CN102768093B - Mems电容性压力传感器、操作方法和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS压力传感器，其中电极布置中至少之一包括内电极和绕内电极设置的外电极。该传感器设置在集成电路上。可以单独测量并且可以差分地测量与内电极和外电极相关联的电容。该布置使得能够实现各种不同读出方案，并且还实现了针对器件之间变化或器件特性随时间改变的改进补偿。

Description

MEMS电容性压力传感器、操作方法和制造方法

技术领域

本发明涉及MEMS电容性压力传感器。

背景技术

MEMS压力传感器是公知的，并且典型地具有压电电阻性或电容性读出，以在悬置结构受到外部压力时检测悬置结构的移动。已知器件的一个示例使用圆形悬置薄SiN隔膜(membrane)，其用在电容性MEMS压力计中。

通过PECVD SiN工艺，例如使用2μm厚的PECVC SiN膜，气密地(hermitically)封闭SiN隔膜下方的腔体。最终的器件性能主要由该膜的物理、机械和结构特性以及封闭牺牲刻蚀孔所需的厚度来确定。该隔膜的密度和成分确定气密性、渗气(out-gassing)行为和内应力。应力与厚度一同确定隔膜刚度(rigidity)，并因此确定压力传感器的灵敏度。

医疗应用、替代能源应用、智能建筑、发动机控制(例如，燃气和燃料进口压力)以及汽车安全应用中的关键性系统如轮胎监测系统，需要压力传感器，压力传感器在其使用寿命期间传递精确且可预测的输出，以便在操作变化变得危险之前跟踪这些变化。MEMS压力传感器目前广泛用于这些应用中。

随着小型化日益发展，MEMS压力传感器也开始经受性能问题。例如，出现与不灵敏、不精确以及信号漂移有关的问题。尽管正在采用目前工艺水平的沉积工具和光刻技术，但是不能确保所有MEMS器件均匀沉积或者具有相同的几何结构。由于没有两个MEMS器件完全相同，因此必须有一些手段来校准这些MEMS器件以消除那些不规则。由于在工业制造环境中测量单独器件参数(例如，与外部施加的力相关的挠曲形状(deflection profile))非常不切实际，因此重要的是，开发内部校准方法，以确保两个MEMS器件以完全相同的方式工作或测量。

由于器件可能暴露在恶劣环境下或者长时间保持休眠，因此还需要自校准。在一些情况下，器件应当唤醒，并且重新自校准，以考虑由温度差产生的变化、气态或液态周围环境的变化、或者可能影响特性的其他条件。

当前大多数MEMS压力传感器使用气密密封隔膜，气密密封隔膜密封一定定计示压力(gauge pressure)的基准腔体(在一些情况下，计示压力是真空)。测量外部压力，这是由于外部压力与计示压力之间的压差对隔膜产生力，这种力引起隔膜挠曲(deflect)。这种挠曲然后由压阻、电容性或光学传感器来测量。存在与这种传统压力传感器设计有关的若干困难。

例如，基准腔体中的气压需要非常稳定以免信号漂移。这需要极高级别的气密性，而不会出现隔膜渗气。

然而，为了具有较大挠曲和最优灵敏度，隔膜的厚度应当薄(或者隔膜应当具有较大面积)。由于难以制造非常薄的气密隔膜，因此这些是冲突的要求并且导致较大的传感器尺寸。

如果基准腔体在一定压力下，则该压力与温度相关(根据玻意耳定律)。传感器因此变得与温度相关。压力传感器的灵敏度由隔膜变形的幅度来确定，隔膜变形又由隔膜的厚度、直径、和屈服强度(yieldstrength)来限定。对于具有电容性读出的传感器而言，灵敏度还取决于极板的距离，压力越大距离就越大。基于挠曲的压力传感器的总动态范围还受限于隔膜的最大挠曲。

因此，清楚的是，隔膜厚度、直径和应力的任何偏差对得到的隔膜挠曲形状具有很大影响，这不仅影响绝对电容读数而且还影响读出的准确性和精度。由于在制造期间的工艺偏差，因此没有两个微结构具有相同几何结构和材料特性，这会引起对性能有显著影响的尺寸、质量、硬度(stiffness)的小偏差。例如，如果隔膜包含压缩层和拉伸层，则10％的隔膜厚度偏差可以引起50％-100％的微结构硬度和压力灵敏度变化。实际相关性取决于将隔膜设置为挠曲的方式。例如，对于应力主导的隔膜而言厚度相关性与厚度成比例，而对于弯曲硬度(bending stiffness)主导的隔膜而言，厚度依赖性与厚度的三次幂成比例。

发明内容

根据本发明，提供了一种MEMS压力传感器，包括：相对的电极布置，其中，电极布置之一悬置在另一电极布置之上，使得该电极布置响应于施加的压力可移动；以及用于根据电极布置之间的电容导出输出的装置，

其中下部电极布置包括由单个金属层形成的内电极和外电极，外电极绕内电极设置，

其中下部电极布置设置在具有顶部金属互连层的集成电路之上，以及

其中内电极和外电极通过一组垂直过孔电连接至下方的顶部金属互连层的连接部分。

通过使用来自下层IC(例如，CMOS IC)的顶部金属层的垂直连接，电极可以非常对称，例如环形。这种布置使得多个电极能够连接至接触焊盘(touch pad)，而无需交叉(cross overs)。

连接部分还可以利用第二组垂直过孔，提供与下部电极布置的金属层中的接触焊盘的互连。

优选地，腔体被限定在电极布置之间，并且该腔体可以是真空密封的腔体。

使用一个(或两个)电极布置作为分段电极，使得能够实现许多不同的操作模式。

例如，可以使用差分电容读出。可以使用这种差分电容测量，以便与正在测量的绝对电容无关地确定压力传感器的挠曲状态(例如，是否已经出现了触底(touch down)，还是检测到该传感器处于非挠曲状态下)。例如由于非均匀隔膜厚度而引起的工艺条件的改变会导致挠曲形状的较大分布，并且因此可以针对电路设计来单独确定和校准。

在一个示例中，内电极是圆形，外电极是环形，并且它们具有相同的面积。圆形内电极针对一定压力改变给出了最大挠曲，并因此理想地适合于在用作读出电极时改善灵敏度。匹配的面积意味着获得最大灵敏度，其中，每表面积的电容变化在一定压力范围内是最大的(挠曲幅度和电极距离确定灵敏度)。对于圆形电极而言，如果内电极半径是隔膜总半径的7/10，并且外电极半径是隔膜总半径的3/10，则出现这种面积匹配。

可以提供对内电极或外电极施加偏压的装置，并且另一电极然后可以用于电容测量。电极之一可以保持在创建引力的恒定电压下，以校正器件变化或传感器性能的小漂移，或者提升灵敏度。

在一个示例中，对内电极或外电极施加偏压，并且提供反馈系统以保持与内电极和外电极相关联的电容之间的固定比值，以使悬置电极布置保持平坦配置。如果面积相同，则该固定比值为1，但是可以根据需要的灵敏度来选择任何比值。保持悬置电极平坦所需的偏压然后可以用于导出传感器的压力输出。

用于导出输出的装置可配置为使得能够从以下任一项中导出输出：

仅与内电极相关联的电容；

仅与外电极相关联的电容；

与内电极和外电极相关联的组合电容。

这意味着可以针对(例如)最优灵敏度、最佳线性度、最佳信噪比、或最佳动态范围，来选择用于读出的电容。

本发明还提供了一种制造MEMS压力传感器的方法，包括：

在具有顶部金属互连层的集成电路上形成相对的电极布置，其中下部电极布置设置在集成电路之上，并且另一电极布置悬置在下部电极布置之上，使得该电极布置响应于施加的压力可移动，

其中，形成下部电极布置包括由相同的金属层形成内电极和外电极，其中外电极绕内电极设置，

形成一组垂直过孔，该组垂直过孔将内电极和外电极电连接至下方的顶部金属互连层的连接部分。

所述方法可以包括形成第二组垂直过孔，该第二组过孔将连接部分与下部电极布置的相同金属层中的接触焊盘相连。

在一个详细示例中，该方法包括：

在基板布置之上形成下部金属层，并且限定一个电极布置；

在下部金属层之上形成牺牲层以限定腔体；

在牺牲层之上形成钝化层；

形成上部金属层，并且限定另一电极布置，其中钝化层避免下部金属层与上部金属层之间的电接触；

在上部金属层之上形成覆盖层；

在覆盖层中形成通向牺牲层的刻蚀开口；

通过刻蚀开口去除牺牲层；

形成用于插塞刻蚀开口的插塞层；以及

去除刻蚀开口上方之外的插塞层。

刻蚀开口可以在电极布置的横向侧方形成，并且插塞层可以是由PDV形成的金属。

本发明还提供了一种操作MEMS压力传感器的方法，其中，压力传感器包括相对的电极布置，其中电极布置之一悬置在另一电极布置之上，使得该电极布置响应于所施加的压力可移动，压力传感器输出包括电容值，其中所述方法包括：

在初始校准阶段期间，通过执行电容-压力分析和电容-温度分析来表征器件的特性；

作为初始校准的一部分，附加地执行电容-电压和/或电容-谐振频率分析；

将初始校准信息存储在存储器中；

在器件的使用期间，周期性地执行重新校准，包括：

执行电容-电压分析，并且根据电容-电压分析确定悬置电极塌陷压力(collapse pressure)；以及

执行电容-谐振频率分析，并且根据电容-谐振频率分析来确定机械柔度；以及

基于测量的电容与压力之间的关系，来获得压力值，其中所述关系考虑了所确定的悬置电极塌陷压力和机械柔度。

该方法通过使用解析模型使得设备特性能够保持最新，并且使得能够补偿参数的漂移。

附图说明

现在参照附图描述本发明的示例，在附图中：

图1示出了圆形表面的面积系数相对于圆形表面半径的关系；

图2示出了隔膜的不同点处隔膜的挠曲(表示为腔体高度)；

图3示出了电容相对于半径的关系；

图4示出了信噪比相对于半径的关系；

图5示出了本发明的双电极设计的两个示例；

图6示出了本发明的三电极设计；

图7示出了本发明的另一电极设计；

图8示出了本发明的另一电极设计；

图9示出了本发明的另一电极设计；

图10示出了在不同压力值下圆形隔膜的挠曲与半径之间的关系；

图11示出了在不同的内部应力水平下接触点压力相对于隔膜半径的关系；

图12是电容相对于所施加压力的关系的有限元仿真，示出了非线性响应区与线性响应区之间的过渡行为；

图13示出了本发明的另一三电极设计；

图14示出了在本发明的传感器中使用偏压的第一种方式；

图15示出了在本发明的传感器中使用偏压的第二种方式；

图16用于说明校准过程；

图17示出了本发明的偏压校准和读出方法；

图18示出了制造工艺第一示例的一些初始制造阶段之后的器件；

图19示出了其他制造阶段之后的器件；

图20示出了其他制造阶段之后的器件；

图21示出了其他制造阶段之后的器件；

图22示出了制造工艺第二示例的一些初始制造阶段之后的器件；

图23示出了其他制造阶段之后的器件；

图24示出了其他制造阶段之后的器件；以及

图25示出了制造工艺第三示例的最终制造阶段之后的器件。

具体实施方式

本发明提供了一种MEMS压力传感器，其中至少一个电极配置包括内电极和绕内电极布置的外电极。与内电极和外电极相关联的电容单独测量，并且可以进行差分测量。这种布置使得能够实现不同的读出方案，并且还实现了针对器件问偏差或器件特性随时问变化的改进补偿。

本发明利用不同的电极面积。为了理解在可移动电极布置的中心和边缘处不同电极面积的重要性，几何分析是有用的。

图1示出了圆形表面的面积系数相对于圆形表面半径的关系。例如，图1示出了内半径为90μm延伸至外半径100μm的圈状环的表面积与半径100μm的完整圆形的表面相比覆盖大约20％总表面。覆盖相同20％表面积的实心圆直径为45μm。为了获得相同表面积的内圆和外环，圆形的半径必须为约70μm(更确切地 )，而外环从70μm延伸到100μm。

在图2中，示出了在外部施加的100kPa均匀压力下隔膜的不同点处SiN隔膜的挠曲(表达为腔体高度)。选择厚度3μm的隔膜，以使隔膜足够坚硬。然而，由于压差，隔膜被推挤至几乎塌陷(因为腔体高度在半径＝0的中心处几乎达到零)。

图3中将电容相对于半径的关系示出了为曲线30，并且可以看出尽管由于电极之间相对小的距离从而每单位面积的电容较高，但是对总电容的贡献在隔膜的中心较低(因为面积较小)。图3示出了对于1巴压差，每1μm环对总电容的电容贡献。对总电容的贡献随着半径以二次方的方式增加，但是由于极板之间距离的增加而逐步平坦。根据极板的挠曲和间隙距离，在与隔膜中心相距20μm与50μm之间的距离处获得最大贡献。

尽管隔膜的灵敏度(曲线32)在隔膜的中心处最大，但是对总电容的贡献相对较小。灵敏度计算为：挠曲的200μm直径SiN隔膜(3μm厚度、500nm间隙、杨氏模量为140GPa、在1巴外部压力和零腔体压力下)与刚性极板(在0巴外部压力下的相同隔膜)之间的电容差。

尽管可能争辩使用全隔膜面积以使电容差尽可能大是有利的，但是在挠曲为零的隔膜边缘处相对增加变得非常小。在边缘处，总电容随着与边缘的距离增加而以二次方方式增加，但是由于隔膜的不明显挠曲而不会增添太多的电容差。这种效果对于信噪比行为具有显著影响。对于较大电容值而言，变得越来越难以检测和滤除较小电容偏差。由于隔膜在其边缘附近不会挠曲的事实，可以针对最大信噪比而优化电极直径与隔膜直径的比值。

如果利用AC电流读出电容，则信号与ΔI＝ω·ΔC·U成比例，其中载波I＝ω·C·U，ω是充放电频率，U是施加的电压。散粒噪声与2q·I·Δf的平方根(sqrt)成比例，其中q是基本电荷，Δf是带宽。

信噪比S/N与ΔC/sqrt(C)成比例。在图4中，针对1巴绝对压力下100Pa的压力变化、100Hz带宽和10kHz充放电频率下，绘制了信噪比相对于半径的关系。

S/N值的峰值在较小压力下偏移至较大半径，但是由于隔膜的较小挠曲而绝对值变得小的多。如果假定读出电子装置在S/N小于2的情况下不能从电子散粒噪声辨别出信号(即，电容变化)，则可以去除电极中的外圈20μm，而不会引起S/N问题。

本发明的分段电极的第一种使用是使用表面积小于隔膜的电极，以便检测较小的压力波动。对于较大的压力改变，可以使用全隔膜面积，以便尽可能捕获更大信号。如果使用双电极配置，则能够针对最大信噪比选择内电极，或者在动态压力范围足够大的情况下选择两个电极。

以下给出了电极配置的若干选项。

图5中示出了具有双上部电极的最简单设计。上部电极层具有内圆电极50和外环电极52。如图5的两个截面图(给出备选示例)所示，相对的下部电极可以是连续的或分段的(以匹配上部电极)。

尽管双电极给出每电极的最大电容，但是可以应用多分段设计，该设计可以用于在选择感兴趣电极时(即，特定压力范围中表现出最大挠曲的电极)优化特定压力范围中的灵敏度。

图6示出了中心圆电极60和两个同心外电极62、64，并且以截面图示出了具有上部电极和下部电极的分段示例。分段在上部电极和下部电极上不需要相同，并且可以对上部电极或下部电极进行分段，或者也可以对上部电极和下部电极两者进行分段。

存在可以用于测量传感器所产生的多个电容的各种电容测量方法，多个电容即，电容Cout(与外电极相关联的电容)，Cin或Ccenter(与中心电极相关联的电容)以及Cmiddle(与图6中三个同心电极的中间电极相关联的电容)。

也可以如图7所示仅在下部电极层中创建分段。这具有全环形和圆形下部电极70、71以及接地上部电极极板。差分电容测量是可能的，并且利用V_bias对内电极和/或外电极单独致动。使用外环电极和接地上部电极，使得EMI屏蔽成为可能。这样，当仅有内电极用于测量时，外电极可以用作屏蔽。两个有源电极之间的静电容(direct capacitance)是感兴趣的电容，并且当使用屏蔽线时，该静电容与屏蔽线以外的所有其他导体的位置无关。

当使用外电极作为屏蔽时，可以保护传感器周围的电路/信号不受两个彼此相对的有源电极的影响。尽管屏蔽对于传感电极具有寄生电容，该电容恒定且已知。

图8示出了对图7的修改，其中多个同心电极80、81、82作为下部电极。

图9示出了具有两个下部电极(圆形中心电极和环形外电极)的配置，其中环形接地屏蔽83在两个下部电极之间，以及环形接地屏蔽84在环形外电极外侧。这些提供EMI屏蔽。可以例如以图6所示的方式提供多个环形电极以优化灵敏度调谐(塌陷周围)。

大多数电容测量简单地包括要测量的电容器与已知值电容器之间的比较。该方法可以应用于测量电容比值，并且例如在使用相同的电极表面情况下找到隔膜的零挠曲点(这在下文进一步描述)。如果在电路中的相同点处用电容器之一代替另一电容器，则可以频繁地执行这样的比较。

电桥比较方法非常适合于以高精度来比较电容器。电阻比电桥是惠斯通电桥配置，在该配置中，针对可变电容器以及并联的标准无损耗电容器Cs和电导Gs或者串联的Cs和电阻器Rs，来测量分电势(potential division)。如果这两个参数等于两个明确定义的电阻器R1和R2两端的电势之比，则检测器为零。

时间常数方法依赖于对电容器通过已知电阻器充电或放电的时间常数的测量。如果以阶跃函数方式将电压施加于串联的初始放电电容器和电阻器，则电容器上的电荷和电压按时间常数向着它们的全幅度以指数方式增加，时间常数(以秒为单位)等于电阻(以欧姆为单位)与电容(以法拉为单位)的乘积。类似地，当带电电容器通过电阻器放电时，电荷和电压按相同的时间常数衰落。可以利用标准方法容易地确定这种充电-放电循环的时间或频率。

可以设计隔膜尺寸以便设置压力范围。图10示出了在不同压力值下圆形隔膜的挠曲与半径之间的关系。在抗挠刚度(flexural rigidity)主导状态下作为压力P函数的圆形隔膜挠曲w(r，P)由下式给出：

$w(r,P)=\frac{{3\mathrm{Pa}}^4(1-v^2)}{{16\mathrm{Eh}}^3}{[1-{\left(\frac{r}{a}\right)}^2]}^2=\frac{{\mathrm{Pa}}^4}{64D}{[1-{\left(\frac{r}{a}\right)}^2]}^2$

其中，a是隔膜的半径，r是从边缘到实际挠曲点的距离，v是泊松比，E是杨氏模量，h是隔膜厚度。从上述关系中可以看出，挠曲按a⁴和1/h³缩放表明了尺寸和/或厚度的小偏差对挠曲形状的影响。抗挠刚度D由隔膜厚度h、泊松比v和杨氏模量E确定为：

$D=\frac{{\mathrm{Eh}}^3}{12(1-v^2)}$

最大极板挠曲出现在极板的中心处，即，在r＝0处，并且由下式给出：

$w_c=\frac{{\mathrm{Pa}}^4}{64D}$

在整个隔膜面积上对隔膜挠曲进行平均表明平均隔膜挠曲等于1/3峰值挠曲：

$w_{\mathrm{avg}}=\frac{\underset{0}{\overset{a}{\∫}}2\mathrm{\πrw}\left(r\right)\mathrm{dr}}{\mathrm{\π}{a}^2}=\frac{{\mathrm{Pa}}^4}{192D}=\frac{w_c}{3}$

在图10中，根据压力计算隔膜挠曲。对于厚度1.5μm、直径200μm的SiN隔膜给出相对于径向位置的隔膜挠曲。压力从0.1巴到1巴以0.1巴步长增加。针对0.1巴的曲线在上部，并且依次处于下方的曲线表示增加的压力。隔膜塌陷(collapse)(至-7.5x 10^-7m)出现在0.35巴处。腔体内的压力为零，并且假定没有残余应力。

因此，在一定压力下，上部隔膜开始接触腔体的底部。这种关系对于没有任何内部应力的膜是成立的。如果考虑内部压力，则隔膜变得更坚硬，并且到达接触点的压力变得更大。这在图11中示出，图11示出了在不同的内部应力水平下接触点压力相对于隔膜半径的关系(厚度为1.8μm的SiN隔膜，杨氏模量为140MPa，并且间隙高度为1.5μm)。随着内部应力以50MPa步长从0增加到300MPa，接触点压力如图所示增加。

在统一的工艺流程内调整压力范围的最便利方式是调整隔膜半径，而不是调整隔膜厚度，也不是调整间隙高度，也不是精细调谐隔膜的内部应力。从制造的观点来看，实际的间隙高度在300nm到1000nm之间变化。较小的间隙会引起与去除牺牲层相关的问题，特别是在隔膜半径较大的情况下(需要较长的刻蚀时间，这造成对刻蚀剂选择性的约束)。

较大间隙制造起来成本更高，并且创建附加的拓扑。此外，需要施加更大的压力来将隔膜完全挠曲到其接触点，除非采用更薄的隔膜。典型地，选择隔膜厚度等于或大于间隙距离，以将器件保持在抗挠刚度控制状态下。这是有利的，因为这减小了由于工艺变化而引起的残余应力对挠曲形状的影响。

本发明设计的一个目的是增加压力传感器的动态范围。存在若干已知的方式来提高压力传感器的动态范围。

第一种方法是使用具有不同隔膜尺寸的压力传感器阵列。由于挠曲按1/a⁴缩放，因此只需要隔膜半径的较小变化来覆盖较大压力范围，如从图11所见。尽管这种方法非常方便，但是每个单独隔膜具有其自己的挠曲形状以及需要大量单独校准的灵敏度。

在一个方面中，本发明提供了一种通过将非线性的电容对压力(“C-P”)响应与隔膜塌陷之后线性的C-P响应相结合来增加动态范围的方法。

图12是电容相对于所施加压力的关系的有限元仿真，该仿真示出了这种过渡行为。图12示出了针对厚度1.5μm、间隙750nm、半径100μm的SiN隔膜(杨氏模量为250GPa，泊松比为0.23)电容相对于施加的外部压力的关系。电极之间是200nm的SiN电介质层(εr＝6)。

在传统压力传感器中，接触点压力根据几何尺寸和物理特性显著变化。因此，很难以可靠且可预测的方式来精细调谐接触点周围传感器的操作范围。从图12可见，刚好在接触基板之前器件的灵敏度最大。由于电极极板之间的距离减小，因此电容随着压力非线性增加，直到上部电极接触到腔体底部的点(这是曲线的部分90)。在接触点压力之上的压力下，电容表现出随着压力的线性增加，如曲线的部分92所示。

分段电极的使用允许精确地检测接触点压力，并且选择最优电极和/或电极配置来获得最优灵敏度。这可以在校准例程中发现。此外，使用多个电极环，能够更精确地检测接触点压力。

作为示例，在图13中示出了分段电极设计，其中在两个极板上有三个电极分段。在触底之后，内电极的电容改变变得线性，而中间环进入高灵敏度区。两个信号因此变得分离，并且可以单独使用。这种信号分离特性使得能够基于差分电容测量而检测到触底事件。中间环电极可以用于获得非常灵敏的输出，并且中心电极获得几乎线性的电容-压力关系。

因此，不同的电极可以用于不同操作模式，并且可以基于对触底事件的检测来选择这些模式。

不同直径的压力传感器阵列可以组合，以增加总灵敏度范围以及动态范围。在压力传感器中，接触点压力根据工艺条件或尺寸控制的小改变而变化。利用非分段的电极，传感器典型地在“非接触”或“接触”状态下操作，这是因为在这些状态下，C-P行为以相对可预测的方式变化。多分段方法允许接触点压力周围的操作，获得a)触底时内电极的线性响应，以及b)下一电极的高度灵敏响应。

因此，图13的设计可以用于给出基于电容Ccenter的线性C-P响应，和基于电容Cmiddle的高压力灵敏度响应。

差分电容测量也可以用于找出零挠曲点，例如，具有(Cmiddle+Ccenter)的差分电容Cout可以用于找出零挠曲点。

使用分段电极实现的另一选项是利用偏压致动电极之一，使得中心电极最接近其相对电极。这可以增强灵敏度。此外，这种选择可以用于校准器件。隔膜挠曲与隔膜尺寸、厚度和应力直接相关。工艺条件的偏差可能逐批改变，并且可以在每个晶片上沉积非均匀隔膜厚度，导致逐个管芯的挠曲形状的一定分布。

图14的下部示出了作为校准阶段的一部分对中心电极(两电极设计)施加偏压以引起触底，然后在如图14上部所示的操作期间导出(不同的)偏压。对中心电极施加偏置，并且电容测量基于外电极。图15示出了对外电极施加偏置并基于内电极进行感测的相同方法。

电极设计还使得校准能够补偿潜在的信号漂移。信号漂移可以由老化、隔膜变硬、金属电极内的晶粒生长、应力松弛、温度效应、隔膜内的渗气等引起。用于信号漂移补偿的公知方法是差分读出，其中，将可变电容器与定值电容器相比较。缺点在于，该方法消耗额外空间，并且不能补偿信号漂移的所有根本原因。

差分读出可以补偿外部寄生电容的漂移，例如，如果将传感器放入液体中，并且没有被完全法拉第屏蔽。这不会防止例如(Al)电极的蠕变(creep)所引起的机械零交叉(mechanical zero-crossing)的漂移。同样，如果出现到腔体中的渗气，则隔膜经历反作用力，并且挠曲程度小于其初始状态。使用与分段电极相结合的差分读出，允许确定基准挠曲点，使得能够进行校准，这是通过使用梳状电容器作为基准的传统差分读出不可能实现的。

出于校准目的，可以在一定的基准压力或致动电压下，确定两个分段电极区域的差分电容，以判断是否存在漂移。

在图16中示出了该方法。图16的下部示出了对电极之一(该示例中的中心电极)施加已知基准压力，基准压力用于通过找到值Couter＝Ccenter的压力使传感器“归零”。

校准过程可以包括对隔膜施加若干基准压力，并且测量电容。校正参数可以从测量中提取，并且存储在芯片或电路元件上的存储器中以进行微调。如果该方法可以与不同隔膜直径相结合，则可以实现甚至更精确的零挠曲状态。后一种方法仅在有效的隔膜特性对于不同尺寸而言相同的情况下适用。具体地，需要应用相同厚度的隔膜(以及相同的应力/杨氏模量)，但是在实际中这始终是目标，因为层厚度或材料特性在逐个管芯间存在非常小的变化。

校准过程提供了一种针对潜在信号漂移的解决方案。

为此，重要的是在校准过程中确定隔膜的初始状态和挠曲行为，并且不时地检查是否发生任何改变。如果必要，可以使用白光干涉仪来容易地测量初始隔膜挠曲，作为可以存储在存储器中的附加输入参数。

在标准校准期间，可以对隔膜施加若干基准压力，并且可以测量电容。校正和校准参数可以从测量中提取，并且存储在芯片或电路元件上的存储器中以进行微调。例如，这些校准数据可以包括在适当的压力感测范围中获取的电容-压力(C-P)数据点。典型地，需要三个或更多C-P点以能够通过数据点导出高阶多项式拟合。由于C-P关系是非线性的(见以下公式)，因此可用的校准点越多，多项式拟合越精确。

在初始校准期间，在室温和0偏压下，在校准压力范围上记录电容-压力曲线(C-P)。

此外，例如在标准大气条件和0偏压下，在感兴趣的温度范围上记录电容-温度曲线(C-T)。

现在，对于多个压力和温度点而言，电容是已知的并且可以被拟合为多项式。这是标准校准过程。

问题在于，如果传感器经历漂移或随时间的老化，则不存在在内部检测这种改变的方式。此外，如果这样的检测方法可用(例如，通过利用其它外部传感器来检查)，则当前不存在可用于重新校准传感器的手段。因此本发明的目的之一是：1)提供通过传感器自身检测这种性能/灵敏度改变的手段，2)提供执行自动校准的手段，以及3)利用这些新设置点对芯片重新编程。

如果仅执行该“标准校准”并且在芯片中将校准曲线编程为C-P和C-T数据点的多项式拟合，则不能提取其它智能，并且当器件在操作时拟合曲线的校正变得麻烦。

本发明校准方法的第一方面在于，施加电容-电压(C-V)扫描作为初始校准的一部分。于是，针对一定压力和温度，已知电容相对于电压的关系。

电容电压(C-V)扫描包括在不同偏压下的精确电容测量。典型地，以1V为步长，在+20V和-20V之间获得C-V曲线。由于吸引静电力，随着偏压的增加(不管正还是负)隔膜向着另一电极挠曲，从而增加电容。

通过C-V数据的拟合可以用于导出隔膜柔度(compliance)，柔度是隔膜压力灵敏度的度量。C-V校准方法是相对快速的校准方法，甚至可以在晶片级执行，而无需使用专用压力室。主要优点在于，该方法快速且成本低，这是因为可以避免多个C-P校准数据点的收集。

C-V扫描方法不仅在制造期间或封装之后提供附加校准可能性，而且在器件的操作期间也提供附加校准可能性。

本发明校准方法的第二方面在于，在一定偏压下施加电容-频率(C-f)扫描。然后获知一定压力、温度和偏压下的谐振频率。作为初始校准的一部分而添加C-V和C-f扫描，允许在可以从C-P和C-T曲线提取的隔膜柔度数据以外，导出描述隔膜柔度的特定参数。

隔膜参数之一例如是塌陷压力和塌陷电压，即，分别是隔膜接触隔膜底部时的压力和偏压。使用分段电极允许更精确地测量和检测塌陷压力和塌陷电压。

如果外部压力(和/或温度)改变，则隔膜对施加在隔膜上的改变的力做出反应：例如，随着压力的增大(或者如果隔膜的热膨胀大于基板的热膨胀则随着温度的升高)隔膜进一步挠曲。由于隔膜的较高挠曲状态，因此由于隔膜和下部电极之间的距离较小而C-V曲线会略微不同：由于隔膜的吸引力越大，则对于相同电压而言电容当前更大。如果因某些原因(例如由于隔膜渗气)气体在腔体中聚集，则引起针对外部施加压力的反作用力。隔膜挠曲针对相同的外部施加压力变得更小。这导致电容降低。问题在于器件读出无法得知，并且根据校准曲线而显示较低的绝对压力。

校准方法的另一方面在于，在使用期间(即，在初始校准之后)，可以执行进一步的C-V和/或C-f测量(但不是全扫描)。这些起到传感器漂移检查的作用。

如果正在使用C-f方法，则在谐振频率处或附近利用交流偏压使隔膜进入谐振。针对一定压力/温度条件，将谐振与存储器中存储的质量因子数据相比较，来验证隔膜柔度的任何改变(即，由于例如老化引起的任何隔膜硬度改变，或者例如由于渗气引起的任何隔膜阻尼改变)。如果隔膜的谐振频率和/或隔膜的阻尼(damping)已经改变，则可以推断传感器的弹簧常数(k)改变或者传感器的质量(m)改变。如果检测到这样改变，则传感器需要替换或重新校准。

如果正在使用C-V方法，则根据偏压测量电容。针对一定压力/温度条件，可以将C-V曲线与存储器中存储的C-V数据相比较，并且进行验证。如果检测到这样的改变，则传感器需要替换或重新校准。重要的一点在于，将隔膜拉至塌陷所需的电压。如果存在隔膜柔度改变(即，由于例如老化引起的任何隔膜硬度改变，或者例如渗气引起的任何隔膜阻尼改变)，则拉进所需的静电力(在分段电容之一上的偏压)对于相同的挠曲状态(即，测量电容)是不同的。从而为了进行上述比较，则需要针对压力校准范围上的不同压力设置点，根据偏压来测量多个数据点(即，电容值)。

该传感器漂移检查提供了一种自动发现器件是否漂移且是否需要重新校准的方式。从而可以对在一定的预定电压处的测量进行快速检查，而无需进行全C-V和C-f扫描。快速检查节省了时间和功率。执行全重新校准实际上标志着传感器不会传递正确值。开始重新校准过程覆写存储器中存储的信息，而C-V检查不会这样。

在使用中(即，在所有初始校准步骤之后)，压力传感器的电容性输入用于使用存储器中的校准数据(C-P和/或C-V)来进行外部施加的压力的第一估计。如上所述，在校准过程中，将外部施加的压力存储在存储器中，外部施加的压力随两个不同的外部施加的力(即，压力和静电力)改变。在明确定义的外部施加压力下，执行校准期间的C-V扫描。在器件的操作期间，测量电容值，而无需确切知道隔膜柔度(即，隔膜硬度)和/或内部腔体压力是否改变。在操作期间执行C-V扫描给出与隔膜柔度变化有关的信息，并且允许将C-P行为与C-V行为去相关。

为了从隔膜挠曲(即，w(r，P)表达式)中提取C(P)相关性，必须对以下积分进行求解：

$C\left(P\right)=\underset{0}{\overset{R}{\∫}}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_r(g-w(r,P))+h_{\mathrm{dielectric}}}2\mathrm{\πrdr}---\left(1\right)$

挠曲形状w(r，P)可以描述为中心挠曲w₀(P)与形状z(r)的乘积，形状z(r)是半径的函数。z(r)依赖于隔膜的材料特性：弯曲主导的隔膜和应力主导的隔膜具有不同的形状z(r)。对于弯曲主导的挠曲形状而言：

$z\left(r\right)={(1-\frac{r^2}{R^2})}^2$

隔膜中心w₀(P)挠曲合理地由[Timoshenko，Theory of plates andshells，p.392]来描述，并且与压力P线性相关。

$w_0\left(P\right)=\frac{{0.23R}^4(1-v^2)}{1.22{\mathrm{Eh}}^3+\mathrm{\σ}{\mathrm{hR}}^2(1-v^2)}P$

对于无应力以及受应力的圆形、夹紧极板，只要应力大于(即，压缩小于)：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{crit}}=\frac{{-1.22\mathrm{Eh}}^2}{R^2(1-v^2)}$

可以通过w₀(P_coll)＝g找出触底或塌陷压力P_coll。因此，

$P_{\mathrm{coll}}=\frac{\mathrm{gh}(1.22{\mathrm{Eh}}^2+{\mathrm{\σR}}^2(1-v^2))}{0.23R^4(1-v^2)}$

如上所述，标准校准例如使用C-P校准点的多项式拟合，在0偏压下使得能够将任何测量的电容与外部压力相联系。然而，如果出现误差/漂移，则不能在不使用外部提供的压力点的情况下校正多项式拟合并执行重新校准。以上分析表明，对于C-P数据不使用校准表或多项式拟合，而是可以使用包括物理参数的解析挠曲模型。这些参数中的一些不会随着时间改变，这是由于它们由光刻和沉积条件明确定义。这些参数是：隔膜的直径、隔膜的厚度、间隙高度、分段电极的几何尺寸(表面积)、热膨胀系数、隔膜的质量/密度、绝缘层的介电常数、以及泊松比。随时间可能或确实偏移(以及改变隔膜柔度或阻尼)的参数是应力、杨氏模量、隔膜上的附加阻尼质量，增大的内部气体压力。证实了塌陷压力与随时间可能改变的所有变量相关。

在Pcollapse下，极板在中心的挠曲wc等于间隙高度。例如，对于弯曲(杨氏模量)主导的挠曲形状而言，可以写出以下公式(D是抗挠刚度)：

$w_c=\frac{{\mathrm{Pa}}^4}{64D}$ 或 $g=\frac{P_{\mathrm{coll}}{a}^4}{64D}$

对于有效间隙高度g’，可以考虑电极之间的介电材料的高度h_diel和介电常数ε_r、以及实际间隙或腔体高度g来导出，

$g^{\′}=g+\frac{h_{\mathrm{diel}}}{{\mathrm{\ϵ}}_r}$

则作为中心挠曲w₀的函数的电容是：

$C\left(w_0\right)=\frac{C_0}{2x}\ln \left(\frac{1+x}{1-x}\right)$ 其中 $x\≡\sqrt{\frac{w_0}{g^{\′}}}$ 和 $C_0\≡\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\π}{R}^2}{g^{\′}}$

中心挠曲是压力的函数并由间隙距离和塌陷压力P_coll(即，隔膜的中心接触腔体底部时的压力)来定义：

$w_0\left(P\right)=\frac{g}{P_{\mathrm{coll}}}P$

作为P的函数的电容因此可以由以下公式来描述：

$C\left(P\right)=\frac{C_0}{2y}\ln \left(\frac{1+y}{1-y}\right)$ 其中， $y\≡\sqrt{\frac{\mathrm{gP}}{g^{\′}{P}_{\mathrm{coll}}}}$

以上分析表明了如果可以精确确定塌陷压力，则能够在甚至不采用新的C-P校准数据点的情况下调整C-P曲线。不使用高阶多项式C-P拟合，使用上述数学公式来确定给定压力值下的电容值。

作为导数dC/dP的压力灵敏度可以写为：

$\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dP}}=C_0\frac{g/g^{\′}}{{4P}_{\mathrm{coll}}}\left\{\frac{2y-(1-y^2)\ln \left[\frac{1+y}{1-y}\right]}{y^3(1-y^2)}\right\}$

如果晶片内(WIW)或晶片间(WTW)存在隔膜厚度的一些变化，则对于相同的外部施加压力而言挠曲形状且因此电容略微变化。通过施加产生静电力的偏压，所有压力传感器的挠曲形状可以单独设置。此外，在执行C-V扫描中，如果施加均匀的静液压，则可以确定隔膜的机械柔度，给出关于挠曲形状的信息。

由于静电力，两个相对极板之间的吸引力与它们相应的距离有二次方的关系。这意味着通过均匀施加的力(例如，压力)而已经变形的隔膜不均匀地被静电力吸引。对于下部电极中的每个分段，可以针对作用在上部电极上的静电力导出以下关系：

$F_i=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{V}_{\mathrm{dc}}^{2}S}{2g_i^2}$

其中，V_dc是在两个电极之间施加的DC电压，S和g_i分别是第i个电容器的面积和有效间隙高度。这种分段方法允许选择可以用于确定隔膜的挠曲形状(即，分段的电容)的单个或一组静电力。

将隔膜拉至塌陷所需的静电力与隔膜的机械恢复力有关。在假设隔膜的类活塞运动时，可以导出如下一般表示：当隔膜的中心挠曲达到电极之间初始间隙的1/3时，出现拉进(pull-in)。对于没有任何外力(即，均匀压力负荷)的圆形夹紧隔膜，当隔膜挠曲等于间隙高度的46％时出现拉进点。后一值是根据对以下方程进行数值求解来导出的。对于具有附加均匀载荷的隔膜，以下表达式成立：

$\frac{w_{\mathrm{pull}-\mathrm{in}}}{g_0}\≈0.46\·(1+3.55\frac{F_{\mathrm{ambient}}/k_1}{g_0})$

塌陷压力现在可以与将隔膜拉至塌陷所需的电压有关：

$V_{\mathrm{pull}-\mathrm{in}}=\sqrt{\frac{2(k_1{w}_{\mathrm{pull}-\mathrm{in}}-F_{\mathrm{ambient}})}{C^{\′}\left(w_{\mathrm{pull}-\mathrm{in}}\right)}}$

这样，可以通过施加偏置不经可以单独校正初始挠曲形状(针对期望间隙间隔的设置点)，而且也可以调谐灵敏度(隔膜的机械柔度)。甚至可以校正由于温度变化所引起的隔膜热膨胀导致的电容(即，挠曲形状)改变。

偏压的各个单独值应当存储在存储器中。

选择必须施加的偏压，使得电容对应于存储器中存储的值。

在制造期间，必须考虑工艺变化。在工厂校准期间，必须利用最少的校准点来尽可能精确地确定单独的传感器性能，以便降低成本。在传感器操作期间，首先必须检测信号漂移(如果传感器读出改变，则可能是由于实际压力变化或由于其他因素)，其次应当存在一种校正该信号漂移的方式。

本发明实现了改进的自动校准方法，该方法同样涉及通过将一个电极偏置在一电压下来施加静电力。由于在处理期间明确限定了电极面积和极板的距离，因此也明确定义的静电压力。例如，如果在生产期间没有明确定义极板距离(即，隔膜与基板之间的距离)或隔膜的曲率(应力梯度的影响)，则可以以与标准校准相同的方式在生产期间校准静电压力。优点在于，经由静电压力的自动校准过程可以直接补偿温度漂移。如果良好地控制这些参数，则可以利用较少的基准压力(或者甚至仅环境压力作为基准压力)来简化校准过程。

还可以测量隔膜的谐振频率，并且可以根据谐振频率来导出机械柔度。这特别适合于在气体或已知的液体中使用。可以构建能够锁定到谐振的振荡器。同时振荡信号可以用于感测传感器的电容并且因此感测压力。

对于具有圆形极板的传感器而言，可以导出精确捕获隔膜机械特性的等效弹簧常数、质量和阻尼系数。为了计算这些参数，采用均匀压力P来使隔膜挠曲。压力P包括由施加至分段电极的电压产生的静电力F_e以及来自外部压力的力P₀。

$P=P_0+\frac{F_e}{{\mathrm{\πa}}^2}$

假定不管静电力的非均匀性，(1)针对均匀压力P给出的函数对于所有稳定的挠曲成立，静电力在隔膜的中心最强。这种假定简化了等效机械参数的导出，并且精确地预测由于施加的电压而引起的隔膜位移。对于与隔膜厚度相比相对小的挠曲，极板位移线性地与施加的力成比例。现在可以利用线性弹簧常数k₁来表示平均隔膜挠曲。

$w_{\mathrm{avg}}=P_0\frac{a^4}{192D}=F_e\frac{a^2}{192\mathrm{\πD}}=\frac{1}{k_1}{F}_e$

$k_1=\frac{192\mathrm{\πD}}{a^2}$

谐振频率ω₀取决于弹簧常数以及隔膜的有效质量m：

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{k_1}{m}}=\frac{10.22}{a^2\sqrt{\mathrm{\ρh}/D}}$

因此谐振频率的任何改变可以表示为隔膜的抗挠刚度D的改变。现在可以针对该改变校正C-P曲线。

上述方程说明C-f扫描使得能够导出机械柔度。机械柔度/谐振频率取决于两个贡献因数：弹簧常数和质量，也可以被表示为隔膜的抗挠刚度D。该值可以用于校正塌陷压力。

总之，校准方法包括：

在校准阶段期间，以C-P和C-T分析的形式执行传统器件表征；

附加地执行C-V和C-f分析作为初始校准的一部分。这可以用于单对或多对电极段。所有初始校准信息存储在存储器中。

(可选地)在器件的使用期间，使用C-V或C-f测量来执行快速传感器漂移检查。

在器件的使用期间，周期性地执行重新校准，包括：

-执行C-V扫描；

-根据该C-V扫描，确定塌陷压力。该值然后用在C-P模型中(见上文)；

-执行C-f扫描；以及

-根据该C-f扫描，导出机械柔度；以及

-根据测量电容来获得压力值。

根据解析模型来导出压力，解析模型包括固定的物理材料参数以及可修改的材料参数。这些参数可以使用C-V、C-f(以及最终还可以使用C-T和C-P)测量来改变。

本发明校准方案的目的在于，确定所有正确参数，这些正确参数描述作为压力和电容函数的隔膜挠曲。如果隔膜挠曲特性已知，则可以使用解析模型针对具体的电极段来计算电容。C-V和C-f测量允许单独确定挠曲模型中的主要参数，即，塌陷压力(根据塌陷电压)以及根据谐振频率确定塌陷压力，给出抗挠刚度D的值并因此给出Pcollapse的值。当测量电容时，于是能够计算电极极板之间的绝对距离以及达到该状态所需的压力。

C-V校准方法不仅仅适用于所描述的多段电极设计，还适用于非分段电极。然而，这对于电容性传感器的读出电路的稳定性具有一些缺点，尤其是在需要较大DC偏压的情况下。当然有利的是，通过与读出电路分离的DC电压来致动隔膜。例如，这可以通过对下部电极中的外电极施加Vbias并且在下部电极中的内电极和上部电极之间执行电容性测量来进行。

在多段电极设计的一些实施例中，可以在校准期间施加增加的压力。使用多个电极分段，可以容易地检测到塌陷压力。例如，如果使用较小圆形下部电极，则当隔膜/电极开始接触腔体的底部时电容不再随着压力的增加而改变(变为恒定)。可以在校准期间使用增加的电压(该电压可以施加于下部电极，下部电极沿圆周环绕内圆电极)，来获得相同信息。触底压力则与塌陷所需电压相关联。

分段电极还允许新的读出方案。

在使用足够大的薄隔膜(例如，1000-2000nm厚度、100-200μm直径)时，需要大约10-20V的致动电压将隔膜拉至塌陷。为了迫使隔膜进入一定的挠曲条件(例如，进入间隙中一半位置)，在低压力下这需要电极之间的大电压差，而如果压力较大(并且隔膜已经达到期望的挠曲状态)则需要小静电力。

如果使用相对小的厚隔膜(例如，2-3μm厚，50-75μm直径)，则需要更高的致动电压(例如，50-100V)以将隔膜拉至塌陷。这些类型的隔膜具有高抗挠刚度，并且典型地在腔体与外部环境之间的压差较大(例如，＞1巴)的情况下使用。从电击穿和隔离的观点，以及由于低电源电压而使用DC-DC转换器进行电压上变换的要求和更昂贵、高电压、非标准CMOS技术的使用，这些类型的高电压非常不切实际。然而，分段电极方法实现了信噪比的改善，并且实现了基于差分电容测量的内部校准。

如果外部压力低于腔体内的压力(例如，分别为真空和100毫巴内部压力)，则隔膜具有穹顶形状(例如，如图17的上部所示)。可以对补偿电路进行编程，使得外电极电容为内电极电容加上附加值X，以使内电极与外电极之间的比值为预定值(例如，1)。这避免需要致动电压来使隔膜平坦。值X例如可以是开关电容器组，或者该方法可以以软件来实现。于是，附加电容X是针对内部腔体压力(例如，渗气所引起)的度量。

另一实施例是使用有源反馈回路并且通过施加偏压保持电容比值恒定。由于隔膜挠曲保持恒定，优点在于非常线性的输出。另一方面，需要高电压发生器和更多电路。并且由于连续电压应力可能引起较短的使用期限。

使用分段电极的优点在于检测内外电极之间小电容差的能力。由于外电极仅对电容变化做出少量贡献，该电极优选地用于致动，而内电极应该用于非常准确地测量电容。

尽管外电极的电容改变在致动时较小，但是外电极可以用于拉进隔膜，以使内电极接近下部电极。因此，对外电极施加偏置会显著地增加对小压力变化的灵敏度。外电极上的DC电压偏置产生对电容测量的偏移(off-set)，该偏移与施加的压力无关，并且甚至可以用于进一步表征/校准传感器。

图17示出了该偏压校准和读出方法。

上部示出了施加致动电压以将隔膜从初始穹顶形状拉至平坦形状。注意，施加的压力水平可以用于将隔膜提升至平坦形状(由于致动电压可以仅用于拉进隔膜)。

中间部分示出了施加偏置基准电压，足以迫使隔膜进入其非挠曲状态。在该校准阶段期间施加基准压力。如果内电极和外电极具有相同的表面积，则可以基于内电极和外电极之间的差分电容变得接近零来确定该偏压。如上所述，这不是通过使用静电力致动电极之一来实现，而是可以在校准阶段期间通过改变腔体与外部环境之间的压差来实现。如果基准压力可用，则可以使用该差分电容测量方法来校准器件。

在器件的使用中，施加的压力导致使差分电容保持为零所需的电压改变。因此，通过使用反馈系统以使隔膜保持平坦，所需致动电压(在校准中确定的偏压以上)可以用于给出压力测量。

挠曲状态可以由三种方法来表征：

a)作为压力函数的电容测量(例如，如参照图5至16所述)

b)电极之一上的DC偏压，产生作为压力函数的电容测量的偏移(如参照图17所述)

c)确定静电激励隔膜的谐振频率和质量因子。可以在隔膜两端施加DC偏压Vdc的同时通过测量两个致动电极之间的电阻抗根据频率的变化，来确定谐振频率。隔膜因此受到静电力的激励，并且通过测量电容电流来检测隔膜的运动，这是由于相对电极之间的电容是距离z0+Δz的函数。备选地，器件可以在反馈回路中配置有放大器以创建MEMS振荡器，该振荡器连续产生AC输出信号，该AC输出信号的频率取决于外部压力。输出信号的频率是压力的度量。

然后可以使用测量MEMS、机械谐振器或RLC电路的谐振频率的任何传统方式来确定频率。

这种测量谐振频率的方法在MEMS谐振器领域是已知的，但是由于峰值加宽，很难在提高的压力下确定质量因子和谐振峰频率。

本发明在致动一个电极的同时实现了随时间对另一电极的独立电容测量。这获得对谐振频率及其振幅的更灵敏确定，因为隔膜的中心部分由于比外部更大的挠曲振幅，对于电容变化更灵敏。

压力传感器可以使用标准技术来制造。

图18示出了一些初始制造阶段之后的器件。

在基板150上形成器件，基板可以是所示裸硅晶片150上的氧化硅或氮化硅普通隔离层152，或者下方具有集成电路的CMOS晶片之上的隔离层。沉积(典型地，200nm厚度PVD Al)并随后图案化下部金属电极154。

通过PECVD或LPCVD在金属电极之上沉积隔离氮化硅或氧化硅膜156(例如，100nm的氮化硅)。之后沉积牺牲层158(随后被去除以形成腔体)。牺牲层包括300-500nm厚的金属层(典型地，钼、铝或铬)。该层被图案化为适当的圆形形状，并具有瓣状物(flap)，以便在圆形隔膜区域外部访问该层以进行牺牲刻蚀。

较大牺牲膜厚度创建较大的间隙，并且得到总体上较小的灵敏度，但是较大的动态压力范围。在去除牺牲层时，较薄的牺牲膜厚度导致更大的处理困难，但是有利地尽可能大地增加平行极板电极之间的电容。

牺牲层沉积之后是起到钝化层作用的PECVD氮化硅或氧化硅覆盖层160的沉积。

该膜典型地为200-300nm厚，并且在牺牲层刻蚀期间用作上部电极的刻蚀保护。该膜应当尽可能薄，并且优选地具有大于4的介电常数以增加电容耦合。在上部沉积薄的上部金属电极162(Al)。上部电极162应当尽可能薄(即，100-200nm)，以减小隔膜的热膨胀系数。钝化层160避免两个金属层之间的电接触。

根据本发明将上部电极图案化成多个分段，以优化灵敏度、S/N比，并允许差分电容测量。然后刻蚀上部电极。

然后利用厚PECVD氮化硅或氧化硅层164来覆盖电极。该层的厚度和应力影响隔膜的最终刚度。可以利用沉积条件来调谐SiNx:H层中的应力。优选地，优化隔膜直径以便针对给定SiN隔膜厚度定义一定的压力操作范围。典型地，针对50-75μm之间的隔膜直径选择隔膜厚度在1.5μm和2.5μm之间，这获得0.5和5巴之间足够宽的动态压力范围。对于低压力(即，＜0.2巴)，隔膜的厚度必须减小至300-500nm，以便创建更易弯曲的隔膜。

为了减小应力梯度，调整金属电极之下和之上的SiN厚度，使得上部电极162位于隔膜的中部。

该工艺流程继续，图案化并干法刻蚀孔，停止于牺牲层158上，如图19所示。这些孔沿圆周环绕隔膜设置(即，在圆形电极区域外侧)，并且典型地直径为1-2μm。孔直径越大，越容易去除牺牲材料。在牺牲层刻蚀期间形成腔体。利用PES刻蚀(磷酸、硫酸和醋酸的混合物)来选择性地去除牺牲层158。

在400℃-450℃下退火以从SiNx:H隔膜去除水并且去除过多的氢之后，在350℃夹盘(chuck)温度下沉积“热”PVD Al。在非共形(non-conformal)Al沉积期间使用“Al回流”时，刻蚀孔有效地密封，而没有PVD基本压力下的“接缝”。

图20示出了铝刻蚀孔密封/插塞层166。

有效封闭所需的刻蚀孔密封层166的厚度取决于孔的直径和间隙直径。对于与较大刻蚀孔(例如，2μm直径)相结合的较大间隙高度(例如，＞1μm)，封闭需要相当厚的Al层(5μm)。刻蚀孔直径的典型尺寸是1μm，Al插塞层厚度的典型尺寸是2μm。

然后使用掩模(或者不用掩模，但需要定时刻蚀)通过湿法蚀刻或干法刻蚀来从隔膜去除Al。当去除Al之后隔膜暴露于环境压力下时，由于隔膜刚度/厚度，隔膜由于腔体中的真空而挠曲。得到的结构在图21中示出，其中，剩余有插塞168。

最后，需要制造电连接以接触分段的上部电极和下部电极。电连接和键合焊盘由后续使用标准制造方法的Al图案化、刻蚀和沉积来创建。

特别感兴趣的是，在集成电路(例如，CMOS电路)之上形成分段电极压力传感器，使得获得全集成解决方案。本发明的一个方面利用CMOS电路的顶部金属层来实现互连结构的形成，使得实现与不同电极分段的电连接，而无需交叉。

通过使用最后互连金属层布线，使得能够访问真正的完整环形(即，圆形或方形或矩形)下部电极，而这是利用批量微加工技术不可能实现的，因为交叉是不可能的。多于两个分段可以以这样的方式连接至读出电路。可以在CMOS顶部钝化层之上提供压力传感器，并且CMOS上的集成使得增加信噪比，并且减小由于键合线引起的寄生电容。还使得能够形成环形电极环，而不会失去电容区域来用于接触线，并且这在即使使用许多电极分段的情况下也适用。得到的对称性引起均匀的静电致动，以及明确定义的压力/电容关系。经由位于下部电极之下的金属互连来实现对下部电极的访问。事实上，下层CMOS结构的多个互连层可以用于创建期望的交叉。

现在描述适合于在CMOS电路上形成压力传感器的多个工艺流程。

第一示例基于SiGe流程，具有Al下部电极、PECVD SiC覆盖层、牺牲氧化物、SiGe上部电极以及PECVD SiN密封层。

工艺以CMOS电路开始，其中CMOS电路的顶部金属互连覆盖有PECVD SiN钝化层(例如，厚度600nm)。

在SiN层上形成高密度等离子(HDP)氧化物，例如，1000nm厚。

利用第一掩模，图案化过孔，过孔穿过氧化物和钝化层至顶部金属互连层。过孔可以具有0.7μm直径。这些过孔通过CVD工艺填充有钨，随后进行CMP平坦化，该CMP平坦化停止于HDP氧化物。

然后使用第二掩模，图案化由SiGe形成的下部电极。得到的结构在图22中示出，图22示出了CMOS顶部金属层220、SiN钝化层221、HDP氧化物222、填充了W的过孔223、以及图案化的下部电极224。下部电极图案具有电极以及针对每个电极的读出线。

示出了针对2分段设计BE1、BE2的设计。附加的外分段用于支撑锚(anchor)，锚使上部电极与下部电极保持分离。图22中的顶视图示出了顶部CMOS互连层如何使得每个电极能够耦合至相应的读出线，并且在一层中形成所有读出线和电极，而无需交叉。

然后在下部电极之上形成SiC层，以防止上部电极与下部电极之间的短路，并且避免由于牺牲HF蒸汽刻蚀而导致SiN钝化层的刻蚀。然后沉积牺牲SiO2层，典型厚度为0.5至1μm。这限定了压力传感器间隙。可选地，可以首先对SiC层进行平坦化，这通过利用氧化物填充，然后进行CMP工艺(该CMP工艺停止于SiC层)来进行。

然后利用第三掩模通过图案化过孔来形成锚结构。过孔尺寸也是0.7μm，并且过孔延伸穿过牺牲氧化物和SiC层，接触最外侧的下部电极。

然后使用一个或两个步骤的SiGe沉积来沉积上部电极。第一工艺填充锚过孔(例如，400nm的SiGe，400摄氏度下进行30分钟)，第二工艺用于增加厚度。

然后图案化上部SiGe电极。第一图案(第四掩模)用于限定分离的键合焊盘，第二图案(第五掩模)用于形成到压力传感器腔体的牺牲刻蚀开口。

得到的结构在图23中示出。SiC层示为225、牺牲SiO2层示为226、填充的锚过孔示为227、以及图案化的上部电极示为228。在键合焊盘电极230之间存在比牺牲刻蚀开口231更宽的间隔229。对于牺牲刻蚀而言需要较小的孔(例如，0.5μm至0.7μm)，以允许密封步骤期间的封闭。

然后图案化Al接触焊盘电极(掩模6)，并且然后进行牺牲刻蚀。然后形成厚度1至2μm的覆盖层，例如TEOS或SiN或SiC。该覆盖层确定基本压力和渗气性能。需要开口来接触焊盘电极。

在图24中示出了得到的结构的截面图。Al接触焊盘电极示为232，覆盖层示为233。

在400℃下可以在CMOS电路之上沉积SiGe膜，而不会劣化金属线电阻/晶体管性能。稳定的SiGe膜不会表现出蠕变，并且具有良好控制的弯曲挠曲形状(低拉伸应力)。SiGe电极与Si存在较小热膨胀系数失配，使得可以避免翘曲(buckling)，并且隔膜的温度灵敏度较低。下部电极之上的薄PECVD SiC层给出良好的介电隔离，并且器件可以工作于塌陷状态(上部与下部之间没有短接)。较小的压力传感器性能在晶片上扩展，并且隔膜厚度和腔体高度具有良好均匀性(这些高度是沉积受控的而不是CMP受控的)。

备选工艺流程利用钨上部电极。

一直到并包括牺牲氧化物层中锚过孔的图案化，该工艺与上述工艺相同。

不是形成SiGe上部电极，而是通过CVD工艺形成W。这具有良好控制的间隙高度，使得不需要CMP工艺。W具有低CTE失配和高应力，这避免高温密封步骤期间的翘曲。

W层的图案化如上所述，利用2掩模工艺形成图23的结构，但是上部电极图案228是W而不是SiGe。工艺流程然后如上所述继续。

除了上述优点之外，该工艺利用W电极与Si的较小热膨胀系数失配，来避免翘曲，并且给出低温度灵敏度的隔膜。还避免了对SiGe工具的需要，从而给出较低的成本支出。

备选工艺流程利用铝上部电极。

同样，一直到并包括牺牲氧化物层中锚过孔的图案化，该工艺与上述工艺相同。

不是形成SiGe上部电极，而是通过CVD工艺形成W，但仅填充锚过孔。然后执行CMP工艺。

然后利用最高可能应力下的工艺来沉积Al上部电极材料，以免翘曲。Al层的图案化如上所述，利用2掩模工艺来形成图23的结构，但是上部电极图案228包括W锚和Al上层。工艺流程然后如上所述继续。然而，不需要接触焊盘电极232，从而减少一个掩模步骤。得到的结构在图25中示出，图25对应于图24，但是示出了不需要附加Al接触焊盘。

除了上述优点以外，该工艺更接近标准CMOS工艺。所有的膜可以在低于400℃的温度下沉积在CMOS电路之上，而不会劣化金属线电阻/晶体管性能。同样不需要SiGe工具，并且减少掩模层。

存在使用铝上部电极的工艺流程的变型。

例如，在下部电极至少可以代替SiC设置SiN层，同样防止上部电极与下部电极之间的短接。取而代之，可以在牺牲氧化物层之上设置该防短接层，或者可以在牺牲刻蚀氧化物之下以及之上存在SiN层。可以对这些层之一进行图案化以获得抗静摩擦凸块。

当在牺牲氧化物层之上设置SiN层时，该层可以变成针对铝上部电极的支撑层以免翘曲。

对于最大位移而言，针对大应力梯度的最鲁棒形状是圆形隔膜极板，但是多边形、方形或矩形形状也是可能的。

可以按照使隔膜传感器区域保持自由的方式来封装器件，以便允许隔膜挠曲并且检测压力改变。为此，在管芯上可以施加不粘箔，并且当在高压下将模塑料注入封装模具中时，抵靠管芯推送比隔膜的尺寸大的塞。

当释放塞和模具时，从隔膜去除箔。塞防止隔膜受到高压，并且将模塑料沉积到到隔膜上。

本发明的分段电极设计实现了较小的器件，实现了具有改进信噪比和可调谐灵敏度的自校准。该设计还允许使用差分电容测量，以找出预定的挠曲状态。如果该预定挠曲状态是已知的，则可以更精确地对实际器件性能进行建模。这实现了隔膜挠曲的绝对测量。此外，该设计允许校正信号漂移的校准，可以在高灵敏且线性状态下执行电容测量，并且显著提高总动态范围。

较小中心电极的使用对于改进信噪比是有利的，以检测较小的压力变化，并且可以使用DC偏置来调谐对期望范围的灵敏度。

以上工艺中的密封腔体方法可以在低压下操作。物理气相沉积(PVD)金属插塞的使用有利于降低基本压力，并且避免由于气体的热膨胀引起腔体中不期望的压力变化。针对腔体密封步骤使用LPCVD或PECVD在腔体内引起相对大且不受控的基本压力。通过将刻蚀孔放置在隔膜区域的外部，这需要对牺牲层刻蚀更好的选择性。在使用金属牺牲层(钼、铝或铬)时，可以针对氧化硅和/或氮化硅覆盖层获得更好的选择性。

本发明使用针对压力传感器的电容性读出系统。这与压电电阻性读出系统相比具有明显的优点。与电容性读出相比，压电电阻性读出消耗更多功率，并且对于给定尺寸和信噪比而言对温度更敏感。此外，后者相对较大，缺乏集成灵活性，并且不能在CMOS上构造。

以上概括了本发明传感器的许多其他优点。这些优点中的一些概括如下。

使用对分段电极之一施加的电压，可以在一定压力下迫使隔膜进入零挠曲状态。不是测量由于隔膜挠曲引起的电容改变，而是在对外电极或内电极施加偏压时隔膜挠曲可以保持在一定的挠曲状态下。于是，偏压是针对腔体与外部世界之间压差的度量。该方法对于可移动电极布置(隔膜)中应力的变化不敏感。

由于使用比外电极具有更大挠曲振幅的较小内电极，使得能够提高灵敏度。这提高了信噪比。

提供偏压的能力还可以用于其他目的。例如，可以通过对外电极施加偏压，并且使用温度传感器来获得温度(该温度然后用于导出需要的补偿偏压)，来补偿由于腔体的热膨胀而引起的挠曲。

实现了能够使用不同电压设置点校准的大动态压力测量范围。多个传感器电极的使用还使得能够通过使用差分电容测量来精确地确定接触点压力。这然后使得传感器能够切换至不同测量范围。两个测量范围包括随压力的线性电容变化，以及随压力高度灵敏但非线性的电容变化。还可以有意地将传感器拉至塌陷，以创建线性压力-电容读出。

还可以通过例如对外电极施加静电场来使隔膜进入谐振。使用该方法的谐振频率峰值加宽的问题在于，在较大压力(例如，＞0.1巴)下，Q因子变低，这使得压力测量在环境压力下不精确。代替确定峰值谐振的Q因子，而是可以经由内电极来精确确定得到的电容振荡，这扩展了基于谐振的方法的测量范围。

以上主要示例使用两个电极，但是在分段电极设置中可以存在三个(同样如上所示)或更多电极。在说明书和权利要求中，对内电极和外电极的引用因此应当理解为对2电极设计中两个电极的引用，或者对具有三个或更多同心电极的设计中任何电极对的引用。

本发明可以特别用于消费应用，例如，移动电话(紧邻麦克风构建)、气象站、GPS助理、手表等。本发明可以使用在汽车应用(例如胎压监测系统)中、使用在智能建筑应用(HVAC，气流测量、通过空气过滤器的压降)、以及使用在医疗应用中。

本发明应用于电极配置中，在电极配置中，至少一个电极布置包括至少两个分段。可以存在更多分段，例如3个或4个。

本领域技术人员根据对附图、公开和所附权利要求的研究，在实践要求保护的本发明时，可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“一”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载特定措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应视为限制范围。

Claims (15)

1.一种MEMS压力传感器，包括：相对的电极布置，其中，电极布置之一悬置在另一电极布置之上，使得该电极布置响应于施加的压力可移动；以及用于根据电极布置之间的电容导出输出的装置，所述MEMS压力传感器包括：

基板，具有集成电路和金属互连部分，所述金属互连部分包括顶部金属互连层，所述顶部金属互连层包括连接部分；

钝化层，布置在顶部金属互连层上；

氧化层，布置在钝化层上；

固定的下部电极布置，形成在布置于氧化层上的金属层中；

可变形的隔膜，悬置在下部电极布置上；

上部电极布置，形成于隔膜上，该上部电极布置在另一金属层中形成，并且包括内电极和围绕内电极布置的外电极；以及

垂直过孔，延伸通过氧化层和钝化层，将内电极和外电极电连接到顶部金属互连层的连接部分。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，用于导出输出的装置可配置为单独测量与内电极和外电极相关联的电容。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，内电极是圆形、方形或矩形，外电极是环形，并且内电极和外电极具有相同面积。

4.根据权利要求1所述的传感器，还包括：用于对内电极或外电极施加偏压的装置，其中另一电极用于电容测量。

5.根据权利要求1所述的传感器，还包括用于对内电极或外电极施加偏压的装置，并且还包括：反馈系统，保持与内电极和外电极相关联的电容之间的固定比值，以使悬置电极布置保持在预定挠曲配置下。

6.根据权利要求1所述的传感器，其中，用于导出输出的装置可配置为使得能够从以下任一项中导出输出：

仅与内电极相关联的电容；

仅与外电极相关联的电容；

与内电极和外电极相关联的组合电容。

7.一种制造MEMS压力传感器的方法，包括：

提供集成电路，所述集成电路具有顶部金属互连层，所述顶部金属互连层包括连接部分；

在顶部金属互连层上布置钝化层；

在钝化层上布置氧化层；

形成通过氧化层和钝化层的垂直过孔；

将金属层设置在氧化层上，并在金属层中形成固定的下部电极布置，使得垂直过孔将下部电极布置电连接到顶部金属互连层的连接部分；以及

将承载另一金属层的可变形的隔膜悬置在下部电极布置上，所述另一金属层形成上部电极布置，所述上部电极布置包括内电极和围绕内电极布置的外电极。

8.根据权利要求7所述的方法，包括：

在集成电路之上形成下部金属层，并且限定下部电极布置；

在下部金属层之上形成牺牲层以限定腔体；

在牺牲层之上形成另一钝化层(160)；

形成上部金属层，并且限定另一电极布置，其中所述另一钝化层(160)避免下部金属层与上部金属层之间的电接触；

在上部金属层之上形成覆盖层；

在覆盖层中形成通向牺牲层的刻蚀开口；

通过刻蚀开口去除牺牲层；

形成用于插塞刻蚀开口的插塞层；以及

去除刻蚀开口上方之外的插塞层。

9.根据权利要求7所述的方法，包括：

在集成电路之上形成下部金属层，并且限定下部电极布置；

在下部电极之上形成另一钝化层(225)；

在所述另一钝化层(225)之上形成牺牲层以限定腔体；

形成上部金属层，并且限定另一电极布置，其中所述另一钝化层(225)避免下部金属层与上部金属层之间的电接触；

在上部金属层中形成通向牺牲层的刻蚀开口；

通过刻蚀开口去除牺牲层；

形成用于插塞刻蚀开口的插塞层。

10.一种操作如权利要求1-6中任一项所述的MEMS压力传感器的方法，其中，压力传感器包括相对的电极布置，其中电极布置之一悬置在另一电极布置之上，使得该电极布置响应于所施加的压力可移动，压力传感器输出包括电容值，其中所述方法包括：

在初始校准阶段期间，通过执行电容-压力分析和电容-温度分析来执行器件表征；

作为初始校准的一部分，附加地执行电容-电压和/或电容-谐振频率分析；

将初始校准信息存储在存储器中；

在器件的使用期间，周期性地执行重新校准，包括：

执行电容-电压分析，并且根据电容-电压分析确定悬置电极塌陷压力；以及

执行电容-谐振频率分析，并且根据电容-谐振频率分析来确定机械柔度；以及

基于测量的电容与压力之间的关系，来获得压力值，其中所述关系考虑所确定的悬置电极塌陷压力和机械柔度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，每个分析包括获得电容值的扫描。

12.根据权利要求10或11所述的方法，还包括：在器件的使用期间，使用一个或多个电容-电压测量或者一个或多个电容-谐振频率测量，来执行传感器漂移检查。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，至少一个电极布置包括由相同金属层形成的内电极和外电极，外电极绕内电极设置，其中在获得压力值时，所述方法包括：独立测量与内电极和外电极相关联的电容。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：在获得压力值时，对内电极和/或外电极施加偏压，以将压力灵敏度调谐至期望范围。

15.根据权利要求10所述的方法，包括：对内电极或外电极施加偏压，以及调整偏压以保持与内电极和外电极相关联的电容之间的固定比值，以使悬置电极布置保持在预定配置下，其中输出信号根据偏压的调整水平导出。