[0016] 优选地，在步骤S2中，制作感应电容与参考电容的步骤包括：
[0017] S21 :在衬底上放置至少二间隔设置的牺牲层；
[0018] S22 :在二牺牲层上放置一感应薄膜层，感应薄膜层将二牺牲层密封；
[0019] S23 :将感应薄膜层进行蚀刻，使感应薄膜层对应于二牺牲层处形成间隔排布的释 放孔；
[0020] S24 :通过释放孔将密封于感应薄膜层与衬底之间的二牺牲层腐蚀掉，该腐蚀方法 为氧气等离子体灰化（〇2Asher)或HF蒸汽（Vapor HF);
[0021] S25 :使用二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，碳化硅以及碳氧化硅等材质中的一种或多 种将感应薄膜层进行密封，形成一密封层，使衬底与感应薄膜层之间至少形成二压力腔，一 压力腔对应于感应电容，一压力腔对应于参考电容。
[0022] 优选地，步骤S2进一步包括：
[0023] S26:将对应于参考电容之密封层进行开孔，该孔贯穿密封层与感应薄膜层，使该 压力腔与外界连通。
[0024] 本发明通过将桥式电路中感应电容开孔处理制作成参考电容，参考电容的牺牲层 腐蚀后所留下的空间与外界环境相通，其电容值大小不受外界环境压力参数的影响。感应 电容感应外界气压，液压和水压等，并通过改变上极板与下极板之间的距离来改变自身的 电容值，并形成检测信号。因为感应电容和参考电容的结构几乎相同，故，两电容温度系数 一致，该两电容受温度影响程度相同，而桥式电路之输出检测信号为一差分信号，故桥式电 路所输出的检测信号不受温度参数的影响，该检测信号在桥式电路部分就实现了自动温度 校正，具有上述结构的压力传感器无需设置温度补偿模块，便可精准测量外界气压，液压和 水压等变化。该压力传感器无需温度补偿模块的同时，该压力传感器的感应电容与参考电 容均叠加在集成的基础电路上层，压力传感器面积大幅缩小。 【【专利附图】
【附图说明】】
[0025] 图1是现有技术电容式压力传感器之电路模块图。
[0026] 图2是本发明电容式压力传感器之电路模块图。
[0027] 图3是本发明电容式压力传感器结构示意图。
[0028] 图4是本发明电容式压力传感器之剖视图。
[0029] 图5是本发明电容式压力传感器之衬底结构示意图。
[0030] 图6是本发明电容式压力传感器在衬底上制作开口的结构示意图。
[0031] 图7是本发明电容式压力传感器设置牺牲层的结构示意图。
[0032] 图8是本发明电容式压力传感器设置感应薄膜层的结构示意图。
[0033] 图9是本发明电容式压力传感器之感应薄膜层处理结构示意图。
[0034] 图10是本发明电容式压力传感器之释放孔的蚀刻处理结构示意图。
[0035] 图11是本发明电容式压力传感器释放牺牲层的结构示意图。
[0036] 图12是本发明电容式压力传感器之密封结构示意图。
[0037] 图13是本发明电容式压力传感器之第一开孔制作结构示意图。
[0038] 图14是本发明电容式压力传感器之第二开孔制作结构示意图。 【【具体实施方式】】
[0039] 为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不用于限定本发明。
[0040] 请参阅图2,电容式压力传感器10包括一桥式电路16与一基础电路15,桥式电路 16与基础电路15相连接，桥式电路16用于检测外部环境压力(气压，水压以及液压等)之变 化，基础电路15用于处理桥式电路16所检测到的信号。该基础电路15包括一模/数转化 模块17, 一有限脉冲响应滤波模块18, 一可编程只读存储模块19, 一数/模转换模块20, 一 低通滤波模块21，一数据控制模块22,以及正负电源端子VDD和GND。电源端子VDD与GND 为压力传感器10提供电源。桥式电路16检测外部环境压力之变化，并将所检测之信号依 次通过模/数转化模块17、有限脉冲响应滤波模块18、可编程只读存储模块19、数/模转 换模块20和低通滤波模块21后传输到Vout端，由Vout端将所检测并经过处理之信号输 出至外部电路。数据控制模块22与可编程只读存储模块19连接的同时，接有一测试端口 Test_in，供压力传感器10进行测试等操作。
[0041] 该桥式电路16功能为检测外部环境压力（气压，水压以及液压等）之变化，该桥式 电路16包括两组电容，一组为感应电容161，163,另一组为参考电容165, 167,两感应电容 161，163的结构参数相同，两参考电容165, 167的结构参数相同。
[0042] 模/数转化模块17作用为实现模拟-数字信号转换，桥式电路16对外界环境之 检测信号为一模拟信号，传输至模/数转化模块17后，模/数转化模块17将该模拟信号转 换数字信号并传递给有限脉冲响应滤波模块18。
[0043] 有限脉冲响应滤波模块18作用为滤除干扰信号，同时，有限脉冲响应滤波模块18 具有较为严格的线性相位特性，系统稳定，故信号经过有限脉冲响应滤波模块18后，可抑 制模拟滤波器所无法克服的电压漂移，温度漂移和噪声等问题。
[0044] 可编程只读存储模块19是一种存储记忆晶片，它允许可编程只读存储模块19编 程器的硬件将数据写入设备中，使用者可根据设计需要写入相应的程序，但该种写入操作 次数仅为一次。
[0045] 数/模转换模块20是与模/数转化模块17相逆的一个信号处理过程，即将数字 信号转换为模拟信号，数/模转换模块20把可编程只读存储模块19传输过来的数字信号 转化成模拟信号后传输给低通滤波模块21。
[0046] 低通滤波模块21对数/模转换模块20传输过来的模拟信号进行滤波处理，过滤 掉不必要的信号成分，同时将过滤之后的信号输出Vout信号端，由Vout端将所检测并经过 处理之信号输出至外部电路。
[0047] 数据控制模块22用于对可编程只读存储模块19中数据进行记录，调整与校验，同 时该模块与测试端口 Test_in相连接，该测试接口 Test_in供压力传感器进行测试等操作。
[0048] 请参阅图3,压力传感器10包括一衬底11，该衬底11内部集成了基础电路15,该 衬底11之上叠加有感应电容161，163以及参考电容165, 167,该感应电容161，163和参考 电容165, 167构成桥式电路16,并与基础电路15电性连接。电容所构成的桥式电路16检 测外部环境压力的变化，并将该检测信号传输给集成于衬底11的基础电路15。因为，感应 电容161，163的结构参数相同，参考电容165, 167的结构参数相同，以下均以感应电容161 与参考电容165为例，对电容的具体结构以及电容的制作工艺进行说明。
[0049] 请参阅图4,感应电容161和参考电容165基于一衬底11之上，该衬底11包括上 极板连接通道111，下极板112, 212以及下极板连接通道113,该上极板连接通道111，以及 下极板连接通道113均内嵌于衬底11中，下极板112, 212位于衬底11表面，下极板连接通 道113与下极板112, 212相连接。由于感应电容161和参考电容165结构对称且相近，故， 以下先对感应电容161进行说明。
[0050] 感应电容161位于衬底11之上，包括一感应薄膜层13,该感应薄膜层13上设置有 释放孔131，该释放孔131贯穿感应薄膜层13,感应薄膜层13两端与上极板连接通道111 相连接，且与衬底11之间存在一压力腔(未标号)，该压力腔为牺牲层12通过感应薄膜层13 上设置的释放孔131被腐蚀之后所留下的空间，该空间处于密闭状态。感应薄膜层13之上 还设置有一密封层14,该密封层14与衬底11相配合将感应薄膜层13密封起来，仅通过密 封层14上设置的第一通孔141将部分感应薄膜层13暴露于外界环境，该第一通孔141贯 穿密封层14。
[0051] 在如上所述结构中，感应薄膜层13与下极板112之间构成一感应电容161，感应薄 膜层13相当于感应电容161之上极板，下极板112相当于感应电容161之下极板，上极板 与下极板之间为一密闭的压力腔，其空气压强保持不变(理想情况下)，该电容之大小由上 下极板之间的距离以及制作该电容的材质决定，已制造的压力传感器之材质不可改变，故 该感应电容161容值由感应薄膜层13与下极板112之间的距离所决定。该感应电容161 通过感应薄膜层13暴露在外界环境的部分来感应外界环境所引起的气压，水压，液压等的 变化，当外界环境中气压，水压，液压等存在一定变化时，感应薄膜层13与下极板112之间 产生一定的微小位移，该微小位移将引起感应电容161的电容值产生一定变化，故，该感应 电容161之电容值为一检测外界环境压力的检测信号。
[0052] 参考电容165和感应电容161结构相近，在与其相对称的结构上再设置一第二通 孔243即可形成一参考电容165,该第二通孔243贯穿密封层14与感应薄膜层23。感应薄 膜层23相当于参考电容165之上极板，下极板212相当于参考电容165之下极板，上极板 与下极板之间包括一压力腔(未标号)，该压力腔通过第二通孔243与外界相连通，由于参考 电容165两极板之间为一与外界环境相连通的空间，故，该电容的容值大小不受外界环境 压力影响而保持不变。
[0053] 感应电容161，163和参考电容165, 167电性连接构成桥式电路16,该桥式电路 16通过上极板连接通道111和下极板连接通道113与基础电路15相连接，因为感应电容 161，163和参考电容165, 167的结构几乎相同，故，两种电容温度系数一致，该两种电容受 温度影响程度相同，而桥式电路16之输出检测信号为一差分信号，故桥式电路16所输出 的检测信号不受温度参数的影响。该检测信号通过上极板连接通道111和下极板连接通道 113后将信号传输给基础电路15,通过基础电路15对检测信号进行处理后形成最终的电信 号从Vout端输出。
[0054] 在电容式压力传感器10制作中，衬底11和密封层14为绝缘介质，该绝缘介质可 以是二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，碳化硅以及碳氧化硅等材质中的一种或多种。上极板连 接通道111，下极板112和下极板连接通道113均为导电材料，下极板112可选用多晶锗硅， 多晶硅，非晶锗硅，非晶硅等导电的非金属，或者铝，钛、氮化钛、铜或钨等金属，以及上述 导电非晶属和金属组合的复合薄膜。下极板连接通道113可为导电金属铝，铜或钨等。感 应薄膜层13, 23可选用多晶锗硅，多晶硅，非晶锗硅，非晶硅，或者导电的非金属和绝缘 介质的复合薄膜等。第一通孔141和释放孔131之截面形状可为任意形状。此外，感应电 容161，163和参考电容165, 167个数也可为多个。
[0055] 本发明还提供上述压力传感器10之制作方法，其步骤如下：
[0056] S1 :请参阅图5,提供一衬底11，并对该衬底11进行平整处理。该衬底11包括上 极板连接通道111，感应电容下极板112,参考电容下极板212以及下极板连接通道113,该 上极板连接通道111，以及下极板连接通道113均内嵌于衬底11中，感应电容下极板112和 参考电容下极板212位于衬底11表面，下极板连接通道113分别与感应电容下极板112,参 考电容下极板212相连接。上极板连接通道111和下极板连接通道113与集成于衬底11 底部的基础电路15相连接。
[0057] S2 :请参阅图6,在步骤S1中提供的衬底11上制作至少四个开口 115,通过机械加 工或化学腐蚀等工艺在上极板连接通道111处制作开口 115。
[0058] S3 :请参阅图7,在衬底11上放置至少一对牺牲层12,该牺牲层12位于下极板 112, 212上方，其材料可为碳基材料，如光刻胶（Photoresist)、聚酰亚胺（Polymide)、非晶 碳（Armorphous Carbon)等，也可以是二氧化娃材料。
[0059] S4 :请参阅图8,在牺牲层12和衬底11上方放置一感应电容感应薄膜层13,以及 参考电容薄膜层23,该感应电容感应薄膜层13,和参考电容薄膜层23将步骤S2中所设置 的开口 115填充平整，使上极板连接通道111与感应薄膜层13, 23电性连接，牺牲层12被 密封在衬底11与感应薄膜层13, 23之间。
[0060] S5 :请参阅图9,用机械加工或化学腐蚀工艺将感应薄膜层13, 23的两端除去，以 便于感应薄膜层13, 23的密封。
[0061] S6 :请参阅图10,将位于下极板112, 212上方的感应薄膜层13, 23进行蚀刻，使感 应薄膜层13,23上形成间隔设置的释放孔131。
[0062] S7 :请参阅图11，通过释放孔131将密封于感应薄膜层13,23与衬底11之间 的牺牲层12腐蚀掉，形成一压力腔，当牺牲层材料为光刻胶（Photoresist)、聚酰亚胺 (Polymide)、非晶碳（Armorphous Carbon)等，牺牲层腐蚀的方法优选为氧气等离子体灰化 (02Asher)，当牺牲层材料为二氧化硅时，该腐蚀方法优选为HF蒸汽（Vapor HF)法。
[0063] S8 :请参阅图12,使用二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，碳化硅以及碳氧化硅等材质 中的一种或多种将感应薄膜层13, 23进行密封，形成一密封层14。此时，牺牲层12被腐蚀 所留下的空间也处于密闭状态。
[0064] S9 :请参阅图13,对密封层14进行开孔处理，在密封层上设置第一通孔141，该第 一通孔141贯穿密封层14。
[0065] 上述步骤即完成了叠加在衬底11之上的感应电容161的制作，叠加在衬底11之 上的参考电容163之制作步骤仅需在以上基础上再加一步骤S10 :请参阅图14,在密封层 14进行再次开孔，该孔为第二通孔243,其贯穿于密封层14与感应薄膜层23,第二通孔243 使牺牲层12腐蚀后所留下的空间与外界相通。至此，在衬底11上形成了至少一感应电容 161与一参考电容165.
[0066] 感应电容163和参考电容167的制作工艺与上述感应电容161和参考电容165相 同，且该感应电容161，163以及参考电容165, 167的制作可以同时进行，也可逐一进行。
[0067] 相对于现有技术，本发明通过将桥式电路16中感应电容161，163开孔处理制作成 参考电容165, 167,参考电容165, 167的牺牲层12腐蚀后所留下的空间与外界环境相通，其 电容值大小不受外界环境压力参数的影响。感应电容161，163感应外界气压，液压和水压 等，并通过改变上极板与下极板之间的距离来改变自身的电容值，并形成检测信号。因为感 应电容161，163和参考电容165, 167的结构几乎相同，故，两电容温度系数一致，该两电容 受温度影响程度相同，而桥式电路16之输出检测信号为一差分信号，故桥式电路16所输出 的检测信号不受温度参数的影响，该检测信号在桥式电路16部分就实现了自动温度校正， 具有上述结构的压力传感器无需设置温度补偿模块，便可精准测量外界气压，液压和水压 等变化。该压力传感器无需温度补偿模块的同时，该压力传感器的感应电容161，163与参 考电容165, 167均叠加在集成的基础电路15上层，压力传感器10面积大幅缩小。
[0068] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原 则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种MEMS电容式压力传感器，该压力传感器包括一桥式电路与基础电路，桥式电路 与基础电路相连接，其特征在于：该桥式电路包括感应电容和参考电容，感应电容感应外界 环境之压力变化，参考电容感应的压力参数与外界环境之压力参数保持一致。
2. 如权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器，其特征在于：该参考电容包括一 压力腔，该压力腔与外界连通。
3. 如权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器，其特征在于：该参考电容包括下 极板，感应薄膜层及密封层，感应薄膜层位于下极板与密封层之间，且感应薄膜层与下极板 之间包括一压力腔，该压力腔通过参考电容上设置的通孔与外界连通。
4. 如权利要求2所述的一种MEMS电容式压力传感器，其特征在于：感应电容包括一压 力腔，该压力腔与外界隔绝。
5. 如权利要求1所述的一种MEMS电容式压力传感器，其特征在于：该压力传感器包括 一衬底，该衬底内部集成了基础电路，基础电路之上集成了感应电容和参考电容，该感应电 容与参考电容构成桥式电路。
6. 如权利要求3所述的一种MEMS电容式压力传感器，其特征在于：该感应电容包括一 下极板，一感应薄膜层，位于下极板与感应薄膜层之间的压力腔，以及覆盖于感应薄膜层上 的密封层，该感应电容与参考电容的温度参数一致。
7. -种MEMS电容式压力传感器的制造方法，其特征在于： 51 :提供一衬底；及 52 :在衬底之上制作感应电容与参考电容，该感应电容感应外界环境之压力变化，该参 考电容感应的压力参数与外界环境之压力参数保持一致。
8. 如权利要求7所述的种MEMS电容式压力传感器的制造方法，其特征在于：在步骤S2 中，制作感应电容与参考电容的步骤包括：制作一感应电容压力腔和一参考电容压力腔，该 感应电容压力腔为密闭空间，该参考电容压力腔与外界连通。
9. 如权利要求7所述的种MEMS电容式压力传感器的制造方法，其特征在于：在步骤S2 中，制作感应电容与参考电容的步骤包括： 521 :在衬底上放置至少二间隔设置的牺牲层； 522 :在二牺牲层上放置一感应薄膜层，感应薄膜层将二牺牲层密封； 523 :将感应薄膜层进行蚀刻，使感应薄膜层对应于二牺牲层处形成间隔排布的释放 孔； 524 :通过释放孔将密封于感应薄膜层与衬底之间的二牺牲层腐蚀掉，该腐蚀方法为氧 气等离子体灰化（〇2Asher)或HF蒸汽（Vapor HF); 525 :使用二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，碳化硅以及碳氧化硅等材质中的一种或多种将 感应薄膜层进行密封，形成一密封层，使衬底与感应薄膜层之间至少形成二压力腔，一压力 腔对应于感应电容，一压力腔对应于参考电容。
10. 如权利要求9所述的一种MEMS电容式压力传感器的制造方法，其特征在于：步骤 S2进一步包括： 526 :将对应于参考电容之密封层进行开孔，该孔贯穿密封层与感应薄膜层，使该压力 腔与外界连通。
【文档编号】G01L9/12GK104142206SQ201310164777
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年5月7日 优先权日:2013年5月7日
【发明者】毛剑宏, 金洪 申请人:上海丽恒光微电子科技有限公司