CN104949790A - 动态压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及动态压力传感器。根据各种实施例，动态压力传感器包括基板、形成在基板中的参考体积、密封参考体积的可挠曲膜、耦合到膜并且被配置为测量膜的挠曲的挠曲感测元件，和被配置为使参考体积内的绝对压力与参考体积外的绝对周围压力均衡的通风孔。

Description

动态压力传感器
技术领域
本发明大体涉及传感器技术，并且在特别实施例中涉及用于动态压力传感器的系统和方法。
背景技术
在传感器中经常使用将信号从一个域转换为另一域的换能器。包括换能器的常见传感器是将压力差和/或压力改变转换为电信号的压力传感器。压力传感器具有多个应用，包括例如大气压力感测、海拔感测和天气监测。
基于微机电系统（MEMS）的传感器包括使用微机械技术生产的换能器的家族。诸如MEMS压力传感器的MEMS通过测量在换能器中的物理状态的改变并且通过连接到MEMS传感器的电子器件传输将被处理的信号来从环境采集信息。MEMS器件可以使用类似于用于集成电路的那些的微机械制造技术来制作。
MEMS器件可被设计为用作例如振荡器、谐振器、加速计、陀螺仪、压力传感器、麦克风和/或微反射镜。很多MEMS器件使用电容式感测技术用于将物理现象换能为电信号。在这样的应用中，使用接口电路将传感器中的电容改变转换为电压信号。
压力传感器还可被实施为包括密封体积和可挠曲膜的电容式MEMS器件。在密封体积和外部体积（在一些情况下例如是周围环境）之间的压力差引起膜挠曲。通常，膜的挠曲引起在膜和感测电极之间的距离的改变，由此改变电容。因此，压力传感器测量绝对压力，因为密封的体积提供固定的参考压力来与外部压力比较。
发明内容
根据各种实施例，动态压力传感器包括基板、在基板中形成的参考体积、密封参考体积的可挠曲膜、耦合到膜并被配置为测量膜的挠曲的挠曲感测元件，以及被配置为使参考体积内的绝对压力与在参考体积外部的绝对周围压力均衡的通风孔。
附图说明
为了更完全理解本发明及其优点，现在参考结合附图做出的以下描述，在附图中：
图1a-1e图示实施例动态压力传感器系统和部件的功能框图；
图2a和2b图示一实施例动态压力传感器的横截面视图和顶视图；
图3a和3b图示实施例动态压力传感器的频率特性图；
图4图示另一实施例动态压力传感器的横截面视图；
图5图示另外实施例动态压力传感器的横截面视图；
图6图示附加实施例动态压力传感器的横截面视图；
图7图示再另一实施例动态压力传感器的横截面视图；
图8图示一实施例动态压力传感器系统的框图；
图9a和9b图示另外的实施例动态压力传感器系统的框图；
图10图示一实施例动态压力传感器系统的详细框图；
图11a-11r图示图4的实施例动态压力传感器的制造工艺流程；
图12a-12h图示图5的实施例动态压力传感器的制造工艺流程；以及
图13图示动态压力传感器系统的操作的实施例方法的框图。
在不同图中的对应数字和符号一般指代对应的部分，除非另有声明。图被绘制为清楚图示实施例的相关方面并且不一定按照比例绘制。
具体实施方式
下文详细讨论各种实施例的制造和使用。然而应当理解的是，本文描述的各种实施例适用于各种各样的具体上下文。讨论的具体实施例仅仅是用于制造和使用各种实施例的具体方式的说明，并且不应当在有限的范围内被解释。
关于在具体上下文（即压力传感器，并且更特别的是动态压力传感器）中的各种实施例做出描述。本文描述的各种实施例中的一些包括MEMS换能器系统、MEMS压力传感器、压力换能器和MEMS压力换能器系统、动态MEMS压力传感器、压电压力传感器和包含动态和绝对压力传感器的压力传感器系统。呈现示例使用环境用于室内导航；然而，这样的示例绝非限制。在其他实施例中，还将方面应用到包含任何类型的压力传感器或换能器的其它应用，该任何类型的压力传感器或换能器根据如在本领域中已知的任何方式将物理信号转换为用于任何应用的另一域。
可在多个应用中使用压力传感器，例如室内导航和手势识别。在这样的应用中，非常小的海拔改变导致非常小的压力改变。例如，0.02毫巴（mbar）或2帕（Pa）的压力改变等同于大约20cm的海拔改变。常规的绝对压力传感器通常包括密封的参考体积并且具有大约1300mbar的压力范围，具有大约0.02mbar的分辨率。
根据各种实施例，本文公开了具有增大的灵敏度的动态压力传感器。在各种实施例中，动态压力传感器包括具有通风孔或一组通风孔的感测膜。通风孔缓慢地均衡在参考体积和外部体积（例如周围环境）之间的压力。这样的动态压力传感器能够感测在某一时间段中的压力改变。通常，具有在次声范围内的频率的压力改变（例如用于导航或手势识别）包括具有低于20Hz的频率的压力改变。本文描述的各种实施例动态压力传感器感测在次声范围中的压力改变。在一些实施例中，感测具有在0.1Hz和10Hz之间的频率的压力改变，对应于在1和10秒之间的时间段上发生的压力改变。在一些实施例中，通风孔防止绝对压力被测量。根据各种实施例，这样的动态压力传感器具有例如大约0.0002mbar的增加的分辨率，并且能够检测小于1cm的海拔改变。
图1a-1e图示实施例动态压力传感器系统100、101和103以及实施例部件的功能框图。图1a中描绘的动态压力传感器系统100包括压力改变102、动态压力传感器104、处理电路106和位置信号108。压力改变102作为示例描绘了爬一组楼梯的人。对于每一个楼梯，存在在大约15-20cm的海拔中的等效上升。如上文提到的，这样的海拔上升对应于大约每个楼梯0.01-0.02mbar的压力改变。通过动态压力传感器104感测压力改变102。在各种实施例中，动态压力传感器104包括具有0.1Hz的低频截止和10Hz的高频截止的带通频率响应。对于压力改变102中的每一个楼梯的压力改变以符合该通过的频率带（即0.1-10Hz）内的频率发生。可然后提供感测的压力改变到记录压力改变的处理电路106。可利用数字或模拟电子器件作为积分器或通过使用不同类型的滤波器或其它功能块（如在下文进一步描述的）来实施所述处理电路106。根据各种实施例，处理的压力改变产生高度或位置信号108。在一些实施例中，位置信号108对应于在垂直位置信号中的改变。
根据示例实施例，设置阈值水平使得当该阈值水平被越过时发起某一手势识别算法。在一些实施例中，对动态压力传感器104的输出进行积分确定了绝对压力。在其它实施例中，可使用逆高通滤波器（如参考图3b讨论的），使得确定动态和绝缘压力信号两者。在另外的实施例中，线性函数仅评估动态压力改变。在各种实施例中，可使用计数器来计数超过正和/或负阈值的上/下事件的数量，使得可确定手势或导航信息。可以在处理电路106中执行这样的各种功能，处理电路106可在直接耦合到动态压力传感器104的应用处理器或专用集成电路（ASIC）中实施。在一些实施例中，处理电路106在第一部分中通过ASIC并且在第二部分中通过应用处理器来实施。
图1b中描绘的动态压力传感器系统101包括压力改变102、动态压力传感器104、处理电路106、静态压力传感器110、多路复用器112和压力信号114。根据各种实施例，动态压力传感器104包括在感测膜中的防止绝对压力被测量的通风孔。在系统101中包括静态（绝对）压力传感器110允许系统101感测高分辨率压力改变和绝对压力。在各种实施例中，动态压力传感器104和静态压力传感器110可在某些使用情形中一起使用或在其他使用情形中分开使用。例如，静态压力传感器110可测量周围压力并且用于天气应用，同时动态压力传感器104可测量小的高度改变，用于如上所述的室内导航或手势识别。在一些实施例中，动态压力传感器104和处理电路106提供高度信号中的改变到多路复用器112并且静态压力传感器110提供绝对压力到多路复用器112。在这样的实施例中，压力信号114可包括绝对压力信号或压力中的改变/高度中的改变信号，根据其来选择多路复用器112的输入。在其它实施例中，可利用修改的求和功能来取代多路复用器112，修改的求和功能将压力改变信号与绝对压力信号组合以便生成更精确的压力信号114。在一些实施例中，当处理电路106包括积分器时，可使用来自静态压力传感器110的静态压力信号来重置处理电路106中的积分器以便避免由动态压力传感器104中的非期望偏移发起的积分器输出漂移。
图1c和1d图示了两个实施例处理电路106的功能框图。图1c图示了包括AC耦合105、模数转换器（ADC）107和数字滤波器109的实施例处理电路106。在这样的实施例中，数字滤波器109可实施如下文参考图3b描述的逆高通滤波器，或另一类型的积分功能。在其他实施例中，可以在处理电路106中实施任何类型的压力历史跟踪功能。
图1d图示了包括偏移校正111和均衡器电路113的实施例处理电路106。偏移校正111可重置来自动态压力传感器104的输入信号以便去除或防止输出偏移漂移。均衡器113可增强特定频率带或对特定频率带滤波以便均衡或强调与动态压力改变相关的某些信号。例如，均衡器113可增强或通过具有0.1到10Hz的频率分量的信号，同时去除或缩小在该频率带之外的频率的影响。
在各种实施例中，处理电路106可被实施为呈现的实施例中的任何一个的组合。例如，处理电路106可包括模拟低通滤波器、数字低通滤波器、利用数字或模拟电路实施的积分块、或包括有如图1c和1d描述的实施例的这样的部件的组合。在这样的实施例中，处理电路106可运行以去除绝对压力信号并且确定动态压力改变以例如确定海拔改变或执行手势识别。
图1e图示了包括音频处理路径和海拔处理路径的另一实施例动态压力传感器系统103的另一功能框图。麦克风115（例如MEMS麦克风）感测并且换能对应于海拔改变和音频信号的压力改变。例如，具有在0.1和10Hz之间的频率分量的压力信号可对应于海拔改变，同时具有高于10Hz并且直到约20kHz的频率分量的压力信号可对应于音频信号。来自麦克风115的换能的压力信号在放大器117处被放大并且被并行馈送到音频处理电路116和海拔处理电路118。在这样的实施例中，音频信号被隔离并且提供到音频电路（例如扬声器119），并且海拔信号被隔离并且提供到位置电路108。海拔处理电路118可包括诸如如参考其他图描述的处理电路106之类的部件。
在一些实施例中，音频处理电路116和海拔处理电路118可被包括在如通过虚线示出的同一应用处理器中。在特别的实施例中，控制信号CTRL可使能或禁用每一个电路。ASIC可包括放大器117以及其他处理元件（诸如例如滤波器）。在一些实施例中，单个IC包括麦克风115（如MEMS麦克风）和放大器117。
图2a和2b图示了一实施例动态压力传感器104的横截面视图和顶视图。图2a描绘了包括可挠曲膜120、参考体积122、基板124和挠曲感测元件126的动态压力传感器104的横截面视图。根据各种实施例，当压力改变在参考体积122之外发生时，压力差引起膜120挠曲。挠曲感测元件126感测膜120的挠曲并且生成输出压力信号（未示出）。挠曲感测元件通过各种耦合手段（被图示为耦合128）来耦合到膜120。如上文提到的，动态压力传感器104包括具有在低频截止fL（例如0.1Hz）和高频截止fH（例如10Hz）之间的带的带通频率响应。
根据各种实施例，膜120包括通风孔130。通风孔的半径（其决定平面面积）控制带通响应的低频截止fL。如果压力改变以低于低频截止fL的频率发生，则通风孔130在膜120挠曲之前使在参考体积122之外的压力与参考体积122之内的压力均衡。例如如果fL=0.1Hz，则持续长于10秒的压力改变通过通风孔130被均衡并且不引起膜120挠曲。
根据另外的实施例，高频截止fH防止动态压力传感器104感测诸如声波之类的快速压力改变。例如，如果关门声或大声的音乐正在播放，则高度改变并不发生。可设定高频截止fH使得消除这样的声波的影响并且仅感测较低频率的压力改变，例如fH=10Hz。可通过如参考下文更具体实施例描述的不同机械或电子特性来设定高频截止fH-。
图2b图示包括膜120和挠曲感测元件126的实施例动态压力传感器104的顶视图。一般耦合128表示在挠曲感测元件126和膜120之间的耦合。膜120包括通风孔130。在各种实施例中，膜120包括多个通风孔。如上文讨论的，可从顶视图观看的通风孔的平面面积影响了低频截止fL。如果包括多个通风孔，则加在一起的所有通风孔的总平面面积影响低频截止fL。如下文讨论的，其他因素可影响高和低频截止。
图3a和3b图示了实施例动态压力传感器的频率特性图135和140。图3a图示了对于一实施例动态压力传感器的灵敏度的带通频率响应。根据各种实施例，高和低频截止频率fH和fL是带通响应的拐角频率。在带通响应之外，灵敏度急剧减小。在一些实施例中，在图135上示出的灵敏度在对数尺度上并且传达数量级改变。因此，根据各种实施例，利用高灵敏度感测在带内发生的压力改变并且利用高灵敏度未感测到在带之外的压力改变（例如衰减的）。在一些实施例中，fL=0.1Hz并且fH=100Hz。在另外实施例中，高频截止被进一步限制到fH=10Hz。在一些实施例中，低频截止被增大到fL=0.5Hz。在替换实施例中，带通可包括在fL=0Hz并且fH=1000Hz内的任何范围。
图3b图示了在一实施例动态压力传感器中使用的滤波器的频率响应。根据各种实施例，可使用的带宽不由低频截止fL限制，因为可执行换能信号的后处理。特别地，图140描绘了扩展一实施例动态压力传感器的可用带宽到低频截止fL之下的积分器的滤波器实施方式。这样的滤波器可被实施为处于任何类型后处理模块中的模拟滤波器电路、数字逻辑滤波器或软件滤波器。在一些实施例中，这样的滤波器允许绝对压力被跟踪。另外，在各种实施例中，高和低频截止fH和fL可被实施为机械滤波器、电滤波器或机械和电滤波器的组合。
图4图示了可以是动态压力传感器104的一实施方式的另一实施例动态压力传感器200的横截面视图。如下文参考图11a-11r描述的，以与MEMS麦克风类似的方式制造动态压力传感器200。根据各种实施例，动态压力传感器200包括基板204、侧壁206、可挠曲膜208、刚性背板210和腔212。背板210通过隔离物214与膜208分离。膜208包括通风孔216并且背板210包括穿孔218。
在一些实施例中，周围环境中的压力改变产生在腔212和周围环境之间的引起膜208挠曲的压力差。膜208的挠曲改变了在膜208和背板210之间的距离。距离的改变改变了在两个板之间的有效电容并且在读出电极（未示出）上产生换能的电信号。换能的电信号对应于发生的压力中的改变。如上文简要讨论的，动态压力传感器200包括带通频率响应。因此，仅将感测以带通范围内的频率发生的压力改变。根据一些实施例，动态压力传感器200可被实施为MEMS麦克风并且带通频率响应可通过数字或模拟滤波器来实施。在一个这样的实施例中，可以利用声学上消声的材料（诸如例如泡沫）来覆盖或隔离MEMS麦克风，以便减小声学噪声，以实现更好的动态压力感测。
在各种实施例中，通风孔216的大小（平面面积）影响低频截止fL并且穿孔218的大小和数量影响高频截止fH。在另外的实施例中，膜208的质量还影响高频截止fH。在再另外实施例中，其他因素可调节高和低频截止fH和fL。例如，腔的体积、膜的大小（由腔的半径设定）、膜的厚度和其它特征可影响高和低频截止fH和fL。在具体实施例中，低频截止fL由以下等式成比例给出，
其中，N vent是通风孔的数量，D vent是通风孔的直径，并且V是该腔的体积。在一些实施例中。在膜208中设置一个通风孔216并且N vent=1。通风孔216可如示出那样被设定在中心。在其它实施例中，膜208可包括多个通风孔并且N vent>1。在这样的实施例中，可以围绕膜208的周围来分布通风孔并且每一个孔的直径D vent小于在N vent=1情况下的直径。在特别示例中，N vent小于30，D vent小于10μm，并且V小于15mm3。在其它示例中，D vent随着N vent减小而增大。在一个具体实施例中，D vent等于约5μm。
根据各种实施例，背板210具有在0.5μm和5μm之间的厚度，穿孔218具有在0.5μm和10μm之间的直径，膜208具有在0.1μm和1μm之间的厚度，腔212具有在0.2mm和2mm之间的直径并且在0.1mm和1mm之间的厚度，并且如由间隔物214设定的在背板210和膜208之间的分离距离在0.5μm和5μm之间。
图5图示了可用于实施动态压力传感器104的另外实施例动态压力传感器201的横截面视图。如在下文参考图12a-12h描述的，动态压力传感器201以与常规MEMS压力传感器类似的方式制造。根据各种实施例，动态压力传感器201包括基板224、电极230、膜228和腔232。膜228包括通风孔236。在其它实施例中，通风孔236包括可被分布在膜228上的任何地方的多个通风孔，诸如例如围绕腔232的周围。膜228通过绝缘体234与电极230分离。
类似于动态压力传感器200，周围环境中的压力改变引起动态压力传感器201的膜228挠曲并且产生换能的信号。动态压力传感器201还包括带通频率响应。在一些实施例中，低频截止fL大致由以下等式给出：
其中R vent 是通风电阻，R squeeze 是压膜电阻，并且C gap是在膜228和电极230之间的电容。在一些实施例中，膜的质量影响高频截止fH。
图6图示了附加实施例动态压力传感器202的横截面视图。根据各种实施例，动态压力传感器202是包括基板244、侧壁246、膜248和腔252的压阻或压电压力传感器。被布置在膜248上或被包括在其内的是力敏元件（peizo-sensor）260。膜248还包括通风孔256。力敏元件260可以被实施为压电材料或压阻材料。
在各种实施例中，周围环境中的压力改变引起膜248的挠曲。对于压阻材料，挠曲改变力敏元件260的电阻并且通过读出电极（未示出）测量电阻。对于压电材料，挠曲引起力敏元件260生成被供应到读出电极（未示出）的电压。如上文参考其他图讨论的，膜248的机械属性通过调节高和低截止频率fH和fL影响动态压力传感器202的带通响应。
图7图示了包括基板264、侧壁266、腔272、可挠曲膜268、具有上和下电极210a和210b的刚性背板、放大器282a和282b、求和块284、差别块286和滤波器288a和288b的再另一实施例动态压力传感器203的横截面视图。在具有申请号13/931584标题为“MEMS Microphone with Low Pressure Region between Diaphragm and Counter Electrode”于2013年6月28日提交的共同待决申请中并且还在具有申请号14/198634标题为“MEMS Sensor Structure for Sensing Pressure Waves and a Change in Ambient Pressure”的于2014年3月6日提交的共同待决申请中描述了与动态压力传感器203类似的结构以及其制作，这两个申请通过引用被全部并入本文中。共同待决申请描述了MEMS麦克风结构和静态MEMS压力传感器。
为了用作根据本文描述的实施例的动态压力传感器，动态压力传感器203包括具有高截止频率 f H < 1000 Hz 和低频截止f L > 0.1 Hz的带通频率响应。在各种实施例中，从在共同待决申请中描述的结构修改例如包括通风孔的大小的机械结构以便实施本文描述的带通频率响应。
根据各种实施例，每一个放大器282a和282b分别感测在背板270a和270b上的背板电压。当膜268移动时，来自放大器282a和282b的放大器输出产生两个信号，一个信号与膜移动成比例，一个信号与膜移动成反比。在这样的实施例中，在差别块286的输出处给出的两个信号的差别与膜移动成比例，并且因此与施加的声压成比例。因为MEMS结构具有通风孔276，信号286展示如上文所述的高通特性，这是动态压力传感器的特征。如果该高通特性被设定为足够低，则来自差别块286的输出信号可包含语音信号（20Hz到20kHz）和用于手势识别和/或室内导航的次声压力信号（1Hz到10Hz）。如示出的，各种实施例利用高通滤波器288a和低通滤波器288b选择信号。在这样的实施例中，可以实施组合的麦克风和动态压力传感器。
在另外的实施例中，可通过相同结构生成绝对压力测量信号。根据各种实施例，腔278是由膜268形成的密封体积。绝对压力改变可影响在膜268的上和下部分之间的距离。在一些实施例中，这样的影响可改变麦克风系统的灵敏度；然而这在一些实施例中可以是有利的。可通过使用加法器284评估来自放大器282a和282b的放大器输出的和来测量距离改变的量。在这样的实施例中，生成的和信号与绝对压力成比例并且可用于高度计功能并且还可用于补偿在麦克风系统中的灵敏度改变。
图8图示了包括具有耦合到应用处理器308的集成电路（IC）306的动态压力传感器304的一实施例动态压力传感器系统300的框图。动态压力传感器304可根据本文描述的实施例中的任何一个或等同形式来运行。IC 306可以是任何类型的集成电路、微处理器、微控制器或适合于意图的目的的其它处理设备。下文在图10中描绘IC 306的具体示例实施方式。根据各种实施例，IC 306和应用处理器308转换和分析由动态压力传感器304感测的压力改变。取决于具体实施方式，IC 306和应用处理器308可执行不同功能。在包含高度跟踪的示例实施例中，IC 306可在提供转换和滤波的信号给应用处理器308之前转换和滤波感测的压力信号。应用处理器308可跟踪高度改变以便确定当前高度。在一个实施例中，应用处理器308执行感测的压力改变的积分功能并且确定当前高度。根据各种实施例，由于动态压力传感器304相比绝对压力传感器的增大的灵敏度，应用处理器308可以次厘米精度来确定高度改变。在其它实施例中，IC 306可实施积分功能或其它压力改变跟踪并且应用处理器308可用于其他系统功能或在一些实施例中被省略。
图9a和9b图示了另外实施例动态压力传感器系统301和302的框图，每一个系统包括与如之前描述的动态压力传感器304组合的静态压力传感器310。根据各种实施例，图9a描绘了动态压力传感器系统301，其包括处于组中的动态压力传感器304、静态压力传感器310和IC 306，该组可被实施在单个IC上，作为片上系统（SoC）或作为在封装或印刷电路板（PCB）上的多个部件。动态压力传感器304、静态压力传感器310和IC 306经由IC 306在一起被耦合到应用处理器308。每一个块的功能类似于或等同于在本文描述的其它实施例中的类似部件并且将不被再次描述。
根据另外的实施例，图9b描绘了动态压力传感器系统302，其包括处于第一组中的动态压力传感器304和IC 306以及处于第二组中的静态压力传感器310和IC 307。每一个组可被实施在单个IC上，作为片上系统（SoC）或作为在封装或印刷电路板（PCB）上的多个部件。在其它实施例中，可以将具有动态压力传感器304和静态压力传感器310的两个组实施为在SoC中或PCB上的分开的IC。动态压力传感器304和静态压力传感器310两者分别经由IC 306和IC 307被耦合在一起到应用处理器308。每一个块的功能类似于或等同于在本文描述的其它实施例中的类似部件并且将不被再次描述。
图10图示了包括动态压力传感器304和IC 306的更详细的实施例的一实施例动态压力传感器系统的详细框图。根据各种实施例，利用偏压块312和来自参考块314的参考电压VREF来偏置动态压力传感器304，参考块314可以是低压差调节器（LDO）。动态压力传感器304供应感测和换能的压力改变到放大器316，并且多路复用器318选择放大的压力信号、（IC或传感器的）温度比例电压Vt或来自耦合到参考端子322和LDO 314的节点320的参考电压。多路复用器318的输出通过模数转换器（ADC）324被转换为数字信号，通过滤波器326滤波，并且通过数字总线接口328与数字总线330接合。IC 306还可包括由LDO 332供应的数字电压参考、用于数字逻辑操作的状态机334、用于数字操作或滤波的存储器336和用于对任何数字块进行时钟同步的振荡器338。IC 306被供应有参考端子VDD和GND以及用于耦合到数字总线330的输入/输出（I/O）电压供应VDD_IO。
在一些实施例中，滤波器326可实施如上文参考处理电路106描述的处理或滤波步骤中的任何一个。例如，滤波器326可包括逆高通滤波器、低通或高通数字滤波器、或积分功能。在其它实施例中，滤波器326是模拟滤波器并且被重新布置为耦合在MUX 318和ADC 324之间。
其它实施例可包括不同功能部件和/或附加功能部件以便实施传感器和/或接口IC的具体特征。例如，在一些实施例中，IC 306可包括用于对感测的压力信号进行线性化的数字校正算法。在一些实施例中，可使用温度比例电压Vt来实施温度校正。在各种实施例中，IC 306还提供温度信号和/或工厂校准数据作为到数字总线330的读出。
图11a-11r图示图4的实施例动态压力传感器的实施例制造工艺流程。根据各种实施例，图11a以硅基板402开始。在替换实施例中，基板402可以是硅之外的材料。图11b示出已在基板402上沉积或生长并且被图案化的氧化物隆起物404。参考图11a-11r讨论的氧化物包括半导体氧化物，例如二氧化硅，除非另外指明。
沉积或生长另一层氧化物，形成如图11c中所示的膜支撑物406。如示出的，氧化物隆起物引起在膜支撑物406中的隆起物或皱折。在图11d中，沉积一层多晶硅，形成膜408。膜408由于氧化物隆起物404而包括皱折。膜408可包括掺杂或非掺杂多晶硅。例如，膜408可被掺杂有磷。在下一步骤中，膜408被图案化并且如图11e中所示那样形成通风孔410。如之前描述的，如由通风孔410的直径设定的通风孔410的平面面积影响各种实施例的带通响应特性的低频截止fL。此外，膜408的厚度（影响质量和硬度）还影响包括高频截止fH和最终的动态压力传感器设备的灵敏度的带通响应。
在膜408被图案化之后，沉积厚氧化物以形成如图11f所示的背板支撑物412。图11g描绘了下一步骤，在该步骤期间背板支撑物412被图案化以形成孔414。然后，如图11h所示，沉积背板416。背板416可以由掺杂或非掺杂多晶硅、金属或各种其它导电材料形成。如图11h所示的，孔414使凹坑（dimple）形成在背板416中。
在图11i中，背板416被图案化有穿孔418。穿孔418被放置贯穿背板416的结构，以便允许气流穿过背板416，其可在整个设备的操作期间使膜408位移。如图11j所示那样对背板支撑物412进行图案化。在背板416中的穿孔418的大小（直径）和数量影响特性带通响应中的高频截止fH。在对背板支撑物412进行图案化之后，如图11k所示那样沉积钝化物层420。钝化物420覆盖形成的结构并且还到背板416中的穿孔418之间。如图11l所示的，沉积并且图案化敷金属触点422，使得与基板402、背板416和膜408接触。
另一钝化物层424如图11m所示那样被沉积并且被图案化以便暴露如图11n所示的触点422。在基板402中执行背侧蚀刻以便形成如图11o所示的腔426。根据各种实施例，执行BOSCH蚀刻工艺以实施背侧蚀刻并且形成腔426。在钝化物层420和424的顶上，如图11p中所示那样沉积临时保护层428，以便在释放步骤期间保护背板416和膜408。执行释放步骤，如图11q中所示那样释放背板416和膜408。最终，去除临时保护层428，暴露如图11r所示的触点422。
预想了在图11a-11r中描述的实施例制造序列的各个修改。另外，可以在多个实施例中修改该结构，并且将预期对制造序列的修改。本文描述的各个步骤和附图是说明性的。根据各种实施例，结构可包括倾斜侧壁、粗糙表面和多个尺寸。还可如2006年12月6日提交的并且在2011年3月22日授权的标题为“Sound Transducer Structure and Method for Manufacturing a Sound Transducer Structure”的美国专利7912236所公开的那样使用制造方法，该专利通过引用被全部并入本文中。
图12a-12h图示了图5的实施例动态压力传感器的实施例制造工艺流程。该制造序列以如图12a所示的基板502开始。如图12b所示，在基板502中形成感测电极504。根据各种实施例，基板502可以是掺杂或非掺杂的硅并且感测电极504可以通过对变成感测电极504的一区域进行掺杂（例如经由离子注入）来形成。在一个具体实施例中，基板502是p型掺杂硅并且感测电极504是基板502中的n型掺杂阱。在替换实施例中，感测电极504是通过氧化物层（未示出）与基板502分离的多晶硅层。
在形成感测电极504之后，如图12c所示，在基板502和感测电极504之上形成氧化物层506。然后，在图12d所示的处理步骤中，沉积膜层508。膜层可以由掺杂或非掺杂多晶硅形成。在替换实施例中，可以使用其他导电并且可变形材料。如图12e中所示，然后对膜层508进行图案化并且形成通风孔510。在各种实施例中，单个通风孔510或多个通风孔可由不同大小形成。通风孔510的直径影响带通响应的低频截止fL。膜层508的厚度（其设定质量）影响带通响应的高频截止fH。
然后如图12f所示那样对氧化物层506图案化。如图12g所示那样沉积金属触点。最终，通过释放蚀刻来释放膜层508，如图12h中所示那样去除氧化物层506的部分。释放蚀刻产生了根据该表面微机械制造序列的最终动态压力传感器。本领域普通技术人员将容易认识到对这样的工艺的各种修改。
图13图示了包括步骤605-630的用于动态压力传感器系统的操作600的实施例方法的框图。根据各种实施例，步骤605包括测量响应于在参考体积和周围体积之间的压力中的差别的感测膜的挠曲。感测膜将参考体积与周围体积分离并且当存在在两个体积之间的压力差时挠曲。步骤610包括基于测量生成动态压力信号。在步骤615，对动态压力信号进行滤波。对动态压力信号进行滤波包括去除动态压力信号中低于0.1Hz和高于100Hz的频率分量。在另一实施例中，对动态压力信号进行滤波包括去除动态压力信号中低于10Hz和高于1kHz的频率分量。在各种实施例中，取决于应用，低和高截止频率可以是任何频率。步骤620包括均衡在参考体积和周围体积之间的压力差。步骤625包括对动态压力信号进行积分。最终，步骤630包括基于积分生成压力历史信号。步骤605-630可以在各种实施例中以多个序列来执行并且方法600还可包括未列出的其它步骤。
根据各种实施例，动态压力传感器包括基板、形成在基板中的参考体积、密封参考体积的可挠曲膜、耦合到膜并且被配置为测量膜的挠曲的挠曲感测元件，和被配置为使参考体积内的绝对压力与参考体积外的绝对周围压力均衡的通风孔。动态压力传感器包括具有次声低频截止和大约1kHz的高频截止的带通频率响应。
在各种实施例中，动态压力传感器还包括绝对压力传感器。在一些实施例中，低频截止是通风孔的平面面积的函数。通风孔可以是多个通风孔并且低频截止是多个通风孔的平面面积的和的函数。在一些实施例中，挠曲感测元件包括从可挠曲膜偏移一分离距离并且与可挠曲膜形成电容式传感器的穿孔背板。穿孔背板包括多个穿孔。
在各种实施例中，高频截止是多个穿孔的平面面积的和的函数。动态压力传感器还可包括耦合到动态压力传感器的读出集成电路（IC）。在这样的实施例中，IC记录压力改变的历史并且输出与压力改变的历史有关的信号。与压力改变的历史有关的信号可通过对压力改变进行积分来产生。在一些实施例中，带通频率响应包括0.1Hz的低频截止和10Hz的高频截止。
根据各种实施例，操作动态压力传感器的方法包括测量响应于在参考体积和周围体积之间的压力中的差别的感测膜的挠曲，基于测量生成动态压力信号，对动态压力信号进行滤波，均衡在参考体积和周围体积之间的压力差，处理动态压力信号并且基于处理生成压力历史信号。感测膜将参考体积与周围体积分离。在这样的实施例中，滤波包括去除动态压力信号中低于第一频率和高于第二频率的频率分量。
在各种实施例中，使用MEMS麦克风来执行测量、生成、滤波和均衡步骤。此外，可根据感测膜的机械结构来被动地执行去除动态压力信号中低于第一频率的频率分量。在一些实施例中，测量挠曲包括使用被布置在感测膜下方的衬底上的电极来感测感测膜的挠曲。在其他实施例中，测量挠曲包括使用穿孔的电容式背板来感测感测膜的挠曲。可根据穿孔的电容式背板和感测膜的机械结构来被动地执行去除动态压力信号中高于第二频率的频率分量。在一些实施例中，均衡在参考体积和周围体积之间的压力差包括通过连接在参考体积和周围体积之间的通风孔来被动地均衡压力差。
在各种实施例中，第一频率是0.1Hz并且第二频率是10Hz。处理可包括对动态压力信号进行积分。替换地，处理可包括施加逆高通滤波器功能到动态压力信号。在一些实施例中，该方法还包括利用感测膜感测音频信号。该方法可还包括操作音频处理器以执行第一功能和第二功能。第一功能包括处理动态压力信号并且基于该处理生成压力历史信号的步骤。第二功能包括处理感测的音频信号。在一些实施例中，音频处理器基于控制信号在第一功能和第二功能之间切换。
根据各种实施例，压力感测系统包括动态压力传感器、耦合到动态压力传感器的集成电路（IC）和耦合到该IC的应用处理器。动态压力传感器被配置为感测包括在第一频率范围内的频率分量的压力改变。IC被配置为基于感测的压力改变来生成数字压力信号。应用处理器被配置为基于数字压力信号确定海拔中的改变。
在各种实施例中，动态压力传感器包括电容式微机电系统（MEMS）压力传感器。MEMS压力传感器包括密封参考体积的可挠曲膜、被配置为使参考体积内的绝对压力与参考体积外的绝对周围压力均衡的通风孔，和电容耦合到可挠曲膜并且在参考体积外与可挠曲膜偏移的穿孔背板。
在各种实施例中，IC包括放大器、模数转换器（ADC）和滤波器。在一些实施例中，应用处理器通过对数字压力信号进行积分来确定海拔中的改变。根据一些实施例，可挠曲膜包括通风孔。在一些实施例中，压力感测系统可被并入移动电话。第一频率范围可包括在0.1和20kHz之间的频率。在具体实施例中，动态压力传感器是麦克风。
根据各种实施例，动态压力传感器包括被配置为动态感测压力改变的麦克风和耦合到该麦克风的海拔测量电路。海拔测量电路被配置为从麦克风接收动态压力信号并且基于动态压力信号确定海拔中的改变。
在各种实施例中，海拔测量电路被配置为通过施加带通滤波器到动态压力信号并且施加逆高通滤波器到动态压力信号以便确定海拔中的改变来确定海拔中的改变。带通滤波器去除来自动态压力信号的具有低于0.1Hz和高于10Hz的频率分量的分量。在一些实施例中，动态压力传感器还包括耦合到麦克风的音频处理电路。音频处理电路被配置为从麦克风接收音频信号并且生成音频输出信号。
各种实施例的优点可包括具有极大增加的灵敏度的动态压力传感器、在一些实施例中减小的硅面积使用和组合的静态和动态压力感测。
尽管已经参考说明性实施例描述了本发明，该描述不旨在以限制意义被解释。本领域技术人员在参考该描述后将认识到说明性实施例的各个修改和组合以及本发明的其它实施例。因此意图是，所附权利要求包含所有这样的修改或实施例。

Claims (34)

1. 一种动态压力传感器，包括：
基板；
在所述基板中形成的参考体积；
密封所述参考体积的可挠曲膜，
被配置为使所述参考体积内的绝对压力与在所述参考体积外部的绝对周围压力均衡的通风孔；以及
耦合到所述膜并被配置为测量所述膜的挠曲的挠曲感测元件，其中所述动态压力传感器包括带通频率响应，所述带通频率响应包括次声低频截止和大约1kHz的高频截止。
2. 根据权利要求1所述的动态压力传感器，还包括绝对压力传感器。
3. 根据权利要求1所述的动态压力传感器，其中所述低频截止是所述通风孔的平面面积的函数。
4. 根据权利要求3所述的动态压力传感器，其中所述通风孔包括多个通风孔，并且其中所述低频截止是所述多个通风孔的平面面积的和的函数。
5. 根据权利要求3所述的动态压力传感器，其中所述挠曲感测元件包括从所述可挠曲膜偏移一分离距离并且与所述可挠曲膜形成电容式传感器的穿孔背板，其中所述穿孔背板包括多个穿孔。
6. 根据权利要求5所述的动态压力传感器，其中所述高频截止是所述多个穿孔的平面面积的和的函数。
7. 根据权利要求1所述的动态压力传感器，还包括耦合到所述动态压力传感器的读出集成电路（IC）。
8. 根据权利要求7所述的动态压力传感器，其中所述IC记录压力改变的历史并且输出与所述压力改变的历史相关的信号。
9. 根据权利要求8所述的动态压力传感器，其中与所述压力改变的历史相关的信号是通过对所述压力改变进行积分产生的。
10. 根据权利要求1所述的动态压力传感器，其中所述带通频率响应包括0.1Hz的低频截止和10Hz的高频截止。
11. 一种操作动态压力传感器的方法，所述方法包括：
测量响应于在参考体积和周围体积之间的压力中的差别的感测膜的挠曲，其中所述感测膜将所述参考体积与所述周围体积分离；
基于所述测量生成动态压力信号；
对所述动态压力信号进行滤波，其中所述滤波包括去除所述动态压力信号中低于第一频率和高于第二频率的频率分量；
均衡在所述参考体积和所述周围体积之间的压力差；
处理所述动态压力信号；以及
基于所述处理生成压力历史信号。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中使用微机电系统（MEMS）麦克风来执行测量、生成、滤波和均衡的步骤。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中根据所述感测膜的机械结构来被动执行去除所述动态压力信号中低于所述第一频率的频率分量。
14. 根据权利要求11所述的方法，其中测量所述挠曲包括使用被布置在所述感测膜下方的衬底上的电极来感测所述感测膜的所述挠曲。
15. 根据权利要求11所述的方法，其中测量所述挠曲包括使用穿孔的电容式背板来感测所述感测膜的所述挠曲。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中根据所述穿孔的电容式背板和所述感测膜的机械结构来被动地执行去除所述动态压力信号中高于所述第二频率的频率分量。
17. 根据权利要求11所述的方法，其中均衡在所述参考体积和所述周围体积之间的压力差包括通过连接在所述参考体积和所述周围体积之间的通风孔来被动地均衡所述压力差。
18. 根据权利要求11所述的方法，其中所述第一频率是0.1Hz并且所述第二频率是10Hz。
19. 根据权利要求11所述的方法，其中处理包括对所述动态压力信号进行积分。
20. 根据权利要求11所述的方法，其中处理包括施加逆高通滤波器功能到所述动态压力信号。
21. 根据权利要求11所述的方法，还包括利用所述感测膜感测音频信号。
22. 根据权利要求21所述的方法，还包括操作音频处理器以执行第一功能和第二功能，其中：
所述第一功能包括处理所述动态压力信号并且基于所述处理生成压力历史信号的步骤；以及
所述第二功能包括处理感测的音频信号。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中所述音频处理器基于控制信号在所述第一功能和所述第二功能之间切换。
24. 一种压力感测系统，包括：
动态压力传感器，其中所述动态压力传感器被配置为感测包括在第一频率范围内的频率分量的压力改变；
耦合到所述动态压力传感器的集成电路（IC），其中所述IC被配置为基于所述感测的压力改变来生成数字压力信号；以及
耦合到所述IC的应用处理器，其中所述应用处理器被配置为基于所述数字压力信号确定海拔中的改变。
25. 根据权利要求24所述的压力感测系统，其中所述动态压力传感器包括电容式微机电系统（MEMS）压力传感器，MEMS压力传感器包括：
密封参考体积的可挠曲膜；
被配置为使所述参考体积内的绝对压力与所述参考体积外的绝对周围压力均衡的通风孔；以及
电容耦合到所述可挠曲膜并且在所述参考体积外与所述可挠曲膜偏移的穿孔背板。
26. 根据权利要求25所述的压力感测系统，其中所述IC包括放大器、模数转换器（ADC）和滤波器。
27. 根据权利要求26所述的压力感测系统，其中所述应用处理器通过对所述数字压力信号进行积分来确定所述海拔中的改变。
28. 根据权利要求25所述的压力感测系统，其中所述可挠曲膜包括所述通风孔。
29. 根据权利要求25所述的压力感测系统，还包括移动电话，其中所述压力感测系统被并入所述移动电话中。
30. 根据权利要求24所述的压力感测系统，其中所述第一频率范围包括在0.1Hz和20kHz之间的频率。
31. 根据权利要求24所述的压力感测系统，其中所述动态压力传感器是麦克风。
32. 一种动态压力传感器，包括：
被配置为动态感测压力改变的麦克风；以及
耦合到所述麦克风的海拔测量电路，所述海拔测量电路被配置为从所述麦克风接收动态压力信号并且基于所述动态压力信号确定海拔中的改变。
33. 根据权利要求32所述的动态压力传感器，其中所述海拔测量电路被配置为通过以下来确定所述海拔中的改变：
施加带通滤波器到所述动态压力信号，其中所述带通滤波器去除来自所述动态压力信号的具有低于0.1Hz和高于10Hz的频率分量的分量；并且
施加逆高通滤波器到所述动态压力信号以便确定所述海拔中的改变。
34. 根据权利要求32所述的动态压力传感器，还包括耦合到所述麦克风的音频处理电路，其中所述音频处理电路被配置为从所述麦克风接收音频信号并且生成音频输出信号。
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