具有可变感测间隙的压力传感器的制作方法

本发明大体上涉及微机电系统(mems)传感器封装。更具体来说，本发明涉及一种mems压力传感器，其具有可变感测间隙以用于改变压力传感器的灵敏度。

背景技术：

具有嵌入机械组件的微机电系统(mems)装置包括例如压力传感器、加速计、陀螺仪、麦克风、数字镜面显示器、微型射流装置等。mems装置用于多种产品中，例如汽车安全气囊系统、汽车内控制应用程序、导航、显示系统、喷墨盒等。电容性感测mems装置设计对于微型化装置中的操作是非常需要的，这是因为它们的低温灵敏度、小尺寸并且适合低成本大批量生产。mems压力传感器通常使用压力空腔和被称作隔膜的隔膜元件，其在压力下偏转。在一些配置中，两个电极之间的距离的变化形成可变电容器，以检测由于区域上施加的压力而导致的偏转，这两个电极中的一个电极是固定的，另一个电极是可移动隔膜。

随着mems传感器装置的使用持续增加并且多样化，越来越多地关注高级硅mems传感器装置的开发，这些高级硅mems传感器装置能够以增强的灵敏度感测不同的物理刺激，并且关注将这些传感器(例如加速计、陀螺仪、压力传感器等等)集成到同一个微型化封装中。这些工作主要是受到汽车、医疗、商业和消费品的现有和潜在大容量应用的驱动。mems压力传感器与其它类型的传感器(例如加速计和陀螺仪)的集成尤其在实现这样的压力传感器的必需的增强的灵敏度方面造成特别的难题。

技术实现要素：

本发明的一个方面提供了一种传感器装置，包括：基板，其具有延伸穿过所述基板的端口；隔膜，其跨越所述端口的两端，所述隔膜包括第一电极；第二电极，其以与所述第一电极隔开的关系定位，其中所述第二电极与所述第一电极隔开具有第一宽度的间隙；以及控制电路，其用于向所述第二电极施加致动电压以使所述第二电极相对于所述第一电极移动，其中所述第二电极的移动会将所述间隙从所述第一宽度改变成第二宽度。

在一个实施例中，在所述第二电极的所述移动之后，所述第二宽度小于所述第一宽度。

在一个实施例中，所述传感器装置包括压力传感器，所述端口使所述隔膜暴露于来自外部环境的压力刺激，所述隔膜与所述第一电极一起能响应于所述压力刺激移动，并且所述压力传感器被调适用于作为所述第一电极相对于所述第二电极的移动感测所述压力刺激的量值。

在一个实施例中，当所述第一和第二电极之间的所述间隙是所述第一宽度时，所述压力传感器展现出对所述压力刺激的第一灵敏度；以及当所述第一和第二电极之间的所述间隙是所述第二宽度时，所述压力传感器展现出对所述压力刺激的第二灵敏度，所述第二灵敏度不同于所述第一灵敏度。

在一个实施例中，所述控制电路被配置成当所述压力传感器处于感测模式时向所述第二电极施加所述致动电压，在感测模式期间所述压力传感器在感测所述压力刺激。

在一个实施例中，所述基板包括从所述基板延伸的间隔件，所述间隔件下伏于所述第二电极下面，并且所述能移动的第二电极响应于所述致动电压的施加而邻接所述间隔件。

在一个实施例中，所述间隔件的在所述第一电极上方的高度首先限定所述间隙的所述第二宽度。

在一个实施例中，所述间隔件与所述第一电极电隔离。

在一个实施例中，所述传感器装置进一步包括：结构层，其耦合到所述基板，所述结构层包括框架部件和所述第二电极，所述框架部件具有中心开口，所述第二电极位于该中心开口中，所述第二电极顺应地耦合到所述框架部件；以及顶盖结构，其与所述框架部件耦合以在所述基板与所述顶盖结构之间产生空腔，所述第二电极位于该空腔中，其中所述隔膜跨越所述端口的两端，以将所述空腔与所述外部环境隔离。

在一个实施例中，所述控制电路电耦合到所述第一和第二电极中的每一个，以便在所述第一和第二电极之间施加所述致动电压。

在一个实施例中，所述传感器装置进一步包括感测电路，该感测电路电耦合到所述第一和第二电极中的每一个，用于接收响应于所述第一电极相对于所述第二电极的移动的输出信号。

在一个实施例中，所述传感器装置进一步包括第三电极，该第三电极形成于所述基板的所述表面上并且横向地位移离开所述第一电极，其中所述控制电路电耦合到所述第二和第三电极中的每一个，以便在所述第二和第三电极之间施加所述致动电压。

在一个实施例中，所述端口使所述隔膜暴露于来自外部环境的压力刺激，所述隔膜能响应于所述压力刺激移动，所述第一电极位于所述隔膜的第一区域处，并且所述第三电极位于所述隔膜的第二区域处，所述第一区域响应于所述压力刺激偏转得多于所述第二区域。

在一个实施例中，所述第三电极位于所述基板的所述表面的非隔膜区域处。

在一个实施例中，所述端口使所述隔膜暴露于来自外部环境的压力刺激，所述隔膜能响应于所述压力刺激移动，并且所述传感器装置进一步包括感测电路，该感测电路电耦合到所述第二和第三电极中的每一个，用于接收与所述隔膜的移动无关的参考信号。

本发明的另一方面提供了一种压力传感器装置，包括：基板，其具有延伸穿过所述基板的端口；隔膜，其跨越所述端口的两端，所述隔膜包括第一电极，并且所述端口使所述隔膜暴露于来自外部环境的压力刺激；第二电极，其以与所述第一电极隔开的关系定位，其中所述第二电极与所述第一电极隔开具有第一宽度的间隙；以及控制电路，其用于向所述第二电极施加致动电压以使所述第二电极相对于所述第一电极移动，并且将所述间隙从所述第一宽度改变成第二宽度，所述第二宽度小于所述第一宽度，其中：当所述第一和第二电极之间的所述间隙是所述第一宽度时，所述压力传感器展现出对所述压力刺激的第一灵敏度；当所述第一和第二电极之间的所述间隙是所述第二宽度时，所述压力传感器展现出对所述压力刺激的第二灵敏度，所述第二灵敏度大于所述第一灵敏度；所述隔膜与所述第一电极一起能响应于所述压力刺激移动；以及在施加所述致动电压的同时，作为所述第一电极相对于所述第二电极的移动感测所述压力刺激的量值。

在一个实施例中，所述基板包括从所述基板延伸的间隔件，所述间隔件下伏于所述第二电极下面，并且所述能移动的第二电极响应于所述致动电压的施加而邻接所述间隔件。

在一个实施例中，所述压力传感器装置进一步包括：结构层，其耦合到所述基板，所述结构层包括框架部件和所述第二电极，所述框架部件具有中心开口，所述第二电极位于该中心开口中，所述第二电极顺应地耦合到所述框架部件；以及顶盖结构，其与所述框架部件耦合以在所述基板与所述顶盖结构之间产生空腔，所述第二电极位于该空腔中，其中跨越所述端口的两端的所述隔膜将所述空腔与所述外部环境隔离。

本发明的又另一方面提供了一种方法，包括：提供压力传感器装置，所述压力传感器装置包括基板、具有第一电极的隔膜、和第二电极，其中端口延伸穿过所述基板，所述隔膜跨越所述端口的两端，所述第二电极与所述第一电极隔开具有第一宽度的间隙，所述端口使所述隔膜暴露于来自外部环境的压力刺激，并且所述隔膜连同所述第一电极一起能响应于所述压力刺激移动；向所述第二电极施加致动电压以使所述第二电极相对于所述第一电极移动，其中所述第二电极的移动会将所述间隙从所述第一宽度改变成第二宽度；以及在向所述第二电极施加所述致动电压的同时，作为所述第一电极相对于所述第二电极的移动感测所述压力刺激的量值。

在一个实施例中，在所述施加之前，所述压力传感器展现出对所述压力刺激的第一灵敏度；以及在所述施加期间，所述第二宽度小于所述第一宽度，并且所述压力传感器展现出对所述压力刺激的第二灵敏度，第二灵敏度大于所述第一灵敏度。

附图说明

附图用来另外示出各种实施例并解释根据本发明的所有各种原理和优点，在附图中类似附图标记贯穿不同的视图指代相同的或功能类似的元件，各图不必按比例绘制，附图与下文的具体实施方式一起并入本说明书并且形成本说明书的部分。

图1示出了根据实施例的微机电系统(mems)压力传感器的侧视图的简化和代表形式；

图2示出了压力传感器的沿图1中的截面线2-2的俯视图；

图3示出了处在感测模式的图1的压力传感器；

图4示出了图1的mems压力传感器的电极和控制电路的高度简化的框图；

图5示出了与图1的压力传感器相关联的示例性时序和信号图；

图6示出了根据另一实施例的mems压力传感器的侧视图；

图7示出了压力传感器的沿图6中的截面线7-7的俯视图；

图8示出了根据另一实施例的mems压力传感器的侧视图；

图9示出了图6和图7的压力传感器的电极和控制电路的高度简化的框图；以及

图10示出了与图6和图8的压力传感器相关联的示例性时序和信号图。

具体实施方式

本发明的实施例包括一种具有可变感测间隙(sensegap)的压力传感器装置和用于操作该压力传感器装置的方法。更具体来说，两个电极(其中两个电极中的一个电极是隔膜的一部分)之间的可变感测间隙是通过使得另一个电极能在至少两个位置之间移动而实现的。以此方式，感测间隙的宽度可以减小，由此有效地提高压力传感器装置对于压力刺激的灵敏度。该压力传感器装置的结构可以更容易地使得高灵敏度压力传感器能够集成到集成式微型化传感器封装中，以便实现效率改进、成本节省等等。

提供本公开以另外通过能够实现的方式对在应用时制造和使用根据本发明的各种实施例的最佳模式进行解释。另外提供本公开以加强对本发明的创造性原理及优点的理解和了解，而不是以任何方式限制本发明。本发明仅通过所附权利要求书限定，所述所附权利要求书包括在本申请及所提出的那些权利要求的全部等效物的未决期间所进行的任何修正。

参看图1和图2，图1示出了根据实施例的微机电系统(mems)传感器装置20的侧视图的简化和代表形式，图2示出了传感器装置20沿着图1中的截面线2-2的俯视图。在图示的实施例中，传感器装置20是压力传感器。因此，传感器装置20在本文中将被称作压力传感器20。虽然图1的结构中示出了单个压力传感器20，但是应理解，压力传感器20可以与加速计、陀螺仪、磁力计等等一起集成在多重刺激传感器封装中。

使用各种底纹和/或阴影线以区分mems传感器装置的不同元件来说明图1和2与之后的图3和图6到图8，如下文将论述。可利用当前和未来的沉积、图案化、蚀刻等微机械加工技术来产生结构层内的这些不同元件。另外应当理解，关系术语在本文中的使用(如果存在的话)，例如第一和第二、顶部和底部等等，仅用于区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不必需要或暗示在这些实体或动作之间的任何实际这种关系或次序。

压力传感器20包括装置结构22和与装置结构22耦合的顶盖结构24。在实施例中，装置结构22包括基板26，其具有延伸穿过基板26的端口28。在本文中被称作隔膜30的具有第一电极32的压力感测隔膜跨过端口28两端。第二电极34从第一电极32以隔开的关系定位，使得端口28下伏于第二电极34下面。

在实施例中，装置结构22包括耦合到基板26的结构层36。结构层36包括框架部件38和第二电极34。框架部件38具有中心开口40，第二电极34位于其中。第二电极34经由弹簧元件42顺应地耦合到框架部件38，弹簧元件42使得第二电极34能够在垂直于第一和第二电极32、34的表面的方向上相对于第一电极32移动。

顶盖结构24使用接合层46耦合到装置结构22的顶表面44。在一些实施例中，接合层46可以导电，以便在装置结构22与顶盖结构24之间形成导电互连。举例来说，接合层46可以是铝-锗(al-ge)接合层、金-锡(au-sn)接合层、铜-铜(cu-cu)接合层、铜-锡(cu-sn)接合层、铝-硅(al-si)接合层等。替代地，接合层46可以不导电以便将顶盖结构24与装置结构电隔离。

接合层46可以合适地较厚，从而使得顶盖结构24的内表面48位移离开结构层36中的第二电极34并且不与之接触。因此，产生密封空腔50，第一和第二电极32、34驻留在其中。顶盖结构24可为硅晶片材料。替代地，顶盖结构24可以是包括与压力传感器20相关联的电子器件的专用集成电路(asic)。如图所示，顶盖结构24可进一步包括空腔区域，其从顶盖结构24的内表面48向内延伸以增大(即，加深)空腔50。另外，顶盖结构24可以包括延伸穿过顶盖结构24的一或多个导电硅通孔、形成于顶盖结构24的外表面上的接合垫等等，以用于实现从压力传感器20到另一装置的外部电连接。为图示简单起见本文中未示出这些特征。

压力传感器20被配置成感测来自压力传感器20外部的环境54的输入压力刺激(pin)，表示为箭头52。因此，端口28从基板26的第一表面56完全穿过基板26延伸，以使隔膜30暴露于外部环境54。隔膜30可以包括多个导电材料层和电介质材料层。在一个例子中，电介质材料(例如氧化物和/或氮化物)，在本文中被称作隔离层58，可以形成于基板26的第二表面60上。导电多晶硅层62可以形成于隔离层58上。另一隔离层64可以形成于多晶硅层62上，又一多晶硅层66可以形成于隔离层64上。

多晶硅层66此后可以图案化和蚀刻以形成第一电极32，并且将第一电极32与周围多晶硅层66电隔离。多晶硅层66可以另外图案化和蚀刻以形成一或多个导电迹线68(图2中示出了一个)等等，以便合适地向第一电极32承载信号和从第一电极32承载信号。

多个导电材料层和隔离材料层58、62、64、66合适地较薄，从而使得隔膜30可响应于来自外部环境54的压力刺激(pin)52移动。也就是说，隔膜30经由端口28暴露于外部环境54。因此，隔膜30连同第一电极32能够响应于来自外部环境54的压力刺激52，在总体上垂直于装置结构22的平面的方向上移动。虽然示出了一个实例，但是其它实施例可具有少于或多于上述的特定材料层58、62、64、66。此外，应当强调，构成具有第一电极32的隔膜30的材料层58、62、64、66不是按比例绘制的。在物理配置中，隔膜30可以明显地比例如第二电极34薄，从而使得隔膜30能够响应于压力刺激52相对于第二电极34有效地偏转。

压力传感器20进一步包括间隔件70，其从基板26的第二表面60延伸并且下伏在第二电极34下面。在特定实施例中，间隔件70形成于多晶硅层66中，并且延伸到第一电极32和多晶硅层66的其余部分上方。间隔件70总体上围绕第一电极32均匀布置并且与第一电极32电隔离。举例来说，电介质隔离材料72包围第一电极32和导电迹线68，以便在第一电极32与形成于周围多晶硅层66中的间隔件70之间实现电隔离。如下文将更详细地描述，第二电极34可以移动成更接近或者更远离第一电极32，以便改变第一和第二电极32、34之间的感测间隙74的宽度。在优选实施例中，当第二电极34受到致动移动成更接近第一电极32时，第二电极34将邻接间隔件70。

压力传感器20使用第二电极34作为第一电极32的参考元件，并且使用空腔内的压力形成可变电容器，以检测由于施加的压力(即，压力刺激52)导致的隔膜30的偏转。因此，压力传感器20作为第一电极32相对于第二电极34的移动而感测来自环境54的压力刺激52。这个位置改变产生输出信号，即，电容，其指示压力刺激52的量值。因此，压力传感器20被调适用于作为隔膜30连同第一电极32相对于第二电极34的移动而感测压力刺激52。

图1的侧视图图示中端口28是可见的。然而，图2中端口28被具有第一电极32的隔膜30遮挡无法看到。实际上，提供图2是为了说明隔膜30和第一电极32的代表形状；说明延伸到第一电极32的导电迹线68；说明第一电极32经由隔离材料72与周围材料结构的电隔离；以及说明间隔件70的示例性布置。各种元件的位置、数量、形状和相对尺寸只是代表性的。本领域的技术人员将了解，根据具体设计配置，这些元件可具有其它位置、数量、形状和相对尺寸。

现在参照图1和图3，图3示出了处在感测模式76的压力传感器20，其中第二电极34受到致动以邻接间隔件70。相反，图1示出了处在非感测模式的压力传感器20，其中第二电极34不邻接间隔件70。压力传感器20对于压力刺激52的灵敏度至少部分是因为感测间隙74的宽度。也就是说，当感测间隙74的宽度增加时，压力传感器20将变得不太灵敏，相反，当感测间隙74的宽度减小时，压力传感器20将变得更灵敏。

在实施例中，第二电极34经由控制/感测电路78(见图4)受到致动以使第二电极34相对于第一电极32移动，直到第二电极34邻接间隔件70为止。第二电极34的移动使感测间隙74的宽度从图1中描绘的第一宽度80改变成图2中描绘的第二宽度82。当第一和第二电极32、34之间的感测间隙74是第一宽度80时，压力传感器20展现出对压力刺激52的第一灵敏度，而当第一和第二电极32、34之间的感测间隙74是第二宽度82时，压力传感器20展现出对压力刺激52的第二灵敏度。应当容易观察到在第二电极34移动之后，第二宽度82小于第一宽度80。由于第二宽度82小于第一宽度80，所以压力传感器20对压力刺激52的第二灵敏度将大于第一灵敏度。因此，第二电极34朝向第一电极32移动，实际上会增加压力传感器20对压力刺激52的灵敏度。

感测间隙74的可变宽度可能对于多种情形是有用的。举例来说，制造过程可能使得感测间隙74的宽度过大无法实现期望的灵敏度。因此，感测间隙74可以在制造之后变窄，由此实现期望的灵敏度。在另一个实例中，压力传感器20的灵敏度可以根据其特定的最终用途应用在较低灵敏度与较高灵敏度之间改变。

图4示出了压力传感器20的第一和第二电极32、34和控制/感测电路78的高度简化的框图。具体来说，提供图4以展示致动第二电极34以便将感测间隙74从第一宽度80(图1)改变成第二宽度82，由此有效地增加压力传感器20的灵敏度。因此，在感测模式76中呈现压力传感器20，其中第二电极34邻接间隔件70。因此，间隔件70在第一电极32的感测表面86上方的高度84(当隔膜30未偏转时)限定、确立或以其它方式限制感测间隙74的第二宽度82。此外，呈现压力传感器20以说明当压力传感器20处于感测模式76时，具有第一电极32的隔膜30响应于压力刺激52的量值朝向第二电极34的偏转。

在实施例中，控制/感测电路78包括致动电压源88，其与第一和第二电极32、34中的每一个电连通，以用于在第一和第二电极32、34之间施加致动电压90，标记为vact。致动电压90可以是直流电(dc)偏压电压，其足够高，能牵拉第二电极34使其与基板26上的间隔件70静态接触。也就是说，致动电压90生成静电力以牵拉第二电极34使其与间隔件70接触，并且由此将感测间隙74减小成第二宽度82。静电力足够大，能在压力传感器20处于感测模式76时，确保第二电极34接触间隔件70。

控制/感测电路78进一步包括测量电压源92，其与第一和第二电极32、34中的每一个电连通，以用于在第一和第二电极32、34之间施加测量电压94，标记为vmeas。基于操作的电容性原理的传感器需要一对电极之间的通过有待测量的物理数量调制(即，改变)的电容。在这种情况下，压力传感器20被调适用于测量压力刺激52的量值，以及响应于压力刺激52的量值改变的第一和第二电极32、34之间的电容。测量电压94可以是交流电(ac)电压或切换dc电压(类似方波)。随着第一和第二电极32、34之间的电容改变的测量电压94为电容充电或放电。流动电荷量是对于给定的电压或电压变化的第一和第二电极32、34之间的电容的量度。因此，测量电压94(ac电压或切换dc电压)可以用于电容测量以便获得输出信号96，标记为cout，其指示引起隔膜30的偏转的压力刺激52的量值。

图4出于说明性目的示出致动电压源88是与测量电压源92分开的元件。此外，出于说明性目的，图4示出电压源88、92与第一和第二电极32、34之间的第一组信号线，以及第一和第二电极32、34与电容输出节点98、100之间的第二组信号线。然而，应理解，单个电压源可以施加致动电压90和测量电压94两者作为单个组合信号，这个组合信号足够大并且能实现某些特性。举例来说，组合信号可以包括相对高的dc分量，用于牵拉第二电极34使其与间隔件70接触。组合信号可以另外包括相对较小的ac或切换dc分量，用于电容测量以产生输出信号96。替代地，可以实施下拉模式的具有甚高频(例如高于固有频率(即，系统可能振动的频率))的相对高的ac信号(方波或正弦波)。

在一些实施例中，当顶盖结构24是专用集成电路时，可以在顶盖结构24内提供控制/感测电路78。在其它实施例中，控制/感测电路78可以是经由接合线或所属领域的技术人员已知的其它电互连件与压力传感器20电耦合的分开的装置。此外，控制/感测电路78可以包括用于放大和/或调节输出信号96的电路，用于将输出信号96转换成模拟电压信号的电容到电压转换器电路，用于将模拟电压信号转换成数字输出信号的模拟到数字转换器电路等等。本文中为图示简单起见未呈现这个额外电路。

图5示出了与压力传感器20的操作相关联的示例性时序和信号图102。在操作模式中，在特定的最终用户应用中提供压力传感器20。向第二电极34(图4)施加致动电压90以使第二电极34相对于第一电极32(图4)移动，使得第二电极34的移动让感测间隙74(图4)从第一宽度80改变成更小的第二宽度82。在施加致动电压90的同时，作为具有第一电极32的隔膜30相对于第二电极34(图4)的移动感测输入压力刺激52的量值(pin)。

在图102中，在第一和第二电极32、34之间施加组合信号104。组合信号104包括相对高的dc分量(例如致动电压90，vact)，用于牵拉第二电极34使其与间隔件70(图4)接触。在一段时间滞后之后，牵拉第二电极34使其与间隔件70接触以产生具有第二宽度82的感测间隙74。在这个实例中，组合信号104另外包括相对较小的切换dc分量(测量电压94，vmeas)，其用于电容测量以便产生电容输出信号96(cout)，其中输出信号96响应于压力刺激52，并且从间隙减小为第二宽度82之前的初始电容106(cinit)改变。再次，在向第二电极34施加组合信号104(其包括致动信号分量和切换dc分量)时，检测输出信号96(cout)。此后，对输出信号96进行合适地处理并且将其转换成表示压力刺激52的量值的值。

现在参照图6和图7，图6示出了根据另一实施例的mems压力传感器110的侧视图，图7示出了压力传感器110沿着图6中的截面线7-7的俯视图。压力传感器110类似于压力传感器20。因此，类似特征将使用相同的参考标号。因此，压力传感器110包括装置结构112和与装置结构112耦合的顶盖结构24。装置结构112包括基板26，其具有延伸穿过基板26的端口28。具有第一电极32的隔膜30横跨端口28的两端。另外，第二电极34以与第一电极32隔开的关系定位，使得端口28下伏于第二电极34下面。

根据图6和图7的实施例，装置结构112进一步包括第三电极114，其形成于多晶硅层66中并且横向地位移离开第一电极32。第三电极114表示为方向向右并且向下的粗的阴影线，以便更好地区分第三电极114与第一电极32和多晶硅层66的其余部分。然而，应理解，多晶硅层66可以合适地图案化和蚀刻，以在多晶硅层66中另外形成第三电极114。隔离材料72将第三电极114与第一电极32电隔离，并且将第三电极114与包括间隔件70的周围多晶硅层66电隔离。

在图示的实施例中，第三电极114总体上是环形形状的，以便包围第一电极32。在一些实施例中，第三电极114可以至少部分地驻留在隔膜30上以及装置结构112的受到基板26支撑的部分处。具体来说，第一电极32位于隔膜30的中心区116，这里响应于压力刺激52发生最大偏转，第三电极114位于隔膜30的外侧区118和/或基板26上，这里响应于压力刺激52发生的偏转极少或者不发生偏转。

如将关于图9论述，在第一、第二和第三电极32、34、114的配置中，在第二和第三电极34、114之间施加致动电压90(见图9)以牵拉第二电极34使其与间隔件70接触。与第二电极34有关的第三电极114也可用于确定压力传感器110内的“固定”参考电容(cref)。第一和第二电极32、34用于测量压力刺激52造成隔膜30变形引起的电容变化。

图8示出了根据另一实施例的mems压力传感器120的侧视图。压力传感器120也类似于压力传感器20。因此，类似特征将使用相同的参考标号。因此，压力传感器120包括装置结构122和与装置结构122耦合的顶盖结构24。装置结构122包括基板26，其具有延伸穿过基板26的端口28。具有第一电极32的隔膜30横跨端口28的两端。另外，第二电极34以与第一电极32隔开的关系定位，使得端口28下伏于第二电极34下面。

与压力传感器110(图6)一样，装置结构122进一步包括第三电极114，其形成于多晶硅层66中并且横向地位移离开第一电极32。第三电极114同样表示为方向向右并且向下的粗的阴影线，以便更好地区分第三电极114与第一电极32和多晶硅层66的其余部分。然而，应理解，多晶硅层66可以合适地图案化和蚀刻，以在多晶硅层66中另外形成第三电极114。隔离材料72将第三电极114与第一电极32电隔离，并且将第三电极114与包括间隔件70的周围多晶硅层66电隔离。与压力传感器110(图6)的配置不同的是，压力传感器120的第三电极114全部驻留在装置结构的通过基板26支撑的部分上。也就是说，第三电极124位于基板26的非隔膜区域124处。

如先前所论述，电容性压力传感器的灵敏度取决于感测间隙(例如感测间隙74)的宽度以及本文中未论述的其它装置参数。可以在运送压力传感器之前执行修整(即，校准)，以便考虑到感测间隙宽度的工艺相关变化将装置灵敏度调整成目标值。

按照惯例，感测间隙的宽度由工艺限定，并且在生产之后是固定的，即，静态的。根据上述实施例，压力传感器20(图1)、110(图7)和120(图9)中的每一个的感测间隙74的第二宽度82(图4)由第二电极34被朝向基板26牵拉并接触间隔件70时间隔件70的高度84(图4)给出。因此，对于每个接触事件(即，每当压力传感器被上电，使得第二电极34被致动并且牵拉成与间隔件70接触时)，感测间隙74的第二宽度82会被重新确立。由于第二电极34与间隔件70之间的接触表面的粗糙度和拓扑，接触事件之间可能会发生感测间隙74的第二宽度82的较小变化，由此影响装置的灵敏度。

当不同接触事件之间感测间隙74的第二宽度82的变化较小时，可以应用压力传感器20或110的电极布置。也就是说，可以容许感测间隙74的第二宽度82的较小变化，因而在装置的给定测量精确度内考虑该变化。然而，在无法容许接触事件之间的感测间隙74的第二宽度82的变化的情形中(例如，在高精确度装置中)，可以应用压力传感器120的电极配置。

同样，如关于图9将论述的，在第一、第二和第三电极32、34、114的配置中，可以在第二和第三电极34、114之间施加致动电压90(见图9)以牵拉第二电极34使其与间隔件70接触。可使用第一和第二电极32、34测量通过压力刺激52导致隔膜30变形引起的电容变化。然而，由于压力传感器120的第三电极114现在完全受到基板26支撑，所以第二和第三电极34、114之间的电容与压力刺激52导致的隔膜30的任何变形无关。因此，可使用第三电极114测量第二和第三电极34、114之间的“固定”参考电容(cref)。

图9示出了与压力传感器110(图6)或压力传感器120(图8)相关联的电极32、34、114和控制/感测电路126的高度简化的框图。控制/感测电路126包括致动电压源88，它与第二和第三电极34、114中的每一个电连通，以在第二和第三电极34、114之间施加致动电压90(标记为vact)。同样，致动电压90可以是dc偏压电压，其足够高，能牵拉第二电极34使其与基板26上的间隔件70静态接触。

控制/感测电路126进一步包括测量电压源92，其与第一和第二电极32、34中的每一个电连通，以在第一和第二电极32、34之间施加测量电压94(标记为vmeas)，以便获得输出信号96(标记为cout)，输出信号96指示导致隔膜30偏转的压力刺激52的量值。另外，测量电压源92与第二和第三电极34、114中的每一个电连通，以在第二和第三电极34、114之间施加测量电压94，以便获得与隔膜30的任何偏转无关的电容参考信号128，标记为cref。

如上文关于图4所述，当顶盖结构24是asic时，可以在顶盖结构24内提供控制/感测电路126。在其它实施例中，控制/感测电路126可以是分开的装置，它经由接合线或所属领域的技术人员已知的其它电互连件与压力传感器110或120电耦合。此外，控制/感测电路126可以包括用于放大和/或调节输出信号96的电路，用于将输出信号96转换成模拟电压信号的电容到电压转换器电路，用于将模拟电压信号转换成数字输出信号的模拟到数字转换器电路等等。本文中为图示简单起见未呈现这个额外电路。

在压力传感器120(图8)的配置中，电容参考信号128仅仅取决于感测间隙74的宽度(例如gsense)，因为第三电极114完全受到基板26支撑。因此，在第二电极34(图8)与间隔件70(图8)之间的每个接触事件之后，可以使用电容参考信号128修整或校准压力传感器120的灵敏度。在一个装置校准实例中，可以执行单次接触修整以确定压力传感器120的灵敏度s与测量到的电容参考信号128之间的关系。基于压力传感器120的数学模型(即，几何尺寸)，可以确立函数gsense(cref)和s(gsense)并将其编写到控制电路126中，以基于测量到的电容参考信号128调整压力传感器120的灵敏度s。

在另一装置校准实例中，可以执行多接触修整处理以构建测量到的电容参考信号128与压力传感器120的灵敏度s之间的直接关系。第二电极24与间隔件70之间的不同接触事件得到不同数据点s(gsense)i。基于多个数据点ⅰ，可以在电容参考信号128与压力传感器120的灵敏度之间建立使用拟合函数的数学关系s(cref)，并且可以将其编写到控制电路126中。

图10示出了与图6和图8的压力传感器相关联的示例性时序和信号图130。在操作模式中，在第二和第三电极34、114(图9)之间施加致动电压90，以使第二电极34相对于第一和第三电极32、114(图9)移动。也就是说，致动电压90是相对高的dc分量，它能够牵拉第二电极34使其与间隔件70(图4)接触。第二电极34的移动使感测间隙74(图4)从第一宽度80改变成更小的第二宽度82。

在施加致动电压90的同时，可以作为具有第一电极32的隔膜30相对于第二电极34的移动感测输入压力刺激52的量值(pin)。举例来说，测量电压94施加于第二和第三电极34、114之间，并且用于电容测量以便产生参考电容信号128(cref)，如图9中所示。另外，测量电压94施加于第一和第二电极32、34之间并且用于电容测量以便产生电容输出信号96(cout)，其中输出信号96响应于压力刺激52并且从间隙74减小为第二宽度82之前的初始电容128(cinit)变化。此后，可以对输出信号96进行合适地处理并且将其转换成表示输入压力刺激52的量值的值。

综上所述，具有可变感测间隙的压力传感器装置和用于操作所述压力传感器装置的方法的实施例。传感器装置的实施例包括：基板，其具有延伸穿过基板的端口；隔膜，其跨越所述端口的两端，所述隔膜包括第一电极；第二电极，其以与所述第一电极隔开的关系定位，其中所述第二电极与所述第一电极隔开具有第一宽度的间隙；以及控制电路，其用于向所述第二电极施加致动电压以使所述第二电极相对于所述第一电极移动，其中移动所述第二电极会将所述间隙从所述第一宽度改变成第二宽度。

压力传感器装置的实施例包括：基板，其具有延伸穿过基板的端口；隔膜，其跨越所述端口的两端，所述隔膜包括第一电极，并且所述端口使所述隔膜暴露于来自外部环境的压力刺激。第二电极以与所述第一电极隔开的关系定位，其中所述第二电极与所述第一电极隔开具有第一宽度的间隙。所述压力传感器装置进一步包括控制电路，用于向所述第二电极施加致动电压以使所述第二电极相对于所述第一电极移动，并且将所述间隙从所述第一宽度改变成第二宽度，所述第二宽度小于所述第一宽度，其中当所述第一和第二电极之间的间隙是第一宽度时，所述压力传感器展现出对压力刺激的第一灵敏度，当所述第一和第二电极之间的间隙是第二宽度时，所述压力传感器展现出对压力刺激的第二灵敏度，所述第二灵敏度大于所述第一灵敏度。所述隔膜与所述第一电极一起能响应于所述压力刺激移动，并且在施加致动电压的同时，作为第一电极相对于第二电极的移动感测压力刺激的量值。

一种方法的实施例包括：提供压力传感器装置，所述压力传感器装置包括基板、具有第一电极的隔膜、和第二电极，其中端口延伸穿过所述基板，所述隔膜跨越所述端口的两端，所述第二电极与所述第一电极隔开具有第一宽度的间隙，所述端口使所述隔膜暴露于来自外部环境的压力刺激，并且所述隔膜连同所述第一电极一起能响应于所述压力刺激移动。所述方法进一步包括：向所述第二电极施加致动电压以使所述第二电极相对于所述第一电极移动，其中所述第二电极的移动会使所述间隙从所述第一宽度改变成第二宽度，并且在向所述第二电极施加所述致动电压的同时，作为所述第一电极相对于所述第二电极的移动感测所述压力刺激的量值。

因此，本文所述的实施例包括各具有可变感测间隙的压力传感器装置以及用于操作所述压力传感器装置的方法。更具体来说，两个电极(其中一个电极是隔膜的一部分)之间的可变感测间隙通过下面的方式实现：使得悬置在隔膜上方的另一个电极能在至少两个位置之间移动。以此方式，感测间隙的宽度可以减小，由此有效地提高压力传感器装置对于压力刺激的灵敏度。该压力传感器装置的结构可以更容易地使得高灵敏度压力传感器能够集成到集成式微型化多重刺激传感器封装中，以便实现效率改进、成本节省等等。

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