[发明专利]MEMS传感器中的多层NONON膜

说明书

技术领域

本文公开的各种示例性实施例一般地涉及MEMS传感器中的多层NONON压力膜。

背景技术

设计MEMS传感器以在严酷环境中操作提出了很多问题。示例是可充电锂离子电池系统中包括的MEMS压力传感器。为了保证可靠的操作，可能与电池内部的液体电解质直接接触的部分应有效地阻止水和锂离子的扩散以及典型地出现在这些电池中的其它重金属离子(Mn²⁺、Co²⁺、Fe^2+/3+)。尤其是可能与液体电解质直接接触的压力膜可能经受潜在的水和锂离子渗透，因为它可能是柔软的并且薄的。如果扩散产生在压力膜中，则压力传感器操作可能严重地劣化。因而，设计需要膜处于严酷环境中的精确MEMS传感器提出了很多问题，其中必须提供针对操作环境中出现的各种材料的有效阻挡

发明内容

因而，需要一种允许精确MEMS压力传感器在严酷环境中操作的膜。所提供的是使得能够将多层NONON膜用于MEMS压力传感器中的实施例。

提出各个示例性实施例的简要概述。在以下概述中可以进行一些简化和省略，这是为了强调并且介绍各个示例性实施例的一些方面，但不是限制本发明的范围。足以允许本领域技术人员进行和使用本发明的构思的优选示例性实施例的详细描述会在随后部分中描述。

各种实施例也可以涉及一种MEMS压力传感器，包括：下电极；第一绝缘层，在所述下电极上方；第二绝缘层，在所述第一绝缘层上方，在所述第一绝缘层和第二绝缘层之间形成腔体；上电极，在所述第二绝缘层上方，其中，所述腔体的一部分在所述上电极和下电极之间；以及NONON压力膜，在所述上电极上方。

各种实施例也可以涉及一种制造MEMS压力传感器的方法，包括：在衬底上形成下电极；在所述下电极上方形成第一绝缘层；在所述第一绝缘层上形成牺牲层；在所述牺牲层和所述第一绝缘层上方形成第二绝缘层；在所述第二绝缘层上形成上电极；在所述上电极和所述第二绝缘层上方形成第三绝缘层；形成通过所述第二绝缘层和第三绝缘层的孔，以暴露所述牺牲层；刻蚀所述牺牲层以形成腔体；以及以金属柱塞塞住所述孔以在所述腔体中产生真空。

附图说明

为了更好理解各个示例性实施例，参照附图，其中：

图1示出根据本发明实施例的MEMS压力传感器；

图2示出用于制造MEMS压力传感器的第一步骤；

图3示出通过刻蚀牺牲层来形成压力传感器腔体；

图4和图5示出在孔中形成柱塞(plug)；

图6示出形成具有最终封装的压力膜；

图7示出作为半径的函数并且针对各个压力的压力膜变形(deflection)图；

图8示出压力与电容和MEMS压力的灵敏度之间的关系图；以及

图9示出针对不同内部应力水平、间隙高度以及压力膜厚度的作为压力膜半径的函数的触碰点压力，杨氏模量为140MPa。

具体实施方式

现参照附图，其中，相似的标号指代相似的元件或步骤，公开各个示例性实施例的宽泛方面。

MEMS压力传感器依赖于悬挂的膜(例如硅、硅锗、氧化硅或氮化硅)的变形的精确测量。它们可能具有电容读出并且也是本领域公知的。可以密封膜下方的腔体而与环境隔开，以具有已知和稳定的参考压力。

例如，薄圆形悬挂SiN膜可以采用作为电容压力计。可以通过采用PECVD SiN工艺来密封SiN膜下方的腔体。可以主要通过该SiN薄膜的物理、机械和结构特性以及封闭孔以封闭腔体所需的柱塞的厚度来确定压力传感器性能。SiN薄膜的密度和成分可以确定排气行为(outgassing behavior)和扩散阻挡性质。SiN薄膜的内部应力和厚度可以确定膜刚性并且因此压力传感器的灵敏度。

当前多数微机加工压力传感器使用密闭地密封的膜，其密封处于特定仪表压力并且在一些情况下仪表压力是真空的基准腔体。因为外部压力与腔体中的压力之间的压力差在膜上产生使得膜变形的力，所以可以确定外部压力。然后通过电容传感器来测量这种变形。存在与现在讨论的这种压力传感器设计有关的若干问题。基准腔体中的气体压力需要十分稳定。这可能要求很高级别的压力膜的密封性。然而，为了具有大变形和灵敏度，压力膜的厚度应当薄和/或其应当具有大面积。因为制作十分薄的密闭膜提出了很多问题，所以这些可能是冲突的要求并且可能导致更大的传感器尺寸。