批量生產的半導體薄膜壓力傳感器及其製造方法
2023-10-11 12:44:24 2
專利名稱：批量生產的半導體薄膜壓力傳感器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及響應於施加的外力進行物理運動的壓力傳感器。本發明也涉及製造這種傳感器的技術。
傳統的矽微加工壓力傳感器一般使用壓敏電阻或者電容元件來測定薄矽膜的變形。壓敏電阻元件比壓敏電容元件更常用，因為壓敏電阻元件具有較低成本，使用者較為熟悉，易於接受。
圖1A是傳統矽微加工壓敏電阻壓力傳感器1的俯視圖。壓力傳感器1是在一矽基片2上製造，它有一個2mm×2mm的面積和約500μm的厚度。為了提高壓力傳感器1的靈敏度，製造的基片2包括一框架2a、一圓環膜2b和一圓形臺2c。膜2b被蝕刻成具有約10μm的厚度，同時框2a和臺2c保持約500μm的厚度。結果，基片2的變形集中在圓環膜2b內，從而提高壓力傳感器1的靈敏度。
在基片2上形成有四個惠斯通電橋電路3a、3b、3c和3d。每個惠斯通電橋電路包括多個接觸墊4、多個壓敏電阻元件5和多條該接觸墊4和該壓敏電阻元件5的導電線跡。壓敏電阻元件5形成是通過向圓環膜2b離子注入雜質區形成。壓敏電阻元件5的電阻響應於施加到晶體基片2的機械應力改變。更具體地說，壓敏電阻元件5的電阻隨著膜2b的壓縮和膨脹變化。圓環膜2b和壓敏電阻元件5的位置增加儀表因數(gauge factor)25-50倍，使得當設計壓差範圍約為4英寸水柱時，壓力傳感器1形成約2-3毫伏/伏的輸出電壓。
以前，壓力傳感器1一般在汽車中用於高壓測量。這些應用包括如測量管匯絕對壓力、流體傳輸壓力、冷卻劑和動力轉向壓力和輪胎壓力。
壓力傳感器1的效率由兩個物理效應的結合決定，這可以解釋為機械放大器及其後的電放大器。機械放大器是將壓力轉換成位移的薄膜2b。電放大器是壓敏電阻元件5和惠斯通電橋電路3a-3d的結合，將位移轉換成輸出電壓。
與壓力傳感器1相關的固有缺點有幾個。首先，臺2c起振動體作用，它響應衝擊和振動(噪音)引起過多的動態變形量。臺2c還會響應重力引起靜變形量，從而使傳感器對安裝位置極敏感。結果，壓力傳感器1的操作會受壓力傳感器1安裝位置和環境的影響。
另外，壓敏電阻元件5起熱敏電阻的作用，使壓力傳感器1對溫度變化極敏感。結果，一般壓力傳感器1必須配用複雜的溫度補償電路。一般即使在溫度補償後，溫度影響仍約在全程的1-2％左右。
而且，圓環膜2b一般很脆，從而使壓力傳感器1易於在運輸、接觸和組裝中損壞。另外，雖然圓環膜2b提高了壓力傳感器1的機械放大器部分的靈敏度，但圓環膜2b的形狀限制了其線彈性範圍。結果，如果膜2b的變形超過矽膜的線性彈性範圍，壓力傳感器1的性能會是非線性的。
再有，因為矽基片2的固有剛度，壓力傳感器1較適於高壓測量(即，測定大於1磅/平方英寸(psi)的壓力)，而不適於低壓(即，測定小於1磅/平方英寸(psi)的壓力)。
圖1B是用於測壓力的傳統電容壓差傳感器20的剖面圖。壓力傳感器20是通過將一被蝕刻的矽膜29(由矽膜28蝕刻而成)夾在上玻璃板30和下玻璃板27間形成的。壓力通道25和26分別穿過上、下玻璃板30和27使矽膜29與外相通。鋁被濺射到上下玻璃板的內表面上以形成固定的電容器極板23和24。連接器21和22分別從極板23和24沿壓力通道25和26的壁延伸到上下玻璃板30和27的外表面。矽膜29形成傳感器20的可移動的中心電容極板，其結構相似於電容式電位計。向壓力通道25施加的正壓力使矽膜29向下玻璃板27變形，從而增加膜29和極板24間的電容，同時減少膜29和極板23間的電容。直接與壓力成比例的這個不平衡由電子電路測定出。
壓力傳感器20具有以下缺點。首先，較厚(也就是，至少約5微米厚)的矽膜29響應於衝擊和振動可能受到過量的動態變形。而且，在為了低壓測量把膜29做得較薄(即，約5微米厚)時，製造一大體為平面的膜是困難的。非平面膜會造成電容測量的誤差。而且，為了低壓測量把膜29做得較薄時，膜變得很脆，使壓力傳感器20易於在運輸、接觸和組裝時損壞。
因此希望有一成本低、可靠的壓力傳感器，它對溫度、動態衝擊和重力較不敏感。也希望這種壓力傳感器較堅固，並有寬的線性彈性範圍。並且能較好地適用於低壓場合。
因此，本發明提供了一種靈敏的壓力傳感器，它包括一可彎曲膜，如低應力矽的氮化物膜，它由半導體框支撐。可彎曲膜在框上延伸，並且膜中存在一固有的拉應力。薄膜應變儀材料，如鎳鉻合金材料沉積在可彎曲膜上，從而在可彎曲膜上形成一個或多個可變電阻。
在由於空氣流造成的動壓力降等外壓加到膜上時，膜產生變形，不再是平面的了。此時，可變電阻長度增加，從而電阻增加。一個電子電路，如惠斯通電橋電路監測到電阻的這種增加。傳感器電路產生一個與膜變形成比例的輸出信號。因為在膜中僅存在拉應力(與在較厚的並可支撐彎曲的膜中既有拉又有壓應力相反)，由本發明的壓力傳感器形成的輸出信號，在膜是向上或向下變形時是相同的，使得輸出信號與壓差成比例。
因為沒有檢測質量體安裝到可彎曲膜，本發明壓力傳感器不受衝擊、振動和方位的影響。另外，應變儀材料的電阻純粹是決定於幾何因素，使得本發明壓力傳感器溫度穩定性高。而且，可彎曲膜對於施加的給定壓差產生較大變形(與傳感器1比)。這提供一較靈敏並穩定的傳感器，適於在低壓應用。
可彎曲膜是由能抵抗大壓差的高強度材料製造。因為膜處在拉應力下，從平面變形出來的位移與施加的壓力成線性比例。而且，因為膜薄，它的質量可忽略，使由於處理不當造成的重力小到不會損壞壓力傳感器。
本發明壓力傳感器可在一標準外殼中作為單獨模片安裝。另外，壓力傳感器可安裝在兩個矽模間，起過壓限制器的作用，以限制膜的變形。
根據另一實施例，一第一導電層形成於膜上，一第二導電層形成於過壓限制器上。在此實施例中，第一和第二導電層形成電容式壓力傳感器。
參照附圖，通過以下詳細說明，可以更好地理解本發明。
圖1A是傳統的矽微加工壓電壓力傳感器的俯視圖；圖1B是傳統的電容壓差傳感器的剖視圖；圖2是根據本發明一實施例的薄膜傳感器(transducer)壓力傳感器俯視圖；圖3是圖2所示壓力傳感器底視圖；圖4是沿圖2中線4-4所得壓力傳感器的剖視圖；圖5A-5G是剖視圖，示出了在選擇的處理步驟中，圖2-4所示的壓力傳感器；圖6A和6B示出圖2-4所示壓力傳感器的膜的變形；圖7是一剖視圖，示出了帶有上、下過壓力限制器的圖2所示的壓力傳感器；
圖8是圖7所示上過壓限制器結構的底視圖；圖9是一剖視圖，示出了本發明的另一實施例的電容壓力傳感器；圖10A是根據本發明一實施例的壓力傳感器組件的剖視圖；圖10B是圖10A所示壓力傳感器組件的空氣流管的俯視圖；圖11是一壓力傳感器的剖視圖，它可用作根據本發明的一實施例的溫度傳感器；圖12是一壓力傳感器的示意圖，它可用作根據本發明的另一實施例的真空傳感器；圖13、14和15是壓力傳感器的剖視圖，它們可用作根據本發明的另一實施例的皮托管(pitot tubes)；圖16是一壓力傳感器的剖視圖，它經修改後用作根據本發明的另一實施例的化學物質測定器。
圖2是根據本發明一實施例的壓力傳感器200的俯視圖。圖3是壓力傳感器200的底視圖。圖4是沿圖2所示線4-4所得的壓力傳感器200的剖視圖。圖2-4使用圖示的X-Y-Z坐標系。
壓力傳感器200包括半導體框201；可彎曲膜202；導電線跡211-214；導電墊211a-214a；和應變儀電阻221-224。半導體框201是單晶半導體材料。在所述示例中，框201是具有100方向的單晶矽。然而，在其它例中，框也可由其它半導體材料製造。框201的尺寸是沿X軸約0.6cm、沿Y軸約0.6cm，沿Z軸約400μm。一在中間設置的開口203完全穿通框201延伸。
框201支撐一低應力、可彎曲膜202。在所述例中，膜202是高矽含量矽的氮化物膜，它在框202的上表面上的開口203上延伸。在所述例中，矽的氮化物膜厚度約為2,000埃。在其它實施例中，膜202可由其它材料，如聚醯亞胺，製造。膜202的內在拉應力傾向於將膜202保持在與X-Y平面平行的一平面中。然而，膜202沿Z軸可變形。因此，在框201被固定並沿Z軸向膜202施加一力時，膜202變形，沿Z軸運動。使膜202變形需要的力約250微牛頓。在這些力存在時，膜202沿Z軸變形的量約0.5μm。
相對傳統的壓敏電阻壓力傳感器1(圖1A)，膜202提供一顯著提高的機械放大倍數。因為膜202是有預應力的，膜起到一懸掛橋中的拉緊纜的作用而不是起到懸臂梁的作用。膜202的脫離平面(out of plane)剛度不是膜材料楊氏模量或截面慣量的函數，而是膜202的正確控制的固有拉應力的函數。膜202的固有預應力過程將在下面關於壓力傳感器200的製造中說明。
應變儀電阻221-224形成在膜202的露出表面上。應變儀電阻定義為從應變儀材料形成的電阻。應變儀材料定義為具有與材料的長度成正比，與材料截面積成反比的電阻的導電材料。在所述例中，應變儀電阻是由鎳鉻合金製造(約80％鎳，20％鉻)。其他應變儀材料包括鉻或鈦。應變儀電阻221-224的選擇要便當膜202沿Z軸不變形時，它們具有相同長度和截面積。結果，在膜202沿Z軸不變形時，應變儀電阻221-224具有相同的電阻。在所述例中，在膜202沿Z軸不變形時，每個應變儀電阻221-224具有約5000埃的厚度，和約5000歐姆的電阻(室溫)。雖然在所述例中，應變儀電阻221-224化學成份相同，但這不是本發明所要求的。在一非優選的實施例中，也可用不同於製造應變儀電阻221-224所用的應變儀材料(包括非應變儀材料)製造電阻223和224。在此實施例中，將電阻223和224設計成，在膜202沿Z軸不變形時，具有與應變儀電阻221-222相同的電阻。
如圖2所示，應變儀電阻221-222形成半圓盤旋狀。應變儀電阻221-222完全形成在沒有直接連接到框201上的膜202的部分上。即，應變儀電阻221-222形成在位於框201的開口203上的膜202的部分上。(圖2中虛線示出開口203)。結果，當膜202從X-Y平面移動出來時，應變儀電阻221-222的長度變大，截面積減小。如下面所述，在這些條件下，這些應變儀電阻221-222的電阻增加。
如圖2所示，應變儀電阻223和224形成直線盤旋狀。應變儀電阻223-224完全形成在直接連接到框202上的膜202的部分上。即，應變儀電阻222-224直接形成在框203上。結果，當膜202從X-Y平面移動出來時，應變儀電阻222-224不以任何明顯方式膨脹。
導電線跡211-214由低電阻材料製造，如金屬或合金。在所述例中，線跡211-214是由金或金合金製造，厚度約為2000埃，寬度約為100μm。結果，線跡211-214的電阻比應變儀電阻221-224的電阻小得多。線跡211-214耦接應變儀電阻221-224，形成一惠斯通電橋電路。具體地，線跡211將電阻223的一第一終端耦接到電阻221的一第一終端。線跡212將電阻223的一第二終端耦接到電阻222的一第一終端。線跡213將電阻222的一第二終端耦接到電阻224的一第一終端。線跡214將電阻221的一第二終端耦接到電阻224的一第二終端。墊211a-214a分別形成在線跡211-214的端部上，從而形成惠斯通電橋電路的連接點。
根據本發明一實施例的壓力傳感器200是用下面方法製造的。圖5A-5G示出了在具體處理步驟當中的壓力傳感器200。首先，清潔單晶矽基片201。然後，如圖5A所示，在基片201外表面上沉積一層矽的氮化物。在所述方法中，矽的氮化物層202的厚度約為2000埃，儘管其它厚度也可以。如圖5B所示，然後，在矽的氮化物層202上沉積一光致抗蝕劑層501。光致抗蝕劑層501被構圖，以形成一開口502。在所述方法中，此開口是方形的。
參考圖5C，進行等離子蝕刻除去矽的氮化物層202上被開口502曝露的部分。在除去光致抗蝕劑後，在所得到的結構上進行氫氧化鉀蝕刻。如圖5C所示，氫氧化鉀蝕刻形成開口203，它穿過基片201，從而使基片201形成框201。因為氫氧化鉀不蝕刻矽的氮化物層202，矽的氮化物層202留下，成為跨開口203的膜。由於所述製造方法，這個膜202具有固有拉應力。
如圖5D所示，厚度約為2000埃的金層215被蒸發(或濺射)在矽的氮化物層202的整個下表面上。根據傳統的處理技術，在這金層215上構圖並蝕刻，以形成圖5E所示的線跡211-214。厚度約為500埃的應變儀材料層216(如鎳鉻合金)蒸發(或濺射)在矽的氮化物層202整個下表面上。然後，根據傳統的處理技術，為這層應變儀材料上構圖並蝕刻，形成應變儀電阻221-224，並完成壓力傳感器200的製造過程(圖5G)。在本發明的其它實施方式中，可用氫氧化鉀以外的蝕刻劑。
雖然圖5A-5G示出了單個壓力傳感器200的製造，但應理解，在一個矽晶片上可以同時製造與壓力傳感器200相似的多個壓力傳感器(也就是成批生產)。這些批量生產的壓力傳感器可根據現有的半導體處理技術切割成單個的壓力傳感器。因此，這些批量生產的壓力傳感器可用作為壓力傳感器的集成陣列。
下面將介紹壓力傳感器200的工作原理。在穩定的大氣條件下(即1個大氣壓，無環境空氣流動)，或在膜兩側有相等壓力時，壓力傳感器200保持在圖3-4所示的位置中。即，膜202基本平行於X-Y平面，膜202沒有沿Z軸的變形。結果，應變儀電阻221-224具有相等電阻。通過盤墊211a和213a施加固定的外電壓(或者通過盤墊212a-214a)。因為應變儀電阻221-224此時都具有相同電阻，盤墊212a-214a沒有電壓差。
然而，當大氣條件使外壓加到壓力傳感器200上時(即，在正或負Z軸方向的推或拉力)，膜202脫離X-Y平面變形，引起應變儀電阻221-222拉長。圖6A示出了膜202在Z軸正方向的變形。圖6B示出了膜202在Z軸負方向的變形。當應變儀電阻221-222拉長時，這些應變儀電阻221-222的電阻增加。因為應變儀電阻221-222的結構設置是相對於膜202的變形對稱的，應變儀電阻221-222變形量大致相等。應變儀電阻221-222的電阻增加的結果，使跨過盤墊212a和214a發生電壓差(如果在盤墊211a-213a上施加固定的輸入電壓)。跨過盤墊212a和214a的電壓差與膜202的變形成比例。因為膜202的變形與壓力成比例，跨過盤墊212a和214a的電壓差與壓力成比例。
與傳統的壓敏電阻壓力傳感器相比，壓力傳感器200顯示出以下優點。首先，壓力傳感器200是特別靈敏的，並能測量比1磅/平方英寸小得多的壓力，例如，壓力傳感器200具有5英寸水柱(0.02磅/平方英寸)全範圍到0.005英寸水柱全範圍的靈敏度範圍。另外，由於使用預應力膜，壓力傳感器200具有改進的機械放大倍數。而且，因為膜202具有預應力，膜202具有一極大的線性範圍和過壓保護。因為膜202具有較低的質量，所謂的重力(G-force)幾乎可忽略，從而使壓力傳感器200不受由於重力造成的靜誤差(傳感器位置的偏差)或噪音和振動造成的動誤差的影響。這些優越的特性使壓力傳感器200能用在以下極低壓力範圍的空氣流測定通風與供暖(HVAC)阻尼控制、導管空氣流和過濾器壓降測量、化學通氣櫃、醫院室內和淨化室內環境壓力、醫藥器械、工業控制/監測和電子裝置的對流冷卻集總測定。
壓力傳感器200可以如上所述單獨工作，或連接到其它結構件上，在處於過大壓力(即過壓狀態)時，所述其它結構件起到限制膜運動範圍的作用。圖7是連接到壓力傳感器200的一第一過壓限制器結構300和第二過壓限制器結構400的剖視圖。
第一過壓限制器300連接到壓力傳感器200的表面上，其支撐膜202。第一過壓限制器300包括一具有多個支撐墊303的基片301，支撐墊303形成在基片301的周邊。在所述例中，基片301是單晶矽。如圖所示，在支撐墊303上形成電絕緣層302。在所述例中，絕緣層302是氧化矽。絕緣層302防止在第一過壓限制器300耦接到壓力傳感器200時，線跡211-214和應變儀電阻221-224短路。選擇支撐墊303和絕緣層302的結合高度使之與膜202沿Z軸正向運動的希望的最大距離一致。
圖8是第一過壓限制器300的底視圖。一個深通道區304沿四個通道從中心位置向限制器300的周邊延伸。深通道區304使膜202的上表面與外壓相通。另外，如果在支撐墊303間提供足夠空間，深通道區304能夠消除，使膜202上表面通過在支撐墊303間存在的空間與外部大氣相通。
第二過壓限制器400在支撐膜202的表面的相反的表面上連接到壓力傳感器200上。第二過壓限制器400包括一具有多個通孔402的基片401。在所述例中，基片401是單晶矽。孔402是用傳統的半導體技術形成(即，蝕刻、機械或超聲波鑽孔)。孔402穿過基片401，從而使膜202的下表面與大氣壓或通過基片401的另一空氣腔相通。在此實施例中，選擇基片201的高度與膜202沿Z軸負向運行的希望最大距離一致。如果希望一更大距離，可在基片401上表面周邊蝕刻支撐墊(與支撐墊303相似)。
第一和第二過壓限制器300和400由粘結劑連接到壓力傳感器200上。由支撐墊303提供的構圖表面是有些不平整(即不連續)的表面，其優點是改善結合。在上述例的改變方案中，第一過壓限制器300可包括通過基片301的孔，使膜202上表面與外相通。相似地，第二過壓限制器400可包括一基片401中的通道(相似於通道304)使膜202下表面與外通氣。在另一方案中，可使用第一過壓限制器300，而沒有第二過壓限制器400。相似地，可使用第二過壓限制器400，而沒有第一過壓限制器300。
在本發明的另一實施例中，修改壓力傳感器200和第一過壓限制器300，產生一電容式壓力傳感器。圖9是根據本發明的這種另一實施例的電容壓力傳感器500的剖視圖。電容壓力傳感器500包括壓力傳感器200A和第一過壓限制器300A。壓力傳感器200A和第一過壓限制限制器300A與前述的壓力傳感器200和第一過壓限制器300相似。因此，圖7和9中相似件以相似數碼表示。
壓力傳感器200A是通過完成就圖5A-5D進行介紹的處理步驟形成的。因此，壓力傳感器200A包括框201、膜202和金層215。應指出，在此實施例中，金層215上不構圖，不形成應變儀層216。通過在過壓限制器300(圖8)的通道區域304中沉積導電層305(例如金)，形成過壓限制器300A。對導電層215和305進行電連接，這兩層間的電容由傳統電容測量電路測量。當膜202向過壓限制器300A變形時，測量的電容會增加。相反，當膜202變形離開過壓限制器300A時，測量的電容會減小。從用傳統技術測量的電容可得出施加壓力的數值。
應用下面將介紹壓力傳感器200的各種應用。下面所述的應用的目是為了說明，而不是作為對本發明的限制。對本領域的技術人員來說，應該理解的是本發明的壓力傳感器可應用在很多其它場合。
空氣流測定器壓力傳感器200可用於各種場合。如圖10A所示，壓力傳感器200組裝形成壓力傳感器組件900。壓力傳感器組件900包括一上模901和一下模902，兩者都可由塑料製造。上模901固定到下模902上，在兩模間形成空氣緊密封。壓力傳感器200固定到下模上，從而形成空氣緊密封。兩個空腔903和904穿過下模902。壓力傳感器200設在空腔904上，使模202的下表面露在空腔904內。空腔903在壓力傳感器200的周邊外一位置上穿過下模902。結果，膜202上表面露到空腔903中。
分別將空氣管910和911安裝到空腔903和904中。空氣管910和911是最上端開口、最下端封閉的中空管。開口930和931分別位於管910和911的表面上。過濾器920和921分別在空氣管910和911最上端上。過濾器920和921防止顆粒進入外殼900內改變膜202的工作特性。壓力傳感器200的各連接盤墊211A-214A通過連接線(如粘結線950)可連接到連接器插銷(如連接器插銷905)上。
所得結構的操作如下。壓力傳感器組件900安裝在一預計有空氣流的位置上。對準壓力傳感器組件，使開口930面對預計的空氣流方向，開口931背向預計的空氣流方向。圖10B是空氣流管910和911的俯視圖。箭頭1010表示預計的空氣流方向。當這樣的空氣流存在時，開口930中產生正壓力P1，開口931中產生負壓力P2。開口931必須位於與預計的空氣流方向有至少90度的相位差的位置上，以產生負壓(真空)P2。在預計的空氣流存在時，P1和P2間的壓差會將膜202推出X-Y平面。相反，當預計的空氣流不存在時，P1和P2的壓力(大約相等)將膜202保留在不變形狀態。通過在膜202的一側形成正壓P1、在膜202的另一側形成負壓P2，產生一較大的力使壓力傳感器致動。在另一實施例中，空氣流管910和911可由具有兩個內通道的單個空氣流管代替，兩個內通道都有一個孔與之相連。
另外，代替在每個空氣管910和911中的單個孔，每個空氣管910和911可包括兩個或多個孔，每個孔位於相對於空氣流稍不同的角度上，但都連接相同的空腔(如903或904)。在一個例中，兩個孔間有一約5度的角。設置兩個孔讓空氣管910和911能夠相對於空氣流方向形成一準確的小角度。但是，帶有附加到各空氣管的每個附加孔，測定壓力減小，靈敏度稍降低。在另一實施例中，孔930和931可用水平的開口縫代替。這開口縫減輕了空氣管相對於空氣流方向的定向要求。
壓力傳感器組件900可安裝在計算機系統中風扇附近，或接近要保護的電子組件。從而使壓力傳感器200接受風扇產生的空氣流。當空氣流大於一預定閾值時，膜202變形，從而跨過盤墊212a和2143a產生電壓差。然後，電壓差的存在被轉化，以指示出在系統中存在足夠空氣流。壓力傳感器200的閾值能夠通過調節壓力傳感器200相對於風扇的徑向和軸向位置來確定，或通過改變膜202的靈敏度來確定。因為壓力傳感器200直接測定風扇的失效或不良運行，能夠比用傳統的溫度測定裝置更早地防止系統中電子組件的過熱。
根椐本發明，與壓力傳感器組件900相同的多個壓力傳感器組件可設置在要保護的整個系統中。這樣的設置可測定出有不良性能風扇的局部區域。
除了作報警傳感器外，這樣的裝置可用作反饋傳感器，控制給定的系統或環境溫度的風扇轉速，可以控制風扇，使之在理想的空氣流速下進行旋轉。另外，可以控制可操作風扇的數目，以取得希望的空氣流。這樣的適應(或智能)風扇可用在風扇噪音成問題，或系統可靠性是關鍵的部位。
溫度傳感器如圖11所示，根據本發明的另一實施例，可以使用壓力傳感器200形成一溫度傳感器1100。溫度傳感器1100包括壓力傳感器200；下外殼件1101；上外殼件1102；和塞1103。空腔1104穿過下外殼件1101。壓力傳感器200通過空氣緊密封固定到外殼件1101上，讓膜202下表面(或上表面)由空腔1104露出。如圖所示，上外殼件1102固定到下外殼件1101上。上外殼件1102包括一過濾器1105，它使膜202上表面(或下表面)通氣。在控制室溫時，空腔1104用塞1103密封(氣密)。結果，空腔1104成為一容納有固定空氣量的封閉空腔。在空氣加熱時(或冷卻)，它膨脹(或收縮)，從而使導電膜變形。通過控制溫度傳感器1100被密封的溫度和壓力傳感器200的靈敏度，可以控制溫度傳感器1100的工作特性。
真空測定器在另一應用中，可以使用壓力傳感器200測定一室中的真空(或壓力)，或通過測定一通道中的真空測定空氣流，如在一空調系統中、一爐或半導體處理設備中的一室或空氣流中的真空(或壓力)。圖12是本發明的另一實施例的真空壓力傳感器1200的示意圖。真空壓力傳感器1200包括壓力傳感器200，它固定到下外殼件1202上。開口1203穿過外殼1202延伸，從而露出膜202下表面(或上表面)。具有過濾器1205的上外殼固定到下外殼件1202上。下外殼件1202和上外殼件1204安裝在較大外殼1210中，它分接空氣流管1211(如文氏管)。在沒有空氣流通過管1211時，膜處於不變形狀態。但當管1211中引入空氣流F時，膜202由在外殼1210中產生的負壓P變形。
皮托管在另一應用中，壓力傳感器200可用在矽微加工的皮托管(pitot tube)中。圖13是本發明另一實施例皮托管1300的剖視圖。在此實施例中，壓力傳感器200的基片201被延伸，在延伸的基片201上表面上形成一槽1301。由單晶矽等結構材料構成的上層1311固定在基片201上表面上。開口1312穿過上層1311。開口1312和槽1301使膜202上表面與外部大氣相通。
如圖所示，下結構層1320固定在壓力傳感器200的下表面上。下結構層1320包括支撐墊1321，它們產生空腔1322；在層1320下表面上的槽1323；和開口1324，它延伸在空腔1322和槽1323間。槽1323伸到下結構層1320的外周邊的點1325處。下覆蓋層1330固定到下結構層1320的下表面上。結果，膜202的下表面通過空腔1322、槽1323和開口1324與外部大氣相通。
這種結構可用於測量空氣流速，象在一傳統的皮托管中那樣。假設進入的空氣流F具有速度V1和壓力P1，那麼在流動中的任何其它點上有如下關係P2+1/2ρV22＝P1+1/2ρV12其中，ρ是空氣密度。因為開口1325指向氣流方向，並且相應的槽1323一直延伸到空腔1322，此處，流速V2是零，在膜202底表面上的壓力應為P2＝P1+1/2ρV12另一方面，開口1312指向垂直於氣流的方向，所以通過槽1301在膜202頂部表面上的壓力為P1，那麼在膜202上的壓差為ΔP＝P2-P1＝1/2ρV12該壓差使膜202產生變形。接著，該變形又造成可用於測定空氣流F的電壓差。
利用壓力傳感器200的結構也可構成其它結構的皮托管。例如，圖14示出了一三層結構的皮托管1400，它包括耦合到壓力傳感器200上的三個結構件1401、1411和1421。結構件1401包括支撐墊1402、開口1403、通道1404和開口1405。如圖所示，結構件1401的上表面(即，包括支撐墊1402的表面)附在壓力傳感器200上。結構件1411固定到結構件1401的下表面。
如圖所示，固定到壓力傳感器200的結構件1421包括兩個開口1422和1423。開口1422具有一90度彎曲，它使膜202上表面外通。開口1423是直開口，與在壓力傳感器200中形成的開口1406連續。開口1406在開口1423和1405間延伸，從而使膜202下表面外通。皮托管結構1400以為皮托管結構1300所述的相同方式工作。
相似地，圖15示出了一種兩層的皮托管結構1500。與在皮把管結構1400和1500中相似的元件以相似數碼表示。皮托管結構1500用一單結構件1501代替皮托管結構1400的結構件1401和1411。結構件1501包括支撐墊1502和通道1503，通道1503使膜202下面與開口1423和1406相通。通道1503以上述通道304(圖8)相同方式形成。皮托管結構1500與皮托管結構1300和1400的工作方式相同。在另一實施例中，皮托管結構可用另一種材料(如塑料)製造，並粘到開關(由矽製造)上。
化學物質測定器圖16示出的壓力傳感器可用作氣體或化學物質(如一氧化碳)測定器1600。在本發明的這個實施例中，化學吸收性材料1601沉積在開口203內的膜202上。材料1601吸收在環境大氣中的化學物質。當吸收時，材料1601膨脹，從而施加力使膜202變形。所產生的電壓差可用於鑑別在環境大氣中是否存在過多量的有害化學物質。
雖己根據幾個實施例說明了本發明，但是，對於本領域技術人員來說，必須理解的是本發明並不僅僅限於上述實施例，而是存在多種修改。例如，已就連接應變儀電阻形成惠斯通電橋說明了本發明，但本領域的技術人員通過在壓力傳感器的膜上形成一個或多個應變儀電阻，可以構成其它類測定電路。另外，雖然所介紹的壓力傳感器200有具體尺寸，但這些尺寸是說明性的，不是限制性的。其它尺寸也可以利用，都屬於本發明的範疇。本發明由下述權利要求限定。
權利要求
1.一種壓力傳感器，它包括一半導體框，具有開口一可彎曲膜，在半導體框上和半導體框開口上延伸；一第一應變儀電阻，形成於在半導體框開口上延伸的膜的部分上。
2.根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中，半導體框包括單晶矽。
3.根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中，膜包括矽的氮化物。
4.根據權利要求1所述的壓力傳感器，其中，第一應變儀電阻包括鎳-鉻合金。
5.根據權利要求1所述的壓力傳感器，還包括一第二應變儀電阻，形成於在半導體框開口上延伸的膜的部分上。
6.根據權利要求5所述的壓力傳感器，其中，第一應變儀電阻和第二應變儀電阻是對稱的。
7.根據權利要求5所述的壓力傳感器，其中，第一應變儀電阻和第二應變儀電阻各具有一盤旋形。
8.根據權利要求5所述的壓力傳感器，其中，第一應變儀電阻和第二應變儀電阻具有相同的電阻值。
9.根據權利要求5所述的壓力傳感器，還包括一第三電阻，形成於在半導體框上延伸的膜的部分上；一第四電阻，形成於在半導體框上延伸的膜的部分上；多個導電線跡，形成在膜上，其中該線跡將第一應變儀電阻、第二應變儀電阻、第三電阻和第四電阻連接形成惠斯通電橋電路。
10.根據權利要求9所述的壓力傳感器，其中，第三電阻和第四電阻是應變儀電阻。
11.根據權利要求1所述的壓力傳感器，還包括第一限制器，耦接到半導體框，其中第一限制器延伸在膜上，限制膜沿第一方向的變形。
12.根據權利要求11所述的壓力傳感器，還包括一第二限制器，耦接到半導體框，其中，第二限制器在膜上延伸，限制膜沿第二方向的變形，第二方向與第一方向相反。
13.一種感測壓力的方法，包括以下步驟在一具有一開口的半導體框上形成一可彎曲膜；在開口上延伸的膜的部分上形成一第一應變儀電阻；使膜受到要測定的壓力的作用，從而，壓力使膜和應變儀電阻變形；用第一應變儀電阻的電阻測量壓力。
14.一種製造壓力傳感器的方法，包括如下步驟在半導體基片的外表面上形成一膜層；蝕刻半導體基片，形成一框，所述框具有一開口，膜層在開口上露出；在膜層上制一個或多個應變儀電阻。
15.一種電容式壓力傳感器，包括一半導體框，具有一開口一可彎曲膜，在半導體框上和半導體框開口上延伸；一第一導電層，形成在可彎曲膜上；一基片，具有位於中心的區；多個突出的支撐墊，圍繞位於中心的區設置；一第二導電層，形成在基片的中心的區上，其中支撐墊耦接到半導體框上，第一導電層被支撐得與第二導電層平行。
16.根據權利要求15所述的壓力傳感器，其中，膜是矽的氮化物。
17.根據權利要求16所述的壓力傳感器，還包括穿過基片的一個或多個孔，使膜通過基片排氣。
18.根據權利要求16所述的壓力傳感器，還包括位於面向膜的基片表面上的一個或多個通道，從而使膜通過所述一個或多個通道排氣。
19.一種製造壓力傳感器的方法，包括如下步驟在一第一基片外表面上形成一膜層；蝕刻第一基片，形成框，框具有開口，膜層在開口上露出；在膜層上形成一第一導電層；圍繞第二基片中心位置形成多個突出的支撐墊；在第二基片中心位置形成第二導電層；將支撐墊耦接到框上，其中，第一導電層被支撐得與第二導電層平行。
全文摘要
一種壓力傳感器,它包括在例如空氣流的壓力的外力作用下可移動的可彎曲膜。可彎曲膜在具有開口的半導體框上延伸,使可彎曲膜的一部分在半導體框上延伸,可彎曲膜的另一部分在開口上延伸。在膜中存在固有拉伸應力。在半導體框的開口上延伸的膜的部分上形成一個或多個應變儀電阻。膜響應外力變形。當膜變形時,應變儀電阻拉長,它們的電阻增加。測量電阻的變化用以確定外壓力大小。在一實施例中,用惠斯通電橋電路將應變儀電阻的電阻變化轉換成電壓差。
文檔編號G01L9/00GK1257578SQ98805432
公開日2000年6月21日 申請日期1998年3月24日 優先權日1997年3月24日
發明者繆國權, 唐威隆 申請人:集成微型機器公司