CN112673243A - 压力传感器 - Google Patents

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尤卡·凯纳琳
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Abstract

根据本发明的示例方面，提供了一种MEMS压力传感器(1)，其包括：传感器部分(10)和阀部分(20)，传感器部分(10)包括可变形膜(11)和第一腔室(12)，阀部分包括到压力传感器的第一侧(40)的第一输出(22)和到压力传感器的第二侧(50)的第二输出(23)。所述阀部分可操作以关闭第二输出并打开第一输出，使第一腔室中的压力与所述压力传感器的第一侧的压力相等，从而用于校准传感器；关闭第一输出，打开第二输出，使第一腔室中的压力与压力传感器的第二侧的压力相等，从而进行压力测量。

Description

压力传感器
技术领域
本发明属于压力传感器。特别地，本发明属于微机电(MEMS)压力传感器。
技术背景
MEMS技术有助于制造紧凑型压力传感器，例如压阻式压力传感器。压阻式传感器可以由可变形膜上的压阻检测元件组成。由压力引起的可变形膜几何变化导致传感器检测到电阻率变化。
MEMS电容式压力传感器需要两个在施加压力的情况下彼此相对移动的电极。通常通过在基板上设置固定电极，同时在可变形膜中设置移动电极来实现该配置，可变形膜暴露于要感测的压力下。
WO2016203106公开了一种MEMS电容式压力传感器，其包括第一电极，可变形的第二电极，第二电极通过在第一电极和第二电极之间的腔室与第一电极电绝缘。第一电极和第二电极中的至少一个包括突出进入所述腔室中的至少一个基座。其中还提供了一种用于制造MEMS电容式压力传感器的方法。
压力传感器容易随时间推移而漂移。外部阀用于补偿压差传感器的漂移。
发明内容
根据一些方面，本发明提供了独立权利要求的主题。一些具体的实施例在从属权利要求中限定。
根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS压力传感器，其包括：传感器部分，传感器部分包括可变形膜和第一腔室；以及阀部分，阀部分包括到压力传感器的第一侧的第一输出和到压力传感器的第二侧的第二输出。所述阀部分能够***作关闭第二输出并打开第一输出，以使第一腔室中的压力与压力传感器的第一侧的压力相等，从而校准压力传感器；并关闭第一输出并打开第二输出，以使第一腔室中的压力与压力传感器的第二侧的压力相等，从而进行压力测量。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于操作根据第一方面的MEMS压力传感器的方法，包括：
-引导传感器的第一输出的打开和压力传感器的第二输出的关闭，以使第一腔室中的压力与压力传感器的第一侧的压力相等，
-在打开第一输出并关闭第二输出之后，接收第一信号，第一信号指示压力传感器的可变形膜相关的电容或电阻变化，
-根据接收到的第一信号执行传感器校准，
-在传感器校准之后引导关闭第一输出并打开第二输出，以使第一腔室中的压力与压力传感器的第二侧的压力相等，
-在关闭第一输出并打开第二输出之后，接收第二信号，第二信号指示可变形膜相关的电容或电阻变化；和
-基于所接收的第二信号来确定压力传感器的第一侧和第二侧的压差。
根据一个实施方式，阀部分包括连接到第一腔室的第二腔室、包括第一输出的第一膜、包括至少一部分的第二输出的第二膜以及位于第二腔室内并处于第一膜和第二膜之间的第三膜，其中第三膜可调节以关闭压力测量的第一输出，并且第三膜可调节关闭第二输出以偏移置零。
根据一个实施方式，传感器被配置为通过在第一膜和第三膜之间施加第一电压来调节第三膜关闭第一输出，并且传感器被配置为通过施加第二膜和第三膜之间的第二电压来调节第三膜关闭第二输出。
根据一个实施方式，压力传感器是电容性压力传感器，并且包括在第一腔室中的第一电极和形成或包括可变形膜的第二电极。
根据一个实施方式，压力传感器被配置用于或包括在打开第一输出并关闭第二输出之后，提供指示与压力传感器的可变形膜相关联的电容或电阻变化的第一信号。在关闭第一输出并打开第二输出之后，提供指示与压力传感器的可变形膜相关联的电容或电阻变化的第二信号。
附图说明
图1和图2示出了根据本发明的至少一些实施方式的MEMS压力传感器的截面图或侧视图；
图3和图4示出了根据本发明的至少一些实施方式的电容式MEMS压力传感器的侧视图；
图5示出了根据本发明的至少一些实施方式的电容式MEMS压力传感器的俯视图；
图6示出了根据本发明的至少一些实施方式的压阻式MEMS压力传感器的侧视图；
图7示出了根据本发明的至少一些实施方式的压阻式MEMS压力传感器的俯视图；
图8和图9示出了根据本发明的至少一些实施方式的压阻式MEMS压力传感器的侧视图；
图10是根据本发明的至少一些实施方式的方法流程图。
具体实施方式
现在提供一种MEMS压力传感器设备或装置，其中已经开发了集成阀装置以解决传感器的漂移。阀门的尺寸已被缩小到MEMS尺寸，从而也大大降低了与漂移补偿相关的成本。该阀也可以称为集成MEMS阀，并且与MEMS压力传感器部分一起使用以补偿漂移和偏移置零。
图1示出了这种MEMS压力传感器装置1的简化实施例。传感器装置1包括传感器部分10，该传感器部分10包括可变形膜11和第一腔室12。传感器装置还包括阀装置或部分20，该阀装置或部分20包括通过通道29连接到第一腔室的第二腔室21、连接到压力传感器的一侧40的第一输出22以及连接到压力传感器的另一侧50的第二输出23。
阀部分20可以包括：包括第一输出22的第一膜24、包括第二输出23的至少一部分的第二膜25以及第三膜26，第三膜26位于第二腔室21中并且在第一膜和第二膜之间。例如，第三膜可被弹簧安装到中间层28的另一部分。层28可以延伸到传感器部分10，并且可以包括可变形膜11。阀部分20可以进一步包括第三腔室27，该腔室连接到或包括第二输出23。
传感器1还包括第一电极13，其可以直接地或经由一个或多个中间层固定地附接到基板2。基板2可以是标准的硅晶片。基板可以进一步包括半导体器件(未示出)。
如图1和3所示，第三膜26是可调节的，以关闭第一输出22并打开第二输出23从而进行压力测量。因此，经由通道29、第二腔室21、第二输出23和第三腔室27，从腔室12到传感器装置的另一侧50的通道被打开，从而使腔室12中的压力等于压力p2。阀部分和传感器1的这种状态可以称为测量模式。压力传感器1的不同侧40、50之间的压力差引起可变形膜11的偏斜。如图3和4进一步所示，第三膜26与第一膜24和第二膜25绝缘，例如，通过附接到第三膜和/或其他膜24、25的薄绝缘膜30、31。
阀部分20可以形成静电驱动的MEMS阀。在一些实施方式中，传感器装置1被配置为通过在第一膜24和第三膜26之间施加第一电压(耦合到层28或形成层28的一部分)来调节第三膜26以关闭第一输出22。
如图2和图4所示，第三膜26是可调节的，以打开第一输出22和关闭第二输出23，以用于校准传感器和偏移置零，在此称为校准模式。参考图4，当进入校准模式时，通过由电导Ca、Cb和Cc限定的流动通道，第一腔室V112中的压力等于第一侧40中的压力p1。
在一些实施方式中，传感器装置被配置为通过在第二膜25和第三膜26之间施加第二电压来调节第三膜26以关闭第二输出23。取决于所选择的实施方式，第一电压可以等于或不同于第二电压。在替代实施方式中，传感器装置被配置为仅施加电压以切换到测量模式或校准模式。传感器装置可被构造成使得仅当阀部分20的状态改变时才需要供电。驱动所需的功耗在mW范围内，甚至可能在μW范围内，因此与在阀门处于驱动状态(在W范围内)时应用需要供电的传统外部(三通)阀相比，能够大幅降低能耗。
根据一些实施方式，压力传感器1是电容式压力传感器。参考图1至图4的示例，电容传感器装置300及其传感器部分10包括在第一腔室中的第一电极13和形成或包括可变形膜11的第二电极14。传感器装置300还包括第三电极15，第三电极15配置成使压力传感器的第一侧40处的压力影响第二电极，进而影响可变形膜11。电极通过绝缘层彼此电绝缘。
图3所示的测量模式期间的压力差与第二电极14和第三电极15之间的第一电容C1以及第二电极14和第一电极13之间的第二电容C2之间的电容不平衡成比例。因此，可以基于电容不平衡C1-C2或C1/C2得出压差pl-p2。
图5示出了电容式压力传感器1的俯视图实施例。
在一些实施方式中，压力传感器是压阻式压力传感器。传感器因此可以在可变形膜上包括至少一个压阻检测元件，或者包括可变形膜。压阻检测元件可以包括嵌入绝缘层之间的薄导电膜。例如，隔膜可以是单晶或多晶硅。在测量模式下，当对膜片施加外部压力时，膜片会拉伸。几何变化(压缩或拉伸)会导致隔膜电阻率发生变化。压阻式压力传感器被配置为检测隔膜中的电阻变化，并基于该电阻变化提供用于压力测量的信号。
在图6至图9中提供了这种压阻式压力传感器的一些实施例。图7示出了压阻式压力传感器60的俯视图实施例。图8和9分别示出了压力传感器60的测量和校准模式。
传感器60包括阀装置或阀部分，该阀装置或阀部分可以包括相似的元件并且与上述阀部分20相似地操作。如图6所示，在一些实施方式中，阀部分可以设置在特定的第三中间位置，该第三中间位置可以用作静止位置/模式。然而，在其他实施方式中，阀部分可以设置有两个位置和模式，其中之一可以用作静止位置(不需要供电)。
传感器60包括被配置用于压阻式压力测量的传感器部分70。传感器部分70包括可变形膜71和在可变形膜71上的压敏电阻器组72。一组压敏电阻器组72被配置为在关闭第一输出22并打开第二输出23时提供指示电阻率变化的信号。测量模式下，压阻式压力传感器60中的变形构件71的弯曲引起电阻变化，压差与由压敏电阻器72所感测的电阻变化成比例。传感器因此可以被配置为输出指示第一腔室12和第三腔室27之间的压差的信号。压阻式压力传感器可以通过上面的阀部分20进行校准，如图9所示。信号调节电路可以用于温度补偿。
当前公开的具有集成校准阀装置的MEMS传感器可有多种优点。具有漂移补偿的整体传感器装置的尺寸和功耗可以大大降低。由于可以避免使用外部阀，因此可以避免使用相关的接口和管道。由于距离较短，因此气体更换和校准更快。而且，通过传感器部分10、70和阀部分20的集成制造可以降低总生产成本。
当前公开的具有集成校准阀装置MEMS传感器的一些实施例应用领域包括楼宇自动化和医疗设备，例如用于暖通空调***(HVAC)的差压变送器以及呼吸分析仪。
应当理解的是，图1至图9仅示出了一些传感器装置实施例，并且可以对该结构进行各种修改和添加。还应当理解的是，传感器装置元件的形式和位置，例如腔室之间的连接和/或输出的数量和位置，可以根据所讨论的应用以多种方式改变。
根据一些实施方式，提供了一种设备，该设备包括和/或控制根据上述任何实施方式的MEMS传感器装置1、60。该设备还包括控制电路，该控制电路被配置为控制MEMS传感器装置，例如，使第一输出和第二输出关闭，并检测第一腔室和第三腔室之间的压力差。在一些实施方式中，电路包括一个或多个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。该设备可以包括控制装置，该控制装置被配置为控制MEMS传感器装置1、60并从传感器装置接收信号以用于压力测量。
根据至少一些实施方式，电子电路构成的电子装置可以被配置为控制装置，以控制MEMS传感器装置1、60运行。在一些实施方式中，执行至少一些上述功能的设备被包括在这样的装置中，例如。该设备可以包括电路，例如芯片、芯片组、微控制器或用于上述装置中的任何一种或在其中的电路的组合。该电路可以指的是纯硬件电路实施方式的使用，或硬件电路与软件实施方式的组合。该装置可以包括处理器和至少部分可被该处理器访问的存储器。存储器可以包括被配置为处理器可执行的计算机指令。因此可以配置存储器、处理器和计算机程序代码，使装置执行当前公开的至少一些特征。可理解的是，该装置可以包括各种其他元件，例如用于发送测量结果的发送器，接收器和用户界面。
参考图10，根据一方面，提供了一种用于操作根据至少一些以上示出的实施方式的MEMS压力传感器装置的方法。该方法可通过包括或控制MEMS传感器装置1、60的设备，应用传感器装置1或60测量压力。该方法包括：
-100，引导传感器装置的第一输出22的打开，并关闭传感器装置的第二输出23，以使第一腔室12中的压力与传感器装置的第一侧40处的压力相等，
-110，在打开第一输出并关闭第二输出23之后，接收第一信号，该第一信号指示与传感器装置的可变形膜11、71相关的电容或电阻变化，
-120，在接收到的第一信号的基础上执行传感器校准，
-130，指示在传感器校准之后关闭第一输出22和打开第二输出23，以使第一腔室12中的压力与传感器装置的第二侧(50)的压力相等，
-140，在关闭第一输出22并打开第二输出23之后，接收第二信号，该第二信号指示与可变形膜11、71相关的电容或电阻变化；和
-150，基于所接收的第二信号，确定传感器装置的第一侧40和第二侧50之间的压力差。
具有集成阀装置的MEMS压力传感器1、60可以制造，例如通过应用下面示出的制造过程的至少一些特征来制造。该制造过程基于微机械多晶硅沉积和支撑氧化物层的牺牲蚀刻。牺牲蚀刻是指在处理过程中多晶膜之间和下方的氧化硅层被部分去除，以释放膜并形成自立结构。使用多晶硅的主要好处包括沉积过程的均匀性，可适应的拉应力，电导性以及在牺牲蚀刻过程中对二氧化硅的化学选择性。
在电容传感器装置1的情况下，压力感应元件可以由在薄DSP硅晶片上制造的两个独立的，重叠的气隙电容器构成。电容器由弯曲的隔膜11构成，该膜片对外部气压开放，并且在膜片的下方和上方具有两个静态的穿孔电极13、15。压力差会导致膜片弯曲，从而使电容与压力差成比例地变化。
隔膜和电极可以由薄的微机械多晶硅沉积。三个电介质氧化硅层支撑多晶硅膜，并充当隔膜和电极之间的电绝缘体。静态电极的支撑区域被最小化以保持低的寄生电容。对硅衬底的背面进行DRIE(深反应离子蚀刻)蚀刻，以释放底部电极。
可以同时在两侧上施加氟化氢蒸气以去除部分支撑的氧化硅层。电容器腔的几何形状是在牺牲蚀刻过程中通过光刻在静电电极中定义的开口定义的。使用铝金属化在随后打开的触点开口上形成电连接。使用氧化硅和氮化物层钝化顶表面。
可以通过与压力传感器相同的制造工艺来制造两通和三通静电驱动的MEMS阀部分20。阀的结构与压力传感器部分10非常相似，该压力传感器部分10包括两个静态电极以及在它们之间的静电驱动膜。
应当理解，如相关领域的普通技术人员将认识到的那样，本发明所公开的实施方式不限于本文所公开的特定结构、处理步骤或材料，而是扩展至其等同物。还应该理解，本文采用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在限制性。
在本说明书中对一个实施方式或一个实施方式的引用意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”并不一定都指同一实施方式。在使用诸如大约或基本上这样的术语对数值进行引用的情况下，也公开了确切的数值。
如本文所使用的，为了方便起见，多个项、结构元件、组成要素和/或材料可以在公开列表中呈现。但是，这些列表应当被解释为列表中的每个成员都被单独地识别为单独且独特的成员。因此，仅基于它们在共同组中的呈现而没有相反指示，这样的列表的任何单个成员都不应被解释为等同于同一列表的任何其他成员。另外，本发明的各种实施方式和示例可以在本文中连同针对其各种部件的替代方案一起被参考。应该理解的是，这种实施方式、示例和替代方案不应被理解为彼此事实上的等同物，而应被认为是本发明的独立和自主的表示。
此外，所描述的特征，结构或特点可以以任何合适的方式在一个或多个实施方式中组合。在以上的描述中，提供了许多具体细节，例如长度，宽度，形状等的示例，以提供对本发明实施例的透彻理解。但是，相关领域的技术人员将认识到的是，本发明可以在没有具体细节中的一个或多个的情况下实践，或者可以用其它方法、部件、材料等来实践。在其它情况下，众所周知的结构、材料或操作未被示出或详细描述，以避免模糊本发明的各方面。
尽管前面的示例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但是对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，可以对形式、用法和实施细节进行多种修改。而不运用创造性的能力并且不背离本发明的原理和概念。因此，除了由下面阐述的权利要求限制之外，不旨在限制本发明。
在本文中使用动词“包括”和“包含”作为开放式限制，既不排除也没有要求未记载的特征的存在。除非另有明确声明，否则在从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。此外，应当理解的是，贯穿本文档使用“a”或“an”(即，单数形式)并不排除多个。
工业适用性
本发明的至少一些实施方式在压力传感器中找到工业应用。
缩写表
ASIC专用集成电路
DRIE深度反应离子刻蚀
FPGA现场可编程门阵列
HVAC暖通空调***
MEMS微机电***

Claims (13)

1.一种MEMS压力传感器(1)，包括：
-传感器部分(10)，其包括可变形膜(11)和第一腔室(12)，
-阀部分(20)，其包括到所述压力传感器的第一侧(40)的第一输出(22)和到所述压力传感器的第二侧(50)的第二输出(23)，其中所述阀部分可操作以：
o关闭所述第二输出并打开所述第一输出，以使所述第一腔室中的压力与所述压力传感器的第一侧的压力相等，从而校准所述压力传感器；和
o关闭所述第一输出并打开所述第二输出，以使所述第一腔室中的压力与所述压力传感器的第二侧的压力相等，从而进行压力测量。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器(1)，其特征在于，所述阀部分包括连接至所述第一腔室(12)的第二腔室(21)、包括所述第一输出(22)的第一膜(24)、包括所述第二输出(23)的至少一部分的第二膜(25)以及位于所述第二腔室内并位于所述第一膜和所述第二膜之间的第三膜(26)，其中所述第三膜可被调节以关闭所述第一输出以测量压力，所述第三膜可调节以关闭第二输出从而偏移置零。
3.根据权利要求2所述的MEMS压力传感器(1)，其特征在于，所述传感器被配置为通过在所述第一膜和所述第三膜之间施加第一电压来调整所述第三膜以关闭第一输出，并且所述传感器被配置为通过在所述第二膜和所述第三膜之间施加第二电压来调整所述第三膜以关闭所述第二输出。
4.根据任何以上权利要求所述的MEMS压力传感器(1)，其特征在于，所述压力传感器是电容性压力传感器，并且包括在所述第一腔室中的第一电极(13)和形成或包括所述可变形膜的第二电极(14)。
5.根据权利要求4所述的MEMS压力传感器(1)，还包括第三电极(15)，其中所述电极彼此电绝缘，所述第二电极位于所述第一电极和所述第三电极之间，并且所述第三电极被配置为使所述压力传感器的第一侧的压力影响所述可变形膜。
6.根据权利要求5所述的MEMS压力传感器(1)，其特征在于，所述压力传感器配置为在所述压力测量期间，基于所述第二电极和所述第三电极之间的第一电容与所述第二电极和所述第一电极之间的第二电容之间的电容不平衡，检测压力差。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS压力传感器(1)，其特征在于，所述压力传感器是压阻式压力传感器，并且包括至少一个压阻隔膜，所述至少一个压阻隔膜在可变形膜上或包括可变形膜。
8.根据权利要求7所述的MEMS压力传感器(1)，其特征在于，所述压阻膜包括在可变形膜上的压阻器组，所述压阻器组被配置为在关闭所述第一输出并打开所述第二输出时，提供指示电阻率变化的信号。
9.一种设备，包括根据前述权利要求中的任一项所述的MEMS压力传感器(1)和控制电路，所述控制电路被配置为引起关闭所述第一输出和所述第二输出并检测所述压力传感器的第一侧和第二侧之间的压力差。
10.用于操作根据权利要求1至9中的任一项所述的MEMS压力传感器(1、60)的方法，包括：
-引导打开所述传感器的第一输出(22)并且关闭所述压力传感器的第二输出(23)以使所述第一腔室(12)中的压力与所述压力传感器的第一侧(40)的压力相等，
-在打开所述第一输出并关闭所述第二输出(23)之后，接收第一信号，所述第一信号指示与所述压力传感器的可变形膜(11、71)相关的电容或电阻变化，
-根据接收到的第一信号执行传感器校准，
-在传感器校准后引导关闭所述第一输出(22)和打开所述第二输出(23)，以使所述第一腔室(12)中的压力与所述压力传感器的第二侧(50)的压力相等，
-在关闭所述第一输出(22)并打开所述第二输出(23)之后，接收第二信号，所述第二信号指示与可变形膜(11、71)相关的电容或电阻变化；和
-根据接收到的第二信号确定所述压力传感器的第一侧和第二侧之间的压力差。
11.根据权利要求10所述的用于操作根据权利要求2所述的MEMS压力传感器的方法，其特征在于，引导所述第三膜以关闭第一输出以进行压力测量并且关闭第二输出以进行偏移置零。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过在所述第一膜和所述第三膜之间施加第一电压来引导所述第三膜以关闭第一输出，并且通过在所述第二膜和所述第三膜之间的施加第二电压来引导所述第三膜以关闭第二输出。
13.一种控制设备，包括被配置为执行根据权利要求10至12中的任一项所述的方法的装置。
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