壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種壓力傳感器。根據(jù)討論的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，集成電路設(shè)備包括懸置于腔體上的隔膜，隔膜和腔體限定了腔室。隔膜中具有多個(gè)開口，開口傳遞氣體進(jìn)出腔室。當(dāng)激勵(lì)隔膜時(shí)，腔室的體積改變以產(chǎn)生與腔室外部的壓力不同的腔室內(nèi)部的壓力。傳感器檢測(cè)隔膜響應(yīng)于體積變化的基于頻率的特性，并且提供對(duì)腔室外部的氣體壓力的指示。
【專利說明】壓力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]各種示例實(shí)施例涉及壓力感測(cè)設(shè)備、電路和系統(tǒng)以及包括這些設(shè)備電路和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]智能建筑中的多種設(shè)備和系統(tǒng)，用于例如海拔高度測(cè)量航空中的氣候控制、白色家電應(yīng)用中的水準(zhǔn)感測(cè)、替代能源、核電站、汽車應(yīng)用(例如，胎壓監(jiān)測(cè)、引擎控制和剎車系統(tǒng))和醫(yī)療應(yīng)用(例如眼內(nèi)壓和血壓傳感，需要超出單單開/關(guān)控制的壓力傳感器)。這些系統(tǒng)通常采用具有精確和線性輸出的傳感器以在操作中的變化變得臨界之前跟蹤這些變化。開關(guān)狀態(tài)的單一開/關(guān)條件意味著不能夠用于趨勢(shì)監(jiān)測(cè)的閉環(huán)系統(tǒng)中。微處理器和基于微處理器的系統(tǒng)的迅速開發(fā)，增強(qiáng)了對(duì)于壓力開關(guān)上的電子壓力傳感器的額外需求。
[0003]硅作為感測(cè)材料出現(xiàn)已經(jīng)影響了工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中的壓力測(cè)量。硅基傳感器使用已經(jīng)公知的MEMS或者微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)。MEMS傳感器已經(jīng)在良好環(huán)境中的汽車和醫(yī)學(xué)應(yīng)用中采用。由于尺寸緊湊，它們?cè)诖笊a(chǎn)量的情況下可能相對(duì)便宜。大多數(shù)MEMS壓力傳感器具有壓阻性或電容性讀出。
[0004]許多微加工的壓力傳感器使用氣密密封的隔膜，所述隔膜密封處于一定表壓的參考腔體(在一些情況下，所述表壓是真空)。經(jīng)由由于外部壓力和表壓之間的壓力差導(dǎo)致的隔膜撓曲(deflection)來測(cè)量外部壓力。可以通過壓阻、電容性或光學(xué)傳感器來測(cè)量這種撓曲。然而由于多種原因，這些方法實(shí)現(xiàn)起來具有挑戰(zhàn)性。例如，如果參考腔體中的氣體壓力不是穩(wěn)定的，可能發(fā)生信號(hào)漂移，這可能進(jìn)而要求高級(jí)別的隔膜氣密性。此外，盡管薄或大面積的隔膜對(duì)于撓曲和靈敏度是期望的，但是難以使得薄的隔膜是氣密的。參考腔體中的層的滲氣要求重新校準(zhǔn)，并且腔體壓力的溫度依賴性(即根據(jù)波義耳定律(P*V =n*R*T))可能引起問題。另外，如果腔體中的壓力是近似真空，如果隔膜彈簧常數(shù)較低，外部壓力可以顯著地使隔膜變形，而具有較高彈簧常數(shù)k的隔膜減小了靈敏度(與Ι/k成正比，k與待測(cè)量的最大壓力成正比)。這些和其他問題已經(jīng)對(duì)于壓力傳感器實(shí)現(xiàn)用于多種應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]各種示例實(shí)施例涉及壓力感測(cè)設(shè)備、電路和系統(tǒng)以及包括這些設(shè)備、電路和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的方法。
[0006]根據(jù)示例實(shí)施例，集成電路設(shè)備包括:集成電路襯底，具有腔體；懸置的隔膜，所述懸置的隔膜形成至少部分地在所述腔體中的腔室的壁；激勵(lì)器，所述激勵(lì)器引起隔膜相對(duì)于腔體的移動(dòng)；以及傳感器，所述傳感器檢測(cè)所述隔膜的基于頻率的特性。所述隔膜具有用于容納氣體的可變體積，所述隔膜的移動(dòng)改變所述體積。所述隔膜具有多個(gè)開口，所述開口傳遞氣體進(jìn)出所述腔室，并且所述隔膜響應(yīng)于激勵(lì)力而移動(dòng)。所述激勵(lì)器響應(yīng)于在集成電路中承載的電控制信號(hào)，以受控頻率產(chǎn)生力，所述力引起隔膜相對(duì)于腔體的移動(dòng)，從而改變腔室的體積并且產(chǎn)生與腔室外部的壓力不同的腔室內(nèi)部的氣體壓力。所述傳感器檢測(cè)隔膜響應(yīng)于體積變化的基于頻率的特性，所述特性影響氣體在隔膜上的力，并且提供腔室中氣體壓力的指示。
[0007]另一個(gè)示例實(shí)施例涉及集成電路壓力傳感器，所述集成電路壓力傳感器具有氣體腔室、激勵(lì)器和傳感器。所述氣體腔室具有容納氣體的壁，所述壁包括隔膜，所述隔膜具有用于控制由激勵(lì)器產(chǎn)生的力的電極。所述力作用于隔膜上，引起隔膜移動(dòng)，以響應(yīng)于施加至電極的偏置來改變腔室的體積。所述隔膜具有多個(gè)開口，并且經(jīng)由所述開口流動(dòng)氣體以平衡腔室中的氣體和腔室的外部的氣體之間的壓力，當(dāng)在閾值頻率以下激勵(lì)所述隔膜時(shí)使氣體流入流出腔室，并且響應(yīng)于在閾值頻率以上激勵(lì)所述隔膜，減輕經(jīng)由開口的實(shí)質(zhì)上所有氣流。所述激勵(lì)器電路經(jīng)由電極向隔膜施加時(shí)變的激勵(lì)偏置，以周期性地激勵(lì)隔膜，并且減小和擴(kuò)大腔室的體積。通過基于感測(cè)元件的電阻抗來檢測(cè)隔膜的諧振頻率偏移(例如，相對(duì)于參考)、并且基于檢測(cè)的諧振頻率偏移提供腔室中壓力的指示，所述傳感器對(duì)按照隔膜的諧振頻率激勵(lì)隔膜的激勵(lì)器電路做出響應(yīng)。響應(yīng)于所述激勵(lì)器電路激勵(lì)隔膜并且泵浦氣體通過開口，所述傳感器基于通過開口的氣體的粘滯流來提供腔室中壓力的指示。在各種實(shí)現(xiàn)方式中，所述傳感器基于以下至少一個(gè)提供腔室中壓力的指示:隔膜振幅開始下降時(shí)的頻率；以及在如經(jīng)由電極之間的阻抗表示的具體頻率下的隔膜振幅或相位。
[0008]另一個(gè)示例實(shí)施例涉及壓力傳感器設(shè)備，包括具有側(cè)壁的腔體、形成側(cè)壁之一的隔膜、激勵(lì)器和傳感器。所述隔膜中具有多個(gè)開口，當(dāng)在諧振頻率或諧振頻率以上激勵(lì)所述隔膜時(shí)，所述開口的尺寸防止實(shí)質(zhì)上所有的氣流通過所述開口，并且當(dāng)在諧振頻率以下激勵(lì)所述隔膜時(shí)，所述開口的尺寸便于氣流通過所述開口。所述激勵(lì)器周期性地激勵(lì)所述隔膜以迅速地壓縮和膨脹腔體中的氣體。所述傳感器檢測(cè)所述隔膜響應(yīng)于周期性激勵(lì)的基于頻率的特性，并且基于檢測(cè)的基于頻率的特性提供表示隔膜處壓力的輸出。
[0009]以上討論/概述并非意欲描述本公開的每一個(gè)實(shí)施例或每一種實(shí)現(xiàn)方式。以下的附圖和詳細(xì)描述也例示了各種實(shí)施例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]結(jié)合附圖考慮以下詳細(xì)描述，可以更加全面地理解各種示例實(shí)施例，其中:
[0011]圖1示出了根據(jù)示例實(shí)施例的壓力傳感器設(shè)備的截面圖；
[0012]圖2示出了根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例的另一個(gè)壓力傳感器設(shè)備的截面圖；
[0013]圖3示出了根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例的諧振壓力傳感器的頂視圖，所述諧振壓力傳感器具有包括犧牲孔的諧振隔膜；
[0014]圖4示出了根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的諧振頻率相對(duì)于隔膜半徑的曲線；
[0015]圖5A示出了根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例的通過根據(jù)激勵(lì)頻率的靜電激勵(lì)對(duì)隔膜中心的撓曲；
[0016]圖5B不出了根據(jù)另一個(gè)不例實(shí)施例的激勵(lì)電壓和與圖5A所不的撓曲相對(duì)應(yīng)的隔膜撓曲之間的相位；
[0017]圖6示出了可以根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的截止頻率相對(duì)于隔膜半徑的曲線；
[0018]圖7示出了可以根據(jù)一個(gè)或多個(gè)示例實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的針對(duì)不同壓力的阻抗相對(duì)于頻率的曲線；[0019]圖8示出了根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例的用于形成壓力傳感器的工藝流程中步驟的壓力設(shè)備；
[0020]圖9示出了根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例的在另外步驟的圖8的設(shè)備；
[0021]圖10示出了根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例的將壓力傳感器與MEMS麥克風(fēng)相結(jié)合的設(shè)備；
[0022]圖11不出了根據(jù)另一個(gè)不例實(shí)施例的將壓力傳感器與MEMS麥克風(fēng)相結(jié)合的另一個(gè)設(shè)備；以及
[0023]圖12示出了根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例的相關(guān)工藝階段的壓力傳感器設(shè)備。
【具體實(shí)施方式】 [0024]盡管這里的實(shí)施例可以修改為各種改進(jìn)和替代形式，在附圖中作為示例示出其細(xì)節(jié)，并且將詳細(xì)進(jìn)行描述。然而應(yīng)該理解的是，并非意欲將本發(fā)明局限于所描述的具體實(shí)施例。相反，意欲覆蓋落在包括權(quán)利要求限定的各個(gè)方面的本發(fā)明范圍內(nèi)的所有改進(jìn)、等價(jià)和替代。此外，貫穿該申請(qǐng)使用的術(shù)語(yǔ)“示例”只是為了說明而不是限制。
[0025]確信各種實(shí)施例的方面可以應(yīng)用于包含壓力感測(cè)的多種不同類型的裝置、系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。盡管本發(fā)明不必這樣限制，通過使用上下文對(duì)示例的討論應(yīng)該理解各個(gè)方面。
[0026]各種實(shí)施例涉及基于隔膜的壓力傳感器，其中隔膜的激勵(lì)改變了其中隔膜形成側(cè)壁的腔室的體積。隔膜包括多個(gè)開口，所述開口基于隔膜的激勵(lì)頻率(或者激勵(lì)頻率的不存在)來便于和減輕氣體流入流出腔室。具體地，當(dāng)隔膜是靜止時(shí)(或者，例如在低頻率下操作)，所述開口便于腔室中的壓力與腔室外部的壓力的平衡。當(dāng)更加迅速地激勵(lì)隔膜時(shí)，所述開口經(jīng)由氣體與開口的粘滯相互作用減輕氣流，并且在隔膜的諧振頻率上或者在諧振頻率附近阻止氣流。因此，檢測(cè)隔膜的基于頻率的特性，并且將其用作對(duì)腔室中氣壓的指
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[0027]在一種實(shí)現(xiàn)方式中，在諧振頻率下激勵(lì)隔膜，并且將諧振頻率的偏移用于檢測(cè)腔室中壓力的指示。在另一種實(shí)現(xiàn)方式中，在小于諧振頻率的頻率下激勵(lì)隔膜，并且將通過開口的氣體的(粘滯)流阻用作腔室中壓力的指示。這種方法使用空氣泵浦效應(yīng)，并且隔膜振幅開始下降時(shí)的頻率和/或在特定一個(gè)或幾個(gè)頻率下的隔膜振幅用于檢測(cè)腔室中壓力的指示。
[0028]例如，當(dāng)激勵(lì)腔室的隔膜時(shí)，改變腔室的體積并且壓縮或膨脹腔室內(nèi)部的空氣。壓縮或膨脹的空氣通過流過通風(fēng)孔流出或流入腔室來平衡壓力差的趨勢(shì)。經(jīng)由剪切粘度和通風(fēng)孔的有限尺寸減緩了這種平衡。壓力馳豫時(shí)間τ依賴于多種因素，例如空氣壓力、通風(fēng)孔的個(gè)數(shù)和尺寸。通過孔的流阻和壓力差給出了通過管狀通風(fēng)孔的氣流，所述流阻具有R=8 ηL/^ir4的形式，其中r是管半徑，L是管長(zhǎng)度(L>>r)，并且是η是空氣的剪切粘度。對(duì)于隨著隔膜的移動(dòng)具有薄空氣間隙的腔室，空氣沿著這種間隙流動(dòng)，引起需要考慮的較大流阻。
[0029]在各種實(shí)施例中，在約O巴至I巴之間的壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了隔膜諧振頻率的較大偏移(例如，約2.2χ)。在較高的激勵(lì)頻率下，小的通風(fēng)孔防止空氣在一個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)顯著地流入和流出腔室。在(腔室的)非常小的體積內(nèi)氣體的可壓縮性產(chǎn)生了對(duì)于諧振質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的附加彈簧常數(shù)，所述附加彈簧常數(shù)將諧振頻率移動(dòng)到更高頻率。由于隔膜振蕩，暫時(shí)減小了腔體體積，并且增加了所得到的壓力，這產(chǎn)生沿相反方向的凈力。在振蕩周期期間腔室中分子個(gè)數(shù)保持恒定，因此經(jīng)由小的體積促進(jìn)了上述情況。
[0030]可以將諧振頻率Tms的倒數(shù)(周期時(shí)間)保持為小于壓力馳豫時(shí)間τ，在這種情況下隔膜具有依賴于隔膜幾何形狀和材料(忽略粘度)的特定諧振頻率，以適應(yīng)各種實(shí)現(xiàn)方式。在激勵(lì)隔膜時(shí)腔室內(nèi)部的空氣和空氣粘度的效果用于對(duì)壓力加以表征。周期性或短脈沖激勵(lì)用于激勵(lì)隔膜。在充分低于I/τ的頻率下，因?yàn)楦裟ぶ皇潜闷秩牒捅闷殖隹諝?，隔膜的移?dòng)不受所增加的空氣的影響。在l/τ左右較高的頻率下，空氣的粘度用作對(duì)于空氣泵浦效應(yīng)和隔膜激勵(lì)的對(duì)抗力。隔膜激勵(lì)振幅、以及隔膜激勵(lì)和隔膜移動(dòng)之間的相位差減小。在較高頻率下，空氣不能跟隨泵浦動(dòng)作，并且本質(zhì)上沒有被泵浦，而是代替地被壓縮和膨脹。同時(shí)，降低了阻尼，因?yàn)闅怏w體積粘度的效應(yīng)通常比它們的剪切粘度小得多。
[0031]存在閾值頻率，由于剪切粘度的影響增大，隔膜振幅在該閾值頻率處開始下降。隨著頻率增加，隔膜振幅不會(huì)為零，因?yàn)轶w積粘度通常比剪切粘度小得多。與此同時(shí)，相位差下降，并且回到零，表示了減小的損耗。當(dāng)頻率進(jìn)一步增加時(shí)，達(dá)到隔膜的諧振頻率?？諝怏w積的壓縮和膨脹除了隔膜的彈性力之外還引起彈簧力，其引起依賴于空氣壓力的諧振頻率的偏移。對(duì)于與MEMS傳感器有關(guān)的一般信息，以及對(duì)于與MEMS諧振器類型器件和空氣流/阻尼方面有關(guān)的具體信息，可以參考Suijlen, Koning, van Gils和Beijerinck “Squeeze film damping in the free molecular flow regime with fullthermal accommodation”，Sens.Actuators A:Phys.(2009),將其全部合并在此作為參考。此外，對(duì)于與諧振頻率的檢測(cè)有關(guān)的一般信息以及對(duì)于與檢測(cè)諧振頻率的偏移的方法有關(guān)的具體信息，所述方法可以與一個(gè)或多個(gè)示例實(shí)施例結(jié)合使用，可以參考T.Nakamoto和 T.Kobayashi 在 IEEE Trans.Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency control,vol.41,p.806 (Nov.1994)的“Development of Circuit for Measuring both Q-variationand resonant frequency shift of quartz crystal Microbalance，，,將其全部合并在此作為參考。
[0032]結(jié)合各種示例實(shí)施例，傳感器設(shè)備壓縮或者膨脹氣體，并且檢測(cè)氣體的速度特性，并且將檢測(cè)的速度特性用于檢測(cè)壓力。在具體的實(shí)施例中，壓力腔室具有包括開口的振動(dòng)膜(diaphragm)類型的隔膜，所述開口允許氣體流入和流出腔室。所述開口足夠小，在快速壓縮和膨脹期間不會(huì)顯著地影響隔膜兩端所產(chǎn)生的壓力差，而是使氣體流動(dòng)以對(duì)隔膜兩端的長(zhǎng)期壓力差進(jìn)行平衡(例如如上所述)。對(duì)振動(dòng)膜類型的隔膜進(jìn)行激勵(lì)以迅速地壓縮或膨脹腔室中的氣體，并且在壓縮或膨脹之后例如通過使用電容檢測(cè)的變化來檢測(cè)氣體的平衡速度。將檢測(cè)的速度用于確定隔膜外部的壓力。
[0033]這里討論的壓縮可以是正的或者是負(fù)的。例如，在隔膜正向地壓縮腔室中的氣體時(shí)，當(dāng)氣體使隔膜移動(dòng)/增加腔室的體積時(shí)，檢測(cè)氣體的膨脹速度或者隔膜激勵(lì)的其他基于頻率的方面。在隔膜負(fù)向地壓縮氣體時(shí)(即，增加腔室的體積)，檢測(cè)壓縮的氣體在釋放時(shí)的速度或者隔膜激勵(lì)的其他基于頻率的方面。在每一情況中，壓力影響膨脹或壓縮時(shí)氣體的所得速度，并且可以將檢測(cè)的速度用作腔室中壓力的指示，以及腔室外部的壓力的指示(因?yàn)橐呀?jīng)平衡)。
[0034]在一些實(shí)現(xiàn)方式中，將傳感器設(shè)備形成半導(dǎo)體襯底的一部分，半導(dǎo)體襯底的一部分形成腔體。隔膜和腔體配置為形成腔室并且將氣體俘獲在腔室中。在這種情況下，可以在其上隔膜延伸的襯底中刻蝕腔體或者形成腔體，例如在絕緣層上形成的半導(dǎo)體襯底的層中。當(dāng)在平面外(例如相對(duì)于襯底)激勵(lì)隔膜時(shí)，改變腔室的體積，壓縮或者膨脹腔室中的氣體。
[0035]根據(jù)各種實(shí)施例，傳感器設(shè)備按照多種方式的一種或多種操作。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器設(shè)備將隔膜的基于頻率的特性和/或氣體的速度與腔室中氣體分子的個(gè)數(shù)關(guān)聯(lián)。氣體分子的個(gè)數(shù)用于對(duì)腔室中的壓力加以表征。例如，氣體分子的個(gè)數(shù)影響隔膜的振幅、隔膜的阻尼以及壓縮后的分子速度。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，傳感器設(shè)備將腔室中氣體分子的個(gè)數(shù)與在多個(gè)壓縮-膨脹周期上腔室中的時(shí)間平均環(huán)境壓力關(guān)聯(lián)。
[0036]在另一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)系統(tǒng)的彈簧常數(shù)，并且將其用作腔室中(以及腔室外部)壓力的指示，因?yàn)闅怏w分子的個(gè)數(shù)影響壓縮氣體所需要的力。在某些實(shí)現(xiàn)方式中，通過檢測(cè)諧振頻率來執(zhí)行這種方法，所述諧振頻率依賴于彈簧常數(shù)，并且因此是壓力的函數(shù)。在一些實(shí)施例中，使用比腔室的機(jī)械諧振周期長(zhǎng)得多的壓縮和膨脹時(shí)間來便于基于諧振的方法?？傊?，可以在不使用固定/已知(規(guī)格(gauge))壓力并且不基于摩擦力進(jìn)行感測(cè)的情況下，執(zhí)行用于壓力感測(cè)的上述方法。
[0037]多種隔膜用于適應(yīng)不同的應(yīng)用?；诟裟さ臋C(jī)械性質(zhì)和腔室的幾何形狀來設(shè)置器件性能。選擇隔膜的成分和諸如溫度和等離子功率之類的隔膜沉積參數(shù)來設(shè)置內(nèi)部應(yīng)力。隔膜的機(jī)械性質(zhì)(例如，機(jī)械應(yīng)力、剛性和隔膜厚度)設(shè)置了隔膜硬度，因此設(shè)置了壓力傳感器的靈敏度。
[0038]使用多種方法的一種或多種來激勵(lì)隔膜。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，經(jīng)由靜電力激勵(lì)隔膜。在其他實(shí)現(xiàn)方式中，經(jīng)由壓電力激勵(lì)隔膜。在其他實(shí)現(xiàn)方式中，使用其他(例如物理)力來激勵(lì)隔膜。
[0039]在多種不同類型的器件中實(shí)現(xiàn)這里描述的電路和相關(guān)方法以適應(yīng)各種應(yīng)用。例如，一些應(yīng)用涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)類型的器件，例如MEMS傳感器平臺(tái)、MEMS流電開關(guān)和MEMS麥克風(fēng)。其他應(yīng)用涉及移動(dòng)電話(例如，用于麥克風(fēng))、氣象站、GPS應(yīng)用(例如海拔)和手表中的一個(gè)或多個(gè)。某些基于汽車的實(shí)施例涉及胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)、安全氣囊、沖擊登記(registration)裝置、排氣和引擎/燃料相關(guān)壓力檢測(cè)中的一個(gè)或多個(gè)。其他實(shí)施例涉及環(huán)境和智能建筑應(yīng)用，例如在加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)、氣流、氣體檢測(cè)(例如CO2)以及空氣過濾器中的壓降中的一個(gè)或多個(gè)中的壓力檢測(cè)。醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括用于呼吸器、呼吸裝置、助聽器或氣體壓力的壓力感測(cè)。
[0040]現(xiàn)在參照附圖，圖1示出了根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例的壓力傳感器設(shè)備100的截面圖。設(shè)備100包括其中具有腔體112的集成電路襯底110。隔膜120懸置于腔體上，并且利用腔體的側(cè)壁限定了用于容納氣體的腔室區(qū)域，例如空氣或其他氣體(并且例如可以包括蒸汽)。隔膜20包括多個(gè)開口，作為示例標(biāo)記了開口 124和126。這些開口在腔室區(qū)域和與腔室相鄰的體積之間傳遞氣體(例如，諸如空氣之類的氣體)。可以針對(duì)不同的應(yīng)用設(shè)置開口的尺寸，并且在一些實(shí)施例中，所述開口的直徑在約IOOnm和2000nm之間，并且在其他實(shí)施例中，所述開口的直徑小于約2nm。
[0041]隔膜120操作用于相對(duì)于腔室而撓曲，以調(diào)節(jié)腔室的體積，虛線示出了與示例撓曲相對(duì)應(yīng)的隔膜位置122，所述撓曲減小了腔室的體積。例如，所述激勵(lì)可以通過包括偏置電路130在內(nèi)的激勵(lì)器來實(shí)現(xiàn)，并且可以實(shí)現(xiàn)單一脈沖(例如，用于如所示地?fù)锨裟?或者時(shí)變的循環(huán)激勵(lì)，其中按照具體的一個(gè)或多個(gè)頻率激勵(lì)隔膜120。例如，可以經(jīng)由集成電路襯底中的(直接相連或者經(jīng)由互連相連)控制電路控制這種偏置，并且這種偏置可以在腔室中的壓力已經(jīng)與腔室外部的壓力平衡之后執(zhí)行激勵(lì)。因?yàn)榻?jīng)由通風(fēng)孔幾何形狀和粘滯效應(yīng)的促進(jìn)，腔室中的開口促進(jìn)了腔室內(nèi)部和外部的氣體壓力的平衡(例如，在穩(wěn)態(tài)下)，在相對(duì)較低的速度/頻率下激勵(lì)隔膜時(shí)允許氣體的粘滯流，并且當(dāng)在較高的速度/頻率下(例如，大于閾值頻率，在諧振頻率附近)激勵(lì)隔膜時(shí)抑制大約所有的氣流通過開口。在這種情況下，隔膜120操作如同在高頻率密封了腔室的體積一樣，便于其中氣體壓力的檢測(cè)，并且因此便于腔室外部的相應(yīng)(平衡)壓力的檢測(cè)。在低頻率下，隔膜120操作用于經(jīng)由開口粘滯地流動(dòng)氣體，氣體的粘度和開口的流阻(并且包括開口的個(gè)數(shù))用于檢測(cè)腔室中氣體的壓力特性。在一些示例中，使用已知的壓力，粘度和流阻也用作氣體成分的指示。
[0042]檢測(cè)隔膜的頻率特性，并且用作腔室中壓力的指示。例如，可以經(jīng)由偏置電路130或者經(jīng)由分離的傳感器140檢測(cè)這種特性。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，將頻率特性檢測(cè)為隔膜的諧振頻率的偏移(例如，當(dāng)開口通過少量氣體或者不通過氣體時(shí))，或者檢測(cè)為與腔室中氣體的泵浦效應(yīng)相關(guān)(例如，通過識(shí)別隔膜120的振幅開始下降時(shí)的頻率，或在具體頻率下的隔膜振幅，如經(jīng)由感測(cè)元件的電阻抗表示的)。這些方面也可以與腔室中氣體的膨脹/壓縮的速度相關(guān)。
[0043]圖2示出了根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例的另一個(gè)壓力傳感器設(shè)備200的截面圖。設(shè)備200包括隔膜203，所述隔膜具有開口 207和208，并且形成由隔膜和襯底區(qū)域204、206和209限定的腔室/間隙區(qū)域205的側(cè)壁，其中204和206將隔膜錨定到下面的襯底209。分別在隔膜203和襯底209上的電極201和202操作用于(在偏置施加至電極202和201的情況下)激勵(lì)隔膜203。在各種實(shí)現(xiàn)方式中，將電極之間表示的阻抗用作隔膜203的頻率特性的指示，例如隔膜的撓曲，并且用于檢測(cè)腔室中的壓力。
[0044]在真空中，彈簧常數(shù)依賴于隔膜203(包括其中的開口)的材料參數(shù)和幾何形狀。在較高的外部壓力下，氣體經(jīng)由開口進(jìn)入到較窄的間隙區(qū)域205。如果隔膜的諧振頻率足夠高，203中的小孔和較窄的間隙區(qū)域205與氣體的粘度相結(jié)合，防止氣體在一個(gè)諧振周期內(nèi)實(shí)質(zhì)上離開腔體區(qū)域。因此，氣體的量保持大致恒定，使得理想氣體定律可以應(yīng)用于設(shè)備200。對(duì)于快速膨脹和壓縮，可以忽略熱交換，使得絕熱地壓縮和膨脹氣體。因此，P*VY =常數(shù)是近似有效的，其中Y是絕熱指數(shù)，對(duì)于雙原子氣體(像空氣中的氮?dú)夂脱鯕?，絕熱指數(shù)是近似7/5。如果向下的隔膜撓曲(如圖1的122所表示)在整個(gè)面積A上等于Δ z (活塞模式模型)，這與具有彈簧常數(shù)kgas = = -AdP/dz = A*d(P*VY/VY)/dz=-A*P*VYd((Az)-Y)/dz = y P*A/z的彈簧相對(duì)應(yīng)。作為示例，對(duì)于具有z0 = 300nm的間隙并且在大氣壓力(P = IOOkPa)下的100微米半徑隔膜，kgas = 15000N/m。
[0045]在其中隔膜上的每一點(diǎn)位移不相等的一些實(shí)施例中，如下使用校正因子α。
[0046]kgas = a y Ρ*Α/ζ0 (I)
[0047]基于諧振的模式形狀來選擇校正因子。
[0048]因此，諧振頻率依賴于外部壓力，因?yàn)榍惑w內(nèi)部的氣體操作為彈簧。氣體和隔膜的總彈簧常數(shù)如下近似給出:
[0049]ktotal = kmem+kgas (2)
[0050]因?yàn)楦裟さ挠行?或分布)質(zhì)量m和彈簧常數(shù)!^-與壓力無關(guān)，并且kgas與壓力成正比，所以諧振頻率也依賴于壓力，如等式3和4所示:
[0051 ] fres = ((kmem+ Y PA/z0)/(4 Ji 2m))1/2 = f0(l+a y PA/ (kmemz0))1/2 (3)以及
[0052]dfres/dP = f02a y A/ (2freskmemz0) (4)
[0053]其中，&是真空中傳感器的諧振頻率。等式(3)示出了對(duì)于面積A與間隙Ztl的較大比率以及較小的彈簧常數(shù)!^-(例如，對(duì)于較小的隔膜厚度和/或較低的應(yīng)力)，器件的壓力靈敏度最大。為了減輕/防止氣體在一個(gè)周期內(nèi)離開腔體，使用較高頻率&(低m和高kmem)和較小間隙z0，以及相對(duì)少量的小孔(圖2的橫截面中所示的孔207和208)，所示小孔彼此充分地間隔開并且與隔膜的中心充分間隔開。
[0054]如果隔膜203在頻率f諧振，所述頻率高到足以防止氣體有時(shí)間逃離包括間隙區(qū)域205在內(nèi)的腔體，則按照頻率f利用與隔膜位移成正比的振幅(I ΔΡ =kgas| Δζ|/Α)來調(diào)制間隙205中氣體的壓力Pg，使得Pg (t) =P0+ AP|sin(2Jift)0壓力差Pg-Ptl引起隔膜上依賴于振幅的力(F= (Pg-Ptl)A),所述力用作有效彈簧常數(shù)kgas。
[0055]在一些實(shí)施例中，隔膜203包括使用PECVD形成的700nm的SiN層，電極201和202包括250nm厚的金屬電極，例如包括W、TiN或Al，并且間隙尺寸zQ(205處)是300nm?？?包括207、208)具有約2μπι的直徑，并且沿隔膜203的邊緣分布。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，隔膜203是具有25μπι至90μπι范圍內(nèi)的直徑的圓形隔膜。在其他實(shí)現(xiàn)方式中，隔膜203是矩形或正方形隔膜，并且可以實(shí)現(xiàn)為與關(guān)于圓形隔膜的上述直徑類似的表面積。
[0056]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)示例實(shí)施例的諧振壓力傳感器300的頂視圖，所述壓力傳感器包括具有犧牲孔312的諧振隔膜310。傳感器300包括與隔膜310上的電極(例如，與圖2的電極201類似)耦合的頂部電極觸點(diǎn)320、以及與傳感器300的底部/偏置電極(例如，與圖2的電極202類似)耦合的底部電極觸點(diǎn)330。接地電極340耦合以將襯底接地，在所述襯底中形成傳感器300。作為示例，示出了八個(gè)通風(fēng)孔(標(biāo)記為312)，并且所述通風(fēng)孔位于隔膜310的外周界附近。
`[0057]圖4示出了如可以根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的諧振頻率相對(duì)于隔膜半徑的曲線。相對(duì)于較大的直徑，對(duì)于較小的直徑，諧振頻率增加，因?yàn)楦裟ぐ凑崭觿傂缘姆绞奖憩F(xiàn)。曲線410示出了針對(duì)隔膜中OMPa的機(jī)械應(yīng)力的諧振頻率，并且曲線420示出了針對(duì)IOOMPa的諧振頻率(張應(yīng)力(tensile stress))。曲線430示出了針對(duì)示例隔膜直徑的測(cè)量的諧振頻率。
[0058]圖5A示出了根據(jù)其他示例實(shí)施例的對(duì)于靜電激勵(lì)的隔膜中心的撓曲，并且圖5B示出了根據(jù)其他實(shí)施例的有關(guān)相位。具體地，相對(duì)于環(huán)境壓力下的90 μ m半徑隔膜的激勵(lì)頻率，繪制了撓曲振幅和相位，所述隔膜可以如圖1、2和/或3所示地實(shí)現(xiàn)。在50Hz附近增加的噪聲是由于測(cè)量設(shè)置的機(jī)械振動(dòng)。線510和520兩者的交叉點(diǎn)表示截止頻率(530)。正弦激勵(lì)具有2V的振幅，并且偏置電壓是8V (上部方塊)和IOV (下部方塊)。
[0059]在低頻率下，撓曲振幅不受到腔室中氣體的限制，并且撓曲與激勵(lì)同相。移動(dòng)是如此之慢，使得將氣體泵浦通過孔(例如，圖2的207、208)。在約200Hz的頻率下，由于在流過腔室中的薄間隙(例如，圖2的205)的同時(shí)氣體的增加的阻尼，振幅開始下降。所述阻尼依賴于間隙的幾何形狀和內(nèi)部表面性質(zhì)以及氣體的剪切粘度。所述阻尼也引起相位延遲的增加。檢測(cè)經(jīng)由隔膜的脈沖或周期性激勵(lì)施加的這些阻尼效應(yīng)，并且用于檢測(cè)對(duì)壓力加以表示的隔膜的基于頻率的特性。在IOkHz以上的頻率下，氣體的阻尼如此之高，使得在一個(gè)周期內(nèi)氣體不能流入流出間隙區(qū)域。因此，隨著頻率增加，減小了通過間隙的側(cè)向氣流。因?yàn)楦俚目諝饬鲃?dòng)，并且由于氣體的低體積粘度，阻尼力再次降低。在這些頻率下，間隙內(nèi)部的空氣的壓縮力成為支配性的。因?yàn)轶w積粘度通常小于剪切粘度，所以撓曲的相位回到O，表示減小的阻尼。在IOHz以上的頻率下，將測(cè)量氣體的壓縮測(cè)量為恒定的撓曲振幅。
[0060]對(duì)于具有較小半徑的器件，隔膜的中心和孔之間的距離更小，使得增大了線510和520交叉處的截止頻率(530)，在該截止頻率下氣體沒有足夠的時(shí)間離開諧振器間隙。圖6示出了如可以結(jié)合隔膜實(shí)現(xiàn)的截止頻率相對(duì)于隔膜半徑的曲線。
[0061]圖7示出了對(duì)于90 μ m隔膜直徑的阻抗相對(duì)于頻率的曲線，示出了由于根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的間隙壓力的變化導(dǎo)致的諧振頻率的偏移。示出了在大氣壓力(710)、900mbar 以上(720)、860mbar 以上(730)、860mbar(740)、200mbar(750)、60mbar (760)和2e_2mbar (770)下的相應(yīng)曲線。當(dāng)將壓力從O增加至IOOkPa時(shí)，諧振頻率的增加因子為2.2。例如，通過在隔膜兩端施加DC偏置電SVd。的同時(shí)測(cè)量激勵(lì)電極(例如，如圖2所示)之間相對(duì)于頻率的電阻抗，來測(cè)量諧振頻率。通過靜電力刺激隔膜，并且通過測(cè)量電容性電流(電極201和202之間的電容是距離ZfAz的函數(shù))來檢測(cè)隔膜的運(yùn)動(dòng)。
[0062]在一些實(shí)施例中，具有放大器的反饋環(huán)用于產(chǎn)生MEMS振蕩器，所述MEMS振蕩器連續(xù)地產(chǎn)生具有依賴于外部壓力的頻率的AC輸出信號(hào)。輸出信號(hào)的頻率是壓力的量度。使用多種方式的一個(gè)或多個(gè)來確定頻率，其中測(cè)量MEMS、機(jī)械諧振器或RLC電路的諧振頻率。
[0063]如以上的等式(3)所示，可以在較大范圍的壓力下進(jìn)行所述測(cè)量，并且所述測(cè)量可以在更高的壓力下變得更加靈敏。然而在較低壓力下，可以使腔室中的間隙Ztl較小，面積A較大、kM較小、并且頻率&高到足以防止由于諧振的隔膜而導(dǎo)致推出氣體。在一些實(shí)施例中，將相對(duì)于諸如振動(dòng)膜尺寸、孔直徑和腔室尺寸之類的物理性質(zhì)而具有不同靈敏度范圍的壓力傳感器的陣列進(jìn)行組合以提供寬廣的靈敏度范圍。在某個(gè)實(shí)施例中，對(duì)這里討論的壓力感測(cè)與諧振的Q因子測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行組合，例如結(jié)合以上引用的參考文件Nakamoto所討論的。
[0064]根據(jù)各種示例實(shí)施例，校準(zhǔn)方法用于對(duì)如這里討論的壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，例如補(bǔ)償隔膜的諧振頻率的偏移，所述偏移可能是由于工藝條件的變化產(chǎn)生的，例如可以涉及不均勻的隔膜厚度。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，在參考?jí)毫ο麓_定隔膜的諧振頻率以看看是否存在偏移。其他的實(shí)現(xiàn)方式涉及通過使用具有不同尺寸或孔密度的器件來檢查“基礎(chǔ)”壓力諧振頻率是否已經(jīng)偏移；如果孔與孔的距離足夠小，基本諧振頻率將變得與壓力無關(guān)，并且隔膜中的任意質(zhì)量差異或變化可以精確地確定，并且用于對(duì)壓力靈敏隔膜的校準(zhǔn)進(jìn)行校正。另外的實(shí)現(xiàn)方式涉及使用頻率掃描來確定壓力開始對(duì)于總體質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的彈簧常數(shù)起作用時(shí)的截止頻率(例如，以上的圖5A中的530)，以根據(jù)例如截止頻率確定參考?jí)毫ο碌男?zhǔn)曲線并且隨后使用所述曲線確定環(huán)境壓力。
[0065]在其他實(shí)施例中，校準(zhǔn)用于考慮溫度對(duì)于諧振頻率的影響，如可以基于材料的熱膨脹系數(shù)，熱膨脹導(dǎo)致了諧振頻率的偏移(楊氏模量的溫度變化比熱膨脹效應(yīng)小得多)?？梢允褂脺囟葌鞲衅骱筒檎冶韥硇Ｕ@種偏移。在一些情況下，濕度可能具有對(duì)器件的質(zhì)量或彈簧常數(shù)的影響。由于濕度導(dǎo)致的變化也可以通過濕度傳感器和查找表來校正。根據(jù)校準(zhǔn)或模型獲得查找表中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
[0066]在某些實(shí)施例中，減輕濕度變化對(duì)于壓力傳感器的影響。例如，在一些實(shí)現(xiàn)方式中，用疏水涂層涂覆諧振器隔膜。在其他實(shí)現(xiàn)方式中，減小隔膜的表面粗糙度和多孔性。
[0067]在另一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)量相同隔膜的多個(gè)較高諧振頻率(f1、f2、f3...)并且用于實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。因?yàn)橘|(zhì)量或彈簧常數(shù)變化對(duì)于諧振頻率的影響與壓力對(duì)于諧振頻率的影響不同，諧振頻率之比(例如用于將質(zhì)量負(fù)荷的影響與壓力變化進(jìn)行區(qū)分。實(shí)質(zhì)上，最低的隔膜模式(fi)將比較高模式(要求少得多的腔體體積變化)對(duì)于壓力靈敏得多。所有模式都近似地如Sqrt(k/m)那樣依賴于質(zhì)量和彈簧常數(shù)。
[0068]多種方法可以用于制造這里討論的傳感器設(shè)備。在一些實(shí)施例中，沉積底部金屬電極(例如200nm厚的PVDA1)并且隨后在襯底上進(jìn)行構(gòu)圖，例如裸硅芯片上的氧化硅或氮化硅的普通隔離層，或者下面具有集成電路的CMOS晶片頂部上的隔離層。使用PECVD或LPCVD在頂部上共形地沉積隔離氮化硅或氧化硅，接著是犧牲層(例如，諸如Mo、Al或Cr之類的300-500nm厚的金屬層)的沉積，將犧牲層構(gòu)圖為具有襟翼(flap)的合適圓形形狀，以便在圓形隔膜區(qū)域外部訪問這一層以進(jìn)行犧牲刻蝕。更大的犧牲膜厚度可以用于產(chǎn)生更大的間隙和更小的彈簧常數(shù)，具有總體上更小的靈敏度。更小的厚度可以用于測(cè)量更低的氣體壓力。犧牲層沉積之后接著是均勻沉積的氮化硅或氧化硅蓋層的沉積(例如200-300nm厚)。將薄的頂部電極(Al)沉積到頂部上并且隨后進(jìn)行構(gòu)圖。越薄電極(例如100nm-200nm)可以用于實(shí)現(xiàn)越小的溫度膨脹系數(shù)。然后用PECVD氮化硅或氧化硅層蓋上電極。
[0069]圖8示出了根據(jù)具體實(shí)施例的在形成諧振壓力傳感器的工藝流程的步驟中的壓力設(shè)備800。可以根據(jù)上述方法形成設(shè)備800，開始于襯底810、絕緣層820、各個(gè)氮化物層830和840、底部電極850、犧牲層860、頂部電極870和氮化物蓋層880。工藝流程繼續(xù)，在犧牲層860上停止在隔膜周圍按照?qǐng)A周形式對(duì)孔的構(gòu)圖和干法刻蝕(例如，諸如圖3所示的開口 312之類的開口，直徑是2 μ m)。
[0070]圖9示出了另外步驟時(shí)的設(shè)備800，其中在犧牲層860的刻蝕期間經(jīng)由開口 990形成了腔體。在一些實(shí)施例中，利用PES刻蝕(磷酸、硫酸和乙酸的混合物)選擇性地去除基于Mo的犧牲層。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，設(shè)備800還進(jìn)一步覆蓋有在層880上的層(例如，SiN)，以減輕諧振隔膜的污染。與用于激勵(lì)的頂部和底部電極的電連接和接合焊盤通過后續(xù)的構(gòu)圖、刻蝕和沉積產(chǎn)生。
[0071]多種隔膜類型用于適應(yīng)具體應(yīng)用。在一些實(shí)施例中，厚度小于約2nm或只有幾個(gè)原子厚度的石墨烯或其他隔膜(例如氮化硼或二硫化鑰)用于期望較小的柔性剛度的應(yīng)用。隔膜中的張力/彈簧常數(shù)可能由于較小的厚度(h)而較低，使得內(nèi)置應(yīng)力(σ)乘以厚度的乘積非常小(k = 4Ji oh)。因此，小得多的尺寸的隔膜可以用于實(shí)現(xiàn)類似的彈簧常數(shù)。例如，實(shí)現(xiàn)石墨烯隔膜以獲得與具有小得多(小100-1000倍)面積的隔膜類似的壓力靈敏度(dz/dP)。在其他實(shí)施例中，使用半透性隔膜或具有微孔/納米孔的隔膜。因?yàn)檫@些隔膜具有針對(duì)不同氣體的不同滲透性，可以使隔膜對(duì)于不同氣體的部分壓力是選擇性的，從而用于通過將傳感器的壓力讀數(shù)與不同半透性隔膜進(jìn)行比較來確定混合物中氣體的比率。
[0072]其他實(shí)施例涉及包括壓力傳感器和歐姆MEMS開關(guān)在內(nèi)的設(shè)備，可以使用類似的工藝流程進(jìn)行處理。通過將傳感器和開關(guān)進(jìn)行組合，可以在相同的器件中實(shí)現(xiàn)具有不同直徑的幾個(gè)壓力傳感器。所述開關(guān)然后用于在不同的壓力傳感器之間切換，因?yàn)樵酱蟮母裟ぴ谠降偷膲毫ο略届`敏，而越小的隔膜在越高的壓力下越靈敏。利用這種方法可以實(shí)現(xiàn)具有低電容的低成本處理，其中在小的襯底面積上具有減小的寄生電容和非常寬廣的壓力范圍。
[0073]圖10示出了根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例的將壓力傳感器與MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行組合的設(shè)備1000。設(shè)備1000包括在共同集成電路襯底1005(例如硅)上的MEMS壓力傳感器和MEMS麥克風(fēng)，所述MEMS壓力傳感器包括具有開口 1022的隔膜1020，所述MEMS麥克風(fēng)包括具有開口 1042的隔膜1040。所述隔膜由氧化硅材料1007和1008支撐。背板具有分別在壓力傳感器和麥克風(fēng)隔膜上的區(qū)域1010和1030(例如，多晶硅)，并且在其中構(gòu)圖有開口 1012和1032。電極(例如金)1051-1057如所示地定位。當(dāng)隔膜由硅制成時(shí)為了獲得較大的諧振頻率，可以將壓力傳感器的直徑選擇在50-100μπι之間。例如，可以經(jīng)由背板1010施加的偏置來激勵(lì)隔膜1020。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，壓力傳感器比麥克風(fēng)的直徑(例如Imm)小得多，并且制造在MEMS麥克風(fēng)管芯的角落處。
[0074]圖11示出了也將壓力傳感器與MEMS麥克風(fēng)進(jìn)行組合的另一個(gè)設(shè)備1100。設(shè)備1100與圖10所示的設(shè)備類似，并且用類似的參考數(shù)字進(jìn)行標(biāo)記，在壓力感測(cè)設(shè)備上不存在如圖10所示的在隔膜1020上的背板區(qū)域1010。在該實(shí)施例中，在下面襯底1005和隔膜1020之間執(zhí)行激勵(lì)。襯底1005包括諸如高摻雜硅之類的導(dǎo)電材料，并且用于測(cè)量諧振隔膜和襯底之間的阻抗。
[0075]圖12示出了如結(jié)合一個(gè)或多個(gè)示例實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的具有已處理晶片(例如，經(jīng)由CMOS) 1230的設(shè)備1200。CMOS后端1232包括頂部金屬層1234，傳感器在CMOS后端之上，其間是鈍化層1236。壓力傳感器包括平面下電極，在該示例中所述平面下電極包括具有富Si的SiN的Al層1238或碳化硅蓋層1240。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，使用Ti/TiN或鎢底部電極。下電極通過互連通孔與CMOS頂部金屬層相連。頂部和底部電極通過犧牲氧化物1241間隔開，隨后在電容器電極之間的區(qū)域中進(jìn)行處理時(shí)去除該犧牲氧化物1241。通過在例如CMOS電路等集成電路的頂部上形成壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了全集成方案。CMOS電路的頂部金屬層1234可以用作針對(duì)上覆(overlying)的底部電極的屏蔽板,并且也用于使能互連的形成。
[0076]CMOS的集成便于對(duì)接合引線的消除，這減小了寄生電容。使用如所示的在底部電極下面延伸穿過鈍化層1236的通孔，也經(jīng)由位于底部電極下面的金屬互連1234實(shí)現(xiàn)了與壓力傳感器底部電極的電連接，所述通孔也向上延伸穿過鈍化層1236和氧化物1242以連接接觸焊盤1248。
[0077]頂部接觸焊盤可以用于電路的輸入和輸出。圖12示出了(通過頂部金屬層中的側(cè)向連接)與底部電容器電極接觸的接觸焊盤。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，省略了這種直接接觸，并且電容器電極實(shí)現(xiàn)與用于信號(hào)處理的下面IC的接觸。于是，所述接觸焊盤用于IC輸入和輸出。
[0078]設(shè)備1200包括鎢頂部電極1244和電介質(zhì)密封層1246。例如，頂部電極可以包括鈦-鎢、鈦、氮化鈦、鋁、SiGe和/或這些材料的組合。針對(duì)電極1234、1238和1244的多種沉積方法用于適應(yīng)各種實(shí)施例，并且可以包括物理氣相沉積、高密度等離子濺射、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和原子層沉積(ALD)。
[0079]在犧牲氧化物去除之后沉積密封層1246，并且密封層1246用于部分地或者完全地填充在壓力傳感器的腔體區(qū)域上形成的犧牲刻蝕開口，這可以用于減小隔膜中通風(fēng)孔的直徑和/或個(gè)數(shù)。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，密封所述隔膜，然后在選定的點(diǎn)打開開口以產(chǎn)生通風(fēng)孔。在其他實(shí)現(xiàn)方式中，形成不同尺寸的孔，其中在共同的密封工藝中，填充較小的孔并使得較大的孔變小，得到了具有所需孔尺寸的所需個(gè)數(shù)的孔。在一些實(shí)施例中，密封層包括二氧化硅、氮化硅或者這些材料的疊置組合之中的一種或多種。用于氧化硅的沉積方法包括高密度等離子氧化(HDP氧化)、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和原子層沉積(ALD)。
[0080]鋁接觸焊盤1248提供與器件的連接，填充了 W的通孔從頂部鋁接觸焊盤向下延伸至底部電極層，并且也從底部電極層延伸至CMOS頂部金屬層，如上所述。如果選擇不同的材料作為頂部電極，例如選擇SiGe，則因此用不同的材料(SiGe)填充通孔和錨定點(diǎn)。
[0081]SiC層1240減輕/防止頂部和底部電極之間的短路，并且避免通過犧牲HF氣相刻蝕對(duì)于下面鈍化層1236的刻蝕。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，將富Si的SiN用作刻蝕停止/鈍化層。將通孔實(shí)現(xiàn)為電連接路徑以實(shí)現(xiàn)與頂部電極以及下面電子器件的接觸。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，錨1250用作腔體周圍的刻蝕停止保護(hù)環(huán)，并且用作機(jī)械錨以固定隔膜周界處的隔膜撓曲。
[0082]如上所述的工藝流程和/或針對(duì)所示和所述的各種設(shè)備使用了各種方法。例如，可以將富Si的SiN層，而不是SiC，設(shè)置在底部電極上，以防止頂部和底部電極之間的短路?？梢詫⑦@種抗短路層設(shè)置在犧牲氧化物層的頂部上，或者可以在犧牲刻蝕氧化物下面和上面均使用富Si的SiN層?？梢詫?duì)這些層之一進(jìn)行構(gòu)圖以形成器件抗靜摩擦凸塊。當(dāng)將富Si的SiN層設(shè)置在犧牲氧化物層的頂部上時(shí)，可以將富Si的SiN層用作頂部金屬電極的支撐層以避免彎折。
[0083]在一些實(shí)現(xiàn)方式中，將電極1238用作激勵(lì)的底部電極，將電極1239用作感測(cè)電極。其他雙電極結(jié)構(gòu)用于適應(yīng)某些實(shí)施例。
[0084]基于以上討論和說明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解的是在不嚴(yán)格遵循這里說明和描述的示范實(shí)施例和應(yīng)用的情況下，可以對(duì)實(shí)施例進(jìn)行各種改進(jìn)和變化。例如，可以使用不同形狀、厚度和類型的隔膜材料，并且可以將不同的孔尺寸、位置和數(shù)量用于隔膜以適應(yīng)不同的應(yīng)用。這些改進(jìn)不脫離包括所附權(quán)利要求的本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種集成電路設(shè)備，包括: 集成電路襯底，具有腔體； 懸置的隔膜，所述懸置的隔膜形成腔室的壁，所述腔室至少部分地在所述腔體中并且具有用于容納氣體的可變體積，所述隔膜中具有多個(gè)開口，所述開口配置用于傳遞氣體進(jìn)出所述腔室，所述隔膜配置為響應(yīng)于施加至所述隔膜的激勵(lì)力而移動(dòng)并從而改變腔室的體積； 激勵(lì)器，配置為響應(yīng)于在集成電路中承載的電控制信號(hào)而引起隔膜相對(duì)于腔體的移動(dòng)，從而改變腔室的體積并且產(chǎn)生與腔室外部的氣體壓力不同的腔室內(nèi)部的氣體壓力；以及 傳感器，配置為響應(yīng)于體積變化來檢測(cè)隔膜的基于頻率的特性，并且提供腔室中氣體壓力的指示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器配置為: 通過檢測(cè)頻率來檢測(cè)隔膜的基于頻率的特性，其中在所述頻率以上，隔膜振幅和隔膜相位中的至少一個(gè)開始下降；以及 基于檢測(cè)的頻率提供腔室中壓力的指示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器配置為: 通過在具體頻率下激勵(lì)隔膜的同時(shí)檢測(cè)隔膜的振幅和相位中的至少一個(gè)，來檢測(cè)隔膜的基于頻率的特性；并且 基于檢測(cè)的具體頻率下的振幅和相位中的至少一個(gè)來提供腔室中壓力的指示。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器配置為: 通過檢測(cè)隔膜的諧振頻率相對(duì)于參考?jí)毫ο碌闹C振頻率的偏移，來檢測(cè)隔膜的基于頻率的特性；并且 基于檢測(cè)的諧振頻率的偏移來提供腔室中壓力的指示。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器配置為在以隔膜的諧振頻率以下的頻率激勵(lì)隔膜的同時(shí)，基于氣體的粘度和開口的流阻來提供腔室中壓力的指示。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中 所述隔膜配置為在閾值頻率以下經(jīng)由開口流過氣體以平衡腔室中的氣體與腔室外部的氣體之間的壓力，并且配置為在閾值頻率以上減輕經(jīng)由開口的實(shí)質(zhì)上所有氣流； 所述激勵(lì)器配置為在閾值頻率以上周期性地激勵(lì)隔膜；以及所述傳感器配置為在閾值頻率以上周期性地激勵(lì)隔膜的同時(shí)檢測(cè)隔膜的基于頻率的特性，所檢測(cè)的基于頻率的特性指示了腔室外部的壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器配置為: 通過檢測(cè)隔膜響應(yīng)于體積變化的撓曲來檢測(cè)隔膜的特性；以及 使用檢測(cè)的撓曲來提供腔室中壓力的指示。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中: 所述激勵(lì)器配置為通過向隔膜施加時(shí)變的激勵(lì)偏置以激勵(lì)隔膜，來引起隔膜的移動(dòng)；以及 所述傳感器配置為基于所述激勵(lì)偏置來檢測(cè)隔膜的撓曲。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中:所述激勵(lì)器配置為通過在隔膜的諧振頻率下引起隔膜的周期性移動(dòng)來引起隔膜的移動(dòng)；以及 所述傳感器配置為: 通過在周期性地移動(dòng)隔膜時(shí)檢測(cè)隔膜響應(yīng)于體積變化的諧振頻率的增加來檢測(cè)隔膜的特性；以及 使用所檢測(cè)的諧振頻率來提供腔室中壓力的指示。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述激勵(lì)器配置為利用單一脈沖激勵(lì)所述隔膜，并且所述傳感器配置為檢測(cè)隔膜響應(yīng)于所述單一脈沖的諧振頻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器配置為: 通過檢測(cè)隔膜響應(yīng)于隔膜移動(dòng)的阻尼來檢測(cè)隔膜的特性；以及 使用檢測(cè)的阻尼來提供腔室中壓力的指示。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中所述激勵(lì)器配置為利用單一脈沖激勵(lì)隔膜，并且所述傳感器配置用于檢測(cè)隔膜響應(yīng)于所述單一脈沖的阻尼。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器配置為通過檢測(cè)隔膜對(duì)于體積變化的響應(yīng)來檢測(cè)隔膜的特性，以提供對(duì)腔室中的壓力和腔室外的壓力之間的壓力差的指示。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器配置為通過檢測(cè)腔室中氣體的均衡速度、并且使用所檢測(cè)的速度來確定對(duì)腔室中氣體分子的個(gè)數(shù)的指示，來檢測(cè)基于頻率的特性。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器配置為基于多個(gè)開口的個(gè)數(shù)和尺寸來檢測(cè)基于頻率的特性。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中 所述激勵(lì)器配置為通過在多個(gè)周期上激勵(lì)所述隔膜以周期性地壓縮和膨脹腔室中的氣體，來引起隔膜相對(duì)于腔體的移動(dòng)；以及 所述傳感器配置為通過計(jì)算多個(gè)周期上腔室中的時(shí)間平均環(huán)境壓力來檢測(cè)基于頻率的特性。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器配置為通過檢測(cè)隔膜的彈簧常數(shù)、并且使用檢測(cè)的彈簧常數(shù)來提供腔室中氣體壓力的指示，來檢測(cè)基于頻率的特性。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述多個(gè)開口包括直徑在約IOOnm和2000nm之間的通風(fēng)孔以及直徑小于2nm的通風(fēng)孔之中的至少一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器配置為基于氣體壓力的指示并且基于經(jīng)由激勵(lì)器提供的用于引起隔膜移動(dòng)的激勵(lì)輸入，來確定腔室內(nèi)部的氣體壓力。
20.一種集成電路壓力傳感器，包括: 氣體腔室，具有配置為容納氣體的壁，所述壁包括隔膜，所述隔膜具有電極并且配置為響應(yīng)于施加至電極的偏置而移動(dòng)并從而改變腔室的體積，所述隔膜具有多個(gè)開口，所述開口配置為: 經(jīng)由所述開口流動(dòng)氣體以平衡腔室中的氣體和腔室的外部的氣體之間的壓力， 當(dāng)在閾值頻率以下激勵(lì)所述隔膜時(shí)使氣體流入流出腔室，并且 響應(yīng)于在閾值頻率以上激勵(lì)所述隔膜，減輕經(jīng)由開口的實(shí)質(zhì)上所有氣流； 激勵(lì)器電路，具有電極并且配置為經(jīng)由電極向隔膜施加時(shí)變的激勵(lì)偏置，以周期性地激勵(lì)隔膜，并且壓縮和膨脹腔室的體積；以及 傳感器，配置為: 響應(yīng)于所述激勵(lì)器電路在隔膜的諧振頻率下激勵(lì)所述隔膜，基于電極之間的阻抗來檢測(cè)隔膜的諧振頻率的偏移，并且基于檢測(cè)的諧振頻率的偏移來提供腔室中壓力的指示，并且 響應(yīng)于所述激勵(lì)器電路激勵(lì)隔膜并且泵浦空氣通過開口，基于通過所述開口的氣體的粘滯流來提供腔室中壓力的指示。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中所述傳感器配置為基于以下的至少一個(gè)來提供腔室中壓力的指示:隔膜振幅開始下降時(shí)的頻率；以及經(jīng)由電極之間的阻抗所表示的、具體頻率下的隔膜振幅或相位。
22.一種壓力傳感器設(shè)備,包括: 具有側(cè)壁的腔室； 隔膜，所述隔膜形成側(cè)壁之一并且具有多個(gè)開口，所述開口配置為具有這樣的開口尺寸:當(dāng)在諧振頻率以上激勵(lì)所述隔膜時(shí)，防止實(shí)質(zhì)上所有氣流通過所述開口，而當(dāng)在諧振頻率以下激勵(lì)所述隔膜時(shí)，便于氣流通過所述開口 ； 激勵(lì)器，配置為周期性地激勵(lì)所述隔膜以迅速地壓縮和膨脹腔體中的氣體；以及傳感器，配置為檢測(cè)所述隔膜響應(yīng)于周期性激勵(lì)的基于頻率的特性，并且基于檢測(cè)的基于頻率的特性來提供表示了隔膜處壓力的輸出。
23.—種制造集成電路設(shè)備的方法，所述方法包括: 形成具有腔體的集成電路襯`底； 形成懸置的隔膜，所述懸置的隔膜形成腔室的壁，所述腔室至少部分地在所述腔體中并且具有用于容納氣體的可變體積，并且在所述隔膜中形成多個(gè)開口以傳遞氣體進(jìn)出所述腔室，所述隔膜配置為響應(yīng)于施加至所述隔膜的激勵(lì)力而移動(dòng)并從而改變腔室的體積；形成激勵(lì)器，所述激勵(lì)器響應(yīng)于在集成電路中承載的電控制信號(hào)而引起隔膜相對(duì)于腔體的移動(dòng)，從而改變腔室的體積并且產(chǎn)生與腔室外部的氣體壓力不同的腔室內(nèi)部的氣體壓力；以及 形成傳感器，所述傳感器檢測(cè)隔膜響應(yīng)于體積變化的基于頻率的特性，并且提供腔室中氣體壓力的指示。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法， 其中形成懸置的隔膜包括形成具有不同尺寸的多個(gè)開口的隔膜； 所述方法還包括:經(jīng)由所述多個(gè)開口執(zhí)行所述隔膜下面的材料的犧牲刻蝕；以及 在執(zhí)行犧牲刻蝕之后，涂覆密封層以密封所述開口中的至少一些。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中涂覆密封層以密封所述開口中的至少一些包括:涂覆密封層以密封所述開口中尺寸在閾值尺寸以下的開口，并且減小尺寸在閾值尺寸以上的開口的尺寸。
【文檔編號(hào)】G01L9/00GK103630286SQ201310369763
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月23日
【發(fā)明者】威廉·貝什林, 皮特·斯蒂內(nèi)肯, 奧拉夫·溫尼克 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司