CN1247386A - 压力转换器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将施加于隔膜的静压或动压转换成相应电信号的压力转换器及其制造方法。该转换器包括一形成在一基板上表面上的固定电极和一通过一空腔设置在固定电极上方的可动电极。在基板的底部形成有至少一个孔,借助干腐蚀法,利用该孔,可以在制造过程去除介于隔膜和基板上表面之间的牺牲层,从而形成所述空腔。

Description

压力转换器及其制造方法
本发明总的涉及诸如话筒之类将静压或动压(例如声音振动)转换成相应电信号的压力转换器及其制造方法。
日本专利9-257618揭示了一种静电电容型压力传感器，它可以将静压或动压转换成相应的电信号。图6(h)示出了该压力传感器。图6(a)至6(g)示出了其制造过程的各个步骤。
首先，用单晶硅材料制造出基板30。将杂质扩散进入基板30的主外表面中，从而形成固定电极40、固定电极引线41、以及固定电极下部连接端子42。接着，如图6(a)所示，在基板30的主外表面上形成第一绝缘层50。如图6(b)所示，在第一绝缘层50上形成一个将在后续工序中去除的牺牲层60。
如图6(c)所示，在牺牲层60上形成第一绝缘隔膜层70。在第一绝缘隔膜层70上形成第二导电层80。将第二导电层80上的预定部分去除，以形成可动电极81、可动电极引线82、以及可动电极下部连接端子83。
随后，如图6(d)所示，形成第二绝缘隔膜层90。在第一和第二绝缘隔膜层70和90的外周部分形成多个延伸至牺牲层60的通孔91。各孔91被用作腐蚀剂入口。
如图6e所示，通过各孔91将腐蚀用腐蚀液注入，以便各向均匀地腐蚀牺牲层60而将其去除，从而在第一绝缘层50与第一绝缘隔膜70之间形成压力基准室96。形成可动电极连接孔92和固定电极连接孔94。可动电极连接孔92穿过第二绝缘隔膜层90延伸至可动电极下部连接端子83。固定电极连接孔94穿过第二绝缘隔膜层90、第一绝缘隔膜层70和第一绝缘层50延伸至固定电极下部连接端子42。
如图6(f)所示，在第二绝缘隔膜层90上形成一导电层，随后将该导电层上的预定部分去除而形成可动电极输出端子93和固定电极输出端子95。可动电极输出端子93穿过可动电极连接孔92连接于可动电极下部连接端子83。固定电极输出端子95穿过固定电极连接孔94连接于固定电极下部连接端子42。
如图6(g)所示，在第二隔膜层90上形成一密封层以密封孔91，随后再将其去除，留下孔91周围的部分而形成密封帽97。
在工作过程中，当施加压力时，将会导致由第一和第二绝缘隔膜层70和90组成的隔膜变形。具体地说，压力基准室96内的压力和周围的压力沿相反的方向作用于隔膜，使隔膜的变形量对应于这两个压力之差。这将导致由形成在隔膜上的可动电极81和固定电极41所组成的电容器的电容作为隔膜变形量的函数而变化。作用在隔膜上的压力基准室96与周围压力之差可以通过测量电容值来确定。对绝对压力的测量可以这样来实现，即，将压力基准室96内的压力降低到大大低于压力传感器可测范围的水平。
然而，上述传统的压力传感器具有下列缺陷。当用来腐蚀牺牲层60的腐蚀液以及用来对其进行清洁的溶剂变干时，液体的表面张力可能导致隔膜损坏。需要一个附加的工艺才能避免这一问题，即，在腐蚀腐蚀液和清洁溶剂变干之前，用表面张力较小的液体加以替换，或者是利用借助加压和冷却而液化的气体来使腐蚀腐蚀液和清洁溶剂变干。
形成用于引入腐蚀腐蚀液的孔91可能会导致隔膜的质量变化并损害机械强度。为了避免这一问题，可以将孔形成在隔膜的周边部分，但这样的话，从孔91腐蚀到距离较远的隔膜中心部分就需要相当长的时间。
当在一个基板上形成多个压力传感器，并且这些压力传感器是在大批量制造过程中利用一分割锯来加以分隔的情况下，分隔时所用的水将渗入基板的空腔，这样就可能在水变干时导致压力传感器破损。
因此，本发明的一个主要目的在于，避免上述已有技术的缺陷。
本发明的另一个目的在于，提供一种压力转换器，其具有可以允许压力转换器很方便地变形而不会损坏例如隔膜等部件的结构。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于将外加压力转换成一相应电信号的压力转换器。该压力传感器包括：(a)一基板，它具有一第一表面和一与该第一表面相对的第二表面；(b)一固定电极，它形成在基板的第一表面上；(c)一隔膜，其外周部分连接于基板的第一表面，从而在基板的中部和固定电极之间形成一空腔，隔膜具有一通过空腔与固定电极相对的可动电极，该可动电极可以响应外加压力而变形，以使可动电极与固定电极之间的距离作为外加压力的函数来变化；以及(d)一形成在基板内的孔，它从第二表面延伸至空腔。
在本发明的较佳实施例中，还包括形成在基板内并从第二表面延伸至空腔的若干个孔，这些孔是布置成这样，即，每两个相邻的孔以一定的间隔分开设置。
隔膜是波纹形的。具体地说，隔膜具有多个同轴形成的波形部分。
在基板的第一表面内的形成有一凹槽，该凹槽处在空腔范围内，并通向诸孔。
在空腔内设有一隔膜支承件，该支承件与隔膜的外周部的内壁接触。
基板是由具有若干个集成电路元件的半导体基板制成，这些集成电路元件可以形成一个用来测量固定与可动电极之间电容的检测器。
隔膜可以用无机材料制成，例如硅与氧或氮的化合物。
根据本发明的第二方面，一种用来制造压力转换器的方法，包括如下步骤：(a)制备一具有一第一表面和一与该第一表面相对的第二表面的基板；(b)在基板的第一表面上形成一固定电极；(c)在固定电极上形成一牺牲层；(d)在牺牲层上形成一个由绝缘材料制成的隔膜层；(e)在基板内形成一个从基板的第二表面延伸至牺牲层的孔；以及(f)借助干腐蚀法，将气体注入孔以去除牺牲层而形成一空腔，以使隔膜层可响应外加压力而发生变形。
在本发明的较佳实施例中，还包括如下步骤：在基板的第一表面上形成至少一个波形部分。
波形部分也可以形成在牺牲层的一个表面上。
基板是由具有若干个集成电路元件的半导体基板制成，集成电路元件可以形成一个用来测量固定与可动电极之间电容的检测器。
隔膜是用无机材料制成，而牺牲层是用有机材料制成。
隔膜可以用硅与氧或氮的化合物制成。
牺牲层可以用聚酰亚胺制成。
牺牲层的去除工作是借助干腐蚀法，利用氧等离子来实现的。
气体注入步骤是这样的，即，在去除牺牲层时留下牺牲层的外周部分。
根据本发明的第三方面，提供了一种用来制造压力转换器的方法，包括如下步骤：(a)制备一具有一第一表面和一与该第一表面相对的第二表面的基板；(b)在基板的第一表面上形成一固定电极；(c)在固定电极上形成一绝缘层；(d)在绝缘层上形成一牺牲层；(e)在牺牲层上形成一个由导电材料制成的隔膜层；(f)在基板内形成一个从基板的第二表面延伸至牺牲层的孔；以及(g)借助干腐蚀法，将气体注入孔以去除牺牲层而形成一空腔，以使隔膜层可响应外加压力而发生变形。
在本发明的较佳实施例中，还包括如下步骤：在基板的第一表面上形成至少一个波形部分。
波形部分也可以形成在牺牲层的一个表面上。
基板是由具有若干个集成电路元件的半导体基板制成，集成电路元件可以形成一个用来测量固定与可动电极之间电容的检测器。
隔膜是用无机材料制成，而牺牲层是用有机材料制成。
隔膜可以用由硅与氧或氮的化合物制成。
牺牲层是用聚酰亚胺制成。
牺牲层的去除工作是借助干腐蚀法，利用氧等离子来实现的。
气体注入步骤是这样的，即，在去除牺牲层时留下牺牲层的外周部分。
根据本发明的第四方面，提供了一种采用单块基板来制造多个压力传感器的方法，包括如下步骤：(a)制备一具有一第一表面和一与该第一表面相对的第二表面的单块基板；(b)在基板的第一表面上形成若干个固定电极；(c)在每个固定电极上形成一牺牲层；(d)在每个牺牲层上形成一由绝缘材料制成的隔膜层；(e)在基板内形成一个从基板的第二表面延伸至每个牺牲层的孔；(f)在相邻的两个压力转换器之间形成一切割槽，以便将各压力传感器相互分开；以及(g)借助干腐蚀法，将气体注入孔以去除牺牲层而形成一空腔，以使隔膜层可响应外加压力而发生变形。
通过下面结合附图对较佳实施例的详细描述，可以更清楚地理解本发明，但这些特定的实施例并不限制本发明，它们仅仅是为了便于说明和理解。附图中：
图1(a)、1(b)、1(c)、1(d)、1(e)、1(f)和1(g)是沿着图1(h)中的线A-A剖取的剖视图，它们示出了根据本发明第一实施例的压力传感器的各个加工步骤；
图1(h)是第一实施例的压力传感器的平面图；
图2(a)、2(b)、2(c)、2(d)、2(e)、2(f)和2(g)是沿着图2(h)中的线A-A剖取的剖视图，它们示出了根据本发明第二实施例的压力传感器的各个加工步骤；
图2(h)是第二实施例的压力传感器的平面图；
图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)、3(e)、3(f)和3(g)是沿着图3(h)中的线A-A剖取的剖视图，它们示出了根据本发明第三实施例的压力传感器的各个加工步骤；
图3(h)是第三实施例的压力传感器的平面图；
图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)、4(e)、4(f)和4(g)是沿着图4(h)中的线A-A剖取的剖视图，它们示出了根据本发明第四实施例的压力传感器的各个加工步骤；
图4(h)是第四实施例的压力传感器的平面图；
图5(a)、5(b)、5(c)、5(d)、5(e)、5(f)和5(g)是沿着图5(h)中的线A-A剖取的剖视图，它们示出了根据本发明第五实施例的压力传感器的各个加工步骤；
图5(h)是第五实施例的压力传感器的平面图；
图6(a)、6(b)、6(c)、6(d)、6(e)、6(f)和6(g)是沿着图6(h)中的线A-A剖取的剖视图，它们示出了根据本发明另一实施例的压力传感器的各个加工步骤；
图6(h)是该实施例的压力传感器的平面图；
图7(a)、7(b)、7(c)、7(d)、7(e)、7(f)和7(g)是沿着图7(h)中的线A-A剖取的剖视图，它们示出了一传统压力传感器的各个加工步骤；
图7(h)是按图7(a)、7(b)、7(c)、7(d)、7(e)、7(f)和7(g)中所示各步骤所生产的传统压力传感器的平面图；
现请参见各附图，其中相同的标号表示相同的部件。特别请参见图1(h)，其中示出了根据本发明第一实施例的压力传感器。图1(a)至1(g)示出了制造过程的各个步骤。
该压力传感器是设计成能将施加于隔膜的静压或动压转换成相应的电信号，它包括：由单晶硅材料制成的基板100、空腔141、通过将杂质扩散入基板100而具有导电性的第一导电层110、由第一导电层110的一部分形成的固定电极111、第一绝缘层120、由第二导电层160的一部分形成的可动电极161、以及孔190。
该压力传感器还包括第一隔膜层150、第二隔膜层170和第二导电层160。第一隔膜层150是用绝缘材料制成，并形成在空腔141的上方。第二导电层160形成在第一隔膜层150上。第二隔膜层170是用绝缘材料制成，并形成在第二导电层160上。第一、第二隔膜层150、170与第二导电层160一起构成了隔膜。
固定电极111通过固定电极引线112、固定电极下部连接端子113以及固定电极连接孔172引至固定电极输出端子182。固定电极输出端子182是由第三导电层180的一部分形成。固定电极引线112和固定电极下部连接端子113均借助第一导电层110的毗连部分来形成。固定电极连接孔172形成在固定电极下部连接端子113上。
可动电极161通过可动电极引线162、可动电极下部连接端子163以及可动电极连接孔171引至可动电极输出端子181。可动电极输出端子181是由第三导电层180的一部分形成。可动电极引线162和可动电极下部连接端子162均借助第二导电层160的毗连部分来形成。可动电极连接孔171形成在可动电极下部连接端子163上。
在制造上述压力传感器时，如图1(a)所示，先将杂质扩散到单晶硅基板100上表面的预定区域内，以形成固定电极111、固定电极引线112和固定电极下部连接端子113，然后在基板100的整个上表面上形成用氧化硅制成的第一绝缘层120。
如图1(b)所示，在第一绝缘层120的整个表面上形成一例如聚酰亚胺之类的有机物层，随后，将有机物层的外周去除，形成一用来在以后步骤中形成空腔141的圆形牺牲层140。
如图1(c)所示，将由氮化硅制成的第一隔膜层150形成在基板100上表面的上方。将由铬制成的第二导电层160形成在第一隔膜层150上。将第二导电层160的预定部分去除，以形成可动电极161、可动电极下部连接端子163、以及将可动电极161连接于可动电极下部连接端子163的可动电极引线162。
接着，如图1(d)所示，将由氮化硅制成的第二隔膜层170形成在基板100的上表面上。
如图1(e)所示，有若干个孔穿过第二隔膜层170延伸至固定电极下部连接端子113和可动电极下部连接端子163。第三导电层180形成在第二隔膜层170上，随后，将第三导电层180的预定部分去除而形成可动电极输出端子181和固定电极输出端子182。可动电极输出端子181通过可动电极连接孔171连接于可动电极下部连接端子163。固定电极输出端子通过固定电极连接孔172连接于固定电极下部连接端子113。
如图1(f)所示，在基板100的底部中心形成有通孔190，从图上看，该通孔垂直地穿过第一导电层110和第一绝缘层120。孔190是这样形成的，即，利用主要成分为六氟化硫(SF6)且由等离子激励的气体来去除基板100底部的硅，随后利用诸如氢氟酸之类的腐蚀液来去除第一绝缘层120中心部分的氧化硅。
如图1(g)所示，通过孔190注入主要成分为氧并由等离子激励的气体，借助这种干腐蚀法各向均匀地去除牺牲层140，从而在第一绝缘层120与第一隔膜层150之间形成空腔141。
下面将详细描述上述工艺所采用的材料和形成方法。
基板100是由用来形成半导体集成电路的硅片制成，这种材料在市场上很容易买到。第一导电层110包括一扩散部分，在该部分上形成有一电路，即，将例如磷和硼酸之类的杂质沉积到第一导电层110上的预定区域，在操作时，使杂质透过一掩膜(mask)，并使第一导电层110受到热处理，从而将每立方厘米的杂质浓度升高至1018至1020，以便增大预定区域内的导电率。第一绝缘层120是通过热氧化或采用等离子CVD装置在低温下形成。第二导电层160和第三导电层180是这样形成的，即，利用蒸着或溅射技术形成铬或铝的金属层，再用腐蚀剂去除未遮掩部分。
牺牲层140是用有机材料制成，这种材料便于用干腐蚀法去除，并且可以承受接下来在形成第一和第二隔膜层150和170(例如等离子CVD工艺)时的环境温度。在该实施例中，牺牲层是用聚酰亚胺制成。牺牲层140是这样形成的，即，利用旋转涂覆，借助聚酰亚胺前体形成一薄膜，利用一抗蚀剂掩膜和腐蚀液对该薄膜进行腐蚀，再使之受到热处理而进行聚合，或者，先使薄膜聚合，随后，在干腐蚀法中利用一金属掩膜或在湿腐蚀法中利用强碱溶液使薄膜最终形成所需的形状。
基板100内的通孔190是这样形成的，即，借助干腐蚀法，利用主要成分为六氟化硫且由等离子激励的气体，以及金属掩膜或氧化硅掩膜来进行。
该实施例的压力传感器的测量值如下所述。空腔141的直径和厚度分别是1800μm和5μm。通孔190的直径是100μm。包括第一和第二隔膜层150和170以及第二导电层160的隔膜厚度是2μm。
工作时，当有压力施加于隔膜外表面时，将导致隔膜向内变形。隔膜的变形度取决于作用在第一隔膜150内表面上的空腔141的内压力与作用在第二隔膜170外表面上的周围压力的差。所述变形将导致由形成在第二导电层160内的可动电极161和固定电极111构成的电容器的电容作为隔膜变形量的函数来变化。作用在隔膜背面的空腔141内的压力与作用在隔膜外表面上的压力的差可以通过测量电容值来确定。通过将空腔141内的压力保持在一个大大低于压力传感器的压力可测范围的值，就可以实现绝对压力的测量。例如，可以将整个压力传感器置于低压环境，并密封孔190，就可以进行测量。
由上可见，在该实施例的用来制造压力传感器的方法中，可以在不使用任何腐蚀液的情况下来去除牺牲层140，从而可避免因液体变干而产生的表面张力使隔膜损坏或变形。
通常，为了方便和经济地进行生产，是在一单个基板上形成多个传感器，这些传感器布置为矩阵形式并利用一分割锯来分隔。然而，当分割所采用的水变干时，会由于其表面张力的作用而使隔膜损坏或变形。为了避免该问题，如下所述，在该实施例中没有用冷却水之类的液体在单个基板上切割多个压力传感器。
假定在基板100上形成有多个布置成矩阵的相同的压力传感器。在图1(f)所示的步骤中，在形成孔190的同时，于两个相邻压力传感器之间的基板100的底部腐蚀出一个切割凹槽。在图1(g)所示的步骤之后，用一个附加的步骤对基板100施加机械压力，使切割凹槽裂开，从而将压力传感器相互分开。
如上所述，固定电极111、固定电极引线112和固定电极下部连接端子113是由设置在基板100上的、掺杂剂量相对较低的第一导电层110形成。然而，采用掺杂较多的基板，就可以直接在基板上形成固定电极111、固定电极引线112和固定电极下部连接端子113，无需形成第一导电层110。然而，在这种情况下，寄生装置的面积增大，即基板100的除固定电极111以外的导电部分增大，因而固定电极111的寄生电容增大。如果将固定电极111设置在电容测量电路的具有高阻抗的一端，将导致转换器(即压力传感器)的增益下降。然而，可以通过在电容测量电路的高阻抗的一端设置可动电极161来避免上述问题。在这种情况下，在压力传感器的外表面呈现高阻抗，由压力传感器周围物体产生的电力线将落在可动电极161上，从而检测到不希望有的噪音信号，但这个问题可以通过在压力传感器周围安装一屏蔽罩壳来加以避免。
如上所述，该实施例的隔膜包括第一和第二隔膜层150和170以及夹设其间的第二导电层160。该结构的优点在于，第二导电层160没有直接暴露于其压力待测的气体，并且便于调整隔膜的应力和热膨胀系数。然而，隔膜也可以由第二导电层160与第一和第二导电层150和170的其中之一来组成。如果省略第一隔膜层150，形成在固定电极111上的第一绝缘层120可以防止可动电极161相对固定电极111形成短路。
第二隔膜层170是用绝缘材料制成，但也可以用导电材料制成，以便起到与第二导电层160和第三导电层180相同的作用。在这种情况下，必须使可动电极的输出端子181与固定电极的输出端子182相互电绝缘。
在该实施例中，是用干腐蚀法将牺牲层140各向均匀地全部去除，但也可以在空腔141的内侧壁上局部地留下一些牺牲层，以便沿着隔膜的外周提供机械强度均匀的支承，从而使整个隔膜的变形量变得均匀。这可以很方便地通过形成一个对准牺牲层140中心的通孔190，并控制干腐蚀步骤的时间来实现。
如图1(f)所示，孔190穿过第一绝缘层120的中心，但是穿过第一绝缘层120的工作也可以在如图1(a)所示的第一绝缘层120的形成步骤中来进行。
如上所述，孔190是这样形成的，即，用金属掩膜或氧化硅掩膜覆盖基板100的中心，借助主要成分为六氟化硫且由等离子激励的气体对其进行腐蚀，这种腐蚀具有方向性，是沿垂直方向来形成孔190，但也可以采用另一种能各向均匀地形成孔190的干腐蚀法。此外，还可以采用湿腐蚀法来形成孔190，即利用氮化硅掩膜和强碱溶液，或者是氢氟酸和硝酸的混合物。采用强碱溶液将导致在基板100上留下硅晶格的一个(111)晶面。因此，除了当采用能进行各向均匀腐蚀的氢氟酸和硝酸混合物的情况以外，需要将基板100的表面设定为(100)晶面或(110)晶面。
采用各向均匀腐蚀将导致基板100被水平和垂直地腐蚀，这样会损害对孔190的靠近牺牲层140那一部分的直径的控制能力，因而适于孔190的直径大于基板100厚度的情况。在晶体取向腐蚀中，对基板100的水平腐蚀尤其取决于硅的晶体取向。因此，如果将基板100的晶体取向限定在(100)晶面上，则将会导致留下一个相对于基板100的表面成大约55°的晶面，因而需要较大尺寸的掩膜来形成孔190，其直径与各向均匀腐蚀所形成的孔190相同。这意味着该晶体取向腐蚀不能适用于将在以下实施例中描述的于基板内形成多个通孔的情况。
图2(h)示出了根据本发明第二实施例的压力传感器。图2(a)至图2(g)示出了其制造步骤。
根据该实施例的压力传感器与第一实施例的不同之处在于，第一导电层210是通过将导电材料沉积到形成于基板200整个上表面的第一绝缘层120上而形成的，在基板200的底部形成有多个通孔290。
该压力传感器包括：由单晶硅材料制成的基板200、空腔141、第一绝缘层120、由具有高导电性的金属制成的第一导电层210、由位于空腔141内的平面区域上的第一导电层210的一部分所形成的固定电极211、由位于空腔141上的第一隔膜层150之平面区域上的第二导电层160的一部分所形成的可动电极161、垂直伸入空腔141的通孔290、以及牺牲层140。
隔膜包括由绝缘材料制成的第一隔膜层150、第二导电层160、以及由绝缘材料制成的第二隔膜层170。
固定电极111通过固定电极引线212、固定电极下部连接端子213、以及固定电极连接孔172引至由第三导电层180的一部分形成的固定电极输出端子182，固定电极引线212和固定电极下部连接端子213都是由第一导电层210的一部分形成。可动电极161通过由第二导电层160的一部分所形成的可动电极引线162、可动电极下部连接端子163、以及可动电极连接孔171引至由第三导电层180的一部分所形成的可动电极输出端子181。
在制造该压力传感器时，如图2(a)所示，用氧化硅在基板200的上表面上形成第一绝缘层。接着，将一种导电材料沉积到第一绝缘层120上而形成固定电极211、固定电极引线212、以及固定电极下部连接端子213。
如图2(b)所示，在基板200的整个上表面上形成一个有机物层，例如聚酰亚胺，随后，将该有机物层的周边去除而形成圆形的牺牲层140。
如图2(c)所示，在基板100的上表面上形成一个由氮化硅制成的第一隔膜层150。在第一隔膜层150上形成了由铬制成的第二导电层160。将第二导电层160的预定部分去除而形成可动电极161、可动电极下部连接端子163、以及将可动电极161连接于可动电极下部端子163的可动电极引线162。
接着，如图2(d)所示，在基板200的整个表面上形成一个由氮化硅制成的第二隔膜层170。
如图2(e)所示，穿过第二隔膜层170，分别形成了延伸至固定电极下部连接端子213和可动电极下部连接端子163的孔。第三导电层180形成在第二隔膜层170的上方，随后，将第三导电层180上的预定部分区域而形成可动电极输出端子181和固定电极输出端子182。可动电极输出端子181通过可动电极连接孔171连接于可动电极下部连接端子163。固定电极输出端子182通过固定电极连接孔172连接于固定电子下部连接端子213。
如图2(f)所示，在基板200的底部设置了多个通孔290，它们以规定的间隔相互隔开，如图所示的那样透过第一绝缘层120和第一导电层210进入牺牲层140。各孔290是这样形成的，即，利用主要成分为六氟化硫(SF6)且由等离子激励的气体来去除基板200的硅，随后，利用氢氟酸之类的腐蚀液来去除第一绝缘层120的的氧化硅，并对第一导电层的材料进行腐蚀。
如图2(g)所示，通过注射主要成分为氧且由等离子激励的气体来进行各向均匀的干腐蚀，从而在第一导电层210与第一隔膜层150之间形成空腔141。从该附图中清楚可见，可以通过对腐蚀时间加以控制而留下牺牲层140的外周部分，以便增大隔膜外周部分的机械强度。
上述各步骤中所用的材料和成形方法与第一实施例基本相同。具体地说，第一绝缘层120是用热氧化法，或利用等离子CVD装置在低温下形成。与第二导电层160和第三导电层180一样，第一导电层210是这样形成的，即，借助蒸着或溅射技术来形成铬或铝金属层，再利用腐蚀剂去除未遮掩的部分。
牺牲层140是用有机材料制成，这种材料在干腐蚀时很容易去除，并且能承受在形成第一和第二隔膜层150和170的下个步骤(例如等离子CVD工艺)时的环境温度。
如上所述，基板200内的垂向通孔290是这样形成的，即，借助干腐蚀法，利用其主要成分为六氟化硫(SF6)且由等离子激励的气体、以及金属掩膜或氧化硅掩膜来实现。牺牲层140的去除过程是从牺牲层140的一部分开始各向均匀地或径向地进行，包含在氧等离子体内的氧离子团通过各孔290之一施加于所述部分。要加快该步骤就需要增大通孔290在单位面积上的密度。因此，建议将每相邻两个通孔290布置成相互间隔。也可以将通孔290布置成一方形矩阵。
通常，填入空腔141的气体(例如当借助该压力传感器来测量压力差时所采用的测量气体或惰性气体)可产生粘性阻滞，这样就会对隔膜的移动产生不希望有的迟滞，但是这种粘性阻滞可以通过改变通孔290的数量来控制。因此，本实施例之压力传感器的结构可以增大对隔膜振动特性加以调节的自由度。
下面将描述根据第二实施例的压力传感器的测量值。空腔141的直径和厚度分别是1800μm和5μm。通孔290的直径和数量分别是100μm和50个。由第一和第二隔膜层150和170以及第二导电层160组成的隔膜的厚度是2μm。
由于该实施例的压力传感器的工作情况与第一实施例相同，因而不再赘述。
如上所述，第二隔膜层170可以由绝缘材料制成，但是也可以由导电材料制成，以便起到与第二导电层160和第三导电层180相同的作用。在这种情况下，需要使可动电极输出端子181与固定电极输出端子182电绝缘。
各孔290是在图2(f)所示的步骤中穿过第一绝缘层120和第一导电层210而形成的，但是这样的穿透也可以是在如图2(a)所示的形成第一绝缘层120和第一导电层210的同时进行。
基板200是由硅制成，但也可以由允许形成垂直孔290的其它任何材料制成，因为它不像第一实施例那样具有扩散层。
图3(h)示出了根据本发明第三实施例的压力传感器。图3(a)至图3(g)示出了其制造步骤。
根据该实施例的压力传感器与第二实施例的不同之处仅在于，第二绝缘层330是形成在第一导电层210上，隔膜仅包括一由导电材料制成的隔膜层350。
该压力传感器包括：由单晶硅材料制成的基板200、空腔141、形成在基板200上表面上的第一绝缘层120、由具有高导电性的金属制成的第一导电层210、第二绝缘层330、由位于空腔141内的第一导电层210的一部分所形成的固定电极211、第一隔膜层350、由位于空腔141之上的第一隔膜层150的一部分所形成的可动电极351、垂直伸入空腔141的通孔290、以及牺牲层140。
固定电极211通过固定电极引线212、固定电极下部连接端子213、以及固定电极连接孔332引至由第三导电层180的一部分所形成的固定电极输出端子182，固定电极引线212和固定电极下部连接端子213都是由第一导电层210的一部分形成。可动电极351通过由第一隔膜层350的一部分所形成的可动电极引线352和可动电极下部连接端子353引至由第三导电层180的一部分所形成的可动电极输出端子181。
在制造该压力传感器时，如图3(a)所示，首先是用氧化硅在基板200的上表面上形成第一绝缘层。接着，将一种导电材料沉积到第一绝缘层120上而形成固定电极211、固定电极引线212、以及固定电极下部连接端子213。
如图3(b)所示，在基板200的整个上表面上形成一个由氧化硅制成的第二绝缘层330。
如图3(c)所示，在第二绝缘层330的整个上表面上形成一有机物层，例如聚酰亚胺，随后，将该有机物层的外周去除而形成圆形的牺牲层140。
如图3(d)所示，第一隔膜层350是用铝合金覆盖在牺牲层140上形成的，随后再将第一隔膜层350的若干预定部分去除而形成可动电极351、可动电极下部连接端子353、以及将可动电极351连接于可动电极下部端子353的可动电极引线352。
如图3(e)所示，穿过第二绝缘层330，形成了一个延伸至固定电极下部连接端子213的孔。将第三导电层180形成在基板200的整个上表面上，随后，将第三导电层180上的预定部分去除而形成覆盖所述孔的可动电极输出端子181和固定电极输出端子182。
如图3(f)所示，在基板200的底部设置了多个通孔290，从图上看，它们穿过第一绝缘层120、第一导电层210和第二绝缘层330后进入牺牲层140。各孔290是这样形成的，即，利用主要成分为六氟化硫(SF6)且由等离子激励的气体来去除基板200的硅，随后，利用氢氟酸之类的腐蚀液来去除第一绝缘层120的氧化硅，利用合适的腐蚀液去除第一导电层210，利用氢氟酸之类的腐蚀液去除第二绝缘层330的氧化硅。
如图3(g)所示，通过将主要成分为氧且由等离子激励的气体注入孔290来进行各向均匀的干腐蚀来去除牺牲层140，从而在第二绝缘层330与第一隔膜层350之间形成空腔141。从图中清楚可见，可以通过对腐蚀时间加以控制而留下牺牲层140的外周部分，以便增大隔膜外周部分的机械强度。
上述各步骤中所用的材料和成形方法与上述第二实施例基本相同，因而不再赘述。
第二绝缘层330是形成在第一导电层210上，但也可以将它直接设置在第一隔膜层350下方。在这种情况下，在牺牲层140形成之后，沉积一绝缘层，然后再形成第一隔膜层350。可以设置作为第二隔膜层的绝缘层，以便与第一隔膜层350一起形成隔膜。
第一隔膜层350是由铝合金制成，但也可以由扩散有杂质的多晶硅材料制成，其机械性能和导电性使其足以用作隔膜。
各孔290是在图3(f)所示的步骤中穿过第一绝缘层120、第一导电层210和第二绝缘层33而形成的，但是这样的穿透也可以是在如图3(a)和3(b)所示的形成第一绝缘层120、第一导电层210和第二绝缘层330的同时进行。
基板200是由硅制成，但也可以由允许通孔290垂直形成的其它任何材料制成。
图4(h)示出了根据本发明第四实施例的压力传感器。图4(a)至图4(g)示出了其制造步骤。
根据该实施例的压力传感器是第一实施例的变型，它们的不同之处仅在于：牺牲层140范围内的每个层的一部分都呈波纹状，以便调节该压力传感器对外加压力的响应特性；将牺牲层140的外周部分留下来，以便增大由第一和第二隔膜层150和170以及第二导电层160组成之隔膜的外周部分的机械强度。其它方面都是一样的，因而不再赘述。也可以将牺牲层140全部去除。
在制造该压力传感器时，使基板100的上表面受到干腐蚀，以便在设有牺牲层140的中心区域内同轴地形成若干个浅凹槽405。凹槽405的深度可以是例如几个μm。凹槽405可以这样来形成，即，将一金属掩膜或一氧化硅掩膜覆盖在基板100的上表面上，然后用含有六氟化硫(SF6)且由等离子激励的气体对其进行腐蚀
接下来的步骤与第一实施例基本相同。具体地说，如图4(a)所示，将杂质轻微地扩散到基板100上表面的预定区域内，以形成固定电极111、固定电极引线112和固定电极下部连接端子113，然后在基板100的整个上表面上形成用氧化硅制成的第一绝缘层120。第一绝缘层120的厚度是1μm，该第一绝缘层120随着凹槽405的图案形成波纹状。
如图4(b)所示，在第一绝缘层120的整个表面上形成一例如聚酰亚胺之类的有机物层，随后，将有机物层的外周去除而形成牺牲层140。在此过程中，牺牲层140的形成材料聚酰亚胺前体流入凹槽405，从而填平第一绝缘层120的表面，但它会在热处理的作用下发生聚合而使其体积缩小50至70％，因而会在牺牲层140的上表面上形成比凹槽405略小的波纹。
如图4(c)所示，将由氮化硅制成的第一隔膜层150形成在基板100上表面的上方。将由铬制成的第二导电层160形成在第一隔膜层150上。将第二导电层160的预定部分去除，以形成可动电极161、可动电极下部连接端子163、以及将可动电极161连接于可动电极下部连接端子163的可动电极引线162。在第一隔膜层150和第二导电层160上形成随着牺牲层140上的波纹图案的波纹。
接着，如图4(d)所示，将由氮化硅制成的第二隔膜层170形成在基板100的上表面上。在第二隔膜层170的表面上形成有与第二导电层160相吻合的波纹。
如图4(e)所示，有若干个孔穿过第二隔膜层170分别延伸至固定电极下部连接端子113和可动电极下部连接端子163。第三导电层180形成在第二隔膜层170上，随后，将第三导电层180的预定部分去除而形成可动电极输出端子181和固定电极输出端子182。
如图4(f)所示，在基板100的底部中心形成有通孔190，其形成方式与第一实施例相同。
如图4(g)所示，通过将主要成分为氧并由等离子激励的气体注入孔190，可以借助干腐蚀法各向均匀地去除牺牲层140，从而在第一绝缘层120与第一隔膜层150之间形成空腔141。通过控制腐蚀时间，可以将牺牲层140的外周部分留在隔膜的内周壁上。
如图所示，由第一和第二隔膜层150和170以及第二导电层160组成的隔膜是随着基板100上表面上凹槽405的图案而成波纹状。改变凹槽405的数量和/或尺寸，就可以调节隔膜的变形度(即隔膜柔性)，这对由可动电极161和固定电极111所组成的电容器在施加于隔膜的每个单位压力作用下的电容变化有影响。可以在基板100上表面上形成多个波纹来代替同轴凹槽405。
图5(h)示出了根据本发明第五实施例的变型，图5(a)至图5(g)示出了制造步骤的顺序。
本实施例之压力传感器是第三实施例的压力传感器的变型，其与第三实施例的不同之处在于，隔膜是像第四实施例那样形成为波纹状。其它方面都与第三实施例相同，因而不再赘述。
在制造该压力传感器时，如图5(a)所示，首先是用氧化硅在基板200的上表面上形成第一绝缘层。接着，将一种导电材料沉积到第一绝缘层120上而形成固定电极211、固定电极引线212、以及固定电极下部连接端子213。
如图5(b)所示，在基板200的整个上表面上形成一个由氧化硅制成的第二绝缘层330。
如图5(c)所示，在第二绝缘层330的整个上表面上形成一有机物层，例如聚酰亚胺，随后，将该有机物层的外周去除而形成牺牲层140。接着，用一金属掩膜覆盖牺牲层140的上表面，然后采用干腐蚀法，或采用借助强碱溶液的湿腐蚀法来形成同轴凹槽545，其深度为例如几个μm。
如图5(d)所示，第一隔膜层350是用铝合金覆盖在牺牲层140上形成的，随后再将第一隔膜层350的若干预定部分去除而形成可动电极351、可动电极下部连接端子353、以及将可动电极351连接于可动电极下部端子353的可动电极引线352。第一隔膜层350是随着牺牲层140上的凹槽545而成波纹状。
如图5(e)所示，穿过第二隔膜层330，形成了一个延伸至固定电极下部连接端子213的孔。将第三导电层180形成在基板200的整个上表面上，随后，将第三导电层180上的预定部分去除而形成可动电极输出端子181和固定电极输出端子182。
如图5(f)所示，在基板200的底部设置了多个通孔290，从图上看，它们垂直地穿过第一绝缘层120、第一导电层210和第二绝缘层120后进入牺牲层140。各孔290是这样形成的，即，利用主要成分为六氟化硫(SF6)且由等离子激励的气体来去除基板200的硅，随后，利用氢氟酸之类的腐蚀液来去除第一绝缘层120的氧化硅，利用合适的腐蚀液去除第一导电层210，利用氢氟酸之类的腐蚀液去除第二绝缘层的氧化硅。
如图5(g)所示，通过将主要成分为氧且由等离子激励的气体注入孔290来进行各向均匀的干腐蚀，从而在第二绝缘层330与第一隔膜层350之间形成空腔141。从图中清楚可见，可以通过对腐蚀时间加以控制而留下牺牲层140的外周部分，以便增大隔膜外周部分的机械强度。
如上所述，牺牲层140内的槽可以用干或湿腐蚀法来形成，但也可以用与在第一实施例中形成牺牲层140相同的方式来形成。可以在牺牲层140内形成多个波纹或同轴环形凸起来代替凹槽545。环形凸起可以用下列步骤来实现。首先，借助旋转涂覆，利用聚酰亚胺前体在牺牲层140上形成一薄膜。接着，溶剂略微变干。最后，将用来形成同轴凹槽的模具压向薄膜。
虽然上面已结合较佳实施例对本发明进行了描述以便更好的理解，但应该明白，本发明也可以在不偏离其原理的情况以各种方式来实现。因此，本发明应该包含所有可能的实施例和对所述实施例的变型，只要它们落入由所附权利要求书限定的本发明的范围内即可。
在第一至第五实施例中，可以在基板100或200内形成一个或多个凹槽，它们在空腔140内径向地延伸至孔190或290，以便降低空腔140内的空气粘度，从而便于空气流入孔190或290。这样就可以减小孔190或290的尺寸，或减少孔290的数量，从而使固定电极111或211的面积最大。例如，如图6(h)中的虚线所示，在形成槽405的同时，可以通过在图6(a)所示的第一步骤中形成相应的槽来形成八个在空腔140内沿径向延伸至孔190的槽400，其形成方式与槽405相同。图6(a)至图6(h)示出了与图4(a)至图4(h)基本相同的步骤，因而不再赘述。在第一至第五实施例中，各凹槽400是用干腐蚀或湿腐蚀的方法来形成，前者是采用主要成分为六氟化硫(SF6)且由等离子激励的气体以及金属掩膜或氧化硅掩膜来进行，后者是采用强碱溶液和氮化硅掩膜来进行。在湿腐蚀中采用强碱溶液将导致在基板100或200的硅晶格内留下一(111)晶面。因此，必须在基板100或200的表面上呈现(100)晶面或(110)晶面。
如图6(g)所示，可以在基板100的所有各层上形成圆形凹槽或波槽406，它们围绕由第一、第二隔膜层150、170和第二导电层160组成的隔膜。从图上看，各波槽406向下凸伸并嵌入相邻凹槽，从而可以加强将隔膜支承在基板100的边缘(即，围绕隔膜的所有各层的周边部分)的机械强度，这将增强隔膜相对于基板100表面的粘连。因此，可以使当隔膜受压时产生的作用在隔膜周边以及基板100表面上的剪切力所造成的隔膜移动程度变得最小。如图6(a)所示，可以在形成405的同时，通过在基板100上形成圆形凹槽500来形成波槽406，其形成方式与凹槽405相同。也可以在第一至第五实施例中的任何一个实施例中形成波槽406。
基板100和200是由杂质浓度均匀的硅基板制成，但也可以采用这样的基板，在该基板上预先形成有电路元件，包括可用来测量固定和可动电极之间的电容的检测器。这样就使导电层上用来接线的面积最小，从而减小寄生电容，提高检测器对电容变化的灵敏度。
可以形成一覆盖固定和可动电极的惰性绝缘层，以便使它们与周围气体绝缘。例如，可以将它设置在隔膜范围内。然而，在这种情况下，必须考虑整个隔膜的机械强度。也可以形成覆盖整个压力传感器的惰性绝缘层。

Claims (30)

1.一种压力转换器，包括：
一基板，它具有一第一表面和一与该第一表面相对的第二表面；
一固定电极，它形成在所述基板的第一表面上；
一隔膜，其外周部分连接于所述基板的第一表面，从而在所述基板的中部和所述固定电极之间形成一空腔，所述隔膜具有一通过所述空腔与所述固定电极相对的可动电极，该可动电极可以响应外加压力而变形，以使所述可动电极与所述固定电极之间的距离作为外加压力的函数来变化；以及
一形成在所述基板内的孔，它从所述第二表面延伸至所述空腔。
2.如权利要求1所述的压力转换器，其特征在于，它还包括形成在所述基板内并从所述第二表面延伸至所述空腔的若干个孔，这些孔是布置成这样，即，每两个相邻的孔以一定的间隔分开设置。
3.如权利要求1所述的压力转换器，其特征在于，所述隔膜是波纹形的。
4.如权利要求3所述的压力转换器，其特征在于，所述隔膜具有多个同轴形成的波形部分。
5.如权利要求1所述的压力转换器，其特征在于，它还包括一形成在所述基板的第一表面内的凹槽，该凹槽处在空腔范围内，并通向所述孔。
6.如权利要求1所述的压力转换器，其特征在于，它还包括一设置在所述空腔内的隔膜支承件，该支承件与所述隔膜的外周部的内壁接触。
7.如权利要求1所述的压力转换器，其特征在于，所述基板是由具有若干个集成电路元件的半导体基板制成，所述集成电路元件可以形成一个用来测量所述固定与可动电极之间电容的检测器。
8.如权利要求1所述的压力转换器，其特征在于，所述隔膜是用无机材料制成。
9.如权利要求8所述的压力转换器，其特征在于，所述无机材料是硅与氧或氮的化合物。
10.如权利要求1所述的压力转换器，其特征在于，所述隔膜具有一形成在其周边部分的波形部分，该波形部分延伸至所述基板的第一表面，以便加强所述隔膜与所述基板第一表面的粘连。
11.如权利要求1所述的压力转换器，其特征在于，所述基板具有一形成在其第一表面的凹槽，所述隔膜的外周部分伸入所述凹槽，以便加强所述隔膜与所述基板第一表面的粘连。
12.一种用来制造压力转换器的方法，包括如下步骤：
制备一具有一第一表面和一与该第一表面相对的第二表面的基板；
在所述基板的第一表面上形成一固定电极；
在所述固定电极上形成一牺牲层；
在所述牺牲层上形成一个由绝缘材料制成的隔膜层；
在所述基板内形成一个从所述基板的第二表面延伸至所述牺牲层的孔；以及
借助干腐蚀法，将气体注入所述孔以去除所述牺牲层而形成一空腔，以使所述隔膜层可响应外加压力而发生变形。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，它还包括如下步骤：在所述基板的第一表面上形成至少一个波形部分。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，它还包括如下步骤：在所述牺牲层的一个表面上形成至少一个波形部分。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基板是由具有若干个集成电路元件的半导体基板制成，所述集成电路元件可以形成一个用来测量所述固定与可动电极之间电容的检测器。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述隔膜是用无机材料制成，而所述牺牲层是用有机材料制成。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述隔膜是由一种硅与氧或氮的化合物制成的。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述牺牲层是用聚酰亚胺制成。
19.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述牺牲层的去除工作是借助干腐蚀法，利用氧等离子来实现的。
20.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述气体注入步骤是这样的，即，在去除所述牺牲层时留下所述牺牲层的外周部分。
21.一种用来制造压力转换器的方法，包括如下步骤：
制备一具有一第一表面和一与该第一表面相对的第二表面的基板；
在所述基板的第一表面上形成一固定电极；
在所述固定电极上形成一绝缘层；
在所述绝缘层上形成一牺牲层；
在所述牺牲层上形成一个由导电材料制成的隔膜层；
在所述基板内形成一个从所述基板的第二表面延伸至所述牺牲层的孔；以及
借助干腐蚀法，将气体注入所述孔以去除所述牺牲层而形成一空腔，以使所述隔膜层可响应外加压力而发生变形。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，它还包括如下步骤：在所述基板的第一表面上形成至少一个波形部分。
23.如权利要求19所述的方法，其特征在于，它还包括如下步骤：在所述牺牲层的一个表面上形成至少一个波形部分。
24.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述基板是由具有若干个集成电路元件的半导体基板制成，所述集成电路元件可以形成一个用来测量所述固定与可动电极之间电容的检测器。
25.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述隔膜是用无机材料制成，而所述牺牲层是用有机材料制成。
26.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述隔膜是用由硅与氧或氮的化合物制成的。
27.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述牺牲层是用聚酰亚胺制成。
28.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述牺牲层的去除工作是借助干腐蚀法，利用氧等离子来实现的。
29.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述气体注入步骤是这样的，即，在去除所述牺牲层时留下所述牺牲层的外周部分。
30.一种采用单块基板来制造多个压力传感器的方法，包括如下步骤：
制备一具有一第一表面和一与该第一表面相对的第二表面的单块基板；
在所述基板的第一表面上形成若干个固定电极；
在每个所述固定电极上形成一牺牲层；
在每个所述牺牲层上形成一由绝缘材料制成的隔膜层；
在所述基板内形成一个从所述基板的第二表面延伸至每个所述牺牲层的孔；
在相邻的两个压力转换器之间形成一切割槽，以便将各压力传感器相互分开；以及
借助干腐蚀法，将气体注入所述孔以去除所述牺牲层而形成一空腔，以使所述隔膜层可响应外加压力而发生变形。
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