TW201531682A - 改良的壓力感測器結構 - Google Patents

Abstract

一種微機電壓力感測器結構，其包括一平面型基底、一側壁層及一膜片板。該側壁層形成從該平面型基底延伸至和該膜片板接觸的諸側壁。該側壁層是由至少三層所形成的，一第一層及一第二層的絕緣材料，及一第三層的導電材料，其中該第三層係介於該第一層及該第二層之間。該導電層提供有一在該絕緣側壁層中的屏蔽電極。此屏蔽電極經調適以用於減少對電容性測量結果之不希望有的作用。

Description

改良的壓力感測器結構

本案發明是有關一種微機電裝置，且特別是有關根據本案申請專利範圍之獨立項之前言的一種改良的壓力感測器結構及一種壓力感測器。

壓力是一種物理量，其相當於作用在一表面上之作用力對該表面之面積的比例。可被使用來作為測量該壓力之量規的裝置為一種壓力感測器。

微機電系統(或MEMS)可被界定為其中至少某些元件具有某種機械式功能性之小型化機械式及機電系統。由於MEMS裝置是以用於產生積體電路、微機械所使用工具之相同的工具所產生的，因此微電子元件可被建造在一片矽基上，以使各種不同類型的裝置成為可能。

圖1舉例說明一種用於感測壓力之微機電裝置的一範例式結構。微機電壓力感測器可包括有橫跨過一間隙12之一薄的膜片10，該間隙12包含有在一參考壓力下的揮發性材料。該膜片由於該參考壓力及該感測器周圍的環境壓力之間的差異而變形。藉由電容式或壓阻式感測，該膜片的位移可被轉換成一電信號。

一MEMS壓力感測器結構典型地係以具有圖案的材料層所 形成。一MEMS製造程序可能涉及層沉積、光學微影、蝕刻及晶圓黏結的組合。圖1顯示一微機電壓力感測器的範例式結構的側視圖及俯視圖。該範例式壓力感測器為一種絕對壓力感測器，其包括有由一平面型基底11及一側壁層13所形成的本體結構。由該側壁層13所形成的側壁延伸離開該平面型基底11，以形成一中空部，該中空部的深度相當於該側壁層13的厚度。在此特別類型的壓力感測器結構中，該中空部由一延伸在該側壁層13上的膜片板16氣密式地密封。該膜片板16延伸過該間隙之環周開口的一部分提供有一膜片10，該膜片10的周邊係由該開口所界定出的。該膜片10的一側暴露在該間隙的該參考壓力下，而另一側則暴露在環境壓力下。因此該膜片10是回應於該參考壓力及該環境壓力之間的一壓差而變形的。此變形的程度可被檢測出，例如是藉由在該間隙兩側配置電極而電容式地檢測出，並以該等電極將在該間隙之高度上變形引起的改變轉換成一電信號。

圖1之該感測器的一缺點為其提供了一跨越該側壁層13之並聯的電容。額外之並聯的電容傾向減低相對的靈敏度，削減1/C函數的線性，並增加該感測器的溫度依賴性。該結構亦提供有一跨越該側壁層13外緣之用於漏電流及雜散電容的路徑。此外緣係位在該感測器的外表面上，且可能會受到例如是安裝及保護材料、濕度及化學污染之外在條件的影響。此些作用可能會將變因部分帶給介於該膜片板16及該平面型基底11之間的整個電容，並因而在感測器進行壓力讀取測定時產生錯誤。

本案發明的目的為提供一種能排除或減輕至少前述缺點之一的壓力感測器結構。本案發明的目的係依據本案之申請專利範圍獨立項 之特徵部分以達成一種壓力感測器結構及一種壓力感測器。本案發明的較佳實施方式被揭示在附屬項申請專利範圍中。

本案所請發明界定有一種微機電壓力感測器結構，其包括有一平面型基底、一側壁層及一膜片板。該側壁層形成延伸離開該平面型基底而和該膜片板接觸的側壁。該側壁層係由至少三層所形成，由絕緣材料製成的一第一層及一第二層與由導電材料製成的一第三層，其中該第三層係介於該第一層及該第二層之間。

在該絕緣側壁層中的導電元件可被用作為一遮蔽電極，以顯著地減少對電容式測量結果所不希望的作用。

本案所請發明及其實施方式的特徵及優點以該等實施方式的詳細說明而更詳細地描述。

在以下，本案發明將結合較佳實施方式及參考隨附圖式而更詳細地說明，其中：圖1顯示一微機電壓力感測器之一範例式結構的一側視圖及一俯視圖；圖2A、2B圖示說明一微機電壓力感測器結構的一範例式實施方式；圖3A至3F圖示說明範例式電容性轉換器電路架構；圖4圖示說明一微機電壓力感測器結構的另一實施方式；圖5圖示說明一微機電壓力感測器結構的又一實施方式；圖6顯示一範例式膜片的相對彎曲；圖7圖示說明作為一尺度比之一函數之絕對電容變化的變動；圖8圖示說明作為相同之尺度比之一函數的一相對電容改變； 圖9圖示說明作為相同之尺度比之一函數之1/C特徵的非線性；圖10圖示說明包含有一微機電壓力感測器結構的一微機電壓力感測器。

以下之諸實施方式為範例式。雖然本說明書可能述及〝一〞、〝一個〞或〝一些〞實施方式，但此並不需意指此些各個係指相同的實施方式，或是該特徵僅運用於單一的實施方式。不同實施方式的單獨特徵可被組合來提出其他的實施方式。

在以下，本案發明的特徵會以一裝置構造的一簡單範例做說明，其中本案發明的不同實施方式可被實施。僅有相關說明本案實施方式的元件會被詳細說明。壓力感測器的各種不同的實施方式包括有熟習相關技術者通常會知道的元件，且可能不會在此特別說明。

該壓力感測器結構的實施方式應用參考圖1被更詳細討論的元件。圖1圖示說明一微機電壓力感測器之一範例式結構，並顯示該被圖示說明之感測器結構的一側視圖及一俯視圖。一絕對式壓力感測器典型地係合併有一從週遭環境氣密式地封閉開的間隙。在一差動式壓力感測器中，該膜片被暴露在二分別的壓力下。如果其他壓力是大氣壓力，則該差動式壓力感測器可被稱為一過壓感測器。如果其他壓力是另一已知的參考壓力，則該差動式壓力感測器可被稱為一關係型感測器。本案發明可被應用於任何類型之包括有該被主張權利之架構的絕對式或差動式壓力感測器結構。

圖1之該範例式壓力感測器結構為一種絕對式壓力感測 器。該被圖示說明之壓力感測器結構包括有由一平面型基底11及一側壁層13所形成的一本體結構。該平面型基底11可由一矽材料之晶圓所製造出，但是其他落在保護範圍內之導體、半導體、或絕緣材料可被應用。該平面型基底11亦可包括諸材料層。如同一範例，在該平面型基底之表面的一層可為導電性的，以作用為一電感性感測器的一電極。如同另一範例，該整個平面型基底可具有足夠高的導電性，以作用為一電極。該平面型基底11具有基本上沿著該平面型基底11之一表面延伸的一第一表面14。該用詞基本上於此意指該第一表面可載附有次要的表面結構(凸起或凹陷)，但是超過該表面區域的90%在容許公差內是對齊該平面型基底11的平面。

該側壁層13為一非連續的層，其提供有從該第一表面14延伸離開的側壁，具優點的是延伸於垂直該第一表面14的一方向，如同圖1中所顯示的。該側壁層離該第一表面14最遠的一表面為該側壁層的一頂部表面。該側壁層在非該間隙之另一側的一表面或諸表面為該側壁層的一外表面。該側壁層13被剛性地附接至該平面型基底11，並因而在其上面畫界出一開放空間。該側壁層13的該等側壁和該平面型基底11一起形成一中空部，其深度相當該等側壁的高度及該側壁層13的厚度。典型地，該側壁層係非常地薄，且因而該中空部是非常低的，是在微米等級，或甚至是小於一微米。習知的側壁層可能是電性絕緣材料，像是二氧化矽，但是其他的電性絕緣材料是可被應用的。在該範例式結構的該俯視圖中，該側壁層13的頂部表面19是以一從該虛線朝外延伸的矩形外緣被圖示說明。該虛線標示該等側壁的該等內表面，且此些內表面的頂部邊緣界定出由該平面型基底11及該側壁層13所形成之該中空部的一環周開口。

此中空部被延伸在該側壁層13上的該膜片板16氣密式地密封。該用詞膜片於此係指在其周緣被固定住之一彈性變形材料的薄膜。該膜片板16為一平面型物件，其提供給該感測器結構一膜片10且將該膜片固定在其周緣。該膜片板16可由一或多層材料層所製成。矽材料通常會至少被使用在該膜片板的一層中，但是其他的導體、半導體或絕緣體材料可在保護範圍內被應用。該膜片板16經由一第二表面18連接至該側壁層13，該第二表面18為一初始上是平行於該平面型基底11之該第一表面14的平面。應注意到該用詞初始上於此係指在該感測器之諸製造階段中之該等元件的尺寸。熟習相關技術者會了解到在該等感測器的操作期間，諸部件可能會自其等初始的平面形狀變形。

在圖1的結構中，該平面型基底11、該側壁層13及該膜片板16被附接至彼此，使得該第一表面14、該第二表面18及該側壁13的該等內表面形成包含有在一參考壓力下的揮發性材料之一氣密式封閉的間隙12。該間隙12可被排空成僅包含有少量的殘餘氣體，但其亦能被充填有在一被選定之參考壓力下的一種被選定的氣體或其他的揮發性材料。

該膜片板16延伸過該環周開口至該間隙12的一部分提供了該膜片10，該膜片10的外圍係由該開口所界定出的。該膜片10的變形可被電感式地檢測出，或替代式地以一依據壓阻式或類似應變計的方法被檢測出，該方法是藉由以併用之壓阻計或應變計電阻將在該膜片中之變形所引起的應力轉換成一電信號。被揭示在相關技術中且因而為熟習相關技術者所熟知的所有此些方法將不會在此說明書中被更詳細的討論。

圖1中之該感測器結構的一缺點為傾向有和該側壁13相關 聯的一大的固定電容。由於該側壁13係位在該膜片板的外圍，其面積相較於該彎曲之膜片10的面積是顯著的，其形成該感測器電容的壓力敏感部。該側壁13的絕緣材料亦具有一顯著的相對介電常數(在二氧化矽的情況下該常數為4)，其倍增和該側壁層13相關聯的電容值。此側壁電容值和該感測器電容值電性地並聯，且在估算介於該膜片板16及該平面型基底11之間的電容值時會被加上。其有效地降低該相對的靈敏度(由於被施加之公稱全標度壓力之電容變化對在零壓力下之電容的比例)，並使得該1/C(倒電容)特徵能以一壓力函數非線性地變化。

此外，該感測器結構的外表面通常是暴露在環境條件下，其可能會造成對電容性測量結果的阻抗或電容性洩漏及其他的雜散作用。

現在已被檢測出此些作用可以其中該側壁層包括有一整合式屏蔽電極的一結構被有效地減低。因此，該等側壁層係由至少三層所形成，一第一層及一第二層的絕緣材料及介於它們之間的一第三層的導電材料。該第三層提供用於該結構的該整合式屏蔽電極。圖2A、2B圖示說明此一結構的一範例式實施方式。圖2A圖示說明該被說明之結構的一側視圖，而圖2B則圖示說明該同一結構的一俯視圖。

圖2A及2B的該微機電壓力感測器結構包括有如以圖1被說明的一平面型基底21及一膜片板20。該範例式絕對壓力感測器結構亦包括有被該連接至該平面型基底21及該膜片板20的諸側壁23，以形成包含有在一參考壓力下的揮發性材料之一氣密式封閉的間隙22。應注意到在一差動式壓力感測器結構中，該參考壓力可例如通過在該平面型基底21中的一通道被引導至該間隙22。在圖2的結構中，至少該膜片板20的部分由於 介在該參考壓力及該感測器結構周圍的一環境壓力之間的差異而變形。該膜片板20的位移可被轉換成一附帶電感性感測的電信號。該電感被形成在該平面型基底21的一第一表面24及該膜片板20的一第二表面25之間。該等側壁23亦密封該間隙22，使得在該間隙22及該感測器的外部之間沒有流體輸送的可能。

該側壁層23為一多層結構，其包括有至少三層，其中二層27、28為電性絕緣材料，較佳地是二氧化矽，及介於它們之間的一層29導電材料，較佳地是多晶矽。該第一層28的一表面被連接至在該平面型基底21上之該第一表面24，而該第一層28的另一表面則被連接至該第三層27。該第二層29的一表面被連接至在該膜片板20上的該第二表面25，而該第二層29的另一表面則被連接至該第三層27。形成該側壁23之該絕緣的第一層28、提供一屏蔽電極的該第三層27及該第二層29因而彼此是上下堆疊的，以致其等至少部分地重疊。該間隙22的高度係由該第一層28、該第二層29及該第三層27之厚度的總和所決定出的。

由於所說明之該等側壁的多層結構，一額外和該等側壁23相關聯的併聯電容現在被配置成存在於該膜片板26及由第三層27所提供的屏蔽電極之間，而非是介於該膜片板26及該平面型基底21之間。如同將被說明的，此額外之電容對介於該膜片板26及該平面型基底21之間被測量出之電容的作用可以一電容性轉換器電路被最小化，且該等側壁對該相對的靈敏度及線性不利的作用因而被實際地消除。

在該結構中，該第一層28、該中間的第三層27、及該第二層29可被配置成及圖樣化成使該第一絕緣層28水平地延伸超出該第三層 27，及該第三層27水平地延伸超出該第二絕緣層29。換言之，在該感測器結構具有一垂直於其結構層(例如是垂直於該第一表面24之平面)的一橫斷面中，該第一層28的外周緣較該第三層27的外周緣遠離該間隙，且該第三層27的外周緣較該第二層29的外周緣遠離該間隙。因而，在相同的橫斷面中，介於該第一層28的相對內緣之間的距離(亦即該間隙的寬度)可能較介於該第三層27的相對內緣之間的距離W₁小，且介於第三層27的相對內緣之間的距離W₁可能較介於該第二層29的相對內緣之間的距離W₂小。

如圖2B中顯示的，當從頂部觀看時，該第一絕緣層28的外周緣因而可被看出是超出該第三層27邊緣，而該第三層27的外周緣則可被看出是超出該第二層29的邊緣。具優點的是，該第二層29的外周緣亦延伸超出該膜片板26，以致該第二層29的外周緣可被看出是超出該膜片板26的邊緣。如果該等側壁從頂部被觀看而沒有該膜片板，則在該三層23、27及28的內部及外部周緣的所有位置，該第一層28的部分可被看出是延伸超出該第三層27的外部邊緣，而該第三層27的部分可被看出是延伸超出該側壁層23的外部邊緣。因此，由於實際上沒有用於電阻性或電容性電流流動於該膜片板26及該平面型基底21之間的短路或簡易的路徑，所以外部的漏電流及雜散電容作用被最小化。在環繞該感測器周緣的所有位置，有該第三層27加長及中斷此路徑。

在上述的結構中，雜散及併聯電容可藉由一具有一閉迴路之運算放大器的電容轉換器電路被消除或至少被明顯地減小。在該配置中，該被測量出的電容是從介於該平面型基底21及該膜片板26之間在沒有由該第三層27(在未被其覆蓋的俯視圖中)所產生之屏蔽電極之區域上方的電容 所得到的結果。介於該平面型基底21及該屏蔽電極27之間的電容、介於該膜片板26及該屏蔽電極27之間的電容、以及在該邊緣23上方之雜散電容及洩漏電阻的影響可被有效地排除。在圖2之該感測器結構中，如果一運算放大器電路被配置來將該屏蔽電極27保持成和該膜片板20或該平面型基底21之電極為相同的電位，則該運算放大器的電壓輸出可被做成基本上僅是介於該膜片板26的中間部分及該平面型基底21之間之電容的指標。該等併聯電容的作用及在該等絕緣表面上方從該模片板至該蔽電極27和從該屏蔽電極27至該平面型基底21之可能的漏電流可因而以該運算放大器之開迴路增益的因數被減小。

為了該感測器的適當操作，該屏蔽電極27可被連接至一固定的電位，較佳地係被連接至被連接到該感測器之電路的接地或虛擬接地，或是被連接至任何其他能有以下條件的電位，即是能將流動介於該膜片板26及該屏蔽電極27之間及介於該平面型基底21及該屏蔽電極27之間的電流從流動介於該膜片板26及該平面型基底21之間的一電流分開的電位。換言之，介於該膜片板26及該第三層27之間及介於該平面型基底21及該第三層27之間的電阻抗可被調整成不會去影響介於該膜片板26及該平面型基底21之間之該被測量的電容。

圖3A至3F圖示說明適用於減少在該感測器結構中之不希望的作用之範例式電容性轉換器電路架構。該架構包括一運算放大器30、一用於該平面型基底電極之端子輸入31、一用於該膜片板電極之端子輸入36、一至該屏蔽電極之端子輸入32、一電壓源34或一電流源35、及參考阻抗37。此些構件被連接，以獲得為介於該膜片板及該平面型基底之間的電 容之指標的一電壓輸出，而沒有來自在該等側壁層上方之並聯電容及來自由於改變溼度而在該絕緣層中之表面導電性上的改變之顯著影響。然而，對熟習相關技術者而言，顯然應用為被主張權利之方式的運算放大功能之運算放大器的其他變化是可在不偏離該保護範圍下被使用。

圖3A至3D顯示範例式反向運算放大器電路，其中該正非反向輸入端被連接至一共同接地或零電壓端。因為該閉迴路反饋電路的該幾乎為零的差動輸入電壓需求，在該反向輸入端之電位幾乎相等於在該非反向輸入端的電位，並產生一虛擬的接地和點38。

在圖3A中，該屏蔽電極被配置成和該平面型基底之電位相同。如在圖3A中所顯示的，一平面型基底端子31在該放大器的該反向輸入端連接至該虛擬的接地電位，及一屏蔽電極端子32係在接地電位。由於此，介於該屏蔽電極及該平面型基底之間的電壓及電流是可以忽略的，且對介於該平面型基底及該膜片板之間之被測量的電容值實際上是沒有作用的。一膜片板電極端子36被連接至一電壓源34，以致介於該屏蔽電極及該膜片板之間的電流是可以忽略的，且對介於該膜片板及該平面型基底之間之被測量的電容值實際上是沒有作用的。介於該屏蔽電極及該平面型基底之間的電容被連接在該接地及該虛擬接地38之間，且對介於該膜片板及該平面型基底之間之被測量的電容值實際上是沒有作用的。

做為進一步的背景，讓我們以C_S表示介於該平面型基底端子31及該膜片板端子36之間的電容，以C_L表示介於該平面型基底端子31及該屏蔽電極端子32之間的電容。讓我們亦假設該電壓源34是一具有有效電壓U_i的一AC電壓源，且該反饋電路元件37為一具有一相等於C_F之電容 的電容器，且該放大器的開迴路增益為A。該放大器3的輸出電壓U。可被寫成

該C_L的作用因而被該放大器的開迴路增益的量減小了。介於該膜片板端子36及該屏蔽電極端子32之間的電容在輸出電壓上亦無作用，因為其和該電壓源U_i並聯成能供應電流給此電容而沒有在該電壓上之改變的一理想電壓源。

在圖3B中，該屏蔽電極被配置成幾乎是和該膜片板為相同的電位。如在圖3B中所顯示的，該膜片板端子36在該放大器的反向輸入端連接至該虛擬的接地電位，且該屏蔽電極端子32係在接地電位。由於此，介於該屏蔽電極及該膜片板之間的電壓及電流是可以忽略的，且對介於該平面型基底及該膜片板之間之被測量的電容值實際上是沒有作用的。該平面型基底端子31被連接至該電壓源34，以致介於該屏蔽電極及該平面型基底之間的電流對介於該膜片板及該平面型基底之間之被測量的電容值實際上是沒有作用的。介於該屏蔽電極及該平面型基底之間的電容被連接在該接地及該電壓源之間，且因而對介於該膜片板及該平面型基底之間之被測量的電容值實際上是沒有作用的。

在圖3C中，該屏蔽電極亦被配置成幾乎是和該膜片板為相同的電位。如在圖3C中所顯示的，該膜片板端子36在該放大器的反向輸入端連接至該虛擬的接地電位，且該屏蔽電極端子32係在接地電位。由於此，介於該屏蔽電極及該膜片板之間的電壓及電流是可以忽略的，且對介 於該平面型基底及該膜片板之間之被測量的電容值實際上是沒有作用的。該平面型基底端子31被連接至該放大器30的輸出端，以致介於該屏蔽電極及該平面型基底之間的電流是可以忽略的，且對介於該膜片板及該平面型基底之間之被測量的電容值實際上是沒有作用的。介於該屏蔽電極及該平面型基底之間的電容被連接在該接地及該放大器30的輸出端之間，且因而對介於該膜片板及該平面型基底之間之被測量的電容值實際上是沒有作用的。

在圖3D中，該屏蔽電極再次被配置成幾乎是和該膜片板為相同的電位。如在圖3D中所顯示的，該平面型基底端子31在該放大器的反向輸入端連接至該虛擬的接地電位，且該屏蔽電極端子32係在接地電位。由於此，介於該屏蔽電極及該平面型基底之間的電壓及電流是可以忽略的，且對介於該平面型基底及該膜片板之間之被測量的電容值實際上是沒有作用的。該膜片板端子36被連接至該放大器30的輸出端，以致介於該屏蔽電極及該膜片板之間的電流是可以忽略的，且對介於該膜片板及該平面型基底之間之被測量的電容值實際上是沒有作用的。介於該屏蔽電極及該平面型基底之間的電容被連接在該接地及該虛擬接地68之間，且因而對介於該膜片板及該平面型基底之間之被測量的電容值實際上是沒有作用的。

在圖3A至3D中，該屏蔽電極端子被連接至該接地電位。該平面型基底或該膜片板的端子提供該被感測之電容，且該等感測器端子之一被連接至該放大器的該虛擬接地。此達成能將該屏蔽電極端子及該等感測器端子之一保持在幾乎相同的電壓，同時將通過該屏蔽及該膜片板端 子的電流彼此隔絕開。使用除開被顯示在圖3A至3D中之那些外之此原理的許多變化是落在本案發明中。

圖3E及3F顯示範例式非反向運算放大器電路。該運算放大器30被使用為一電壓跟隨器，其中該運算放大器的輸出被直接地接回到該反向輸入端。在該反向輸入端的電位幾乎是等於在該非反向輸入端的電位。

在圖3E中，該屏蔽電極被配置成幾乎是和該膜片板為相同的電位。如在圖3E中所顯示的，該膜片板端子36被連接至具有一預先界定或是其他已知之電流的一電流源35。應了解到該電流源35亦可是由一具有內阻抗之電流及電壓源的組合所形成的，且其中該電流並非是固定的，但其藉由以例如是一分路電阻器或其他已知的電流測量技術被測量是已知的。由於該膜片板及該屏蔽電極現在幾乎是在相同的電位，實際上是沒有電流流動於其等之間。介於該屏蔽電極及該平面型基底之間的潛在洩漏或電容性電流對介於該膜片板或該平面型基底之間的電壓或電流實際上亦是沒有作用的，因為此電流是由該放大器所提供的而不會實際影響到該輸出電壓。

做為進一步的背景，讓我們以C_S表示介於該平面型基底端子31及該膜片板端子36之間的電容，以C_i表示介於該放大器之該等反向(-)及非反向(+)輸入端之間的電容。此電容包括該放大器的輸入電容及介於該膜片板端子36及該屏蔽電極端子32之間的電容二者。讓我們亦假設該電流源35是一具有在頻率f之有效電流J_i的一AC電源，且該放大器的開迴路增益為A。該放大器3的輸出電壓U_o可被寫成

該C_i的作用因而被該放大器的開迴路增益A的量減小了。的量減小了。介於該平面型基底端子31及該屏蔽電極端子32之間的電容在輸出電壓上亦無作用，因為其被連接介於該放大器的輸出端子及該接地端子之間，且因而幾乎沒有在該輸出電壓上的作用。

在圖3F中，該屏蔽電極被配置成幾乎是和該平面型基底為相同的電位。如在圖3F中所顯示的，該平面型基底端子31被連接至具有一預先界定或是其他已知之電流的一電流源35。由於該平面型基底及該屏蔽電極現在幾乎是在相同的電位，實際上是沒有電流流動於其等之間。介於該屏蔽電極及該膜片板之間的潛在洩漏或電容性電流對介於該膜片板及該平面型基底之間的電壓或電流實際上亦是沒有作用的，因為此電流是由該放大器所提供的而不會實際影響到該輸出電壓。

在圖3E及3F中，該屏蔽電極端子被連接至一放大器的輸出端，其被配置成緊追隨該等感測器端子之一的電位，因而將介於該屏蔽電極端子及該一感測器端子之間的電流保持成是可忽略的。使用除開被顯示在圖3E及3F中所給外之此原理的變化是落在本案發明中。

所有圖3A至3F的該等範例使用一為反饋架構的放大器來將該屏蔽電極端子的電位保持接近該等感測器端子之一的電位，同時將通過該防護及該膜片板端子36的電流路徑保持分隔開。

在圖2A及2B的感測器結構中，該間隙22的高度係由該第一層28、該第二層29及該第三層27之厚度的加總所決定的。此可能會導 致在應用上不切實際之小的層厚度，其中該間隙高度必須是非常小的，例如是在一微米或小於一微米的等級。圖4圖示說明更適合此些應用之另一實施方式的一側視圖。該結構的俯視圖對應在圖2B中所顯示的俯視圖。在此實施方式中，該第一層28延伸在該平面型基底21的第一表面上，並在其頂部攜載有一內電極層400。該內電極層400延伸在該絕緣的第一層28上，由該第三層27的該屏蔽電極所圍限。該內電極層具有優點地是延伸來填補幾乎是在該屏蔽電極內的整個區域，但是和該第三層27的該屏蔽電極電性隔絕開，例如是藉由一窄的凹溝402。該內電極層的範圍可被配置成，在通過諸結構層的一橫斷面中，該內電極層400的寬度及在該第一層上之該第三層27的寬度為像是該凹溝402之一電性隔絕區域之寬度的倍數(至少十倍)。由於該內電極層，該介電間隙被有效地形成在該內電極層400及該膜片板20的相對表面之間。因此，該感測器的電容因而僅由該第二層29的厚度決定，不再由該第一及第三層28、27的厚度決定。

有利地，該內電極層400具有和該屏蔽層27相同的厚度，且係由相同的導電材料所做成的。在該電性隔絕區域為一凹溝的情況中，其可僅延伸通過該第三層，如圖4中所顯示的，或是通過該第三層及該第一層延伸至該平面型基底。在任一情況下，介於該膜片板20及該內電極層400之間之被測量的電容變成和介於該內電極層400及該平面型基底21之間的固定電容串接耦合。在某些情況下，此可能會對實施造成額外的複雜度。圖5圖示說明另一實施方式，其中該電極層被調整成經由一接觸開口501和該平面型基底21電性接觸。有利地，該接觸開口501是小的，亦即在橫斷面上，該內電極層400的寬度是該接觸開口501的寬度的倍數(至少 十倍)。在保護範圍中，有可能使用較大的接觸開口，但此傾向複雜化該等側壁層的製造程序。

選擇該第一及第三層27、28之厚度的自由度以及該層29之增加厚度的可能性，使得該等側壁層的製造更容易。此外，由於該等介電層28及29的厚度可被增加，介於該屏蔽電極27及該平面型基底21之間以及介於該屏蔽電極27及該膜片板26之間的電容會被減小。此再次減低雜訊，且因而減低由在該感測器結構中和該屏蔽電極一起被使用之該閉迴路放大器電路所造成的電性雜訊。

圖1之該感測器結構的另一缺點為，介於該彎曲之膜片10及該平面型基底11之間的電容具有被連結至該膜片10之邊緣的一部分，其係靠近在該側壁13的支撐處，且於該處該膜片由被施加之壓力所造成的彎曲是顯著的。

圖2A及2B的該等範例實施方式(亦適用在圖4及5中)圖示說明進一步使得此缺點亦被消除之一種配置該側壁23的該等層的方式。在圖2A中，W2標示一膜片的寬度，意指該膜片板20基本上回應環境壓力改變而偏斜的部分。圖2A中的W2相當該膜片的一橫斷面寬度，亦即是在該等側壁連接至該膜片板20處的頂部表面中，介於該第二層在二相對點之相對側壁之間的距離。W1標示該膜片之未被屏蔽的寬度或電容寬度。圖2A的W1相當在該第三層27中之該間隙的一對應的橫斷面寬度，亦即是介於該外圍之第三層27的相對內緣之間的一距離，係從該感測器的同一橫斷面被決定出的。當W2大於W1時，該第三層27的一部分是介於該膜片板20之該彎曲的膜片及該平面型基底21之間。此意指該膜片的一部分25，在介 於該彎曲的膜片板20及該平面型基底21之間的彎曲處是相當小的，且從該被測量之感測器電容被排除。

圖6至9顯示以一範例式測試感測器結構所製成之模擬結果，其中一長條圖的尺寸是0.2 x 1mm，該膜片板的厚度是5μm，及該間隙(側壁)的高度是0.5μm。圖6顯示沿著延伸介於該等相對的側壁之間的一膜片之寬度的相對彎曲的一範例。圖7圖示說明以該比例W₁/W₂的一函數變化之絕對電容的變動。圖8圖示說明以該比例W₁/W₂的一函數變化的一相對電容。更特別地，圖8顯示介於該電容變化及在零壓下之電容之間的一比例的變化。圖9圖示說明為該比例W₁/W₂的一函數之1/C特徵的非線性。

圖6至9顯示被突出進到靠近該等邊緣之區域中之該電容的部分具有被加到絕對靈敏度(每壓力的電容變化)之小的值，且具有對該感測器之該相對靈敏度(每壓力在零壓之每電容的電容變化)不利的作用。圖6顯示在該膜片靠近該等側壁的部分中，該膜片的彎曲係相當小的。圖7顯示當W₁/W₂=0.4時，該電容的變化仍為在W₁/W₂=1之最大值的約80%(~2.5/3.2)。從圖8可看到，就相同的比例W₁/W₂=0.4，該相對電容已改善約2倍(~1.75/0.9)。從圖9可看到，就相同的比例W₁/W₂=0.4，非線性誤差已從多於6%減至0.6%。因此，藉由將比例W₁/W₂減小成小於1，該相對的靈敏度及線性可被可控制地改善，而不需明顯地妥協該絕對可達成的電容變化。

圖10圖示說明一種微機電壓力感測器90的一實施方式，該感測器包括有被主張權利之微機電壓力感測器結構91。該壓力感測器一包括一電路部分92。該感測器結構91及該電路部分92可為獨立的模件。

該電路部分92可以電性導線93被連接至該平面型基底，至 該防護層及至該膜片板。該電路亦可包括被連接之為一反饋架構型的一運算放大器，以將一屏蔽電極保持成和該平面型基底或該第一平面層中的任一個為一相同的電位，並將通過此些端子的電流路徑保持分隔開，如同以圖2A、2B、4、5及圖3A至3F被討論的。

對熟習相關技術者而言，當技術進步時，顯然本案發明的基本構想是可以不同的方式被實施的。本案發明及其實施方式因此並不限於上述的範例，但他們是可在本案申請專利範圍內變化的。

Claims (16)

1. 一種微機電壓力感測器結構，其包括一平面型基底、一側壁層及一膜片板，其中：該側壁層形成從該平面型基底延伸離開至和該膜片板接觸的諸側壁；該側壁層是由至少三層所形成的，由絕緣材料製成的一第一層及一第二層，及由導電材料製成的一第三層，其中該第三層係介於該第一層及該第二層之間。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之微機電壓力感測器結構，其特徵在於該第一層水平地延伸超出該第三層，及第三層水平地延伸超出該第二層。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之微機電壓力感測器結構，其特徵在於在一橫斷面上，該第一絕緣層的外周緣水平地延伸超出該第三層的外周緣，及該第三層的外周緣水平地延伸超出該第二絕緣層的外周緣。
4. 根據申請專利範圍第2或3項所述之微機電壓力感測器結構，其特徵在於在一橫斷面上，介於該第一層的相對內緣之間的一距離係小於介於該第三層的相對內緣之間的一距離，及介於該第三層的相對內緣之間的一距離係小於介於該第二層的相對內緣之間的一距離。
5. 根據申請專利範圍第1、2或3項所述之微機電壓力感測器結構，其特徵在於：該膜片板未和該側壁層接觸的一部分提供有一膜片；在該第三層中之該間隙的一橫斷面寬度與該膜片的一對應的橫斷面寬度的比例係小於1。
6. 根據申請專利範圍第5項所述之微機電壓力感測器結構，其特徵在於 該比例係在0.3至0.7的範圍內。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之微機電壓力感測器結構，其特徵在於該比例是0.4。
8. 根據申請專利範圍第1至7項中任一項所述之微機電壓力感測器結構，其特徵在於該第一及/或該第二層係由二氧化矽所製成的。
9. 根據申請專利範圍第1至8項中任一項所述之微機電壓力感測器結構，其特徵在於在該等側壁層中之一導電材料的內電極層，其中該內電極層係和該第三層電性隔絕。
10. 根據申請專利範圍第9項所述之微機電壓力感測器結構，其特徵在於該電性隔絕係由一圍限該內電極層的一電性隔絕區域所提供的。
11. 根據申請專利範圍第10項所述之微機電壓力感測器結構，其特徵在於一電性隔絕區域係為一經由該內電極層及該第一層延伸至該平面型基底的凹溝。
12. 根據申請專利範圍第9、10或11項所述之微機電壓力感測器結構，其特徵在於該內電極層係經由一接觸開口和該平面型基底電性接觸。
13. 一種壓力感測器，其包括根據申請專範圍第1至12項中任一項所述之壓力感測器結構。
14. 根據申請專利範圍第13項所述之壓力感測器，其特徵在於：該壓力感測器包括一被連接至諸電導線的電路，該等電導線係被連接至該平面型基底、該屏蔽電極及該膜片板；該電路包括一呈反饋組態的運算放大器，其經連接以將一屏蔽電極保持成和該平面型基底或該膜片板中的任一個為一相同的電位，並將通過該 屏蔽電極及該膜片板的電流路徑彼此分隔開。
15. 根據申請專利範圍第13或14項所述之壓力感測器，其特徵在於：該壓力感測器包括一被連接至諸電導線的電路，該等電導線係被連接至該平面型基底、該導電材料層及該膜片板；該電路包括一呈反饋組態的運算放大器，其經連接以將一導電材料層保持成和該平面型基底或該膜片板中的任一個為一相同的電位，並將一通過該屏蔽電極的電流路徑及一通過該膜片板的電流路徑彼此分隔開。
16. 根據申請專利範圍第14或15項所述之壓力感測器，其特徵在於：該運算放大器為一反向運算放大器，或一非反向運算放大器。