[發明專利]MEMS電容式壓力傳感器及其制造方法

有效

• 申請號: 201510362650.5
• 申請日: 2015-06-25
• 公開（公告）號: CN105222931B
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發明（設計）人: 王文;曾凡
• 申請（專利權）人: 香港科技大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 顧麗波;井杰

本發明提供了一種MEMS電容式壓力傳感器及其制造方法。該MEMS電容式壓力傳感器包括集成在具有第一導電類型的同一襯底中的感測電容器和與其對應的用于對其進行補償的多個參考電容器，其中，感測電容器包括襯底內的感測掩埋腔和感測掩埋腔上方的懸浮的可變形的感測隔膜；每個參考電容器包括襯底內的參考掩埋腔和參考掩埋腔上方的懸浮的參考隔膜；以及多個參考隔膜的總面積與感測隔膜的面積相同。在該MEMS電容式壓力傳感器中，一個感測電容器的感測隔膜的面積等于多個參考電容器的參考隔膜的面積的總和，因此在真空條件下，多個參考電容器具有與感測電容器的電容相同的總電容，因此可以消除感測電容器的靜態電容，使得測量結果更加準確。

技術領域

本發明涉及電容式壓力傳感器，尤其涉及MEMS電容式壓力傳感器及其制造方法。

背景技術

MEMS電容式壓力傳感器具有低溫漂、高靈敏度、低噪聲和較大的動態范圍等顯著優點而被廣泛應用。MEMS電容式壓力傳感器通常包括感測電容器和參考電容器，其中參考電容器通常用于獲得感測電容器的靜態電容和寄生電容，以便從MEMS電容式壓力傳感器測得的總電容中去除靜態電容和寄生電容，獲得能夠準確地反映所施加的壓力的凈電容。靜態電容指的是感測電容在整個測量范圍內均不改變的分量，而寄生電容指的是原本沒有設計成感測電容器的分量但卻總是無法避免的電容分量。寄生電容的示例包括結電容、金屬化布局和襯底之間的電容等等。由于這些分量對信號沒有貢獻，因此在測量中包括這些信號將會導致不期望的信號處理電路的動態范圍降低。

這種情況下，要求參考電容器的電容應當恰好等于感測電容器的靜態電容和寄生電容。然而，如果在參考電容和靜態及寄生電容之間存在差異，則有必要去除該差異。為了去除該差異，需要對設計和工藝進行仔細校準和微調，并且如果是工藝導致的差異，則需要針對每個器件進行這種繁瑣的校準。

因此，期望設計出盡量與感測電容器類似的參考電容器，以使得參考電容器的電容基本上等于感測電容器的靜態電容和寄生電容。然而，由于參考電容器應當對壓力變化不敏感，因此很難設計出完全相同的參考電容器和感測電容器，從而很難完全消除感測電容器的靜態電容和寄生電容。在美國專利US8575710B2中公開了一種電容式半導體壓力傳感器，其中用電介質材料填充可變形隔膜下方的空腔來形成對壓力不敏感的參考電容器；然而，為了獲得與靜態電容和寄生電容相同的參考電容，需要精確地計算這種參考電容器的尺寸。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，通過增大可變形隔膜的厚度來增大參考電容器的剛度以使得參考電容器對壓力不敏感，但這需要包括光刻工藝的額外工藝步驟，并且仍然很難完全消除靜態電容和寄生電容。

發明內容

為了解決現有技術中存在的上述技術問題，本發明提供了一種MEMS電容式壓力傳感器及其制造方法。所述MEMS電容式壓力傳感器基于MEMS技術，包括單片集成的感測電容器及與其對應的多個參考電容器，每個參考電容器的隔膜尺寸均小于感測電容器的隔膜尺寸，因此能夠獲得較大的剛度，對壓力變化不敏感。多個參考電容器的隔膜的總面積與感測電容器的隔膜的面積相同，因此在真空條件下，多個參考電容器和感測電容器的總靜態電容值相同。另外，多個參考電容器和感測電容器的隔膜的摻雜區域的面積和周長相同。因此，能夠從多個參考電容器準確地獲得感測電容器的靜態電容和寄生電容，從而可以通過差動運算來有效地去除感測電容器的靜態電容和寄生電容。

具體地，本發明提供了一種MEMS電容式壓力傳感器，包括集成在具有第一導電類型的同一襯底中的感測電容器和與其對應的用于對其進行補償的多個參考電容器，其中，所述感測電容器包括襯底內的感測掩埋腔和感測掩埋腔上方的懸浮的可變形的感測隔膜；所述每個參考電容器包括襯底內的參考掩埋腔和參考掩埋腔上方的懸浮的參考隔膜；以及所述多個參考隔膜的總面積與感測隔膜的面積相同。