CN103454018B - 压力传感器、振荡器、超声波传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压力传感器、振荡器、超声波传感器及测量方法。压力传感器，包括在控制、读出电路衬底上依次层叠排列的第一极板、第二极板、第三极板、第四极板和第五极板，其中第一极板、第三极板和第四极板相对衬底固定，第一极板和第二极板相对且之间具有间隙，第二极板悬置在第一极板上方构成一对电容，第二极板和第三极板相对且具有间隙构成一对电容，第四极板和第五极板相对且具有间隙，第五极板悬置在第四极板上方构成一对电容，能够沿垂直于衬底表面方向移动。本发明通过在电容式压力传感器中设置多个电容，并且在多个电容中设置了正向变化的电容和反向变化的电容，从而提高了精确度，并使得电容值的变化更加敏感，可测量的范围更大。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，尤其涉及一种集成高敏感压力传感器、振荡器、超声波传感器及测量方法。
背景技术
微机电系统（Microelectro Mechanical Systems，简称MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，是一种采用半导体工艺制造微型机电器件的技术。与传统机电器件相比，MEMS器件在耐高温、小体积、低功耗方面具有十分明显的优势。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一，它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。
压力传感器是一种将压力信号转换为电信号的换能器。根据工作原理的不同分为压阻式压力传感器和电容式压力传感器。电容式压力传感器的原理为通过压力改变顶部极板和底部极板之间的电容，以此来测量压力。
图1所示为一种电容式压力传感器，其包括衬底10，位于衬底中的固定极板20，位于衬底上方的可动极板30，可动极板30、衬底10以及位于可动电极30和衬底10之间的密封环35围城一个空腔40，固定极板20和可动极板30相对设置构成一对电容，在压力的作用下可动极板30能够向固定极板20靠近，从而使得电容的电容值发生变化，通过对电容值的测量，可以得到压力值。但是这种压力传感器最关键的部分在于可动极板和固定极板之间的间距，间距太小对于压力的测量范围较小，间距太大使得压力传感器的精确度降低。
传统的振荡器通常也包括图1所示的结构，利用给可动极板和固定极板施加变换的同向或者反向电压，使得可动极板在靠近固定极板和远离固定极板两个方向振荡。但是，对于这种振荡器如果可动极板和固定极板之间的间距太大就需要相对较高的电压才能使得振荡器发生振荡，但是间距太小又会使得振荡的范围很小。
发明内容
考虑到现有技术的缺点，为了提高压力传感器的精确度，在本发明中对现有的电容式压力传感器结构进行了改进，将现有的电容式压力传感器的一个电容增加为多个，并且发明人在多个电容中设置了正向变化的电容和反向变化的电容，这样使得在压力变化时，多个电容的变化值进行叠加，从而提高了精确度，因为其中存在正向变化和反向变化的电容，从而使得电容值的变化更加敏感，且可测量的范围更大。
本发明的目的是提供一种精确度更高的压力传感器、振荡器及超声波传感器。
为实现上述目的，本发明提供了一种压力传感器，其特征在于，包括在控制、读出电路衬底上依次层叠排列的第一极板、第二极板、第三极板、第四极板和第五极板，其中第一极板、第三极板和第四极板相对衬底固定，第一极板和第二极板相对且之间具有间隙，第二极板悬置在第一极板上方构成一对电容，第二极板和第三极板相对且具有间隙构成一对电容，第四极板和第五极板相对且具有间隙，第五极板悬置在第四极板上方构成一对电容，能够沿垂直于衬底表面方向移动。
优选地，在不受外力的自然状态下，第二极板和第三极板之间的间隙小于第一极板和第二极板之间的间隙，且第二极板和第三极板之间的间隙小于第四极板和第五极板之间的间隙。
优选地，第三极板和第四极板之间具有第一绝缘介质层。
优选地，第二极板和第五极板的材料为锗硅，所述第一绝缘介质层的材料为含硅介电质材料，包括氧化硅、氮化硅、氢氧化硅和碳氢氧化硅。
优选地，第二极板和第五极板通过与衬底垂直的连接柱或者连接带相连。
优选地，第二极板、第五极板及连接柱或连接带的结合体的一个剖面为工字型。
优选地，所述第一极板为复合层结构，包括铝层和位于铝层上的钛层。
优选地，还包括第一密封环、第二密封环、第三密封环，第一密封环位于衬底上，第二密封环位于第二极板外围，第三电极的边缘搭接在第二密封环上，第三密封环位于第四极板和第五极板之间，且位于第四极板的边缘上，第一极板、第三极板、第四极板、第五极板、第一密封环和第二密封环、第三密封环共同构成一个空腔。
优选地，所述第二密封环与第二电极在同一工艺步骤中形成，其材质相同，且之间具有间隔使其不相连。
优选地，在第五极板上具有第二绝缘介质层，在所述第二绝缘介质层上具有第六极板。
优选地，在第一极板下方的衬底中包括MOS器件或电路。
根据本发明的另一方面，提供一种压力传感器，其特征在于，其包括在衬底上依次层叠排列的第二极板、第三极板、第四极板和第五极板，其中第二极板和第三极板相对且具有间隙构成一对电容，第四极板和第五极板相对且具有间隙构成一对电容，第三极板和第四极板相对衬底固定，第二极板和第五极板固定相连并且能够同时沿垂直于衬底表面方向移动。
根据本发明的另一方面，提供一种压力传感器，其特征在于，包括在衬底上依次层叠排列的第一极板、第二极板、第三极板、第四极板和按压层，其中第一极板和第二极板相对且之间具有间隙构成一对电容，第二极板和第三极板相对且具有间隙构成一对电容，第三极板和第四极板相对衬底固定，第二极板和按压层固定相连并且能够同时沿垂直于衬底表面方向移动。
根据本发明的另一方面，提供一种振荡器，其特征在于，包括在衬底上依次层叠排列的第一极板、第二极板、第三极板、第四极板和第五极板，其中第一极板和第二极板相对且之间具有间隙，第二极板悬置在第一极板上方构成一对电容，第二极板和第三极板相对且具有间隙构成一对电容，第四极板和第五极板相对且具有间隙，第五极板悬置在第四极板上方构成一对电容，第一极板、第三极板和第四极板相对衬底固定，第二极板和第五极板固定相连并且能够同时沿垂直于衬底表面方向移动，当给第二极板和第三极板施加交变电压，则第二极板振荡。
优选地，第二极板和第三极板之间的间隙小于第一极板和第二极板之间的间隙，且第二极板和第三极板之间的间隙小于第四极板和第五极板之间的间隙。
根据本发明的另一方面，提供一种超声波传感器，其特征在于，包括结构：在衬底上依次层叠排列的第一极板、第二极板、第三极板、第四极板和按压层，其中第三极板和第四极板相对衬底固定，第一极板和第二极板相对且之间具有间隙，第二极板悬置在第一极板上方构成一对电容，第二极板和第三极板相对且具有间隙构成一对电容，第四极板和按压层相对且具有间隙，第二极板和按压层固定相连并且能够同时沿垂直于衬底表面方向移动。
优选地，按压层为第五极板，第五极板悬置在第四极板上方构成一对电容。
本发明还提供一种超声波传感器的测量方法，其特征在于，包括步骤：将按压层接触超声波传感实测体并保持接触；在第一时段在第二极板和第三极板间施加交变电压，以通过静电吸引力驱动第二极板和按压层同时振荡；通过按压层向所接触实测体传递超声压力波；在第二时段通过测量按压层接受实测体对按压层的振荡压力信号，包括振荡幅度、频率和相位。
优选地，感测的实测体对按压层的振荡压力信号，通过第一极板和第二极之间、第二极板和第三极板之间、与第四极板和按压层之间至少一个可变电容来感测。
优选地，感测的实测体对按压层的振荡压力信号，通过第五极板和第四极板间的可变电容来感测。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的压力传感器由多个电容组成，因此在测压力时取几个电容的变化之和，这样使得压力传感器的精确度更高，进一步的在本发明的压力传感器中包括了正向变化和反向变化的电容，这样使得压力传感器的精确度进一步提高。
附图说明
通过参照附图更详细地描述示范性实施例，以上和其它的特征以及优点对于本领域技术人员将变得更加明显，附图中：
图1为现有的压力传感器的结构示意图；
图2至图9为按照本发明一个实施例的压力传感器的形成方法的结构示意图；
图10为本发明的压力传感器一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
图2至图9为按照本发明一个实施例的压力传感器的形成方法的结构示意图。下面结合图2至图9对本发明的压力传感器的结构进行详细说明。
如图2所示，在本实施例中，压力传感器包括衬底100，衬底100中具有MOS电路，例如可以为压力传感器的测量电路或者驱动电路，本实施例中为读出、控制电路。首先在衬底100上面涂上一层光刻胶，经过甩胶、烘焙，之后对经过涂胶处理的衬底100进行光刻处理，以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀去除未被图形化的光刻胶覆盖的衬底100，并在衬底100上面定义出位于中间的第一极板110的沟槽部分和位于两侧的互连金属层115的沟槽部分，互连金属层115的沟槽部分形状可以为不连贯的环形或者其他形状。之后可以利用化学气相淀积或者物理气相淀积的方法在中间的第一极板110的沟槽部分的底部和侧壁形成一薄层金属钛层，金属钛层的厚度约为10-50nm，金属钛充当衬底的黏合剂，可以起到与氧化硅和硅锗合金层都能保持很好的粘附作用，之后通过物理气相淀积在薄层金属钛层的表面填充金属铝层，其中铝层的厚度为50-1000nm。金属钛和金属铝层共同构成了第一极板110。可以在制备第一极板110的同时利用化学气相沉积或物理气相沉积制备互连金属层115。互连金属层115的材质可以与第一极板110相同，也可以不同，比如为金、银、铜、铝、钨，钽、钛中的一种或它们的合金，还可以是氮化钛、氮化钽其中的一种。在本实施例中，第一极板110是复合层结构，即具有两层金属的结构，在其他的实施例中，还可以是三层结构，从下到上依次为底层钛、中间层氮化钛和最上层的铝构成的复合层结构。化学机械抛光第一极板110和互连金属层115的表面，使得衬底100具有一个全局平坦化的表面。在第一极板110的表面通过化学气相沉积生长厚度10-500nm的绝缘层112，化学机械抛光绝缘层112表面，绝缘层112可以是氧化硅或氮化硅，用作极板之间的绝缘。
如图3所示，在绝缘层112表面化学气相沉积第一牺牲层S1，第一牺牲层S1的厚度为10-2000nm，第一牺牲层S1的材料优选非晶碳。在第一牺牲层S1的上表面涂上一层光刻胶，经过甩胶、烘焙，之后对经过涂胶处理的第一牺牲层S1进行光刻处理，以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀去除未被图形化的光刻胶覆盖的第一牺牲层S1，其中去除的第一牺牲层S1位于互连金属层115的上表面，即未被去除的第一牺牲层S1没有完全覆盖位于外围的互连金属层115。在第一牺牲层S1的上表面通过化学气相沉积氧化硅层，其也可以是氮化硅层，对沉积的氧化硅层进行化学机械抛光处理，当抛光到非晶碳的第一牺牲层S1时停止抛光，使得氧化硅层和第一牺牲层S1具有相同的平面，这时在互连金属层115上形成了第一密封环120。之后在第一密封环120和第一牺牲层S1的上表面涂上一层光刻胶，之后对经过涂胶处理的第一密封环120进行光刻处理，以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀去除未被图形化的光刻胶覆盖的第一密封环。其中在互连金属层115的上面光刻、刻蚀出通孔，通孔的底部与互连金属层115的上表面相接触。最后在第一密封环120和第一牺牲层S1的上表面化学气相沉积或者物理汽相淀积厚度为20nm-10um的第二极板130并化学机械抛光得到一个全局平坦化的表面。优选在第二极板130上面形成一薄层绝缘层，绝缘层的材料是本领域技术人员已知的那些，所形成的薄层绝缘层用于防止第二极板130和上面的结构接触短路。其中第二极板130的材料可以是锗硅，还可以是金属，在本实施例中优选锗硅。第一极板110和第二极板130之间的间隔距离即为第一密封环120的厚度，从而第一极板110和第二极板130构成一对电容，第二极板130可沿垂直于衬底100表面方向移动。
在其他的实施例中，当化学机械抛光第一极板110和互连金属层115的表面，使得衬底100具有一个全局平坦化的表面后，还可以是在第一极板110的表面化学气相沉积一层较厚的氧化硅层同时形成绝缘层112和第一密封环120，所形成氧化硅层的厚度20-2500nm，化学机械抛光氧化硅层。之后在氧化硅层上面涂上一层光刻胶，之后对经过涂胶处理的氧化硅层进行光刻处理，以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀去除未被图形化的光刻胶覆盖的氧化硅层，同时形成绝缘层120和第一密封层120，所刻蚀去除的氧化硅层的厚度小于沉积的氧化硅层的厚度，并且刻蚀后的氧化硅层中间具有凹槽，刻蚀后的氧化硅层的凹槽位于第一极板110的上方，且刻蚀后的氧化硅层的凹槽并未覆盖互连金属层115。之后在刻蚀后的氧化硅层的凹槽中化学气相沉积非晶碳的第一牺牲层S1，化学机械抛光第一牺牲层S1，直到抛到第一密封环120所在的平面。之后在第一牺牲层S1和第一密封环120的表面涂上一层光刻胶，对经过涂胶处理的第一密封环120进行光刻处理，以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀去除互连金属层115上面的氧化硅层形成通孔，所形成的通孔位于互连金属层115的上方且与互连金属层115的上表面相接触。最后在第一牺牲层S1上表面化学气相沉积或物理气相沉积锗硅并填充通孔与互连金属层115相接触，化学机械抛光处理形成第二极板130，其中第一极板110和第二极板130之间的间隔距离即为第一密封环120的厚度。
如图4所示，在第二极板130的上表面涂上一层光刻胶，之后对经过涂胶处理的第二极板130进行光刻处理，以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀去除未被图形化的光刻胶覆盖的第二极板130，并形成贯穿第二极板130的开孔130v，使得第一牺牲层S1暴露出来。在本实施例中，开孔130v的数量是十二个，在其他的实施例中，也可以其他数目。同时形成第二密封环122，所形成的第二密封环122位于第一密封环120之上，第二密封环122包围第二极板130，并且和第二极板130不相连。在开孔130v上面化学气相沉积厚度为5-1500nm的第二牺牲层S2，第二牺牲层S2的材料优选非晶碳。在第二牺牲层S2上面涂上一层光刻胶，之后对经过涂胶处理的第二牺牲层S2进行光刻处理，以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀去除未被图形化的光刻胶覆盖的第二牺牲层S2，其中未被刻蚀的部分为中间部分，在刻蚀过程中，同时将第二牺牲层S2的左右两边的外侧边缘部分刻蚀形成具有一定角度的斜面。其与第一极板110上下对置排列。第二极板130位于第一牺牲层S1和第二牺牲层S2的中间。
如图5所示，在第二牺牲层S2上表面通过化学气相沉积或物理气相沉积厚度为20nm-1000nm的金属或锗硅材料的第三极板140，在第三极板140上表面化学气相沉积厚度为10-1000nm的氧化硅层的第一绝缘介质层150。例如氧化硅层，其覆盖第三极板140，形成方法可以为本领域所熟知的形成方法，在此不再赘述。在第一绝缘介质层150上涂上一层光刻胶，之后对经过涂胶处理的第一绝缘介质层150进行光刻处理，以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀去除未被图形化的光刻胶覆盖的第一绝缘介质层150，刻蚀形成的通孔贯穿第一绝缘介质层150并且通孔的下端位于第三极板140内部，从而使得第三极板140的锗硅材料暴露于空气中。第三极板140和第二极板130之间具有间隙，从而第二极板130和第三极板140构成一对电容。第三极板140的边缘搭接在第二密封环122上，使第三极板140被支撑在第二极板130上方，第三极板140的中央区域悬置在第二极板130上，与其相对置。之后在第一绝缘介质层150上利用化学气相沉积或物理气相沉积厚度为20-1000nm的第四极板160，第四极板160的材料优选锗硅。在本实施例中，在第四极板160上还可以具有绝缘层，例如薄层氧化硅层，该绝缘层的厚度可以为10纳米到500纳米。第四极板160可以覆盖在第一绝缘介质层150上或者位于第一绝缘介质层150上的部分区域，第四极板160边缘搭接在第一密封环120上方对应的第一绝缘层介质层150上，从而起到对第四极板160固定的作用。在第四极板160上涂上一层光刻胶，之后对经过涂胶处理的第四极板160进行光刻处理，以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀去除未被图形化的光刻胶覆盖的第三极板140、第一绝缘介质层150和第四极板160，并形成贯穿第三极板140、第一绝缘介质层150和第四极板160的开孔140v，同时形成位于中间并与第二牺牲层S2相连接的接触孔。开孔140v与第二牺牲层S2相连接并与开孔130v上下对置排列，在其他的实施例中，开孔140v也可以不与开孔130v上下对置排列。
在本实施例中，开孔140v是通过两步刻蚀第四极板160、第一绝缘介质层150和第三极板140形成的。应该理解的是，也可以通过一步刻蚀第四极板160、第一绝缘介质层150和第三极板140形成贯穿第三极板140、第一绝缘介质层150和第四极板160的开孔140v。具体工艺过程如下：在第二牺牲层S2上表面通过化学气相沉积或物理气相沉积厚度为20-1000nm的金属或锗硅材料的第三极板140，在第三极板140上表面化学气相沉积厚度为10-1000nm的氧化硅层的第一绝缘介质层150，在第一绝缘介质层150上利用化学气相沉积或物理气相沉积厚度为20-1000nm的第四极板160，第四极板160的材料优选锗硅。在第四极板160上还可以具有绝缘层，例如薄层氧化硅层，该绝缘层的厚度可以为10纳米到500纳米。之后在第四极板160上涂上一层光刻胶，对经过涂胶处理的第四极板160进行光刻处理，以图形化的光刻胶为掩膜，依次刻蚀去除未被图形化的光刻胶覆盖的第四极板160、第一绝缘介质层150和第三极板140，并以第二牺牲层S2的上表面作为刻蚀的终止层。形成贯穿第三极板140、第一绝缘介质层150和第四极板160的开孔140v，同时形成位于中间并与第二牺牲层S2相连接的接触孔。
如图6所示，在第四极板160上沉积第三牺牲层S3。第三牺牲层S3的材料优选非晶碳。同时在开孔140v和接触孔中填充非晶碳。填充的非晶碳与第二牺牲层S2相接触。化学机械抛光所形成的第三牺牲层S3。之后在第三牺牲层S3上面化学气相沉积氧化硅层或氮化硅层，化学机械抛光所形成的氧化硅层或氮化硅层，并以第三牺牲层S3作为抛光停止层形成第三牺牲层S3边缘处的氧化硅层或氮化硅层。所沉积的氧化硅层或氮化硅层位于第三牺牲层S3的外圆环上并将第三牺牲层S3包围，形成第三密封环165，第三密封环165的厚度可以为20纳米到1000纳米。
如图7所示，在第三牺牲层S3上涂上一层光刻胶，之后对经过涂胶处理的第三牺牲层S3进行光刻处理，以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀去除未被图形化的光刻胶覆盖的第二牺牲层S2和第三牺牲层S3之间的非晶碳。在第三牺牲层S3的上表面通过化学气相沉积或物理气相沉积厚度为20nm-10um的第五极板170，第五极板170的材料可以是金属或锗硅，优选锗硅。在接触孔的中间形成连接柱175，其中连接柱175的下表面和第二极板130相连接，上表面和第五极板170相连接，从而使得第二极板130通过连接柱175的支撑悬置，并且可以和第五极板170一起移动。在其他实施例中，第二极板130和第五极板170也可以通过其他方式相连或者一起移动。最后化学机械抛光第五极板170。第五极板170和第四极板160之间具有间隙，从而第四极板160和第五极板170构成一对电容，第五极板170可沿垂直于衬底表面方向移动，第五极板170的边缘搭接在第三密封环165上，第五极板170的中央区域因为和第四极板160之间具有间隙，使其悬置在第四极板160上方，因此第三密封环165的厚度就是第四极板160和第五极板170之间的间隙的距离，即第三密封环165的厚度为20-2000nm。
如图8所示，在第五极板170上面涂上一层光刻胶，之后对经过涂胶处理的第五极板170进行光刻处理，以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀去除未被图形化的光刻胶覆盖的第五极板170，形成开孔170v，其中开孔170v与第三牺牲层S3相接触。通过开孔170v、开孔140v和开孔130v干法去除非晶碳的牺牲层，同时释放MEMS结构。
如图9所示，在开孔170v和第五极板170上面化学气相沉积第二绝缘介质层180，封闭开孔170v，通过半导体工艺完成电容式压力传感器的制作。之后在第二绝缘介质层180上面制备厚度为20-1000nm的第六极板190，材料为硅锗合金半导体、铝或单一材料薄膜或铝与钛叠层薄膜。化学机械抛光第六极板190，在第六极板190上面涂上一层光刻胶，对经过涂胶处理的第六极板190进行光刻处理，以图形化的光刻胶为掩膜，刻蚀去除未被图形化的光刻胶覆盖的第六极板190，最后完成电阻式压力传感器。
如图10所示，在本实施例中，压力传感器包括衬底100，衬底中具有MOS电路，例如可以为压力传感器的测量电路或者驱动电路。衬底100表面具有第一极板110，第一极板110上可以具有绝缘层112，例如薄层氧化硅或氮化硅，防止第二极板130接触第一极板110形成短路，绝缘层112的厚度可以为10纳米到500纳米。第一极板110的材料可以为金属材料，在本实施例中优选的采用了复合层结构，即两层金属，铝层和位于铝层上的钛层，其中钛层可以起到与氧化硅和硅锗合金层都能保持很好的粘附作用，保证第一极板110和其上的绝缘层112的粘结稳定，其中铝层的厚度为50纳米到1000纳米，钛层的厚度为10纳米到50纳米。第一极板110可以利用化学气相淀积或者物理气相淀积的方法形成。在形成第一极板110的同一工艺步骤中可以在第一极板110的外围形成互连金属层115，互连金属层115与第一极板110可以通过刻蚀的方法隔离绝缘，互连金属层115的形状可以为不连贯的环形或者其他形状。
在互连金属层115上具有第一密封环120，第一密封环120可以为绝缘介质，例如氧化硅、氮化硅等，在本实施例中第一密封环的厚度为10纳米到2000纳米。第一密封环120可以利用化学气相淀积的方法在第一极板110和互连金属层115上形成一层氧化硅层，然后利用刻蚀的方法去除第一极板110上的氧化硅层，保留第一极板110外围的氧化硅层，例如互连金属层115如果为包围第一极板110的环形，可以保留互连金属层115上的氧化硅层作为第一密封环120，第一密封环120包围第一极板110。第一密封环120在后续还具有包围形成密闭空腔的作用，第一密封环120的厚度即可以为第一极板和第二极板之间的间隔距离。第二密封环122可以和第二电极130在同一步工艺中形成，材料相同，在刻蚀步骤中和第二电极隔离，除此之外，第二密封环122也可以在单独的步骤中形成，其材料可以为绝缘材料，例如氧化硅、氮化硅等，在本实施例中第二密封环122的厚度为10纳米到2000纳米。
第二极板130悬置在第一极板110的上方，和第一极板110之间具有间隙，从而第一极板110和第二极板130构成一对电容，第二极板130可沿垂直于衬底100表面方向移动。在第一密封环120上具有第二密封环122，第二密封环122包围第二极板130，并且和第二极板130不相连。第二极板130的形成方法可以为先在第一极板110上形成牺牲层，在牺牲层上利用化学气相淀积或者物理汽相淀积的方法淀积金属层或者锗硅层，之后利用刻蚀的方法形成第二极板130，在本实施例中第二极板130的厚度为20纳米到10微米。在第二极板130中具有开孔130v，用于后续去除牺牲层，形成空腔。优选的在第二极板130上具有薄层绝缘层，用于防止第二极板130和其上方的第三极板140接触短路。
在第二极板130上悬置有第三极板140，第三极板140和第二极板130之间具有间隙，从而第二极板130和第三极板140构成一对电容。第三极板140的边缘搭接在第二密封环122上，使第三极板140被支撑在第二极板130上方，第三极板140的中央区域悬置在第二极板130上，与其相对。第三极板140的材料可以为金属或者锗硅，在本实施例中第三极板140的厚度为20纳米到1000纳米。形成方法可以为：在第二极板130上形成牺牲层，然后刻蚀去除第二密封环122上对应的牺牲层，然后在牺牲层和第二密封环122上利用化学气相淀积或者物理汽相淀积的方法淀积金属层或者锗硅层，之后利用刻蚀的方法形成第三极板140。在第三极板140中具有开孔140v，用于后续去除牺牲层，形成空腔。第三极板140上形成有第一绝缘介质层150，例如氧化硅层，其覆盖第三极板140，形成方法可以为本领域所熟知的形成方法，在此不再赘述。第三极板140中的开孔140v贯穿第一绝缘介质层150，用于后续去除牺牲层，形成空腔，在本实施例中，第一绝缘介质层150的厚度为10纳米到1000纳米，第二极板130和第三极板140之间的间隔距离为5纳米到1500纳米。
在第一绝缘介质层150上具有第四极板160，第四极板160可以覆盖第一绝缘介质层150或者位于第一绝缘介质层150上的部分区域，边缘搭接在第一密封环120对应的第一绝缘层介质层150上，从而起到对第四极板160固定的作用。第四极板160可以利用化学气相淀积或者物理汽相淀积的方法淀积金属层或者锗硅层，之后利用刻蚀的方法形成第四极板160，第三极板140中的开孔140v贯穿第四极板160，该开孔140v用于后续去除牺牲层，形成空腔，在本实施例中第四极板160的厚度可以为20纳米到1000纳米。在第四极板160上还可以具有绝缘层，例如薄层氧化硅层，用于防止第四极板160和其上的第五极板170靠近时接触短路。该绝缘层的厚度可以为10纳米到500纳米。
在第四极板160对应第一密封环120的区域上方具有第三密封环165，第三密封环165可以为绝缘介质，例如氧化硅，氮化硅等，第三密封环165的厚度可以为20纳米到1000纳米。第三密封环165可以利用化学气相淀积的方法在第四极板160上形成一层氧化硅层，然后利用刻蚀的方法去除中央区域的第四极板160上的氧化硅层，可以保留第四极板160边缘处的氧化硅层作为第三密封环165，第三密封环165在后续还具有包围形成密闭空腔的作用。
在第四极板160上方悬置有第五极板170，第五极板170和第四极板160之间具有间隙，从而第四极板160和第五极板170构成一对电容，第五极板170可沿垂直于衬底表面方向移动，第五极板170的边缘搭接在第三密封环165上，第五极板170的中央区域因为和第四极板160之间具有间隙，使其悬置在第四极板160上方，因此第三密封环165的厚度就是第四极板160和第五极板170之间的间隙的距离，即距离为20纳米到2000纳米。第五极板170的形成方法可以为先在第四极板160上形成牺牲层，在牺牲层上利用化学气相淀积或者物理汽相淀积的方法淀积金属层或者锗硅层，之后利用刻蚀的方法形成第五极板170，在本实施例中，第五极板170的厚度为20纳米到10微米。在第五极板170中具有开孔170v，用于后续去除牺牲层，形成空腔。
在本实施例中，牺牲层的材料为非晶碳，其形成方法为化学气相淀积工艺。具体的工艺条件为：利用等离子体增强化学气相淀积形成非晶碳层，所述等离子体增强化学气相淀积的温度为350℃~450℃，气压为1torr~20torr，RF功率为800W~1500W，反应气体包括：C3H6和He，反应气体流量为1000sccm~3000sccm，其中C3H6:He为2:1~5:1。去除牺牲层可以在第五极板170形成之后，利用各极板中的开孔，通过氧化的方法去除。
在一实施例中，第二极板130和第五极板170通过位于中心的连接柱或者连接带相连，例如在本实施例中具体的为连接柱175，第二极板130、第五极板170及连接柱或连接带的一个剖面为工字型。例如在本实施例中第二极板130和第五极板170之间连接有连接柱175，连接柱175的周围与第三极板140、第四极板160以及第一绝缘介质层150隔离，从而使得第二极板130通过连接柱175的支撑悬置，并且可以和第五极板170一起移动。其制作方法可以为，在形成第五极板170之前，对第三极板140、第一绝缘介质层150和第四极板160的叠层结构进行刻蚀，在其中形成暴露第二极板130的孔洞，在形成第五极板170的时候同时填充该孔洞，形成连接第二极板的连接柱175。在其他实施例中，第二极板和第五极板也可以通过其他方式相连或者一起移动。
上述实施例中的压力传感器包括三个电容，第一极板110和第二极板130构成的第一电容C1，第二极板130和第三极板140构成的第二电容C2，第四极板160和第五极板170构成的第三电容C3，其中第一极板110、第三极板140和第四极板160固定，第二极板130和第五极板170相连。第二极板130和第五极板170在受到压力作用时，可以同时向靠近衬底表面方向移动，从而使得第一电容C1和第三电容C3之间的间距变小，第二电容C2之间的间距变大，这样利用三个电容值的变化的叠加来计算压力使得测量结果更精确。
优选的，第二极板130和第三极板140之间的间隙小于第一极板110和第二极板130之间的间隙，且第二极板130和第三极板140之间的间隙小于第四极板160和第五极板170之间的间隙。这样第一电容C1和第三电容C3间距设置的可以稍大，增加大压力时的测量范围，而第二电容C2是两极板之间的间距逐渐增大，因此第二电容C2设置两极板之间的间距较小，这样对于第一电容C1，第三电容C3无法测得的小压力，可以通过第二电容C2测量，因此增大了传统的采用1个电容的压力测量范围。
优选的，在第五极板170上具有第二绝缘介质层180，在所述第二绝缘介质层180上具有第六极板190，当压力施加在压力传感器上，由于第五极板170下方是空腔，因此第六极板190会发生弯曲，从而使得第六极板190的电阻发生变话，从而根据第六极板190电阻的变化可以测得压力值，将第六极板190测得的压力值和第一极板110、第二极板130、第三极板140、第四极板160和第五极板170测得的压力值结合起来测压力值，使得压力值的测量更准确，在本实施例中第六极板190的厚度为20纳米到1000纳米，材料为硅锗合金半导体，铝或单一材料薄膜或铝与钛叠层薄膜。
上述结构的压力传感器还可以作为振荡器，由于第二极板130和第三极板160之间的间距很小，因此在给各极板加电压之后，只需要很小的电压就可以使得第二极板130振荡，从而振荡器可以工作在很低的电压下，这样在高压范围第一极板110和第二极板130构成的第一电容C1，第四极板160和第五极板170构成的第三电容C3工作，使得振荡器振荡，而在低压范围第二极板130和第三极板140构成的第二电容C2工作，使得振荡器振荡，从而使得该振荡器既可以满足低压工作又可以满足高压工作的需求。
本发明还提供了一种包括上述结构的超声波传感器，其包括结构：在衬底上依次层叠排列的第一极板、第二极板、第三极板、第四极板和按压层，其中第三极板和第四极板相对衬底固定，第一极板和第二极板相对且之间具有间隙，第二极板悬置在第一极板上方构成一对电容，第二极板和第三极板相对且具有间隙构成一对电容，第四极板和按压层相对且具有间隙，第二极板和按压层固定相连并且能够同时沿垂直于衬底表面方向移动。
其中，按压层为第五极板，第五极板悬置在第四极板上方构成一对电容。
上述超声波传感器的测量方法，包括步骤：
将按压层接触超声波传感实测体；
在第一时段先给第二极板和第三极板输入交变电压，以驱动第二极板和按压层同时振荡；
通过按压层向外传递超声压力波；
在第二时段通过测量按压层接受实测体对按压层的振荡压力信号，包括振荡幅度、频率和相位。
其中，感测的实测体对按压层的振荡压力信号，通过第一极板和第二极之间、第二极板和第三极板之间至少一个可变电容来感测。
其中，感测的实测体对按压层的振荡压力信号，也可以通过第五极板和第四极板间的可变电容来测量。由于第二电容C2的两个极板之间的间距从小到大的变化，因此其间距可以设置的很小，这样向其两个极板施加很小的电压就可以使得其振荡发出超声波，超声波发射出去后被人体反射回该器件，其作为压力传感器可以接收人体反射回的超声信号，从而利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号，实现发送和接收声波的双重作用。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (19)
1.一种压力传感器，其特征在于，
包括在控制、读出电路衬底上依次层叠排列的第一极板、第二极板、第三极板、第四极板和第五极板，其中第一极板、第三极板和第四极板相对衬底固定，第一极板和第二极板相对且之间具有间隙，第二极板悬置在第一极板上方构成一对电容，第二极板和第三极板相对且具有间隙构成一对电容，第四极板和第五极板相对且具有间隙，第五极板悬置在第四极板上方构成一对电容，能够沿垂直于衬底表面方向移动；
还包括第一密封环、第二密封环、第三密封环，第一密封环位于衬底上，第二密封环位于第二极板外围，第三电极的边缘搭接在第二密封环上，第三密封环位于第四极板和第五极板之间，且位于第四极板的边缘上，第一极板、第三极板、第四极板、第五极板、第一密封环和第二密封环、第三密封环共同构成一个空腔。
2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，在不受外力的自然状态下，第二极板和第三极板之间的间隙小于第一极板和第二极板之间的间隙，且第二极板和第三极板之间的间隙小于第四极板和第五极板之间的间隙。
3.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，第三极板和第四极板之间具有第一绝缘介质层。
4.如权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，第二极板和第五极板的材料为锗硅，所述第一绝缘介质层的材料为含硅介电质材料，包括氧化硅、氮化硅、氢氧化硅和碳氢氧化硅。
5.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，第二极板和第五极板通过与衬底垂直的连接柱或者连接带相连。
6.如权利要求5所述的压力传感器，第二极板、第五极板及连接柱或连接带的结合体的一个剖面为工字型。
7.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一极板为复合层结构，包括铝层和位于铝层上的钛层。
8.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第二密封环与第二电极在同一工艺步骤中形成，其材质相同，且之间具有间隔使其不相连。
9.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，在第五极板上具有第二绝缘介质层，在所述第二绝缘介质层上具有第六极板。
10.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，在第一极板下方的衬底中包括MOS器件或电路。
11.一种压力传感器，其特征在于，其包括在衬底上依次层叠排列的第二极板、第三极板、第四极板和第五极板，其中第二极板和第三极板相对且具有间隙构成一对电容，第四极板和第五极板相对且具有间隙构成一对电容，第三极板和第四极板相对衬底固定，第二极板和第五极板固定相连并且能够同时沿垂直于衬底表面方向移动。
12.一种压力传感器，其特征在于，包括在衬底上依次层叠排列的第一极板、第二极板、第三极板、第四极板和按压层，其中第一极板和第二极板相对且之间具有间隙构成一对电容，第二极板和第三极板相对且具有间隙构成一对电容，第三极板和第四极板相对衬底固定，第二极板和按压层固定相连并且能够同时沿垂直于衬底表面方向移动。
13.一种振荡器，其特征在于，包括在衬底上依次层叠排列的第一极板、第二极板、第三极板、第四极板和第五极板，其中第一极板和第二极板相对且之间具有间隙，第二极板悬置在第一极板上方构成一对电容，第二极板和第三极板相对且具有间隙构成一对电容，第四极板和第五极板相对且具有间隙，第五极板悬置在第四极板上方构成一对电容，第一极板、第三极板和第四极板相对衬底固定，第二极板和第五极板固定相连并且能够同时沿垂直于衬底表面方向移动，当给第二极板和第三极板施加交变电压，则第二极板振荡。
14.如权利要求13所述的振荡器，其特征在于，第二极板和第三极板之间的间隙小于第一极板和第二极板之间的间隙，且第二极板和第三极板之间的间隙小于第四极板和第五极板之间的间隙。
15.一种超声波传感器，其特征在于，包括结构：在衬底上依次层叠排列的第一极板、第二极板、第三极板、第四极板和按压层，其中第三极板和第四极板相对衬底固定，第一极板和第二极板相对且之间具有间隙，第二极板悬置在第一极板上方构成一对电容，第二极板和第三极板相对且具有间隙构成一对电容，第四极板和按压层相对且具有间隙，第二极板和按压层固定相连并且能够同时沿垂直于衬底表面方向移动。
16.如权利要求15所述的超声波传感器，其特征在于，按压层为第五极板，第五极板悬置在第四极板上方构成一对电容。
17.一种权利要求15所述的超声波传感器的测量方法，其特征在于，包括步骤：
将按压层接触超声波传感实测体并保持接触；
在第一时段在第二极板和第三极板间施加交变电压，以通过静电吸引力驱动第二极板和按压层同时振荡；
通过按压层向所接触实测体传递超声压力波；
在第二时段通过测量按压层接受实测体对按压层的振荡压力信号，包括振荡幅度、频率和相位。
18.如权利要求17所述的超声波传感器的测量方法，其特征在于，感测的实测体对按压层的振荡压力信号，通过第一极板和第二极之间、第二极板和第三极板之间、与第四极板和按压层之间至少一个可变电容来感测。
19.如权利要求16所述的超声波传感器的测量方法，其特征在于，感测的实测体对按压层的振荡压力信号，通过第五极板和第四极板间的可变电容来感测。
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