专利名称：微机电传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机电系统(MEMSmicro-electromechanical system)领域。更加特别地，本发明涉及微机电可变电容传感器(micro-electromechanicalvariable capacitive sensor)。
背景技术：
换能器(transducer)一般是指将一种形式能量的输入转化为另一种形式能量的输出的装置。已有多种类型的换能器可用于光至电信号、机械能至电信号、温度至压力、压力至电信号、加速度至电信号、电信号至运动等的转化，及其反向的转化。工作于不同类型能量之间的装备或设备一般需要一种或另一种类型的换能器。基于应用，根据所需的精度、准确性、灵敏度和可靠性，换能器可以覆盖从便宜到非常昂贵的范围。
压力换能器一般是指一种感应压力并将其转化为电能的装置。传统类型的压力换能器为电容位移换能器(capacitive displacement transducer)，其示例在图1A和1B中示出。传统换能器具有两个玻璃片层10，其夹持着硅片层12，金属电极14和16分别形成了正的和负的电容器极板。硅片层12形成了很薄的膜板(diaphragm)，并且类似地，很浅的间隙将膜板从电容器极板分开。膜板响应膜板两侧之间的压差而偏斜。该偏斜改变了膜板与电极之间的间隔，减小了一侧的电容同时增大了另一侧的电容。换能器的电容，以及因此而与电容相关联的压力，可以通过使用适合的电路测量。可以在美国专利No.4,996,627(名为“高灵敏度微型压力换能器”)中发现电容位移换能器装置的更加详细的介绍，其在此作为参考而引入。
与这种传统换能器结构相联系的问题在于，玻璃与硅之间的热机械失配。低压感应需要高尺寸比膜板(例如，很高的半径与厚度的比例)，其起到了张丝(tensile spring)的作用，其刚性主要由其张力决定。然而，玻璃和硅不具备相同的热膨胀性质，并且其差异可以明显影响膜板的张力。结果，作为温度的函数，利用玻璃主导型结构制造的低压感应换能器的精度有时将发生不期望的变化。由于难以精确地反映出膜板中相同的张力，因此换能器与换能器之间，膜板中的张力也不相同。
另外，大多数传统换能器表现出对于测量变量(measured variable)，例如压力，固定的灵敏度。传统的压力换能器具有一般随着所施加的压力而线性增长的输出信号。传统压力换能器中的最大不准确性由共模(common-mode)或绝对误差构成，其来源与压力无关。这种类型的不准确性或误差在测量范围内的每一点表现相同。因此，在以读出结果的百分比表示时，误差在最大压力处最小而在最小压力处最大。当最小压力为零时，误差达到无穷大。然而，许多应用要求在压力范围低端处具有很高的灵敏度。简正误差(normal-mode inaccuracy)在测量范围内的每一点表现为相同的误差百分比，因为绝对误差在低压范围处降低。仅表现出简正误差的换能器称为表现出很高的“动态范围(dynamic range)”。给出允许的百分比误差的最大值，动态范围表示为换能器在该精度下测量的测量范围的数量级的数目。所得输出信号特征相对于压力为“对数-线性”。提供这种对数-线性信号特征的高灵敏度压力换能器也表现出最大动态范围。然而，现有技术无法提供这样一种微传感器，其相对易于复制并且制造成本低廉，同时还表现出相对误差较低的低压范围精度。
发明内容
本发明的一个实施例是一种可变电容微机电换能器。具体而言，根据本发明的换能器包括起电容器电极作用的衬底，设置在衬底上的介电材料，设置在介电材料上的间隔部件，以及设置在介电材料上作为另一电极的弹性元件。弹性元件的一部分与介电材料隔开，而弹性元件的另一部分与介电材料相接触。在一个实施例中，弹性元件与介电材料之间近似构成了电容器的有效电极面积的接触面积对应于作用在弹性元件上的外力的量与弹性元件中张力的分量的差。换能器电容可以容易地测量，并且弹性元件中的张力可以由换能器电容推出。因此，作用在弹性元件上的外力的量可以从换能器电容计算得出。
与其中弹性元件的张力主要由弹性元件的尺寸决定的传统的电容位移换能器不同，本发明弹性元件的张力次要地由弹性元件的尺寸确定，并且主要由间隔部件的高度确定。弹性元件的尺寸，以及更大程度地是间隔部件的高度，可以精密地控制，并使用MEMS和其它半导体装置制造工艺和技术复制。因此，本实施例的压力换能器的精度和准确性与传统压力换能器的相比得到了极大的改善。
弹性元件的移动可以通过多种不同的方式实现，包括压力、加速度等的变化。因此，本发明的换能器可以构造为压力换能器、加速计、密度计、流量计等。
在本发明的一个实施例中，间隔部件可以近似设置在弹性元件的中心。在此实施例中，弹性元件的中心部分通过间隔部件与介电材料隔开，并且弹性元件的周边部分与介电材料相接触。根据本发明，具有此构造的换能器在较低的力范围内对于力的变化具有更高的灵敏度。在本发明中，换能器构造优选表现对所施加的力的对数-线性灵敏度，其可以最大化动态范围。
在本发明的另一实施例中，间隔部件可沿着弹性元件的周边设置，使得其周边部分与介电材料隔开。在本实施例中，弹性元件的中心部分与介电材料相接触。根据本发明，具有此构造的换能器在较高的力或压强范围具有更高的灵敏度。
在本发明的又一实施例中，间隔部件可包括两部分。一部分近似设置在弹性元件的中心，另一部分沿着弹性元件的周边区域设置。在此实施例中，接触区成为环形。可以确定这种换能器的间隔部件的尺寸和位置，使得换能器对于力或压强表现出线性的灵敏度。
在一些实施例中，介电材料可以设置在弹性元件面向衬底的表面上。在这些实施例中，间隔部件可用于从衬底隔开部分介电材料和弹性元件。有效电极面积近似为介电材料与衬底之间的接触面积。
本发明另一实施例是一种用于测量两种流体之间的压差的压力换能器。本实施例的压力换能器包括起电容器电极作用的衬底和用于双方向响应、设置在衬底相对侧面上的弹性元件。起移动电极作用的弹性元件和衬底形成了分享公共电极的两个电极。换能器还包括透过衬底的开口，以允许弹性元件暴露于两种流体。压差可以通过测量两个电容器的电容来测量。在优选实施例中，衬底由具有金属化层的玻璃制成，并且弹性元件形成为由硅制成的膜板。在此实施例中，换能器可由硅晶片构造为“全硅结构”。在MEMS和集成电路中常见的由硅构成的全硅结构将减小玻璃与硅之间的热机械失配的影响。
在本发明的又一实施例中，用于测量压差的压力换能器包括衬底、设置在衬底一侧上的弹性元件、以及设置在衬底另一侧上的绝缘体。在优选实施例中，绝缘体形成为薄膜，其防止了外部流体进入弹性元件与衬底之间，该外部流体可改变换能器的电容或可以与换能器发生化学反应。计量流体可容纳在由弹性元件和绝缘体密封的体积中，从而连通绝缘体与弹性元件之间的压强。再一次，弹性元件可形成为膜板。
本发明的这些及其它实施例将在下面进一步介绍。
为了更好地理解本发明，说明书将结合附图进行下面的详细介绍，附图中图1A为现有技术位移电容压力换能器的横截面图；图1B为示出现有技术位移电容压力换能器等效电路的示意电路图；图2为根据本发明一实施例，构造用于感应绝对压力的换能器的侧截面图；图3为根据本发明的图2换能器的顶视图；图4为根据本发明的图2换能器的侧截面图，显示出更大的施用力；图5为根据本发明的图4换能器的顶视图；图6为根据本发明另一实施例，具有所示施用力的、构造用于感应绝对压力的换能器的侧截面图；图7为施用了更大的力的、根据本发明图6的换能器的侧截面图；图8为根据本发明又一实施例，施以力的换能器的侧截面图；图9为施用了更大的力的、图8的换能器的侧截面图；图10A为制造换能器的工艺步骤的侧截面图，其示出了基体结构；图10B为制造换能器的工艺步骤的侧截面图，其示出了膜板片层；图10C为根据本发明实施例，制造换能器的完成工艺的侧截面图；图11为可以在本发明实施例中采用的可选膜板片层的侧截面图；图12为可以在本发明实施例中采用的膜板片层的另一种可选实施例的侧截面图；图13为根据本发明另一实施例，构造用于感应压差的换能器的侧截面图；
图14为图13换能器的顶视平面图；图15为根据本发明另一实施例，构造用于感应压差的换能器；图16为根据本发明又一实施例，构造用于感应压差的换能器；图17为根据本发明再一实施例，构造用于感应可压缩流体密度的换能器的侧截面图；图18为根据本发明另一实施例，构造用于感应有害或敏感流体的压差的换能器的侧截面图；图19为根据本发明又一实施例，构造用于感应双方向压差的压力换能器的侧截面图；图20为根据本发明又一实施例，构造用于感应有害或敏感流体的双方向压差的压差换能器的侧截面图；图21为根据本发明又一实施例，在弹性膜板上设置有介电层的换能器的侧截面图；以及图22为根据本发明又一实施例，在弹性膜板上也设置有介电层的换能器的侧截面图。
具体实施例方式
如图2所示，根据本发明实施例的换能器200包括衬底230、电介质220(其可以设置在衬底230上)、间隔部件240、以及设置在电介质220上的弹性片层210。在所示的实施例中，衬底230包括起电容器电极作用的可选导电层289。弹性片层210包括构造为起电容器另一电极作用的膜板部分215。膜板部分215通过间隔部件240至少部分地与电介质220分开。如图2所示，电介质220包括介电材料层，其可以由本领域技术人员从已知的介电材料中选取。或者，电介质220可以构造为真空层。通过膜板部分215与电介质220之间的间隔部件240形成的空隙222可以抽空或可以优选以预定的压力容纳可移置或可压缩的非导电性流体(如，空气)。如本领域技术人员所知，电容测量电路可以经电接触299和导电层289与换能器200连接。
根据本实施例，张力导致膜板部分215起弹簧或弹性元件的作用，其响应外力(例如，压力)而弹性地变形。张力还在移除外力时，帮助膜板部分215“反冲”到其初始形状。换言之，该张力影响着膜板部分215响应外力将弯曲多少以及与介电材料层接触多少。在本实施例中，膜板部分215中的张力主要由间隔部件240的高度和膜板部分215的尺寸(例如，半径和厚度)决定。间隔部件240的高度和膜板部分215的尺寸可以精确地控制，并且可以使用已知的MEMS制造工艺和半导体装置制造工艺复制。因此，本实施例换能器的准确性和精度与传统的换能器相比得到极大改善。
一般而言，对于MEMS应用，膜板部分的直径将不大于约5mm，一般在约50μm至5mm之间，并且对于纳米应用可以再降低(例如5μm)。间隔部件的一般高度和直径可以分别为约1至5μm和30至70μm。在膜板部分中引起张力的应变优选在约0.001％至0.1％的范围内。在一个优选实施例中，对于构造用于低压感应(例如，约一英寸水柱或更低(约0.035psi)范围内的全刻度压力)，膜板部分215的厚度可以在从小于1μm(例如，0.1μm)至大于10μm的范围内，而膜板部分的面积可以大于一个平方毫米(1mm2)。更具体地说，直径约为1mm。间隔部件240的高度和直径分别为大约3μm和50μm。在此尺寸下，膜板部分中的应变为大约0.01％。
图3示出了膜板部分215的顶视图，并且显示出膜板部分215与电介质220之间的接触区250(灰色阴影)。尽管间隔部件240以隐线显示为圆柱形，并位于膜板部分215中心附近的下面，可以理解，在可选实施例中，间隔部件240可以位于膜板部分215下的任何位置，并且可以构造为圆柱形以外的形状。例如，多重间隔部件可以位于膜板部分215与衬底230之间，以限定接触区250。
接触区250的尺寸根据作用在膜板部分215上力的大小而变化。随着所用力大小的增加，更大部分的膜板部分215挤压在介电材料220上，增大了接触区250的尺寸。器件的电容由膜板部分与介电材料之间接触的量决定。因此，为增大接触区250而作用的力增大了有效电极面积以及相应的换能器200的电容。图4至5示出了具有作用在膜板部分215上的更大外力的换能器200。可以理解，膜板部分215上力的降低减小了接触区250，相应地导致有效电极面积和换能器200电容的减小。因此，作用在膜板215上力的大小可以通过测量换能器200的电容而确定。
换能器200的电容可以通过将膜板部分和衬底与电容测量电路连接而测量，这为本领域所熟知。在某些实施例中，换能器200可以通过测量其电容同时在换能器上施加已知量的力并确定所测电容与施加力的量之间的相关函数来校准。在其它实施例中，通过向电容器施加电压使得产生的静电力导致电容增大并达到预定的固定值，电容可以保持在预定的固定值。还可以校准达到预定电容所需的电压，以反映出施加至换能器的力和压力。
在图2至5所示的实施例中，如上所述，随着接触半径减�。哟デ�250随着所施加力的增加而增加。膜板部分215随着接触区250增大而变得更硬，并且接触面积随着新增接触半径的减�。约跣〉乃俣仍龃�。膜板部分215偏斜直至感应力与膜板部分215中的净张力法向分量平衡。
在本优选实施例中，随着膜板部分215偏斜，张力的增大使得换能器非线性特性提高。由此，接触区变化第一增量最大，而电容随着力的增大以减小的速度增加。利用这些独有属性的优势，根据本发明制造的传感器可以用于准确地感应非常小的力和力的变化，因为传感器响应导致相对或简正误差条件。例如，当将要感应的激励力为压力时，在低压范围下，本实施例提供最大的微分电容对压力比例(dC/dP)，导致了在整个压力范围内基本均匀的相对误差函数。根据参数的选择(诸如，间隔部件的高度和膜板尺寸和材料)，所得的输出电容变化可以近似与感应力的对数成比例地控制。这种构造特别有益于需要高动态范围(例如，在几个量级范围上的高测量分辨率)的应用。高动态范围信号构造对于感应变量随着测量变量以小于一的指数变化的应用最为有利。例如，换能器200适于测量与感应到的流体压力的平方根(P1/2)成比例的流体流速。因此，换能器200可以应用在流量计和流量控制器中。
图6和7示出了根据本发明另一实施例的换能器300。一般而言，除下面将讨论的变化以外，换能器300构造为与换能器200类似的形式。在换能器300中，膜板部分315的周边部分通过位于膜板部分315周界附近的周边间隔部件342而与介电材料220隔开。膜板部分315的中心部分与介电材料220相接触，以形成接触区350。在一个实施例中，膜板部分315很小的中心部分可与介电材料220固定地结合在一起，从而限定出最小接触区350，并且由此确保了最小的电容。再次地，接触区350的尺寸随着作用在膜板部分315上力的大小而变化，并且接触区350的尺寸确定了换能器300的电容。
在诸如换能器300的实施例中，接触区350随着接触半径的增大而增大，并且膜板部分315随着施加的力的增大而变得更硬。随着新增接触半径的增大，以增加的速度增大的接触区导致了起主导作用的信号成形(signal-shaping)现象。因此，随着力的增大，电容以增加的速度增大。这种构造最适于感应变量随着测量变量以大于一的指数变化的应用。例如，换能器300适于测量底部比顶部大的容器中流体的质量和/或具有固定的容量比深度比例的容器中流体的质量，其中容纳的流体具有与其深度成比例的密度。
根据图6和7的实施例，周边间隔部件342可以由与间隔部件240相同的材料形成。即，周边间隔部件342可以是隔离结构或按精确且受控的方式沉积在衬底230或介电层220上的金属或氧化物。
图8和9示出了根据本发明又一实施例的换能器400。在此实施例中，膜板部分415在中心点和周边部分分别以中心间隔部件240和周边间隔部件342都被抬升起来，以限定具有环形形状的接触区450。膜板部分415可以在预定的区域之上与介电层220结合起来，以确保最小的接触面积和电容。如图8和9所示，接触区450的尺寸随着作用在膜板部分415上力的大小而变化。这种构造最适于需要与所施加的力成线性响应的应用。可以选择不施加力情况下的接触半径，使得信号形状与所施加的力是线性关系。
可以理解，此处介绍的实施例的膜板部分的移动可以通过多种不同的方式实现，包括液压、加速度等的改变。因此，本发明的实施例可以构造为绝对压力传感器、压差传感器、加速计、密度计、温度计、流量控制器等。
根据本发明的换能器可以使用已知的MEMS制造工艺和/或其它已知的半导体装置制造工艺制造。用于制造根据本发明的换能器的工艺可依据工艺设计用于形成的换能器的应用和用途而不同。例如，采用本发明实施例的流量控制器优选可以使用合金结合工艺制得，而采用本发明实施例的密度计优选可以使用阳极结合工艺制得。用于形成本发明换能器的材料也可以依据目标应用和用途而不同。
图10A至10C示出了用于制造根据本发明的换能器(诸如，图2至5的换能器200)的工艺步骤的典型序列。首先，设置衬底230。本领域技术人员可以确定，衬底230可以包括具有导电层(例如，金属化层)的非导电衬底(例如，玻璃衬底)。金属化玻璃晶片、单晶硅晶片和/或其它合适的材料可用作衬底230。在一个实施例中，衬底230由具有与硅非常接近地匹配的热膨胀系数的玻璃材料形成。
如图10A所示，基体结构510可以通过首先在衬底230上形成或沉积介电材料220，然后在其上形成间隔部件240而制得。这种工艺特别有益于衬底230为金属化玻璃衬底的情况。介电材料层220可以是二氧化硅层或氮化硅层。也可以使用其它具有高介电常数的绝缘体。
如图10B所示，弹性片层210可以通过蚀刻绝缘硅(SOIsilicon-on-insulator)晶片、单晶硅晶片或多晶硅晶片而制得。可以使用干法气体等向性深度蚀刻工艺。可以金属化弹性片层210的一部分以形成电性接触299。在可选实施例中，间隔部件可以形成在弹性片层210上或作为其一部分。
弹性片层210和基体结构510随后结合起来，如图10C所示。可使用阳极结合和/或合金结合工艺将弹性片层210和基体结构510结合起来。
如上所述，膜板部分215中的张力主要由间隔部件240的高度确定，并且还由膜板部分的尺寸确定。该高度和尺寸可以准确地控制并且使用已知的MEMS制造和/或半导体装置制造工艺在多种装置中复制。由于间隔部件240的高度和膜板部分215的尺寸是可以精确复制的，因此具有几乎相同的膜板张力的本发明换能器可以批量地制造。
图11和12示出了可以替代上述弹性片层210在本发明实施例中使用的两种可选弹性片层611和612。例如，对于它们所给出的形状，片层210和612适于通过干法蚀刻形成。片层611则适于通过湿法蚀刻形成。可以在片层上形成不同的图形，并且可以在其上沉积或生长各种材料(例如，金属、金属氧化物等)，诸如凸起613和614，从而改变机械和/或电学性质。尽管此处主要依据适于感应压力的、根据本发明优选实施例的膜板状构造介绍了弹性片层，但其它形状或结构可以适用于感应其它类型的力。例如，在加速计应用中，可以采用条状或带状部件。另外，为了提高选定范围内的灵敏度，可以均匀地改变质量或者通过添加质量集中部分来改变质量。例如，片层612可形成为具有形成质量集中部分的凸起614的带状。在形成为带状时，片层612可以仅在相对的端部将其固定在衬底上，然而在形成为膜板时，片层在其周界周围固定。
在图13和14所示的另一可选实施例中，换能器700还包括衬底230、设置在衬底230上的介电材料和间隔部件240，其构成了基体结构910。弹性片层210设置在基体结构的介电材料220上。如前所述，弹性片层210形成延伸跨过间隔部件240的膜板部分215。在本实施例中，设置透过衬底230的开口260，与空隙512连接。(间隔部件240和开口260在图19中以隐线示出)。利用这种布置，换能器700可以用于测量装置相对两侧的两种流体之间的压差。当膜板部分215的一个表面710暴露于第一种流体，并且当相对的表面712暴露于通过开口260进入空隙512中的第二种流体时，两种流体之间的压差可以通过测量换能器700的电容而确定。
图15和16示出了根据本发明又一可选实施例的换能器800和900。换能器800包括具有周边间隔部分342和用于为空隙512提供通路的开口260的基体结构920。换能器900包括基体结构930，其具有中心间隔部分240、周边间隔部分342和与利用接触区450的环状形状形成的多个空隙512相连通的多个开口260。相对于换能器700，换能器800和900都可以用于测量上述两种流体之间的压差。
换能器700、800和900可以按照与图14所示类似的工序制得。如上所述，本发明实施例可以使用不同的工艺形成，并且所用工艺根据换能器的设计应用而不同。例如，弹性片层611或612可以与基体结构910、920或930种的任何一个相结合。上面结合图14介绍的制造技术还可用于制造换能器700、800和900。还可以使用其它的MEMS制造和半导体装置制造工艺和技术。
在图17所示的本发明又一实施例中，换能器1000包括与衬底230相结合以限定固定的边界腔体280的硅衬底270。可以在硅衬底270上设置金属或金属化的接触281，以允许与相关的电容测量电路连接。在组装衬底时，腔体280可以首先填以气态流体，其压力略低于将要感应的最低外部压力。或者，腔体280中可以为真空。腔体280通过开口260与空隙512连通。在此实施例中，膜板部分215以较小的阻力偏斜，直至膜板215上的压差与同压差相对的其张力的净、法向分量相平衡。
优�。惶�280中的流体同与膜板部分215的外表面相接的流体相同。另外，膜板部分215优选足够柔顺，从而表现出张力计薄膜(tonometricmembrane)的行为，例如，完整气球的外皮。这种张力计在其厚度方向上支撑着压力梯度或温度梯度，因此膜板两个表面上的流体密度必须相同。腔体中气体的体积越大，就必须偏斜越多的膜板部分以处理外界流体密度的变化。膜板部分的偏斜越大，电容的改变就越大。按此方式，换能器1000起到了电容密度计作用，其灵敏度与固定的边界腔体280的体积成比例。
诸如换能器1000的装置可用作用于流量测量和可压缩流体控制的密度校正部件。用于流量感应的另一种部件可以是构造如图13的换能器700的压差传感器。用于感应流体流量的单片传感器可以包括按照与换能器700和换能器1000类似的方式构造的部件，从而提供函数P/n，其中P表示压差而n表示将测量的流体的密度。
在图18所示的另一可选实施例中，换能器1100也是构造用于测量两种流体之间的压差。此实施例也包括构造为起电极作用的衬底230和构造为起另一电极作用的膜板部分215。然而，还设置具有绝缘膜板295的另一衬底290，从而由此限定可变的边界腔体282。绝缘膜板295可制造为衬底290的一部分，其与衬底230结合起来。在另一种可选方式中，绝缘膜板295比膜板部分215更加柔顺。优选在膜板部分215与绝缘膜板295之间的空隙中容纳有非导电的计量流体。本领域技术人员可基于其与将要绝缘的流体的兼容性选择适当的材料和工艺用于制造膜板295。
仍然参照图18，注意膜板部分215的一个表面暴露于所关心的第一种流体。因此，该流体的压强直接连通至换能器。在相对的一侧，绝缘膜板295的一个表面暴露于所关心的第二种流体中，并且所关心的第二种流体的压强通过绝缘膜板295和计量液体经膜板部分215与换能器连通。由此，此实施例特别有利于所关心的第二种流体可能影响膜板部分215与衬底230之间的介电介质的介电常数或者与换能器各层不兼容时。
上述实施例可用作用于感应“正向”压力的单向传感器。一般而言，压力是标量变量，其沿所有方向表现得相等。一个位置中压力相对于其它位置增大或减小的压力可称作压力的方向。通常，若将要感应的流体压力相对于参照压力增大，则感应到的压力被称作更加趋于正向。在上述实施例中，在无效条件下，其中膜板张力单独通过间隔部件(和与应用有关的重力)产生，换能器的电容预先响应正向压力变化而变化。
为了更加准确地感应双方向压差变化，图19中示出了根据本发明又一可选实施例的换能器1200。换能器1200包括具有两层弹性片层1210a和1210b以及其间的玻璃片层1212的三片层结构。玻璃片层1212的每个表面优选包括一层导电材料1230(例如，金属)，其构造为起电极的作用。硅片层1210a和1210b包括膜板部分1215a至1215b，其按与上述相同的方式构造为起可移动电极的作用。硅弹性片层1210a的膜板部分1215a与导电材料1230形成第一电容C1，而硅弹性片层1210b的膜板部分1215b与导电材料1230形成第二电容C2。介电材料薄层1220可设置在导电材料1230上，使得膜板1215a至1215b不与电极1230直接接触。可以可选地设置透过玻璃片层1212的开口1260a至1260b，使得膜板部分1215a至1215b在其内部暴露于所关心的流体。
若P1大于或等于P0，则换能器1200使用第一膜板部分1215a感应压力。这是由于随着压差(P1-P0)愈加变为负向，当压差(P1-P0)为零且进一步的降低为最小时，有效电极面积以及电容C1达到最低值的原因。当压差(P1-P0)为负时，换能器1200使用第二膜板部分1215b感应负压力，因为有效电极面积及电容C2不会增大，除非压差(P1-P0)为负，并且因为C2的电容随着差值(P1-P0)负向增大而增大。直至压差(P1-P0)为正，电容C2近似保持为常数。类似地，直至压差(P1-P0)为负，电容C1近似保持为常数。因此，根据压差(P1-P0)为正或负，压差(P1-P0)的变化近似与电容C1或C2的变化成比例。
图20示出了根据本发明又一实施例的压差换能器1300。在此实施例中，换能器1300具有设置在玻璃片层1241相对侧面上的两层硅弹性片层1240a和1240b。换能器1300具有两个绝缘膜板1295a至1295b，其构造为用于防止膜板部分1215a至1215b的内表面直接暴露于将要测量的流体。在此实施例中，计量流体容纳在膜板部分1215a至1215b与绝缘膜板1295a至1295b之间的空隙中。如上所述，换能器1300在压差(P1-P0)为正时使用膜板1215a感应压力，而在压差(P1-P0)为负时使用膜板1215b感应压力。
在所示的实施例中，例如在图19至20中，使用了硅-玻璃-硅片层。然而，可以理解，可使用其它材料作为替代。基于本发明的教导，本领域技术人员可选择合适的材料组合用于特定的应用。
本发明上述的一些实施例包括具有介电材料薄层的衬底。因此，在其它实施例中，间隔部件将弹性元件(如，膜板)与介电材料隔开。注意，在其它实施例中，介电材料层可沉积在膜板上或同时沉积在膜板和衬底上。根据这种实施例的换能器3900在图21中示出。换能器3900包括与形成在衬底上(或作为其一部分的)的间隔部件240一起起电容器电极作用的衬底230。弹性片层211设置在衬底230和间隔部件240上方。弹性片层211具有与其贴附在一起的介电材料层221和起电容器另一电极作用的膜板部分216。膜板部分216和介电材料层221通过间隔部件240至少部分地与衬底230隔开。换能器3900的工作原理与本发明上述其它实施例的情况类似。
换能器3900可使用已知的MEMS制造工艺制得，优选为微机械或其它本领域技术人员熟知的MEMS工艺，和/或半导体装置制造工艺，和/或其组合。例如，首先可以设置可以是一部分金属化的玻璃晶片的衬底230。然后，在衬底230上沉积间隔部件240，或者作为间隔结构或者与衬底整体地形成。间隔部件240其本身可以是金属。衬底230可利用具有与硅非常接近地匹配的热膨胀系数的玻璃材料制成。或者，衬底230可利用硅形成，以克服热膨胀失配的问题。依据用于提供间隔部件所采用的技术，在加入间隔部件240之前或之后，金属接触289可沉积或结合在衬底上。
弹性片层211可通过蚀刻优选为部分绝缘硅(SOI)晶片的衬底而独立形成。在一个实施例中，优选使用干法气体等向性深度蚀刻工艺。可以用已知的半导体装置制造工艺在膜板部分216的表面上形成介电材料层221。在一个实施例中，介电材料221可以是氮化硅或二氧化硅。在合适的工艺步骤处加入金属接触299。优选使用阳极或合金结合将结合的弹性片层211和介电材料221、以及衬底230和间隔部件240的基体结构可以结合在一起以形成换能器3900。
根据本发明另一实施例的换能器4100在图22中示出。除换能器4100具有上述周边间隔部件242外，换能器4100与换能器3900类似。其它间隔构造也是可以的。换能器4100可使用与上述类似的工艺制成。
出于说明目的的上述介绍使用了具体的术语以提供对本发明透彻的理解。然而，本领域技术人员应了解，具体的细节并非实践本发明所需。因此，对本发明具体实施例的上述介绍是出于说明和介绍的目的。其不应排除其它或将本发明限于所公开的特定形式。例如，尽管所介绍和说明的某些实施例适用于流体压力传感器，应理解，本发明的原理可应用于其它领域，诸如加速计、空气速度测量装置等。另外，上述示例是针对MEMS尺寸装置给出的，这并不限定本发明的范围和应用性。本发明的原理及教导可便利地用于任何尺寸。从上述教导出发可以得到多种改动和变化。
权利要求
1.一种装置，包括衬底，构造为起电容器第一电极的作用；弹性元件，至少其一部分以预定的间隙与衬底隔开，其构造为起电容器第二电极的作用；以及间隔部件，设置在衬底与弹性部件之间，以距衬底的、大于所述预定间隙的距离支撑部分的弹性部件，从而限定与其中衬底和弹性元件以所述预定间隙隔开的区域相对应的电容器有效电极面积，有效电极面积响应弹性元件相对于衬底的移动而变化，并且导致了电容器电容的变化。
2.如权利要求1所述的装置，还包括设置在衬底与弹性元件之间的电介质，从而限定出所述预定间隙。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述电介质设置在衬底的表面上，而有效电极面积包括介电层与弹性元件之间可变的接触面积。
4.如权利要求2所述的装置，其中所述介电层设置在弹性元件的表面上，而有效电极面积包括衬底与介电材料之间可变的接触面积。
5.如权利要求1至4所述的装置，其中构造间隔部件以将弹性元件的中心部分从衬底隔开。
6.如权利要求1至4所述的装置，其中构造间隔部件以将弹性元件的周边部分从衬底隔开。
7.如权利要求1至4所述的装置，其中间隔部件包括第一部分，构造为将弹性元件的中心部分从衬底隔开；以及第二部分，构造为将弹性元件的周边部分从衬底隔开。
8.如权利要求1至7所述的装置，其中构造间隔部件以在弹性元件中提供预定的张力。
9.如权利要求1至8所述的装置，其中构造弹性元件的第一表面以暴露于第一种流体，并且衬底限定有开口从而将弹性元件的第二表面暴露于第二种流体。
10.如权利要求9所述的装置，还包括设置在衬底上、与弹性部件相对并用于容纳第二种流体的固定边界腔体。
11.如权利要求9所述的装置，还包括设置在衬底上、与弹性部件相对并用于容纳第二种流体的可变边界腔体。
12.如权利要求11所述的装置，其中可变边界腔体包括构造为暴露于第三种流体的张力计薄膜，并且其中构造张力计薄膜和第二种流体从而将第三种流体的压强连通至膜板的第二表面。
13.如权利要求1至7所述的装置，其中所述间隔部件为第一间隔部件且所述弹性元件为第一弹性元件，所述第一间隔部件和第一弹性元件设置在所述衬底的第一侧上，并且其中所述有效电极面积为第一电极面积，所述装置还包括第二间隔部件，设置在衬底的第二、相对的侧面上；以及第二弹性元件，设置在所述第二间隔部件上方，并且通过第二间隔部件以距离衬底第二侧面的第二限定距离与衬底的第二侧面隔开，从而建立第二有效电极面积，其中所述第二有效面积响应第二弹性元件相对与衬底的移动而变化，并且导致电容器电容的变化。
14.根据权利要求13的装置，其中衬底相对侧面上、弹性元件与衬底之间的限定距离至少基本相同。
15.根据权利要求13的装置，其中所述衬底限定有贯穿其中的第一和第二开口，其分别与第一和第二弹性元件的背侧连通。
16.根据权利要求15的装置，还包括设置在衬底相对侧面上的第一和第二腔体，每个腔体分别通过第一和第二开口与相关的第一和第二弹性元件的背侧连通。
17.根据权利要求16的装置，其中所述腔体通过至少基本为刚性的壁限定。
18.根据权利要求16的装置，其中所述腔体包括弹性元件，使得压强变化可透过其中传输。
19.根据权利要求1至8、10、13、14、16和17中的任何一项的装置，其中所述间隔部件在弹性元件与衬底之间限定出空隙，所述空隙以预定的初始压强容纳一种流体或容纳真空。
20.根据权利要求13的装置，其中第一和第二介电材料在各个有效电极面积上方分别设置在第一和第二弹性元件与衬底之间并与其接触，并且所述有效电极面积响应施加至每个所述弹性元件的力而变化，使得与施加的力成比例的电容可以维持在所述衬底与弹性元件之间。
21.根据权利要求20的装置，其中所述衬底限定有透过其中的第一和第二开口，分别与第一和第二弹性元件的背侧连通。
22.如权利要求3所述的装置，其中构造间隔部件从而将弹性元件的一部分从介电材料层隔开，以限定出弹性元件与介电材料层之间的接触区，接触区响应弹性元件相对与衬底的移动而变化，并且导致电容器电容的变化。
23.如权利要求22所述的装置，其中构造间隔部分从而将弹性构造的中心部分从介电材料层隔开，使得弹性元件的周边部分与介电材料层接触。
24.如权利要求22所述的装置，其中构造间隔部分从而将弹性构造的周边部分从介电材料层隔开，使得弹性元件的中心部分与介电材料层接触。
25.如权利要求4所述的装置，其中构造间隔部件从而将介电材料的一部分从衬底隔开，以限定出介电材料层与衬底之间的接触区，接触区响应弹性元件相对与衬底的移动而变化，并且导致电容器电容的变化。
26.如权利要求25所述的装置，其中构造间隔部分从而将介电材料层的中心部分从衬底隔开，使得介电材料层的周边部分与衬底接触。
27.如权利要求25所述的装置，其中构造间隔部分从而将介电材料层的周边部分从衬底隔开，使得介电材料层的中心部分与衬底接触。
28.根据权利要求1至27中任意一项的装置，其中所述弹性元件包括具有弹性膜板部分的片层。
29.如权利要求28所述的装置，其中所述膜板部分具有非均匀的厚度。
30.根据权利要求1至27中任意一项的装置，其中所述弹性元件包括构造为用于在相对的端部与衬底固定的带状物的片层。
31.如权利要求30所述的装置，其中所述带状物包括设置在其上的至少一个质量集中部分。
32.根据前述任意一项权利要求的装置，其中构造弹性元件以提供至少最小有效电极面积。
33.如权利要求32所述的装置，其中在最小有效电极面积上方，弹性元件与电介质结合或电介质与衬底结合。
全文摘要
本发明公开了一种力或压力换能器(200)。在一个实施例中，换能器(200)具有衬底(230)、设置在衬底(230)上的介电材料(220)、间隔部件(240)、以及设置在介电材料(220)和间隔部件(240)上的弹性元件(210)。弹性元件(210)的一部分与介电材料(220)隔开，并且弹性元件(210)的一部分与介电材料(220)相接触。弹性元件(210)与介电材料(220)之间的接触面积响应弹性元件(210)的移动而变化。接触面积的变化改变了换能器(200)的电容，其可以通过电路装置测量。
文档编号G01L1/14GK1552081SQ02817344
公开日2004年12月1日 申请日期2002年7月17日 优先权日2001年7月17日
发明者阿特·齐亚斯, 菲尔·莫格尔, 西恩·卡希尔, 诺姆·奈斯特龙, 阿尔伯特·K·亨宁, 卡希尔, 奈斯特龙, 特 K 亨宁, 莫格尔, 阿特 齐亚斯 申请人:雷德伍德微系统公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
