CN107655619A - 微机电压力传感器结构以及压力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种微机电压力传感器结构以及压力传感器，微机电压力传感器结构包括平面基座、侧壁层以及隔膜板。其中，侧壁层形成侧壁，侧壁围绕地从平面基座延伸至侧壁层的上表面；平面基座、侧壁层以及隔膜板彼此附接，以在基准压力下形成密封的闭合间隙；侧壁层的上表面包括至少一个隔离区域，隔离区域不被隔膜板覆盖；并且隔离区域至少部分地被绝缘材料覆盖。

Description

微机电压力传感器结构以及压力传感器
本申请是申请日为2014年6月4日、申请号为“201480031498.6”、发明名称为“一种改进的压力传感器结构”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及微机电装置，并且特别涉及一种根据独立权利要求的前序的改进的压力传感器结构和压力传感器。
背景技术
压力是物理量，该物理量对应于作用于表面的力与表面面积之比。能够用作测量压力的计量器的装置是压力传感器。
微机电系统、或MEMS可以被定义为小型化机械及机电系统，其中至少一些元件具有某种机械功能。因为MEMS装置可以由被用来制作集成电路的相同工具来制造，微机械元件及微电子元件可以在一个硅片上制造，以实现各种类型的装置。
图1示出了用于压力感测的微机电装置的示例结构。微机电压力传感器可以包括薄隔膜10，该隔膜跨提供基准压力的间隙12。该隔膜由于基准压力和传感器周围的环境压力间的不同而变形。隔膜位移可以通过电容感测或压阻感测而转换成电信号。
MEMS压力传感器结构通常由材料的图案化层形成。MEMS制造过程可以涉及层沉积、光刻、蚀刻及晶圆键合的组合。图1示出了微机电压力传感器的示例结构的侧视图及俯视图。被示出的压力传感器是绝对压力传感器，该传感器包括由平面基座11和侧壁层13形成的主体结构。由侧壁层13形成的侧壁从平面基座11延伸开以形成中空部，中空部的深度与侧壁层13的厚度相对应。在一类压力传感器结构中，该中空部由在侧壁层13上延伸的隔膜板16气密密封。隔膜板16的在间隙的周部开口上延伸的部分提供了由该开口限定其外围的隔膜10。隔膜10的一侧暴露到间隙的基准压力，并且另一侧暴露到环境压力。因此，隔膜10响应于基准压力和环境压力之间的压力差而变形。例如可以通过以下方式电容地检测该变形的程度：将元件的电极设置在间隙的两侧，并利用电极将变形导致的间隙的高度变化转换成电信号。
MEMS传感器结构的材料层提供间隙的气密密封，使得中空部被隔膜板密封后，实际上几乎没有外来物质可以进入该缝隙。然而，传感器结构的外表面常常暴露到环境条件，环境条件可能引起电阻性泄漏或电容性泄漏以及对电容测量结果的其它杂散效应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压力传感器结构，其对于环境条件的变化时特别是湿度的变化具有增强的鲁棒性。通过根据独立权利要求的特征部分的压力传感器结构以及压力传感器来实现本发明的目的。
在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
所要求保护的发明定义了微机电压力传感器结构，其包括平面基座、侧壁层和隔膜板。侧壁层的侧壁围绕地从平面基座延伸开到侧壁层的相反表面。平面基座、侧壁层以及隔膜板彼此附接，以在基准压力下形成密封的闭合间隙。侧壁层内的侧壁的内表面的上边缘形成隔膜的外围。隔膜板包括一个或多个平面材料层，平面材料层的第一平面材料层跨隔膜的外围。侧壁层的上表面包括至少一个隔离区域，该隔离区域不被隔膜板覆盖，并且该隔离区域至少部分地被绝缘材料覆盖。
侧壁层的上表面上的隔离区域可以被动地用来提高隔膜的电极元件和平面基座的电极元件之间的绝缘性。另一方面，隔离区域可以主动地应用导电保护元件和运算放大电路以消除或至少缓解由环境湿度对电容测量结果引起的杂散效应。
根据一个实施例，提供一种压力传感器，其包括上述压力传感器结构。
根据另一个实施例，提供一种压力传感器，其包括上述压力传感器结构，其中，压力传感器包括电路，该电路连接到：至平面基座的电引线、至保护元件的电引线以及至隔膜板的电引线；电路包括反馈配置下的运算放大器，该运算放大器被连接以将保护元件保持在与平面基座或隔膜板中的任一个相同的电位，以及将通过保护元件和隔膜板的电流通路彼此分离。
利用实施例的详细描述，更详细地说明所要求保护的发明的特征和优点及其实施例。
附图说明
在下文中，将结合优选实施例，参考所附的附图，较详细地描述本发明，其中，
图1示出了微机电压力传感器的示例结构的侧视图和俯视图；
图2图解了微机电压力传感器结构的实施例；
图3图解了以下实施例：其中该结构在侧壁层外围附近的区域中包括隔离区域；
图4图解了具有隔离区域和至少部分围绕隔膜板的周部保护元件的实施例；
图5A至图5F图解了示例电容转换电路配置；
图6图解了具有RC传输线的扩展电容效果；
图7图解了隔离区域被绝缘材料层覆盖的实施例；
图8图解了以下实施例：其中绝缘材料层覆盖隔离区域以及隔膜板的第一平面材料层的至少一部分；
图9图解了以下实施例：其中导电材料层在侧壁层的上表面上从侧壁层的外表面向间隙在绝缘材料层上延伸一段距离；以及
图10图解了设置有基准板的微机电压力传感器结构的实施例；
图11A至图11D示出了不同的隔膜板和基准板配置；
图12图解了示例湿度测试的结果；
图13示出了相同测试样本配置中的补偿电容；
图14图解了用于减小传感器结构中杂散电容的其它实施例；
图15图解了微机电压力传感器结构的其它实施例；
图16图解了其它实施例的方面，其中隔离区域形成了侧壁层的上表面上的元件之间的沟槽；
图17图解了微机电压力传感器的实施例。
具体实施方式
以下实施例是示例性的。虽然说明书可能引用了“一”、“一个”或“一些”实施例，但是这并不一定意味着每个这样的引用都指的是相同的实施例，或意味着该特征仅应用于单个实施例。可以结合不同实施例的个别特征来提供另外的实施例。
在下文中，将通过装置架构的简单示例来描述本发明的特征，在装置架构的简单示例下可以实现本发明的各种实施例。仅详细描述了与说明各实施例有关的元件。压力传感器的各种实现包括通常为本领域技术人员所熟知且在本文中可不进行具体描述的元件。
压力传感器结构的实施例应用参照图1更详细描述的元件。图1图解了微机电压力传感器的示例结构，并示出了所图解的传感器结构的侧视图和俯视图。所图解的压力传感器结构包括由平面基座11和侧壁层13形成的主体结构。平面基座11可以由硅材料的晶圆制造，但是在保护范围内可以应用其它导体材料、半导体材料或绝缘材料。平面基座11也可以由材料层构成。举例来说，平面基座表面上的层可以是导电的，以充当电容传感器的电极。作为另一示例，整个平面基座可以具有足够高的电导性，以充当电极。平面基座11具有基本上沿着平面基座11的平面延伸的第一表面14。术语“基本上”意指第一表面可以容纳较小的表面结构(凸起或凹入)，但是90％以上的表面区域在容限范围内与平面基座11的平面对齐。
如图1所示，侧壁层13是非连续层，其提供从第一表面14有利地向垂直于第一表面14的方向延伸的侧壁。侧壁层的离第一表面14最远的表面是侧壁层的上表面。侧壁层的与间隙相反的表面是侧壁层的外表面。侧壁层13刚性地附接至平面基座11，且因此在平面基座上围绕成开放空间。侧壁层13的侧壁连同平面基座11一起形成中空部，中空部的深度与侧壁的高度和侧壁层13的厚度相对应。通常侧壁层非常薄，因此中空部非常低，为微米量级。侧壁层可以是电绝缘材料，例如二氧化矽，但是在保护范围内可以使用其它电绝缘材料。在示例结构的俯视图中，侧壁层13的上表面19被图解为具有矩形外围，使得侧壁自虚线向外延伸。虚线表示侧壁的内表面，并且这些内表面的上边缘限定了由平面基座11和侧壁层13形成的中空部的周部开口。
该中空部被隔膜板16气密密封，其中隔膜板16在侧壁层13上延伸。术语隔膜在此是指弹性变形材料的膜，其中该膜在其外围被锚定。隔膜板16是向传感器结构提供隔膜10并在其外围锚定隔膜的平面物体。隔膜板16可以由一个或多个材料层制成。硅材料通常至少被用在隔膜板的一个层中，但是在保护范围内可以使用其它导体材料、半导体材料或绝缘材料。隔膜板16通过第二表面18连接至侧壁层13，其中第二表面18为最初平行于平面基座11的第一表面14的平面。需要注意的是，术语“最初”在此涉及传感器制造阶段的元件的尺寸。本领域的技术人员理解，在压力传感器运行期间，部件可能会变形脱离它们最初的平面形状。
平面基座11、侧壁层13和隔膜板16彼此附接，以使第一表面14、第二表面18和侧壁13的内表面在基准压力下形成气密的封闭间隙12。间隙12可以被抽空以仅含有少量的残余气体，但是它也可以在选定的基准压力下填充有所选气体或其它挥发性材料。
在周部开口上延伸至间隙12的隔膜板16的一部分提供了隔膜10，隔膜10的外围由该开口限定。可以电容地检测隔膜10的变形，或者，可以通过用并入的压电电阻器或应变计电阻器将隔膜中引起变形的应力转换成电信号，用压阻性或类似的基于应变计的方法来检测隔膜10的变形。所有这些方法都在本领域中公开了，并且因此对于本领域的技术人员是熟知的，本文中不再具体详细地论述。
图2图解了图1的现有技术压力传感器结构的外表面的截面。如先前所述，典型地，平面基座和隔膜板是导电或介电材料层，并且侧壁由绝缘材料层提供。侧壁层可以相当薄，甚至为大约一微米或更多微米。这意味着从隔膜板到平面基座的绝缘距离同样地短。在潮湿条件下，表面电导率将增大并且因此绝缘体的电阻性和电容性泄漏电流将增大，并且这可能导致在间隙上测量的电容的显著的错误增大。在本发明的实施例中，通过设置到侧壁层的上表面的一个或多个隔离区域，来消除或至少缓解有害泄漏。如上所述，隔膜板可以包括一个或多个平面材料层，并且它们中之一是跨隔膜外围的第一平面材料层。隔离区域在此是指侧壁层的上表面的没有被隔膜板的一个或更多个材料层覆盖的区域。
图2是从传感器宽度方向示出传感器结构的侧视图，并且示出了在上文中用图1更详细描述的平面基座21、侧壁层23以及隔膜板24元件。侧壁层的上表面29为至少部分和第二表面重合的周部表面。绝缘距离T是由侧壁层23的厚度提供的，并且Is图解了外表面上跨距离T的电阻性和电容性泄漏电流。
图3图解了本发明的一个实施例，其中图2的现有技术结构包括隔离区域30。如上所述，侧壁的内表面的上边缘32形成隔膜的外围。另一方面，隔离区域30在侧壁层的上表面上从侧壁层33的外表面向间隙延伸非零距离L。如图3所示，沿着绝缘层的表面从隔膜板到平面基座的增大的距离现在包括隔离区域提供的距离L以及形成侧壁的层的厚度T。距离L在此被称为隔离距离，并且在本文中表示沿着侧壁层的上表面的隔离区域的范围。
检测到通过该增加的距离可以实现电阻性和电容性泄漏电流Is的显著减小。例如，利用示例0.535mm宽的传感器结构、5μm厚的隔膜板、以及1μm厚的侧壁层绝缘体进行有限元法(FEM)模拟。结果显示，当隔离距离大概是数十微米时，电阻性和电容性泄漏电流Is可以降低十分之一或更多。因此，利用基本上不对整体传感器结构引起新需求或者增加成本的简单的结构特征来完成所需改善。
图4图解了本发明的另一个实施例，其中，通过隔离区域和至少部分围绕隔膜板的周部保护元件进一步降低表面电导率效应。图4是从其宽度方向示出传感器结构的侧视图，并且示出了上文图1中较详细描述的平面基座41、侧壁层43和隔膜板46元件。可以理解的是，为了间隙的气密密封，侧壁层的上表面的一部分通常被隔膜板46的第一平面材料层覆盖。在图4的实施例中，侧壁层的上表面上的超出隔膜板的区域被隔离区域40和保护元件42覆盖。隔离区域40从隔膜板46开始向侧壁层43的外表面延伸非零距离。有利地，保护元件42是围绕的且围绕隔膜板46和隔离区域40。保护元件可以在侧壁层的上表面上从侧壁层43的外表面向间隙延伸非零距离。然而，也可能包括其它隔离区域来围绕隔膜板46、隔离区域40和保护元件42。
如图3中的实施例，隔离区域40增加了操作期间杂散电流要经过的绝缘距离。此外，已注意到，通过具有闭环运算放大器的电容转换电路可以消除或至少显著缓解来自泄漏电流的其余效应。被测电容由平面基座41和隔膜板46之间的电容、以及平面基座41和保护元件42之间的电容产生。在图4的传感器结构中，如果设置运算放大器电路以使保护元件42同隔膜板46或平面基座41中任意一个的电极保持相同的电位，可以使得运算放大器的电压输出基本仅指示隔膜板和平面基座之间的电容。可以以运算放大器的开环增益因子为倍数降低绝缘表面上的从隔膜板到保护元件以及从保护元件到平面基座的潜在漏电流效应。
图5A至图5F示出了如下示例电容转换器电路配置：其适于降传感器结构中的低绝缘表面上的在隔膜板和平面基座之间的潜在漏电流效应。该配置包括运算放大器50、用于平面基座电极的端子输入51、用于隔膜板电极的端子输入56、至保护元件电极的端子输入52、电压源54或电流源55，以及基准阻抗57。这些组件被连接以获得指示隔膜板和平面基座之间的电容的电压输出，其不受变化的湿度所引起的绝缘层的表面电导性的变化的显著影响。然而，本领域的技术人员清楚的是，在不偏离保护范围的情况下，可应用以所要求保护的方式应用运算放大的运算放大器电路配置的其它变型。
图5A至图5D示出了示例反相运算放大器电路，其中正的非反相输入连接至公共接地端或零电压端。由于对闭环反馈电路的近零差别输入电压的要求，反相输入处的电压电位几乎等于非反相输入处的电压电位，并且反相输入处的电压电位产生虚拟的接地求和点58。
在图5A中，保护元件被设置在与平面基座相同的电位上。如图5A所示，平面基座端子51连接到放大器反相输入的虚拟接地电位上，并且保护元件端子52在接地电位。因此，保护元件和平面基座之间的电压和电流是可忽略的并且实际上对于在平面基座和隔膜板之间测量的电容值没有影响。隔膜板端子56连接到电压源54，使得保护元件和隔膜板之间的电流是可忽略的，并且实际上对于在隔膜板和平面基座之间测量的电容值没有影响。保护元件和平面基座之间的电容被连接到接地和虚拟接地58之间，且实际上对于在隔膜板和平面基座之间测量的电容值没有影响。
作为另一背景，让我们用CS来表示平面基座端子51和隔膜板端子56之间的电容，以及用CL表示平面基座端子51和保护元件端子52之间的电容。让我们还假定，电压源54为具有有效电压Ui的AC电压源，反馈电路元件57为电容值等于CF的电容器，以及放大器的开环增益为A。放大器的输出电压U0可以被写为：
CL的影响因此降低了放大器开环增益的量。隔膜板端子56和保护元件端子52之间的电容也对输出电压没有影响，这是因为该电容与电压源Ui并联连接，其中电压源Ui作为理想电压源能够在电压没变化的情况下能向该电容提供电流。
在图5B中，保护元件被设置到几乎和隔膜板相同的电位。如图5B所示，隔膜板端子56连接至放大器的反相输入处的虚拟接地电位，并且保护元件端子52在接地电位。基于这种情况，保护元件和隔膜板之间的电压和电流是可忽略的，且实际上对于在平面基座和隔膜板之间测量的电容值没有影响。平面基座端子51连接至电压源54，使得保护元件和平面基座之间的电流实际上对于在隔膜板和平面基座之间测量的电容值没有影响。保护元件和平面基座之间的电容连接在接地和电压源之间，且因此实际上对于在隔膜板和平面基座之间测量的电容值没有影响。
在图5C中，保护元件也可以被设置到几乎和隔膜板相同的电位。如图5C所示，隔膜板端子56连接至放大器的反相输入的虚拟接地电位，并且保护元件端子52在接地电位。因此，保护元件和隔膜板之间的电压和电流是可忽略的，且实际上对于在平面基座和隔膜板之间测量的电容值没有影响。平面基座端子51连接至放大器50的输出，使得保护元件和平面基座之间的电流是可忽略的，且实际上对于在隔膜板和平面基座之间测量的电容值没有影响。保护元件和平面基座之间的电容连接在接地和放大器50的输出之间，且因此实际上对于在隔膜板和平面基座之间测量的电容值没有影响。
在图5D中，保护元件也可以被设置到几乎和平面基座相同的电位。如图5D所示，平面基座端子51连接至放大器的反相输入的虚拟接地电位，并且保护元件端子52在接地电位。因此，保护元件和平面基座之间的电压和电流是可忽略的，且实际上对于在平面基座和隔膜板之间测量的电容值没有影响。隔膜板端子56连接至放大器50的输出，使得保护元件和隔膜板之间的电流是可忽略的，且实际上对于在隔膜板和平面基座之间测量的电容值没有影响。保护元件和平面基座之间的电容连接在接地和虚拟接地68之间，且因此实际上对于在隔膜板和平面基座之间测量的电容值没有影响。
在图5A至图5D中，保护端子连接至接地电位。平面基座或隔膜板的端子提供感应电容，并且传感器端子之一连接至放大器电路的虚拟接地。这使得能够将传感器端子之一和保护端子保持几乎相同的电压，同时将通过保护端子的电流和隔膜板端子的电流彼此隔离。除了图5A至图5D中所示的方案之外，还可以在本发明内使用此原理的一些变型。
图5E和图5F示出了示例非反相运算放大器电路。运算放大器50被用作电压跟随器，其中运算放大器的输出被直接连接回反相输入。反相输入处的电压电位几乎等于非反相输入处的电压电位。
在图5E中，保护元件被设置到同隔膜板几乎相同的电位。如图5E所示，隔膜板端子56连接到具有预定义的或以其它方式已知的电流的电流源55。可以理解的是，电流源55也可以由具有内部阻抗的电流源和电压源的组合来形成，且其中电流不是恒定的但是可以通过用例如分路电阻器或其它已知电流测量技术进行测量而得知。由于隔膜板和保护元件现在几乎在相同的电位，实际上没有电流在它们之间流动。保护元件和平面基座之间的电位泄漏或电容电流实际上也不影响隔膜板或平面基座之间的电压或电流，这是因为在不实际影响输出电压的情况下由放大器提供该电流。
作为另外的背景，让我们用CS来表示平面基座端子51和隔膜板端子56之间的电容，以及用Ci表示放大器的反相(-)输入和非反相(+)输入之间的电容。该电容包括放大器的输入电容以及隔膜板端子56和保护元件端子52之间的电容。让我们还假定电流源55是在频率f处具备有效电流Ji的AC源，以及放大器的开环增益是A。放大器的输出电压U0可以被写为
Ci的影响因此降低了放大器开环增益A的量。平面基座端子51和保护元件端子52之间的电容对输出电压也没有影响，这是因为它连接在放大器的输出端子和接地端子之间，且对输出电压几乎没有影响。
在图5F中，保护元件被设置到同平面基座几乎相同的电位。如图5F所示，平面基座端子51连接到具有预定义的或以其它方式已知的电流的电流源55。由于平面基座和保护元件现在处于几乎相同的电位，基本上没有电流在它们之间流动。保护元件和隔膜板之间的电位泄漏或电容电流实际上也不影响隔膜板和平面基座之间的电压或电流，这是因为在不实际影响输出电压的情况下由放大器提供该电流。
在图5E和图5F中，保护端子连接至放大器的输出，其中放大器被设置为仅仅跟随传感器端子之一的电位因此保持保护端子和一个传感器端子之间的电流可忽略。除了图5E和图5F中所示的方案之外，还可以在本发明内使用此原理的一些变型。
图5A至图5F中的所有示例使用反馈配置下的放大器以保持保护元件的电位接近传感器端子之一的电位，同时保持经过保护端子和隔膜板端子的电流通路分离开。
图3和图4的配置图解了适用于降低沿着绝缘侧壁层表面的电阻性泄漏和电容性泄漏的传感器结构。除此之外，电容压力传感器中也可能发生其它杂散效应。一种效应可以被称为扩散电容效应或传输线效应。该效应是由侧壁层的有限表面电阻率和侧壁层上的电容引起的。图6用RC传输线60来图解该扩散电容效应。图6是侧视图，其从传感器结构的宽度方向示出了传感器结构，以及示出了上文中用图1较详细描述的平面基座61、侧壁层63和隔膜板66元件。根据传输线理论，从无限RC传输线的端部所见的等效并联电容CP和等效并联电阻RP为：
其中，r为每单位长度的表面电阻，c为每单位长度的绝缘体电容，以及f是测量频率。该等效电容和等效电阻与绝缘体电容62并联地耦合，并且与隔膜与平面基座之间的传感器电容并联地耦合。
实际上，有必要保持与湿度有关的电容变化足够小，典型的小于1fF。为了达到这项目标，需要极高的表面电阻率。让我们假定如下示例配置：其中，侧壁层的表面电阻是1015欧姆平方，隔膜板66的周长是5mm，侧壁层的厚度是1μm，侧壁材料的介电系数为3.9，以及测量频率为100kHz。根据这些值，等式(3)给出并联电容0.83fF以及并联阻抗1.9GΩ。这是电容变化应保持的水平。如果表面阻抗降至1012欧姆平方，电容将升至25fF，这已经大了25倍。在后一示例中，增加的并联电容对应于隔膜板66的宽度的仅0.14μm的有效增加。
图7图解了如下实施例：其中，通过由绝缘材料层覆盖隔离区域来降低传输线效应。绝缘材料在此是指任何在电场影响下不传导电流的物质，包括介电材料。图7是从传感器结构的宽度方向示出传感器结构的侧视图，并且示出了上文用图1较详细描述的平面基座71、侧壁层73以及隔膜板76元件。在示例传感器结构中，隔离区域被绝缘材料74完全覆盖，绝缘材料74钝化侧壁层73上表面。在保护范围内也可以应用部分覆盖，其中，绝缘材料层例如从侧壁层的外表面延伸到隔膜板。
与图3相比，RC传输线70现在被转移到绝缘材料层的表面。侧壁层73和绝缘材料层74的组合的增加的厚度降低了单位长度上的电容，且因此缓解了传输线效应。例如，如果绝缘材料层74比侧壁高度厚8倍且具有相同的介电系数，则并联电容可以减少至三分之一。即使湿度会通过绝缘材料扩散，隔膜板76和绝缘材料74之间的接口上的表面阻抗将在没有自由表面的情况下维持高阻抗。
这种降低是显著的，但仍然可能不是对于所有应用都足够的。在图7的实施例中，绝缘材料层和隔膜板的第一平面材料层的厚度相等。图8图解了另外的实施例，其中绝缘材料层在侧壁层上表面上从侧壁层83的外表面向间隙延伸一段距离，且覆盖隔离区并覆盖隔膜板的至少一部分。图8是从传感器结构的宽度方向示出传感器结构的侧视图，并且示出了上文中用图1较详细描述的平面基座81、侧壁层83以及隔膜板86元件。
在图8的配置中，RC传输线80进一步地从平面基座81位移。在图8的结构中，从隔膜板的第一材料层形成的电容耦合更复杂，这再次减小了扩散效应。然而，为了避免影响隔膜的压力响应或者由热膨胀失配引起弯曲力矩，绝缘材料层不可以扩展到隔膜区域。有利地，绝缘材料层84的边缘离隔膜的外围的距离大于隔膜厚度。
返回参考图7，除了由传输线效应引起的扩散电容，通过平面基座71和隔膜板76之间的绝缘材料74形成并联电容75。如果绝缘材料是例如聚合物，则介电系数可能由于湿度吸收而改变，且因此改变电容75。并联电容85、95也被示出在图8和图9的结构中。
图9图解了另外的实施例，其中导电材料层99在侧壁层上表面上从侧壁层的外表面向间隙在绝缘材料层上延伸一段距离。图9是从传感器结构的宽度方向示出传感器结构的侧视图，并且示出了上文中用图1较详细描述的平面基座91、侧壁层93以及隔膜板96元件。图9还示出了图8中较详细描述的绝缘材料94层。在图9的实施例中，绝缘材料层94也在侧壁层的上表面上从侧壁层93的外表面向间隙延伸一段距离，且覆盖隔离区域以及隔膜板96的至少一部分。
在图9的配置中，以先前在图4和图5A至图5F中对保护元件讨论的方式，导电层99可以连接到电容转换电路以减小RC传输线效应。通过运算放大器电路，能够使从隔膜板96到导电材料的屏蔽层99的电容97以及从导电材料层99到平面基座91的电容98对在隔膜板和平面基座之间测量的电容值没有影响。经过绝缘材料层94的电容95将保持与绝缘器电容92以及隔膜板与平面基座之间的真正传感器电容并联连接。
这些实施例不是互斥的，还可以不同的方式结合。例如，图9的传感器结构可以包括保护元件、导电材料层，并且元件可以彼此连接并且与上文所描述的任一运算放大器电路一起使用。
根据图6至图9，可以理解的是，RC传输线60、70和80的有效并联电容和阻抗(等式(3)的Cp和Rp)以及并联电容75、85和95与隔膜板63、73、83和93的周长成比例。图10图解了从传感器结构宽度方向示出的侧视图，以及传感器结构的俯视图。图10示出了上文中用图1较详细描述的平面基座101、侧壁层103和隔膜板106元件。图10的传感器结构设置有基准板100，基准板100的厚度和隔膜板相同，具有和隔膜板相同的电性质，并且在侧壁层103的上表面上的隔离区域上延伸。有利地但不是必要地，基准板和隔膜板具有相同的材料。由于元件边缘上的相同的条件以及相同的厚度，在隔膜106和基准板100的外围出现相似的传输线和并联电容效应。
隔膜板和平面基座之间测量的电容CS包括下面三项之和：隔膜电容、支撑区域电容和边缘电容。隔膜电容是指在隔膜的外围之内的隔膜区域Ad上的电容。支撑区域电容是指侧壁层的被隔膜板覆盖的上表面的部分As上的电容。边缘电容在此是指先前论述的杂散并联电容和传输线电容的组合。因为这些成分均依赖于板的周长，针对电容Cs的等式可以写为：
其中，Ad是隔膜面积，As是侧壁层的上表面上的隔膜板的支撑面积，T是侧壁的高度(侧壁层的厚度)，LS是隔膜板的周长，εr是侧壁层材料的相对介电常数，ε0是介电常数，cE是由侧壁外围上的传输线引起的以及由侧壁层的厚度内的杂散电容引起的每单位长度的边缘电容。
相应地，针对基准板测量的电容CR可以写为：
其中，AR是基准板100的面积，以及LR是基准板100的周长。
当压力传感器结构包括至平面基座101的电引线、至隔膜板106的电引线以及至基准板100的电引线时，它们可以连接到形成输出量(本文中称为补偿传感器电容Ccomp)的电路。补偿传感器电容Ccomp可以被写为：
其中K是针对基准平板电容的权重系数，等式(6)的最后一项包括侧壁层的外边缘上的传输线及侧壁层的厚度内杂散电容的贡献。可以通过将权重系数K调整为等于隔膜板的周长LS与基准板的周长LR之比来消除该贡献。
LS-KLR＝0＝＞K＝LS/LR
图10的传感器结构示出了其中基准板和隔膜板尺寸相同的实施例。板的周长相等，即，Ls＝LR，从而K＝1。
另一方面，从等式(6)可以看出隔膜板116的支撑面积As引入了侧壁层上的附加电容。上述附加电容的大小可以大约是隔膜区域电容，所以该电容容易降低压力传感器的分辨率、线性及热稳定性。然而，可以如下消除支撑区域电容的影响：通过也相对于彼此调整支撑面积As和基准板面积AR的大小，使得等式(6)的第二项变为零。
AS-KAR＝0＝＞K＝AS/AR
如果权重系数K被设置为等于支撑面积As与基准板面积AR之比，则可以结构地补偿杂散效应，且补偿传感器电容Ccomp非常准确地对应于隔膜偏转的真实变化。通过非常紧凑的传感器结构，特别是在厚度尺寸上的紧凑的传感器结构，可以实现效率的显著改善。
在图10的实施例中，板的周长Ls、LR相等，但是基准板面积AR比隔膜板的支撑面积AS大很多。根据该类配置，可选择K使得等式的最后一项变成零。图11A示出了图解以下实施例的压力传感器结构的俯视图：其中在隔离区域上的基准板的形状偏离隔膜板的形状。这种方式可以调整板的面积和周长的比率，并且将等式(6)第二项和第三项均调整为零。
图11A至图11C示出了传感器结构的俯视图，其中，隔膜板116和基准板110被放置在侧壁层的上表面上。在图11A中，基准板具有围绕形状，更具体地具有放置在隔膜板旁边的闭环或凹入矩形的形状。在图11B和图11C中，基准板具有弯曲的外围。在图11B中，基准板的外围是梳子的形状，以及在图11C中，基准板具有曲折的形状。
在图11A至图11C的所有配置中，基准板的周长LR保持与图10的中的周长相同，但是基准板的面积AR比图10中基准板的面积小。本领域技术人员明白的是，保护范围不限于图11A至图11D中的示例隔膜板和基准板配置。可以用隔膜板和基准板的多个不同形状实现所期望的比率。
例如对于机械稳定性而言通常优选的是具有其中隔膜对称地位于平面底座中间的对称传感器结构。一方面，图11A至图11C中的基准板110可以被复制在传感器的两侧或四侧，以实现所需的对称性。图11D图解了另一替选方案，其中基准板被布置成围绕隔膜板116。可以理解的是，在这些情况下，基准板周长LR变得比隔膜板周长LS长，且因此K变得小于1。在图11D中，基准电极如同环形的环一样围绕传感器板。在这种情况下，K的值小于0.5，这是因为基准板110的内周长和外周长都大于隔膜板116的周长。
图12使用来自示例湿度测试的结果来说明湿度的影响。用两种测试样本来进行测试，其中隔膜板的周长LS与基准板的周长之比LS/LR被调整为0.5。图12中用CS1和CS2表示两个测试样本的隔膜电容的测量值。分别用CR1和CR2表示两个测试样本的基准板电容的测量值。在此实验中，侧壁层的材料是聚酰亚胺。该材料的吸水率在100％的相对湿度下是1％，其使材料的介电系数改变了30％。初始的电容值是在20％的相对湿度下测量的，且其它电容值是在60％和90％的相对湿度下测量的。在60％和90％的相对湿度下的测量值被示出为相对于在20％的相对湿度下的初始电容值的电容变化。可见，由于湿度，隔膜板的电容可以改变30fF至40fF，并且基准板的电容可以改变65fF至70fF。
图13示出了在相同测试样本配置中，以上文中用等式(6)描述的方式补偿的电容。使用权重系数K＝0.5。可见，通过补偿，最大的由湿度导致的电容变化是4fF，且对于其它点，该变化小于0.5fF。这些结果证实了通过传感器和基准电容的加权差的补偿可以将误差减少至少9倍，而取决于环境湿度，可能甚至补偿50倍。
在图10和图11的上述实施例中，假定沿隔膜板106、116和基准板100、110的外围附近的条件实际上是相似的。如果从隔膜板到基准板、从隔膜板到侧壁层的外表面的上边缘以及从基准板到侧壁层的外表面的上边缘的隔离距离足够大，至少大于板的厚度，则可以做出上述假定。但是即使该距离较小并且可能甚至在不同位置不同使得每单位长度的边缘电容ce可根据位置改变的情况下，也总是能够找到比率K的最优值，使得两个测量电容CS和CR的加权差中边缘电容的影响为零。除了使等式(6)的最后一项为零，也可以通过使两个积分的加权差为零来获得最优K:
(7)
其中，分别沿着隔膜板和基准板的外围计算该积分，并且Ce(x,y)是作为表面上位置的函数的每单位长度的可变边缘电容。
图14图解了用于减小传感器结构中杂散电容的另外的实施例。图14是从传感器结构的宽度方向示出传感器结构的侧视图，且图中示出了上文中用图1较详细描述的平面基座141、侧壁层143以及隔膜板146。在该示例中，图14还示出了和隔膜板146并排放置在侧壁层上表面上的基准板140。基准板位置的其它配置(如图11D中基准板围绕隔膜板的配置)也是可行的。通过第一沟槽148把基准板140和隔膜板146彼此分离，其中第一沟槽148由隔膜板146和基准板140之间的隔离区域形成。第二沟槽144、149由围绕隔膜板146、基准板140和第一沟槽148的隔离区域的一部分形成。
在图14中，第二沟槽的部分144邻近基准板140，并且第二沟槽的部分149邻近隔膜板146。需要注意的是，在替选配置11D中，第二沟槽仅包括邻近基准板110的部分。保护元件142在侧壁层的上表面上从第二沟槽144、149的外围向侧壁层143的外表面的上边缘延伸。在图14中，邻近隔膜板的第二沟槽的部分149因此在隔膜板146和保护元件142之间。相应地，第二沟槽的邻近基准板的部分144在基准板140和保护元件142之间。可以理解的是，第一和第二沟槽的配置随着替选保护元件配置而相应地变化。
类似地，第一沟槽143或第二沟槽144、149，或者第一沟槽148和第二沟槽144、149两者可以是空的或被绝缘材料覆盖。有利地，沟槽144、148、149具有相同的宽度，且同样是空的或同样被绝缘材料覆盖。
包括隔膜板、基准板140及第一和第二沟槽148、144、149的此配置确保沿着隔膜板146和基准板140的外围的电条件尽可能在所有位置上相似。通过这种配置，容易用上述等式来确定比率K的最优值，以提供常数的每单位长度边缘电容，使得边缘电容在所有位置上等同地更具湿度变化。
图15图解了微机电压力传感器结构的另外的实施例。图15是从传感器结构的宽度方向示出传感器结构的侧视图，且图中示出了上文中用图1较详细描述的平面基座151、侧壁层153以及隔膜板156。与图1的现有技术结构相反，传感器结构可以是长方形的，使得隔膜狭窄以沿着隔膜宽度体验隔膜和平面基座弯曲之间的最小差别。隔膜在平面基座的平面方向具有长度和宽度，其中长度是隔膜的最长范围的方向，并且宽度在隔膜板平面内垂直于长度方向的方向上。在长方形压力传感器中，隔膜的长度至少是隔膜宽度的3倍，因此其与晶圆的弯曲形状很准确地对齐。结果，由压力传感器结构的弯曲所引起的总误差被显著地减小，并且实现了更鲁棒的结构。同时，较长的隔膜为检测提供了较多的偏离区域，并因此有效地改善了装置的敏感性。
图15的长方形传感器结构中，间隙可以包括在间隙中从平面基座151的平面延伸开的一个或更多个腔155。这些腔加大了间隙体积，且因此提高了传感器的稳定性，而不对测量产生本质的负面效应。
传感器结构也可以包括一个或更多个被布置到提供隔膜的隔膜板的凹槽以及其外围的锚定结构。该凹槽局部地作用在隔膜上，且有效地补偿导致分层元件的弯曲结构之间的差别的各种影响。在图15中，隔膜板是包括第一材料层157a和第二材料层157b的两层结构。隔膜板的外表面由第一材料层157a的表面部分和第二材料层157b的表面部分形成。第一材料层157a的表面部分形成包括第一凹槽的外围的平面表面部分。当第一材料层157a与侧壁层153为相同的材料时，第一凹槽有效地消除元件层的不同弯曲形状的影响。第二材料层157b的表面部分形成包括第二凹槽外围的平面表面部分。隔膜板156的另一侧面可以提供有第三凹槽。第二凹槽、或第二和第三凹槽一起可以被用来进一步减缓元件层的不同弯曲形状的影响。
图15的传感器结构也可以包括图14中较详细描述的基准板150、保护元件152、第一和第二沟槽158、154、159。这些特征的结合贡献提供了鲁棒的并且同时更加准确的微机电压力传感器结构。
图8图解了以下实施例：其中绝缘材料层在侧壁层的上表面上从侧壁层的外表面向间隙延伸一段距离，并且覆盖隔离区域以及隔膜板的至少一部分。图9图解了以下实施例：其中导电材料层还在绝缘材料层的上延伸。图16图解了将这些特征结合到结构中的另外的实施例的方面，其中隔离区域形成侧壁层上表面上的元件之间的沟槽。图16是从传感器结构的宽度方向示出传感器结构的侧视图，并且示出了在上文中用图1较详细描述的平面基座161、侧壁层163以及隔膜板166元件。图16还示出了用图14较详细描述的基准板160、保护元件162，以及第一和第二沟槽168、164、169。绝缘材料填充第一和第二沟槽168、164、169，且作为层165从侧壁层163的外表面延伸覆盖基准板160且部分覆盖隔膜板166。如上所述，为了便于加权差的补偿，导电材料层167在绝缘材料层165上延伸并覆盖第一沟槽168和第二沟槽164、169。
图17图解了微机电压力传感器170的实施例。压力传感器包括传感器结构171，压力传感器结构171可以是上文所描述的可替选传感器结构中的任一个。压力传感器还包括电路部分172。传感器结构171和电路部分172可以是在塑料材料173中塑造的单独晶片。聚合物介电层174可以被沉积在重建的晶圆中。晶片的电端子175的触点可以提供有穿过介电层174上的开口的沉积膜层。电路可以连接到至平面基座的电引线、至保护层的电引线以及至隔膜板的电引线。如使用图4和图5A至图5F所描述的，电路也可以包括反馈配置中的运算放大器，其被连接以使保护元件与平面基座或第一平面层中的任意一个保持相同的电位，且保持通过这些端子的电流通路分离。该电路也可以连接到至平面基座的电引线、至导电材料层的电引线以及至隔膜板的电引线。如使用图4和图5A至图5F描述的，电路可以包括反馈配置中的运算放大器，其被连接以使导电材料与平面基座或第一平面层中的任意一个保持相同的电位，且保持通过保护端子和隔膜板端子的电流通路分离。
本领域技术人员明白，随着技术的进步，本发明的基本思想可以通过各种方式实现。因此，本发明及其实施例不限于以上示例，而是可以在权利要求的范围内变化。
本公开实施里还包括：
(1)一种微机电压力传感器结构，其包括平面基座、侧壁层以及隔膜板，其中，
所述侧壁层形成侧壁，所述侧壁围绕地从所述平面基座延伸至所述侧壁层的上表面；
所述平面基座、所述侧壁层以及所述隔膜板彼此附接，以在基准压力下形成密封的闭合间隙；
所述侧壁层的所述上表面包括至少一个隔离区域，所述隔离区域不被所述隔膜板覆盖。
(2)如(1)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述隔离区域在所述侧壁层的所述上表面上从所述侧壁层的外表面向所述间隙延伸非零距离。
(3)如(1)或(2)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述隔离区域至少部分被绝缘材料覆盖。
(4)如(3)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述绝缘材料作为所述侧壁层的所述上表面上的层从所述侧壁层的所述外表面延伸到所述隔膜板。
(5)如(4)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述绝缘材料层和所述隔膜板的厚度相等。
(6)如(4)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述绝缘材料层覆盖所述隔膜板的第一平面材料层的至少一部分以及所述隔离区域。
(7)如(6)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于导电材料层，所述导电材料层在绝缘材料层上从所述侧壁层的外表面向所述间隙延伸一段距离。
(8)如(1)或(2)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，
所述隔离区域在所述侧壁层的所述上表面上从所述隔膜板的外围向所述侧壁层的所述外表面延伸非零距离；
保护元件在所述侧壁层的所述上表面上从所述隔离区域的所述外围向所述侧壁层的所述外表面延伸。
(9)如(8)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述保护元件在所述侧壁层的所述上表面上从所述隔离区域的所述外围延伸到所述侧壁层的外表面。
(10)如(1)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述传感器结构包括基准板，所述基准板与所述隔膜板具有相同的厚度，并且所述基准板与所述隔膜板分离地在所述侧壁层的所述上表面上的所述隔离区域上延伸。
(11)如(10)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，
所述侧壁的内表面的上边缘形成隔膜的外围；
所述隔膜板跨所述隔膜的所述外围；
所述压力传感器结构包括：至所述平面基座的电引线、至所述隔膜板的电引线、以及至所述基准板的电引线。
(12)如(10)或(11)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述基准板在所述侧壁层的所述上表面上具有与所述隔膜板相同的形状。
(13)如(10)或(11)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述基准板在所述侧壁层的所述上表面上具有围绕形状。
(14)如(13)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述基准板在所述侧壁层的所述上表面上围绕所述隔膜板。
(15)如(10)或(11)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述基准板在所述侧壁层的所述上表面上具有弯曲的外围。
(16)如(15)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述基准板在所述侧壁层的所述上表面上具有梳子形外围或曲折的外围。
(17)如(10)至(16)中任一项所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述隔膜板的外围的长度与所述基准板的外围的长度之比被调整为等于基准板电容在补偿传感器电容中所占的权重系数。
(18)如(17)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，
由所述侧壁层和所述隔膜板借以彼此附接的区域形成隔膜支撑区域；
所述隔膜支撑区域与所述基准板的面积之比等于所述基准板电容在所述补偿传感器电容中所占的所述权重系数。
(19)如(10)至(18)中任一项所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，补偿传感器电容中的基准板电容的权重系数等于通过使以下两个积分的加权差为零而获得的值
其中，第一积分是沿所述隔膜板的外围计算的，并且第二积分是沿所述基准板的外围计算的，Ce(x,y)是作为表面上的位置的函数的每单位长度的可变边缘电容。
(20)如(10)至(19)中任一项所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述隔膜板和所述基准板被第一沟槽分开，所述第一沟槽由隔离区域的在所述隔膜板和所述基准板之间的区域形成。
(21)如(20)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，
由所述隔离区域的围绕所述隔膜板、所述基准板和所述第一沟槽的部分形成第二沟槽；
保护元件在所述侧壁层的所述上表面上从所述第二沟槽的外围向所述侧壁层的外表面延伸。
(22)如(21)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述保护元件是围绕所述隔膜板、所述基准板和所述第一沟槽的保护环。
(23)如(21)或(22)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述第一沟槽或所述第二沟槽，或者所述第一沟槽和所述第二沟槽两者被绝缘材料覆盖。
(24)如(23)所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述第一沟槽和所述第二沟槽的宽度相同，并且都被所述绝缘材料覆盖或都不被所述绝缘材料覆盖。
(25)一种压力传感器，其包括前述权利要求中任一项所述的压力传感器结构。
(26)一种压力传感器，包括前述权利要求8至24中任一项所述的压力传感器结构，其特征在于，
所述压力传感器包括电路，所述电路连接到：至所述平面基座的电引线、至所述保护元件的电引线以及至所述隔膜板的电引线；
所述电路包括反馈配置下的运算放大器，所述运算放大器被连接以将所述保护元件保持在与所述平面基座或所述隔膜板中的任一个相同的电位，以及将通过所述保护元件和所述隔膜板的电流通路彼此分离。
(27)如(24)或(25)所述的压力传感器，其特征在于，
所述压力传感器包括电路，所述电路连接到：至所述平面基座的电引线、至所述导电材料层的电引线以及至所述隔膜板的电引线；
所述电路包括反馈配置下的运算放大器，所述运算放大器被连接以将导电材料层保持在与所述平面基座或所述隔膜板中的任一个相同的电位，以及将通过所述导电材料层的电流通路和通过隔膜板的电流通路彼此分离。
(28)如(26)或(27)所述的压力传感器，其特征在于，所述运算放大器是反相运算放大器、或非反相运算放大器。

Claims (12)

1.一种微机电压力传感器结构，其包括平面基座、侧壁层以及隔膜板，其中，
所述侧壁层形成侧壁，所述侧壁围绕地从所述平面基座延伸至所述侧壁层的上表面；
所述平面基座、所述侧壁层以及所述隔膜板彼此附接，以在基准压力下形成密封的闭合间隙；
所述侧壁层的所述上表面包括至少一个隔离区域，所述隔离区域不被所述隔膜板覆盖；并且
所述隔离区域至少部分地被绝缘材料覆盖。
2.根据权利要求1所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述隔离区域在所述侧壁层的所述上表面上从所述侧壁层的外表面向所述间隙延伸非零距离。
3.根据权利要求1所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述绝缘材料作为所述侧壁层的所述上表面上的层从所述侧壁层的外表面延伸到所述隔膜板。
4.根据权利要求3所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述绝缘材料层和所述隔膜板的厚度相等。
5.根据权利要求3所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述绝缘材料层覆盖所述隔膜板的第一平面材料层的至少一部分以及所述隔离区域。
6.根据权利要求5所述的微机电压力传感器结构，其特征在于导电材料层，所述导电材料层在所述绝缘材料层上从所述侧壁层的所述外表面向所述间隙延伸一段距离。
7.根据权利要求1或2所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，
所述隔离区域在所述侧壁层的所述上表面上从所述隔膜板的外围向所述侧壁层的所述外表面延伸非零距离；
保护元件在所述侧壁层的所述上表面上从所述隔离区域的外围向所述侧壁层的所述外表面延伸。
8.根据权利要求7所述的微机电压力传感器结构，其特征在于，所述保护元件在所述侧壁层的所述上表面上从所述隔离区域的所述外围延伸到所述侧壁层的所述外表面。
9.一种压力传感器，其包括前述权利要求中任一项所述的压力传感器结构。
10.一种压力传感器，其包括前述权利要求7至9中任一项所述的压力传感器结构，其特征在于，
所述压力传感器包括电路，所述电路连接到：至所述平面基座的电引线、至所述保护元件的电引线以及至所述隔膜板的电引线；
所述电路包括反馈配置下的运算放大器，所述运算放大器被连接以将所述保护元件保持在与所述平面基座或所述隔膜板中的任一个相同的电位，以及将通过所述保护元件和所述隔膜板的电流通路彼此分离。
11.根据权利要求9或10所述的压力传感器，其特征在于，
所述压力传感器包括电路，所述电路连接到：至所述平面基座的电引线、至所述导电材料层的电引线以及至所述隔膜板的电引线；
所述电路包括反馈配置下的运算放大器，所述运算放大器被连接以将导电材料层保持在与所述平面基座或所述隔膜板中的任一个相同的电位，以及将通过所述导电材料层的电流通路和通过隔膜板的电流通路彼此分离。
12.根据权利要求10或11所述的压力传感器，其特征在于，所述运算放大器是反相运算放大器、或非反相运算放大器。
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