TWI620921B - 經改良的壓力感測器 - Google Patents

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Abstract

一種微機電壓力感測器結構，其中，隔膜的長度是隔膜的寬度之至少三倍。橢圓形隔膜是沿著隔膜的寬度而經歷在晶圓與隔膜的側向彎曲之間的最小化差異。朝一個垂直方向，隔膜是歸因於其準確對準於晶圓的彎曲形式而至少為較長三倍。歸因於此，顯著降低由該種結構的彎曲所引起的總誤差且達成一種更強健的結構。同時，較長的隔膜提供模式偏轉區域以供偵測且因此顯著改良該種裝置的靈敏度。

Description

經改良的壓力感測器
本發明是關於微機電裝置，且尤指根據申請專利範圍獨立項的序言之一種改良式的壓力感測器結構以及一種壓力感測器。
壓力是一個物理量，其相當於作用在一個表面上的力量對該表面的面積之比值。可經使用作為測量儀器以測量壓力的一種裝置是一種壓力感測器。
大氣壓力是由在大氣中的空氣柱所施加在表面的壓力。大氣壓力是隨著高度與天氣型態而改變。用一種壓力感測器所得到的量可能不包括周圍大氣壓力且在此情形指示超壓力。若大氣壓力被包括在內，結果指示絕對壓力。
微機電系統(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)可定義為小型化的機械與機電系統，其中至少一些元件具有某種的機械功能性。由於MEMS裝置是藉著使用以創造積體電路的相同工具來創造，微機械與微電子元件可經製造在一塊矽上以致能種種型式的裝置。
圖1說明一種用於壓力感測之微機電裝置的一個示範結構。微機電壓力感測器典型包含一個薄的隔膜10，其為跨越在一個間隙12之上，間隙12提供於參考壓力的一個容積。該隔膜是歸因於參考壓力與其 環繞感測器的周圍壓力之間的差異而變形。隔膜位移可藉著電容或壓阻式的感測而被轉變為一個電氣訊號。
關於微機電裝置，尺度非常小；該等構件典型尺寸範圍為從數十微米到若干毫米。此對於設計加諸了許多挑戰。舉例來說，在一種微機電壓力感測器中，歸因於壓力變化之經偵測的隔膜位移可能為奈米或更小。此意指的是，由該等位移所產生的訊號是小的。在變動的操作溫度下而由熱膨脹所引起之元件尺度的已經變化可能引起對於測量值的顯著變動。此外，感測器結構與相關聯的電子器件必須被包封在一個封裝中。該封裝可能具有不同於感測器結構的熱膨脹係數，此可能引起大的溫度相依的彎曲應力，其使得測量為失真。
本發明之目的是要排除或至少減緩此等不利的效應且改良在微機電壓力感測器中的隔膜的壓力導致偏轉之偵測。本發明之目的是以根據申請專利範圍獨立項的特徵部分之一種壓力感測器結構及壓力感測器來達成。
本發明之較佳實施例被揭示在申請專利範圍附屬項中。
經主張的本發明界定一種橢圓形(oblong)感測器結構，其中尺度是成比例，使得該隔膜可被視為幾乎一維運作。是以，隔膜為窄，以沿著隔膜的寬度而經歷在晶圓與隔膜的彎曲之間的最小化差異。朝一個垂直方向，隔膜是歸因於其準確對準於晶圓的彎曲形式而至少為較長三倍。歸因於此特定的尺度，顯著降低由該種結構的彎曲所引起的總誤差且同時達成一種更強健的結構。再者，較長的隔膜提供較多的偏轉區域以供偵測 且因此顯著改良該種裝置的靈敏度。
經主張的本發明之特點與優點以及其實施例是藉著實施例的詳細說明而較為詳細描述。
10‧‧‧隔膜
12‧‧‧間隙
21‧‧‧平面底部
22‧‧‧間隙
23‧‧‧側壁
24‧‧‧第一表面
25‧‧‧第一平面
26‧‧‧隔膜板
27‧‧‧隔膜
27a‧‧‧長度
27b‧‧‧寬度
28‧‧‧第二表面
29‧‧‧外表面
35‧‧‧第一表面
38‧‧‧第二表面
41‧‧‧平面底部
45‧‧‧第一表面
48‧‧‧第二表面
110‧‧‧腔部
111‧‧‧平面底部
112‧‧‧間隙區域
113‧‧‧側壁
114‧‧‧腔部區域
115‧‧‧第一表面
116‧‧‧隔膜板
121‧‧‧平面底部
123‧‧‧側壁
124‧‧‧第一表面
126‧‧‧隔膜板
127‧‧‧隔膜
128‧‧‧第二表面
130‧‧‧微機電壓力感測器
131‧‧‧感測器結構
132‧‧‧電路零件
133‧‧‧塑膠材料
134‧‧‧介電層
135‧‧‧電氣端子
在下文中，本發明將關連於較佳實施例且參考隨附圖式而更為詳細描述，其中：圖1說明一種先前技藝的旋轉對稱式微機電壓力感測器結構之一個示範的結構；圖2說明一種示範的微機電壓力感測器結構之側視圖與俯視圖；圖3說明一種彎曲感測器結構之曲線形狀；圖4說明在一種彎曲感測器結構中之不同曲線表面；圖5A說明一種習用的方形隔膜之形式；圖5B說明一種經主張的橢圓形隔膜之形式；圖6說明在隔膜寬度之晶圓的第一表面與隔膜的第二表面之彎曲；圖7說明在隔膜一半長度之晶圓的第一表面與隔膜的第二表面之彎曲；圖8說明電容值為偵測壓力的一個函數；圖9顯示隔膜的位移為在隔膜的寬度尺度之位置的一個函數；圖10顯示隔膜的位移為在隔膜的寬度尺度之位置的一個函數；圖11是側視圖，其顯示沿著其長度的一種橢圓形感測器結構；且圖12說明再一個實施例，其中該感測器結構被裝配以包括複數個感測隔膜圖13說明一種微機電壓力感測器之一個實施例
以下實施例為示範性質。雖然此說明書可能提到“一”、“一個”、或“一些”實施例，此不必然意指：各個此類參考為對於相同實施例，或該特徵僅為應用到單一個實施例。不同實施例的單獨特徵可能作結合以提供進一步的實施例。
在下文中，本發明的特徵將以本發明的種種實施例可經實施在其中之一種裝置架構的一個簡單實例來描述。僅有用於說明該等實施例的有關元件被詳細描述。壓力感測器的種種實施包含其對於熟習此技藝人士為概括習知且可能未具體描述於本文的元件。
作為本發明的一個實施例，圖2說明一種微機電壓力感測器的示範結構。圖2顯示該圖示的感測器結構之側視圖與俯視圖。該圖示的壓力感測器包含一個本體結構，其為由一個平面底部21與側壁23所形成。平面底部21可由例如矽材料的一個晶圓所製造，但其他的導體、半導體或絕緣體材料可在保護範疇內而被應用。平面底部21具有第一表面24，其為實質沿著第一平面25而延伸。術語“實質”在此所意指的是，該表面可能容納較小的表面結構(凸塊或凹部)，但超過90%的該表面區域是在容許度內而對準於第一平面25。
側壁23是離開第一表面24而延伸，有利而言為朝其垂直於第一平面25的方向，如在圖2所示。側壁23被剛性附接到平面底部21且因此在其上界定一個開放空間。側壁23連同平面底部21而形成一個中空部，其深度是符合側壁23的高度。側壁可為電氣絕緣材料，如同：二氧化矽，但其他的電氣絕緣材料可在保護範疇內而被應用。在實例結構之俯視圖中，側壁的橫截面顯示為矩形的周邊，其從虛線而朝外延伸。虛線指出 該等側壁的內表面，且此等內表面的頂邊緣界定其對於由平面底部21與側壁23所形成的中空部之一個周圍開口。
此中空部是由其延伸在側壁23之上的一個隔膜板26所密封。術語“隔膜”在此是指在其周邊為固定之彈性變形材料的一個薄膜。隔膜板26是一個平面的物體，其對該種感測器結構提供一個隔膜27且將該隔膜固定在其周邊。隔膜板26可由矽材料所作成，但其他的導體、半導體或絕緣體材料可在保護範疇內而被應用。隔膜板26是透過第二表面28而連接到側壁23，第二表面28是初始平行於平面底部21的第一表面24之一個平面。指明的是，術語“初始”在此為有關對於該種感測器的製造階段之第二表面的尺度。熟習此技藝人士瞭解的是，在壓力感測器的操作期間，零件可能變形為在其初始的平面形式之外。
平面底部21、側壁23與隔膜板26被附接到彼此，使得第一表面24、第二表面28與側壁23的內表面形成一個密閉間隙22，其含有於參考壓力的揮發性材料。間隙22可被抽真空以含有僅有少量的剩餘氣體，但亦可經填充於選定參考壓力之一種選定的氣體或其他揮發性材料。
在周圍開口之上而延伸到間隙22之一部分的隔膜板26提供一個隔膜27，其周邊是由該開口所界定，且固定是由該等側壁的頂表面與該隔膜板之間的一種薄膜材料接觸所提供。隔膜27是在一側被暴露到間隙的參考壓力且在另一側被暴露到隔膜板26的頂部上的環境壓力。此隔膜27因此響應於在參考壓力與環境壓力之間的壓力差異而變形。此變形的程度可藉由用電極來將在間隙22的高度之變形導致變化轉變成為一個電氣訊號而電容式偵側。該變形可藉由用納入的壓阻器或應變計電阻器來將在隔膜 的變形導致應變轉變成為一個電氣訊號而替代以一種壓阻式或類似的基於應變計的方法所偵側。所有此等方法均為揭露在此技藝中且確切對於熟習此技藝人士為眾所周知而將不在本文中作更為詳細地論述。該種解決方式可明確適用於其應用電容式感測之壓力感測器結構。
習用上，壓力感測器隔膜的形狀已為旋轉對稱，在形式上為圓形或方形。圖1的壓力感測器顯示一種具有該種習用的矩形形狀之隔膜。對於該種旋轉對稱形狀的理由是在於，此等隔膜是針對於隔膜的一個既定厚度而顯現出偏轉的最大壓力靈敏度。實際上，在隔膜的厚度之變化較佳為限制於±5%，藉以達成在壓力靈敏度之小於±15%的變化；壓力靈敏度是對於隔膜的厚度之三次方為成反比。是以，在習用的矽製壓力感測器中，隔膜厚度是在20到40μm的範圍中而變化，隔膜的側邊長度或直徑是在0.5到1.0mm的範圍中而變化，且該等變化為假設該隔膜厚度在1到2μm的範圍中。
藉著已知的先進矽薄化拋光技術，現今，矽晶圓的均勻度可在晶圓的整個面積以及在各個晶圓為下降到0.3μm的階層。考慮上述的優選，適當的均勻度可甚至為以5μm厚的隔膜來達成。此開啟可能性來減小該隔膜的面積且因此降低整個感測器的尺寸。此可能性被典型熱切應用，尤其是歸因於減少的材料成本。然而，商用的壓力感測器是典型為和一個測量電路且經常還有其他構件被密封到一個封裝之中，且在某方面而言，隔膜的面積之減小是對於整個封裝之設計為不再提供附加優點。更重要的將是儘可能有效率地應用一個微機電壓力感測器隔膜之任何設計的面積。
瞭解的是，隔膜的面積是與壓力感測器的靈敏度為相關聯。 然而，已發現的是，藉由改變其以一種特定方式來界定一個特定隔膜面積之尺度的比值，一些重要的優點可在無須折衷以該特定面積所固有可得到的靈敏度之情況下而達成。該等優點可用一種橢圓形的隔膜形狀來達成，其中，最長的尺度與最短的尺度之長寬比是至少為三。
鑒於圖2，側壁23附接到在隔膜板26之上的第二表面，且側壁23的內表面之頂邊緣因此描繪出隔膜27之周邊的輪廓。此周邊具有在第二表面且因而亦朝第一平面25之方向的一個長度27a與一個寬度27b。該隔膜的長度27a是相當於該隔膜的最長限度，且朝平行於第一平面25之第一方向而延伸。該隔膜的寬度27a則為該隔膜朝第二方向的一個限度。此第二方向亦為平行於第一平面25，但其為垂直於第一方向，如在圖2所示。
提供期望效應之對於一種橢圓形形狀的長寬比是當該隔膜的長度為該隔膜的寬度之至少三倍而為已經達成。然而，如稍後將作討論，從四到十之更高的長寬比可針對於改良的性能而被應用。目前，對於在微機械壓力感測器中的隔膜面積之一個實際的最佳值是在0.3到0.5平方毫米之等級。是以，關於一個5μm厚的隔膜，較短的尺度可被有利降低到0.25mm而較長的尺度可對應為範圍從0.75mm或1mm到1.5mm或甚至為2mm。然而，注意到的是，範疇是不受限於任何的特定面積限制。範疇是亦不受限於圖2之矩形的隔膜，滿足上述的長寬比定義之任何的橢圓形形狀可在保護範疇之內而被應用。
本發明的一個優點是對於該種感測器結構的封裝導致彎曲之提高的強健度。如在此技藝所習知，材料層之不同的熱膨脹係數傾向於造成彎曲應力。在一種封裝式裝置中，介於該感測器與封裝的熱膨脹係數 之間的不匹配可能使該感測器結構彎曲為一個曲線形狀，如在圖3所示。此曲線形狀可用一個球形蓋來近似，其中，該蓋之底部的寬度為W且該蓋的高度為H。當H<<W，其為關於微機電感測器的隔膜之情形，該蓋的高度可為近似於正比於寬度的二次方，即：H~W2，此時該底部的曲率半徑被保持不變。
在電容式的偵測中，隔膜偏轉是藉由偵測在第一表面35的一個偏轉隔膜電極與第二表面38的一個固定電極之間的間隙上的電容變化所感測。理想而言，偵測的電容將僅為歸因於其響應於偵測的壓力變化之偏轉而改變。甚至經由外力之隔膜與固定電極的彎曲可被容許；此將理想為不干擾該偵測，若在間隙底部的第一表面35與在間隙頂部的第二表面38將類似地彎曲，即，使得該間隙的高度將不會因為彎曲而改變。然而，有數個實際因素而致使該等表面為不同地變形，如在圖4所示。
舉例來說，平面底部41的一個晶圓可彎曲為一種球形的表面，若其為受到均勻的彎曲力矩，且若其側向尺度是相較於其厚度而為極大。後者的要求為不容易滿足，歸因於相較於其厚度之感測器的受限尺寸。此意指的是，彎曲力矩傾向於由於剪切變形而放鬆為接近於晶圓的邊緣。因為此，晶圓因此傾向於彎曲成為其並非球形而較類似於鈍角圓錐形式之一個形狀，在圖4所示。另一方面，因為不同的尺度標示，該隔膜典型為傾向於彎曲成為一個拋物線形狀。結果在於，介於第一表面45與第二表面48之間的距離將不僅因為偏轉並且因為彎曲而改變。此將引起對於測量的電容值之一個誤差。注意到的是，此邊緣效應並非僅有的因素；還有其他機制為潛在造成由於該等結構之不同彎曲的誤差。
關於旋轉對稱的彎曲元件，該等元件的寬度與長度為相等且彎曲可被視為同樣發生在此等方向二者。如關於圖3之上文所論述，第二表面38之球形蓋的高度是大約為正比於一個對稱元件的寬度/長度之二次方。關於一種橢圓形的元件，此亦為用樣情況，但在寬度與在長度方向的彎曲並不相同。歸因於對於寬度的二次方之比例，彎曲將朝該橢圓形元件的長度之方向而強烈增大，且朝該橢圓形元件的寬度之方向而迅速減小。舉例來說，朝寬度之方向，一個0.25mm寬的橢圓形元件將小於一個0.75mm寬的方形元件為大約九倍而彎曲。
該種隔膜之主張的橢圓形形狀應用此瞭解來減輕彎曲對於偵測的效應。圖5A說明一種習用的方形隔膜50。該方形隔膜的寬度Ws是等於該方形隔膜的長度Ls。圖5B說明一種主張的橢圓形隔膜51，其中，該橢圓形隔膜的寬度Wo是該橢圓形隔膜的長度Lo之至少三倍。作為一個實例，在此假設的是Lo=3*Wo。橢圓形隔膜51具有如同該方形隔膜之相同的有效面積A，A=Ws 2=Ls 2=Wo*Lo。關於橢圓形形狀，瞭解的是，朝長度Lo之方向，橢圓形隔膜是比方形隔膜為彎曲更多(大約九倍)。另一方面，朝寬度Wo之方向，橢圓形隔膜是比方形隔膜為彎曲更少(大約九倍)。然而，已發現的是，對於測量的電容值所引起的誤差是由在較短的尺度(寬度)之彎曲所支配且其對於在較長的尺度(長度)之彎曲為不靈敏，且因此關於橢圓形的面積所經歷的誤差是顯著為小於關於方形面積者。
微機電壓力感測器的尺度經常為最佳化，且隨同一種橢圓形的隔膜，平面底部的晶圓亦典型為橢圓形的形狀。圖6顯示在隔膜寬度之晶圓的第一表面與隔膜的第二表面之彎曲的一種有限元素(FEM,finite element)模擬。該等模擬模型化其具有一個0.25mm寬且1.6mm長的隔膜之一種橢圓形的感測器。圖6的結果顯示的是，關於主張的橢圓形尺度，朝該隔膜的寬度之方向，晶圓傾向於比該隔膜為彎曲更多。然而，歸因於該隔膜的短的寬度，彎曲之絕對值為極小。在一種方形的隔膜中，寬度應為大約0.64mm以提供如同模型化的橢圓形隔膜之相同的有效面積。易於瞭解的是，此長度將已經造成該隔膜之超過六倍較強的彎曲。
對應於圖6，圖7顯示在隔膜一半長度之晶圓的第一表面與隔膜的第二表面之彎曲的一種有限元素(FEM)模擬。看出的是，彎曲的絕對值是比在圖6之中為更大許多。然而，還看出的是，即使晶圓現為強烈彎曲，該隔膜之彎曲的形狀極為精確跟隨該晶圓之彎曲的形狀(在顯示的結果中，該等曲線實際為重合)。此意指的是，朝此方向之間隙的距離不會因為晶圓之彎曲而有效改變，且並無附加的誤差被導致到測量的電容值。
簡言之，在所主張的橢圓形感測器結構中，該隔膜的寬度被作成足夠短而比在一種對應的對稱結構中為經歷介於晶圓與隔膜的彎曲之間的更小差異。另一方面，該隔膜的長度被作成足夠長而與晶圓的彎曲為準確對準。歸因於此，考慮到誤差，沿著隔膜的寬度之晶圓的彎曲效應為處於支配，且總誤差是因此為顯著較小於關於一種對應的旋轉對稱結構。
本發明的另一個優點是改良的靈敏度。此經說明在圖8之中，圖8顯示其作為在圖6與7之示範組態中的偵測壓力之一個函數的FEM模擬電容值。連續線代表以該種橢圓形隔膜結構所產生的電容值，而虛線代表以相同有效面積的一種圓形隔膜結構所產生的電容值。容易看出的是，在該等結果中的差異為值得注意。對此改良的理由是在於，偏轉是從 整個隔膜所偵測。關於一種旋轉對稱結構，隔膜的偏轉部分形成一個表面，其為在該隔膜的中央之一個點狀的凹坑。關於橢圓形的結構，隔膜的偏轉部分形成一個表面，其沿著長度方向而延伸，如同一個線性溝槽。此藉由圖9與10來說明。圖9顯示該模型化的隔膜的位移為在該隔膜的寬度尺度中的位置之一個函數。圖10顯示該模型化的隔膜的位移為在該隔膜的長度尺度中的位置之一個函數。看到的是，在圖10之中的最大偏轉延伸到較長的距離，且因此導致較大的容量且致能較高的訊號以供偵測。在具有相同的有效面積之一種方形或圓形結構中，朝二個方向的位移顯然為如同圖9的位移，且因此提供較低的訊號階層，如在圖8所示。
本發明的再一個優點是在電子封裝中的尺度之較佳匹配。極經常而言，壓力感測器將與一種積體電路被並排組裝到一個封裝中。一個典型的介面電路將具有側向尺度2mm×2mm。容易瞭解的是，一個0.5mm×2mm的感測器可相較於一個1mm×1mm的方形感測器而在該封裝之一維為節省0.5mm。此為，由於最先進的壓力感測器之尺寸為3×3mm2且下個目標是要達到2×2mm2的階層。
在一種電容式感測器中，介於偏轉的隔膜與其承載或作用為靜止電極的晶圓之間的距離是典型極小，經常為1μm或甚者更小的等級。此窄距離與隔膜面積形成一個密封的參考壓力間隙，其可含有稀薄的氣體或於一個選定參考壓力的氣體。如稍早所論述，介於環境壓力(施加壓力)與在間隙中的氣體的參考壓力之間的差異將致使該隔膜彎曲。在一個初始校準程序之後的參考壓力的所有變化將顯示為一個壓力測量誤差。
若該密封式間隙的容積為極小，氣體在感測器材料上之吸 附、吸收與脫附將影響該種感測器的長期穩定度。已經注意到的是，在該間隙之密封期間或之後的高溫製造步驟將致使氣體從該表面且從大部分的感測器材料所脫附。經脫附的氣體將逐漸吸附回到表面上且吸收到感測器材料之中。此過程將連續改變在間隙內的參考壓力。該過程可能耗費數年而該過程的僅為微弱減緩發生在當所有氣體已經消耗、或當接收分子位置在接近表面處已經飽和時。以此方式表現的一種典型氣體為水蒸汽。
為了改良由參考壓力變化所限制的穩定度，合意為將該間隙的容積增大。參考圖2，假設該間隙22的高度為1μm。相當於在間隙表面上的一個單分子層的1/1000之水分子數目的變化可致使對於在該種間隙中的參考壓力之100Pa變化。此大小的變化已經相當於一種氣壓壓力感測器在如同運動手錶與智慧型手機的非高需求消費者應用之一年時間中的最大允許漂移。
圖11說明一個實施例，其中，一種橢圓形的感測器被應用以在無須折衷該種壓力感測器的靈敏度或機械強健性之情況下而提供具有較大容積的一個間隙。圖11是一個側視圖，其顯示該種感測器結構為沿著其長度，且顯示平面底部111、側壁113與隔膜板116元件，此關於圖2而更為詳述於上文。增加的容積是藉由一個或多個腔部110所產生，腔部110是從平面底部111的第一表面而延伸到平面底部之中。該一個或多個腔部110可藉由例如藉著蝕刻來移除平面底部的材料而被製造到平面底部111之晶圓。該一個或多個腔部110通過晶圓的厚度之程度被最佳化以保持機械耐用性且控制製造成本。舉例來說，在一個150μm厚或更厚的晶圓之中，一個腔部較佳為100μm深之等級。
位在該間隙內之第一表面115的一個區域被視為一個間隙區域112。腔部可經定位在其中之第一表面的一個區域被視為一個腔部區域114。如在圖11所示，該一個或多個腔部110較佳為經製造到該上覆的隔膜之偏轉為小於其最大偏轉之處的位置中。指出的是，在腔部區域中的一個位置是與在隔膜之第二表面中的一個位置相對應，當連接此等二個位置的一條直線為垂直於第一表面的平面。如在圖11所示，在操作期間，該隔膜偏轉，使得在第二表面之一個位置的一點是朝向第一平面而移動，即：朝垂直於第一平面115的一個方向。在一個或多個位置，該偏轉是比在任何其他位置為大，使得該隔膜的偏轉是在彼等一個或多個位置為達到其最大值。在圖8與9所示的情形中，最大偏轉發生在寬度尺度的中點且在沿著長度尺度的+/-500μm位置。
瞭解的是，電容式靈敏度是在腔部區域為喪失，由於有效的介電間距是間隙的高度與腔部的深度之總和。該間隙是相較於晶圓而典型為極薄，故該腔部的深度可大於間隙的高度為甚至100倍。此意指的是，在腔部區域114的電容式靈敏度可小於在間隙區域112的其他區域為10000的一個因數。因此有利的是將該一個或多個腔部定位在隔膜偏轉為小於該最大偏轉值之處的腔部區域114。
有利而言，該一個或多個腔部是在隔膜可能於操作期間達到其最大偏轉處之第一表面的一個區域112之外。較佳而言，該一個或多個腔部存在於該隔膜於一個對應位置中的偏轉為小於最大偏轉的三分之二的一個區域114之中。
在旋轉對稱式壓力感測器組態中，該等腔部區域無法在沒有 實質折衷該感測器的靈敏度或機械強健度之情況下而被引入。然而，如在圖11所示，在橢圓形的壓力感測器中，隔膜可在上面而延伸到其最大值之腔部區域112為較長，故該一個或多個腔部可安全定位在隔膜的最長限度之末端或相反端的一個區域114。此將不會影響該平面底部111與隔膜116可能歸因於在腔部區域114之外的外部機械應力而如何彎曲。在沒有引起對於測量的實質負面副作用之情況下，間隙容積被增大，且該種感測器的穩定度因此為顯著提高。在具有典型的微機電裝置尺度之測試中，在20到30之範圍中的總間隙容積增大是藉著此等簡單的腔部結構而已經達成。
為了被定位到沿著在第一表面的側壁或就在其旁邊之受限區域，該一個或多個腔部可形成一個管道(string)。較佳而言，至少一個管道是由一個狹長腔部所形成。術語“狹長”在此意指的是，腔部的長度是腔部的平均寬度之至少二倍。該管道的形式是跟隨感測器結構的形式，故，關於一種矩形的感測器結構，狹長腔部可為一種直線的腔部。關於一種橢圓形的感測器結構，狹長腔部可對應為一種弧狀的形式。圖11說明一種有利的組態，其中，該種壓力感測器包含二個直線的腔部，其各者是朝該隔膜的最長限度的一個相反端而延伸。
圖12說明再一個實施例，其中該感測器結構被裝配以提供複數個感測隔膜。圖12是側視圖，顯示平面底部121、側壁123、隔膜板126元件以及第一與第二表面125、128，此關於圖2而更為詳述於上文。在此實施例中，平面底部121、側壁123與隔膜板126被附接到彼此，使得第一表面、第二表面與側壁的內表面形成其具有分離的間隙區域之二個或多個分離的密閉間隙。該等側壁的內表面的頂邊緣形成在二個或多個隔膜127 的第二表面周邊，隔膜127具有朝第二表面之方向的長度與寬度。此等隔膜的長度是朝該隔膜的最長程度之方向，且其寬度是朝垂直於在第二表面的長度方向之方向。如稍早所述，該等隔膜之各者的長度是該隔膜的寬度之至少三倍。以此方式，橢圓形的隔膜之優點可在保留一個感測器晶片之較傳統的長寬比而達成。此可在一些封裝組態或關於該隔膜的最大長寬比為有利。
如上所論述，彎曲力矩是由於剪力變形而傾向於接近該晶圓的邊緣為鬆弛。因為此，晶圓傾向於彎曲成為其非為球形而較類似於鈍角圓錐形式的一種形狀。使得該等元件之彎曲為偏離理想者之再一個影響是其歸因於由絕緣體的不對稱支撐而產生在隔膜的邊緣之彎曲力矩，當任何的拉張或壓縮的同平面應力是存在於隔膜的中央平面。對於彎曲有關問題之習用方式將為提高該等元件的剛度。然而，本發明的再一個實施例是基於新的理解，藉著該種感測器結構的特定尺度，由於增大彎曲的負面影響可藉由在二個彎曲表面之間的改良對準之正面影響來作補償。
參考回到圖2的側視圖，該種感測器結構具有朝垂直於第一表面24之方向的厚度。該種感測器結構的外表面29至少部分為沿著垂直於該種感測器結構的第一表面之方向而延伸。注意的是，在圖2之中，本體結構與隔膜板的外表面被對準，且該種感測器結構的外表面29為完全沿著其垂直於第一表面之方向而延伸。然而，還包括其中該種感測器結構之一部分的外表面為朝另一個方向(例如：水平)而延伸之結構。側壁的寬度代表從該種感測器結構的外表面到其固定隔膜末端之處的一個支撐點之距離。側壁的寬度可由其從側壁的內表面的頂邊緣到該種感測器結構的外表面29 之一個最短距離來確定。
已經察覺的是，藉著一種特定的尺度，當該種感測器結構的厚度為小於側壁寬度的二倍，該正面影響超過負面影響。該種感測器結構可能比習用的感測器結構為更彎曲幾分，但隔膜的彎曲與平面底部的彎曲被充分對準，且彎曲的影響因此為最小化。此種尺度標定是在其具有主張的橢圓形式之感測器結構為有利。然而，此種尺度標定的優點並非取決於橢圓形狀，相同的尺度標定可被應用於其他的感測器結構形狀，諸如旋轉對稱式的感測器結構形狀。
圖13說明一種微機電壓力感測器130之一個實施例。該種壓力感測器包含一個感測器結構131，其可為上述的替代感測器結構之中的任一者。該種壓力感測器還包含一個電路零件132。感測器結構131與電路零件132可為模製在塑膠材料133之中的分離的晶片。一個聚合物介電層134可被沉積在經重建的晶圓之中。對於該等晶片的電氣端子135之接點可透過在介電層134之上的開口而被提供有沉積的薄膜層。
對於熟習此技藝人士為顯而易見的是，隨著技術進展，本發明的基本概念可用種種方式來實施。本發明以及其實施例因此為不受限於上述的實例，而是可能在申請專利範圍的範疇內而變化。

Claims (19)

  1. 一種微機電壓力感測器結構，其包含一個本體結構和一個隔膜板，其中，該本體結構包含一個平面底部和多個側壁；第一表面係實質沿著該平面底部而延伸；該等側壁係沿著周圍延伸而離開該平面底部；該隔膜板係沿著第二表面而延伸在該等側壁上；該平面底部、該等側壁和該隔膜板彼此附接，使得該第一表面、該第二表面和該等側壁的內表面形成在一個參考壓力中的一個密閉間隙；該等側壁的內表面的一個頂邊緣形成一個隔膜的周邊，其具有朝該第二表面之方向的長度和寬度，其中該長度係朝該隔膜的最長限度之方向，且該寬度的方向係垂直該第一平面中的長度方向；該隔膜的長度係該隔膜的寬度之至少三倍。
  2. 如申請專利範圍第1項之壓力感測器結構，其中，該等側壁係離開該平面底部往垂直於該第一表面之方向而沿著周圍延伸。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之壓力感測器結構，其中，操作時，該隔膜被裝配以偏轉，使得在該第二表面中的一個位置之一點係朝垂直於該第一表面之方向而移動朝向該第一表面。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之壓力感測器結構，其中，該隔膜的長度係該隔膜的寬度之至少五倍。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之壓力感測器結構，其中，一個或多個腔部係從該第一表面延伸到該平面底部中。
  6. 如申請專利範圍第5項之壓力感測器結構，其中，該一個或多個腔部形成一個管道。
  7. 如申請專利範圍第6項之壓力感測器結構，其中，該管道係平行於該等側壁的內表面的至少一部分。
  8. 如申請專利範圍第6項之壓力感測器結構，其中，該管道包含至少一個狹長的腔部，該腔部的長度係該腔部的平均寬度之至少二倍。
  9. 如申請專利範圍第8項之壓力感測器結構，其中，該狹長的腔部為線性，形成一個直線腔部。
  10. 如申請專利範圍第9項之壓力感測器結構，其中，該腔部的部分周邊係與該等側壁的內表面的至少一部分為對準。
  11. 如申請專利範圍第7項之壓力感測器結構，其中，該管道係朝該隔膜的最長限度的一端而延伸。
  12. 如申請專利範圍第9項之壓力感測器結構，其中，該壓力感測器包含二個直線腔部，其每一者係朝該隔膜的最長限度的一個相反端而延伸。
  13. 如申請專利範圍第5項之壓力感測器結構，其中，該管道存在於該第一表面上的一個或多個腔部區域；在該腔部區域中的一個位置對應於在該第二表面的一個位置，係在當連接該等位置的一條直線垂直於該第一表面的平面的時候；該隔膜被裝配以具有一個最大偏轉，其對應於在操作時之該隔膜的一個最大允許位移；腔部區域存在於在一個對應位置之該隔膜的偏轉為小於該最大偏轉的位置。
  14. 如申請專利範圍第13項之壓力感測器結構，其中，腔部區域存在於在一個對應位置之該隔膜的偏轉為小於該最大偏轉的三分之二的位置。
  15. 如申請專利範圍第1或2項之壓力感測器結構，其中，該平面底部、該等側壁和該隔膜板彼此附接，使得該第一表面、該第二表面和該等側壁的內表面形成二個或多個密閉間隙；該等側壁的內表面的頂邊緣形成在二個或多個隔膜的第二表面周邊，其具有朝該第二表面之方向的長度和寬度，其中隔膜的長度係朝該隔膜的最長限度之方向，且寬度方向係垂直在該第二表面的長度方向；每一個該隔膜的長度係該隔膜的寬度之至少三倍。
  16. 如申請專利範圍第1或2項之壓力感測器結構，其中，該壓力感測器結構包含在該第一表面上的一個固定電極和在該第二表面上的一個隔膜電極以偵測在該間隙的電容變化。
  17. 如申請專利範圍第1或2項之壓力感測器結構，其中，該平面底部及/或該隔膜係由導電材料所作成，並提供一個電容器結構以偵測在該間隙的電容變化。
  18. 如申請專利範圍第1或2項之壓力感測器結構，其中，該感測器結構具有朝垂直於該第一表面之方向的厚度；該感測器結構的外表面係沿著垂直於該感測器結構的第一表面之方向而延伸；該等側壁的寬度係對應於從該等側壁的內表面的頂邊緣到該感測器結構的外表面之最短距離；該感測器結構的厚度係小於該等側壁的寬度之二倍。
  19. 一種壓力感測器，其包含如申請專利範圍第1至17項任一項之壓力感測器結構。
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