CN104142206B - 一种mems电容式压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种MEMS电容式压力传感器及其制作方法

【技术领域】

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】

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。

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。

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】

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作方法。

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。

优选地，该参考电容包括一压力腔，该压力腔与外界连通。

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。

优选地，感应电容包括一压力腔，该压力腔与外界隔绝。

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。

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。

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：

S1：提供一衬底；及

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。

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。

优选地，在步骤S2中，制作感应电容与参考电容的步骤包括：

S21：在衬底上放置至少二间隔设置的牺牲层；

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；

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；

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(O2Asher)或HF蒸汽（Vapor HF）；

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。

优选地，步骤S2进一步包括：

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。

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。

【附图说明】

图1是现有技术电容式压力传感器之电路模块图。

图2是本发明电容式压力传感器之电路模块图。

图3是本发明电容式压力传感器结构示意图。

图4是本发明电容式压力传感器之剖视图。

图5是本发明电容式压力传感器之衬底结构示意图。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

图12是本发明电容式压力传感器之密封结构示意图。

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。

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】

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本发明还提供上述压力传感器10之制作方法，其步骤如下：

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。

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。

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，也可以是二氧化硅材料。

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。

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。

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。

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(O2Asher)，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。

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。

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。

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.

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。

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。

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。

Claims (8)

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；

其中，该参考电容包括一压力腔，该参考电容的压力腔与外界连通；感应电容包括一压力腔，该感应电容的压力腔与外界隔绝。

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。

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。

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：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。

5.一种MEMS电容式压力传感器的制造方法，其特征在于：

S1：提供一衬底；及

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。

6.如权利要求5所述的一种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。

7.如权利要求5所述的一种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：

S21：在衬底上放置至少二间隔设置的牺牲层；

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；

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；

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或HF蒸汽；

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。

8.如权利要求5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：

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。