CN107110731A - 具有改进的操作的动态压力传感器 - Google Patents

Abstract

MEMS和/或NEMS压力传感器，位于基板中，包括：固定部分及相对于该固定部分可移动的部分，可移动部分包括能够在压力变化的作用下在传感器平面中移动的敏感元件(108)；应变计(18)，用于检测敏感元件(108)由于压力变化而在传感器平面中的移动；用于驱动敏感元件的电极(24.1，24.2)，所述驱动电极由固定部分及可移动部分部分地支撑，所述驱动电极被设置成自动地控制敏感元件(108)在位置范围内的移动；用于控制驱动电极的装置(C)，该装置被配置成基于应变计发出的信号使驱动电极偏移以自动地控制敏感元件在位置范围内的移动。

Description

具有改进的操作的动态压力传感器

技术领域

本发明涉及一种具有改进的操作的压力传感器、特别地涉及一种例如用于制作麦克风的应用的MEMS和/或NEMS压力传感器。

背景技术

文献EP 2 410 767描述了一种例如用于制作麦克风的MEMS动态压力传感器。该压力传感器包括可变形的腔室以接收来自环境的压力变化，该腔室在基板中被制成并且该腔室的壁中的一个壁沿与基板平面平行的方向是可移动的。该压力传感器还包括例如压阻型或电容型的用于检测壁的移动的装置。利用平面内移动的该压力传感器具有使检测部分与对声压敏感的检测壁分离的优点。因此，能够同时进行优化，从而使传感器具有改进的性能。

然而，该压力传感器强制(impose)找到通带和分辨率之间的折衷方案；此外，在麦克风的应用中，工作范围受到检测装置的机械部分的配置的限制，这限制了用于提高分辨率并增加满量程的可能性，该工作范围是可以测量的最大声压(即，在不饱和的情况下麦克风能够记录的声级)和可能测量的最小声压之间的差值。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种利用平面内移动或变形、具有改进的操作的压力传感器。

本发明的目的通过利用平面内移动或变形的压力传感器来实现，该压力传感器包括在压力变化的作用下沿平行于传感器平面的方向可移动或可变形的部分、用于检测可移动部分的移动或变形的检测装置以及用于从动于敏感元件根据检测装置的测量的移动或者变形的装置。

通过实施这种从动，传感器的制造及其操作不再受到现有技术的平面内检测传感器的增益/通带以及机械增益/动态范围的折衷的限制。

优选地，从动装置与检测装置不同。

优选地，从动装置为电容型，但是可替选地，从动装置可以是压电型。

有利地，用于减小敏感元件的机械刚度的装置由静电装置来实施，该静电装置还被称为“用于对敏感元件进行微调的装置”来指代，该微调使得能够大大提高传感器性能。

优选地，在除从动装置之外的情况下，微调装置被实施，电极专用于从动并且电极专用于微调。

在一个特别有利的模式中，敏感元件包括容置从动电极的至少一部分的壳体，因此从动电极在敏感元件的面上施加静电压力，敏感元件的所述面与受待测量的压力变化影响的面不同。因此，驱动电极不会在可移动结构的上游和下游引起水头损失(perte decharge)，上游为施加待测量的声压的一侧，例如大气。从而不会降低传感器的灵敏度。

非常有利地，驱动电极中的至少一个被构造成减少粘性阻尼。

传感器使得压力变化(例如待测量的声压变化)能够制作麦克风。

因此，本发明的一个主题是一种MEMS/NEMS型压力传感器，其位于在被称为传感器平面的平面中延伸的基板中，该压力传感器包括：

-固定部分和相对于固定部分可移动的可移动部分，可移动部分包括能够在压力变化的作用下在传感器平面中移动或者变形的至少一个敏感元件，

-检测装置，用于检测敏感元件由于压力变化而在传感器平面中的移动或者变形，

-第一驱动装置，用于驱动可移动部分，所述第一驱动装置被控制成从动于敏感元件的移动或变形位置，

-第一控制装置，用于控制第一驱动装置，该第一控制装置根据检测装置发出的信号被配置成使第一驱动装置极化以从动于敏感元件的移动或变形位置。

例如，第一驱动装置为电容型，所述驱动装置由固定部分及可移动部分部分地支撑。

有利地，压力传感器包括第二电容型驱动装置和第二控制装置，第二电容型驱动装置用于驱动可移动部分，所述驱动装置由固定部分及可移动部分部分地支撑，第二控制装置用于控制第二驱动装置以执行对元件的微调。

在示例性实施例中，第一驱动装置和第二驱动装置不同。

在另一示例性实施例中，第一驱动装置和第二驱动装置相结合(confondus)，然后给第一驱动装置和第二驱动装置施加包括来自第一控制装置的AC分量和来自第二控制装置的DC分量的极化信号。

可移动部分可以围绕垂直于传感器平面的轴相对于固定部分被可旋转地铰接。

根据附加特征，检测装置从压阻型装置或电容型装置中选择。当检测装置为电容型时，检测装置可以与第一驱动装置和/或第二驱动装置不同。

第一驱动装置和/或第二驱动装置可以包括至少两对电极，每对电极包括由固定部分支撑的固定电极和面对固定电极、由可移动部分支撑的可移动电极。

在一个实施例中，敏感元件包括受所述压力变化影响的面，该面被称为敏感面，并且敏感元件包括在敏感元件的两个平行壁之间界定的至少一个壳体，该两个平行壁中的一个壁支撑敏感面，固定电极中的全部或部分固定电极布置在所述壳体中，而可移动电极中的全部或部分可移动电极位于壳体的壁的内面上。

在一个有利的示例中，敏感元件包括连接两个平行壁的底部，所述底部包括至少一个通道。有利地，压力传感器然后可以包括至少一个柱体，该至少一个柱体用于通过通道将固定电极中的至少一个机械地连接到固定部分。

优选地，驱动电极中的至少一个被构造成便于从固定电极和可移动电极之间界定的空间中排出环境介质。

根据附加特征，每个固定电极可以连接到位于其纵向末端处的电连接垫或者连接到位于其两个纵向末端之间的中间部分中的电连接垫。

在一个示例性实施例中，敏感元件被铰接在至少一个纵向末端处。

敏感元件可以被布置在连接到需要测量压力变化的环境的至少一个第一腔室和与该第一腔室连通的至少一个第二缓冲腔室之间。

压力传感器可以包括连接到需要测量压力变化的环境的两个第一不同腔室，以及包括两个第二缓冲腔室，敏感元件受到两个腔室的压力变化的影响。

旋转铰接件的旋转轴可以位于敏感元件的两个纵向末端之间，优选地位于距两个末端相等的距离处。

有利地，检测装置使得其能够进行差动测量。

在另一实施例中，固定驱动电极中的全部或部分固定驱动电极被布置在敏感元件的任一侧上。

敏感元件可以包括受需要被测量的压力变化影响的面，该面被称为敏感面，固定驱动电极中的一个固定驱动电极面对该敏感面。

可移动部分例如包括至少两个梁，该至少两个梁与敏感元件平行并且被布置成远离该敏感元件，所述平行梁的面对敏感面的面形成可移动电极中的全部或部分可移动电极。

例如，基板包括支撑基板和盖基板，第一腔室通过盖基板的孔口连接到需要测量压力变化的环境，第二腔室包括支撑基板中与第一腔室的孔口相对的孔口或侧孔口，或者第二腔室具有足够的体积而不会阻碍可移动部分的移动。

本发明的另一主题在于一种根据本发明的形成动态压力传感器的压力传感器。

本发明的另一主题在于一种包括至少一个根据本发明的压力传感器的麦克风。

附图说明

基于以下说明及附图将更好地理解本发明，在附图中：

-图1A和图1B为压力传感器的第一实施例的一示例性实施例的分别沿平面I-I的俯视图及截面图，

-图2A和图2B为压力传感器的第一实施例的另一示例性实施例的分别沿平面II-II的俯视图及截面图，

-图2A'和图2A”为图2A的传感器的替代实施例的示意性表示的俯视图，

-图3A和图3B为压力传感器的第一实施例的另一示例性实施例的分别沿平面III-III的俯视图及截面图，

-图4A和图4B为压力传感器的第二实施例的一示例性实施例的分别沿平面IV-IV的俯视图及截面图，

-图4'为图4A和图4B的示例的替代实施例的横向截面图，

-图5A和图5B为图4A和图4B的压力传感器沿平面V-V的俯视图及截面图，其中压阻应变计变细了，

-图6为图4A和图4B的利用电容检测的传感器的替代方案的俯视图，

-图7为图4A和图4B的利用实施两个压阻应变计的压阻检测的传感器的替代方案的俯视图，

-图8为图4A和图4B的利用具有方向与检测元件平行的压阻应变计的压阻检测的传感器的替代方案的俯视图，

-图9为第二实施例的具有侧孔口的替代实施例的横向截面图，

-图10A和图10B为第二实施例的另一示例性实施的分别沿平面VI-VI的俯视图及截面图，其中驱动电极的电触头位于电极的中间部分，

-图11A、图11B和图11C为第二实施例的另一示例性实施的分别沿平面VII-VII和平面VIII-VIII的俯视图及截面图，其中驱动电极与支撑基板成一体，

-图12A和图12B为第二实施例的另一示例性实施例的分别沿平面IX-IX的俯视图及截面图，其中对敏感元件进行了构造，

-图13为第二实施例的包括止动件的另一示例性实施例的俯视图，

-图14A为根据传感器的第二实施例的另一示例的俯视图，其中敏感元件可旋转地铰接在其重心处，

-图14B和图14C为图14A的传感器的沿平面X-X和平面XI-XI的截面图，

-图15为根据传感器的第二实施例的另一示例的俯视图，其中敏感元件可旋转地铰接在其对称轴上并且实施微调装置，

-图16为从动于压力传感器的平面内移动或变形的位置的框图的表示，

-图17A至图17I为在举例说明用于制作根据本发明的传感器的方法的不同步骤期间获得的元件的示意性截面图，

-图18为包括两个枢轴铰接件的压力传感器的替代实施例的示意性表示的俯视图，

-图19为具有多个腔室及多个敏感元件的压力测量系统的示意性表示。

具体实施方型

在下面的描述中，相同的标记将用来指代具有大体上相同形状及相同功能的元件。

在图1A和图1B中，可以在俯视图及截面图中看到压力传感器的第一实施例的示例。

传感器包括支撑基板2(在下文中由支撑件来指代)以及盖形成基板4(在下文中由盖来指代)。

支撑件2和盖4大体上是平面的并且在平面XY中延伸，在下文中该平面将被称为传感器平面并且在图1B的图示中水平地延伸。

传感器包括沿平面XY中包含的方向是可变形的第一可变形腔室6。

第一腔室6沿平面XY中包含的方向被界定在支撑件2、盖4、固定侧壁5以及可移动或可变形壁8之间。第一敏感腔室6具有孔口7，该孔口7将腔室6的内侧连接到大气，其中需要检测该大气的压力变化，例如声压变化。

传感器包括固定部分，该固定部分包括基板和由可移动壁或敏感元件部分地形成的可移动部分或者可移动结构。

在示出的示例中，可移动壁8由围绕垂直于平面XY的轴Z可旋转的可移动梁形成。在下文中该可移动梁将被称为“敏感元件”。

围绕轴Z的可旋转铰接件12位于梁的纵向末端。

在示出的示例中，围绕Z轴的可旋转铰接件12由具有相交轴的两个梁12.1、12.2制成，每个梁通过纵向末端与敏感梁8成一体并且通过它们的其它纵向末端锚固到支撑件2和/或盖4。梁的轴相交即为旋转轴Z与平面XY相交。例如，梁通过使得敏感元件能够极化的连接垫锚固到支撑件。

优选地，在平面中铰接件12具有低的刚度，而在平面之外具有强的刚度以避免接触基板或盖。在图2A'中，可以看到图2A的传感器的替代实施例，其中，铰接件12'由锚固到基板并与敏感元件大致对准的梁12.1'形成。梁12.1'能够弯曲地变形，而两个弹性元件12.2'在平面中延伸到可移动壁的任一侧上并锚固到用于锚固到支撑件2和/或盖4的触头。

在图2A”中，可以看到另一替代方案，其中，铰接件12”由梁12.1”和两个梁12.2”形成，梁12.1”与敏感元件大致对准并且能够弯曲地变形，而两个梁12.2”延伸到敏感元件的任一侧上并锚固到基板且能够压缩地/拉伸地变形。

传感器还包括第二腔室14，该第二腔室相对于第一腔室布置在敏感元件8的另一侧上，敏感元件包括在第一腔室6的一侧上的面8.1以及在第二腔室14的另一侧上的面8.2。在第一腔室和第二腔室之间不存在气动短路。

第二腔室14通向支撑基板的背面以使第二腔室中占主导地位的压力变化不是需要被测量的压力变化。作为变型，第二腔室14可以具有足够的体积以使得能够在没有过多阻尼的情况下在压力变化的作用下移动敏感元件；该体积通常被称为“背部体积”。第二封闭腔室的体积可以例如是第一腔室6的体积的至少5倍，例如是第一腔室6的体积的10倍。

应该注意的是，敏感元件并未密封地关闭第一腔室6和第二腔室14之间的连通。在敏感元件和支撑件之间以及在敏感元件和盖之间设置有间隙15。这些间隙15沿方向Z的尺寸被选择成使得当压力变化具有低的频率时压力能够在第一腔室和第二腔室之间保持平衡，并且能够通过流体、敏感元件和基板之间的粘滞效应使得敏感元件对具有比给定频率高的频率的压力变化敏感。

传感器还包括用于检测敏感元件的移动或变形的检测装置16。

在示出的示例中，检测装置具有应变计并且由悬挂在锚固到支撑件的接触垫20和敏感元件8之间、由压阻材料制成的应变计18形成。优选地，应变计18的轴垂直于敏感元件的轴。如果应变计位于敏感元件的下游，则当沿顺时针方向移动敏感元件时应变计被压缩，而当沿逆时针方向移动敏感元件时该应变计被拉伸。检测装置可以可替代地为电容型，这种装置将在第二实施例中更详细地进行描述。

压力传感器还包括用于从动于敏感元件的移动或变形的位置的装置。从动装置包括有利地为使得静电力能够施加到敏感元件的电容型22的驱动装置以及电子控制装置，以通过电容式驱动装置施加静电反馈力，该反馈力根据来自检测装置的信号来确定。

驱动装置包括至少两对电极。在示出的示例中，第一对电极包括固定到固定部分的电极24.1以及属于可移动结构并且在敏感元件的面8.1中的至少一部分上形成的电极，而第二对电极包括固定到固定部分的电极24.2以及属于可移动结构并且由敏感元件的面8.2中的至少一部分上的相对面形成的电极。

当敏感元件的材料导电例如为掺杂硅时，可移动电极可以由敏感元件的侧面直接形成。当敏感元件的材料不导电时，可移动电极由敏感元件的侧面上的导电沉积物形成。

在示出的示例中，驱动装置还包括两对电极，因此总共有四对驱动电极。可移动结构包括附加梁26，该附加梁平行于敏感元件8且远离敏感元件8布置并且通过臂28固定到敏感元件。这些附加梁具有与梁的敏感面平行的面。附加梁与可移动梁8机械地成一体以与敏感元件8形成刚性组件，并且附加梁电连接到可移动梁。然后，驱动装置包括和与附加梁的面相对的支撑件成一体的电极24.3、24.4。优选地，电极相对于敏感元件8对称地布置以施加相反方向的静电力。

可替代地，驱动装置可以仅包括电极24.1和24.2或者电极24.3和24.4。

为了限制敏感元件的惯性，优选的是减少支撑从动电极的梁的数量。优选地，在第一实施例中，从动装置仅包括电极24.1和电极24.2。

驱动电极分别通过接触垫30.1、30.2、30.3、30.41被单独地电连接到控制装置C。

压力传感器的操作如下。例如，压力传感器可以形成动态压力传感器或麦克风。

在图1A和图1B的示例中，第一腔室实际上由侧壁5和梁26来界定。压力实际上被施加到梁26以及元件8上，这导致敏感元件移动。类似地，第二腔室实际上由其它梁26和其它侧壁来界定。

当在与第一腔室6连通的大气中出现压力变化时，第二腔室14最初与第一腔室的压力保持压力平衡，该压力变化被施加到敏感元件8。假设该压力变化为正，则力被施加到朝向第二腔室的梁26上，导致可移动结构沿顺时针方向枢转，从而使可移动壁沿顺时针方向枢转以及应变计被压缩。相关的阻力变化通过例如包括惠斯通电桥的电子系统被转换成电信号。

该信号发送给反馈回路的电子控制装置。

反馈回路的电子控制装置然后生成如极化信号的用于控制驱动电极的信号，以从动于敏感元件的位置，从而经由受电压控制的静电压力消除入射的声压。该控制取决于由检测装置测量的信号，可以对该信号施加校正。感兴趣的物理信号(即，来自麦克风的输出信号)与由驱动电极施加的逆反馈压力的振幅成比例。

该系统可以通过图16中示出的简化的框图来描绘，其中，敏感元件指代为S，检测装置指代为D，用于控制从动装置的控制装置指代为C1，从动装置指代为A1。在框图中，示出了以下将进行描述的微调装置C2和由微调装置C2控制的驱动装置A2。

检测装置D检测敏感元件的移动；该信号用于确定第一腔室中的压力，并且通过用于控制从动装置的装置，这些控制装置C1给从动装置A1生成命令。

对于非从动传感器而言，通带仅由机械传递函数来确定。在本发明的情况下，可移动结构的谐振频率不是设置通带的唯一参数。通过从动位置，该通带还取决于从动电子装置。因此，通带及分辨率问题在根据本发明的传感器中解耦，并且可以分开地优化通带和分辨率。

此外，也可以经由从动电子装置独立地选择可能被测量的压力动态值，而不管机械参数如何。事实上，(压阻式或电容式)转导装置处的信号振幅比没有从动系统的等效系统的信号振幅小。在这种情况下，该动态值通过给驱动电极定尺寸并对其进行控制来限制。

因此，通过本发明，在通带、动态值及分辨率方面存在优化压力传感器的性能的进一步的自由度。特别地，可以在不受转导装置限制的情况下对敏感元件的尺寸进行优化。可移动结构的刚度和惯性可以被选择成使得尽可能实现最佳分辨率，而不管通带如何。

在图18中，可以看到根据本发明的传感器的另一变型实施例，其中，代替通过一个末端铰接到基板，可移动结构在其两个末端处通过具有垂直于基板平面的轴的枢轴连接件13铰接到基板。该结构能够在外部压力场的作用下变形。有利地，该替代方案对外部冲击具有更好的机械阻力。可以实施多个压阻应变计，在图18中实施了两个应变计。此外，电容型从动装置包括在可移动壁的任一侧上的两个电极，可移动壁的面形成电极。

在图2A和图2B中，可以看到第一实施例的另一示例，其中压力传感器还实施微调装置。

该微调装置为电容型并且实施至少一对电极。在示出的示例中，使用该对驱动电极中的两个驱动电极来执行微调，例如该对驱动电极包括电极24.3和电极24.4。应当理解的是，除了具有专用于驱动的四个电极之外还具有专用于微调的至少一对电极的传感器并未脱离本发明的范围。

在微调的情况下，电极被极化以使得敏感元件受取决于其位置的力的影响，并且当敏感元件处于平衡位置时不受到力的影响。

微调可以被视为生成负刚度；因此可以实施微调来修改传感器的可移动结构的整体刚度。通过微调电极的动作，可以减小设备的总刚度，这使得能够增加灵敏度。

利用从动装置对微调装置的实施是特别有利的，这是因为它对通带没有影响。

通过借助于微调装置制造具有减小刚度的传感器，可以在不丧失低频处(即在低于谐振频率的频率处)的灵敏度的情况下具有大的通带。

当检测装置为压阻型时，微调装置的实施也具有优点。应变计的形状将应力在应变计中的传输以及应变计对整体刚度的贡献两者考虑在内。通过能够使负刚度增加的微调装置，能够补偿应变计的刚度。然后，能够优化应变计的结构以在应变计中传输应力而不用考虑对整体刚度的影响。然后可以增加整个通带上的增益。

一方面，微调使得能够选择微系统的最佳刚度；另一方面，在实施至少一个压阻应变计的压力传感器的情况下，其使得应力在应变计中的传输能够得到优化。

在所描述的示例中并且优选地，驱动电极和微调电极是不同的。可替代地，可以设置成使用相同的电极来执行从动及微调。为此，电极通过包括DC信号和AC信号的电压来极化，DC信号用来微调，而AC信号用来从动。优选地，AC信号的振幅比DC信号的振幅小很多。

在图3A和图3B中，可以看到根据第一实施例的具有更轻的可移动结构的传感器的另一示例实施例。

可移动结构包括敏感元件8、通过臂连接到敏感元件8的附加梁24以及在两个附加梁之间且在臂下方延伸的链接元件32。

该链接元件具有比敏感元件的厚度相对更小的厚度，例如小20倍或者甚至小100倍。例如，对于具有20μm厚度的敏感元件而言，链接元件具有250nm的厚度。链接元件的实施使得可移动结构的刚性能够增加而不会使其惯性增加太多，以使得可移动结构在入射压力的作用下的变形依然忽略不计。

在图4A和图4B中，示出了压力传感器的第二实施例的示例。

该实施例与第一实施例的区别在于敏感元件108包括用于容置驱动电极的壳体34。

为此，在示出的示例中，敏感元件108包括下底部108.1、两个侧壁108.2和108.3以及连接到限定旋转轴7的梁的端壁108.4。第一侧壁108.2被布置在第一腔室的一侧上，其具有在第一腔室的一侧上的外部面108.21以及支撑面对电极24.1的电极的内部面108.22，因此外部面108.21观察到连接到第一腔室的大气的压力变化。第二分隔壁具有在第二腔室的一侧上的外部面108.31以及支撑面对电极24.2的电极的内部面108.32。电极24.1和电极24.2被并排容置在壳体34中。

当敏感元件108的材料导电例如为掺杂硅时，可移动电极可以由敏感元件的壁本身形成。当敏感元件108的材料不导电时，可移动电极由这些侧壁108.2、108.3的内部面108.22和108.32上的导电沉积物形成。

有利地，可以切断下底部，这使得可移动结构能够被减轻，同时确保足够的刚性。

优选地，侧分隔壁108.2、108.3和端分隔壁108.4与悬挂梁一起被制成为的单件。

驱动电极24.1、24.2通过纵向末端经由连接垫锚固到基板，其它自由的纵向末端面对端分隔壁108.4。在电极端部和端分隔壁108.4之间可能出现寄生电容，但是可以通过增加电极和端分隔壁108.4之间的间隔来减小该寄生电容。

由于驱动电极不在腔室中，所以他们不会使用可移动结构上游和下游的水头损失，该上游和下游是从第一腔室到第二腔室来考虑的。

用于使敏感元件从动于位置的静电驱动实施与用于感测压力变化的面积不同的面积。该实施例是特别有利的，这是因为其使得能够制成相对于第一实施例的传感器的灵敏度具有增加的灵敏度的压力传感器。事实上，传感器的灵敏度取决于可移动结构暴露于入射压力的面积。另一方面，通过驱动电极施加在可移动结构上的应力还与面对该可移动结构的面积成比例。因此，驱动需要一些面对面积。

此外，该配置使得能够具有观察到与用作驱动的压力大致相等的压力的面积。该配置使得能够避免敏感元件的面积增加以补偿驱动电极的存在。该面积的增加会导致可移动结构的惯性增加，这对传感器的灵敏度也是不利的。

在示出的示例中，传感器包括具有压阻型应变计的检测装置。

通过示例，可移动结构例如具有介于5μm和50μm之间的高度、介于100μm和1mm之间的长度、沿可移动结构的移动方向考虑的介于5μm和30μm之间的总厚度。可移动结构的底部例如具有介于100nm和1μm之间的厚度。

电极例如具有介于1μm和5μm之间的厚度，并且电极之间的距离例如介于5μm和10μm之间。

该实施例相对于第一实施例还具有提供减小的面内体积(encombrement dans leplan)的优点。

在该示例性实施例中，驱动电极可以用于执行微调。为此，如以上描述的那样给电极施加包括DC信号和AC信号的极化信号。

作为变型，驱动电极可以在面对壳体的区域中附接到盖并且不通过纵向末端悬挂。

作为进一步的变型，敏感元件可以包括不打开到盖而是打开到支撑件的壳体，然后敏感元件会包括上底部而不是下底部。然后，电极可以如在图4A和图4B中表示的示例那样通过末端悬挂或者在面对壳体的区域中附接到支撑件。

作为进一步的变型，如图4'中所示，可以考虑制成具有H型横向截面的敏感元件，壳体34'被界定在壳体34下方，并且通过底部108.1与壳体34分离。微调电极24.3、24.4容置在壳体34'中并且与驱动电极24.1、24.1叠加。相反地，驱动电极24.1、24.1可以位于壳体34'中，而微调电极位于壳体34中。

图2A'和图2A”的示例性铰接件可应用于第二实施例。

在图5A和图5B中，可以看到包括变细的应变计(称为纳米应变计18')的压阻型检测装置的变型。该纳米应变计例如具有典型的介于250nm和2μm之间的宽度；以及介于1μm和10μm之间的长度。纳米应变计的厚度例如等于敏感元件的厚度，例如介于5μm和50μm之间。在变型中，纳米应变计可以变细并且具有介于100nm和1μm之间的厚度。

一个或多个纳米应变计的实施使得能够将应力集中到应变计中，该应力与应变计的截面面积成反比。

在图6中，可以看到图4A和图4B的传感器的替代实施例，其中，检测装置为电容型。检测装置包括优选地布置在面对敏感元件108的第二分隔壁的面108.31的第二腔室中的电极36。电极36相对于支撑件被固定并且连接到连接垫，该电极36与第二分隔壁108.3的面108.31一起形成可变电容器的可变气隙，该可变电容器的电容根据敏感元件的旋转运动而改变。通过将电极36布置在第二腔室中，避免了经历压力变化的面积减小。然而，电极36被设置成通过替换第二腔室中的可变电容器或者除了进行差动测量之外，与面108.21一起形成电容器。可替代地，可变电容器能够具有可变的面积。

在图7中，可以看到检测装置实施两个压阻应变计18的传感器，相对于敏感元件的轴，第一个压阻应变计附接到敏感元件的一侧，而另一压阻应变计附接到敏感元件的另一侧。在旋转运动期间，其中一个应变计被压缩，而另一个应变计被拉伸，应变计可以连接在使得能够进行差动测量的惠斯通电桥中。

在示出的示例中，应变计18附接到敏感元件，位于端壁108.4处。例如，沿敏感元件的轴在旋转轴和应变计到敏感元件的紧固点之间的距离为几微米，而敏感元件例如具有100μm的长度。但是，可以设置成将应变计远离旋转轴地附接在侧分隔壁108.2和108.3处。可以至少部分地通过微调装置来补偿由于应变计而产生的刚度。

还可以设置成实施超过两个应变计，例如四个或更多个，将应变计分布在敏感元件的任一侧上，多个纳米应变计的实施使得能够在某些情况下(例如如果应变计被插入同一惠斯通电桥中)增大信号。此外，通过增加应变计的数量，减小了每个应变计中的应变，因而增大了满量程。

可以至少部分地通过微调装置来补偿由于应变计而产生的刚度。

在图8中，可以看到图4A和图4B的传感器的另一替代实施例，其中，压阻型应变计与敏感元件的轴平行地延伸并且不会垂直地延伸。为此，敏感元件包括在第二腔室中延伸的侧臂38，应变计被悬挂在臂38和连接垫之间，该臂将运动传输到应变计。在某些实施方型中该配置可以是有利的。

在图9中，可以看到又一替代实施例，其中，第二腔室不打开到与第一腔室的孔口相对的支撑基板中，而是包括侧孔口40，即侧孔口40位于支撑件和盖之间的中间基板中。应该注意的是，在该替代方案中，第一腔室布置在图9中示出的敏感元件的右边，而在之前描述的示例中以及在说明书中的替代方案中，第一腔室位于敏感元件的左边。压阻型应变计然后位于第一腔室中。传感器的操作并未改变。

对某些实施方式而言第二腔室的该侧孔口是有利的。该侧孔口能够使MEMS的总厚度减小并且便于在尺寸受限的设备中集成。此外，下游腔室和背部体积之间的声学路径是粘性摩擦场所，因而噪声的来源与这些损耗相关联。侧孔口可以使该噪声减小。

在图10A和图10B中，可以看到另一示例性实施例，其中，电极24.1、24.2通过大致位于纵向末端之间的中间区域中、优选地位于电极的中间区域中的连接垫42电连接到极化源并附接到盖。

在敏感元件包括打开到支撑基板的壳体34'的替代方案中，可以考虑：电极通过大致位于纵向末端之间的中间区域中、优选地位于电极的中间区域中的连接垫电连接到极化源并附接到支撑基板。

在图11A至图11C中，可以看到根据第二实施例的传感器的特别有利的示例性实施例。在该示例中，下底部108.1包括一个或更多个通道44，并且电极24.1、24.2通过一个或更多个柱体46固定到支撑基板。

优选地，柱体46通过诸如SiO₂之类的电绝缘体与支撑基板电绝缘，以使电极不会短路。在示出的示例中，电极通过纵向末端连接到连接垫。可以给每个电极提供柱体，优选地实施沿电极的纵向方向分布的多个柱体。例如，柱体的宽度介于1μm和25μm之间。可以给每个柱体提供通道或者多个柱体贯穿单个通道。

可替代地，可以用如图10A和图10B的示例中实施的那些接触垫替代所述柱体或其中一个柱体或多个柱体。

柱体使得能够保持驱动/微调电极的刚性，以使该驱动/微调电极不会在敏感元件和电极本身之间的静电力的作用下移动。

在图12A和图12B中，可以看到根据第二实施例的传感器的另一示例性实施例。该实施例与以下描述的示例不同之处在于如下事实：电极具有促进空气流动的结构，更一般地，气体流位于分隔壁108.2及108.3和电极124.1、124.2之间，这减小了粘性阻尼(称为“压膜阻尼”)以及该阻尼固有的声学噪声；因此减少了麦克风分辨率的下降。在示出的示例中，在正视图中电极具有锯齿结构，位于电极的轴上方的锯齿相对于位于轴下方的锯齿轴向偏移。应该理解的是，可以考虑任何其它结构形状，但是不考虑过多地减少电极的驱动面积。

此外，不像平面外压力传感器(对于平面外压力传感器，在检测装置处出现粘性阻尼以及检测电极的结构导致麦克风灵敏度降低)，驱动电极的结构对根据本发明的传感器的灵敏度没有影响。

第一实施例的固定驱动电极也可以被构造成减小该阻尼。

在图13中，可以看到根据第二实施例的传感器的另一示例性实施例。该传感器包括用于限制可移动结构的旋转运动并保护其不受太高的压差影响的止动装置48。

在示出的示例中，止动装置被固定到支撑基板并且相对于敏感元件的轴布置在敏感元件的任一侧上，位于敏感元件的自由的纵向末端处。止动装置关于敏感元件对称布置。止动装置可以布置在沿敏感元件的其它位置处。止动装置和分隔壁108.2、108.3的外部面之间的距离确定了敏感元件所允许的间隙。

可替代地，止动装置可以附接到盖。

在图14A至图14C中，可以看到第二实施例的另一特别有利的示例。

传感器包括两个连接到需要测量压力变化的大气且彼此隔离的第一可变形腔室206.1和206.2。传感器包括两个彼此隔离的第二腔室214.1、214.2。

传感器还包括如可旋转地铰接安装到支撑基板的梁的敏感元件。敏感元件208形成用于腔室206.1和腔室206.2两者的可变形分隔壁。

为此，铰接轴Z不位于敏感元件的一端处而是位于敏感元件的两个纵向末端之间的中间区域中，因此敏感元件被分成两个纵向部分，在旋转轴Z的一侧上的一个纵向部分对腔室206.1中的压力敏感，而在旋转轴Z的另一侧上的另一纵向部分对腔室206.2中的压力敏感。

优选地，旋转轴Z贯穿敏感元件208的重心，因此纵向部分208.1、208.2两者具有相同的长度并且提供相同的压敏面积。

在该示例中，铰接件包括两个梁，该两个梁具有连接到敏感元件208.s的纵向面的相交轴。

正如图14B和图14C的截面图中可看到的，可变形腔室206.1和可变形腔室206.2被布置成使得可变形腔室206.1的敏感表面和腔室206.2的敏感表面位于敏感元件的相对面上，以使在两个可变形腔室中作用在敏感元件上的压力使敏感元件旋转。

可变形腔室206.1通过在支撑件和盖之间延伸的分隔壁50与腔室214.2间隔开，而可变形腔室206.2通过在支撑件和盖之间延伸的分隔壁52与腔室214.4间隔开。分隔壁50和52旨在使腔室214.2和腔室214.4在声学上隔离。分隔壁50和52与敏感元件不接触以不干扰敏感元件的移动，并且分隔壁50、52的边缘和敏感元件之间的间隙足够小而不会干扰测量。

敏感元件208具有打开到盖的U形横向截面。然而，敏感元件208包括两个通过横向分隔壁255彼此间隔开的壳体234.1、234.2，在横向分隔壁255处存在旋转轴Z。两个壳体234.1、234.2在敏感元件的纵向末端处打开。分隔壁255使得能够确保敏感元件的刚性。

从动装置包括四对电极，两个固定电极224.1、224.2被布置在壳体234.1中，而两个固定电极224.1'、224.2'被布置在壳体234.2中。在该示例中，电极通过确保其极化的连接垫锚固到支撑件。

传感器包括为示例中示出的压阻型的检测装置216。检测装置216包括两个压阻应变计218.1、218.2，该两个压阻应变计布置在分隔壁50的任一侧上并且每个压阻应变计检测敏感元件208的移动，其中一个压阻应变计被拉伸地偏移，而另一压阻应变计被压缩地偏移。应变计可以连接在使得能够进行差动测量的惠斯通电桥中。可替代地，检测装置可以是电容型。

该连接的优点在于提供对于加速度具有低的灵敏度的传感器。事实上，在例如垂直于敏感元件的轴的加速度的情况下，将使敏感元件在垂直于其旋转轴的传感器平面中移动，导致两个应变计压缩或者两个应变计拉伸。由于惠斯通电桥连接，所以在这种情况下发出的信号将为零。

现在将对图14A至图14C的传感器的操作进行描述。

两个第一腔室206.1、206.2被连接到需要测量压力变化的大气。考虑压力增大。当压力增大时，在第一腔室206.1和第二腔室214.1之间以及在第一腔室206.2和第二腔室214.2之间出现压差。然后，将应变施加到位于可变形腔室206.1、206.2中的敏感元件208的部分208.1、208.2的面上。由于敏感元件208的部分208.1、208.2的相对布置，所以增加了施加在部分208.1上的应变和施加在部分208.2上的应变，在示出的示例中导致敏感元件208沿逆时针方向旋转。该旋转在应变计218.1上施加拉伸应变，并且在应变计218.2上施加压缩应变，导致发出电信号。控制装置使驱动装置极化以使敏感元件从动于位置。

在图15中，可以看到图14A至图14C的替代传感器，其中，传感器还包括微调装置。例如，电极224.2、224.2'不是用于从动而是用于微调。

应该理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以对不同实施例的示例进行组合。在特别有利的示例中，传感器具有图14A至图14C或图15的传感器的结构，电极通过敏感元件的切断的下底部固定到基板，驱动和/或微调电极被构造成减少压膜阻尼现象。

根据第二实施例的压力传感器并未脱离本发明的范围，在第二实施例中，驱动电极中的一个在敏感元件内侧，而另一个驱动电极在敏感元件外侧。

此外，根据第二实施例的压力传感器足以生成所需的负刚度，该压力传感器包括布置在敏感元件内侧、在电极的两侧上生成静电应变的单个微调电极。

在图19中，可以看到示意性地示出的示例性压力测量系统，该系统包括与不同的腔室6、14相关联的多个敏感元件8。例如，两个不同的可移动元件8可以共享一个腔室。可以考虑例如总共有两个第一腔室6和三个第二腔室14的四个可移动梁。

本发明一方面使得能够优化系统的通带，另一方面能够分开地优化结构的刚度和惯性。

本发明还使得能够形成与微系统的动态值及增益无关的结构的形状或设计。

在压阻检测设备的情况下，本发明使得能够选择可移动结构的刚度，而不管应变计中的应变传输如何，因而能够在定位方面实施并选择多个应变计。

由于可移动结构借助于从动装置来保持更靠近其平衡点，所以该系统具有更小的非线性。此外，如果输入信号包括谐振频率处的分量，则由于消除机械谐振的从动装置而避免可移动结构接触固定部分的风险。

现在将使用图17A至图17I来描述用于制作根据第二实施例的传感器的示例性方法，该传感器包括敏感元件内侧的从动电极以及敏感元件4B外侧的从动电极。

一方面，在支撑基板上，第一子组件被制成。

在可以为半导体材料(例如为硅)的第一所谓的支撑基板302上，牺牲层304的沉积物被制成。该介电层可以有利地为通过以下方式沉积的硅氧化物：PECVD(等离子体增强化学气相沉积)、LPCVD(低压化学气相沉积)或者通过热氧化。介电层的厚度可以介于几百纳米和几微米(例如5μm)之间。然后，优选地基于Si或SiGe并且厚度介于200nm和5μm之间的半导体材料层306被沉积。也可以从SOI型基板(图17A)开始。

在下一步骤期间，对层306进行光刻及蚀刻以限定应变计18和内底部108.1。然后，在层306上形成厚度介于几百纳米和几微米之间的第二牺牲层308，然后对牺牲层308进行光刻及蚀刻以获得对应变计18及敏感元件的下底部108.1的保护。在该图示中，应变计18未沿其长度表示，而是沿横向截面表示，以示出牺牲层。在图17B中示出了产生的元件。

在下一步骤期间，硅层309例如由层306及牺牲层308上的厚度典型地为5μm至50μm的LPCVD或PECVD沉积物形成，然后例如通过RIE(反应离子刻蚀)或DRIE(深反应离子刻蚀)对硅层309进行蚀刻，以形成腔室的不可变形壁、敏感元件的下底部、敏感元件的侧壁以及电极。

在图17C中示出了产生的子组件A。

另一方面，在支撑触头与电连接件的盖基板上，第二子组件被制成。

在例如为硅的基板310(图17D)上，形成了典型地具有几十纳米至几μm厚度的介电材料层312。该介电层312可以例如为通过PECVD、LPCVD或热氧化而沉积的硅氧化物。过道312'通过对层312进行光刻及蚀刻来限定。然后，通过溅射镀膜(例如PVD(物理气相沉积)或蒸发)形成例如厚度在几百纳米至几μm范围内的AISi导电层。然后，例如通过RIE对导电层进行光刻及蚀刻，以形成触头314及与触头314不同的导电部316。该组技术步骤可以重复进行以制作一个或更多个互连层。

在图17E中示出了产生的元件。

对最终的导电层而言，可以有利地选择能够并行地进行该盖基板与支撑基板的密封的导电层。该材料将取决于所选择的密封技术，例如共晶密封、热压缩。通过示例，采取了通过形成共晶合金AuSi来制成密封的情况。

在图17F中，示出了采用之前已经阐述的技术步骤制成的Au密封条320。

然后，子组件A和B两者组装成使得子组件B的触头与子组件A的腔室的壁接触。在所选择的示例中，通过存在于盖基板上的Au密封条与支撑基板的Si之间的共晶密封来制作组件。

在图17G中示出了产生的元件。在下一步骤期间，例如通过DRIE对盖和基板进行蚀刻来制作腔室的孔口。

在图17H中示出了产生的元件。

在下一步骤期间，例如通过如蒸汽的氟化氢对牺牲层进行蚀刻来释放敏感元件8、应变计18以及电极。

在图17I中示出了产生的元件。

本发明可应用于通过测量声压梯度来制造麦克风型组件或动态压力传感器型组件，特别地用于消费者应用(移动电话、游戏机、MP3播放器、电视...)。本发明还可应用于制造用于生物医学设备的高性能组件，例如人工耳蜗。

Claims (24)

1.一种MEMS和/或NEMS型压力传感器，位于在被称为传感器平面的平面中延伸的基板中，所述压力传感器包括：

-固定部分和相对于所述固定部分可移动的可移动部分，所述可移动部分包括能够在压力变化的作用下在所述传感器平面中移动或者变形的至少一个敏感元件(S，8，108，208)，

-检测装置(D，16，216)，用于检测所述敏感元件由于压力变化而在所述传感器平面中的移动或者变形，

-第一驱动装置(A1，24.1，24.2，24.3，24.4，124，124.1，124.2，224.1，224.2，224.1'，224.2')，用于驱动所述可移动部分，所述第一驱动装置被控制成从动于所述敏感元件(8，108，208)的移动或变形位置，

-第一控制装置(C1)，用于控制所述第一驱动装置，所述第一控制装置被配置成根据所述检测装置发出的信号使所述第一驱动装置极化以从动于所述敏感元件的移动或变形位置，

其中，所述第一驱动装置(24.1，24.2，24.3，24.4，124，124.1，124.2，224.1，224.2，224.1'，224.2')包括至少两对电极，每对电极包括由所述固定部分支撑的固定电极和面对所述固定电极、由所述可移动部分支撑的可移动电极，以及

其中，所述敏感元件(108，208)包括受压力变化影响的面，该面被称为敏感面，并且所述敏感元件(108，208)包括在所述敏感元件的两个平行壁(108.2，108.3)之间界定的至少一个壳体(34，234.1，234.2)，所述两个平行壁中的一个壁(108.2)支撑所述敏感面，所述固定电极中的全部或部分固定电极布置在所述壳体(34，134)中，而所述可移动电极中的全部或部分可移动电极位于所述壳体的所述壁(18.2，18.3)的内面(108.22，108.23)上。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述第一驱动装置(24.1，24.2，24.3，24.4，124，124.1，124.2，224.1，224.2，224.1'，224.2')为电容型，所述驱动装置由所述固定部分及所述可移动部分部分地支撑。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，包括第二电容型驱动装置和第二控制装置(C2)，所述第二电容型驱动装置用于驱动所述可移动部分，所述驱动装置由所述固定部分及所述可移动部分部分地支撑，所述第二控制装置用于控制所述第二驱动装置以执行对所述敏感元件的微调。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其中，所述第二驱动装置(24.1，24.2，24.3，24.4，124，124.1，124.2，224.1，224.2，224.1'n，224.2')包括至少两对电极，每对电极包括由所述固定部分支撑的固定电极和面对所述固定电极、由所述可移动部分支撑的可移动电极，所述固定电极中的全部或部分固定电极被布置在所述壳体中，而所述可移动电极中的全部或部分可移动电极位于所述壳体的所述壁的所述内面上。

5.根据权利要求3或4所述的压力传感器，其中，所述第一驱动装置和所述第二驱动装置不同。

6.根据权利要求3或4所述的压力传感器，其中，所述第一驱动装置和所述第二驱动装置相结合，并且给所述第一驱动装置和所述第二驱动装置施加包括来自所述第一控制装置的AC分量和来自所述第二控制装置的DC分量的极化信号。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的压力传感器，其中，所述可移动部分围绕垂直于所述传感器平面的轴相对于所述固定部分被可旋转地铰接。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的压力传感器，其中，所述检测装置(16，216)从压阻型装置或电容型装置中选择。

9.根据权利要求8所述的压力传感器，其中，所述检测装置为电容型并且与所述第一驱动装置和/或所述第二驱动装置不同。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的压力传感器，其中，所述敏感元件(108，208)包括连接两个平行壁(18.2，108.3)的底部(108.1)，所述底部包括至少一个通道(44)。

11.根据权利要求10所述的压力传感器，包括至少一个柱体(46)，所述至少一个柱体用于通过所述通道(44)将所述固定电极(24.1，24.2)中的至少一个机械地连接到所述固定部分。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的压力传感器，其中所述驱动电极(124.1，124.2)中的至少一个被构造成便于从所述固定电极(1204.1，124.2)和所述可移动电极之间界定的空间中排出环境介质。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的压力传感器，其中，每个固定电极(24.1，24.2)连接到位于其纵向末端处的电连接垫或者连接到位于其两个纵向末端之间的中间部分中的电连接垫(42)。

14.根据权利要求1至13中任一项与权利要求7的结合所述的压力传感器，其中，所述敏感元件(8，108)被铰接在至少一个纵向末端处。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的压力传感器，其中，所述敏感元件(8，108，208)被布置在连接到需要测量压力变化的环境的至少一个第一腔室和连接到所述第一腔室的至少一个第二缓冲腔室之间。

16.根据权利要求15所述的压力传感器，包括连接到需要测量压力变化的环境的两个第一不同腔室，以及包括两个第二缓冲腔室，并且其中，所述敏感元件(208)受两个腔室的压力变化的影响。

17.根据权利要求16与权利要求7的结合所述的压力传感器，其中，所述可旋转铰接件的旋转轴(Z)位于所述敏感元件(208)的两个纵向末端之间，优选地位于距两个末端相等的距离处。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的压力传感器，其中，所述检测装置使得其能够进行差动测量。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的压力传感器，其中，所述固定驱动电极中的全部或部分固定驱动电极被布置在所述敏感元件(8)的任一侧上。

20.根据权利要求19所述的压力传感器，其中，所述敏感元件包括受需要被测量的压力变化影响的面，该面称为敏感面，并且其中，所述固定驱动电极中的一个固定驱动电极(24.1)面对所述敏感面。

21.根据权利要求19或20所述的压力传感器，其中，所述可移动部分包括至少两个梁(26)，所述至少两个梁与所述敏感元件(8)平行并且被布置成远离所述敏感元件，所述平行梁(26)的面对所述敏感面的面形成所述可移动电极中的全部或部分可移动电极。

22.根据权利要求21所述的压力传感器，其中，所述基板包括支撑基板(2)和盖基板(4)，所述第一腔室通过所述盖基板的孔口连接到需要测量压力变化的环境，所述第二腔室包括所述支撑基板中与所述第一腔室的孔口相对的孔口或侧孔口，或者所述第二腔室具有足够的体积而不会阻碍所述可移动部分的移动。

23.根据权利要求1至22中任一项所述的压力传感器，形成动态压力传感器。

24.一种麦克风，包括至少一个根据权利要求1至22中任一项所述的压力传感器。