TWI611167B - 經改良的壓力感測器 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種微機電壓力感測器結構包括平坦基底、側壁、隔膜板，其彼此附接以形成提供參考壓力的密封封閉間隙。隔膜板沿著在側壁之頂部上的平坦內表面而延伸，並且具有在隔膜板之相對側上的外表面。隔膜板之至少部分的外表面形成平坦部分，其包括凹陷，而凹陷的深度平行於側壁來延伸並且小於隔膜的標稱厚度。造成隔膜和底下結構有不同彎曲的大部分原因可以由安排於壓力感測器結構的一或更多個凹陷而免除。

Description

經改良的壓力感測器

本發明關於微機電裝置，並且特別關於根據申請專利範圍獨立項的序言之經改良的壓力感測器結構和壓力感測器裝置。

壓力是對應於作用在表面的力對表面積之比例的物理量。可以使用作為測量壓力之儀表的裝置是壓力感測器。

大氣壓力是由大氣柱所施加在表面的壓力。大氣壓力隨著高度和天氣樣式而變化。壓力感測器所獲得的量可以排除周遭大氣壓力，並且在此情形指示出過壓力或相對壓力。如果包括了大氣壓力，則結果指示出絕對壓力。壓力感測器也可以安排成測量二個環境之間的壓力差異，在此情形所測量的量稱為差動壓力。

微機電系統(micro-electro-mechanical system，MEMS)可以定義成迷你的機械和電機系統，其中至少某些元件具有機械的功能。由於MEMS裝置是以與產生積體電路所相同的工具而產生，故微機器和微電子元件可以製造在一片矽上而促成多樣類型的裝置。

圖1示範用於感測壓力之微機電裝置的範例性結構，其顯示於Ville Kaajakari所著的「實用MEMS(“Practical MEMS”)」之第204頁。微機電壓力感測器典型包括薄的隔膜10，其跨越絕緣層12中的間隙。間隙形 成用於參考壓力的體積，並且隔膜由於參考壓力和包圍感測器的周遭壓力之間的差異而變形。隔膜的位移可以採電容式或壓電阻式感測而轉譯成電訊號。

習用而言，隔膜10是由蝕刻到矽晶圓裡所做成的薄化區域而形成，如圖1所示。因為隔膜10是極薄的薄膜，所以蝕刻的凹陷幾乎和整個矽晶圓一樣深。最近，此領域的渴望是必須製出明顯較薄的壓力感測器結構。然而，已經注意到減少結構的厚度對於設計造成許多挑戰。於微機電壓力感測器，由於壓力改變所偵測到的隔膜位移可以是幾個奈米或更小，並且隔膜位移所產生的訊號也很小。變化操作溫度中的熱膨脹所造成之感測器結構元件的尺寸改變已經可以對產生的測量訊號引起顯著的變化。附帶而言，感測器結構和關聯的電子器件須要包封在封裝中。封裝可能具有不同於感測器結構的熱膨脹係數，這可以引起大的溫度相依性彎曲應力而扭曲了測量。

本發明的目的是要有助於提供較薄的微機電壓力感測器結構，其中免除或至少有效率的緩和了結構彎曲的有害效應。本發明的目的是以根據申請專利範圍獨立項之特徵部分的壓力感測器結構和壓力感測器而達成。

本發明的較佳具體態樣揭示於申請專利範圍的附屬項。

所請發明界定出微機電壓力感測器結構，其包括平坦基底、側壁、隔膜板。側壁周邊延伸離開平坦基底而達第一距離。隔膜板沿著側壁之頂部上的平坦內表面而延伸，並且具有相對於隔膜板上之內表面的外 表面。平坦基底、側壁、隔膜板可以彼此附接以形成在參考壓力的密封封閉間隙。側壁之內表面的頂緣形成隔膜的周邊，而隔膜的標稱厚度等於在隔膜的周邊而從隔膜板的內表面到外表面的距離。隔膜板的外表面包括平坦表面部分，其包括凹陷的周邊，而凹陷的深度平行於側壁來延伸並且小於隔膜的標稱厚度。

於本發明，承認的是壓力感測器結構由於非施加壓力之外力所造成的彎曲是無法完全避免的。此種外力舉例而言可以是因為感測器材料的內部熱膨脹差異或因為壓力感測器的封裝所造成。有多樣的原因造成隔膜的彎曲不同於底下平坦基底的彎曲，並且這差異所造成的誤差對於測量而言可以是顯著的。已經察覺就達到大程度而言，結構裡因不同彎曲形狀所造成的效應可以藉由安排於隔膜板的一或更多個凹陷而免除，該隔膜板則提供了隔膜和在其周邊的錨固結構。一或多個凹陷局部作用在隔膜上，並且有效率的補償了造成該差異的多樣效應。達成了顯著更正確的結果。

所請發明及其具體態樣的特色和優點則更詳細描述於【實施方式】。

10‧‧‧隔膜

12‧‧‧絕緣層

21‧‧‧平坦基底

22‧‧‧間隙

23‧‧‧側壁

24‧‧‧第一表面

25‧‧‧外表面(第三表面)

26‧‧‧隔膜板

27‧‧‧隔膜

28‧‧‧平坦內表面(第二表面)

30‧‧‧感測器結構

31‧‧‧載體基板

32‧‧‧黏著層

45‧‧‧第一表面

48‧‧‧第二表面

51‧‧‧平坦基底

55‧‧‧第一表面

58‧‧‧第二表面

65‧‧‧第一表面

68‧‧‧第二表面

80‧‧‧第三表面

81‧‧‧平坦基底

83‧‧‧側壁

86‧‧‧隔膜板

87‧‧‧隔膜

88‧‧‧凹陷

91‧‧‧隔膜

92‧‧‧凹陷

110‧‧‧第三表面

111‧‧‧平坦基底

113‧‧‧側壁

116a‧‧‧隔膜板的底層

116b‧‧‧隔膜板的頂層

118‧‧‧凹陷

121‧‧‧平坦基底

123‧‧‧側壁

126a‧‧‧隔膜板的底層

126b‧‧‧隔膜板的頂層(凹陷層)

128‧‧‧凹陷

130‧‧‧第三表面

131‧‧‧平坦基底

133‧‧‧側壁

136‧‧‧隔膜板

138、139‧‧‧凹陷

151‧‧‧感測器結構

152‧‧‧電路部分

153‧‧‧塑膠材料

154‧‧‧聚合物介電層

155‧‧‧電端子

C‧‧‧平面上的壓縮力

在下面，本發明將配合較佳具體態樣和參考所附圖式來更詳細描述，其中：圖1示範先前技藝的壓力感測器結構；圖2示範用於感測壓力的微機電裝置之範例性結構的元件；圖3示範典型的微機電封裝解決方案； 圖4示範彎曲之壓力感測器結構的彎曲形狀；圖5示範在彎曲之壓力感測器結構中的不同彎曲表面；圖6示範在彎曲之壓力感測器結構中所採用的變數；圖7示範在範例性隔膜的寬度上之結構的彎曲差異分布；圖8示範凹陷是在隔膜板之外表面上的具體態樣；圖9A到9C示範用於多樣感測器結構形狀之隔膜和凹陷的有利組態。

圖10示範圖8之具體態樣的尺寸方面；圖11示範隔膜板是雙層結構的具體態樣；圖12示範具體態樣，其中已經選擇頂層的材料以進一步補償感測器結構之元件的熱膨脹差異；圖13示範具體態樣，其中局部操控隔膜的彎曲形狀以改變其彎曲剛性；圖14示範在範例性隔膜的範圍上對於二個相同和對稱定位之凹陷的變化凹陷深度之彎曲差異的平均值；以及圖15示範微機電壓力感測器的具體態樣。

以下的具體態樣是範例性的。雖然說明書可能指稱「一」或「某些」具體態樣，但是這未必意謂每個此種參考是針對相同的(多個)具體態樣或者該特色僅適用單一具體態樣。不同具體態樣的單獨特色可以組合以提供進一步的具體態樣。

在下面，本發明的特色將以可以實施本發明的多樣具體態樣之裝置架構的簡單範例來描述。僅詳細描述與示範具體態樣有關的元件。壓力感測器結構和壓力感測器裝置的多樣實施例包括熟於此技藝者一般知 道的元件，並且可能在此不再特定的描述。

以本發明的具體態樣來說，圖2示範微機電壓力感測器的範例性結構。圖2顯示示範之感測器結構的側視圖和俯視圖。所示範的壓力感測器結構包括本體結構，其由平坦基底21和側壁23所形成。舉例而言，雖然平坦基底21可以由矽材料做的晶圓來製造，但是可以在保護範圍裡應用其他的導體、半導體或絕緣體材料。平坦基底21也可以由多層材料所構成。舉例來說，平坦基底之表面上的一層可以是導電的以作為電容式感測器的電極。舉另一例來說，整個平坦基底可以具有夠高的導電度以作為電極。平坦基底21具有第一表面24，其基本上沿著平坦基底21的平面而延伸。基本上一詞在此意謂第一表面可以容納次要的表面結構(凸起或凹穴)，但是超過90%的表面積是在容限裡而對齊於平坦基底21的平面。

側壁23延伸離開第一表面24。於圖2，側壁延伸於垂直於第一表面24的方向，如圖2所示。然而，側壁的諸側也可以與第一表面形成銳或鈍角。側壁23堅固的附接到平坦基底21，因此在它上面劃出開放的空間。連同平坦基底21，側壁23形成坑洞，其深度對應於側壁23的高度。雖然側壁可以是由電絕緣材料所做的，像是二氧化矽，但是可以在保護範圍裡應用其他的電絕緣材料。替代而言，如果隔膜板和平坦基底是由絕緣材料所做的，則側壁可以是由導電材料做的。於範例性結構的俯視圖，側壁的截面顯示成矩形周緣，其從虛線往外延伸。虛線表示側壁的內表面，並且這些內表面的頂緣界定出通往平坦基底21和側壁23所形成之坑洞的周圍開口。

微機電壓力感測器係基於薄的隔膜，其具有二側並且根據它 們之間的壓力差異而偏折。絕對壓力感測器典型併入了間隙，其係密封封閉於周遭環境。於差動壓力感測器，隔膜暴露於二個分開的壓力。如果另一壓力是大氣壓力，則差動壓力感測器可以稱為過壓感測器。如果另一壓力是另一已知的參考壓力，則差動壓力感測器可以稱為關聯感測器。本發明可以應用於包括所請組態之任何類型的絕對或差動壓力感測器結構。

圖2的範例性壓力感測器結構是絕對壓力感測器，其中坑洞是由在側壁23上延伸的隔膜板26所密封。隔膜一詞在此是指由彈性變形材料所做的膜而錨固在其周邊。隔膜板26是平坦的物體而將隔膜27提供給感測器結構並且將隔膜27錨固在其周邊。隔膜板26具有平坦內表面28和外表面25，後者未必是均勻平坦的但是具有一或更多個平坦區域而形成外表面的平坦部分。

隔膜板26可以是由一或更多個材料層所做成。如果隔膜板包括多於一層，則底層是在間隙的那一側上，並且頂層是在隔膜板相對於底層的另一側上。雖然矽材料常常用於至少一層，但是可以在保護範圍裡應用其他的導體、半導體或絕緣體材料。隔膜板26經由其內表面而連接到側壁23，該內表面即第二表面28，其是起初平行於平坦基底21之第一表面24的平面。注意起初一詞在此關於感測器之製造階段的元件尺寸。熟於此技藝者了解在壓力感測器的操作期間，部件可以變形超出其起初平坦的形式。如果隔膜板包括多於一層，則第二表面是在隔膜板的底層上。

第三表面25是參考平面，其由形成外表面之平坦表面部分的一或更多個平坦區域所形成。第三表面因此由最遠離隔膜板26上之第二表面的頂層之一或多個表面所形成。

平坦基底21、側壁23、隔膜板26彼此附接，使得第一表面24、第二表面28、側壁23的內表面形成了提供參考壓力的密封封閉間隙22。雖然間隙22可以抽真空以僅包含少量的殘餘氣體，但是它也可以填充了在所選參考壓力下之選擇的氣體或其他揮發性材料。如熟於此技藝者所理解，該組態舉例而言可以藉由打開供第二壓力下之壓力介質(液體或氣體)的通路以進入隔膜和平坦基底之間的間隙，而安排成過壓力感測器、關聯壓力感測器或差動壓力感測器

隔膜板26延伸於通往間隙22之周圍開口上的部分則提供了隔膜27，其周邊是由開口所界定，並且是由側壁的頂表面和隔膜板之間的穩固材料接觸來提供錨固。隔膜的標稱厚度等於在隔膜周邊之隔膜板的第二表面和外表面之間的距離。隔膜27的一側暴露於間隙的參考壓力，並且另一側暴露於隔膜板26之頂部上的周遭壓力。這隔膜27因此回應於參考壓力和周遭壓力之間的壓力差異而變形。這變形的程度可以藉由電極來將變形誘發之間隙22的高度改變轉譯成電訊號而電容式偵測。變形可以藉由併入的壓電阻器或應變測量電阻器來將隔膜中之變形誘發的應力轉譯成電訊號，而改以基於壓電阻式或類似應變測量的方法來偵測。這些方法全都揭示於本技藝中而是熟於此技藝者所熟知的，本文將不更詳細的討論。本解決方案係特別適用於當中應用了電容式感測的壓力感測器結構。

圖3示範典型的MEMS封裝解決方案，其中圖2的感測器結構30藉由黏著層32而附接到載體基板31。如此技藝所知的，材料層的不同熱膨脹係數傾向於導致彎曲應力。於封裝的裝置，壓力感測器和封裝的熱膨脹係數之間的不匹配可以把感測器結構彎曲成彎曲形狀，如圖4所 示。這彎曲形狀可以近似成球蓋，其中蓋子基底的寬度是W而蓋子的高度是H。

於電容式偵測，隔膜的偏折是藉由偵測第一表面45上的偏折隔膜電極和第二表面48上的固定電極之間的間隙上之電容改變而感測。理想而言，偵測的電容僅會因為回應於偵測到的壓力改變而由於偏折而改變。甚至可以容忍隔膜和固定電極被外力所彎曲；這理想上不會妨礙偵測，如果在間隙底部的第一表面45和在間隙頂部的第二表面48會類似的彎曲(亦即使得間隙的高度不會因為彎曲而改變)的話。然而，有幾個實際因素而使表面做不同的變形，如圖5所示。

舉例而言，平坦基底51的晶圓如果受到均勻的彎曲力矩，並且如果其側向尺寸相較於其厚度是極大，則它可以彎曲成球形表面。後一項的要求不容易滿足，因為感測器相較於其厚度而言尺寸有限。這意謂彎曲力矩傾向於被剪切變形而在靠近晶圓的邊緣鬆弛。因為此點，晶圓因此傾向於彎曲成不是球形但更像是鈍角圓錐形式的形狀，如圖5所示。另一方面，隔膜在邊緣由側壁所支持，而側壁傾向於被晶圓的彎曲彎曲成固定不變的角度，並且隔膜是自由彎曲成自然形狀，而隔膜典型傾向於彎曲成拋物線形狀。結果則是第一表面55和第二表面58之間的距離將改變，不僅是因為偏折，也是因為不同的彎曲。這將造成測量的電容值有誤差。

使元件的彎曲偏離於理想相似性的進一步效應是在隔膜邊緣所產生的彎曲力矩，這是由於當任何拉伸或壓縮的平面上應力出現在隔膜的中間平面時由側壁所做的不對稱支持之緣故。如稍後將討論，也有其他機制可以經由結構的不同彎曲而促成誤差。

回去參見圖4，於理想的情形，平坦基底被固定不變的彎曲力矩彎曲成球形表面，並且隔膜彎曲成拋物線表面，如此則表面的斜率在附接點是相等的。在此情形下，二表面具有幾乎相同的形狀，如圖4所示。

圖6示範第一表面和第二表面在-W/2和W/2之間的側向位置x的區段。如果區段的寬度是W並且高度是H，則區段的曲率半徑R可以表示成：

在圖6所示的側向位置x，平坦基底晶圓的第一表面65遵循圓形定律：

在此y_w代表區段在-W/2和W/2之間的側向位置x的高度。

類似而言，隔膜的第二表面68遵循拋物線定律：

於某些實際情形，y_d(x)和y_w(x)可以視為相等的。舉例而言，如果隔膜的寬度是W=1毫米，並且高度H=1微米(R=0.125公尺)，則最大差異y_d-y_w僅為4皮米。圖7示範在此範例性隔膜之寬度上的這差異分布。然而，看到隔膜傾向於彎曲得稍微多於平坦基底晶圓。

如上所討論，保持二表面有相等彎曲的重要性是基於以下事實：感測器的電容取決於二表面之間的距離差異。在零壓力下，亦即當周遭壓力等於間隙裡的參考壓力時，二個主要因素對於距離發生效應：等於 側壁高度之固定不變的間隔，以及二表面的彎曲曲率之間的差異。如圖6所示，後者將距離改變成距離隔膜之錨固邊緣的位置函數。在其他(非零)壓力下，隔膜由於施加壓力所造成的偏折也必須加以考慮。在零壓力下，感測器的電容可以由以下方程式來計算：

其中g代表間隙的介電間隔距離(絕緣側壁的高度)，△H(x，y)代表隔膜彎曲和晶圓彎曲之間的差異(y_d-y_w)為側向位置x和y的函數，C_S代表無彎曲之隔膜面積上的電容，並且△H_ave具有代表在隔膜範圍上之彎曲△H(x，y)的差異平均值。如果在隔膜的所有點皆是|H(x，y)|<<g，則方程式的後面部分是可以寫出的近似值。從方程式(4)可以看到如果△H_ave可以變成等於零或接近零，則感測器結構的彎曲對於電容沒有誤差效應。本發明的具體態樣包括達成此條件的感測器結構。

於本發明的具體態樣，隔膜板可以做得比習用之壓力感測器結構中的還薄。於具體態樣，隔膜板的厚度對應於從隔膜板上的第二表面到隔膜板上的第三表面之距離。為了補償結構的彎曲效應，隔膜範圍上的第一表面和第二表面之間的彎曲差異△H(x，y)的平均值△H_ave係藉由對隔膜板厚度做特定的局部變化而減到最小。

當力矩施加於元件時，彎曲力矩存在於結構元件中，如此則元件便彎曲。當感測器結構彎曲時，第二表面經歷彎曲力矩。如果隔膜板在隔膜周邊上的部分是薄得致使施加的壓力可以引起顯著的偏折，則彎曲力矩也可以對隔膜和/或隔膜板引起顯著的額外彎曲，藉此便破壞了測量值的正確性。

於本發明的具體態樣，隔膜板係做成包括局部厚度變化，其產生回應於施加之彎曲力矩的反彎曲力矩，因此可控制的補償其效應。圖8示範具體態樣，其中局部變化是在隔膜板上之第三表面上的凹陷。圖8是側視圖，其從寬度方向來顯示感測器結構，並且顯示平坦基底81、側壁83、隔膜板86，該等元件更詳細描述於前面的圖2。於此具體態樣，隔膜板是單層結構，其頂面構成隔膜板的外表面，並且也是隔膜板86的第三表面80。隔膜的標稱厚度等於在隔膜的周邊而從隔板的第二表面到外表面的距離，因而在此等於隔膜板的厚度。這第三表面80包括至少一凹陷88的周邊，該凹陷的深度延伸於側壁的方向。凹陷88的深度小於隔膜的標稱厚度。側壁83之內表面的頂緣形成隔膜77的周邊，其可以具有任何形狀。然而，對於較容易的設計而言，偏好旋轉對稱的形狀(圓形、方形)或矩形。凹陷可以定位在第三表面上，使得凹陷的中點與隔膜87的中點或中線重合。

圖8示範平面上的壓縮力C作用在平坦基底晶圓之情形下的凹陷效應。平面上的力在圖8係以直線箭號來示範。下面的彎曲箭號示範在隔膜周邊所產生的彎曲力矩，這是因為形成側壁之絕緣層所做的不對稱支持。上面的彎曲箭號示範反彎曲力矩，其發生在凹陷的邊緣。如所看到的，在凹陷邊緣的反彎曲力矩遵循在隔膜邊緣的彎曲力矩，並且具有相反的符號。

根據方程式(4)，目的是要使隔膜範圍上之彎曲差異△H(x，y)的平均值△H_ave減到最小。因為這條件可用隔膜和凹陷之形狀的各式各樣組合而達成，所以不同形狀的隔膜和凹陷也在本範圍裡。然而，當隔膜的周邊具有相同於凹陷周邊的形狀時，彎曲的差異是位置的相對簡單函數， 並且隔膜範圍上之平均值△H_ave相較於更複雜的形狀而言對於製造上的變化較不敏感。因此，隔膜的周邊和凹陷的周邊較佳為相同的形狀。

圖9A示範用於旋轉對稱之方形感測器結構的隔膜91之周邊和凹陷92之周邊的有利組態。圖9B示範用於旋轉對稱之方形感測器結構而具有圓形隔膜的隔膜91之周邊和凹陷92之周邊的有利組態。圖9C示範用於矩形感測器結構的隔膜91之周邊和凹陷92之周邊的有利組態。

圖10示範上述具體態樣的某些尺寸方面。回去參見圖8，讓我們假設於範例性隔膜中，其平坦基底81的寬度是0.535毫米，並且長度是該寬度的至少三倍。隔膜87的寬度是0.250毫米。隔膜87的厚度是5微米，絕緣側壁83的厚度是1微米，並且平坦基底81的厚度是0.22毫米。凹陷88的形狀遵循矩形隔膜的形狀，並且凹陷的中點與矩形隔膜的中點重合。圖10顯示以這些範例性尺寸而由有限元素法(finite element method，FEM)來模擬方程式(4)之△H_ave的數值，亦即在隔膜範圍上對於變化凹陷寬度和三個凹陷深度之彎曲差異△H(x，y)的平均值。看到補償效應開始處已經是在超出隔膜的區域，亦即是在第三表面上的凹陷周邊大於隔膜底下的周邊之情形。然而，已經察覺(就如圖10也看到)，只有當凹陷的寬度差不多等於隔膜寬度和隔膜厚度之二倍的總和時才開始有補償效應。圖10也顯示當凹陷的寬度是在隔膜寬度之0.4到0.7倍的範圍中時，補償效應是最強。於圖9的範例性組態，當凹陷寬度是隔膜寬度的約0.55倍時達到最大的效果。

圖10也示範凹陷深度對於補償效應的效果。容易理解當凹陷深度增加時，反彎曲力矩增加。圖10示範隔膜上的凹陷組態可以不足或過度補償底下平坦基底晶圓的彎曲，並且補償的程度可以控制成具有凹陷 寬度和凹陷深度之特定組合以將平均差異歸零。典型而言，偏好具有最強補償的凹陷寬度範圍，如上所討論。這是因為可以用比較淺的凹陷來達成完全補償與彎曲相關之誤差的隔膜形狀，其比較容易製造。此外，如所看到的，較深凹陷的曲線比較陡，這意謂淺的凹陷組合對於非故意的寬度變化更敏感。

於圖10，隔膜板是單層結構，其已經藉由移除隔膜板的材料(譬如以蝕刻來為之)而做出凹陷。圖11示範隔膜板是多層結構的另一具體態樣，在此為雙層結構。圖11是側視圖，其從寬度來顯示感測器結構，並且顯示平坦基底111、側壁113、隔膜板116a/116b，該等元件更詳細描述於前面的圖2。於此具體態樣，隔膜板包括落在側壁113上的底層116a，並且包括頂層116b，其係加在下層的頂部上以提供隔膜板的第三表面110。這第三表面110包括至少一凹陷118的周邊，該凹陷的深度延伸於側壁的方向。隔膜的標稱厚度等於在隔膜的周邊而從隔膜板的第二表面到外表面的距離，因而在此等於隔膜板的厚度，亦即底層116a和頂層116b的厚度總和。凹陷88的深度小於隔膜的標稱厚度。

多層隔膜的諸層可以是由相同的材料做成，或者它們可以是由不同的材料做成。於圖11，不同材料做的一層已經沉積在板的頂部上以提供凹陷的第三表面；當隔膜的周邊經歷彎曲力矩時，藉此在凹陷的邊緣提供反彎曲力矩。可以應用具有不同材料的多層結構，舉例而言，以便有較容易的製造步驟。

圖12示範進一步具體態樣，其中已經選擇頂層的材料以進一步補償感測器結構中之元件的熱膨脹差異。圖12是側視圖，其從寬度來 顯示感測器結構，並且顯示平坦基底121、側壁123、隔膜板126a/126b，該等元件更詳細描述於前面的圖2。經常而言，平坦基底和隔膜板的底層126a是由矽所做成，並且絕緣側壁是由氧化矽所做成。這些材料具有不同的熱膨脹係數，並且隨著溫度改變，這差異可以造成結構彎曲和在隔膜邊緣的彎曲力矩。已經察覺這效應可以藉由在隔膜板之底層126a的頂部上添加與側壁123所用之相同材料做的凹陷層126b而緩和或實際免除。頂層126b之平坦的外區域形成了第三表面，而凹陷128則從此處平行於側壁來朝向間隙而延伸。隔膜的標稱厚度等於在隔膜的周邊而從隔膜板的第二表面到外表面的距離，因而在此等於隔膜板之底層126a的厚度。凹陷128的深度小於隔膜的標稱厚度。有利而言但非必要而言，凹陷的周邊與隔膜的周邊重合。

於上面的具體態樣，是以第三表面中的凹陷來對隔膜板的厚度做出局部變化。於此種情形，將由在凹陷之邊緣的彎曲力矩來主導。圖13示範進一步的具體態樣，其中局部操控隔膜的彎曲形狀以改變其彎曲剛性，並且藉此使隔膜遵循平坦基底的彎曲形狀。圖13是側視圖，其從寬度來顯示感測器結構，並且顯示平坦基底131、側壁133、隔膜板136，該等元件更詳細描述於前面的圖2。於此具體態樣，隔膜板再度為單層結構，其頂面構成了隔膜板的外表面，亦即隔膜板136的第三表面130。隔膜的標稱厚度等於在隔膜的周邊而從隔膜板的第二表面到外表面的距離，因而在此等於隔膜板的厚度。如稍早所言，第三表面130包括至少一凹陷138的周邊，該凹陷的深度延伸於側壁的方向。凹陷138的深度小於隔膜的標稱厚度。附帶而言，第二表面也包括至少一凹陷139，其深度也延伸於側壁的方向但 離開間隙。凹陷139的深度也小於隔膜的標稱厚度。以此種組態來說，有可能產生實際上不在凹陷的邊緣誘發彎曲力矩而僅局部減少彎曲剛性的狀況。

於某些情形，可以有利的是使用尺寸相同並且對稱定位在隔膜任一側的凹陷以補償晶圓和隔膜的彎曲差異。相同的尺寸在此意謂凹陷的寬度、長度、深度是相同的。對稱的定位在此意謂凹陷之中點的連線與隔膜的中點或中線重合。舉例來說，圖14顯示有限元素法(FEM)來模擬在範例性隔膜範圍上對於二個相同和對稱定位的凹陷之變化凹陷深度的彎曲差異△H(x，y)之平均值。看到在某點，可以讓差異變成零。

然而，二凹陷138、139不須要是相同的。舉例而言，局部減少彎曲剛性可以在某些組態下提供較好的補償來抵抗結構的彎曲，並且凹陷誘發的反彎曲力矩提供較好的補償來抵抗平面上的伸張或壓縮。如果第三表面上的凹陷是不同於第二表面上的凹陷，則反彎曲力矩和減少的彎曲剛性二者可以對隔膜的彎曲形狀產生效應。這意謂藉由選擇二凹陷的特定深度，則感測器電容可以變得對於底下結構的彎曲和平面上的張應力/壓應力的實際任何組合而言全都不敏感。二凹陷138、139因此可以不同之處在於寬度或深度或此二者。

二凹陷138、139也不須做對稱的定位。該等凹陷的位置可以是不對稱的，使得從俯視圖來看，雖然該等凹陷重合，但是從凹陷的邊緣到隔膜板之最近邊緣的距離可以在凹陷周邊的不同位置而有所不同。如果整個感測器是不對稱的，亦即從隔膜的邊緣到感測器之最近邊緣的距離是在隔膜周邊的不同位置而有所不同，則凹陷做不對稱的定位可以是有利 的。

注意上面模擬的範例是具有範例性矩形感測器結構的範例性尺寸。然而，揭示的凹陷、其尺寸和位置不限於這些範例和其尺寸，而都是在可應用於多樣尺寸和形狀的電容式壓力感測器結構之請求項的範圍裡。

圖15示範微機電壓力感測器裝置150的具體態樣。壓力感測器裝置包括感測器結構151，其可以包括上述任何的替代性感測器結構。壓力感測器也包括電路部分152。感測器結構151和電路部分152可以是模製於塑膠材料153中的分開晶粒。聚合物介電層154可以沉積於重建晶圓。對於晶粒之電端子155的接觸可以由透過介電層154上之開口所沉積的膜層來提供。

熟於此技藝者明白隨著科技進展，本發明的基本理念可以採多樣的方式來實施。本發明及其具體態樣因此不限於上面範例，它們卻是可以在請求項的範圍裡變化。

80‧‧‧第三表面

81‧‧‧平坦基底

83‧‧‧側壁

86‧‧‧隔膜板

87‧‧‧隔膜

88‧‧‧凹陷

C‧‧‧平面上的壓縮力

Claims (17)

1. 一種微機電壓力感測器結構，其包括平坦基底、側壁、隔膜板，其中該等側壁周邊延伸離開該平坦基底而達第一距離；該隔膜板具有在該等側壁之頂部上延伸的平坦內表面，以及具有在該隔膜板上相對於該內表面的外表面；該平坦基底、該等側壁、該隔膜板彼此附接；該等側壁之內表面的頂緣形成隔膜的周邊，而該隔膜的標稱厚度等於在該隔膜的該周邊而從該隔膜板的該內表面到該外表面的距離；該隔膜板的該外表面包括平坦表面部分，其包括凹陷的周邊，而該凹陷的深度平行於該等側壁而延伸並且小於該隔膜的該標稱厚度。
2. 如申請專利範圍第1項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於該平坦基底、該等側壁、該隔膜板形成在參考壓力下的密封封閉間隙(hermetically closed gap)。
3. 如申請專利範圍第1項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於該內表面和該外表面暴露於不同的壓力。
4. 如前述申請專利範圍第1到3項中任一項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於該隔膜的該周邊和該凹陷的該周邊具有相同的形狀。
5. 如前述申請專利範圍第1到3項中任一項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於該隔膜具有在該內表面之平面上的長度和寬度，其中該長度是在該隔膜之最長範圍的方向上，並且該寬度是在該內表面上而在垂直於該長度方向的方向上； 該外表面的平坦表面部分上之該凹陷的寬度平行於該隔膜的該寬度方向而延伸；該凹陷的該寬度等於或小於該隔膜的該寬度和該隔膜的該厚度之二倍的總和。
6. 如申請專利範圍第5項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於該凹陷的該寬度是該隔膜之該寬度的0.4到0.7倍。
7. 如前述申請專利範圍第1到3項中任一項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於該隔膜板是單層結構，其中已經藉由從該單層結構的該外表面移除材料而做出該凹陷。
8. 如前述申請專利範圍第1到3項中任一項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於該隔膜板是多層結構，其包括包含該內表面的底層以及在該底層之上的頂層。
9. 如申請專利範圍第8項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於該頂層的區域提供該外表面的該平坦表面部分，並且該凹陷的該深度對應於該頂層的厚度。
10. 如申請專利範圍第9項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於該下層和該頂層是由相同材料做的。
11. 如申請專利範圍第9項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於該下層和該頂層是由不同材料做的。
12. 如申請專利範圍第10項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於該頂層是由相同於該等側壁的材料做的。
13. 如申請專利範圍第2項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於 該內表面包括至少一凹陷，其深度在該等側壁的方向上而延伸離開該間隙。
14. 如申請專利範圍第13項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於在該外表面之該平坦表面部分的該凹陷和在該內表面的該凹陷是相同的。
15. 如申請專利範圍第13或14項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於在該外表面之該平坦表面部分的該凹陷和在該內表面的該凹陷是對稱的定位在該隔膜的任一側。
16. 如申請專利範圍第13或14項的微機電壓力感測器結構，其特徵在於在該外表面之該平坦表面部分的該凹陷和在該內表面的該凹陷是不對稱的定位在該隔膜。
17. 一種壓力感測器裝置，其包括如申請專利範圍第1到16項中任一項的微機電壓力感測器結構。