CN118067299A - 压力传感器、压力传感器的制造方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力传感器、压力传感器的制造方法及电子设备；其中的压力传感器包括：底电极以及顺序层叠在所述底电极上的柔性极板和固定极板；所述底电极和所述柔性极板之间设有第一空腔，所述第一空腔为封闭腔；所述柔性极板与所述固定极板之间设有第二空腔，所述固定极板设有通孔，所述第二空腔通过所述通孔与外部环境连通；所述第一空腔与所述第二空腔的尺寸相同，所述第一空腔在所述底电极上的正投影与所述第二空腔在所述底电极上的正投影至少部分重合。本发明提供的压力传感器能够从物理层面上减小了传感器的器件噪声，消除或降低了原始电容中的边缘寄生电容的影响，有效提高了压力传感器的灵敏度和线性度。

Description

压力传感器、压力传感器的制造方法及电子设备

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种压力传感器、压力传感器的制造方法及电子设备。

背景技术

流体压力传感器在生活、生产制造中应用十分广泛，例如在手机、无人机、汽车和机械手等设备中，均配备有多个功能、量程不同的气体压力传感器。其中，MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)压力传感器凭借着其体积小、灵敏度高等优势，存在巨大市场。MEMS压力传感器的核心是用感压膜将传感器内部的空腔与外界环境相隔绝，通过两侧气体压力差(绝压或差压)导致感压膜的形变来测量被测环境的气压大小。电容式压力传感器具有低功耗、灵敏度高、结构简单等优点，被广泛关注并使用。

然而，目前的MEMS压力传感器存在物理噪声较大，线性度较差的问题，影响了压力传感器对流体压力的检测精度或灵敏度。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种压力传感器、压力传感器的制造方法及电子设备，能够减小压力传感器的物理噪声，增加线性度。

第一方面，本申请通过一实施例提供如下的技术方案：

一种压力传感器，所述压力传感器包括底电极以及顺序层叠在所述底电极上的柔性极板和固定极板；

所述底电极和所述柔性极板之间设有第一空腔，所述第一空腔为封闭腔；所述柔性极板与所述固定极板之间设有第二空腔，所述固定极板设有通孔，所述第二空腔通过所述通孔与外部环境连通；

所述第一空腔与所述第二空腔的尺寸相同，所述第一空腔在所述底电极上的正投影与所述第二空腔在所述底电极上的正投影至少部分重合。

可选的，所述柔性极板设有至少一个释放孔，所述释放孔内填充有封堵材料。

可选的，所述通孔的数量与所述释放孔的数量相同，一个所述通孔和一个所述释放孔的轴心共线；轴心共线的所述通孔和所述释放孔具有相同的尺寸。

可选的，所述释放孔的顶端直径为0.3μm～0.5μm，孔壁倾角为85°～88°。

可选的，所述压力传感器还包括所述封堵材料形成的第一封孔层；所述第一封孔层包覆所述柔性极板设置，所述释放孔被所述第一封孔层封堵。

可选的，所述封堵材料为氮化硅。

可选的，所述压力传感器还包括基底，所述底电极、所述柔性极板和所述固定极板在所述基底上顺序层叠。

可选的，所述基底的材质为轻掺杂N型半导体，所述底电极为重掺杂P型底电极。

可选的，所述压力传感器还包括第一牺牲层和第二牺牲层，所述第一牺牲层位于所述底电极与所述柔性极板之间，所述第二牺牲层位于所述柔性极板和所述固定极板之间；

所述压力传感器包括可动区和边缘区；所述第一牺牲层在所述可动区设有至少一个第一镂空区，所述底电极、所述第一镂空区和所述柔性极板形成至少一个第一空腔；

所述第二牺牲层在所述可动区设有至少一个第二镂空区，所述柔性极板、所述第二镂空区和所述固定极板形成至少一个第二空腔。

可选的，所述第一牺牲层和所述第二牺牲层的厚度相同，厚度范围均为500nm～800nm。

可选的，在所述边缘区，所述压力传感器还包括与所述底电极连接的第一信号联通层、与所述柔性极板连接的第二信号联通层和与所述固定极板连接的第三信号联通层。

可选的，所述柔性极板和所述固定极板的材质均为重掺杂多晶硅。

可选的，所述柔性极板和所述固定极板的厚度范围为300nm～800nm。

第二方面，基于同一发明构思，本申请通过一实施例提供如下技术方案：

一种压力传感器的制造方法，所述方法包括：

提供基底；

在所述基底上形成顺序层叠的底电极、柔性极板和固定极板；

其中，所述底电极和所述柔性极板之间设有至少一个第一空腔，所述第一空腔为封闭腔；所述柔性极板与所述固定极板之间设有至少一个第二空腔，所述固定极板设有通孔，所述第二空腔通过所述通孔与外部环境连通；所述第一空腔与所述第二空腔的数量和尺寸相同，所述第一空腔在所述底电极上的正投影与所述第二空腔在所述底电极上的正投影至少部分重合。

第三方面，基于同一发明构思，本申请通过一实施例提供如下技术方案：

一种电子设备，包括第一方面提供的任一项压力传感器。

通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：

本实施例提供了一种压力传感器，包括顺序层叠的底电极、柔性极板和固定极板；底电极、第一空腔和柔性极板形成了第一电容，柔性极板、第一空腔和固定极板形成了层叠在第一电容上的第二电容。由于第一空腔为封闭腔，第二空腔与外部环境相连通，同时第一空腔和第二空腔具有相同的尺寸，各自在底电极的正投影至少部分重合，因此在柔性极板未变形时，第一电容和第二电容的容值相等；当外部环境的流体，如气体压力产生变化时，柔性极板根据第一空腔和第二空腔之间的压差发生变形，此时第一电容和第二电容的容值变化的绝对值相等，其一为ΔC，另一个为-ΔC；在将两个电容的电容值作差后，得到压力传感器在该过程中的电容变化量：2ΔC；故而，第一电容和第二电容组成了垂直差分电容式压力传感器，在外部环境压力变化时第一电容和第二电容的容值同时变化相同的量，产生差分效果；与单电容式压力传感器相比，从物理层面上减小了传感器的器件噪声，并消除或降低了原始电容中的边缘寄生电容的影响，有效提高了压力传感器的灵敏度和线性度，从而降低了后期处理电路的补偿难度；另一方面，第一电容和第二电容形成的垂直差分电容结构也可以减小器件水平方向的尺寸。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。

在附图中：

图1示出了目前一种MEMS电容式气体压力传感器的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的压力传感器的剖面示意图；

图3示出了根据本发明实施例提供的压力传感器的俯视图；

图4A示出了根据本发明实施例提供的柔性极板在未变形时的剖面图；

图4B示出了根据本发明实施例提供的柔性极板在压差作用下产生变形后的剖面图；

图5示出了根据本发明实施例提供的压力传感器的制造方法流程示意图；

图6A示出了根据本发明实施例提供的在基底上形成底电极和第一牺牲层后的剖视图；

图6B示出了根据本发明实施例提供的在基底上形成底电极和第一牺牲层后的俯视图；

图6C示出了根据本发明实施例提供的在第一牺牲层上形成柔性极板后的剖视图；

图6D示出了根据本发明实施例提供的在第一牺牲层上形成柔性极板后的俯视图；

图6E示出了根据本发明实施例提供的在底电极和柔性极板之间形成第一空腔后的剖视图；

图6F示出了根据本发明实施例提供的封闭释放孔后的剖视图；

图6G示出了根据本发明实施例提供的封闭释放孔后的俯视图；

图6H示出了根据本发明实施例提供的形成第二牺牲层后的剖视图；

图6I示出了根据本发明实施例提供的形成第二牺牲层后的俯视图；

图6J示出了根据本发明实施例提供的在第二牺牲层上形成固定极板后的剖视图；

图6K示出了根据本发明实施例提供的在第二牺牲层上形成固定极板后的俯视图；

图6L示出了根据本发明实施例提供的形成第一引线键合层、第二引线键合层和第三引线键合层后的剖视图；

图6M示出了根据本发明实施例提供的形成第一引线键合层、第二引线键合层和第三引线键合层后的俯视图；

图6N示出了根据本发明实施例提供的释放第二牺牲层后的剖视图。

附图标记说明：

1’、底电极、2’、感压膜；3’、空腔；4’、基底、5’、引线区；

100、基底；101、底电极；102、第一牺牲层；103、第一信号联通层；104、底电极信号连接层；105、封堵材料层；200、柔性极板；201、第一空腔；202、释放孔；203、第一封孔层；204、第二牺牲层；205、第二信号联通层；300、固定极板；301、第二空腔；302、通孔；303、第一引线键合层；304、第二引线键合层；305、第三信号联通层；306、第三引线键合层；307、第二封孔层；308、绝缘层；10、可动区；20、边缘区。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

请参阅图1，提供了一种目前MEMS电容式气体压力传感器的结构示意图，包括基底4’、底电极1’、空腔3’、感压膜2’、引线区5’等结构。而研究和实验表明这种单感压膜的双极板电容结构存在物理噪声较大、线性度较低的问题，增加了后期处理电路的补偿难度。

为了解决目前MEMS电容式气体压力传感器存在的物理噪声大、线性度低的问题，第一方面，请参阅图2、图3、图4A、图4B，提供了一种压力传感器，包括底电极101以及顺序层叠在底电极101上的柔性极板200和固定极板300；底电极101和柔性极板200之间设有第一空腔201，第一空腔201为封闭腔；柔性极板200与固定极板300之间设有第二空腔301，固定极板300设有通孔302，第二空腔301通过通孔302与外部环境连通；第一空腔201与第二空腔301的尺寸相同，第一空腔201在底电极101上的正投影与第二空腔301在底电极101上的正投影至少部分重合。

具体的，底电极101、第一空腔201和柔性极板200形成了第一电容，柔性极板200、第一空腔201和固定极板300形成了层叠在第一电容上的第二电容，从而形成垂直差分结构的电容式电容器。柔性极板200既是第一电容的上层极板，也是第二电容的下层极板。由于第一空腔201为封闭腔，第二空腔301与外部连通，因此在外部环境的流体(如气体或液体)发生压力变化时，第一空腔201和第二空腔301产生压力差或者两者之间的压力差出现变化，柔性极板200在第一空腔201和第二空腔301之间的部分可在该压差变化下发生变形，使第一电容和第二电容的电容值同时改变。因此，柔性极板200在本压力传感器中可以视为感压膜或感压结构，而固定极板300在本压力传感器中可以视为差分膜或差分结构。

由于第一空腔201和第二空腔301具有相同的尺寸，也就是具有相同的形状和大小，并且第一空腔201在底电极101上的正投影与第二空腔301在底电极101上的正投影至少部分重合，重合度可以是50％以上，较佳的方案是完全重合，即第一空腔201和第二空腔301处于同一位置，在压力传感器的厚度方向(垂直柔性极板200和固定极板300的方向)是相互对齐或对正的；故而在柔性极板200未变形时，第一电容和第二电容的容值相等，均为C₀，如图4A所示；而当外部环境的压力发生变化如压力上升，柔性极板200朝向底电极101的方向产生变形，请参阅图4B，此时第一电容和第二电容的电容值发生变化且容值变化的绝对值相等，分别为：C₀+ΔC和C₀-ΔC，ΔC为第一电容或第二电容因为柔性极板200变形产生的变化量；在将两个电容的电容值作差后，得到压力传感器在该过程中的电容变化量为2ΔC；故而，本实施例提供的具有垂直差分结构的电容式压力传感器，在外部环境压力变化导致压差改变时，第一电容和第二电容的容值同时变化产生差分效果，与单电容式压力传感器相比，能够从物理层面上减小传感器的器件噪声，并消除或降低了原始电容C₀中的边缘寄生电容的影响，有效提高了压力传感器的灵敏度和线性度，降低了后期处理电路的补偿难度。

另一方面，相对于水平电容结构，第一电容和第二电容形成的垂直差分电容结构也可以减小器件水平方向的尺寸，有利于缩小MEMS电容式压力传感器的器件面积。

考虑到柔性极板200在第一空腔201、第二空腔301正投影重叠的部分是可变形的，在其他区域是无法变形的，因此可将压力传感器中第一空腔201与第二空腔301所在的区域或正投影相重叠的区域视为可动区10，将剩余区域，即柔性极板200无法变形的区域视为边缘区20。请参阅图3，在压力传感器中可形成可动区阵列，包括多个可动区10，每一个可动区10对应一个第一空腔201和一个第二空腔301，即压力传感器中形成有多个第一空腔201和多个第二空腔301，第一空腔201和第二空腔301的数量相等。在压力传感器中存在多个第一空腔201和多个第二空腔301时，可以设计成所有第一空腔201和第二空腔301均具有相同的形状或尺寸，也可以设计成满足正投影重合的一组第一空腔201和第二空腔301具有相同的形状或尺寸，而不满足正投影相互重合的一组第一空腔201和第二空腔301的形状或尺寸可以不同。

在满足第一空腔201和第二空腔301的尺寸或形状相同的前提下，第一空腔201或第二空腔301在底电极101上的正投影形状或截面形状包括但不限于：圆形、椭圆形、矩形和多边形。正投影形状的可选尺度范围为40μm～80μm；尺度范围若以圆形为例，则可以是直径：40μm～80μm；若以矩形或圆角矩形为例，则可以是边长：40μm～80μm。

为了形成第一空腔201和第二空腔301，一种方法是分别在柔性极板200的上方、固定极板300的下方挖出凹槽，然后两者拼接形成空腔，但这种方法的工艺实现较为复杂，影响柔性极板200的强度，并且不能良好的保证第一空腔201的气密性。另一种更佳的方案是如图2所示，通过MEMS工艺在底电极101与柔性极板200之间形成第一牺牲层102，在柔性极板200与固定极板300之间形成第二牺牲层204，通过局部释放工艺，第一牺牲层102在可动区10形成至少一个第一镂空区，底电极101、第一镂空区和柔性极板200形成至少一个第一空腔201；第二牺牲层204在可动区10形成至少一个第二镂空区，柔性极板200、第二镂空区和固定极板300形成至少一个第二空腔301。故而，第一牺牲层102和第二牺牲层204的厚度决定了第一空腔201和第二空腔301的高度，也就是电容上下极板之间的间隙。为了保证电容的差分效果，在柔性极板200变形时使第一电容和第二电容的变化量相同，第一牺牲层102和第二牺牲层204的厚度应当相同，其可选的厚度范围均为500nm～800nm。

第一牺牲层102和第二牺牲层204的材质可以是二氧化硅，也可以使用光刻胶等可通过释放工艺释放的材料。

考虑到需要同时满足第一牺牲层102的释放和第一空腔201的气密性，因此可在柔性极板200上设置至少一个释放孔202，用于释放第一牺牲层102的材料，在释放完成后使用封堵材料填充释放孔202，实现对第一空腔201的封闭。若压力传感器存在多个第一空腔201，则应当在每一个第一空腔201处的柔性极板200上设置至少一个释放孔202。封堵材料可使用绝缘材料如封堵胶，较佳的选择是氮化硅(Si₃N₄或Si_xN_y)，具有MEMS的成熟工艺和成本优势，并同时起到电绝缘和增加柔性极板200刚度的作用，提高压力传感器的压力检测灵敏度。

考虑到释放孔202的存在改变了柔性极板200的结构和形状，因此与之对应的，在柔性极板200上形成释放孔202后，固定极板300在形成通孔302时应当与释放孔202相匹配，具体是：释放孔202的数量与通孔302的数量相同，且一个通孔302和一个释放孔202的轴心共线；轴心共线的通孔302和释放孔202具有相同的尺寸。其中，轴心共线是指通孔302和对应释放孔202在压力传感器的厚度方向上是对正的，或处于同一位置，所有的通孔302和释放孔202的位置是一一对齐的。相同的尺寸表示通孔302和释放孔202的形状、孔径均相同。通过上述结构设计，使柔性极板200在变形时，第一电容和第二电容的容值变化量ΔC更加一致，从而进一步提高了压力传感器的线性度和灵敏度，减少了压力传感器的物理噪声。

在一些可选的实施例中，释放孔202的顶端直径为0.3μm～0.5μm，孔壁倾角为85°～88°。之所以采用上述孔径，是因为若释放孔202过大，则在释放牺牲层后不容易被封上；若释放孔202太小则要求很高的光刻精度，增加了工艺成本；之所以采用倾斜孔壁，倾角为85°～88°的设计，是因为若释放孔202的孔壁垂直或过于倾斜，会降低封孔效率，不利于释放孔202的快速封闭，或者影响封闭后第一空腔201的气密性。

作为形成第一空腔201和第二空腔301的柔性极板200和固定极板300，两者的尺寸、形状可以是相同的，包括但不限于：圆形、椭圆形、矩形或多边形。柔性极板200和固定极板300的厚度范围可以是300nm～800nm。

柔性极板200和固定极板300的材质可以相同，也可以不同；可以是导电金属，如铝，铜，钨，也可以导电的半导体材料如重掺杂多晶硅或重掺杂单晶硅。较佳的选择是柔性极板200和固定极板300的材质相同，且采用重掺杂多晶硅制成薄膜结构，作为承载压力的结构并传导电信号；重掺杂多晶硅的优势在于成膜工艺成熟，与MEMS压力传感器的制造工艺更为匹配，具有工艺成本优势；且用于封堵通孔302的封堵材料，如氮化硅在重掺杂多晶硅上的黏附性更好，即在封闭释放孔202后，使第一空腔201具有更好的气密性。

在一些可选的实施例中，请参阅图2，压力传感器还包括由封堵材料形成的第一封孔层203；第一封孔层203包覆柔性极板200设置，释放孔202被第一封孔层203封堵。通过第一封孔层203在封堵释放孔202的同时，将柔性极板200在可动区10的部分包覆起来，能够更精确的调控柔性极板200的刚度，从而提高压力传感器的检测灵敏度和线性度。

在一些可选的实施例中，请参阅图2，压力传感器还包括基底100，底电极101、柔性极板200和固定极板300在基底100上顺序层叠。基底100的材质可以是轻掺杂N型半导体，如轻掺杂N型硅，底电极101可以是重掺杂P型底电极101，如P型硅底电极101。如此底电极101与基底100形成pn结，能够减小器件漏电等不利影响。

在一些可选的实施例中，请参阅图2，压力传感器还包括位于第一空腔201内，形成在底电极101上的封堵材料层105。封堵材料层105可以是在制造第一封孔层203时，封堵材料在底电极101处沉积形成的。

在一些可选的实施例中，请参阅图2，压力传感器还包括绝缘层308，绝缘层308覆盖固定极板300以及边缘区20的第二牺牲层204。绝缘层308可以通过氮化硅材料沉积形成，在对固定极板300进行电绝缘的同时，还可以增加固定极板300的刚度，避免固定极板300产生形变，进一步提高压力传感器的灵敏度和线性度。

在一些可选的实施例中，请参阅图2，在边缘区20，压力传感器还包括与底电极101连接的第一信号联通层103、与柔性极板200连接的第二信号联通层205和与固定极板300连接的第三信号联通层305。在压力传感器的边缘区20，第一空腔201、第二空腔301对应的底电极101、柔性极板200和固定极板300通过对应的信号连通层分别相连，形成并联电容结构。具体的，在压力传感器的边缘区20，第一信号联通层103贯穿绝缘层308、第二牺牲层204、第一封孔层203和第一牺牲层102，其底端通过底电极信号连接层104连接底电极101，顶端设有第一引线键合层303实现信号传输；第二信号联通层205贯穿绝缘层308和第二牺牲层204，其底端连接柔性极板200，顶端设有第二引线键合层304实现信号传输；第三信号联通层305贯穿绝缘层308，其底端连接固定极板300，顶端设有第三引线键合层306实现信号传输。

本实施例提供了一种电容式压力传感器，通过在传统传统单膜电容压力传感器的基础上增加了差分结构：固定极板300，并在底电极101与柔性极板200之间形成封闭的第一空腔201，在柔性极板200和固定极板300之间形成与外部连通的第二空腔301，且第一空腔201与第二空腔301具有相同的尺寸，如此形成垂直差分电容，从物理层面上减小了器件噪声，降低边缘寄生电容的影响，有效提高了传感器的灵敏度和线性度，进而降低了后期处理电路的补偿难度。同时，垂直的差分电容也可以减小压力传感器在水平方向上的尺寸。

本实施例提供的垂直差分结构的电容式压力传感器，可以用作气体压力传感器，也可以用做液体压力传感器。

第二方面，基于相同的发明构思，在另一个可选的实施例中，请参阅图5，提供了一种压力传感器的制造方法，包括：

S101：提供基底100；

S102：在基底100上形成顺序层叠的底电极101、柔性极板200和固定极板300；

其中，底电极101和柔性极板200之间设有至少一个第一空腔201，第一空腔201为封闭腔；柔性极板200与固定极板300之间设有至少一个第二空腔301，固定极板300设有通孔302，第二空腔301通过通孔302与外部环境连通；第一空腔201与第二空腔301的数量和尺寸相同，第一空腔201在底电极101上的正投影与第二空腔301在底电极101上的正投影至少部分重合。

接下来，结合第一方面实施例提供的图2的压力传感器，对本实施例的制造方法进行详细的说明：

在基底100上形成顺序层叠的底电极101、柔性极板200和固定极板300，具体包括：

1)在基底100上形成底电极101和第一牺牲层102。

具体的，基底100可以采用硅基底100，并采用LPCVD(Low Pressure ChemicalVapor Deposition，低压力化学气相沉积)工艺，在基底100上形成第一牺牲层102。第一牺牲层102的材质可以是氧化硅SiO₂；第一牺牲层102的厚度为500nm～800nm。接下来在基底100的上表面进行离子注入，在第一牺牲层102的保护下形成底电极101和底电极信号连接层104，如图6A和图6B所示。需要说明的是，本实施例所要制造的压力传感器包括多个可动区10，每一个可动区10形成一个垂直差分电容结构，因此请参阅图6B，在基底100上形成了多个底电极101组成的底电极阵列，相邻的底电极101相互连接，底电极阵列与底电极信号连接层104相连。

2)在第一牺牲层102上形成包括释放孔202的柔性极板200。

具体的，先刻蚀氧化硅，然后通过原位掺杂LPCVD工艺，在第一牺牲层102上制备材质为重掺杂多晶硅的柔性极板200的阵列，即压力传感器的感压膜。柔性极板200的厚度为300nm～800nm，相邻的柔性极板200相互连接。对柔性极板200进行图形化，在可动区10形成释放孔202以及在边缘区20的底电极信号连接层104上形成初始的第一信号联通层103，在柔性极板200上形成初始的第二信号联通层205。释放孔202顶端直径为0.3μm～0.5μm，孔壁倾角为85°～88°，如图6C和图6D所示。

3)去除设定区域的第一牺牲层102，并在柔性极板200上形成第一封孔层203以封堵释放孔202，形成第一空腔201。

具体的，可采用湿法腐蚀技术去除每一个可动区10处的第一牺牲层102，以在底电极101和柔性极板200之间形成第一空腔201。第一空腔201的形状包括但不限于矩形、圆角矩形，边长范围为40μm～80μm，如图6E所示。

在牺牲层材料释放后，可采用LPCVD工艺制备氮化硅材料的第一封孔层203，将柔性极板200上的释放孔202完全封闭，以保证第一空腔201的气密性，如图6F和图6G所示。其中，位于边缘区20的第一封孔层203覆盖第一牺牲层102的上表面；位于可动区10的第一封孔层203包覆柔性极板200，在封堵释放孔202的同时增加柔性极板200的刚度。另外，在形成第一封孔层203的过程中，一部分的氮化硅也会沉积在底电极101的上表面，形成封堵材料层105。

4)在第一封孔层203上形成第二牺牲层204。

具体的，可使用LPCVD工艺在第一封孔层203的表面沉积氧化硅(SiO₂)形成第二牺牲层204，第二牺牲层204厚度为500nm～800nm。接着干法刻蚀边缘区20的第二牺牲层204，释放出初始的第一信号联通层103和第二信号联通层205，如图6H和图6I所示。

5)在第二牺牲层204上形成固定极板300。

具体的，可采用原位掺杂LPCVD工艺制备重掺杂多晶硅差分膜，通过图形化形成固定极板300的阵列，固定极板300的厚度范围为300nm～800nm，相邻的固定极板300相互连接；同时通过图形化在可动区10的固定极板300上形成通孔302，在边缘区20形成第三信号联通层305和进一步生长的第一信号联通层103和第二信号联通层205，如图6J和图6K所示。其中，通孔302的顶端直径为0.3μm～0.5μm，孔壁倾角为85°～88°，保证固定极板300的结构、尺寸与柔性极板200相同，固定极板300上的通孔302和柔性极板200上的释放孔202的位置和尺寸相同。

6)释放第二牺牲层204，获得垂直差分结构的电容式压力传感器。

采用LPCVD工艺在固定极板300上制备氮化硅材料的第二封孔层307，将固定极板300上的通孔302完全封闭；然后刻蚀位于边缘区20的第二封孔层307，露出第一信号联通层103、第二信号联通层205和第三信号联通层305的顶端，然后在第一信号联通层103的顶端制备第一引线键合层303、在第二信号联通层205的顶端制备第二引线键合层304，在第三信号联通层305的顶端制备第三引线键合层306，以保证电信号的传输，如图6L和图6M所示。

接下来刻蚀第二封孔层307，释放固定极板300上的通孔302，形成覆盖在固定极板300上的绝缘层308，如图6N所示；然后使用湿法腐蚀技术去除可动区10处的第二牺牲层204，形成第二空腔301，获得如图2所示的，具有多个垂直差分电容结构的压力传感器。

通过上述方法获得的垂直差分结构的电容式压力传感器，能够从物理层面减小器件噪声，降低边缘寄生电容的影响，有效提高了传感器的灵敏度和线性度，降低了后期处理电路的补偿难度。另一方面，垂直差分的结构能够减小压力传感器在水平方向上的尺寸，有利于缩小器件的面积。

第三方面，基于相同的发明构思，在另一个可选的实施例中，还提供了一种电子设备，该电子设备包括第一方面实施例中提供的任一种压力传感器。电子设备可以是智能手机、运动手表、平板电脑、笔记本电脑、无人机等移动电子设备，也可以是车载端设备、工程机械手、仪器仪表等固定设备。

总的来说，通过本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明提供了一种压力传感器、压力传感器的制造方法和电子设备，其中压力传感器包括顺序层叠的底电极101、柔性极板200和固定极板300；底电极101、第一空腔201和柔性极板200形成了第一电容，柔性极板200、第一空腔201和固定极板300形成了层叠在第一电容上的第二电容；由于第一空腔201为封闭腔，第二空腔301与外部环境相连通，同时第一空腔201和第二空腔301具有相同的尺寸，各自在底电极101的正投影至少部分重合，因此在柔性极板200未变形时，第一电容和第二电容的容值相等；当外部环境的流体，如气体压力产生变化时，柔性极板200根据第一空腔201和第二空腔301之间的压差发生变形，此时第一电容和第二电容的容值变化的绝对值相等，其一为ΔC，另一个为-ΔC；在将两个电容的电容值作差后，得到压力传感器在该过程中的电容变化量：2ΔC；故而，第一电容和第二电容组成了垂直差分电容式压力传感器，在外部环境压力变化时第一电容和第二电容的容值同时变化相同的量，产生差分效果，与单电容式压力传感器相比，从物理层面上减小了传感器的器件噪声，并消除或降低了原始电容中的边缘寄生电容的影响，有效提高了压力传感器的灵敏度和线性度，从而降低了后期处理电路的补偿难度；另一方面，第一电容和第二电容形成的垂直差分电容结构也可以减小器件水平方向的尺寸。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括底电极以及顺序层叠在所述底电极上的柔性极板和固定极板；

所述底电极和所述柔性极板之间设有第一空腔，所述第一空腔为封闭腔；所述柔性极板与所述固定极板之间设有第二空腔，所述固定极板设有通孔，所述第二空腔通过所述通孔与外部环境连通；

所述第一空腔与所述第二空腔的尺寸相同，所述第一空腔在所述底电极上的正投影与所述第二空腔在所述底电极上的正投影至少部分重合。

2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述柔性极板设有至少一个释放孔，所述释放孔内填充有封堵材料。

3.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述通孔的数量与所述释放孔的数量相同，一个所述通孔和一个所述释放孔的轴心共线；轴心共线的所述通孔和所述释放孔具有相同的尺寸。

4.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述释放孔的顶端直径为0.3μm～0.5μm，孔壁倾角为85°～88°。

5.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，还包括所述封堵材料形成的第一封孔层；所述第一封孔层包覆所述柔性极板设置，所述释放孔被所述第一封孔层封堵。

6.如权利要求2～5中的任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述封堵材料为氮化硅。

7.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器还包括基底，所述底电极、所述柔性极板和所述固定极板在所述基底上顺序层叠。

8.如权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，所述基底的材质为轻掺杂N型半导体，所述底电极为重掺杂P型底电极。

9.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器还包括第一牺牲层和第二牺牲层，所述第一牺牲层位于所述底电极与所述柔性极板之间，所述第二牺牲层位于所述柔性极板和所述固定极板之间；

所述压力传感器包括可动区和边缘区；所述第一牺牲层在所述可动区设有至少一个第一镂空区，所述底电极、所述第一镂空区和所述柔性极板形成至少一个第一空腔；

所述第二牺牲层在所述可动区设有至少一个第二镂空区，所述柔性极板、所述第二镂空区和所述固定极板形成至少一个第二空腔。

10.如权利要求9所述的压力传感器，其特征在于，所述第一牺牲层和所述第二牺牲层的厚度相同，厚度范围均为500nm～800nm。

11.如权利要求9所述的压力传感器，其特征在于，在所述边缘区，所述压力传感器还包括与所述底电极连接的第一信号联通层、与所述柔性极板连接的第二信号联通层和与所述固定极板连接的第三信号联通层。

12.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述柔性极板和所述固定极板的材质均为重掺杂多晶硅。

13.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述柔性极板和所述固定极板的厚度范围为300nm～800nm。

14.一种压力传感器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

提供基底；

在所述基底上形成顺序层叠的底电极、柔性极板和固定极板；

其中，所述底电极和所述柔性极板之间设有至少一个第一空腔，所述第一空腔为封闭腔；所述柔性极板与所述固定极板之间设有至少一个第二空腔，所述固定极板设有通孔，所述第二空腔通过所述通孔与外部环境连通；所述第一空腔与所述第二空腔的数量和尺寸相同，所述第一空腔在所述底电极上的正投影与所述第二空腔在所述底电极上的正投影至少部分重合。

15.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1～13中的任一项所述压力传感器。