CN114323408B - 多量程多灵敏度压力mems芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多量程多灵敏度压力MEMS芯片，包括衬底，在所述衬底上设置有电容式传感器组件和压阻式传感器组件；其中，所述电容式传感器组件包括设置在所述衬底上的电容上极板和电容下极板，所述电容上极板和所述电容下极板之间形成有绝缘间隙；并且，所述压阻式传感器组件包括压阻单元，所述压阻单元设置在所述电容上极板或所述电容下极板上。本发明提供的多量程多灵敏度压力MEMS芯片既能够实现电容式小压力的测量，又能够实现压阻式大压力的测量。

Description

多量程多灵敏度压力MEMS芯片

技术领域

本发明涉及电子器件技术领域，更为具体地，涉及一种多量程多灵敏度压力MEMS芯片。

背景技术

目前，市面上主流的压力MEMS(微机电系统)传感器主要有电容式和压阻式两种感应方式。其中，压阻式压力传感器具有线性度高、信号易处理等优点；但其对应力敏感，受封装影响大，产生的机械应力或者芯片与封装材料间的热失配会均造成零漂和温漂；此外，压阻的温度系数较大，需要耗费大量的时间和成本进行校准和补偿；另外，压阻单元易结漏和表面脏污，存在稳定性问题。

电容式压力传感器性能与材料的机械特性相关，相对更加稳定，灵敏度高，噪声小；但其工作原理上天然具有非线性，也易受环境中的电磁干扰。

总体而言，压阻式MEMS传感器在大量程范围内线性度有优势，电容式 MEMS传感器在小量程范围内具有灵敏度高、噪声小的优点。

然而，在实际使用过程中，一些监测人体运动状态的设备需要在比较宽的量程范围内测量压力，例如爬山高度监测依赖于气压高精度测量，在小量程范围内需要气压高灵敏测量；而水深监测则需要在大量程范围内压力测量，灵敏度要求相对较低，因此现实中有多量程多灵敏度测量压力的需求。

基于上述技术需求，亟需一种多量程多灵敏度的压力测量芯片。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种多量程多灵敏度的压力测量芯片。

本发明提供的多量程多灵敏度压力MEMS芯片包括衬底，在所述衬底上设置有电容式传感器组件和压阻式传感器组件；其中，

所述电容式传感器组件包括设置在所述衬底上的电容上极板和电容下极板，所述电容上极板和所述电容下极板之间形成有绝缘间隙；并且，

所述压阻式传感器组件包括压阻单元，所述压阻单元设置在所述电容上极板或所述电容下极板上。

此外，优选的方案是，所述电容上极板和所述电容下极板均设置在所述衬底的内部，所述压阻单元设置在所述电容上极板的顶部；并且，

在所述绝缘间隙内设置有电容空腔。

此外，优选的方案是，在所述衬底的处于所述电容下极板下方的位置开设有压阻空腔；其中，

所述压阻空腔与外界导通或为真空腔。

此外，优选的方案是，在所述衬底内还开设有通道，所述电容空腔通过所述通道与外界连通。

此外，优选的方案是，在所述绝缘间隙内的非电容空腔的位置填充有绝缘介质。

此外，优选的方案是，所述电容下极板设置在所述衬底的内部，所述电容上极板通过支撑件设置在所述衬底的上方，所述压阻单元设置在所述电容下极板的顶部；并且，

在所述电容下极板的内部开设有电容空腔。

此外，优选的方案是，在所述衬底的处于所述电容下极板下方的位置开设有压阻空腔；其中，

所述压阻空腔与外界导通或为真空腔。

此外，优选的方案是，在所述衬底内还开设有通道，所述电容空腔通过所述通道与外界连通。

此外，优选的方案是，在所述衬底的顶面设置有电容电极和压阻电极，其中，

所述电容电极与所述电容式传感器组件电性连接，所述压阻电极与所述压阻式传感器组件电性连接。

此外，优选的方案是，所述电容上极板和所述电容下极板均为多晶硅制件。

和现有技术相比，上述根据本发明的多量程多灵敏度压力MEMS芯片，有如下有益效果：

本发明提供的多量程多灵敏度压力MEMS芯片基于压阻式和电容式压力 MEMS在不同量程范围内的优势，通过将电容式传感器组件和压阻式传感器组件进行结合设计一种电容式测量小压力、压阻式测量大压力的MEMS芯片，该压力MEMS芯片既能够实现小量程范围的气压高灵敏测量，又能够实现大量程范围内的气压低灵敏度测量；此外，该MEMS芯片采用导电的多晶硅作为电容的电极板，同时多晶硅材料具有压阻特性，用来制作的压阻器比单晶硅压阻器具有更多的优点；多晶硅既作电容电极又作压阻，两种结构纵向排列，能够实现器件的集成化、小型化、以及多量程多灵敏度多功能化。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为本发明提供的第一实施例的多量程多灵敏度压力MEMS芯片的结构图；

图2为本发明提供的第二实施例的多量程多灵敏度压力MEMS芯片的结构图；

图3为本发明提供的第一实施例的多量程多灵敏度压力MEMS芯片的第一结构优化图；

图4为本发明提供的第一实施例的多量程多灵敏度压力MEMS芯片的第二结构优化图；

图5为本发明提供的第一实施例的多量程多灵敏度压力MEMS芯片的第三结构优化图；

图6为本发明提供的第二实施例的多量程多灵敏度压力MEMS芯片的第一结构优化图；

图7为本发明提供的第二实施例的多量程多灵敏度压力MEMS芯片的第二结构优化图；

图8为本发明提供的第二实施例的多量程多灵敏度压力MEMS芯片的第三结构优化图。

附图标记：衬底1、电容下极板2、电容上极板3、第一电容空腔4、绝缘介质5、压阻单元6、电容电极7、压阻电极8、压阻镂空腔9、第一通道 10、压阻真空腔11、第二电容空腔12、支撑件13、第二通道14。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1示出了本发明提供的第一实施例的多量程多灵敏度压力MEMS芯片的结构，图3示出了本发明提供的第一实施例的多量程多灵敏度压力MEMS 芯片的第一结构优化结构，图4示出了本发明提供的第一实施例的多量程多灵敏度压力MEMS芯片的第二结构优化结构，图5示出了本发明提供的第一实施例的多量程多灵敏度压力MEMS芯片的第三结构优化结构。

结合图1至图5共同所示，本发明提供的多量程多灵敏度压力MEMS芯片包括起基础支撑和保护作用的衬底1(可以为硅衬底)，在衬底1上(此处的衬底1上是指衬底1的内部或上方)设置有电容式传感器组件和压阻式传感器组件。

其中，电容式传感器组件能够在小量程范围内实现灵敏度高、噪声小的压力测量，具体包括设置在衬底1上的电容上极板3和电容下极板2，为防止由于压力过大，电容上极板3和电容下极板2直接接触而出现短路的情况，需要在电容上极板3和电容下极板2之间预留一定的绝缘间隙。

并且，压阻式传感器组件能够在大量程范围内实现压力测量，具体包括压阻单元6，压阻单元6可以设置在电容上极板3上，也可以设置在电容下极板2上，具体根据实际情况而定。

在本发明的第一个具体实施方式中，本发明提供的多量程多灵敏度压力 MEMS芯片可以具体设置为下述结构：

电容上极板3和电容下极板2均设置在衬底1的内部，压阻单元6设置在电容上极板3的顶部(或其他合适位置，如内部等)；并且，在绝缘间隙内设置有电容空腔。

在实际测量过程中，电容上极板3和电容下极板2通过绝缘间隙内的电容空腔和绝缘介质5进行隔离(绝缘介质5填充在绝缘间隙内的非电容空腔的位置)，并且，电容空腔提供电容上极板3上下活动的空间，随着外界压力的变化，使得电容上极板3形变，此时，电容上极板3和电容下极板2间距变化，进而导致电容发生变化，从而实现对外界压力的测量。

需要说明的是，在该第一实施例中，电容空腔定义为第一电容空腔4，可以设置为独立的真空腔体(如图1和3)；也可以在衬底1内开设通道(在该第一实施例中，定义为第一通道10)，然后通过第一通道10与外界(空气) 连通(如图4和5)；其中，若第一电容空腔4设置为独立的真空腔体，则可以实现对外界压力的容式绝压测量；若第一电容空腔4通过通道第一与外界连通，电容上极板3感应膜面上、下的压力差，从而实现对外界压力的容式压差测量。

当然，还可以在衬底1的处于电容下极板2下方的位置开设压阻空腔；并且，由于压阻单元6制作在电容上极板3的合适位置(如顶部)，电容上极板3、绝缘介质5以及电容下极板2共同组成感受外界压力的敏感膜，敏感膜的下方即为压阻空腔；在实际使用过程中，较大的外界压力使得整个敏感膜发生形变，应力使得压阻单元6输出信号，从而实现对外界压力测量。

需要说明的是，压阻空腔可以设置为封闭的独立真空腔体(即压阻真空腔11，如图1和4)，也可以直接通过镂空的方式与外界空气导通(即压阻镂空腔9，如图3和5)，其中，若压阻空腔设置为压阻真空腔11，则可以实现对外界压力的阻式绝压测量；若压阻空腔设置为压阻镂空腔9(即敏感膜下方硅衬底1刻蚀镂空)，此时，敏感膜感应膜面上、下的压力差，从而实现对外界压力的阻式压差测量。

需要说明的是，当进行容式绝压测量时，电容上极板3较薄，易受压力影响，用以感应低压力；当进行阻式绝压测量时，整体的敏感膜较厚，相对对压力不敏感，用以测量高压力。

此外，图2示出了本发明提供的第二实施例的多量程多灵敏度压力MEMS 芯片的结构图，图6示出了本发明提供的第二实施例的多量程多灵敏度压力 MEMS芯片的第一结构优化结构，图7示出了本发明提供的第二实施例的多量程多灵敏度压力MEMS芯片的第二结构优化结构，图8示出了本发明提供的第二实施例的多量程多灵敏度压力MEMS芯片的第三结构优化结构，在本发明的第二个具体实施方式中，本发明提供的多量程多灵敏度压力MEMS芯片可以具体设置为下述结构：

电容下极板2可以设置在衬底1的内部，电容上极板3可以通过预设的支撑件13设置在衬底1的上方，压阻单元6设置在电容下极板2的顶部(或其他合适位置，如内部等)；并且，在电容下极板2的内部开设有电容空腔(在该第一实施例中，电容空腔定义为第二电容空腔12)。

在实际测量过程中，上部为通过支撑件13固定不动的电容上极板3，由于电容下极板2为中间镂空的结构(内部形成有第二电容空腔12)，使得电容下极板2的厚度较薄，能够感应外部较小的压力的变化，从而实现对外界压力的测量。

需要说明的是，在该第二实施例中，第二电容空腔12可以设置为独立的真空腔体(如图2和6)；也可以在衬底1内开设通道(在该第二实施例中，定义为第二通道14)，然后通过第二通道14与外界(空气)连通(如图7)；其中，若第二电容空腔12设置为独立的真空腔体，则可以实现对外界压力的容式绝压测量；若第二电容空腔12通过第二通道14与外界连通，电容下极板2感应膜面上、下的压力差，从而实现对外界压力的容式压差测量。

当然，还可以在衬底1的处于电容下极板2下方的位置开设压阻空腔；并且，由于压阻单元6制作在电容下极板2的合适位置(如顶部)，电容下极板2构成感受外界压力的敏感膜，敏感膜的下方即为压阻空腔；在实际使用过程中，较大的外界压力使得整个敏感膜发生形变，应力使得压阻单元6输出信号，从而实现对外界压力测量。并且，由于电容下极板2下方为压阻空腔，压力使得电容上、下极板间距变化，即容值变化，从而实现压力信号向电容信号的转换。

需要说明的是，压阻空腔可以设置为封闭的独立真空腔体(即压阻真空腔11，如图2和7)，也可以直接通过镂空的方式与外界空气导通(即压阻镂空腔9，如图6和8)，其中，若压阻空腔设置为压阻真空腔11，则可以实现对外界压力的阻式绝压测量；若压阻空腔设置为压阻镂空腔9(即敏感膜下方硅衬底1刻蚀镂空)，此时，敏感膜感应膜面上、下的压力差，从而实现对外界压力的阻式压差测量。

另外，为实现本发明提供的多量程多灵敏度压力MEMS芯片中的电容式传感器组件和压阻式传感器组件与外部器件的电性连接，在衬底1的顶面设置有电容电极7和压阻电极8，其中，电容电极7与电容式传感器组件电性连接，压阻电极8与压阻式传感器组件电性连接。

具体地，电容电极7和压阻电极8均可以设置两个，两个电容电极7分别与电容上、下极板电性连接，两个压阻电极8分别与压阻单元6的正负极电性连接。

在本发明的一个优选的实施方式中，电容上极板3和电容下极板2均可以选用多晶硅进行制件，该MEMS芯片通过采用导电的多晶硅作为电容的电极板，同时多晶硅材料具有压阻特性，用来制作的压阻器比单晶硅压阻器具有更多的优点；多晶硅既作电容电极7又作压阻，两种结构纵向排列，能够实现器件的集成化、小型化、以及多量程多灵敏度多功能化。

如上参照图1至图8以示例的方式描述根据本发明的多量程多灵敏度压力MEMS芯片。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的多量程多灵敏度压力MEMS芯片，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种多量程多灵敏度压力MEMS芯片，包括衬底，其特征在于，在所述衬底上设置有电容式传感器组件和压阻式传感器组件；其中，

所述电容式传感器组件包括设置在所述衬底上的电容上极板和电容下极板，所述电容上极板和所述电容下极板之间形成有绝缘间隙；并且，

所述压阻式传感器组件包括压阻单元，所述压阻单元设置在所述电容上极板或所述电容下极板上；其中，

当所述电容上极板和所述电容下极板均设置在所述衬底的内部时，在所述绝缘间隙内填充有绝缘介质，所述电容上极板、所述绝缘介质以及所述电容下极板共同组成所述压阻式传感器组件的敏感膜；

当所述电容下极板设置在所述衬底的内部，所述电容上极板设置在所述衬底的上方时，所述电容下极板构成所述压阻式传感器组件的敏感膜。

2.如权利要求1所述的多量程多灵敏度压力MEMS芯片，其特征在于，

当所述电容上极板和所述电容下极板均设置在所述衬底的内部时：

所述压阻单元设置在所述电容上极板的顶部；并且，

在所述绝缘间隙内设置有电容空腔。

3.如权利要求2所述的多量程多灵敏度压力MEMS芯片，其特征在于，

在所述衬底的处于所述电容下极板下方的位置开设有压阻空腔；其中，

所述压阻空腔与外界导通或为真空腔。

4.如权利要求3所述的多量程多灵敏度压力MEMS芯片，其特征在于，

在所述衬底内还开设有通道，所述电容空腔通过所述通道与外界连通。

5.如权利要求3所述的多量程多灵敏度压力MEMS芯片，其特征在于，

所述绝缘介质设置在所述绝缘间隙内的非电容空腔的位置。

6.如权利要求1所述的多量程多灵敏度压力MEMS芯片，其特征在于，

当所述电容下极板设置在所述衬底的内部，所述电容上极板设置在所述衬底的上方时：

所述电容上极板通过支撑件设置在所述衬底的上方，所述压阻单元设置在所述电容下极板的顶部；并且，

在所述电容下极板的内部开设有电容空腔。

7.如权利要求6所述的多量程多灵敏度压力MEMS芯片，其特征在于，

在所述衬底的处于所述电容下极板下方的位置开设有压阻空腔；其中，

所述压阻空腔与外界导通或为真空腔。

8.如权利要求7所述的多量程多灵敏度压力MEMS芯片，其特征在于，

在所述衬底内还开设有通道，所述电容空腔通过所述通道与外界连通。

9.如权利要求1至8中任意一项所述的多量程多灵敏度压力MEMS芯片，其特征在于，

在所述衬底的顶面设置有电容电极和压阻电极，其中，

所述电容电极与所述电容式传感器组件电性连接，所述压阻电极与所述压阻式传感器组件电性连接。

10.如权利要求9所述的多量程多灵敏度压力MEMS芯片，其特征在于，

所述电容上极板和所述电容下极板均为多晶硅制件。