CN217276593U - 电容式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了电容式压力传感器，属于传感器技术领域，电容式压力传感器包括第一导电层、第二导电层和专用集成电路；第一导电层，包括第一电极；第二导电层，包括第二电极；专用集成电路，用于处理第一电极和第二电极产生的电信号；第二导电层、第一导电层和专用集成电路集成在同一衬底上，第一电极设置在第二电极和专用集成电路之间。本实用新型通过在同一衬底上形成MEMS电容式压力传感器和专用集成电路，实现第一电极、第二电极和专用集成电路的在单片衬底上的片上集成。

Description

电容式压力传感器

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，具体涉及电容式压力传感器。

背景技术

MEMS压力传感器是发展最早、市场占有率极大的微机电传感器，被广泛应用于消费电子、医疗、汽车、工控等领域。压阻式压力传感器和电容式压力传感器是MEMS压力传感器的两种类型。

其中，压阻式压力传感器具有高灵敏度、低功耗、高线性度等优点，但是其最大的缺点是温漂，对温度敏感，因为其电阻是采用半导体掺杂工艺形成，极容易受温度影响；而电容式压力传感器等与压阻式相比，其最大的优点是低温漂，因为其通过检测两个极板之间的电容变化输出信号，其温漂远低于压阻。

因此，在一些对温度稳定性要求苛刻的应用下，如高度计、无人机等，通常会采用电容式压力传感器。

压力传感器芯片需要与信号处理电路(ASIC，专用集成电路)形成电信号传输，从而实现对压力传感器芯片信号处理，实现模拟输出、数字输出等。

对于电容式压力传感器而言，需要将一颗电容式MEMS压力芯片和一颗ASIC芯片进行封装，通常有两种封装方式：

1)MEMS和ASIC并列放着，两者用固晶胶粘接至基板上，通过引线键合互连，这样的封装尺寸偏大，且基板、固晶胶及MEMS芯片直接材料热膨胀系数失配，会对性能产生影响；

2)MEMS和ASIC堆叠放置，MEMS置于ASIC之上，且MEMS采用固晶胶粘接至ASIC上，而后MEMS进行引线键合至ASIC上，为保证厚度要求，通常对MEMS进行减薄。此种封装尺寸可以变小，但是工序比第一种多，同样的，堆叠封装的各层材料之间的热膨胀系数不一致，很容易导致应力产生，传递至MEMS上，从而影响性能输出。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的在于提供电容式压力传感器，形成MEMS电容式压力传感器和信号处理电路的片上集成。

技术方案：为实现上述实用新型目的，本实用新型提供电容式压力传感器，包括：

第一导电层、第二导电层和专用集成电路；

所述第一导电层，包括第一电极；

所述第二导电层，包括第二电极；

所述专用集成电路，用于处理所述第一电极和所述第二电极产生的电信号；

所述第二导电层、所述第一导电层和所述专用集成电路集成在同一衬底上；

所述第一电极设置在所述第二电极和所述专用集成电路之间。

在一些实施例中，在所述第一导电层上设置钝化层。

在一些实施例中，在所述第二导电层和所述第一导电层之间设置绝缘介质层，在所述绝缘介质层中设置窗口区域，所述窗口区域位于所述第一电极和所述第二电极之间。

在一些实施例中，所述绝缘介质层包括接触所述第一导电层的第二绝缘介质层b和接触所述第二导电层的第三绝缘介质层b，所述第三绝缘介质层b和所述第二绝缘介质层b连接。

在一些实施例中，所述专用集成电路包括输出焊盘和至少两个输入端子，一个所述输入端子与所述第二导电层互连，另一个所述输入端子和所述第一导电层互连。

在一些实施例中，所述第二导电层的导电介质层，通过所述第一导电层的导电介质层与一个所述输入端子互连；所述第一导电层的导电介质层，与另一个所述输入端子互连。

在一些实施例中，所述第二导电层包括第三导电介质层b和第三导电介质层c，所述第三导电介质层b和第三导电介质层c互连；所述第一导电层包括第二导电介质层a、第二导电介质层b和第二导电介质层c；所述输入端子包括第一导电介质层a和第一导电介质层c，所述输出端子包括第一导电介质层d；所述第三导电介质层c通过所述第二导电介质层a与所述第一导电介质层a互连；所述第二导电介质层b和所述第一导电介质层c互连；所述第二导电介质层c与所述第一导电介质层d互连；所述第一电极包括所述第二导电介质层b，所述第二电极包括所述第三导电介质层b。

在一些实施例中，所述第二导电介质层a、第二导电介质层b和第二导电介质层c相互之间电绝缘。

在一些实施例中，所述第一电极包括所述第二导电介质层b，所述第二电极包括所述第三导电介质层b，在所述第二导电介质层b和所述第三导电介质层b之间设置窗口区域。

在一些实施例中，在所述第二导电介质层c上方设置第三窗口，所述第三窗口露出位于所述第二导电介质层c上的引脚焊盘。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型的电容式压力传感器，包括第一导电层、第二导电层和专用集成电路；第一导电层，包括第一电极；第二导电层，包括第二电极；专用集成电路，用于处理第一电极和第二电极产生的电信号；第二导电层、第一导电层和专用集成电路集成在同一衬底上，第一电极设置在第二电极和专用集成电路之间。本实用新型通过在同一衬底上形成MEMS电容式压力传感器和专用集成电路，实现第一电极、第二电极和专用集成电路的在单片衬底上的片上集成，同时，通过将第一电极设置在第二电极和专用集成电路之间，实现第一电极、第二电极和专用集成电路分层设置，互相独立，专用集成电路加工结束后，可以在MEMS工艺平台上加工第一电极,第一电极的材料将不受限于铝，可以是一些金属材料或者复合金属材料，由于铝在一定温度下有蠕变和空洞的风险，因此本实用新型的电容式压力传感器可靠性更高。

附图说明

下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本实用新型的第一衬底的导电介质层结构示意图；

图2为电容式压力传感器第一电极的结构示意图；

图3为钝化层的结构示意图；

图4为第二绝缘介质层的结构示意图一；

图5为第二绝缘介质层的结构示意图二；

图6为本实用新型的第二衬底的导电介质层结构示意图；

图7为本实用新型的第三导电介质层的结构示意图；

图8为刻蚀形成窗口的结构示意图；

图9为第一衬底和第二衬底键合的结构示意图；

图10为去除第一衬底的结构示意图；

图11为形成电容式压力传感器与专用集成电路的片上集成的结构示意图一；

图12为形成电容式压力传感器与专用集成电路的片上集成的结构示意图二；

图13为形成电容式压力传感器与专用集成电路的片上集成的结构示意图三；

附图标记：100-第一衬底、101-第一表面、102-第二表面、103-第一导电介质层a、104-第一导电介质层b、105-第一导电介质层c、106-第一绝缘介质层、107-第一通孔、108-第二通孔、109-第二导电介质层a、110-第二导电介质层b、111-第二导电介质层c、112-钝化层、113-第二绝缘介质层b、114-第一窗口、115-第三通孔、116-第一导电介质层d、117-第二绝缘介质层a；200-第二衬底、201-第三绝缘介质层a、202-第三导电介质层a、203-第三导电介质层b、204-第三导电介质层c、205-第三绝缘介质层b、206-第二窗口、207-第四通孔、208-沉积金属a、209-沉积金属b、210-第三窗口、211-引脚焊盘；2071-第四通孔a、2072-第四通孔b。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

电容式压力传感器，包括：

第一导电层、第二导电层和专用集成电路；

第二导电层相对于第一导电层移动，产生电信号；

专用集成电路，用于识别电信号；

第二导电层、第一导电层和专用集成电路集成在同一衬底上。

在一些实施例中，第一导电层设置在第二导电层和专用集成电路之间。

在一些实施例中，专用集成电路包括至少两个输入端子，其中一个输入端子与第二导电层相连，用于识别第二导电层的电信号；另外一个输入端子和第一导电层相连，用于识别第一导电层的电信号。

在一些实施例中，第二导电层和第一导电层之间通过第四通孔207互连，第二导电层和其中一个输入端子之间通过第一通孔107互连，第一导电层和另一个输入端子之间通过第二通孔108互连。

在一些实施例中，专用集成电路包括至少一个输出焊盘，用于实现电信号输出。

在一些实施例中，输出焊盘通过第三通孔115与引脚焊盘211互连，用于专用集成电路处理过的电信号的输出。

在一些实施例中，第二导电层和第一导电层均分别通过绝缘介质层实现电绝缘。

在一些实施例中，第二导电层的绝缘介质层包括第三绝缘介质层a201和第三绝缘介质层b205，第三绝缘介质层a201和第三绝缘介质层b205分别从两个方向包裹第二导电层，实现电绝缘。

在一些实施例中，第一导电层的绝缘介质层包括第二绝缘介质层b113，在第一导电层上覆盖钝化层112，钝化层112位于第二绝缘介质层a117和第一导电层之间。

在一些实施例中，在第二导电层和第一导电层之间分别设置窗口区域，用于键合形成电容式压力传感器。

在一些实施例中，在第一衬底100上形成专用集成电路和第一导电层，包括：

在第一衬底100上形成专用集成电路，专用集成电路包括第一导电介质层，第一导电介质层包括至少两个输入端子和至少一个输出端子；

在至少两个输入端子和至少一个输出端子上形成第一绝缘介质层106；在第一绝缘介质层106上形成第二导电介质层；在第二导电介质层上形成钝化层，在钝化层上形成第二绝缘介质层；

在第二绝缘介质层上形成第一窗口114，第一窗口114位于第一电极上方。

在一些实施例中，第二导电介质层b110与一个输入端子互连，用于识别电信号。

在一些实施例中，第一衬底100包括第一表面101和第二表面102，第一表面101作为底面；

在第二表面102上设置专用集成电路的输入端子和输出端子，输入端子包括第一导电介质层a103和第一导电介质层c105，输出端子包括第一导电介质层d116；

在输入端子和输出端子上覆盖第一绝缘介质层106；第一绝缘介质层106，起保护第一导电介质层a103、第一导电介质层b104和第一导电介质层c105的作用；在第一绝缘介质层106上形成第一通孔107、第二通孔108和第三通孔115；在第一绝缘介质层106上形成第二导电介质层a109、第二导电介质层b110、第二导电介质层c111，其中，第二导电介质层b110作为第一电极；第二导电介质层a109和第二导电介质层b110电绝缘；

第二导电介质层b110通过第二通孔108与第一导电介质层c105互连，从而与第一衬底100上的专用集成电路进行互连；第二导电介质层a109通过第一通孔107与第一导电介质层a103互连，从而与第一衬底100上的专用集成电路互连；第一导电介质层d116通过第三通孔115与输出端口互连；

采用PECVD生长钝化层112，保护第二导电介质层a109、第二导电介质层b110、第二导电介质层c111；

在钝化层112上生长第二绝缘介质层a117，刻蚀形成第一窗口114，第一窗口114位于第二导电介质层b110上方。

在一些实施例中，在第二衬底200上形成第三绝缘介质层a201，在第三绝缘介质层a201上形成第三导电介质层，第三导电介质层形成第二导电层；在第二导电层上形成第三绝缘介质层b205，形成第二窗口206，第二窗口206位于第三导电介质层上方。

在一些实施例中，在第三绝缘介质层a201上形成第三导电介质层a202；对第三导电介质层a202刻蚀形成所需图形，形成第三导电介质层b203和第三导电介质层c204,第三导电介质层c204和第三导电介质层b203互连；第三导电介质层c204和第三导电介质层b203最终会构成电容式压力传感器的第二导电层；生长第三绝缘介质层b205，并刻蚀形成第二窗口206，第二窗口206位于第三导电介质层b203上方。

在一些实施例中，将第二衬底200与第一衬底100键合形成一体式结构；将第二导电层和第一导电层与专用集成电路的输入端子分别互连。

在一些实施例中，在第二导电介质层c111上方刻蚀出第三窗口210，第三窗口210位于引脚焊盘211上方，第一导电介质层d116通过第三通孔115与引脚焊盘211互连，用于封装引线键合。

在一些实施例中，去除一体式结构的第二衬底200，保留第二导电层，包括：采用化学机械抛光或刻蚀工艺去除第二衬底200，保留第三绝缘介质层a201。

请参照图1，提供第一衬底100，第一衬底100包括第一表面101和第二表面102；第一衬底100选自硅、氮化镓、砷化镓等；在第二表面102那一侧有第一导电介质层a103、第一导电介质层b104、第一导电介质层c105和第一导电介质层d116，可以是金属、也可以是掺杂多晶硅，典型为金属，起信号输出的作用。

第一导电介质层a103、第一导电介质层b104、第一导电介质层c105和第一导电介质层d116上覆盖有第一绝缘介质层106，第一绝缘介质层106可以是氧化硅、氮化硅等。

图1的结构构成专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，第一导电介质层a103、第一导电介质层b104、第一导电介质层c105和第一导电介质层d116是专用集成电路的输出接口，后续将与传感器的接口进行互连。第一绝缘介质层106，起保护第一导电介质层a103、第一导电介质层b104、第一导电介质层c105和第一导电介质层d116的作用。

请参照图2，在图1结构上的第一绝缘介质层106上形成第一通孔107、第二通孔108和第三通孔115，然后再形成第二导电介质层a109、第二导电介质层b110、第二导电介质层c111，第二导电介质层a109、第二导电介质层b110、第二导电介质层c111可以是金属、也可以是掺杂多晶硅，典型为金属。第二导电介质层b110构成了电容式压力传感器的第一导电层，第二导电介质层b110为固定电极，并通过第二通孔108与第一导电介质层c105互连，从而与第一衬底100上的专用集成电路进行互连。第二导电介质层a109通过第一通孔107与第一导电介质层a103互连，从而与第一衬底100上的专用集成电路(ASIC)进行互连。

请参照图3，在图2的结构上再生长一层钝化层112，典型为氮化硅，其保护第二导电介质层a109、第二导电介质层b110、第二导电介质层c111的作用。

请参照图4和图5，生长第二绝缘介质层a117，并刻蚀形成第一窗口114和第二绝缘介质层b113，第一窗口114位于第二导电介质层b110上方，第二绝缘介质层a117，可以是氧化硅、氮化硅等。在这里钝化层112也起了刻蚀自停止作用。

请参照图6，提供第二衬底200，其上表面有第三绝缘介质层a201，在第三绝缘介质层a201上有第三导电介质层a202；第三绝缘介质层a201通常是氧化硅，第三导电介质层a202是掺杂的多晶硅，目的是形成可动第二导电层。

请参照图7，对第三导电介质层a202刻蚀形成所需图形，形成第三导电介质层b203和第三导电介质层c204,第三导电介质层b203最终会构成电容式压力传感器的第二电极(可动敏感电极)，第三导电介质层c204是与第三导电介质层b203在别处互连(示意图上看不出)。在一些实施例中，第三导电介质层c204和第三导电介质层b203在同一层内局部互连。

请参照图8，生长第三绝缘介质层b205，并刻蚀形成第二窗口206，第二窗口206位于第三导电介质层b203上方，第三绝缘介质层b205，可以是氧化硅、氮化硅等。

请参照图9，将第一衬底100与第二衬底200进行键合，具体来说，将第二衬底200倒扣在第一衬底100的结构上。

在一些实施例中，第一衬底100与第二衬底200的尺寸一样。

在一些实施例中，第二绝缘介质层b113与第三绝缘介质层b205接触。

在一些实施例中，第二绝缘介质层b113与第三绝缘介质层b205的接触面积可以一样大，也可以不一样大，只要保证二者有合适的键合面积。

请参照图10，去除第一衬底100，可以采用化学机械抛光或刻蚀工艺，留下第三绝缘介质层a201。

请参照图11，刻蚀出第四通孔207，贯穿第三绝缘介质层a201、第三绝缘介质层b205、第二绝缘介质层b113和钝化层112；第四通孔207包括第四通孔a2071和第四通孔b2072。第四通孔a2071和第四通孔b2072的直径相同或者不同。请参照图11和图12，第四通孔b2072的直径大于第四通孔a2071的直径。请参照图13，第四通孔b2072的直径等于第四通孔a2071的直径。

金属沉积在第四通孔207内(沉积在第四通孔a2071中的金属为沉积金属b209，沉积在第四通孔b2072中的金属为沉积金属a208)，并与第三导电介质层c204互连，使得第三导电介质层b203作为可动敏感电极，与专用集成电路上的电极第一导电介质层a103互连，第二导电介质层b110通过第二通孔108与第一导电介质层c105互连，最终形成电容式压力传感器与专用集成电路的片上集成。

请参照图11，沉积金属a208突出于第四通孔b2072。请参照图12和图13，沉积金属a208与第四通孔b2072平齐。

另外，刻蚀出第三窗口210，第三窗口210位于引脚焊盘211上方，便于封装引线键合。

在一些实施例中，采用多层垂直互连的方式，第一导电介质层a103、第一导电介质层c105和第一导电介质层d116为专用集成电路的三个输入端子；第三导电介质层b203和第三导电介质层c204(相当于电容的上极板)通过沉积金属a208和沉积金属b209、第二导电介质层a109、第一通孔107与第一导电介质层a103互连；引脚焊盘211通过第三通孔115与第一导电介质层d116互连；第二导电介质层b110通过第二通孔108与第一导电介质层c105互连。

当压力作用在第三绝缘介质层a201的正上方时，第三导电介质层b203发生形变弯曲，第三导电介质层b203与固定电极第二导电介质层b110之间的电容间距发生变化，电容变化产生的电信号传递至专用集成电路上的第一导电介质层a103和第一导电介质层c105进入到专用集成电路内部进行信号处理，最终通过第一导电介质层d116进入引脚焊盘211输出。

在一些实施例中，专用集成电路有很多焊盘，其中两个焊盘需要互连电容的上下极板,用于识别电信号，例如第一导电介质层a103和第一导电介质层c105为专用集成电路的两个输入端子；还有一个焊盘，用于输出电信号，例如第一导电介质层d116，引脚焊盘211通过第三通孔115与第一导电介质层d116互连，实现电信号的输出；另外的输出焊盘是专用集成电路本身的输出焊盘；如第一导电介质层b104用作专用集成电路本身的输出焊盘，与外部设备互连。

本实用新型中，专用集成电路的上电极与第二导电介质层b110(电容的下电极)是独立的，两个电极之间通过第一绝缘介质层106隔离；专用集成电路加工结束后，可以在MEMS工艺平台上加工第二导电介质层b110,第二导电介质层b110的材料可以多种多样，可以是一些金属材料或者复合金属材料，不受限于铝，可靠性更高。同时，第四通孔207作为通孔电极，仅起连线的作用，将第二导电介质层b110(电容的下电极)连接至ASIC电路中，最终信号处理从引脚焊盘211引出。

本实用新型中，电容式MEMS压力传感器芯片和专用集成电路芯片制作工艺相互独立、对材料工艺选择相对自由，性能优异、可靠性高。且电容式MEMS压力传感器芯片和专用集成电路芯片集成在一起，避免了传统方式分立封装所带来的各层材料之间的热膨胀系数不匹配导致应力和温度影响传感器性能。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本实用新型实施例所提供的一种电容式压力传感器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例的技术方案的范围。

Claims (10)

1.电容式压力传感器，其特征在于，包括：

第一导电层、第二导电层和专用集成电路；

所述第一导电层，包括第一电极；

所述第二导电层，包括第二电极；

所述专用集成电路，用于处理所述第一电极和所述第二电极产生的电信号；

所述第二导电层、所述第一导电层和所述专用集成电路集成在同一衬底上；所述第一电极设置在所述第二电极和所述专用集成电路之间。

2.根据权利要求1所述电容式压力传感器，其特征在于，在所述第一导电层上设置钝化层（112）。

3.根据权利要求1所述电容式压力传感器，其特征在于，在所述第二导电层和所述第一导电层之间设置绝缘介质层，在所述绝缘介质层中设置窗口区域，所述窗口区域位于所述第一电极和所述第二电极之间。

4.根据权利要求3所述电容式压力传感器，其特征在于，所述绝缘介质层包括接触所述第一导电层的第二绝缘介质层b（113）和接触所述第二导电层的第三绝缘介质层b（205），所述第三绝缘介质层b（205）和所述第二绝缘介质层b（113）连接。

5.根据权利要求1所述电容式压力传感器，其特征在于，所述专用集成电路包括输出焊盘和至少两个输入端子，一个所述输入端子与所述第二导电层互连，另一个所述输入端子和所述第一导电层互连。

6.根据权利要求5所述电容式压力传感器，其特征在于，所述第二导电层的导电介质层，通过所述第一导电层的一个导电介质层与一个所述输入端子互连；所述第一导电层的另一个导电介质层，与另一个所述输入端子互连。

7.根据权利要求6所述电容式压力传感器，其特征在于，所述第二导电层包括第三导电介质层b（203）和第三导电介质层c（204），所述第三导电介质层b（203）和第三导电介质层c（204）互连；所述第一导电层包括第二导电介质层a（109）、第二导电介质层b（110）和第二导电介质层c（111）；所述输入端子包括第一导电介质层a（103）和第一导电介质层c（105），输出端子包括第一导电介质层d（116）；所述第三导电介质层c（204）通过所述第二导电介质层a（109）与所述第一导电介质层a（103）互连；所述第二导电介质层b（110）和所述第一导电介质层c（105）互连；所述第二导电介质层c（111）与所述第一导电介质层d（116）互连。

8.根据权利要求7所述电容式压力传感器，其特征在于，所述第二导电介质层a（109）、第二导电介质层b（110）和第二导电介质层c（111）相互之间电绝缘。

9.根据权利要求7所述电容式压力传感器，其特征在于，所述第一电极包括所述第二导电介质层b（110），所述第二电极包括所述第三导电介质层b（203），在所述第二导电介质层b（110）和所述第三导电介质层b（203）之间设置窗口区域。

10.根据权利要求7所述电容式压力传感器，其特征在于：在所述第二导电介质层c（111）上方设置第三窗口（210），所述第三窗口（210）露出位于所述第二导电介质层c（111）上的引脚焊盘（211）。

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