本發(fā)明大體上涉及微機電系統(tǒng)(mems)傳感器封裝。更具體來說，本發(fā)明涉及一種mems壓力傳感器，其具有可變感測間隙以用于改變壓力傳感器的靈敏度。

背景技術：

具有嵌入機械組件的微機電系統(tǒng)(mems)裝置包括例如壓力傳感器、加速計、陀螺儀、麥克風、數字鏡面顯示器、微型射流裝置等。mems裝置用于多種產品中，例如汽車安全氣囊系統(tǒng)、汽車內控制應用程序、導航、顯示系統(tǒng)、噴墨盒等。電容性感測mems裝置設計對于微型化裝置中的操作是非常需要的，這是因為它們的低溫靈敏度、小尺寸并且適合低成本大批量生產。mems壓力傳感器通常使用壓力空腔和被稱作隔膜的隔膜元件，其在壓力下偏轉。在一些配置中，兩個電極之間的距離的變化形成可變電容器，以檢測由于區(qū)域上施加的壓力而導致的偏轉，這兩個電極中的一個電極是固定的，另一個電極是可移動隔膜。

隨著mems傳感器裝置的使用持續(xù)增加并且多樣化，越來越多地關注高級硅mems傳感器裝置的開發(fā)，這些高級硅mems傳感器裝置能夠以增強的靈敏度感測不同的物理刺激，并且關注將這些傳感器(例如加速計、陀螺儀、壓力傳感器等等)集成到同一個微型化封裝中。這些工作主要是受到汽車、醫(yī)療、商業(yè)和消費品的現有和潛在大容量應用的驅動。mems壓力傳感器與其它類型的傳感器(例如加速計和陀螺儀)的集成尤其在實現這樣的壓力傳感器的必需的增強的靈敏度方面造成特別的難題。

技術實現要素：

本發(fā)明的一個方面提供了一種傳感器裝置，包括：基板，其具有延伸穿過所述基板的端口；隔膜，其跨越所述端口的兩端，所述隔膜包括第一電極；第二電極，其以與所述第一電極隔開的關系定位，其中所述第二電極與所述第一電極隔開具有第一寬度的間隙；以及控制電路，其用于向所述第二電極施加致動電壓以使所述第二電極相對于所述第一電極移動，其中所述第二電極的移動會將所述間隙從所述第一寬度改變成第二寬度。

在一個實施例中，在所述第二電極的所述移動之后，所述第二寬度小于所述第一寬度。

在一個實施例中，所述傳感器裝置包括壓力傳感器，所述端口使所述隔膜暴露于來自外部環(huán)境的壓力刺激，所述隔膜與所述第一電極一起能響應于所述壓力刺激移動，并且所述壓力傳感器被調適用于作為所述第一電極相對于所述第二電極的移動感測所述壓力刺激的量值。

在一個實施例中，當所述第一和第二電極之間的所述間隙是所述第一寬度時，所述壓力傳感器展現出對所述壓力刺激的第一靈敏度；以及當所述第一和第二電極之間的所述間隙是所述第二寬度時，所述壓力傳感器展現出對所述壓力刺激的第二靈敏度，所述第二靈敏度不同于所述第一靈敏度。

在一個實施例中，所述控制電路被配置成當所述壓力傳感器處于感測模式時向所述第二電極施加所述致動電壓，在感測模式期間所述壓力傳感器在感測所述壓力刺激。

在一個實施例中，所述基板包括從所述基板延伸的間隔件，所述間隔件下伏于所述第二電極下面，并且所述能移動的第二電極響應于所述致動電壓的施加而鄰接所述間隔件。

在一個實施例中，所述間隔件的在所述第一電極上方的高度首先限定所述間隙的所述第二寬度。

在一個實施例中，所述間隔件與所述第一電極電隔離。

在一個實施例中，所述傳感器裝置進一步包括：結構層，其耦合到所述基板，所述結構層包括框架部件和所述第二電極，所述框架部件具有中心開口，所述第二電極位于該中心開口中，所述第二電極順應地耦合到所述框架部件；以及頂蓋結構，其與所述框架部件耦合以在所述基板與所述頂蓋結構之間產生空腔，所述第二電極位于該空腔中，其中所述隔膜跨越所述端口的兩端，以將所述空腔與所述外部環(huán)境隔離。

在一個實施例中，所述控制電路電耦合到所述第一和第二電極中的每一個，以便在所述第一和第二電極之間施加所述致動電壓。

在一個實施例中，所述傳感器裝置進一步包括感測電路，該感測電路電耦合到所述第一和第二電極中的每一個，用于接收響應于所述第一電極相對于所述第二電極的移動的輸出信號。

在一個實施例中，所述傳感器裝置進一步包括第三電極，該第三電極形成于所述基板的所述表面上并且橫向地位移離開所述第一電極，其中所述控制電路電耦合到所述第二和第三電極中的每一個，以便在所述第二和第三電極之間施加所述致動電壓。

在一個實施例中，所述端口使所述隔膜暴露于來自外部環(huán)境的壓力刺激，所述隔膜能響應于所述壓力刺激移動，所述第一電極位于所述隔膜的第一區(qū)域處，并且所述第三電極位于所述隔膜的第二區(qū)域處，所述第一區(qū)域響應于所述壓力刺激偏轉得多于所述第二區(qū)域。

在一個實施例中，所述第三電極位于所述基板的所述表面的非隔膜區(qū)域處。

在一個實施例中，所述端口使所述隔膜暴露于來自外部環(huán)境的壓力刺激，所述隔膜能響應于所述壓力刺激移動，并且所述傳感器裝置進一步包括感測電路，該感測電路電耦合到所述第二和第三電極中的每一個，用于接收與所述隔膜的移動無關的參考信號。

本發(fā)明的另一方面提供了一種壓力傳感器裝置，包括：基板，其具有延伸穿過所述基板的端口；隔膜，其跨越所述端口的兩端，所述隔膜包括第一電極，并且所述端口使所述隔膜暴露于來自外部環(huán)境的壓力刺激；第二電極，其以與所述第一電極隔開的關系定位，其中所述第二電極與所述第一電極隔開具有第一寬度的間隙；以及控制電路，其用于向所述第二電極施加致動電壓以使所述第二電極相對于所述第一電極移動，并且將所述間隙從所述第一寬度改變成第二寬度，所述第二寬度小于所述第一寬度，其中：當所述第一和第二電極之間的所述間隙是所述第一寬度時，所述壓力傳感器展現出對所述壓力刺激的第一靈敏度；當所述第一和第二電極之間的所述間隙是所述第二寬度時，所述壓力傳感器展現出對所述壓力刺激的第二靈敏度，所述第二靈敏度大于所述第一靈敏度；所述隔膜與所述第一電極一起能響應于所述壓力刺激移動；以及在施加所述致動電壓的同時，作為所述第一電極相對于所述第二電極的移動感測所述壓力刺激的量值。

在一個實施例中，所述基板包括從所述基板延伸的間隔件，所述間隔件下伏于所述第二電極下面，并且所述能移動的第二電極響應于所述致動電壓的施加而鄰接所述間隔件。

在一個實施例中，所述壓力傳感器裝置進一步包括：結構層，其耦合到所述基板，所述結構層包括框架部件和所述第二電極，所述框架部件具有中心開口，所述第二電極位于該中心開口中，所述第二電極順應地耦合到所述框架部件；以及頂蓋結構，其與所述框架部件耦合以在所述基板與所述頂蓋結構之間產生空腔，所述第二電極位于該空腔中，其中跨越所述端口的兩端的所述隔膜將所述空腔與所述外部環(huán)境隔離。

本發(fā)明的又另一方面提供了一種方法，包括：提供壓力傳感器裝置，所述壓力傳感器裝置包括基板、具有第一電極的隔膜、和第二電極，其中端口延伸穿過所述基板，所述隔膜跨越所述端口的兩端，所述第二電極與所述第一電極隔開具有第一寬度的間隙，所述端口使所述隔膜暴露于來自外部環(huán)境的壓力刺激，并且所述隔膜連同所述第一電極一起能響應于所述壓力刺激移動；向所述第二電極施加致動電壓以使所述第二電極相對于所述第一電極移動，其中所述第二電極的移動會將所述間隙從所述第一寬度改變成第二寬度；以及在向所述第二電極施加所述致動電壓的同時，作為所述第一電極相對于所述第二電極的移動感測所述壓力刺激的量值。

在一個實施例中，在所述施加之前，所述壓力傳感器展現出對所述壓力刺激的第一靈敏度；以及在所述施加期間，所述第二寬度小于所述第一寬度，并且所述壓力傳感器展現出對所述壓力刺激的第二靈敏度，第二靈敏度大于所述第一靈敏度。

附圖說明

附圖用來另外示出各種實施例并解釋根據本發(fā)明的所有各種原理和優(yōu)點，在附圖中類似附圖標記貫穿不同的視圖指代相同的或功能類似的元件，各圖不必按比例繪制，附圖與下文的具體實施方式一起并入本說明書并且形成本說明書的部分。

圖1示出了根據實施例的微機電系統(tǒng)(mems)壓力傳感器的側視圖的簡化和代表形式；

圖2示出了壓力傳感器的沿圖1中的截面線2-2的俯視圖；

圖3示出了處在感測模式的圖1的壓力傳感器；

圖4示出了圖1的mems壓力傳感器的電極和控制電路的高度簡化的框圖；

圖5示出了與圖1的壓力傳感器相關聯的示例性時序和信號圖；

圖6示出了根據另一實施例的mems壓力傳感器的側視圖；

圖7示出了壓力傳感器的沿圖6中的截面線7-7的俯視圖；

圖8示出了根據另一實施例的mems壓力傳感器的側視圖；

圖9示出了圖6和圖7的壓力傳感器的電極和控制電路的高度簡化的框圖；以及

圖10示出了與圖6和圖8的壓力傳感器相關聯的示例性時序和信號圖。

具體實施方式

本發(fā)明的實施例包括一種具有可變感測間隙(sensegap)的壓力傳感器裝置和用于操作該壓力傳感器裝置的方法。更具體來說，兩個電極(其中兩個電極中的一個電極是隔膜的一部分)之間的可變感測間隙是通過使得另一個電極能在至少兩個位置之間移動而實現的。以此方式，感測間隙的寬度可以減小，由此有效地提高壓力傳感器裝置對于壓力刺激的靈敏度。該壓力傳感器裝置的結構可以更容易地使得高靈敏度壓力傳感器能夠集成到集成式微型化傳感器封裝中，以便實現效率改進、成本節(jié)省等等。

提供本公開以另外通過能夠實現的方式對在應用時制造和使用根據本發(fā)明的各種實施例的最佳模式進行解釋。另外提供本公開以加強對本發(fā)明的創(chuàng)造性原理及優(yōu)點的理解和了解，而不是以任何方式限制本發(fā)明。本發(fā)明僅通過所附權利要求書限定，所述所附權利要求書包括在本申請及所提出的那些權利要求的全部等效物的未決期間所進行的任何修正。

參看圖1和圖2，圖1示出了根據實施例的微機電系統(tǒng)(mems)傳感器裝置20的側視圖的簡化和代表形式，圖2示出了傳感器裝置20沿著圖1中的截面線2-2的俯視圖。在圖示的實施例中，傳感器裝置20是壓力傳感器。因此，傳感器裝置20在本文中將被稱作壓力傳感器20。雖然圖1的結構中示出了單個壓力傳感器20，但是應理解，壓力傳感器20可以與加速計、陀螺儀、磁力計等等一起集成在多重刺激傳感器封裝中。

使用各種底紋和/或陰影線以區(qū)分mems傳感器裝置的不同元件來說明圖1和2與之后的圖3和圖6到圖8，如下文將論述?？衫卯斍昂臀磥淼某练e、圖案化、蝕刻等微機械加工技術來產生結構層內的這些不同元件。另外應當理解，關系術語在本文中的使用(如果存在的話)，例如第一和第二、頂部和底部等等，僅用于區(qū)分一個實體或動作與另一個實體或動作，而不必需要或暗示在這些實體或動作之間的任何實際這種關系或次序。

壓力傳感器20包括裝置結構22和與裝置結構22耦合的頂蓋結構24。在實施例中，裝置結構22包括基板26，其具有延伸穿過基板26的端口28。在本文中被稱作隔膜30的具有第一電極32的壓力感測隔膜跨過端口28兩端。第二電極34從第一電極32以隔開的關系定位，使得端口28下伏于第二電極34下面。

在實施例中，裝置結構22包括耦合到基板26的結構層36。結構層36包括框架部件38和第二電極34。框架部件38具有中心開口40，第二電極34位于其中。第二電極34經由彈簧元件42順應地耦合到框架部件38，彈簧元件42使得第二電極34能夠在垂直于第一和第二電極32、34的表面的方向上相對于第一電極32移動。

頂蓋結構24使用接合層46耦合到裝置結構22的頂表面44。在一些實施例中，接合層46可以導電，以便在裝置結構22與頂蓋結構24之間形成導電互連。舉例來說，接合層46可以是鋁-鍺(al-ge)接合層、金-錫(au-sn)接合層、銅-銅(cu-cu)接合層、銅-錫(cu-sn)接合層、鋁-硅(al-si)接合層等。替代地，接合層46可以不導電以便將頂蓋結構24與裝置結構電隔離。

接合層46可以合適地較厚，從而使得頂蓋結構24的內表面48位移離開結構層36中的第二電極34并且不與之接觸。因此，產生密封空腔50，第一和第二電極32、34駐留在其中。頂蓋結構24可為硅晶片材料。替代地，頂蓋結構24可以是包括與壓力傳感器20相關聯的電子器件的專用集成電路(asic)。如圖所示，頂蓋結構24可進一步包括空腔區(qū)域，其從頂蓋結構24的內表面48向內延伸以增大(即，加深)空腔50。另外，頂蓋結構24可以包括延伸穿過頂蓋結構24的一或多個導電硅通孔、形成于頂蓋結構24的外表面上的接合墊等等，以用于實現從壓力傳感器20到另一裝置的外部電連接。為圖示簡單起見本文中未示出這些特征。

壓力傳感器20被配置成感測來自壓力傳感器20外部的環(huán)境54的輸入壓力刺激(pin)，表示為箭頭52。因此，端口28從基板26的第一表面56完全穿過基板26延伸，以使隔膜30暴露于外部環(huán)境54。隔膜30可以包括多個導電材料層和電介質材料層。在一個例子中，電介質材料(例如氧化物和/或氮化物)，在本文中被稱作隔離層58，可以形成于基板26的第二表面60上。導電多晶硅層62可以形成于隔離層58上。另一隔離層64可以形成于多晶硅層62上，又一多晶硅層66可以形成于隔離層64上。

多晶硅層66此后可以圖案化和蝕刻以形成第一電極32，并且將第一電極32與周圍多晶硅層66電隔離。多晶硅層66可以另外圖案化和蝕刻以形成一或多個導電跡線68(圖2中示出了一個)等等，以便合適地向第一電極32承載信號和從第一電極32承載信號。

多個導電材料層和隔離材料層58、62、64、66合適地較薄，從而使得隔膜30可響應于來自外部環(huán)境54的壓力刺激(pin)52移動。也就是說，隔膜30經由端口28暴露于外部環(huán)境54。因此，隔膜30連同第一電極32能夠響應于來自外部環(huán)境54的壓力刺激52，在總體上垂直于裝置結構22的平面的方向上移動。雖然示出了一個實例，但是其它實施例可具有少于或多于上述的特定材料層58、62、64、66。此外，應當強調，構成具有第一電極32的隔膜30的材料層58、62、64、66不是按比例繪制的。在物理配置中，隔膜30可以明顯地比例如第二電極34薄，從而使得隔膜30能夠響應于壓力刺激52相對于第二電極34有效地偏轉。

壓力傳感器20進一步包括間隔件70，其從基板26的第二表面60延伸并且下伏在第二電極34下面。在特定實施例中，間隔件70形成于多晶硅層66中，并且延伸到第一電極32和多晶硅層66的其余部分上方。間隔件70總體上圍繞第一電極32均勻布置并且與第一電極32電隔離。舉例來說，電介質隔離材料72包圍第一電極32和導電跡線68，以便在第一電極32與形成于周圍多晶硅層66中的間隔件70之間實現電隔離。如下文將更詳細地描述，第二電極34可以移動成更接近或者更遠離第一電極32，以便改變第一和第二電極32、34之間的感測間隙74的寬度。在優(yōu)選實施例中，當第二電極34受到致動移動成更接近第一電極32時，第二電極34將鄰接間隔件70。

壓力傳感器20使用第二電極34作為第一電極32的參考元件，并且使用空腔內的壓力形成可變電容器，以檢測由于施加的壓力(即，壓力刺激52)導致的隔膜30的偏轉。因此，壓力傳感器20作為第一電極32相對于第二電極34的移動而感測來自環(huán)境54的壓力刺激52。這個位置改變產生輸出信號，即，電容，其指示壓力刺激52的量值。因此，壓力傳感器20被調適用于作為隔膜30連同第一電極32相對于第二電極34的移動而感測壓力刺激52。

圖1的側視圖圖示中端口28是可見的。然而，圖2中端口28被具有第一電極32的隔膜30遮擋無法看到。實際上，提供圖2是為了說明隔膜30和第一電極32的代表形狀；說明延伸到第一電極32的導電跡線68；說明第一電極32經由隔離材料72與周圍材料結構的電隔離；以及說明間隔件70的示例性布置。各種元件的位置、數量、形狀和相對尺寸只是代表性的。本領域的技術人員將了解，根據具體設計配置，這些元件可具有其它位置、數量、形狀和相對尺寸。

現在參照圖1和圖3，圖3示出了處在感測模式76的壓力傳感器20，其中第二電極34受到致動以鄰接間隔件70。相反，圖1示出了處在非感測模式的壓力傳感器20，其中第二電極34不鄰接間隔件70。壓力傳感器20對于壓力刺激52的靈敏度至少部分是因為感測間隙74的寬度。也就是說，當感測間隙74的寬度增加時，壓力傳感器20將變得不太靈敏，相反，當感測間隙74的寬度減小時，壓力傳感器20將變得更靈敏。

在實施例中，第二電極34經由控制/感測電路78(見圖4)受到致動以使第二電極34相對于第一電極32移動，直到第二電極34鄰接間隔件70為止。第二電極34的移動使感測間隙74的寬度從圖1中描繪的第一寬度80改變成圖2中描繪的第二寬度82。當第一和第二電極32、34之間的感測間隙74是第一寬度80時，壓力傳感器20展現出對壓力刺激52的第一靈敏度，而當第一和第二電極32、34之間的感測間隙74是第二寬度82時，壓力傳感器20展現出對壓力刺激52的第二靈敏度。應當容易觀察到在第二電極34移動之后，第二寬度82小于第一寬度80。由于第二寬度82小于第一寬度80，所以壓力傳感器20對壓力刺激52的第二靈敏度將大于第一靈敏度。因此，第二電極34朝向第一電極32移動，實際上會增加壓力傳感器20對壓力刺激52的靈敏度。

感測間隙74的可變寬度可能對于多種情形是有用的。舉例來說，制造過程可能使得感測間隙74的寬度過大無法實現期望的靈敏度。因此，感測間隙74可以在制造之后變窄，由此實現期望的靈敏度。在另一個實例中，壓力傳感器20的靈敏度可以根據其特定的最終用途應用在較低靈敏度與較高靈敏度之間改變。

圖4示出了壓力傳感器20的第一和第二電極32、34和控制/感測電路78的高度簡化的框圖。具體來說，提供圖4以展示致動第二電極34以便將感測間隙74從第一寬度80(圖1)改變成第二寬度82，由此有效地增加壓力傳感器20的靈敏度。因此，在感測模式76中呈現壓力傳感器20，其中第二電極34鄰接間隔件70。因此，間隔件70在第一電極32的感測表面86上方的高度84(當隔膜30未偏轉時)限定、確立或以其它方式限制感測間隙74的第二寬度82。此外，呈現壓力傳感器20以說明當壓力傳感器20處于感測模式76時，具有第一電極32的隔膜30響應于壓力刺激52的量值朝向第二電極34的偏轉。

在實施例中，控制/感測電路78包括致動電壓源88，其與第一和第二電極32、34中的每一個電連通，以用于在第一和第二電極32、34之間施加致動電壓90，標記為vact。致動電壓90可以是直流電(dc)偏壓電壓，其足夠高，能牽拉第二電極34使其與基板26上的間隔件70靜態(tài)接觸。也就是說，致動電壓90生成靜電力以牽拉第二電極34使其與間隔件70接觸，并且由此將感測間隙74減小成第二寬度82。靜電力足夠大，能在壓力傳感器20處于感測模式76時，確保第二電極34接觸間隔件70。

控制/感測電路78進一步包括測量電壓源92，其與第一和第二電極32、34中的每一個電連通，以用于在第一和第二電極32、34之間施加測量電壓94，標記為vmeas?；诓僮鞯碾娙菪栽淼膫鞲衅餍枰粚﹄姌O之間的通過有待測量的物理數量調制(即，改變)的電容。在這種情況下，壓力傳感器20被調適用于測量壓力刺激52的量值，以及響應于壓力刺激52的量值改變的第一和第二電極32、34之間的電容。測量電壓94可以是交流電(ac)電壓或切換dc電壓(類似方波)。隨著第一和第二電極32、34之間的電容改變的測量電壓94為電容充電或放電。流動電荷量是對于給定的電壓或電壓變化的第一和第二電極32、34之間的電容的量度。因此，測量電壓94(ac電壓或切換dc電壓)可以用于電容測量以便獲得輸出信號96，標記為cout，其指示引起隔膜30的偏轉的壓力刺激52的量值。

圖4出于說明性目的示出致動電壓源88是與測量電壓源92分開的元件。此外，出于說明性目的，圖4示出電壓源88、92與第一和第二電極32、34之間的第一組信號線，以及第一和第二電極32、34與電容輸出節(jié)點98、100之間的第二組信號線。然而，應理解，單個電壓源可以施加致動電壓90和測量電壓94兩者作為單個組合信號，這個組合信號足夠大并且能實現某些特性。舉例來說，組合信號可以包括相對高的dc分量，用于牽拉第二電極34使其與間隔件70接觸。組合信號可以另外包括相對較小的ac或切換dc分量，用于電容測量以產生輸出信號96。替代地，可以實施下拉模式的具有甚高頻(例如高于固有頻率(即，系統(tǒng)可能振動的頻率))的相對高的ac信號(方波或正弦波)。

在一些實施例中，當頂蓋結構24是專用集成電路時，可以在頂蓋結構24內提供控制/感測電路78。在其它實施例中，控制/感測電路78可以是經由接合線或所屬領域的技術人員已知的其它電互連件與壓力傳感器20電耦合的分開的裝置。此外，控制/感測電路78可以包括用于放大和/或調節(jié)輸出信號96的電路，用于將輸出信號96轉換成模擬電壓信號的電容到電壓轉換器電路，用于將模擬電壓信號轉換成數字輸出信號的模擬到數字轉換器電路等等。本文中為圖示簡單起見未呈現這個額外電路。

圖5示出了與壓力傳感器20的操作相關聯的示例性時序和信號圖102。在操作模式中，在特定的最終用戶應用中提供壓力傳感器20。向第二電極34(圖4)施加致動電壓90以使第二電極34相對于第一電極32(圖4)移動，使得第二電極34的移動讓感測間隙74(圖4)從第一寬度80改變成更小的第二寬度82。在施加致動電壓90的同時，作為具有第一電極32的隔膜30相對于第二電極34(圖4)的移動感測輸入壓力刺激52的量值(pin)。

在圖102中，在第一和第二電極32、34之間施加組合信號104。組合信號104包括相對高的dc分量(例如致動電壓90，vact)，用于牽拉第二電極34使其與間隔件70(圖4)接觸。在一段時間滯后之后，牽拉第二電極34使其與間隔件70接觸以產生具有第二寬度82的感測間隙74。在這個實例中，組合信號104另外包括相對較小的切換dc分量(測量電壓94，vmeas)，其用于電容測量以便產生電容輸出信號96(cout)，其中輸出信號96響應于壓力刺激52，并且從間隙減小為第二寬度82之前的初始電容106(cinit)改變。再次，在向第二電極34施加組合信號104(其包括致動信號分量和切換dc分量)時，檢測輸出信號96(cout)。此后，對輸出信號96進行合適地處理并且將其轉換成表示壓力刺激52的量值的值。

現在參照圖6和圖7，圖6示出了根據另一實施例的mems壓力傳感器110的側視圖，圖7示出了壓力傳感器110沿著圖6中的截面線7-7的俯視圖。壓力傳感器110類似于壓力傳感器20。因此，類似特征將使用相同的參考標號。因此，壓力傳感器110包括裝置結構112和與裝置結構112耦合的頂蓋結構24。裝置結構112包括基板26，其具有延伸穿過基板26的端口28。具有第一電極32的隔膜30橫跨端口28的兩端。另外，第二電極34以與第一電極32隔開的關系定位，使得端口28下伏于第二電極34下面。

根據圖6和圖7的實施例，裝置結構112進一步包括第三電極114，其形成于多晶硅層66中并且橫向地位移離開第一電極32。第三電極114表示為方向向右并且向下的粗的陰影線，以便更好地區(qū)分第三電極114與第一電極32和多晶硅層66的其余部分。然而，應理解，多晶硅層66可以合適地圖案化和蝕刻，以在多晶硅層66中另外形成第三電極114。隔離材料72將第三電極114與第一電極32電隔離，并且將第三電極114與包括間隔件70的周圍多晶硅層66電隔離。

在圖示的實施例中，第三電極114總體上是環(huán)形形狀的，以便包圍第一電極32。在一些實施例中，第三電極114可以至少部分地駐留在隔膜30上以及裝置結構112的受到基板26支撐的部分處。具體來說，第一電極32位于隔膜30的中心區(qū)116，這里響應于壓力刺激52發(fā)生最大偏轉，第三電極114位于隔膜30的外側區(qū)118和/或基板26上，這里響應于壓力刺激52發(fā)生的偏轉極少或者不發(fā)生偏轉。

如將關于圖9論述，在第一、第二和第三電極32、34、114的配置中，在第二和第三電極34、114之間施加致動電壓90(見圖9)以牽拉第二電極34使其與間隔件70接觸。與第二電極34有關的第三電極114也可用于確定壓力傳感器110內的“固定”參考電容(cref)。第一和第二電極32、34用于測量壓力刺激52造成隔膜30變形引起的電容變化。

圖8示出了根據另一實施例的mems壓力傳感器120的側視圖。壓力傳感器120也類似于壓力傳感器20。因此，類似特征將使用相同的參考標號。因此，壓力傳感器120包括裝置結構122和與裝置結構122耦合的頂蓋結構24。裝置結構122包括基板26，其具有延伸穿過基板26的端口28。具有第一電極32的隔膜30橫跨端口28的兩端。另外，第二電極34以與第一電極32隔開的關系定位，使得端口28下伏于第二電極34下面。

與壓力傳感器110(圖6)一樣，裝置結構122進一步包括第三電極114，其形成于多晶硅層66中并且橫向地位移離開第一電極32。第三電極114同樣表示為方向向右并且向下的粗的陰影線，以便更好地區(qū)分第三電極114與第一電極32和多晶硅層66的其余部分。然而，應理解，多晶硅層66可以合適地圖案化和蝕刻，以在多晶硅層66中另外形成第三電極114。隔離材料72將第三電極114與第一電極32電隔離，并且將第三電極114與包括間隔件70的周圍多晶硅層66電隔離。與壓力傳感器110(圖6)的配置不同的是，壓力傳感器120的第三電極114全部駐留在裝置結構的通過基板26支撐的部分上。也就是說，第三電極124位于基板26的非隔膜區(qū)域124處。

如先前所論述，電容性壓力傳感器的靈敏度取決于感測間隙(例如感測間隙74)的寬度以及本文中未論述的其它裝置參數?？梢栽谶\送壓力傳感器之前執(zhí)行修整(即，校準)，以便考慮到感測間隙寬度的工藝相關變化將裝置靈敏度調整成目標值。

按照慣例，感測間隙的寬度由工藝限定，并且在生產之后是固定的，即，靜態(tài)的。根據上述實施例，壓力傳感器20(圖1)、110(圖7)和120(圖9)中的每一個的感測間隙74的第二寬度82(圖4)由第二電極34被朝向基板26牽拉并接觸間隔件70時間隔件70的高度84(圖4)給出。因此，對于每個接觸事件(即，每當壓力傳感器被上電，使得第二電極34被致動并且牽拉成與間隔件70接觸時)，感測間隙74的第二寬度82會被重新確立。由于第二電極34與間隔件70之間的接觸表面的粗糙度和拓撲，接觸事件之間可能會發(fā)生感測間隙74的第二寬度82的較小變化，由此影響裝置的靈敏度。

當不同接觸事件之間感測間隙74的第二寬度82的變化較小時，可以應用壓力傳感器20或110的電極布置。也就是說，可以容許感測間隙74的第二寬度82的較小變化，因而在裝置的給定測量精確度內考慮該變化。然而，在無法容許接觸事件之間的感測間隙74的第二寬度82的變化的情形中(例如，在高精確度裝置中)，可以應用壓力傳感器120的電極配置。

同樣，如關于圖9將論述的，在第一、第二和第三電極32、34、114的配置中，可以在第二和第三電極34、114之間施加致動電壓90(見圖9)以牽拉第二電極34使其與間隔件70接觸?？墒褂玫谝缓偷诙姌O32、34測量通過壓力刺激52導致隔膜30變形引起的電容變化。然而，由于壓力傳感器120的第三電極114現在完全受到基板26支撐，所以第二和第三電極34、114之間的電容與壓力刺激52導致的隔膜30的任何變形無關。因此，可使用第三電極114測量第二和第三電極34、114之間的“固定”參考電容(cref)。

圖9示出了與壓力傳感器110(圖6)或壓力傳感器120(圖8)相關聯的電極32、34、114和控制/感測電路126的高度簡化的框圖?？刂?感測電路126包括致動電壓源88，它與第二和第三電極34、114中的每一個電連通，以在第二和第三電極34、114之間施加致動電壓90(標記為vact)。同樣，致動電壓90可以是dc偏壓電壓，其足夠高，能牽拉第二電極34使其與基板26上的間隔件70靜態(tài)接觸。

控制/感測電路126進一步包括測量電壓源92，其與第一和第二電極32、34中的每一個電連通，以在第一和第二電極32、34之間施加測量電壓94(標記為vmeas)，以便獲得輸出信號96(標記為cout)，輸出信號96指示導致隔膜30偏轉的壓力刺激52的量值。另外，測量電壓源92與第二和第三電極34、114中的每一個電連通，以在第二和第三電極34、114之間施加測量電壓94，以便獲得與隔膜30的任何偏轉無關的電容參考信號128，標記為cref。

如上文關于圖4所述，當頂蓋結構24是asic時，可以在頂蓋結構24內提供控制/感測電路126。在其它實施例中，控制/感測電路126可以是分開的裝置，它經由接合線或所屬領域的技術人員已知的其它電互連件與壓力傳感器110或120電耦合。此外，控制/感測電路126可以包括用于放大和/或調節(jié)輸出信號96的電路，用于將輸出信號96轉換成模擬電壓信號的電容到電壓轉換器電路，用于將模擬電壓信號轉換成數字輸出信號的模擬到數字轉換器電路等等。本文中為圖示簡單起見未呈現這個額外電路。

在壓力傳感器120(圖8)的配置中，電容參考信號128僅僅取決于感測間隙74的寬度(例如gsense)，因為第三電極114完全受到基板26支撐。因此，在第二電極34(圖8)與間隔件70(圖8)之間的每個接觸事件之后，可以使用電容參考信號128修整或校準壓力傳感器120的靈敏度。在一個裝置校準實例中，可以執(zhí)行單次接觸修整以確定壓力傳感器120的靈敏度s與測量到的電容參考信號128之間的關系?；趬毫鞲衅?20的數學模型(即，幾何尺寸)，可以確立函數gsense(cref)和s(gsense)并將其編寫到控制電路126中，以基于測量到的電容參考信號128調整壓力傳感器120的靈敏度s。

在另一裝置校準實例中，可以執(zhí)行多接觸修整處理以構建測量到的電容參考信號128與壓力傳感器120的靈敏度s之間的直接關系。第二電極24與間隔件70之間的不同接觸事件得到不同數據點s(gsense)i?；诙鄠€數據點ⅰ，可以在電容參考信號128與壓力傳感器120的靈敏度之間建立使用擬合函數的數學關系s(cref)，并且可以將其編寫到控制電路126中。

圖10示出了與圖6和圖8的壓力傳感器相關聯的示例性時序和信號圖130。在操作模式中，在第二和第三電極34、114(圖9)之間施加致動電壓90，以使第二電極34相對于第一和第三電極32、114(圖9)移動。也就是說，致動電壓90是相對高的dc分量，它能夠牽拉第二電極34使其與間隔件70(圖4)接觸。第二電極34的移動使感測間隙74(圖4)從第一寬度80改變成更小的第二寬度82。

在施加致動電壓90的同時，可以作為具有第一電極32的隔膜30相對于第二電極34的移動感測輸入壓力刺激52的量值(pin)。舉例來說，測量電壓94施加于第二和第三電極34、114之間，并且用于電容測量以便產生參考電容信號128(cref)，如圖9中所示。另外，測量電壓94施加于第一和第二電極32、34之間并且用于電容測量以便產生電容輸出信號96(cout)，其中輸出信號96響應于壓力刺激52并且從間隙74減小為第二寬度82之前的初始電容128(cinit)變化。此后，可以對輸出信號96進行合適地處理并且將其轉換成表示輸入壓力刺激52的量值的值。

綜上所述，具有可變感測間隙的壓力傳感器裝置和用于操作所述壓力傳感器裝置的方法的實施例。傳感器裝置的實施例包括：基板，其具有延伸穿過基板的端口；隔膜，其跨越所述端口的兩端，所述隔膜包括第一電極；第二電極，其以與所述第一電極隔開的關系定位，其中所述第二電極與所述第一電極隔開具有第一寬度的間隙；以及控制電路，其用于向所述第二電極施加致動電壓以使所述第二電極相對于所述第一電極移動，其中移動所述第二電極會將所述間隙從所述第一寬度改變成第二寬度。

壓力傳感器裝置的實施例包括：基板，其具有延伸穿過基板的端口；隔膜，其跨越所述端口的兩端，所述隔膜包括第一電極，并且所述端口使所述隔膜暴露于來自外部環(huán)境的壓力刺激。第二電極以與所述第一電極隔開的關系定位，其中所述第二電極與所述第一電極隔開具有第一寬度的間隙。所述壓力傳感器裝置進一步包括控制電路，用于向所述第二電極施加致動電壓以使所述第二電極相對于所述第一電極移動，并且將所述間隙從所述第一寬度改變成第二寬度，所述第二寬度小于所述第一寬度，其中當所述第一和第二電極之間的間隙是第一寬度時，所述壓力傳感器展現出對壓力刺激的第一靈敏度，當所述第一和第二電極之間的間隙是第二寬度時，所述壓力傳感器展現出對壓力刺激的第二靈敏度，所述第二靈敏度大于所述第一靈敏度。所述隔膜與所述第一電極一起能響應于所述壓力刺激移動，并且在施加致動電壓的同時，作為第一電極相對于第二電極的移動感測壓力刺激的量值。

一種方法的實施例包括：提供壓力傳感器裝置，所述壓力傳感器裝置包括基板、具有第一電極的隔膜、和第二電極，其中端口延伸穿過所述基板，所述隔膜跨越所述端口的兩端，所述第二電極與所述第一電極隔開具有第一寬度的間隙，所述端口使所述隔膜暴露于來自外部環(huán)境的壓力刺激，并且所述隔膜連同所述第一電極一起能響應于所述壓力刺激移動。所述方法進一步包括：向所述第二電極施加致動電壓以使所述第二電極相對于所述第一電極移動，其中所述第二電極的移動會使所述間隙從所述第一寬度改變成第二寬度，并且在向所述第二電極施加所述致動電壓的同時，作為所述第一電極相對于所述第二電極的移動感測所述壓力刺激的量值。

因此，本文所述的實施例包括各具有可變感測間隙的壓力傳感器裝置以及用于操作所述壓力傳感器裝置的方法。更具體來說，兩個電極(其中一個電極是隔膜的一部分)之間的可變感測間隙通過下面的方式實現：使得懸置在隔膜上方的另一個電極能在至少兩個位置之間移動。以此方式，感測間隙的寬度可以減小，由此有效地提高壓力傳感器裝置對于壓力刺激的靈敏度。該壓力傳感器裝置的結構可以更容易地使得高靈敏度壓力傳感器能夠集成到集成式微型化多重刺激傳感器封裝中，以便實現效率改進、成本節(jié)省等等。

本公開意圖解釋如何設計和使用根據本發(fā)明的各種實施例，而非限制本發(fā)明的真實、既定和合理的范疇和其精神。以上描述并不意圖是窮盡性的或將本發(fā)明限于所公開的確切形式。鑒于以上教示，可以進行許多修改或變化。選擇和描述所論述的實施例以提供對本發(fā)明的原理和其實際應用的最佳說明，進而使得本領域的普通技術人員能夠利用在不同實施例中的本發(fā)明并且其不同修改適合應用于所設想的特定用途。當根據清楚地、合法地并且公正地賦予的權利的寬度來解釋時，所有這樣的修改和變化及其所有等效物均處于如由所附權利要求書確定的以及在本專利申請未決期間可以修正的本發(fā)明的范疇內。