CN104697703A - 具有内置校准能力的压力传感器 - Google Patents

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CN104697703A CN201410655567.2A CN201410655567A CN104697703A CN 104697703 A CN104697703 A CN 104697703A CN 201410655567 A CN201410655567 A CN 201410655567A CN 104697703 A CN104697703 A CN 104697703A
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Abstract

本发明涉及具有内置校准能力的压力传感器。MEMS压力传感器(70)包括传感单元(80)、测试单元(82)和密封结构(84)。所述测试单元包括测试腔(104)，并且所述密封结构(84)与所述测试腔相通，其中所述密封结构被配置为破裂以将位于所述测试腔(104)内的初始腔压力(51)改变至环境压力(26)。校准方法(180)包含在破裂所述密封结构之前从所述测试单元获得(184)测试信号(186)，并且在所述密封结构破裂之后获得(194)另一个测试信号(196)。所述测试信号被用于计算所述测试单元的灵敏度(200)，所计算的灵敏度被用于估计所述传感单元的所述灵敏度(204)并且所述估计的灵敏度(204)可以被用于校准所述传感单元。

Description

具有内置校准能力的压力传感器
技术领域
本发明通常涉及微机电系统(MEMS)器件。更具体地说，本发明涉及估计由工艺变化导致的MEMS压力传感器的灵敏度。
背景技术
微机电系统(MEMS)器件是具有嵌入式机械元件的半导体器件。MEMS器件被用于各种各样的产品，例如，汽车安全气囊系统、汽车中的控制应用、导航、显示系统、喷墨盒等等。MEMS器件包括，例如，压力传感器、加速器计、陀螺仪、麦克风、数字镜像显示器、微流体器件等等。MEMS压力传感器通常使用压力腔和膜元件，该膜元件是指在压力下偏转的隔膜。在某些配置中，两个板(其中两个板之一是可动隔膜)之间的距离的变化建立了可变电容器以检测由于在区域上施加的压力而造成的应力(或偏转)。
附图说明
当结合附图并参照详细说明书以及权利要求书时，对本发明会有比较完整的理解。其中在附图中，类似的参考符号表示类似的项目，附图不一定按比例绘制，并且：
图1显示了示例的压力传感器的简化俯视图；
图2显示了沿图1的剖面线2-2的压力传感器的传感结构的侧视图；
图3显示了沿图1的剖面线3-3的压力传感器的参考结构的侧视图；
图4显示了根据一个实施例的压力传感器的简化俯视图；
图5显示了沿图4的剖面线5-5的压力传感器的侧视图；
图6显示了在处理的中间阶段的图4的压力传感器的部分俯视图；
图7根据另一个实施例，显示了制造过程的流程图；
图8显示了用于估计图4的压力传感器的灵敏度的测试配置的简化方框图；以及
图9显示了根据另一个实施例的校准过程的流程图。
具体实施方式
在医学应用、替代能源、发动机控制(例如，天然气和燃料入口压力)和汽车安全应用例如轮胎监测系统中的关键系统需要压力传感器，其中该压力传感器在其寿命范围内传递准确和可预测的输出以在这些改变变得临界之前追踪操作的变化。由于结构紧凑并且由于在高产量中相对低廉的成本，微机电系统(MEMS)压力传感器是一种常用的压力传感器技术。
然而，随着正在进行的微型化，MEMS压力传感器产生了问题。这些问题涉及不灵敏性、不准确性和信号漂移。特别是，很难确保所有MEMS器件均匀地被沉积或具有相同的几何形状。关键设计参数(例如MEMS压力传感器隔膜的宽度)的工艺变化会影响压力传感器的灵敏度。例如，MEMS压力传感器隔膜的宽度的微小差异会导致相对于压力传感器的预定标称、或设计、灵敏度的大的灵敏度差异。
由于关键设计参数的工艺变化，没有两个MEMS压力传感器是完全一样的。因此，在板安装之前和/或在板安装之后，每个MEMS压力传感器的灵敏度通常在工厂测试期间被校准以消除由于工艺变化的任何信号不一致。MEMS压力传感器可以在工业制造环境中通过使用处理机/测试器设备被校准。处理机/测试器设备可以将已知物理刺激校准信号施加于压力传感器。压力传感器的输出可以被测量并且与已知校准信号的值进行比较。随后，校准信息可以被用于纠正后续压力传感器读数。在工业生产环境中，测量单个器件参数是不现实的，例如，相对于外部力的偏转分布。即，由于需要处理机/测试器设备来强加校准信号，这种传统技术成本高并且费时。
实施例涉及包括内置校准能力的MEMS压力传感器、用于制造MEMS压力传感器的方法、和用于校准MEMS压力传感器的方法。该压力传感器包括位于由相同设计参数和工艺制造的单一管芯上的多个传感和测试单元。因此，每个传感和测试单元理想地对强加的压力刺激具有相同的灵敏度。密封结构与一个或多个测试单元的一个或多个测试腔相通。该密封结构被配置为被弄破裂以改变测试腔内的压力。在破裂密封结构之前和之后，测试单元的灵敏度可以通过获取压力读数被计算。由于测试和传感单元被假定为具有相同的灵敏度，来自测试单元的传感信号可以被用于估计传感单元的灵敏度。这样的压力传感器和方法可以降低测试成本并且使得能够进行灵敏度估计和相关传感器校准，而无需强加物理刺激校准信号。
参照图1-图3，图1显示了示例的现有技术压力传感器20的简化俯视图，图2显示了沿图1的剖面线2-2的压力传感器20的传感结构22的一部分的侧视图，以及图3显示了沿图1的剖面线3-3的压力传感器20的参考结构24的一部分的侧视图。通常，传感结构22对环境压力敏感，其中环境压力在图2中由箭头26表示并且标示为PA。相反，参考结构24在很大程度上对环境压力26不敏感。传感结构22包括一个或多个使用沉积、图案化和蚀刻的常规操作在衬底32上的结构层30中形成的传感电极28。
绝缘层，例如，氮化层34可以上覆传感电极28的至少若干部分和在下面的衬底32的任何暴露区域而形成。传感结构22包括腔36，该腔可以由牺牲层37，例如聚硅酸玻璃(PSG)的沉积、图案化和蚀刻的常规工艺形成。在牺牲层37适当地被形成之后，另一个结构层38上覆牺牲层37和在下面的氮化层34和/或衬底32的任何暴露区域而形成。结构层38被处理为形成通过腔36与在下面的传感电极28间隔开的传感结构22的一个或多个隔膜40。此后，腔36内的牺牲层37可以通过每次常规工艺的蚀刻开口42被移除。牺牲层37不再存在于图2所示的所制造的传感结构22中的腔36内。因此，一条虚线从参考符号37指向腔36的内部以表示牺牲层37在被移除之前曾存在的位置。
参考结构24与传感结构22相似。因此，参考结构24包括在衬底32上的结构层30中形成的一个或多个参考电极44、上覆参考电极44的至少若干部分和在下面的衬底32的任何暴露区域而形成的氮化层34以及腔46。结构层38如上所述被处理并且位于腔46内的牺牲层37被移除以形成一个或多个通过腔46与参考电极44间隔开的隔膜48。此外，牺牲层37不再存在于图3所示的所制造的参考结构24中的腔46内。因此，一条虚线从参考符号37指向腔46的内部以表示在牺牲层37被移除之前曾存在的位置。保护层(cap layer)50与隔膜48接触地形成。保护层50可以例如是正硅酸乙酯(TEOS)的相对厚的层，它使隔膜48在很大程度上对压力不敏感。因此，隔膜48可以在下文被称为参考电极48。
MEMS压力传感器通常被制造为使得在其每个腔内的压力低于大气压力，并且更具体地说接近真空。因此，压力传感器20被制造为使得每个腔36和46内并且在图2和图3中标示为PC的初始腔压力51明显小于环境压力26。例如，初始腔压力51大约接近真空。
在图1中，使用了虚线图形示出的拉长椭圆形表示传感结构22的电极28。虚线拉长椭圆形也表示参考结构24的电极44。此外，包括了窄拉长椭圆形以及围绕电极28的广义矩形的虚线图形表示耦合于氮化层34的结构层38的那些部分，例如压力腔36、46的侧壁52(另见图2-图3)。即，侧壁52(另见图2-图3)是耦合于氮化层34的结构层38的部分以形成各自传感和参考结构22、24的个体腔36、46。由图1中的点划线图形示出的正方形表示电容器极板的外边缘，即，图2和图3中的层38，其分别包括传感和参考结构22、24的隔膜40、48(最好另见图2-图3)。应记得，保护层50不在隔膜40上形成使得隔膜40对环境压力26敏感。因此，在图1中的实线图形示出的正方形53表示保护层50的窗口或空缺，使得隔膜40被暴露于压力26。这些各种图案形状并不表示相对于彼此的每个元件或特征的尺寸，而是表示每个元件或特征的堆叠关系。
通常，传感结构22在隔膜40和传感电极28的每个之间形成了电容器。即，传感电容54，CS，在隔膜40和传感电极28之间(即，CS +和CS -之间的差)形成，该传感电容响应于环境压力26发生变化。参考结构24也在每个参考电极48和参考电极44之间形成了电容器。因此，参考电容56，CR，在参考电极48和44之间(即，CR +和CR -之间的差)形成，由于保护层50的存在，该参考电容不响应于环境压力26发生变化。隔膜40和参考电极48可以被互连以在传感结构22和参考结构24的每个之间形成共同节点58。控制电路60被配置为测量传感电容54与参考电容56的比值(即CS/CR)。较高压力26增加了传感电容54，CS，但对参考电容56，CR影响不大。因此，传感电容54与参考电容56的比值(即，CS/CR)随着压力26的增大而增大。这个值可以被转换为表示压力26的量度。
在示出的实施例中，传感结构22的关键尺寸是隔膜40的宽度62(见图2)。为了获得希望的灵敏度，为宽度62建立预定的设计值。然而，在例如牺牲层的沉积/图案化/蚀刻期间和/或在腔36和46内的牺牲层被移除的释放过程期间的工艺变化会导致有角度的侧壁和/或其它尺寸变化，这些将导致隔膜40的宽度62大于或小于预定设计值。宽度62的潜在变化会导致压力传感器20的灵敏度的偏移，被反映为电容的偏移。正如将在下面详细描述的，测试单元和密封结构在压力传感器内形成，即内置于该压力传感器中，并且被用于估计传感单元响应于任何工艺变化的灵敏度，以及基于所估计的灵敏度最终校准压力传感器。
宽度62的变化被描述为潜在地引起压力传感器的灵敏度的偏移。然而，其它几何特性，例如压力传感隔膜的厚度、压力腔的几何形状等等的变化也可能引起压力传感器的灵敏度的偏移。然而，内置测试单元和密封结构可以在压力传感器内被实施以提供校准能力，而与特定工艺变化无关。
参照图4和图5，图4根据一个实施例，显示了MEMS压力传感器70的简化俯视图，以及图5显示了沿图4的剖面线5-5的压力传感器70的侧视图。压力传感器70通常包括具有至少一个传感结构72和参考结构74的传感组件71。图5详细地显示了压力传感器70的传感结构72的侧视图。传感和参考结构72和74可以在衬底78的表面76上形成。传感结构72包括一个或多个传感单元80和以一个或多个测试单元82和密封结构84为形式的内置校准能力。测试单元82和密封结构84被实施以估计传感单元80的灵敏度，由于例如工艺变化，该灵敏度可能不同于传感单元80的灵敏度。
传感结构72的传感单元80和测试单元82在衬底78上彼此靠近形成。在示出的实施例中，传感单元80与测试单元82被配置为交错排列，即传感单元80与测试单元82交替排列。传感单元80和测试单元82同时被制造以具有相同的几何尺寸，并且个体传感和测试单元80、82对环境压力26敏感。由于它们相同的几何尺寸，传感和测试单元80、82对环境压力26的灵敏度被假定为几乎相同。
参考结构74包括参考单元86。与传感和测试单元80、82不同，参考结构74的参考单元86在很大程度上对环境压力26不敏感。参考结构74与图1和图3所示的参考结构24在结构上相似。因此，每个参考单元86可以包括在衬底78上形成的参考电极88、腔(例如，图3中所示的腔46)以及通过真空腔与参考电极44间隔开的参考电极90。保护层92与每个参考电极90接触地形成。此外，保护层92可以是例如正硅酸乙酯(TEOS)的相对厚的层，其使参考电极90在很大程度上对压环境力26不敏感。由于参考结构74的这样描述将与给参考结构24提供的描述对应，因此，为了简洁，参考结构74的进一步描述在此被省略。
压力传感器70在图4和图5中被示出为包括四个传感单元80、四个测试单元82和四个参考单元86。然而，压力传感器70可能包括任何适当数量的传感单元80、测试单元82和参考单元86。此外，为了简洁图示，参考结构74被显示为与传感结构72物理上隔离。在替代实施例中，参考结构74的参考单元86也可以与传感和测试单元80、82交错。在其它实施例中，传感和测试单元80、82无需交错，但也可以彼此靠近被排列成其它结构配置。压力传感器70还可以包括位于衬底78上的其它特征，例如屏蔽线、保护环等等，为了简洁图示，这些特征不被包括在图4和图5中。
传感结构72和参考结构74可以在衬底78的表面76上被制造。绝缘层94(最好另见图5)可以在衬底78的剩余暴露表面76上随后被沉积。根据，绝缘层94可以包括根据给定的压力传感器实现的要求所选择的任何适当的绝缘或介电质材料层，例如氮化物材料。
每个传感单元80包括在衬底78上形成的电极96，并且每个测试单元82包括在衬底78上形成的电极98。在图4中，由于电极96和98位于结构层100下面，它们使用虚线被示出为幻像。同样，由于参考结构74的参考电极88位于参考电极90和保护层92下面，它们也使用虚线示出为幻像。正如将在下面讨论的，图5使用了各种阴影和/或剖面线示出以区别在器件的结构层内产生的不同元件。结构层内的这些不同元件可以使用沉积、图案化、蚀刻等等的当前的以及即将到来的表面微加工技术产生。因此，虽然不同的阴影和/或剖面线可以在图示中被使用，但结构层内的不同元件可以由相同的材料，例如多晶硅、单晶硅等等形成。
电极96表示传感单元80的一组传感电容器底板电极，而电极98表示测试单元82的另一组传感电容器底板电极。由于测试单元82与传感单元80交错，电极96相应地与电极98配置成交错排列。在一些实施例中，单体电极96的几何形状匹配单体电极98的几何形状，即，这些几何形状基本上相同。
仍参照传感结构72，结构层100表示分别用于传感单元80和测试单元82每一个的电容器顶板电极。结构层100上覆电极96和98、与电极96和98间隔开并且被配置为与电极96和98相连，以产生传感单元80的传感腔102和测试单元82的测试腔104(详见图5)。测试单元82的测试腔104与传感单元80的传感腔102横向间隔开并且物理上隔离。腔102和104可以是具有接近真空的初始腔压力51的真空室。或者，在因此在此被称为初始腔压力51的给定控制压力下的制造期间，腔102和104是最初由一种适当的气体填充的室。
结构层100锚固到绝缘层94的表面以用于限定结构层100的对应于传感单元80的传感隔膜106的部分以及用于限定结构层100的对应于测试单元82的测试隔膜108的其它部分。例如，结构层100关于结构层100的周界110并且位于周界内部的希望的锚固位置处锚固到绝缘层94(例如通过参考符号112指示的)以建立腔102和104以及将测试隔膜108与传感隔膜106区别开来。
通常，每个传感隔膜106的面积被形成为在几何上等于每个测试隔膜108的面积。例如，每个传感和测试隔膜106和108以宽度114和长度116为特征，其中每个传感隔膜106的宽度114通常等于每个测试隔膜108的宽度114，并且每个传感隔膜106的长度116通常等于每个测试隔膜108的长度。由于传感和测试隔膜106、108的几何特征(例如，宽度114和长度116)相等，由此断定每个传感和测试隔膜106和108的面积相等，因此，每个测试单元82的灵敏度理想地与每个传感单元80的灵敏度相同。因此，在示出的实施例中，宽度114和长度116是分别直接影响传感单元80和测试单元82的灵敏度的关键尺寸。
压力传感器70示出为具有大致矩形的隔膜，矩形隔膜具有的宽度小于矩形隔膜的长度。然而，隔膜不必是矩形，而是可以是其它形状(例如，正方形、圆形、多边元素等等)，只要传感和测试隔膜106、108的几何特征是相同的，使得传感单元80和测试单元82的灵敏度通常是相同的。
现参照密封结构84，密封结构84包括与在下面的衬底78间隔开的密封膜118，使得在密封膜118和衬底78之间产生密封腔120。在一个实施例中，密封膜118可以是关于密封腔120的周界锚固到衬底78的结构层100的一部分。密封结构84还包括插入在测试腔104和密封腔120至少一个之间的沟道122。在图4中，由于被上覆的结构层100掩盖，并且在一些位置，被保护层92的一部分掩盖，沟道122由位于最右边的测试单元82和密封结构84之间的虚线表示。在图5的横截面插图中，沟道122被显示为互连最右边的测试单元82的测试腔104和密封结构84的密封腔120。
此外，沟道结构124互连每个测试腔104。由于被上覆的结构层100掩盖，并且在一些位置，被保护层92的一部分掩盖，沟道结构124也由图4中的虚线表示。因此，包括沟道122和沟道结构124的密封结构84导致了其中每个测试腔104与密封腔120流体相通的配置。
结合图4和图5，参照图6，图6显示了在处理的中间阶段的压力传感器70的部分俯视图。特别是，图6显示了在制造的中间阶段的压力传感器70的传感结构72的俯视图。根据MEMS制造方法，传感电极96、测试电极98和参考电极88(均不可见)以及绝缘层94可以在衬底78的表面76上形成。牺牲材料层126，例如，聚硅酸玻璃(PSG)，随后可以跨传感电极96、测试电极98和参考电极88以及绝缘层94的表面被沉积。为了清楚起见，绝缘层94由点画图形表示而牺牲材料层126由向下和向右指向的窄剖面线表示。
牺牲层126通过常规工艺适当地被图案化和被蚀刻以形成在产生的MEMS压力传感器70中变为中空部分的那些区域。换句话说，在牺牲层图案化和蚀刻之后，结构层100可以在保留在绝缘层94上以及绝缘层94的任何暴露区域上的任何牺牲材料层126上被沉积。在结构层100的沉积之后，该剩余牺牲材料层126可以通过常规做法被移除以在MEMS压力传感器70中产生中空区域，即，传感腔102、测试腔104、密封腔120、沟道122和沟道结构124。
为了图示目的，传感腔102、测试腔104、密封腔120、沟道122和沟道结构124在图6中被标示。应记得，结构层100的沉积和牺牲材料层126的移除还没有发生。然而，在图6中的牺牲材料层126的配置揭示了沟道122和沟道结构124将每个测试腔104与密封腔120互连。相反，传感腔102将保持与测试腔104和密封腔120物理上隔离。
正如将在下面更详细讨论的，传感腔102、测试腔104、密封腔120、沟道122和沟道结构124中的每一个在这样的环境中被制造使得它们将都有相同的初始腔压力51，例如接近真空。然而，密封膜118被配置为被弄破裂。当密封膜118被弄破裂时，测试腔104是“打开的”，这是由于它们通过沟道122和沟道结构124与密封腔120互连。因此，当密封膜118被弄破裂时，测试腔104内部的压力从初始腔压力51改变为环境压力26。在破裂密封膜118之前以及测试腔104内的压力正常化为环境压力26之后，测试腔104内的压力的这种变化通过从测试单元82进行压力测量被利用。这些压力测量可以被用于计算测试单元82的灵敏度，并且由于它们接近和相等的几何特征，测试单元82的灵敏度可以被用于估计传感单元80的灵敏度。
特别参照图4，MEMS压力传感器70还包括电耦合于电极96的导电流道128以给传感结构72的传感单元80外部的电极96提供电访问。另一个导电流道130电耦合于电极98以给测试单元82外部的电极98提供电访问。此外，导电流道132电耦合于传感结构72的结构层100以形成传感结构72的共同电极。导电流道134也电耦合于参考电极88以给参考结构74的参考单元86外部的参考电极88提供电访问。另一个导电流道136电耦合于参考电极90以形成参考结构74的共同电极。在图4中应观察到由于导电流道128、130和134的若干部分位于结构层100、参考电极90和/或保护层92下，它们使用虚线以幻像示出。在一个实施例中，传感结构72的导电流道132和参考结构24的导电流道136互连以在传感结构72和参考结构74之间形成共同节点138。
通常，传感单元80在传感隔膜106和电极96之间形成了电容器。即，在此被称为传感电容信号140并且在图4中被标示为CS的传感信号在传感隔膜106和电极96之间(即，CS +和CS -之间的差)产生，该传感信号发生变化以响应于环境压力26。而且，测试单元82在测试隔膜108和电极98之间形成了电容器。即，在此被称为测试电容信号142并且在图4中被标示为CTEST的测试信号在测试隔膜108和电极98之间(即，CTEST +和CTEST -之间的差)产生，该测试信号也响应于环境压力26。参考单元86也在每个参考电极90和参考电极88之间形成了电容器。因此，在图4中被标示为CR的参考电容信号144在电极90和参考电极88之间(即，CR +和CR -之间的差)形成。然而，由于保护层92的存在，参考电容信号144不响应于环境压力26而发生变化。
控制电路145被配置为测量传感电容信号140与参考电容信号144(即，CS/CR)的比值。较高环境压力26引起了传感隔膜106的较大偏转，并且这样的较大偏转增加了传感电容信号144，CS，但对参考电容信号144，CR影响不大。因此，传感电容信号144与参考电容信号144的比值(即，CS/CR)随着环境压力26的增大而增大。该值可以被转换为在图4中被标示为PSENS的传感信号146，即，由传感单元80所感测的表示环境压力26的量度。控制电路145还可以被配置为测量测试电容信号142与参考电容信号144的比值(即，CTEST/CR)并且将该值转换为在图4中被标示为PTEST的测试信号148，即，由测试单元82所感测的表示环境压力26的量度。
图7根据另一个实施例，显示了制造过程150的流程图。在一个实施例中，传感结构72和参考结构74同时在共同衬底上形成。更关键的是，传感单元80和测试单元82同时在相同衬底上形成，并且传感单元80和测试单元82被制造为具有相同几何结构。因此，影响传感单元80的任何工艺变化应类似地影响测试单元82。为了在结构层和牺牲层中形成被用于限定结构层中元件之间的间隙或腔的元件，压力传感器70可以使用薄膜沉积、图案化和蚀刻的表面微加工技术制造。
制造过程150开始于一系列操作，该操作通常被称为在相同衬底78上形成一个或多个压力传感器70的子过程152。更具体地说，子过程152包含在衬底78(图4)上为每个压力传感器70形成传感单元80、测试单元82、密封结构84和参考单元86。为了简单起见，随后的制造方法将描述单一的压力传感器70的制造。当然，根据已知批处理技术，本领域所属技术人员容易认识到多个压力传感器70可以同时在共同衬底上被制造。
子过程152的操作包括任务154，其中在该任务，结构层在衬底78上形成以包括传感单元80的传感电极96、测试单元82的测试电极98和参考单元86的参考电极88(图4)。这些结构可以使用已知的以及即将到来沉积、图案化和蚀刻过程形成。子过程152继续任务156，其中在该任务，通过使用例如沉积、图案化和蚀刻过程，绝缘层94(图5)在衬底78上适当地被形成。
在任务156之后，任务158被执行。在任务158，根据已知沉积、图案化和蚀刻过程，牺牲层126(图6)在绝缘层94和传感单元80的暴露传感电极96、测试单元82的测试电极98以及参考单元的参考电极88上形成。子过程152继续任务160。在任务160，结构层100(图5)被形成以包括传感隔膜106、测试隔膜108、参考电极90和密封结构84的密封膜118(见图4和5)。
接着在任务162，正如本领域所属技术人员已知的，牺牲层126可以通过蚀刻开口(例如，图1所示的蚀刻开口42)被移除。因此，在任务162之后，传感单元80的传感腔102、测试单元82的测试腔104、密封结构84的密封腔120、参考单元86的参考腔、沟道122和沟道结构124正如如上结合图6所述的被产生。子过程152继续任务164。在任务164，保护层92(图4和图5)通过例如TEOS的沉积被形成，使得它分别与参考电极88接触并且与传感和测试隔膜106、108之间的区域的结构层100接触。然而，保护层92不与传感和测试隔膜106、108和密封膜118接触。
MEMS压力传感器通常被制造为使得在其腔内的压力低于大气压力，并且更具体地说接近真空。因此，子过程152可以在真空条件下被执行，使得每个传感腔102、测试腔104、密封腔120、参考单元86的参考腔、沟道122和沟道结构124内的初始腔压力51(图5)明显低于环境或大气压力。例如，在移除牺牲材料层126之后，传感腔102、测试腔104、密封腔120、参考单元86的参考腔、沟道122和沟道结构124可以通过它们的蚀刻开口(例如，图1所示的蚀刻开口)被抽真空。因此，沉积保护层92可以随后密封蚀刻开口，使得传感腔102、测试腔104、密封腔120、参考单元86的参考腔、沟道122和沟道结构124的初始腔压力51保持接近真空。
所描述的示例过程会产生其中初始腔压力51接近真空的腔。本领域所属技术人员将认识到有各种MEMS处理技术会产生具有接近真空的初始腔压力的腔。此外，本领域所属技术人员将认识到初始腔压力51无需处于真空，但是反而可以是根据针对压力传感器70的特定设计参数的另一个适当的压力。
在任务164之后，根据子过程152的压力传感器70(图4)的制造通常被完成。然而，本领域所属技术人员将认识到各种附加操作可以被执行来制造压力传感器70。为了清楚说明，附加操作在此被省略。
在子过程152的任务164之后，制造过程150可以继续任务166。在任务166，压力传感器校准过程可以被执行。该校准过程将结合图9被详细讨论。任务166的任务块由虚线示出以表明它可以直接在执行子过程152之后执行或不直接执行。在某些实施例中，任务166可以紧接着子过程152并且在后续切割或切单任务168之前被执行。如果任务166在探针测试的切割任务168之前被执行，确定的值可以被保存在数据库(未显示)中，随后可以在最后测试时被检索。
因此，在子过程152或任务166之后，制造过程150继续任务168。在任务168，衬底78以例如包含了多个压力传感器70的晶片的形式被切割为个体压力传感器70。
在任务168之后，任务170可以被执行，在任务170中校准过程(图9)可以被执行。任务170的任务块还由虚线示出以表明它可以直接在执行切割任务168之后执行或不直接执行。在一些实施例中，根据特定测试要求和程序，在最后测试的切割任务168之后，任务170可以代替任务166被执行。在任务170之后，制造过程100结束。此外，本领域所属技术人员将认识到各种附加操作可以在切割任务168或任务170之后被执行，为了清楚说明，附加操作在此被省略。
图8显示了用于估计图4的压力传感器的灵敏度的测试配置172的简化方框图。测试配置172包括具有传感组件71和控制电路145的至少被部分地封装的压力传感器70。压力传感器70电耦合于测量电路174。通常，测量电路174被配置为接收来自压力传感器70的输出信号、计算测试单元82(图4)的灵敏度并且基于所计算的测试单元82的灵敏度估计传感单元80(图4)的灵敏度。测量电路174可以随后响应于传感单元的所估计的灵敏度计算压力传感器70的校准系数。这些校准系数可以被传达到压力传感器70的控制电路145，在此随后可被用于校准压力传感器70。
根据特定的工业测试环境，测试配置172可以具有很多形式并且可以使用多种多样的系统来说实现以充当测量电路174。例如，在器件切单(例如，在图7中所示的制造过程150的任务166)之前，测量电路174可以作为晶片探针系统实现以测量压力传感器70的灵敏度并且校准压力传感器70。或者，在封装之后，但在填胶(例如，在图7中所示的制造过程150的任务170)之前，测量电路174可以作为测量控制单元(MCU)电路实现以测量压力传感器70的灵敏度并且校准压力传感器70。此外，这样工业测试环境可以被调整为适合于同时测试并且校准多个压力传感器70。不管特定的测试环境如何，压力传感器70的灵敏度可以被估计并且校准参数可以被计算，而无需强加物理刺激校准信号。
图9根据另一个实施例，显示了压力传感器校准过程180的流程图。压力传感器校准过程180被执行以使用测试单元82(图4)估计压力传感器70的测试单元82的灵敏度。随后，所估计的灵敏度可以被用于计算针对于受测的压力传感器70的校准系数。校准过程180可以在测试环境172(图8)内使用测量电路174(图8)执行，并且可以在环境压力条件下，例如标准大气压力下执行，而无需强加超过环境压力的物理压力校准刺激。
校准过程180开始于任务182。在任务182，测量电路174被配置为从试验单元82测量，即，获取压力读数。即，测量电路174被配置为接收测试信号，PTEST，148(图4)。
校准过程180继续任务184。在任务184，环境压力26(图5)在压力传感器70的测试单元82被检测，并且测量电路174获取表示环境压力26的测试信号148(图4)。该初始测试信号148在图9中由原始测试信号，PTEST-0186表示。由于测试单元82具有真空参考，即，接近真空的初始腔压力51(图5)，在测试单元82的测试隔膜108(图5)上的净外加压力将是例如大约100千帕的环境压力26。
任务188结合任务184被执行。在任务188，环境压力26在压力传感器70被测试的位置被测量。环境压力26可以使用任何适当的并且高度精确的压力测量器件测量。环境压力度量在图9中由环境压力度量PAMB190表示。
过程180继续任务192。在任务192，测试单元82的测试腔104内的初始腔压力51(图5)被改变为环境压力26。在一个实施例中，任务192可以通过破裂密封结构84的密封膜118(图5)实现。用于破裂密封膜118的技术可以包括机械地开裂密封膜118、使用激光器在密封膜118中钻一开口或在密封膜118中燃烧金属或多晶硅熔丝。
另外的技术可以是在晶片衬底上形成多个压力传感器70，每个密封结构84物理上位于晶片衬底的切锯通道中。因此，校准过程180的任务182、184和188可以在制造过程150(图7)的切割操作168之前被执行。任务192可以与切割操作168同时执行。因此，当晶片衬底被切割时，密封膜118被弄破裂。校准过程180的剩余操作可以在切割操作168之后被执行。
不管所实施的特定技术如何，当密封膜118在任务192被弄破裂时，处于环境压力26的空气或其它适当的气体流过密封膜118的破口并且进入密封腔120(图5)。空气或其它适当的气体从密封腔120穿过沟道122和沟道结构124流入每个测试腔104(图5)，直到测试腔104内的压力正常化，即，改变为环境压力26。然而，由于传感腔102与测试腔104、密封腔120、沟道122和沟道结构124物理上隔离，位于传感腔102内的腔压力保持在初始腔压力51(图5)，例如处于真空。
在任务192之后，校准过程180继续任务194。在任务194，测量电路174再次获得测试信号148(图4)。在破裂密封膜118之后，测试信号148(图5)在图9中由原始测试信号，PTEST-1196表示。由于测试单元82的测试腔104现在有等于环境压力26的压力，在测试单元82的测试隔膜108(图5)上的净施加压力将是大约0千帕。
任务198在任务194之后被执行。在任务198，测试单元82对环境压力26的灵敏度可以使用在破裂密封膜118之前的原始测试信号，PTEST-0186并且使用在破裂密封膜118之后的原始测试信号，PTEST-1196由测量电路174计算。测试单元82的所计算的灵敏度在图9中由测试单元灵敏度值SENSTEST200表示。测试单元82的灵敏度的计算由以下等式例示：
SENSTEST＝(PTEST-0-PTEST-1)/PAMB   (1)
其中，PTEST-0是在破裂密封膜118之前的原始测试信号186，PTEST-1是在破裂密封膜118之后的原始测试信号196，PAMB是环境压力度量190，以及SENSTEST是测试单元灵敏度200。
在任务198之后，校准过程180继续任务202。在任务202，测量电路174使用测试单元灵敏度200估计传感单元80(图5)的灵敏度。在一个实施例中，由于它们相等的几何参数和它们使用相同的半导体制造过程同时被制造，传感单元80的灵敏度大约等于测试单元灵敏度200。传感单元80的所估计的灵敏度在图9中由传感单元灵敏度SENSSENSE204表示。该近似相等可以由以下等式例示：
SENSSENSE≈SENSTEST   (2)
然而，在实践中，可以与理想有偏差，可能需要包括一个或多个比例常数，C0和/或其它项。因此，所估计的传感单元灵敏度204可以由以下示例等式更精确地被估计：
SENSSENSE＝C0*SENSTEST   (3)
在估计任务202之后，所估计的传感单元灵敏度204被用于计算压力传感器70的校准系数。因此，校准过程180继续任务206。在任务206，测量电路174(图8)被配置为从传感单元80(图5)测量，即，获取压力读数。即，测量电路174被配置为接收传感信号146(图4)。
过程180继续任务208。在任务208，环境压力26(图5)在压力传感器70的传感单元80被检测，并且测量电路174获取表示环境压力26的传感信号146(图4)。传感信号146在图9中由原始传感信号，PSENSE210表示。由于传感单元80的传感腔102具有真空参考，即，接近真空的初始腔压力51(图5)，在传感单元80的传感隔膜106(图4)上的净施加压力将是例如大约100千帕的环境压力26。
在任务208之后，校准过程180继续任务212。在任务212，测量电路174计算传感单元80的校准系数。这些校准系数可以以已知方式作为原始传感信号210、传感单元灵敏度204和环境压力度量190的函数被计算。校准系数在图9中由β214表示。校准系数214的计算可以以下示例函数为特征：
β＝f(PSENSE，SENSSENSE，PAMB)   (4)
应从上文所述讨论观察到，传感单元灵敏度204，SENSSENSE响应于所计算的测试单元灵敏度200，SENSTEST而被估计。由此，响应于测试单元灵敏度200传感单元80的校准系数214被确定。
在任务212确定校准系数214之后，校准过程180继续任务216。在任务216，校准系数214被用于校准压力传感器70。例如，校准系数214可以与控制电路145相联系地被存储，使得当处理传感电容140(图4)时，校准系数214可以被应用以产生校准的传感信号146。在任务216之后，校准过程180结束。
因此，通过包含密封结构84和测试单元82作为传感结构72(图4)的部分和压力传感器校准过程180的相关执行，压力传感器70的传感单元80的灵敏度204可以使用测试单元82的所计算的灵敏度200容易地被估计。随后，针对受测的压力传感器70的校准系数214可以被应用于校准压力传感器70以抵消工艺变化导致的不一致。
总之，实施例涉及包括内置校准能力的MEMS压力传感器、用于制造MEMS压力传感器的方法和用于估计MEMS压力传感器的灵敏度和校准MEMS压力传感器的方法。该压力传感器包括位于由相同几何特征和工艺制造的单一管芯上的多个传感和测试单元。因此，每个传感和测试单元理想地对强加压力刺激具有相同的灵敏度。密封结构与一个或多个测试单元的一个或多个测试腔相通。该密封结构被配置为被弄破裂以改变测试腔内的压力。在破裂密封结构之前和之后，测试单元的灵敏度可以通过获取压力读数被计算。由于测试和传感单元被假定为具有相同的灵敏度，来自测试单元的传感信号可以被用于估计传感单元的灵敏度。传感单元的所估计的灵敏度可以随后被用于计算校准系数并且最终校准压力传感器。这样的压力传感器和方法可以使得能够进行灵敏度估计和相关传感器校准，而无需强加物理刺激校准信号，从而降低了测试和设备成本。
应了解，在图7和9中所描述的处理块的某一些可以彼此平行或与执行其它过程并行地被执行。此外，应了解，图7和图9中所描绘的处理块的特定顺序可以被修改，而基本上实现相同的结果。因此，这样的修改意欲包含于本发明的主题范围之内。此外，虽然特定的系统配置结合图4-图6在上面被描述，实施例也可以在具有其它架构的系统中被实施。这些和其它变化意欲包含在本发明的主题范围之内。
虽然结合特定装置和方法，已经对本发明主题的原理进行了描述，应该清楚了解该描述仅仅是例举而不是对本发明主题范围的限制。本发明所描述的以及附图中所示出的各种功能或处理块可以在硬件、固件、软件或由其产生的任何组合中得到实施。此外，本发明所采用的措辞或术语是为了描述而不是限制。
对特定实施例的上述描述充分揭示了本发明的一般特性，其它人可以通过运用当前知识，在不脱离一般概念的情况下很容易地对其做出修改和/或调整以适合各种应用。因此，这些调整和修改是在本发明实施例的含义和等同物范围内做出的。本发明的主题包含所有这些替代物、修改、等同物、以及在随附的权利要求书的精神和宽范围内的变化。

Claims (20)

1.一种微机电系统MEMS压力传感器，包括：
传感单元；以及
测试单元，所述传感单元和所述测试单元在共同的衬底上彼此靠近地形成，所述测试单元具有测试腔和与所述测试腔相通的密封结构，其中所述传感单元和所述测试单元中的每一个对环境压力敏感，当所述密封结构未破裂时，所述测试腔呈现初始腔压力，而当所述密封结构破裂时，所述初始腔压力被改变至所述环境压力。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中所述环境压力是大气压力，并且所述测试单元被用于估计所述传感单元的灵敏度而无需施加大于所述大气压力的压力刺激。
3.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，还包括：
与所述测试单元相通的信号线；
在所述密封结构破裂之前，所述测试单元被配置为响应于所述环境压力经由所述信号线产生第一传感信号；以及
在所述密封结构破裂之后，所述测试单元被配置为经由所述信号线产生第二传感信号。
4.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中所述传感单元包括传感腔，并且在所述密封结构破裂之前，所述传感腔和所述测试腔中的每个呈现所述初始腔压力。
5.根据权利要求4所述的MEMS压力传感器，其中所述初始腔压力接近真空。
6.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中所述传感单元包括传感腔，并且所述测试腔与所述传感单元的所述传感腔物理上隔离。
7.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中所述密封结构包括：
与在下面的所述衬底间隔开以产生密封结构腔的密封膜；以及
插入在所述测试腔与所述密封结构腔之间的沟道，其中所述密封膜破裂以将所述测试腔内的所述初始腔压力改变为所述环境压力。
8.根据权利要求7所述的MEMS压力传感器，其中：
所述传感单元包括上覆于所述衬底并且与所述衬底间隔开以产生传感腔的传感隔膜；
所述测试单元包括上覆于所述衬底并且与所述衬底间隔开以产生所述测试腔的测试隔膜，其中所述传感隔膜、所述测试隔膜和所述密封膜形成在共同的结构层中。
9.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，还包括：
在所述衬底上形成的一组传感单元，所述一组传感单元包括所述传感单元；以及
在所述衬底上形成的一组测试单元，所述一组测试单元包括所述测试单元。
10.根据权利要求9所述的MEMS压力传感器，其中所述一组测试单元被配置为与所述一组传感单元交错排列。
11.根据权利要求9所述的MEMS压力传感器，其中所述一组测试单元内的每个所述测试单元具有所述测试腔，并且所述密封结构与每个所述测试腔相通，使得当所述密封结构破裂时，每个所述测试腔内的所述初始腔压力改变至所述环境压力。
12.一种方法，包括步骤：
在衬底上形成微机电系统MEMS压力传感器的传感单元，所述传感单元具有传感腔；
在所述衬底上靠近所述传感单元形成所述MEMS压力传感器的测试单元，所述测试单元具有测试腔，所述传感腔和所述测试腔中的每一个呈现初始腔压力，所述测试腔与所述传感腔物理上隔离，并且所述传感单元和所述测试单元中的每一个对环境压力敏感；以及
形成与所述测试腔相通的密封结构，其中所述密封结构被配置为破裂以将所述测试腔内的所述初始腔压力改变至所述环境压力，其中所述传感腔保持在所述初始腔压力。
13.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述密封结构的步骤包括：
形成上覆于所述衬底并且与所述衬底间隔开以产生密封结构腔的密封膜；以及
形成插入在所述测试腔与所述密封结构腔之间的沟道。
14.根据权利要求13所述方法，其中：
形成所述传感单元的步骤包括：形成上覆于所述衬底并且与所述衬底间隔开以产生所述传感腔的传感隔膜；
形成所述测试单元的步骤包括：形成上覆于所述衬底并且与所述衬底间隔开以产生所述测试腔的测试隔膜，其中所述传感隔膜、所述测试隔膜和所述密封膜形成在共同结构层中。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
响应于所述环境压力，获得电极与所述测试单元的测试隔膜之间的第一传感信号；
破裂所述密封膜以将所述测试腔内的所述初始腔压力改变至所述环境压力；以及
在所述破裂操作之后，获得所述电极与所述测试隔膜之间的第二传感信号。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
使用所述第一传感信号和所述第二传感信号计算所述测试单元的测试单元灵敏度；以及
使用所述测试单元灵敏度估计所述传感单元的灵敏度。
17.一种方法，包括：
响应于环境压力，获得传感电极与微机电系统MEMS压力传感器的测试单元的测试隔膜之间的第一传感信号，其中所述测试单元包括测试腔，所述传感电极位于所述测试腔中，所述测试腔呈现初始腔压力；以及
将所述测试腔内的所述初始腔压力改变至所述环境压力；
在所述改变操作之后，获得所述传感电极与所述测试隔膜之间的第二传感信号。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
使用所述第一传感信号和所述第二传感信号计算所述测试单元的测试单元灵敏度；以及
使用所述测试单元灵敏度估计所述MEMS压力传感器的传感单元的灵敏度，其中所述环境压力是大气压力，并且所述估计操作被执行而无需施加大于所述大气压力的压力刺激。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述MEMS压力传感器的传感单元与所述测试单元彼此靠近地在衬底上形成，并且所述改变操作不将所述传感单元的传感腔内的所述初始腔压力改变至所述环境压力。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述改变操作保持所述测试隔膜完整。
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