CN105466610B - 一种压力传感器及电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压力传感器及电子装置，包括压力传感单元，所述压力传感单元包括若干间隔设置的线状开口，以露出压力传感膜；其中，若干所述线状开口排列成环状结构，以形成压力传感区域。本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种新的压力传感器，所述压力传感器包括压力传感单元和压力参照单元，其中所述压力传感单元中所述压力传感区域由常规的矩形改进为由若干间隔设置的线状开口形成的环状结构，所述线状开口具有更小的关键尺寸，同时所述压力参照单元中没有压力传感器空腔，所述压力传感器空腔的位置填充有填充材料层，通过上述改进可以进一步提高压力传感器的灵敏度、准确度以及稳定性。

Description

一种压力传感器及电子装置

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体地，本发明涉及一种压力传感器及电子装置。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，在传感器(motion sensor)类产品的市场上，智能手机、集成CMOS和微电子机械***(MEMS)器件日益成为最主流、最先进的技术，并且随着技术的更新，这类传感器产品的发展方向是更小的尺寸，高质量的电学性能和更低的损耗。

微电子机械***(MEMS)在体积、功耗、重量以及价格方面具有十分明显的优势，至今已经开发出多种不同的传感器，例如压力传感器、加速度传感器、惯性传感器以及其他的传感器。

其中，压力传感器在得到广泛应用的同时也存在一些问题，在所述压力传感器在传感压力的过程中，当压力较小时，覆盖层受到的力和检测压力之间的响应具有良好的线性关系，但是随着压力的变大，压力响应变的不可重复，覆盖层受到的力并没有随着压力大增加恒定的变大，压力响应没有良好的线性关系，如图1c所示，从而影响了压力传感器的灵敏度和准确度。

因此，需要对压力传感器作进一步的改进，以便消除上述问题，进一步提高压力传感器的灵敏度和准确度。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明为了克服目前存在问题，提供了一种压力传感器，包括压力传感单元，所述压力传感单元包括若干间隔设置的线状开口，以露出压力传感膜；

其中，若干所述线状开口排列成环状结构，以形成压力传感区域。

可选地，所述压力传感单元包括：

基底，在所述基底中形成有压力传感器底部电极；

压力传感膜，位于所述压力传感器底部电极的上方；

压力传感器空腔，位于所述压力传感器底部电极和所述压力传感膜之间；

覆盖层，位于所述压力传感膜上方；

其中，所述覆盖层中形成有若干所述线状开口，以形成所述压力传感区域。

可选地，所述线状开口呈长条状结构。

可选地，所述压力传感器还包括压力参照单元。

可选地，所述压力参照单元中不包含压力传感器空腔。

可选地，所述压力参照单元包括：

基底，在所述基底中形成有压力传感器底部电极；

压力传感膜，位于所述压力传感器底部电极的上方；

填充材料层，位于所述压力传感器底部电极和所述压力传感膜之间；

覆盖层，位于所述压力传感膜上方，以完全覆盖所述压力传感膜。

可选地，所述填充材料层选用无定形碳。

可选地，所述基底中还形成有金属互连结构，以连接所述压力传感膜。

可选地，所述覆盖层选用等离子增强氮化硅。

本发明还提供了一种电子装置，包括上述的压力传感器。

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种新的压力传感器，所述压力传感器包括压力传感单元和压力参照单元，其中所述压力传感单元中所述压力传感区域由常规的矩形改进为由若干间隔设置的线状开口形成的环状结构，所述线状开口具有更小的关键尺寸，同时所述压力参照单元中没有压力传感器空腔，所述压力传感器空腔的位置填充有填充材料层，通过上述改进可以进一步提高压力传感器的灵敏度、准确度以及稳定性。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1a-1b为现有技术中所述压力传感器的结构示意图；

图1c-1d为现有技术中所述压力传感器的压力响应曲线图；

图2a-2c为本发明实施例中所述压力传感器的结构示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

目前压力传感器通常包括压力传感单元和压力参照单元，其中压力传感单元如图1a所示，包括基底101，在所述基底101中形成有CMOS器件或者其他有源器件等，在所述基底中还形成有金属互连结构以及压力传感器底部电极104，在所述压力传感器底部电极104的上方形成有压力传感器空腔11和压力传感膜103，在所述压力传感膜103的上方还形成有覆盖层102，其中所述覆盖层102中形成有开口10，以露出部分所述压力传感膜103，形成压力传感区域，其中所述开口10通常为方形环状结构，例如长方形或者正方形，如图1a右图所示。

其中，所述压力参照单元的结构如图1b所示，其结构与压力传感单元相似，不同之处在于在压力参照单元中位于所述压力传感膜103上方的所述覆盖层102中不会形成开口。

选用如图1a-1b所示的结构进行压力测试的时，当压力较小时，覆盖层受到的力和检测压力之间的响应具有良好的线性关系，如图1c所示，但是随着压力的变大，压力响应变的不可重复，覆盖层受到的力并没有随着压力大增加恒定的变大，压力响应没有良好的线性关系，从而影响了压力传感器的灵敏度和准确度。

对此发明人进行了大量的实验和分析，发现产生上述问题的原因是由于压力传感单元中的传感电容和压力参照单元中的参照电容之间存在差异，从图1d的线性图中可以看出，压力传感单元中的传感电容和压力参照单元中的参照电容的线性性能存在差异，而引起所述差异的原因在于所述压力传感单元中具有开口的压力传感区域，而在所述压力参照单元中不存在，因此为了进一步提高所述压力传感器的灵敏度和准确度，需要克服上述问题。

实施例1

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种压力传感器，下面结合附图2a-2c对所述压力传感器作进一步的说明。

本发明所述压力传感器包括压力传感单元和压力参照单元，其中，为了解决现有技术中存在的各种问题，对所述压力传感单元和压力参照单元的结构都进行改进，下面分别对所述改进进行说明。

首先，参照图2a-2b，其中，所述图2a为压力传感单元的剖面图，图2b为压力传感单元的俯视图。

如图2a所示，所述压力传感单元包括：

基底201，所述基底201中形成有压力传感器底部电极204；

压力传感膜203，位于所述压力传感器底部电极204的上方；

压力传感器空腔21，位于所述压力传感器底部电极204和所述压力传感膜203之间；

覆盖层202，位于所述压力传感膜203上方；

其中，所述覆盖层中形成有线状开口20，露出所述压力传感膜，以形成所述压力传感区域。

如图2a所示，所述基底201中形成有压力传感器底部电极204，用于实现对压力的传感。

所述基底201中形成有各种有源器件，例如在所述基底上形成CMOS器件以及其他的有源器件，所述有源器件并不局限于某一种，在此不再赘述。

此外，所述基底201中还形成有金属互连结构，位于所述压力传感器底部电极204的两侧，所述金属互连结构由金属层和通孔相互交替连接形成，其中所述金属互连结构的用于连接位于基底201中的CMOS器件或者其它有源器件以及所述压力传感单元。进一步，所述金属互连结构的一端连接于压力传感膜203。

其中，所述压力传感膜203可以选用本领域常用的传感膜材料，例如可以选用Si、SiGe等材料，但是并不局限于该示例。

其中，所述压力传感膜203的两端与金属互连结构相连，所述压力传感膜203的中间部位的下方形成有压力传感器空腔21，其中所述压力传感器空腔21位于所述压力传感器底部电极204的上方。

所述压力传感器底部电极204、压力传感器空腔21以及压力传感膜203共同形成压力传感电容器，其中，所述压力传感器底部电极204和压力传感膜203作为所述电容器的上下极板，所述压力传感器空腔21中的空气介质作为电容器的介电质，当所述压力传感膜203受到压力之后发生形变，从而引起两极板之间距离的改变，使电容发生改变，实现对所述压力的检测。

其中，所述覆盖层202位于所述压力传感膜203的上方，覆盖所述压力传感膜203，其中所述覆盖层202中形成有压力传感区域，以露出所述压力传感膜203，以感知外界压力的变化，实现压力的传感。

可选地，所述覆盖层选用等离子增强氮化硅。

为了减小所述压力传感单元和所述压力参照单元之间的不同，以提高压力传感的灵敏度，在本申请中对所述压力传感区域进行了改进，所述压力传感区域整体为环状结构，所述环状结构可以为方形或者圆形，或者其他形状，并不局限于某一种。

其中，所述环状结构由若干间隔设置的线状开口20构成，如图2b所示，位于所述覆盖层中，所述线状开口20露出所述压力传感膜203。相对于现有技术中的压力传感区域，本申请中的压力传感区域不再是一整个环形槽，而是由多个相互隔开的开口形成，相对于整个环形槽，其具有更高的灵敏度，同时和参照单元之间的差异也进一步缩小。

其中，所述线状开口20呈长条状结构，如图2b所示；所述开口具有较小的关键尺寸，现有技术中所述开口通常为方形，例如长方形，而且其关键尺寸为8um或者更大，而本申请中所述压力传感区域的开口比8um小的多，提高了压力传感的灵敏度以及稳定性。

所述压力传感器还包括压力参照单元，所述压力参照单元中不包含压力传感器空腔，以减小压力参照单元的变化。

具体地，所述压力参照单元的结构与压力传感单元的结构相似，不同之处在于，所述压力参照单元的结构如图2c所示，其中，所述压力参照单元没有压力传感区域，所述覆盖层202中没有开口。

此外，为了提高压力传感器的稳定性，相对与所述压力传感单元，所述压力参照单元中没有压力传感器空腔，所述压力传感器空腔的位置填充有填充材料层205。

可选地，所述填充材料层205选用无定形碳。

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种新的压力传感器，所述压力传感器包括压力传感单元和压力参照单元，其中所述压力传感单元中所述压力传感区域有常规的矩形改进为由若干间隔设置的线状开口形成的环状结构，所述线状开口具有更小的关键尺寸，同时所述压力参照单元中没有压力传感器空腔，所述压力传感器空腔的位置填充有填充材料层，通过上述改进可以进一步提高压力传感器的灵敏度、准确度以及稳定性。

实施例2

本发明还提供了一种电子装置，包括实施例1所述的压力传感器。

本实施例的电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可为任何包括所述压力传感器的中间产品。本发明实施例的电子装置，由于使用了上述的压力传感器，因而具有更好的性能。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种压力传感器，包括压力传感单元，所述压力传感单元包括若干间隔设置的线状开口，以露出压力传感膜；

其中，若干所述线状开口排列成环状结构，以形成压力传感区域并提高所述压力传感器的灵敏度。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感单元包括：

基底，在所述基底中形成有压力传感器底部电极；

压力传感膜，位于所述压力传感器底部电极的上方；

压力传感器空腔，位于所述压力传感器底部电极和所述压力传感膜之间；

覆盖层，位于所述压力传感膜上方；

其中，所述覆盖层中形成有若干所述线状开口，以形成所述压力传感区域。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，所述线状开口呈长条状结构。

4.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器还包括压力参照单元。

5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，所述压力参照单元中不包含压力传感器空腔。

6.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，所述压力参照单元包括：

基底，在所述基底中形成有压力传感器底部电极；

压力传感膜，位于所述压力传感器底部电极的上方；

填充材料层，位于所述压力传感器底部电极和所述压力传感膜之间；

覆盖层，位于所述压力传感膜上方，以完全覆盖所述压力传感膜。

7.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，所述填充材料层选用无定形碳。

8.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述基底中还形成有金属互连结构，以连接所述压力传感膜。

9.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述覆盖层选用等离子增强氮化硅。

10.一种电子装置，包括权利要求1至9之一所述的压力传感器。