CN105637336A - 具有集成挡板的微机电系统压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种压力传感器系统可感测气体或液体的压力。该系统可包括具有用于气体或液体的入口端口的壳体；该壳体内的压力传感器；以及被设置在入口端口与压力传感器之间的挡板。该挡板可具有被定向成接收进入该入口端口的气体或液体的一个或多个入口；被定向成将接收到的气体或液体传送到该压力传感器的一个或多个出口；以及防止气体或液体除了通过一个或多个出口以外从该挡板逸出的一个或多个密封的流动通道。出口中的至少一个可被定位在与该压力传感器上的位置相距不超过一毫米的范围内。压力传感器和挡板可在利用微机电系统(MEMS)技术沉积、图案化、蚀刻、晶片键合、或晶片减薄一系列层的工艺期间同时制成。

Description

具有集成挡板的微机电系统压力传感器

本申请基于申请号为14/101,207、名称为“具有集成挡板的微机电系统压力传感器”、于2013年12月9日提交、代理人案号为086400-0203(MKS-0234US)的美国专利申请以及专利申请号为61/817,713、名称为“用于微机电系统传感器的集成挡板”、于2013年4月30日提交、代理人案号为086400-0187(MKS-0234PR)的美国临时专利申请，并要求这些专利申请的优先权。该申请的全部内容均被通过引用结合到本文中。

技术领域

本公开涉及用于测量气体或液体的压力的压力传感器、可用于减少压力传感器上的沉积物沉积的挡板、以及微机电系统(MEMS)。

背景技术

压力传感器可以用于测量气体或液体的压力。

压力传感器长期暴露于气体或液体会导致沉积物在压力传感器上的沉积。这些沉积物会负面地影响由压力传感器进行的测量的精度。

挡板可被放置在压力传感器与将对其压力进行测量的气体或液体之间，以帮助减少沉积在压力传感器上的沉积物的数量。然而，挡板会显著地增大压力传感器与气体或液体之间的有效距离，由此延长压力传感器对压力变化的响应时间。

发明内容

压力传感器系统可感测气体或液体的压力。该系统可包括具有用于气体或液体的入口端口的壳体；该壳体内的压力传感器；以及被设置在入口端口与压力传感器之间的挡板。该挡板可具有被定向成接收进入该入口端口的气体或液体的一个或多个入口；被定向成将接收到的气体或液体传送至该压力传感器的一个或多个出口；以及防止气体或液体除了通过一个或多个出口以外从该挡板逸出的一个或多个密封的流动通道。出口中的一个或多个可被定位在与该压力传感器上的位置相距不超过一毫米的范围内。

该压力传感器可包括该壳体内的挠性膜片和感测由气体或液体的压力变化导致的膜片的变化的感测系统。

该挡板可具有长度小于100微米的特征；共形层；以及一层或多层硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝、蓝宝石、镍、或镍合金。

该挡板可具有多个层，每一层都具有至少一个贯穿它的孔。

密封的流动通道可迫使气体或液体在行进通过该挡板的同时改变方向。

该挡板可具有一层并且密封的流动通道可迫使气体或液体沿着相反的方向行进通过该层。

密封的流动通道可要求气体或液体的所有部分在它们从入口行进至出口时转一个或多个转弯，这一个或多个转弯具有不超过50微米的转弯半径。

密封的流动通道可具有在将电压电位施加于挡板时气体或液体必须通过的电场。

密封的流动通道的至少一部分可被涂覆有杂质吸收材料。

该压力传感器系统可在将电压电位施加在挡板与压力传感器之间时，在挡板与压力传感器之间产生电场。

一种用于制造包括挡板的产品的工艺包括以形成挡板的方式沉积、图案化、蚀刻、晶片键合、和/或晶片减薄一系列层，该挡板具有用于接收气体或液体的一个或多个入口、用于传送接收到的气体或液体的一个或多个出口、以及用于使气体或液体从入口行进至出口的一个或多个密封的流动通道。

该产品可以是压力传感器系统，并且通过沉积、图案化、蚀刻、晶片键合、和/或晶片减薄产生的这些层中的一层可以是与挡板间隔开的挠性膜片。

该工艺可包括计算挡板与膜片之间的间隔距离；以及以致使挡板与膜片间隔开大致计算出的间隔距离的方式沉积、图案化、蚀刻、晶片键合、和/或晶片减薄一系列层。

该工艺可包括计算密封的流动通道的长度和截面积，该长度和截面积共同致使压力传感器对于气体或液体的压力变化具有预期响应时间；以及以致使挡板具有计算出的长度和截面积的方式沉积、图案化、蚀刻、晶片键合、和/或晶片减薄一系列层。

通过沉积、图案化、蚀刻、晶片键合、和/或晶片减薄产生的这些层中的一层可以是与该膜片间隔开的且并非是该挡板的一部分的电极。

这些以及其它部件、步骤、特征、目的、益处和优点现在将通过审阅对于说明性实施例、附图、和权利要求书作出的下列详细描述而变得清楚。

附图说明

附图是说明性的实施例。它们并未图示出所有实施例。可另外使用或改为使用其它实施例。为了节省空间或为了进行更为有效的说明，可省略掉可能是显然的或不必要的细节。一些实施例可以利用附加的部件或步骤来实施和/或并不利用图示出的所有部件或步骤来实施。当相同的附图标记出现在不同的附图中时，它指的是相同或相似的部件或步骤。

图1示出了压力传感器系统的示例的截面图，该压力传感器系统包括压力传感器和集成挡板，该压力传感器和集成挡板通过利用微机电系统(MEMS)技术在共用基底上沉积一系列层、对这一系列层进行图案化、蚀刻、晶片键合和/或晶片减薄而制成。

图2A-2I示出了不同微机电系统挡板的示例的横截面视图，这些视图中的任一个均可被用作图1中所示的挡板。

图3A-3D示出了不同微机电系统挡板的示例的透视图，这些视图中的任一个均可被用作图1中所示的挡板。

图4A-4F示出了一种工艺的示例，该工艺用于通过利用微机电系统(MEMS)技术在公用基底上沉积一系列层、对这一系列层进行图案化、和/或蚀刻来制造压力传感器系统的示例，其中，该压力传感器系统包括压力传感器和挡板。

具体实施方式

现在描述说明性的实施例。可另外使用或改为使用其它实施例。为了节省空间或为了进行更为有效的说明，可省略掉可能是显然的或不必要的细节。一些实施例可以利用附加部件或步骤来实施和/或并不利用所描述的所有部件或步骤来实施。

图1示出了压力传感器系统的示例的截面图，该压力传感器系统包括压力传感器和集成挡板，该压力传感器和集成挡板均通过利用微机电系统(MEMS)技术在共用基底上沉积一系列层、对这一系列层进行图案化、蚀刻、晶片键合和/或晶片减薄而制成。

压力传感器可以是任何类型的压力传感器。例如，该压力传感器可以包括挠性膜片101、压力基准腔103、以及电极105和107。

挡板可以是任何类型的挡板，并且被通常表示为挡板109。这种挡板的多种示例被在图2A-2I、图3A-3D以及图4A-4F中图示出并且在下文中对其进行讨论。

压力或气体可进入入口端口111，通过挡板109，并且随后行进至挠性膜片101的湿侧。压力基准腔103中的压力可以是恒定的，从而在待测量的气体或液体的压力与压力基准腔103中的压力不同时，致使该挠性膜片101弯曲。弯曲方向可以取决于待测量的气体或液体的压力是大于还是小于压力基准腔103中的压力。

挠性膜片101、压力基准腔103、以及电极105和107可协作以形成电容器，该电容器的电容随着挠性膜片101响应于气体或液体的压力变化弯曲而改变。可另外或改为使用其它技术来测量挠性膜片101的弯曲，这些其它技术包括压阻技术、压电技术、或谐振技术。

挡板109可以非常靠近该挠性膜片101的表面整体地构建而成，例如处于相距不超过一毫米、半毫米、或四分之一毫米的范围内。这可以使挡板109与挠性膜片101之间的腔体113的容积最小化，并且因此使压力传感器系统对于气体或液体的压力变化的响应时间最短。

挡板109可以被通过利用微机电系统(MEMS)技术在共用基底115上沉积一系列层、对这一系列层进行图案化、蚀刻、晶片键合和/或晶片减薄而与该压力传感器的部件同时制成。该基底可以是任何类型的基底，例如硅、玻璃、或蓝宝石。挡板109可在无需组装的情况下被物理连接和整体地构建而成。

挡板109可以由任何材料制成，诸如硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝、蓝宝石、镍、或镍合金、不锈钢、氮化铝(AlN)、氮化钛(TiN)、和/或陶瓷。

挡板109可以是有传导性的。

挡板109可以被密封住，以致于气体或液体仅可流动通过位于一个或多个入口117与一个或多个出口119之间的一个或多个密封的流动通道。

挡板109可具有长度小于100微米的特征并且可被制造成共形层。

挡板109可具有多个层，每一层中都具有至少一个孔。

一个或多个密封的流动通道可被设置在挡板109内。这些密封的流动通道可要求气体或液体在从一个或多个入口117行进到一个或多个出口119时，一次或多次改变方向。流动通道可要求气体或液体从一个或多个入口117沿着不同的方向行进到一个或多个出口119，这些不同的方向全部平行于该流动路径、垂直于该流动路径、和/或与该流动路径成任何其它的角度。流动通道可以要求气体或液体沿着多个方向行进通过挡板109的单个层和/或沿着多个方向在两个相邻的层之间行进。当改变方向时，转弯半径可不超过五十微米。

当施加电压电位时，该压力传感器系统可以具有产生电场的构造。该电场可位于挡板109与压力传感器之间，例如位于挡板109与挠性膜片101之间，和/或位于挡板109内的密封通道的所有部分或任何部分内。当将电压电位施加到挡板时，密封的流动通道可以具有所有的气体或液体必须通过的一个或多个电场。

杂质吸收材料可以被定位在该压力传感器系统内，例如腔体113内，以便吸收气体或液体中的杂质。该杂质吸收材料可被涂覆在一个或多个层上或其任何部分上。

图2A-2I分别示出了不同的微机电系统挡板201A-201I的示例的截面视图，这些视图中的任一个均可被用作图1中所示的挡板109。可另外或改为将这些微机电系统挡板201A-201I中的任一个用在与图1中所示的压力传感器系统不同的压力传感器系统中。

示于图2A-2G中的微机电系统挡板201A-201G中的每一个均可被与该压力传感器形成在同一晶片上，如图1中所示。图2H和图2I分别示出了微机电系统挡板201H和201I，这些微机电系统挡板201H和201I均可被形成在单独的晶片上并且附连到压力传感器晶片。图2A-2G中所示的实施例也可被形成在单独的晶片上。

图2A-2I中的每一个内的箭头均示出了气体或液体在行进通过所示挡板中的流动通道时可行进的示例性的流动路径。该行进方向与图1中所示的行进方向相反。它从每一幅图的顶部分别行进至每幅图的底部处的挠性膜片203A-203I。

图3A-3D示出了不同的微机电系统挡板的示例的透视图，这些视图中的任一个均可被用作图1中所示的挡板。再次，每幅视图内的箭头均示出了气体或液体在行进通过所示挡板中的流动通道时可行进的示例性的流动路径。

每个挡板均可具有可被设置成具有单独控制的电位的多个层。

每个挡板均可与挠性膜片电气隔离开，以致于它并不在挠性膜片上感应出静电压力或寄生电容负载。

挡板层可被以静电地捕获气体或液体中的可能另外沉积在该挠性膜片上的杂质的方式通电。

可对直接邻近于该挠性膜片的挡板上的电压进行调整以便调整该挠性膜片的零点。

图4A-4F示出了一种工艺的示例，该工艺用于通过利用微机电系统(MEMS)技术将一系列层沉积在共用基底上、对这一系列层进行图案化和/或蚀刻来制造压力传感器系统的示例，其中，该压力传感器系统包括压力传感器和挡板。

该工艺可始于限定由硅膜片401的层、牺牲层403、和结构层405构成的夹层结构，如图4A中所示。结构层405可以是能够经受移除牺牲层403的蚀刻工艺的任何可沉积的薄膜材料，例如多晶硅。结构层405可被图案化，并且随后被第二牺牲层407覆盖住，如图4B中所示。可对第二牺牲层407选择性地进行蚀刻，使得该蚀刻在第一结构层405上停止，如图4C中所示。可随后沉积第二多晶硅层409，如图4D中所示，并且随后对其进行图案化以使其具有流动通道和释放孔，如图4E中所示。随后可移除所有的牺牲层。可随后将完成的挡板悬置在挠性膜片的顶部上，如图4F中所示。

该工艺可以包括计算挡板与膜片之间的预期间隔距离。沉积、图案化、蚀刻、晶圆键合、和/或晶片减薄一系列层可被以致使挡板和膜片被大致分离开计算出的间隔距离的方式来实现。

该工艺可包括计算该密封的流动通道的长度和截面积，该长度和截面积共同导致压力传感器对于气体或液体的压力变化具有预期响应时间。沉积、图案化、蚀刻、晶圆键合、和/或晶片减薄一系列层可被以致使挡板具有计算出的长度和截面积的方式来实现。

已经描述的压力传感器系统可被用在诸如半导体沉积工艺之类的任何应用中，例如化学气相沉积(CVD)反应系统。在这种系统中，可设置挡板并且集成挡板/传感器组件可显著提高该传感器的长期稳定性，同时使响应时间最长。

已经讨论的部件、步骤、特征、目的、益处、和优点仅仅是说明性的。它们以及与它们有关的讨论并非意在以任何方式限制保护范围。同样设想了许多其它实施例。这些实施例包括具有更少的、附加的、和/或不同的部件、步骤、特征、目的、益处、和优点的实施例。这些实施例也包括其中部件和/或步骤都被以不同的方式设置和/或确定顺序的实施例。

除非另有说明，在包括所附权利要求的本专利说明书中阐述的所有的测量、数值、等级、位置、数量、大小、及其它规格均是估计的，而非精确的。它们意在具有与它们涉及的功能相符并且与它们所属的领域中的惯例相符的合理范围。

已经在本公开中引用的所有文献、专利、专利申请、和其它出版物均被通过引用结合到本文中。

短语“用于…的装置”在被用在权利要求中时意在并且应被解释为包括对应的结构和已描述的材料及它们的等同物。同样，短语“用于…的步骤”在被用在权利要求中时意在并应被解释为包含已描述的对应的动作和它们的等效动作。权利要求中缺少这些短语意指，该权利要求并非意在并且不应被解释为受限于这些对应的结构、材料、或动作、或受限于它们的等同物。

保护范围仅受限于现在随附的权利要求。该范围意在并且应当被解释为与符合权利要求书中使用的语言在被根据本专利说明书和附随的审查历史进行解释时的普通含义的范围一样宽，除非已经阐述了特定含义，并且该范围应当被解释为包括所有的结构和功能等同物。

诸如“第一”和“第二”等的关系术语可以被单独使用，以便将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而无需要求或暗示它们之间的任何实际的关系或顺序。当结合本专利说明书或权利要求书中列出的元件使用时，术语“包含”、“包括”及其任何其它变型意在表明该列表并不是排它性的，并且可包括其它元件。同样，在不具有其它制约的情况下，前缀有“一个”或“一种”的元件并不排除相同类型的附加元件的存在。

没有权利要求旨在涵盖未能满足专利法条款第101条、第102条或第103条的要求的主题，也不应以这种方式来解释它们。由此，并不要求保护对这种主题的任何无意的覆盖。除了刚刚在该段落中陈述的那样，无论是否被在权利要求书中加以陈述，已经表明或说明的内容并不意在或不应被解释为导致任何部件、步骤、特征、目的、益处、优点、或对于公众而言的等同物的专用(dedication)。

摘要被提供以帮助读者快速地确定技术公开的性质。在理解到它将不被用于解释或限制权利要求的范围或含义的情况下加以提交。另外，在前述详细描述中的多种特征均被在多种实施例中集中在一起，以便简化本公开。本公开的方法不应被解释为要求所保护的实施例需要比在每一项权利要求中明确表述的特征更多的特征。相反，如下列权利要求所反映的那样，具有创造性的主题在于少于单个公开实施例的所有特征。因此，下列权利要求由此被结合到该详细描述中，每一项权利要求均涉及单独要求保护的主题。

Claims (25)

1.一种用于感测气体或液体的压力的压力传感器系统，包括：

壳体，所述壳体具有用于所述气体或液体的入口端口；

所述壳体内的压力传感器；以及

挡板，所述挡板设置在所述入口端口与所述压力传感器之间，所述挡板具有：

一个或多个入口，所述一个或多个入口被定向成接收进入所述入口端口的气体或液体；

一个或多个出口，所述一个或多个出口被定向成将接收到的气体或液体传送至所述压力传感器；以及

一个或多个密封的流动通道，所述一个或多个密封的流动通道防止所述气体或液体除了通过所述一个或多个出口以外从所述挡板漏出，所述出口中的至少一个被定位在与所述压力传感器上的位置相距不超过一毫米的范围内。

2.如权利要求1所述的压力传感器系统，其中，所述压力传感器包括：

所述壳体内的挠性膜片；以及

感测系统，所述感测系统具有感测由所述气体或液体的压力变化导致的所述膜片的变化的构造。

3.如权利要求1所述的压力传感器系统，其中，所述挡板具有：

长度小于100微米的特征；

共形层；以及

一层或多层硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝、蓝宝石、镍、或镍合金。

4.如权利要求1所述的压力传感器系统，其中，所述挡板具有多个层，每一层都具有至少一个贯穿它的孔。

5.如权利要求1所述的压力传感器系统，其中，所述密封的流动通道迫使所述气体或液体在行进通过所述挡板的同时改变方向。

6.如权利要求4所述的压力传感器系统，其中，所述挡板具有一层并且所述密封的流动通道迫使所述气体或液体沿着相反的方向行进通过所述层。

7.如权利要求1所述的压力传感器系统，其中，所述密封的流动通道要求所述气体或液体的所有部分在它们从所述入口行进至所述出口时转一个或多个转弯，所述一个或多个转弯具有不超过50微米的转弯半径。

8.如权利要求1所述的压力传感器系统，其中，所述密封的流动通道的至少一部分被涂覆有杂质吸收材料。

9.如权利要求1所述的压力传感器系统，其中，所述压力传感器具有下列构造，所述构造在将电压电位施加在所述挡板与所述压力传感器时，在所述挡板与所述压力传感器之间产生电场。

10.一种用于制造包括挡板的产品的工艺，包括：

以形成挡板的方式沉积、图案化、蚀刻、晶片键合、或晶片减薄一系列层，所述挡板具有：

一个或多个入口，所述一个或多个入口用于接收气体或液体；

一个或多个出口，所述一个或多个出口用于传送接收到的气体或液体；以及

一个或多个密封的流动通道，所述一个或多个密封的流动通道用于使所述气体或液体从所述入口行进至所述出口。

11.如权利要求9所述的工艺，其中，所述挡板包括：

长度小于100微米的特征；

共形层；以及

一层或多层硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝、蓝宝石、镍、或镍合金。

12.如权利要求9所述的工艺，其中，所述密封的流动通道要求所述气体或液体的所有部分在它们从所述入口行进至所述出口时转一个或多个转弯，所述一个或多个转弯具有不超过50微米的转弯半径。

13.如权利要求9所述的工艺，其中，所述工艺还包括以杂质吸收材料涂覆所述挡板的至少一部分。

14.如权利要求9所述的工艺，其中，所述产品是压力传感器系统，并且其中，通过沉积、图案化、蚀刻、晶片键合、或晶片减薄产生的所述层中的一层是与所述挡板间隔开的挠性膜片。

15.如权利要求13所述的工艺，其中，所述挡板的所述出口中的至少一个与所述膜片上的位置间隔开不超过一毫米。

16.如权利要求13所述的工艺，其中，所述工艺还包括：

计算所述挡板与所述膜片之间的间隔距离；以及

以致使所述挡板与所述膜片间隔开大致计算出的间隔距离的方式沉积、图案化、蚀刻、晶片键合、或晶片减薄一系列层。

17.如权利要求13所述的工艺，其中，所述工艺还包括：

计算所述密封的流动通道的长度和截面积，所述长度和所述截面积共同致使所述压力传感器对于所述气体或液体的压力变化具有预期响应时间；以及

以致使所述挡板具有计算出的长度和截面积的方式沉积、图案化、蚀刻、晶片键合或晶片减薄一系列层。

18.如权利要求13所述的工艺，其中，通过沉积、图案化、蚀刻、晶片键合、或晶片减薄产生的所述层中的一层是与所述膜片间隔开的且并非是所述挡板的一部分的电极。

19.一种包括挡板的产品，其中，所述挡板具有：

一个或多个入口，所述一个或多个入口被定向成接收气体或液体；

一个或多个出口，所述一个或多个出口被定向成传送接收到的气体或液体；

一个或多个密封的流动通道，所述一个或多个密封的流动通道防止所述气体或液体除了通过所述一个或多个出口以外从所述挡板逸出；

长度小于100微米的特征；

共形层；以及

一层或多层硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝、蓝宝石、镍、或镍合金。

20.如权利要求18所述的产品，其中，所述密封的流动通道具有下列构造，所述构造在将电压电位施加于所述挡板时产生所述气体或液体必须通过的电场。

21.如权利要求18所述的产品，其中，所述产品是用于感测气体或液体的压力的压力传感器系统，并且所述产品还包括：

壳体，所述壳体具有用于所述气体或液体的入口端口；

所述壳体内的挠性膜片；以及

具有下列构造的感测系统，所述构造感测由所述气体或液体的压力变化造成的所述膜片的变化，

其中，所述挡板被设置在所述入口端口与所述挠性膜片之间。

22.如权利要求20所述的产品，其中，所述压力传感器具有下列构造，所述构造在将电压电位施加在所述挡板与所述膜片之间时，在所述挡板与所述膜片之间产生电场。

23.一种挡板，包括：

一个或多个入口，所述一个或多个入口被定向成接收气体或液体；

一个或多个出口，所述一个或多个出口被定向成传送接收到的气体或液体；以及

一个或多个密封的流动通道，所述一个或多个密封的流动通道使所述气体或液体从所述入口行进至所述出口，所述密封的流动通道要求所述气体或液体的所有部分在它们从所述入口行进至所述出口时转一个或多个转弯，所述一个或多个转弯具有不超过一百微米的转弯半径。

24.如权利要求22所述的挡板，其中，所述转弯半径不超过50微米。

25.如权利要求22所述的挡板，其中，所述密封的流动通道具有下列构造，所述构造在将电压电位施加于所述挡板时产生所述气体或液体必须通过的电场。