TWI600887B - 一種改良的壓力感測器結構 - Google Patents

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Description

一種改良的壓力感測器結構
本發明係關於微機電裝置，且尤其係關於根據獨立技術方案之前文的改良的壓力感測器結構及壓力感測器。
壓力為對應於作用於表面上之力對表面之面積之比率的物理量。可用作為用以測量壓力之測量儀器的裝置為壓力感測器。
微機電系統或MEMS可定義為小型化機械及機電系統，其中至少一些元件具有某一種類之機械功能性。由於MEMS裝置可藉由用以製造積體電路之相同工具製造，因此微機械及微電子元件可製造於一塊矽上以實現各種類型之裝置。
圖1說明用於感測壓力之微機電裝置的例示性結構。微機電壓力感測器可包含橫跨提供參考壓力之間隙12的薄隔膜10。該隔膜由於參考壓力與感測器周圍之環境壓力之間的差而變形。隔膜位移可用電容性或壓阻性感測而轉換為電信號。
MEMS壓力感測器結構典型地由多個經圖案化之材料層形成。MEMS製造程序可涉及層沈積、光學微影、蝕刻及晶圓接合之組合。圖1展示微機電壓力感測器之例示性結構的側視圖及俯視圖。所說明壓力感測器為絕對壓力感測器，其包含由平坦底部11及側壁層13形成之主體結 構。由側壁層13形成之側壁延伸遠離平坦底部11以形成中空部(hollow)，其深度與側壁層13之厚度對應。在壓力感測器結構之類別中，此中空部係由在側壁層13上延伸之隔膜板16氣密密封。在該間隙之圓周開口上方延伸的隔膜板16之一部分提供周邊由該開口界定之隔膜10。隔膜10在一側曝露於間隙之參考壓力且在另一側曝露於環境壓力。此隔膜10因此回應於參考壓力與環境壓力之間的壓力差而變形。可偵測此變形之程度，例如，以電容方式藉由將電極配置至間隙之任一側上的元件及用該等電極將間隙之高度的由變形誘發之改變轉換為電信號。
MEMS感測器結構之該等材料層提供間隙之氣密密封，使得實際上，在中空部已被隔膜板密封之後，無外來物質可滲入間隙。然而，感測器結構的外表面常常曝露於可造成電阻或電容洩漏及對電容量測結果之其他雜散效應的環境條件。
本發明之目標為提供一種壓力感測器結構，其抵抗環境條件之變化，尤其濕度之變化而變得愈加穩固。本發明之目標係用根據獨立技術方案之特性化部分的壓力感測器結構及壓力感測器來達成。
本發明之較佳具體實例係在附屬技術方案中揭示。
所主張發明定義一種微機電壓力感測器結構，其包含一平坦底部及一側壁層以及一隔膜板。該側壁層之側壁沿圓周遠離該平坦底部而延伸至該側壁層之一對置表面。該平坦底部、該側壁層及該隔膜板彼此附接以形成處於一參考壓力下的一氣密封閉之間隙。該側壁層內之該等側壁的內表面之一頂部邊緣形成一隔膜之一周邊。該隔膜板包含一或多個平坦 材料層，其中之一第一平坦材料層橫跨該隔膜之該周邊。該側壁層之該頂表面包含未被該隔膜板覆蓋之至少一隔離區。
該側壁層之該頂表面上的該隔離區可被動地施加，以改良該隔膜之電極元件與該平坦底部之電極元件之間的絕緣。另一方面，該隔離區可用一傳導防護元件及一運算放大器電路主動地施加，以消除或至少減輕由環境濕度對電容量測結果造成的雜散效應。
所主張發明及其具體實例之特徵及優點將用該等具體實例之詳細描述來較詳細地描述。
Is‧‧‧電阻及電容漏電流
L‧‧‧距離
LR‧‧‧長度
LS‧‧‧長度
T‧‧‧距離/厚度/高度
10‧‧‧隔膜
11‧‧‧平坦底部
12‧‧‧間隙
13‧‧‧側壁層
14‧‧‧第一表面
16‧‧‧隔膜板
18‧‧‧第二表面
19‧‧‧頂表面
21‧‧‧平坦底部
23‧‧‧側壁層
26‧‧‧隔膜板
29‧‧‧頂表面
30‧‧‧隔離區
32‧‧‧頂部邊緣
33‧‧‧側壁層
40‧‧‧隔離區
41‧‧‧平坦底部
42‧‧‧防護元件
43‧‧‧側壁層
46‧‧‧隔膜板
50‧‧‧放大器
51‧‧‧端子輸入
52‧‧‧端子輸入
54‧‧‧電壓源
55‧‧‧電流源
56‧‧‧端子輸入
57‧‧‧參考阻抗
58‧‧‧虛擬接地求和點
60‧‧‧RC傳輸線
61‧‧‧平坦底部
62‧‧‧絕緣體電容
63‧‧‧側壁層
66‧‧‧隔膜板
70‧‧‧RC傳輸線
71‧‧‧平坦底部
73‧‧‧側壁層
74‧‧‧層/絕緣材料
75‧‧‧並聯電容
76‧‧‧隔膜板
80‧‧‧RC傳輸線
81‧‧‧平坦底部
83‧‧‧側壁層
84‧‧‧層
85‧‧‧並聯電容
86‧‧‧隔膜板
91‧‧‧平坦底部
92‧‧‧絕緣體電容
93‧‧‧側壁層
94‧‧‧絕緣材料層
95‧‧‧並聯電容
96‧‧‧隔膜板
97‧‧‧電容
98‧‧‧電容
99‧‧‧傳導材料層
100‧‧‧參考板
101‧‧‧平坦底部
103‧‧‧側壁層
106‧‧‧隔膜板
110‧‧‧參考板
116‧‧‧隔膜板
140‧‧‧參考板
141‧‧‧平坦底部
142‧‧‧防護元件
143‧‧‧側壁層
144‧‧‧第二溝槽
146‧‧‧隔膜板
148‧‧‧第一溝槽
149‧‧‧第二溝槽
150‧‧‧參考板
151‧‧‧平坦底部
152‧‧‧防護元件
153‧‧‧側壁層
154‧‧‧第二溝槽
155‧‧‧空腔
156‧‧‧隔膜板
157a‧‧‧第一材料層
157b‧‧‧第二材料層
158‧‧‧第一溝槽
159‧‧‧第二溝槽
160‧‧‧參考板
161‧‧‧平坦底部
163‧‧‧側壁層
164‧‧‧第二溝槽
165‧‧‧絕緣材料層
166‧‧‧隔膜板
167‧‧‧傳導材料層
168‧‧‧第一溝槽
169‧‧‧第二溝槽
171‧‧‧感測器結構
172‧‧‧電路部分
173‧‧‧塑膠材料
174‧‧‧聚合物介電層
175‧‧‧電端子
圖1展示微機電壓力感測器之例示性結構的側視圖及俯視圖；圖2說明微機電壓力感測器結構之具體實例；圖3說明該結構包含在側壁層之周邊附近之區域中的隔離區的具體實例；圖4說明具有隔離區及至少部分地圍繞隔膜板之圓周防護元件的具體實例；圖5A至圖5F說明例示性電容式轉換器電路組態；圖6說明用RC傳輸線達成之散佈電容效應；圖7說明隔離區被絕緣層材料層覆蓋之具體實例；圖8說明絕緣材料層覆蓋隔離區及隔膜板之第一平坦材料層之至少部分的具體實例；圖9說明傳導材料層在側壁層之頂表面上自側壁層的外表面朝向絕緣 材料層上方的間隙延伸一距離的具體實例；及圖10說明具備參考板之微機電壓力感測器結構之具體實例；圖11A至圖11D展示不同的隔膜板及參考板組態；圖12說明來自例示性濕度測試之結果；圖13展示相同測試樣本組態中之補償電容；圖14說明用於減小感測器結構中之雜散電容之另一具體實例；圖15說明微機電壓力感測器結構之另一具體實例；圖16說明隔離區形成側壁層之頂表面上的元件之間的溝槽的另一具體實例之態樣；圖17說明微機電壓力感測器之具體實例。
在下文中，將參考隨附圖式結合較佳具體實例來較詳細地描述本發明。
以下具體實例係例示性的。儘管說明書可參考「一」、「一個」或「一些」具體實例，但此未必意謂每一此參考係指相同具體實例，或該特徵僅適用於單一具體實例。不同具體實例之單一特徵可組合以提供其他具體實例。
在下文中，將關於可實施本發明之各種具體實例的裝置架構之簡單實例來描述本發明之特徵。僅詳細描述與說明具體實例相關之元件。壓力感測器之各種實施包含熟習此項技術者通常已知的且可不在本文中予以特定描述的元件。
壓力感測器結構之具體實例應用參看圖1所較詳細論述之 元件。圖1說明微機電壓力感測器之例示性結構，且展示所說明感測器結構之側視圖及俯視圖。所說明壓力感測器結構包含藉由平坦底部11及側壁層13形成之主體結構。平坦底部11可由矽材料之晶圓製造，且在保護範疇內可應用其他導體、半導體或絕緣體材料。平坦底部11亦可由多個材料層組成。作為一實例，平坦底部之表面上的層可導電以充當電容式感測器之電極。作為另一實例，整個平坦底部可具有足夠高之電導率以充當電極。平坦底部11具有基本上沿著平坦底部11之平面延伸之第一表面14。術語基本上在此處意謂該第一表面可容納微小表面結構(凸塊或空腔)，但90%以上的表面區在容限內對準至平坦底部11之平面。
側壁層13為非連續層，其提供有利地在垂直於第一表面14之方向上遠離第一表面14而延伸的多個側壁，如圖1中所展示。該側壁層的距第一表面14最遠之表面為該側壁層之頂表面。該側壁層的與間隙對置之一或多個表面為該側壁層之外表面。側壁層13剛性地附接至平坦底部11且因此劃定至該側壁層上之開放空間的界限。側壁層13之該等側壁與平坦底部11一起形成中空部，該中空部之深度與該等側壁之高度及側壁層13之厚度對應。典型地，該側壁層極薄，且因此該中空部極低，大約為幾微米。該側壁層可由電絕緣材料(如二氧化矽)形成，但在保護範疇內可應用其他電絕緣材料。在實例結構之俯視圖中，將側壁層13之頂表面19說明為具有矩形周邊，以使得側壁自虛線向外延伸。虛線表示該等側壁之內表面，且此等內表面之頂部邊緣界定藉由平坦底部11及側壁層13形成的中空部之圓周開口。
此中空部係藉由在側壁層13上延伸之隔膜板16氣密密封。 術語隔膜在此處係指彈性變形材料的膜，該膜於其周邊處錨定。隔膜板16為將隔膜10提供至感測器結構且將隔膜於其周邊處錨定的平坦物件。隔膜板16可由一或多個材料層製成。矽材料常常至少用於隔膜板之一個層中，但在保護範疇內可應用其他導體、半導體或絕緣體材料。隔膜板16經由第二表面18連接至側壁層13，該第二表面為最初平行於平坦底部11之第一表面14的平面。請注意，術語最初在此處係指在感測器之製造階段中的元件之尺寸。熟習此項技術者將理解，在壓力感測器之操作期間，多個部分可變形脫離其初始平坦形式。
平坦底部11、側壁層13及隔膜板16彼此附接，以使得第一表面14、第二表面18及側壁13之內表面形成處於參考壓力下之氣密封閉的間隙12。間隙12可被抽空以僅含有少量殘餘氣體，但該間隙亦可在選定參考壓力下用選定氣體或其他揮發性材料填充。
在該圓周開口上方延伸至間隙12的隔膜板16之一部分提供周邊由該開口界定之隔膜10。隔膜10之變形可以電容方式或替代地用壓阻性或類似的基於應變計之方法藉由用併入之壓電電阻器或電阻應變計將該模板中之由變形誘發之應力轉換為電信號來偵測。所有此等方法係在相關技術中揭示，且因而熟習此項技術者所熟知的方法將不在本文中較詳細地論述。
圖2說明圖1之先前技術壓力感測器結構的外表面之橫截面。如較早所論述，典型地，該平坦底部及該隔膜板為導電或介電材料層，且該等側壁係由絕緣材料層提供。側壁層可相當薄，甚至為大約一或多個微米。此意謂自隔膜板至平坦底部之絕緣距離同樣地短。在潮濕條件中， 絕緣體之表面電導率且因此電阻及電容漏電流將升高，且此可導致在間隙上量測的電容之顯著錯誤增加。在本發明之具體實例中，藉由經配置至側壁層之頂表面的一或多個隔離區來消除或至少減輕有害洩漏。如上文所論述，該隔膜板可包含一或多個平坦材料層，且該一或多個平坦材料層中之一者為橫跨該隔膜之周邊的第一平坦材料層。隔離區在此係指側壁層之頂表面的未被隔膜板之一或多個材料層覆蓋之區域。
圖2為自感測器結構之寬度方向展示感測器結構的側視圖，且展示上文關於圖1所較詳細描述的平坦底部21、側壁層23及隔膜板26元件。側壁層之頂表面29為至少部分地與第二表面重合之圓周表面。絕緣距離T係由側壁層23之厚度提供，且Is說明跨越距離T的外表面上之電阻及電容漏電流。
圖3說明圖2之先前技術結構包含隔離區30的本發明之具體實例。如較早所論述，側壁之一或多個內表面之頂部邊緣32形成隔膜之周邊。另一方面，隔離區30自側壁層33的外表面朝向側壁層之頂表面上的間隙延伸非零距離L。如圖3中所說明，自隔膜板至平坦底部的沿著絕緣層之表面之增加距離現包括由隔離區提供之距離L及形成側壁之層之厚度T。距離L在本文中被稱為隔離距離，且該距離在此處表示隔離區沿著側壁層之頂表面的範圍。
已偵測，藉由此增加距離，可達成電阻及電容漏電流Is之顯著減小。舉例而言，已關於例示性0.535mm寬之感測器結構、5μm厚之隔膜板及側壁層之1μm厚之絕緣體進行有線元素法(FEM)模擬。結果展示，當隔離距離為大約幾十微米時，電阻及電容漏電流Is可減小為原來的十 分之一或十分之一以下。因此，用基本上不造成對總感測器結構之大小之新要求或使其成本增加的簡單結構特徵來達成所要改良。
圖4說明本發明之另一具體實例，其中表面電導率之效應係藉由隔離區及至少部分地圍繞隔膜板之圓周防護元件來進一步減少。圖4為自感測器結構之寬度方向展示感測器結構的側視圖，且展示上文關於圖1所較詳細描述的平坦底部41、側壁層43及隔膜板46元件。將理解，為了間隙之氣密密封，側壁層之頂表面之部分始終被隔膜板46之第一平坦材料層覆蓋。在圖4之具體實例中，側壁層之頂表面上的超出隔膜板之區域被隔離區40及防護元件42覆蓋。隔離區40自隔膜板46開始且自隔膜板朝向側壁層43的外表面延伸非零距離。有利地，防護元件42係圓周的且劃定隔膜板46及隔離區40的界限。該防護元件可自側壁層43的外表面朝向側壁層之頂表面上的間隙延伸非零距離。然而，亦可能包括另一隔離區以劃定隔膜板46、隔離區40及防護元件42的界限。
如在圖3之具體實例中，隔離區40由於操作期間之雜散電流而增加將跨越之絕緣距離。另外，已注意到，來自漏電流之剩餘效應可藉由具有閉環運算放大器之電容式轉換器電路來消除或至少顯著減輕。量測電容由平坦底部41與隔膜板46之間及平坦底部41與防護元件42之間的電容產生。在圖4之感測器結構中，若運算放大器電路經配置以將防護元件42維持在與隔膜板46或平坦底部41中任一者之電極相同的電位，則可使得運算放大器之電壓輸出基本上僅指示隔膜板與平坦底部之間的電容。可能漏電流對自隔膜板至防護元件及自防護元件至平坦底部的絕緣表面之影響可減少為運算放大器之開環增益倍數分之一。
圖5A至圖5F說明適合於在感測器結構中減少可能漏電流對隔膜板與平坦底部之間的絕緣表面的影響的例示性電容式轉換器電路組態。該等組態包括運算放大器50、用於平坦底部電極之端子輸入51、用於隔膜板電極之端子輸入56、至防護元件電極之端子輸入52、電壓源54或電流源55，及參考阻抗57。此等組件經連接以獲得指示隔膜板與平坦底部之間的電容之電壓輸出，而不具有來自由變化之濕度導致的絕緣層之表面電導率之改變的顯著影響。然而，熟習此項技術者將清楚，在不偏離保護範疇之情況下，可應用以所主張方式應用運算放大器的運算放大器電路組態之其他變化。
圖5A至圖5D展示例示性反相運算放大器電路，其中正的非反相輸入連接至共同接地或零電壓端子。因為閉環回饋電路的幾乎為零之差動輸入電壓要求，反相輸入處之電壓電位幾乎等於非反相輸入處之電位，且產生虛擬接地求和點58。
在圖5A中，防護元件經配置至與平坦底部相同之電位。如圖5A中所展示，平坦底部端子51連接至放大器之反相輸入處之虛擬接地電位，且防護元件端子52處於接地電位。歸因於此情形，防護元件與平坦底部之間的電壓及電流可忽略且實際上對平坦底部與隔膜板之間的量測到之電容值無影響。隔膜板端子56連接至電壓源54，使得防護元件與隔膜板之間的電流可忽略且實際上對隔膜板與平坦底部之間的量測到之電容值無影響。防護元件與平坦底部之間的電容係連接於接地與虛擬接地58之間，且實際上對隔膜板與平坦底部之間的量測到之電容值無影響。
作為另一背景，用CS來表示平坦底部端子51與隔膜板端子 56之間的電容且用CL來表示平坦底部端子51與防護元件端子52之間的電容。亦假設，電壓源54為具有有效電壓Ui之AC電壓源，且回饋電路元件57為具有等於CF之電容之電容器，且放大器之開環增益為A。放大器之輸出電壓Uo可寫為
CL之效應因此減少放大器開環增益之量。隔膜板端子56與防護元件端子52之間的電容亦對輸出電壓無影響，此係因為該電容與電壓源Ui並聯連接，使得理想電壓源可在無電壓改變之情況下將電流供應至此電容。
在圖5B中，防護元件經配置至與隔膜板幾乎相同之電位。如圖5B中所展示，隔膜板端子56連接至放大器之反相輸入處之虛擬接地電位，且防護元件端子52處於接地電位。歸因於此情形，防護元件與隔膜板之間的電壓及電流可忽略且實際上對平坦底部與隔膜板之間的量測到之電容值無影響。平坦底部端子51連接至電壓源54，使得防護元件與平坦底部之間的電流實際上對隔膜板與平坦底部之間的量測到之電容值無影響。防護元件與平坦底部之間的電容係連接於接地與電壓源之間，且因此實際上對隔膜板與平坦底部之間的量測到之電容值無影響。
在圖5C中，防護元件亦經配置至與隔膜板幾乎相同之電位。如圖5C中所展示，隔膜板端子56連接至放大器之反相輸入處之虛擬接地電位，且防護元件端子52處於接地電位。歸因於此情形，防護元件與隔膜板之間的電壓及電流可忽略且實際上對平坦底部與隔膜板之間的量測到之電容值無影響。平坦底部端子51連接至放大器50之輸出，使得防護元件與平坦底部之間的電流可忽略且實際上對隔膜板與平坦底部之間的量測 到之電容值無影響。防護元件與平坦底部之間的電容係連接於接地與放大器50之輸出之間，且因此實際上對隔膜板與平坦底部之間的量測到之電容值無影響。
在圖5D中，防護元件再次經配置至與平坦底部幾乎相同之電位。如圖5D中所展示，平坦底部端子51連接至放大器之反相輸入處之虛擬接地電位，且防護元件端子52處於接地電位。歸因於此情形，防護元件與平坦底部之間的電壓及電流可忽略且實際上對平坦底部與隔膜板之間的量測到之電容值無影響。隔膜板端子56連接至放大器50之輸出，使得防護元件與隔膜板之間的電流可忽略且實際上對隔膜板與平坦底部之間的量測到之電容值無影響。防護元件與平坦底部之間的電容係連接於接地與虛擬接地68之間，且因此實際上對隔膜板與平坦底部之間的量測到之電容值無影響。
在圖5A至圖5D中，防護端子連接至接地電位。平坦底部或隔膜板之端子提供感測電容，且感測器端子中之一者連接至放大器電路之虛擬接地。此情形使得能夠將防護端子及感測器端子中之一者維持在幾乎相同的電壓，同時將通過防護端子及隔膜板端子之電流彼此隔離。使用除圖5A至圖5D中所展示之組態外的此原理之許多變化在本發明內。
圖5E及圖5F展示例示性非反相運算放大器電路。在運算放大器之輸出直接連接回至反相輸入之情況下，使用運算放大器50作為電壓跟隨器。反相輸入處之電壓電位幾乎等於非反相輸入處之電壓電位。
在圖5E中，防護元件經配置至與隔膜板幾乎相同之電位。如圖5E中所展示，隔膜板端子56連接至具有預定義或另外已知之電流的 電流源55。將理解，電流源55亦可由具有內部阻抗之電流源及電壓源之組合形成，且在電流源及電壓源中，電流並不恆定，而藉由用(例如)分路電阻器或其他已知電流量測技術進行量測來知曉。由於隔膜板及防護元件現處於幾乎相同之電位，因此實際上，該兩者之間無電流流動。防護元件與平坦底部之間的電位洩漏或電容電流亦實際上對隔膜板或平坦底部之間的電壓或電流無影響，此係因為此電流係由放大器在實際上不影響輸出電壓之情況下提供。
作為另一背景，用CS來表示平坦底部端子51與隔膜板端子56之間的電容且用Ci來表示放大器之反相輸入(-)與非反相輸入(+)之間的電容。此電容包括放大器之輸入電容及隔膜板端子56與防護元件端子52之間的電容兩者。亦假設，電流源55為在頻率f下具有有效電流Ji之AC源，且放大器之開環增益為A。放大器之輸出電壓Uo可寫為
Ci之效應因此減少放大器開環增益A之量。平坦底部端子51與防護元件端子52之間的電容亦對輸出電壓無影響，此係因為該電容連接於放大器之輸出端子與接地端子之間且因此幾乎對輸出電壓無影響。。
在圖5F中，防護元件經配置至與平坦底部幾乎相同之電位。如圖5F中所展示，平坦底部端子51連接至具有預定義或另外已知之電流的電流源55。由於平坦底部及防護元件現處於幾乎相同之電位，因此實際上，該兩者之間無電流流動。防護元件與隔膜板之間的電位洩漏或電容電流實際上對隔膜板與平坦底部之間的電壓或電流無影響，此係因為此 電流係由放大器在實際上不影響輸出電壓之情況下提供。
在圖5E及圖5F中，防護端子連接至放大器之輸出，該放大器經配置以緊密跟隨感測器端子中之一者的電位，因此維持防護端子與該感測器端子之間的電流可忽略。使用除圖5E及圖5F中給出之組態外的此原理之變化在本發明內。
圖5A至圖5F之所有實例使用呈回饋組態之放大器以使防護端子之電位接近於感測器端子中之一者的電位，同時使通過的防護端子及隔膜板端子之電流路徑分離。
圖3及圖4之該等組態說明適合於減少沿著絕緣側壁層之表面的電阻及電容漏電流之感測器結構。除此之外，其他雜散效應亦可出現在電容式壓力感測器中。一個效應可被稱作散佈電容效應或傳輸線效應。此效應係由側壁層之有限表面電阻率及側壁層上方之電容引起。圖6用RC傳輸線60說明此散佈電容效應。圖6為自感測器結構之寬度方向展示感測器結構的側視圖，且展示上文關於圖1所較詳細描述的平坦底部61、側壁層63及隔膜板66元件。根據傳輸線理論，自無限RC傳輸線之末端所見的等效並聯電容Cp及電阻Rp為：
其中r為每單位長度之表面電阻，c為每單位長度之絕緣體電容，且f為量測頻率。此等效電容及電阻係與絕緣體電容62且與隔膜與平坦底部之間的感測器電容並聯耦接。
實務上，有必要使濕度相關電容改變足夠小，典型地，<1 fF。為了達成此，需要極高的表面電阻率。假設以下例示性組態：側壁層之表面電阻為1015歐姆平方，隔膜板66之周長為5mm，側壁層之厚度為1μm，側壁層材料之介電係數為3.9，且量測頻率為100kHz。利用此等值，等式(3)給出並聯電容0.83fF及並聯電阻1.9Gohm。此為電容改變應保持之位準。若表面電阻降至1012歐姆平方，則電容將升高至25fF，此比原來的25倍大很多。在後一實例中，添加之並聯電容對應於隔膜板66之寬度的僅0.14μm的有效添加。
圖7說明傳輸線效應已藉由用絕緣材料層覆蓋隔離區而減少的具體實例。絕緣材料在此處係指在電場之影響下不傳導電流之任何材料，包括介電材料。圖7為自感測器結構之寬度方向展示感測器結構的側視圖，且展示上文關於圖1所較詳細描述的平坦底部71、側壁層73及隔膜板76元件。在例示性感測器結構中，隔離區完全被使側壁層73之頂表面鈍化的絕緣材料74覆蓋。又，在保護範疇內可應用部分覆蓋，其中絕緣材料層(例如)自側壁層的外表面延伸至隔膜板。
與圖3相比，RC傳輸線70現轉移至絕緣材料層之表面。側壁層73及絕緣材料層74之組合的增加厚度減少單位長度上之電容，且藉此減輕傳輸線效應。舉例而言，若絕緣材料層74在厚度上係側壁層之高度的八倍且具有相同介電係數，則並聯電容可減小為原來的三分之一。即使濕氣可在絕緣材料中擴散，隔膜板76與絕緣材料74之間的界面處之表面電阻亦可在無自由表面之情況下維持為高。
此減小係顯著的，但對於所有應用而言可能仍不足夠。在圖7之具體實例中，該絕緣材料層及隔膜板之第一平坦材料層具有相同厚度。 圖8說明另一具體實例，其中絕緣材料層自側壁層83的外表面朝向側壁層之頂表面上的間隙延伸一距離，且覆蓋隔離區及隔膜板之至少部分。圖8為自感測器結構之寬度方向展示感測器結構的側視圖，且展示上文關於圖1所較詳細描述的平坦底部81、側壁層83及隔膜板86元件。
在圖8之組態中，RC傳輸線80自平坦底部81進一步位移。在圖8之結構中，由隔膜板之第一材料層形成的電容耦合更複雜，此再次減少散佈效應。為了避免影響隔膜之壓力回應或造成由熱膨脹失配引起的彎曲力矩，然而，絕緣材料層可不延伸至隔膜之區。有利地，絕緣材料層84之邊緣相距隔膜之周邊比隔膜之厚度更遠。
返回參看圖7，除由傳輸線效應導致之散佈電容外，並聯電容75在平坦底部71與隔膜板76之間穿過絕緣材料74形成。若絕緣材料為(例如)聚合物，則介電係數可由於濕氣吸收而改變且因此改變電容75。在圖8及圖9之結構中亦展示並聯電容85、95。
圖9說明另一具體實例，其中傳導材料層99在側壁層之頂表面上自該側壁層的外表面朝向該絕緣材料層上方的間隙延伸一距離。圖9為自感測器結構之寬度方向展示感測器結構的側視圖，且展示上文關於圖1所較詳細描述的平坦底部91、側壁層93及隔膜板96元件。圖9亦展示在圖8中所較詳細論述之絕緣材料層94。在圖9之具體實例中，絕緣材料層94亦自側壁層93的外表面朝向側壁層之頂表面上的間隙延伸一距離，且覆蓋隔離區及隔膜板96之至少部分。
在圖9之組態中，傳導層99可連接至電容式轉換器電路以減少RC傳輸線效應，其方式係關於圖4及圖5A至圖5F中之防護元件較早 所論述之方式。藉由運算放大器電路，可使自隔膜板96至導電材料之屏蔽層99的電容97及自導電材料層99至平坦底部91的電容98對隔膜板與平坦底部之間的量測到之電容值無影響。穿過絕緣材料層94之電容95將保持與絕緣體電容92及隔膜板與平坦底部之間的真正感測器電容並聯連接。
該等具體實例係互斥的，但可以各種方式組合。舉例而言，圖9之感測器結構可包括防護元件及導電材料層，且該等元件可彼此連接且供如上文所定義的運算放大器電路中之任一者使用。
鑒於圖6至圖9，將理解，RC傳輸線60、70、80之有效並聯電容及電阻(等式(3)之Cp及Rp)以及並聯電容75、85、95與隔膜板63、73、83、93之周邊的長度成正比。圖10自寬度方向說明側視圖且說明感測器結構之俯視圖。圖10展示上文關於圖1所較詳細描述之平坦底部101、側壁層103及隔膜板106元件。圖10之感測器結構具備參考板100，該參考板具有與隔膜板相同之厚度、與隔膜板相同之電性質且在側壁層103之頂表面上的隔離區上延伸。該參考板係有利的，但未必具有與隔膜板相同之材料。歸因於該等元件之邊緣中的相同厚度及相同條件，類似傳輸線及並聯電容效應出現在隔膜板106及參考板100之周邊中。
在隔膜板與平坦底部之間的量測到之電容CS包含以下三項之總和：隔膜電容、支撐面積電容及邊緣電容。隔膜電容係指隔膜之周邊內的隔膜面積Ad上之電容。支撐面積電容係指被隔膜板覆蓋的側壁層之頂表面之部分As上之電容。邊緣電容在此處係指較早所論述之傳輸線電容及雜散並聯電容之組合。由於此等分量中之兩者取決於板之周邊之長度，因此Cs之等式可寫為：
其中Ad為隔膜面積，As為側壁層之頂表面上的隔膜板之支撐面積，T為側壁之高度(側壁層之厚度)，Ls為隔膜板之周邊之長度，εr為側壁層材料之相對介電常數，ε0為介電常數，cE為側壁之外部周邊上的傳輸線及側壁層之厚度內之雜散電容所造成的每單位長度之邊緣電容。
相應地，參考板的量測到之電容CR可寫為：
其中AR為參考板100之面積，且LR為參考板100之周邊之長度。
當壓力感測器結構包含通向平坦底部101、通向隔膜板106及通向參考板100之電引線時，該等電引線可連接至形成輸出量(在本文中被稱為補償感測器電容Ccomp)之電路。補償感測器電容Ccomp可寫為：
其中K為參考板電容之權重係數。等式(6)之最後一項包括側壁層之外部邊緣上的傳輸線及側壁層之厚度內之雜散電容的貢獻。可藉由將權重係數調整至等於隔膜板之周邊之長度Ls與參考板之周邊之長度LR的比率來消除此貢獻。
LS-KLR=0 => K=LS/LR
圖10之感測器結構展示參考板及隔膜板在大小上相等的具體實例。該等板之圓周長度相等，亦即，Ls=LR，藉此K=1。
在另一態樣中，自等式(6)可見，隔膜板116之支撐面積AS在側壁層上引入額外電容。此額外電容之量值可為大約隔膜面積電容，因此該額外電容容易使壓力感測器之解析度、線性度及熱穩定性降級。然 而，可藉由將支撐面積AS及參考板之面積AR之大小亦調整為彼此相關，以使得等式(6)之第二項變為零來消除支撐面積電容之效應。
As-KAR=0 => K=As/AR
若權重係數K經設定為等於支撐面積AS與參考板之面積AR之比率，則可在結構上補償雜散效應，且補償感測器電容Ccomp極準確地對應於隔膜偏轉之真實變化。可用極緊湊之感測器結構(在厚度尺寸上尤其緊湊)來達成效率之顯著改良。
在圖10之具體實例中，該等板之圓周長度Ls、LR相等，但參考板面積AR比隔膜板之支撐面積As大得多。對於此類型之組態，可選擇K，使得等式之最後一項變為零。圖11A展示壓力感測器結構之俯視圖，其說明隔離區上之參考板之形式偏離隔膜板之形式的具體實例。由此可調整該等板之面積與圓周兩者之比率，且將等式(6)之第二項及第三項兩者調整至零。
圖11A至圖11C展示感測器結構之俯視圖，其中隔膜板116及參考板110定位於側壁層之頂表面上。在圖11A中，參考板具有圓周形式，更具體言之，定位於隔膜板外的凹入矩形或閉環。在圖11B及圖11C中，參考板具有捲繞周邊。在圖11B中，參考板之周邊呈梳子形式，且在圖11C中，參考板具有曲折形式。
在圖11A至圖11C之所有組態中，參考板之周邊長度LR保持與圖10中之周邊長度相同，但參考板之面積AR小於圖10中之參考板之面積。熟習此項技術者將清楚，保護範疇不限於圖11A至圖11D之例示性隔膜板及參考板組態。可用複數個不同形狀之隔膜板及參考板來達成所要 比率。
典型地，對於(例如)機械穩定性，具有隔膜對稱地位於平坦底部之中間的對稱感測器結構係較佳的。在一態樣中，圖11A至圖11C之參考板110可在感測器之兩個或四個側上複製以達成所需對稱性。圖11D說明另一替代例，其中參考板已配置成圍繞隔膜板116。將理解，在此等情況下，參考板周邊LR變得比隔膜板周邊LS長，且因此，K變為小於一。在圖11D中，參考電極作為環圈而圍繞感測器板。在此情況下，K之值小於0,5，此係因為參考板110之內部及外部周邊兩者比隔膜板116之周邊長。
圖12用來自例示性濕度測試之結果說明濕度之效應。對兩個測試樣本進行測試，其中隔膜板之周邊之長度Ls與參考板之周邊之長度的比率LS/LR經調整為0,5。在圖12中用CS1及CS2來表示該兩個測試樣本的隔膜電容之量測值。分別用CR1及CR2來表示該兩個測試樣本的參考板電容之量測值。在此實驗中，側壁層之材料為聚醯亞胺。此材料之吸水率在100%相對濕度下為1%，此使材料之介電係數改變30%。初始電容值係在20%相對濕度下量測，且其他電容值係在60%及90%相對濕度下量測。在60%及90%相對濕度下量測的值經展示為有關於20%相對濕度下之初始電容的電容改變。可見，由於濕度，隔膜板之電容可改變30fF至40fF且參考板之電容可改變65fF至70fF。
圖13展示在相同測試樣本組態中的以上文關於等式(6)所描述之方式補償的電容。使用權重係數K=0.5。可見，在補償後，由最大濕度誘發之電容改變為4fF，且對於其他點，該改變小於0.5fF。此等結構確認，感測器電容與參考電容之加權差所進行之補償可使誤差至少減少為原 來的9分之一，但可甚至按50倍來補償，此取決於環境濕度。
在圖10及圖11之以上具體實例中，假設沿著隔膜板106、116及參考板100、110之周邊的條件實際上類似。若自隔膜板至參考板、自隔膜板至側壁層的外表面之頂部邊緣及自參考板至側壁層的外表面之頂部邊緣的隔離距離足夠大(至少大於該等板之厚度)，則可進行此假設。但即使該距離較小且在顯現根據位置變化的每單位長度之邊緣電容ce的不同位置處甚至可不同，亦可始終找到比率K之最佳值，使得兩個量測電容CS及CR之加權差中的邊緣電容之效應為零。替代將等式(6)之最後一項變為零，可藉由將兩個積分式之加權差變為零來獲得最佳K：
其中該等積分式係分別沿著隔膜板及參考板之周邊計算，且ce(x,y)係依據表面上之位置的每單位長度之可變邊緣電容。
圖14說明用於減小感測器結構中之雜散電容之另一具體實例。圖14為自感測器結構之寬度方向展示感測器結構的側視圖，且展示上文關於圖1所較詳細描述的平坦底部141、側壁層143及隔膜板146元件。圖14亦展示參考板140，在此實例中，該參考板與隔膜板146並排地定位於側壁層之頂表面上。參考板定位之其他組態(如參考板劃定隔膜板的界限的圖11D之組態)亦係可行的。參考板140與隔膜板146藉由第一溝槽148彼此分離，該第一溝槽係藉由隔膜板146與參考板140之間的隔離區之區域形成。第二溝槽144、149係藉由劃定隔膜板146、參考板140及第一溝槽148之界限的隔離區之部分形成。
在圖14中，第二溝槽之部分144鄰近於參考板140，且第二 溝槽之部分149鄰近於隔膜板146。請注意，在替代組態11D中，第二溝槽僅包含鄰近於參考板110之部分。防護元件142在側壁層之頂表面上自第二溝槽144、149之周邊朝向側壁層143的外表面之頂部邊緣延伸。在圖14中，鄰近於隔膜板的第二溝槽之部分149因此在隔膜板146與防護元件142之間。相應地，鄰近於參考板的第二溝槽之部分144在參考板140與防護元件142之間。將理解，在替代防護元件組態之情況下，第一溝槽及第二溝槽之組態相應地變化。
第一溝槽143或第二溝槽144、149或第一溝槽148及第二溝槽144、149兩者可類似地為空或用絕緣材料來覆蓋。有利地，該等溝槽144、148、149具有相等寬度且類似地為空或類似地用絕緣材料覆蓋。
包括隔膜板、參考板140以及第一溝槽148及第二溝槽144、149之此組態確保沿著隔膜板146及參考板140之周邊的電條件在所有位置處儘可能地類似。藉由此組態，容易使用以上等式來判定用以提供每單位長度之恆定邊緣電容的比率K之最佳值，使得邊緣電容在所有位置處依據濕度而相等地改變。
圖15說明微機電壓力感測器結構之另一具體實例。圖15為自感測器結構之寬度方向展示感測器結構的側視圖，且展示上文關於圖1所較詳細描述的平坦底部151、側壁層153及隔膜板156元件。與圖1之先前技術結構相反，感測器結構可為橢圓形的，以使得隔膜較窄以經歷沿著隔膜之寬度的平坦底部之彎曲處與隔膜之彎曲處之間的最小差。隔膜在平坦底部之平面之方向上具有長度及寬度，其中該長度在隔膜之最長廣度之方向上，且該寬度在垂直於在隔膜板之平面中之長度方向的方向上。在橢 圓形壓力感測器中，隔膜之長度為隔膜板之寬度的至少三倍，歸因於此，隔膜極準確地與彎曲成形晶圓對準。作為此情況之結果，由壓力感測器結構之彎曲造成的總誤差顯著減小，且達成較穩固之結構。同時，較長隔膜提供更偏轉之區以供偵測且因此顯著改良裝置之靈敏度。
在圖15之橢圓形感測器結構中，間隙可包括遠離平坦底部151之平面在間隙中延伸的一或多個空腔155。此等空腔增加間隙容積且藉此增加感測器之穩定性，而不對量測結果造成基本上負面的副效應。
該感測器結構亦可包括配置至隔膜板的一或多個凹槽，該隔膜板提供隔膜及在其周邊周圍之錨定結構。該一或多個凹槽局部地作用於隔膜上且有效地補償造成分層元件之彎曲結構之間的差異的各種效應。在圖15中，隔膜板為包含第一材料層157a及第二材料層157b之雙層結構。隔膜板的外表面係由第一材料層157a之表面部分及第二材料層157b之表面部分形成。第一材料層157a之表面部分形成包括第一凹槽之周邊的平坦表面部分。當第一材料層157a具有與側壁層153相同之材料時，第一凹槽有效地消除該等元件層之不同彎曲形狀之效應。第二材料層157b之表面部分形成包括第二凹槽之周邊的平坦表面部分。第三凹槽可提供於隔膜板156之另一側上。第二凹槽或第二凹槽與第三凹槽一起可用以進一步減輕該等元件層之不同彎曲形狀之效應。
圖15之感測器結構亦可包括關於圖14所較詳細論述之參考板150、防護元件152以及第一溝槽及第二溝槽158、154、159。此等特徵之組合貢獻提供穩固且同時愈加準確之微機電壓力感測器結構。
圖8說明絕緣材料層自側壁層的外表面朝向側壁層之頂表 面上的間隙延伸一距離且覆蓋隔離區及隔膜板之至少部分的具體實例。圖9說明傳導材料層在該絕緣材料層上方進一步延伸的具體實例。圖16說明將此等特徵組合成一結構之另一具體實例之態樣，在該結構中，隔離區形成側壁層之頂表面上的元件之間的溝槽。圖16為自感測器結構之寬度方向展示感測器結構的側視圖，且展示上文關於圖1所較詳細描述的平坦底部161、側壁層163及隔膜板166元件。圖16亦展示關於圖14所較詳細論述之參考板160、防護元件162以及第一溝槽168及第二溝槽164、169。絕緣材料填充第一溝槽168及第二溝槽164、169且作為層165自側壁層163的外表面延伸，覆蓋參考板160且部分地覆蓋隔膜板166。為了促進關於加權差之補償(如上文所論述)，傳導材料層167在絕緣材料層165上方延伸且覆蓋第一溝槽168及第二溝槽164、169。
圖17說明微機電壓力感測器170之具體實例。該壓力感測器包含可為上文所描述之替代性感測器結構中之任一者的感測器結構171。該壓力感測器亦包含電路部分172。感測器結構171及電路部分172可為在塑膠材料173中模製之單獨晶粒。聚合物介電層174可沈積於重建之晶圓中。至該等晶粒之電端子175的接點可具備穿過介電層174上之開口的沈積膜層。電路可連接至通向平坦底部、通向防護層及通向隔膜板之電引線。電路亦可包含處於回饋組態中之運算放大器，其經連接以將防護元件保持在與平坦底部或第一平坦層中之任一者相同之電位下且保持通過此等端子之電流路徑分離，如關於圖4及圖5A至圖5F所論述。電路亦可連接至通向平坦底部、通向傳導材料層及通向隔膜板之電引線。電路可包含處於回饋組態中之運算放大器，其經連接以將傳導材料層保持在與平坦底部 或第一平坦層中之任一者相同之電位下且保持通過防護端子及隔膜板端子之電流路徑分離，如關於圖4及圖5A至圖5F所論述。
熟習此項技術者將顯而易見，隨著技術進步，可以多種方式來實施本發明之基本想法。本發明及其具體實例因此不限於以上實例，但本發明及其具體實例可在申請專利範圍之範疇內變化。
Is‧‧‧電阻及電容漏電流
L‧‧‧距離
T‧‧‧距離/厚度/高度
30‧‧‧隔離區
32‧‧‧頂部邊緣
33‧‧‧側壁層

Claims (28)

  1. 一種微機電壓力感測器結構，其包含一平坦底部及一側壁層以及一隔膜板，其中該側壁層形成沿圓周遠離該平坦底部而延伸至該側壁層之一頂表面的側壁；該平坦底部、該側壁層及該隔膜板彼此附接以形成處於一參考壓力下之一氣密封閉的間隙；該側壁層之該頂表面包含未被該隔膜板覆蓋之至少一隔離區。
  2. 如申請專利範圍第1項之微機電壓力感測器結構，其中該隔離區自該側壁層之外表面朝向該側壁層之該頂表面上的該間隙延伸一非零距離。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機電壓力感測器結構，其中該隔離區係用絕緣材料至少部分地覆蓋。
  4. 如申請專利範圍第3項之微機電壓力感測器結構，其中該絕緣材料作為該側壁層之該頂表面上之一層自該側壁層之該外表面延伸至該隔膜板。
  5. 如申請專利範圍第4項之微機電壓力感測器結構，其中絕緣材料之該層及該隔膜板具有相同厚度。
  6. 如申請專利範圍第4項之微機電壓力感測器結構，其中絕緣材料之該層覆蓋該隔離區及該隔膜板之一第一平坦材料層之至少部分。
  7. 如申請專利範圍第6項之微機電壓力感測器結構，其中一傳導材料層在絕緣材料之該層上方自該側壁層之該外表面朝向該間隙延伸一距 離。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機電壓力感測器結構，其中該隔離區在該側壁層之該頂表面上自該隔膜板之一周邊朝向該側壁層之該外表面延伸一非零距離；一防護元件在該側壁層之該頂表面上自該隔離區之周邊朝向該側壁層之該外表面延伸。
  9. 如申請專利範圍第8項之微機電壓力感測器結構，其中該防護元件在該側壁層之該頂表面上自該隔離區之該周邊延伸至該側壁層之該外表面。
  10. 如申請專利範圍第1項之微機電壓力感測器結構，其中該感測器結構包含一參考板，該參考板具有與該隔膜板相同之厚度且在與該隔膜板分離的該側壁層之該頂表面上的該隔離區上延伸。
  11. 如申請專利範圍第10項之微機電壓力感測器結構，其中所述側壁之內表面之一頂部邊緣形成一隔膜之一周邊；該隔膜板橫跨該隔膜之該周邊；該壓力感測器結構包含通向該平坦底部、通向該隔膜板及通向該參考板之電引線。
  12. 如申請專利範圍第10項或第11項之微機電壓力感測器結構，其中該參考板具有在該側壁層之該頂表面上的與該隔膜板相同的形式。
  13. 如申請專利範圍第10項或第11項之微機電壓力感測器結構，其中該參考板具有在該側壁層之該頂表面上的一圓周形式。
  14. 如申請專利範圍第13項之微機電壓力感測器結構，其中該參考板劃定 在該側壁層之該頂表面上的該隔膜板的界限。
  15. 如申請專利範圍第10項或第11項之微機電壓力感測器結構，其中該參考板具有在該側壁層之該頂表面上的一捲繞周邊。
  16. 如申請專利範圍第15項之微機電壓力感測器結構，其中該參考板具有在該側壁層之該頂表面上的一梳子形式或曲折周邊。
  17. 如申請專利範圍第10項或第11項之微機電壓力感測器結構，其中該隔膜板之該周邊之長度與該參考板之該周邊之長度的比率經調整為等於一補償感測器電容中之一參考板電容之一權重係數。
  18. 如申請專利範圍第17項之微機電壓力感測器結構，其中一區形成一隔膜支撐區，該側壁層及該隔膜板經由該區彼此附接；該隔膜支撐區對該參考板之面積之比率等於該補償感測器電容中之該參考板電容之該權重係數。
  19. 如申請專利範圍第10項或第11項之微機電壓力感測器結構，其中一補償感測器電容中之一參考板電容之一權重係數等於藉由將兩個積分式之加權差變為零而獲得之一值 其中第一積分式係沿著該隔膜板之該周邊計算，且第二積分式係沿著該參考板之該周邊計算，且Ce(x,y)係依據該表面上之位置的每單位長度之一可變邊緣電容。
  20. 如申請專利範圍第10項或第11項之微機電壓力感測器結構，其中該隔膜板及該參考板係由一第一溝槽分離，該第一溝槽係藉由該隔膜板 與該參考板之間的隔離區之一區域而形成。
  21. 如申請專利範圍第20項之微機電壓力感測器結構，其中一第二溝槽係藉由劃定該隔膜板、該參考板及該第一溝槽之界限的該隔離區之一部分而形成；一防護元件在該側壁層之該頂表面上自該第二溝槽之周邊朝向該側壁層之該外表面延伸。
  22. 如申請專利範圍第21項之微機電壓力感測器結構，其中該防護元件為劃定該隔膜板、該參考板及該第一溝槽之界限的一防護環。
  23. 如申請專利範圍第21項之微機電壓力感測器結構，其中該第一溝槽或該第二溝槽或該第一溝槽及該第二溝槽兩者係用絕緣材料覆蓋。
  24. 如申請專利範圍第23項之微機電壓力感測器結構，其中該第一溝槽及該第二溝槽具有相等寬度且兩者係用該絕緣材料來覆蓋或不覆蓋。
  25. 一種壓力感測器，其包含如前述申請專利範圍中任一項之壓力感測器結構。
  26. 一種壓力感測器，其包含如前述申請專利範圍第8項至第24項中任一項之壓力感測器結構，其中該壓力感測器包含連接至通向該平坦底部、通向該防護元件及通向該隔膜板之電引線的一電路；該電路包含處於一回饋組態中之一運算放大器，其經連接以將該防護元件保持在與該平坦底部或該隔膜板中之任一者相同之電位下且將通過該防護元件及該隔膜板之一電流路徑彼此分離。
  27. 如申請專利範圍第25項或第26項之壓力感測器，其中 該壓力感測器包含連接至通向該平坦底部、通向該傳導材料層及通向該隔膜板之電引線的一電路；該電路包含處於一回饋組態中之一運算放大器，其經連接以將傳導材料之一層保持在與該平坦底部或該隔膜板中之任一者相同之電位下且將通過傳導材料之該層之一電流路徑及通過該隔膜板之一電流路徑彼此分離。
  28. 如申請專利範圍第26項之壓力感測器，其中該運算放大器為一反相運算放大器或一非反相運算放大器。
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