CN104364627A - 电容式压力传感器和制造该电容式压力传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电容式压力传感器及其制造方法。该电容式压力传感器包括：固定板，被配置为作为背板；活动板，被配置为隔膜用于检测压力，其中空腔形成在所述固定板和所述活动板之间；绝缘层，位于所述固定板和所述活动板与它们的电触点之间，用于最小化漏泄电流；多个阻尼孔用于当压力施加在所述隔膜上时使得所述固定板的轮廓与偏转的所述隔膜一致；排放孔，延伸到所述空腔并具有有阻力的空气路径，用于与所述隔膜的平衡；和延伸的背室，用于增加所述电容式压力传感器的灵敏度。该电容式压力传感器还被配置为用于最小化寄生电容。

Description

电容式压力传感器和制造该电容式压力传感器的方法

技术领域

本发明大体上涉及压力传感器。具体地，本发明涉及用于所需应用的电容式压力传感器的制造。

背景技术

传感器是一种检测特定介质并且将该介质的特性通过电信号转变为可读值的设备。这种类型的传感器也被已知为变换器。本发明涉及用于检测各种压力范围的传感器，特别是几帕斯卡范围的低压力。通常，具有三种不同的变换机制用于测量压力，例如压阻式、压电式和电容式。然而，电容式方法相比其它变换机制具有一些优点，特别是在低压测量方面。这是由于电容随着压力的百分比变化而导致的。

然而，电容式压力传感器具有两种主要的缺点，例如电容器的板之间的寄生电容和电流漏泄。寄生电容是主电容区域外部的周边电容。这是由于平行的板的相应的表面全部被附接导致的结果。两个板之间的漏泄电流使电容恶化，并且还降低传感器的分辨率和操作频率范围。因此，要求完全消除或基本上减小这两个不希望的参数，从而对传感器性能具有非常小的影响。尽管理想上这两种参数应该为零，然而，实际上，根据设计特征和制造技术，总是存在一些最小值。

因此，鉴于以上讨论，需要提供改进的设计特征和制造技术，其能够消除上面提到的缺点，并且生产具有最小寄生电容和漏泄电流的电容式压力传感器。

发明内容

本发明的主要目的在于提供独有的设计特征和制造顺序以便生产显著减小寄生电容和漏泄电流的超电容式压力传感器。

本发明的另一目的在于提供独有的设计特征和制造顺序以便生产以简单的方式满足设计要求的超电容式压力传感器。

本发明的另一目的在于提供一种独有的设计特征和制造顺序以便生产有成本效益的超电容式压力传感器。

为了实现上面提到的目的，本发明公开一种在传感器冲模上制造的电容式压力传感器。该电容式压力传感器包括：固定板，其被配置作为背板被锚定在边缘处，保持剩余区域浮动，用以最小化寄生电容；活动板，其被配置作为用于检测压力的隔膜，其中空腔形成在所述固定板和所述活动板之间以允许所述隔膜偏转；绝缘层，位于所述固定板和所述活动板与电触点之间，用以最小化漏泄电流；多个阻尼孔，被布置在所述固定板上，用于当压力施加在所述隔膜上时使所述固定板的轮廓成形如偏转的所述隔膜；排放孔，延伸到所述空腔并具有有阻力的空气路径，用于当暴露到环境压力时提供与所述隔膜的平衡；和延伸的背室，具有延伸的容积，用于提高所述电容式压力传感器的灵敏度。

在一个实施例中，所述电容式压力传感器包括布置在所述固定板上的多个过压限制器支柱，用于在最大过压施加在所述隔膜上的情况下防止所述隔膜在所述背板上塌陷。

在本发明另一方面中，公开一种制造电容式压力传感器的方法。所述方法包括：形成第一晶片基板，该第一晶片基板包括被第一粘合层粘接的第一层和第二层以及在所述第二层顶部上的二氧化硅掩模层；蚀刻掉所述掩模层和所述第二层以形成凹形的空腔；通过蚀刻在所述掩模层上形成用于背板、电绝缘和排放通道的图案；形成用于减小寄生电容的背板绝缘和通过所述第二层的阻尼孔；形成第二晶片基板，该第二晶片基板包括具有第三粘合层的第三层和由第四粘合层粘接的第四层，其中所述第四层被配置作为约束晶片；通过粘接作为第二粘合层的所述掩模层而将所述第一晶片基板与所述第二晶片基板联接；通过研磨将所述第四层减小到十分之一微米的范围以便形成隔膜层；在所述第一层中形成延伸的背室以提高灵敏度；以及为所述掩模层中的排放孔形成开口，用以提供对所述隔膜的平衡。

在实施例中，所述制造电容式压力传感器的方法包括移除不必要的粘合层，以使所述背板和所述隔膜不受约束。

在实施例中，所述制造电容式压力传感器的方法，包括通过接触垫上的孔溅镀金属。

在实施例中，所述第一晶片基板通过熔融粘接与所述第二晶片基板粘接。

在实施例中，在所述第一层中形成所述延伸的背室包括：形成延伸的背室的第一步和在所述第一层中形成整个背室的第二步。

在实施例中，所述制造电容式压力传感器的方法包括在所述边缘的周围除了用于形成锚定的背板的锚定区域之外蚀刻所述掩模层。

在实施例中，所述制造电容式压力传感器的方法包括形成通过所述第二层的过压限制器，以在最大压力的情况下防止所述背板和所述隔膜之间短路。

理解的是，本发明实施例的前面的大体描述和下面的详细描述旨在提供用于理解本发明要求的本质和特征的综述和框架。包括附图来提供对本发明的进一步的理解，并且合并且构成本说明书的一部分。附图例示出本发明各种实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理和操作。

附图说明

下面通过参照如在附图中例示的本发明示例性实施例，本发明上面提到的和其它特征以及其它优点将更好地理解并且将变得更明显，附图中：

图1例示出典型的电容式传感器模型；

图2a例示出在传统电容式传感器中的板设计技术；

图2b例示出当压力被传统电容式传感器检测到时板的弧形变型，其示出电容区域的某些部分在变型阶段保持未变化；

图3a例示出根据本发明一个实施例的电容式传感器的独有的空腔设计；

图3b例示出根据本发明一个实施例的过压限制器支柱；

图4例示出根据本发明一个实施例的电容式传感器中的寄生电容的形成；

图5例示出根据本发明一个实施例的两个板的绝缘以便减小寄生电容；

图6例示出根据本发明一个实施例的减小电容式传感器中的寄生和结构应力的浮动背板；

图7例示出电容式传感器中的两个路径之间的漏泄路径；

图8例示出根据本发明一个实施例的电绝缘以便避免由于两个板短路导致的漏泄电流；

图9例示出根据本发明一个实施例的朝向电容式传感器中的空腔的空气阻力排放孔；

图10例示出根据本发明一个实施例的形成在电容式传感器中的排放通道；

图11例示出根据本发明一个实施例的在电容式传感器中的延伸的背容积的形成；

图12例示出根据本发明一个实施例的电容式传感器的俯视图；

图13a-13o例示出根据本发明一个实施例的电容式压力传感器的独有制造顺序；

图14例示出根据本发明另一实施例的电容式压力传感器的完全设计；

图15示出根据本发明另一实施例的具有锚定背板的电容式压力传感器的设计；和

图16a-16b例示出根据本发明另一实施例的具有压力限制器的电容式压力传感器的设计。

具体实施方式

现在将参照本发明的示例性实施例，如附图中例示的那样。在可能的地方，相同的附图标记将指代相同或相似的部件。

这里公开一种具有较少寄生电容和漏泄电流的电容式压力传感器和制造这种超电容式压力传感器的方法。图1例示出这种电容式压力传感器的电学模型。这种压力传感器的性能典型地依赖于几个关键特征。例如，这些特征包括较高的电容和电容变化、过压保护、最小寄生电容、最小漏泄电流、使空腔与大气压力平衡同时安全防护低频率灵敏度、延伸的背容积、容积可制造性和成本。下面描述了本发明的独有发明特征，这些特征赋予该压力传感器最好的性能并且使其成为最经济可行的产品。

(1)较高的电容和电容变化

通过使用单晶硅作为基础材料可制造电容器的两个板。利用微切削加工的标准半导体(CMOS)技术可被用于制造该传感器。为了设计电容式传感器以检测到施加于隔膜的压力，空腔或空间形成在电容器板之间。因此，当压力被施加于隔膜上时，隔膜能够弯曲，由此电容的任何变化反映所施加的压力的量。在传统的设计中，电容式传感器的两个板根据图2a进行制造。

当压力波被施加于隔膜上时，隔膜前后震荡，由此电容式压力传感器中的电容值变化。隔膜的偏转与隔膜上检测到的压力的量成比例。然而，传统设计具有一个缺点。为了得到最大的灵敏度，隔膜应该偏转到其最大水平而不会在相对的板(背板)上塌陷。当隔膜偏转时，其弯曲成弧形，如图2b中所示。在目前情况下，隔膜下方的某些区域没有明显扩大。因此，板之间的距离保持几乎不变，并且没有导致电容变化。

如图3中所示的本设计在电容板之间形成距离，以便当压力施加于隔膜上时跟踪偏转的隔膜的轮廓。这通过使用如图3a中所示的阻尼孔302实现。这产生了电容的最大变化。

(2)过压保护

在本发明中，制造技术过压限制器304被用于形成在空腔的内部。在隔膜经历最大过压的事件中，过压限制器支柱304将防止隔膜塌陷在背板上并且在设备中导致短路。过压限制器支柱形成在介电层上，并且因此不连接到图3b中所示的电偏压件。

(3)减小寄生电容

如上面所讨论的那样，电容式压力传感器包括两个平行的板。一个板被固定(402)，另一个板是称为隔膜(404)的活动板。电容器包括分别与固定板402和隔膜404连接的电触点(406、408)。当这两个板被制造成形成电容器时，形成两种类型的电容，例如有源电容410和无源电容412。无源电容也称为寄生电容。这例示在图4中，其中两个板被保持在一起。这个无源电容被形成为与有源电容平行，由此降低了传感器设备的总体性能。因此，本发明的主要目的在于避免或者最小化寄生电容。这种独有的发明设计和制造方法使得这种设计和制造将寄生电容最小化到小于总电容的20％。

本方法通过将固定板和隔膜的重叠区域绝缘来减小寄生电容，如图5中所示。在该设计中，有一个选项是使背板不受约束。因此背板被锚定到小横梁，而区域的其它地方保持浮动。这允许形成绝对最小的寄生电容并且减小了结构压力，如图6中所示。

(4)两个板之间的漏泄电流

当两个板被制造为形成电容器时，还具有被形成为将两个板保持在一起的区域。也称为绝缘区域。然而，微小电流倾向于当设备通电时通过两个板之间而漏泄，如图7所示那样。根据漏泄电流的量，其能够恶化设备的性能。因此，在设计期间需要仔细考虑以便避免或者最小化漏泄电流。

本设计和制造方法能够最小化漏泄电流，如图8中所例示的那样。电触点周围的区域被独有地绝缘，确保两个板之间没有短路。另外，背板和隔膜在整个周围被独有地绝缘，以确保两个板之间没有短路。

(5)独有的排放孔形成以使空腔通大气压力

一些压力传感器被用在计量应用中，其中隔膜两侧被暴露到相同的环境压力，如图9中所示那样。为了实现与隔膜的平衡，排放孔必须被形成为暴露出空腔。然而，该排放孔必须被设计和制造为使得入射压力不同时暴露到隔膜的后侧，特别是对于声音压力。

本设计和制造方法能够使得这种设计和制造形成将空腔暴露到大气压力的排放孔，同时产生阻力路径，该阻力路径对进入空腔的声波产生相移，如图10中所示那样。

(6)延伸的背容积

背容积是传感器的主要部分。背容积越高，传感器的灵敏度性能越好。为了增加传感器的背容积，基座的一部分被蚀刻掉。本设计和制造顺序使得能够形成延伸的背容积，如图11中所示那样。

图12例示出根据本发明一个实施例的电容式压力传感器的完整结构的俯视图。电容式压力传感器冲模1200包括固定背板1202、活动隔膜1204和在它们之间的空腔1206。电触点1208和1210被分别提供给背板和隔膜。进一步，1212指示触点开口。电容式压力传感器1200还包括阻尼孔1214、过压限制器支柱1216和隔膜1218的电/寄生绝缘。还示出带有有阻力的空气路径的排放孔1220。

图13a-o例示出根据本发明的一个实施例的压力传感器的制造顺序。层1典型地包括操作/约束晶片。作为背板的层2在该情况下通过粘合层1(示出在图13a中)形成在层1上。粘合层1可为二氧化硅层。接着，掩模层(示出在图13b)中形成在层2的顶部上。例如，粘合层可为二氧化硅(SiO2)。

之后，图案形成在二氧化硅的掩模层中，并且层2被移除或蚀刻掉以便形成凹形或下降的空腔(示出在图13c)。随后掩模层被进一步刻上图案并且被蚀刻用于背板、电绝缘和排放通道(示出在图13d中)。因此，通过层2形成用于减小寄生的独有的背板绝缘、背板排放通道的电绝缘和阻尼孔(示出在13e中)。

在这种情况下为隔膜的层3通过粘合层4(示出在图13f)形成在层4上。层4在这种情况下用作操作或约束晶片，其可为硅或绝缘体(SOI)晶片。粘合层4可为二氧化硅。通过使用作为粘合层2的掩模层，两种设置被粘接在一起，并且在这种情况下，熔融粘接被用于将两种设置粘接在一起(如图13g和13h中所示)。

在两种设置被粘接之后，层4被磨碎并且减小到十分之一微米(tenth ofmicrons)(如图13i中所示)。随后背室被延伸。首先，延伸的背室形成在层1中，随后整个背室形成在层1中(如图13j和13k中所示)。

之后，形成排放孔和粘接垫开口(如图13l中所示)。进一步，隔膜、电绝缘、寄生减小部和粘接垫被形成(如图13m中所示)。

接着，所有不需要的粘合层被移除，并且板不受约束(如图13n中所示)。之后，经由接触垫上的孔，金属被溅镀(如图13o中所示)。图14示出具有本设计特征的电容式压力传感器的侧视图。

在本发明另一实施例中，电容式压力传感器可包括可选的锚定背板。在阻尼孔形成期间，掩模被设计为蚀刻板的边缘周围，除了图15中所示的锚定区域之外。这使得背板在绝缘和粘合层被移除之后能够浮动。该功能在其中形成有阻尼孔的同一掩模中被阻碍，因此它不需要任何额外的步骤。并且，不需要对上面提到的过程进行另外的改变。

图16a-b例示出根据本发明另一实施例的电容式压力传感器的设计制造，其包括可选的过压限制器。图16a-b示出制造顺序的不同，示出被电绝缘的过压限制器所包含的部件。

本领域普通技术人员应该理解，在不脱离本发明范围和精神的情况下可进行各种修改和变型。因此，如果这些修改和变型在所附权利要求及其等同替代的范围内时，本发明旨在覆盖这些修改和变型。

Claims (9)

1.一种在传感器冲模上制造的电容式压力传感器，包括：

固定板，其被配置作为背板被锚定在边缘处，保持剩余区域浮动，用以最小化寄生电容；

活动板，其被配置作为用于检测压力的隔膜，其中空腔形成在所述固定板和所述活动板之间以允许所述隔膜偏转；

绝缘层，位于所述固定板和所述活动板与它们的电触点之间，用以最小化漏泄电流；

多个阻尼孔，被布置在所述固定板上，用于当压力施加在所述隔膜上时使所述固定板的轮廓成形如偏转的所述隔膜；

排放孔，延伸到所述空腔并具有有阻力的空气路径，用于当暴露到环境压力时提供与所述隔膜的平衡；和

延伸的背室，具有延伸的容积用于提高所述电容式压力传感器的灵敏度。

2.如权利要求1所述的电容式压力传感器，包括布置在所述固定板上的多个过压限制器支柱，用于在最大过压施加在所述隔膜上的情况下防止所述隔膜在所述背板上塌陷。

3.一种制造电容式压力传感器的方法，包括以下步骤：

形成第一晶片基板，该第一晶片基板包括被第一粘合层粘接的第一层和第二层以及在所述第二层顶部上的二氧化硅掩模层；

蚀刻掉所述掩模层和所述第二层以形成凹形的空腔；

通过蚀刻在所述掩模层上形成用于背板、电绝缘和排放通道的图案；

形成用于减小寄生电容的背板绝缘和通过所述第二层的阻尼孔；

形成第二晶片基板，该第二晶片基板包括在其下方具有第三粘合层的第三层和由第四粘合层粘接的第四层，其中所述第四层被配置作为约束晶片；

通过粘接作为第二粘合层的所述掩模层而将所述第一晶片基板与所述第二晶片基板联接；

通过研磨将所述第四层减小到十分之一微米的范围以便形成隔膜层；

在所述第一层中形成延伸的背室以提高灵敏度；以及

为所述掩模层中的排放孔形成开口，用以提供对所述隔膜的平衡。

4.如权利要求3所述的制造电容式压力传感器的方法，包括移除不必要的粘合层，以使所述背板和所述隔膜不受约束。

5.如权利要求3所述的制造电容式压力传感器的方法，包括通过接触垫上的孔溅镀金属。

6.如权利要求3所述的制造电容式压力传感器的方法，其中所述第一晶片基板通过熔融粘接与所述第二晶片基板粘接。

7.如权利要求3所述的制造电容式压力传感器的方法，其中在所述第一层中形成延伸的背室包括：

形成延伸的背室的第一步；和

在所述第一层中形成整个背室的第二步。

8.如权利要求3所述的制造电容式压力传感器的方法，包括在所述边缘的周围除了用于形成锚定的背板的锚定区域之外蚀刻所述掩模层。

9.如权利要求3所述的制造电容式压力传感器的方法，包括形成通过所述第二层的过压限制器，以在最大压力的情况下防止所述背板和所述隔膜之间短路。