[发明专利]MEMS电容性压力传感器、操作方法和制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS电容性压力传感器。

背景技术

MEMS压力传感器是公知的，并且典型地具有压电电阻性或电容性读出，以在悬置结构受到外部压力时检测悬置结构的移动。已知器件的一个示例使用圆形悬置薄SiN隔膜(membrane)，其用在电容性MEMS压力计中。

通过PECVD SiN工艺，例如使用2μm厚的PECVC SiN膜，气密地(hermitically)封闭SiN隔膜下方的腔体。最终的器件性能主要由该膜的物理、机械和结构特性以及封闭牺牲刻蚀孔所需的厚度来确定。该隔膜的密度和成分确定气密性、渗气(out-gassing)行为和内应力。应力与厚度一同确定隔膜刚度(rigidity)，并因此确定压力传感器的灵敏度。

医疗应用、替代能源应用、智能建筑、发动机控制(例如，燃气和燃料进口压力)以及汽车安全应用中的关键性系统如轮胎监测系统，需要压力传感器，压力传感器在其使用寿命期间传递精确且可预测的输出，以便在操作变化变得危险之前跟踪这些变化。MEMS压力传感器目前广泛用于这些应用中。

随着小型化日益发展，MEMS压力传感器也开始经受性能问题。例如，出现与不灵敏、不精确以及信号漂移有关的问题。尽管正在采用目前工艺水平的沉积工具和光刻技术，但是不能确保所有MEMS器件均匀沉积或者具有相同的几何结构。由于没有两个MEMS器件完全相同，因此必须有一些手段来校准这些MEMS器件以消除那些不规则。由于在工业制造环境中测量单独器件参数(例如，与外部施加的力相关的挠曲形状(deflection profile))非常不切实际，因此重要的是，开发内部校准方法，以确保两个MEMS器件以完全相同的方式工作或测量。

由于器件可能暴露在恶劣环境下或者长时间保持休眠，因此还需要自校准。在一些情况下，器件应当唤醒，并且重新自校准，以考虑由温度差产生的变化、气态或液态周围环境的变化、或者可能影响特性的其他条件。

当前大多数MEMS压力传感器使用气密密封隔膜，气密密封隔膜密封一定定计示压力(gauge pressure)的基准腔体(在一些情况下，计示压力是真空)。测量外部压力，这是由于外部压力与计示压力之间的压差对隔膜产生力，这种力引起隔膜挠曲(deflect)。这种挠曲然后由压阻、电容性或光学传感器来测量。存在与这种传统压力传感器设计有关的若干困难。

例如，基准腔体中的气压需要非常稳定以免信号漂移。这需要极高级别的气密性，而不会出现隔膜渗气。

然而，为了具有较大挠曲和最优灵敏度，隔膜的厚度应当薄(或者隔膜应当具有较大面积)。由于难以制造非常薄的气密隔膜，因此这些是冲突的要求并且导致较大的传感器尺寸。

如果基准腔体在一定压力下，则该压力与温度相关(根据玻意耳定律)。传感器因此变得与温度相关。压力传感器的灵敏度由隔膜变形的幅度来确定，隔膜变形又由隔膜的厚度、直径、和屈服强度(yield strength)来限定。对于具有电容性读出的传感器而言，灵敏度还取决于极板的距离，压力越大距离就越大。基于挠曲的压力传感器的总动态范围还受限于隔膜的最大挠曲。

因此，清楚的是，隔膜厚度、直径和应力的任何偏差对得到的隔膜挠曲形状具有很大影响，这不仅影响绝对电容读数而且还影响读出的准确性和精度。由于在制造期间的工艺偏差，因此没有两个微结构具有相同几何结构和材料特性，这会引起对性能有显著影响的尺寸、质量、硬度(stiffness)的小偏差。例如，如果隔膜包含压缩层和拉伸层，则10％的隔膜厚度偏差可以引起50％-100％的微结构硬度和压力灵敏度变化。实际相关性取决于将隔膜设置为挠曲的方式。例如，对于应力主导的隔膜而言厚度相关性与厚度成比例，而对于弯曲硬度(bending stiffness)主导的隔膜而言，厚度依赖性与厚度的三次幂成比例。

发明内容

根据本发明，提供了一种MEMS压力传感器，包括：相对的电极布置，其中，电极布置之一悬置在另一电极布置之上，使得该电极布置响应于施加的压力可移动；以及用于根据电极布置之间的电容导出输出的装置，

其中下部电极布置包括由单个金属层形成的内电极和外电极，外电极绕内电极设置，

其中下部电极布置设置在具有顶部金属互连层的集成电路之上，以及

其中内电极和外电极通过一组垂直过孔电连接至下方的顶部金属互连层的连接部分。