[发明专利]MEMS电容式压力传感器及其制造方法

说明书

本发明提供了一种MEMS电容式压力传感器及其制造方法。该MEMS电容式压力传感器包括集成在具有第一导电类型的同一衬底中的感测电容器和与其对应的用于对其进行补偿的多个参考电容器，其中，感测电容器包括衬底内的感测掩埋腔和感测掩埋腔上方的悬浮的可变形的感测隔膜；每个参考电容器包括衬底内的参考掩埋腔和参考掩埋腔上方的悬浮的参考隔膜；以及多个参考隔膜的总面积与感测隔膜的面积相同。在该MEMS电容式压力传感器中，一个感测电容器的感测隔膜的面积等于多个参考电容器的参考隔膜的面积的总和，因此在真空条件下，多个参考电容器具有与感测电容器的电容相同的总电容，因此可以消除感测电容器的静态电容，使得测量结果更加准确。

技术领域

本发明涉及电容式压力传感器，尤其涉及MEMS电容式压力传感器及其制造方法。

背景技术

MEMS电容式压力传感器具有低温漂、高灵敏度、低噪声和较大的动态范围等显著优点而被广泛应用。MEMS电容式压力传感器通常包括感测电容器和参考电容器，其中参考电容器通常用于获得感测电容器的静态电容和寄生电容，以便从MEMS电容式压力传感器测得的总电容中去除静态电容和寄生电容，获得能够准确地反映所施加的压力的净电容。静态电容指的是感测电容在整个测量范围内均不改变的分量，而寄生电容指的是原本没有设计成感测电容器的分量但却总是无法避免的电容分量。寄生电容的示例包括结电容、金属化布局和衬底之间的电容等等。由于这些分量对信号没有贡献，因此在测量中包括这些信号将会导致不期望的信号处理电路的动态范围降低。

这种情况下，要求参考电容器的电容应当恰好等于感测电容器的静态电容和寄生电容。然而，如果在参考电容和静态及寄生电容之间存在差异，则有必要去除该差异。为了去除该差异，需要对设计和工艺进行仔细校准和微调，并且如果是工艺导致的差异，则需要针对每个器件进行这种繁琐的校准。

因此，期望设计出尽量与感测电容器类似的参考电容器，以使得参考电容器的电容基本上等于感测电容器的静态电容和寄生电容。然而，由于参考电容器应当对压力变化不敏感，因此很难设计出完全相同的参考电容器和感测电容器，从而很难完全消除感测电容器的静态电容和寄生电容。在美国专利US8575710B2中公开了一种电容式半导体压力传感器，其中用电介质材料填充可变形隔膜下方的空腔来形成对压力不敏感的参考电容器；然而，为了获得与静态电容和寄生电容相同的参考电容，需要精确地计算这种参考电容器的尺寸。在Klaus Kasten,et al.Capacitive pressure sensor with monolithicallyintegrated CMOS readout circuit for high temperature applications,Sensorsand Actuators A:Physical 97(2002):83-87中，通过增大可变形隔膜的厚度来增大参考电容器的刚度以使得参考电容器对压力不敏感，但这需要包括光刻工艺的额外工艺步骤，并且仍然很难完全消除静态电容和寄生电容。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种MEMS电容式压力传感器及其制造方法。所述MEMS电容式压力传感器基于MEMS技术，包括单片集成的感测电容器及与其对应的多个参考电容器，每个参考电容器的隔膜尺寸均小于感测电容器的隔膜尺寸，因此能够获得较大的刚度，对压力变化不敏感。多个参考电容器的隔膜的总面积与感测电容器的隔膜的面积相同，因此在真空条件下，多个参考电容器和感测电容器的总静态电容值相同。另外，多个参考电容器和感测电容器的隔膜的掺杂区域的面积和周长相同。因此，能够从多个参考电容器准确地获得感测电容器的静态电容和寄生电容，从而可以通过差动运算来有效地去除感测电容器的静态电容和寄生电容。

具体地，本发明提供了一种MEMS电容式压力传感器，包括集成在具有第一导电类型的同一衬底中的感测电容器和与其对应的用于对其进行补偿的多个参考电容器，其中，所述感测电容器包括衬底内的感测掩埋腔和感测掩埋腔上方的悬浮的可变形的感测隔膜；所述每个参考电容器包括衬底内的参考掩埋腔和参考掩埋腔上方的悬浮的参考隔膜；以及所述多个参考隔膜的总面积与感测隔膜的面积相同。