柔性一次性MEMS压力传感器的制作方法

相关申请

本申请要求2014年12月15日提交的名称为“flexibledisposablememspressuresensor”的美国临时申请no.62/091,683的优先权，其全部公开内容以引用方式并入本文。

本公开大体涉及半导体装置，且更具体地涉及电容性微机电系统(mems)压力传感器。

背景技术：

由于mems装置表现出的灵敏性、空间和时间分辨率以及更低电力要求，mems已经被证明是在各种应用中的有效解决方案。因此，基于mems的传感器，诸如加速计、陀螺仪、声学传感器、光学传感器和压力传感器已经被开发用于许多种应用。

大体上，电容性mems压力传感器包括第一电极和第二电极，所述第一电极形成平行板电容器的一个板，所述第二电极形成平行板电容器的另一个板。第一电极通常被固定并通常被设置在诸如硅晶片的衬底中。第二电极通常可运动且被合并到可变形的薄膜中，该薄膜在衬底的表面上的第一电极上悬浮。第一和第二电极通常通过开口空间、电介质、或其他材料间隔开。可变形薄膜配置成在所施加的压力下朝衬底偏转，这改变了在固定电极和可运动电极之间的间隙，从而导致两个电极之间的电容的变化。通过监测固定电极和可运动电极之间的电容的变化，能够确定施加到可变形薄膜的压力的大小。

电极可以以多种不同方式形成，诸如通过导电膜的沉积、导电层的电隔离和在两个导电层之间增加间隔层。表面微加工用于制造许多mems装置。利用表面微加工，能够使用诸如化学气相沉积的方法在硅衬底上构建mems装置结构。这些方法允许mems结构包括小于若干微米的层厚度，其中，面内尺寸大致更大。通常，这些装置包括诸如电容性电极的部分，其配置成相对于装置的其他部分运动。在该类型的装置中，通常在材料的牺牲层上构建可运动结构。在形成可运动结构之后，能够通过牺牲层的选择性的湿法或者干法蚀刻来释放可运动结构。在湿法蚀刻之后，所释放的mems装置结构能够在去离子水中漂洗以移除蚀刻剂和蚀刻产品。对于干法释放，随后的清洁可以是不必要的。

在一些情形中，具有运动或挠性部件的mems具有有限的寿命，尤其当此类装置从衬底释放且不能从增加的衬底支撑件获益时。在一个示例中，在生物材料上或接近生物材料或在严厉的环境中使用的mems装置可能需要定期替换以维持精确的操作。诸如压力传感器的惯常mems装置通常要求显著的封装以及昂贵的材料和处理要求，且因此对于上文中描述的用途不是最优的。因此所需要的是一种柔性mems装置，其能够被容易且大规模地生产，以便是一次性的。

技术实现要素：

以下是在本文中更详细地描述的主题的简要概述。该发明内容不试图限制本公开或权利要求的范围。

为了促进至少一个变量（诸如压力）的准确感测，mems装置被配置以便是柔性的。mems装置包括具有至少一个导电层的mems传感器元件，该至少一个导电层延伸至mems装置的一侧且配置成将mems装置操作地连接至设备。mems传感器元件由柔性材料构成，使得mems传感器元件是完全柔性的。

在实施例中，mems传感器元件是mems压力传感器，其包括至少一个平行板电容器。

在一个实施例中，mems传感器元件包括第一、第二和第三柔性支撑层以及第一和第二导电层。第一导电层形成平行板电容器的第一电极，且设置在第一柔性支撑层上以便从mems传感器元件的第一侧朝向与第一侧相对的第二侧延伸小于整个mems传感器元件。第二柔性支撑层设置在第一柔性支撑层和第一导电层上，使得第一导电层由第一柔性支撑层和第二柔性支撑层封装。第二导电层形成平行板电容器的第二电极，且设置在第二柔性支撑层上，且从mems传感器元件的第二侧朝向第一侧延伸小于整个mems传感器元件，使得第二导电层至少部分地与第一导电层重叠。第一和第二导电层一起形成平行板电容器。第三柔性支撑层设置在第二导电层和第二柔性支撑层上，使得第二导电层被封装在第二柔性支撑层和第三柔性支撑层之间。

在另一实施例中，mems传感器元件还包括分离部，其被封装在第一导电层和第二柔性支撑层之间，且配置成将第一导体层与第二导体层间隔开。

在又一实施例中，分离部是液体或凝胶中的一个，且具有比第二柔性支撑层的沉积压力更低的蒸汽压。在一个实施例中，第二柔性支撑层包括帕利灵，且分离部包括硅油。

在实施例中，mems传感器元件还包括从第一导电层延伸至mems传感器元件的第二侧的连接元件和从第二导电层延伸至mems传感器元件的第一侧的连接元件中的至少一个。

在另一实施例中，mems装置还包括至少一个设备主体安装件。设备主体安装件包括至少一个电部件，其配置成可移除地接收mems传感器元件，且配置成当mems传感器元件接收在所述至少一个设备主体安装件中时，电连接至mems传感器元件。在一个实施例中，mems传感器元件配置为一次性传感器，且所述至少一个设备主体安装件是可重复使用的安装件，其包括用于操作mems传感器元件的电部件。在实施例中，mems装置是腕带，其包括经由带连接的两个设备主体安装件以及接收在所述两个安装件之间以闭合该带的mems传感器元件。

在另一实施例中，所述至少一个设备主体安装件还包括一对安装构件。安装构件配置成利用过盈配合、卡扣配合、或任意其他可接受的类型的可移除配合中的一种在其间接收mems传感器元件。在实施例中，安装构件中的至少一个是弹簧构件，其可枢转地安装在所述至少一个设备主体安装件上，且配置成与相对的安装构件一起将mems传感器元件夹到所述至少一个设备主体安装件中。

在示例性实施例中，一种生产mems装置的方法包括：将光致抗蚀剂层设置在衬底上，在光致抗蚀剂层上形成mems传感器元件以形成中间结构，以及将中间结构浸泡在具有从大约30℃至大约90℃的温度的水浴中，直到mems传感器元件从光致抗蚀剂层释放。在实施例中，mems传感器元件如以下所述的至少一种那样：由不溶于水的材料封装，和被配置以便不与水起化学反应。

在另一示例性实施例中，生产柔性mems压力传感器的方法包括：在衬底上形成牺牲层；在衬底上形成第一柔性支撑层；在第一柔性层上形成第一导电层，其从第一侧延伸小于整个第一柔性支撑层；在第一导电层的内部区域上形成液体或凝胶分离部；在第一导电层的内部区域上形成液体或凝胶分离部；在第一柔性支撑层上、在分离部上以及在第一导电层上经由气相沉积形成第二柔性支撑层，其从第一侧延伸至与第一侧相对的第二侧，以便将分离部封装在第一导电层和第二柔性支撑层之间，且以便将第一导电层封装在第一柔性支撑层与第二柔性支撑层和分离部之间，其中，分离部具有比在第二柔性支撑层的气相沉积期间发生的蒸汽压更低的蒸汽压；在第二柔性支撑层上从第二侧小于整个第二柔性支撑层地形成第二导电层，使得第二导电层至少部分地与第一导电层重叠以形成平行板电容器；以及在第二导电层和第二柔性支撑层上形成第三柔性支撑层，以便将第二导电层封装在第二柔性支撑层和第三柔性支撑层之间。

在实施例中，生产mems压力传感器的方法还包括：将mems压力传感器浸泡在具有从大约30℃至大约90℃的温度的水浴中，直到mems压力传感器从牺牲层释放。

附图说明

图1和图2是根据本公开的安装在设备主体中的mems压力传感器的不同示例性实施例的侧横截面视图。

图3-图9是示出生产根据本公开的mems压力传感器的示例性方法的侧横截面视图。

具体实施方式

出于促进对本文中所述的实施例的原理的理解的目的，现在参考附图和在以下书面说明书中的描述。这些参考不试图限制本主题的范围。本公开还包括对所示实施例的任意改变和修改，且还包括本文献所属领域中的技术人员通常将想到的对所述实施例的原理的进一步应用。

图1示出设备100的示例性实施例，该设备100包括一次性柔性mems装置，其在该实施例中是电容性mems压力传感器102。压力传感器102包括第一柔性支撑层104、第一导电层106、分离部108、第二柔性支撑层110、第二导电层112和第三柔性支撑层114。在该实施例中，压力传感器102安装在第一设备主体安装件116内。

第一导电层106定位在第一柔性支撑层104和分离部108之间，且形成平行板电容器的第一电极。第二柔性支撑层110覆盖第一导电层106和分离部108，使得分离部108在第一导电层106和第二柔性支撑层110之间，且使得第一导电层106和分离部108在第一柔性支撑层104和第二柔性支撑层110之间。

第一导电层106从压力传感器102的第一侧120延伸小于整个第一柔性支撑层104，使得第二柔性支撑层110的一部分与第一柔性支撑层104接触，以便封装第一导电层106。分离部108在第一导电层106的至少内部部分上延伸，使得第二柔性支撑层110和第一导电层106封装分离部108。

第二导电层112从压力传感器102的与第一侧120相对的第二侧122延伸小于整个第二柔性支撑层110，使得第二导电层112和第一导电层106的至少一部分重叠，以形成经由分离部108分开的平行板电容器124。第二导电层112形成平行板电容器的第二电极。有利地，第一和第二电极都不固定在支撑表面上。因为例如由于设备100周围的环境压力的变化，而第一和第二导电层106、112都自由运动，所以压力传感器102展现出相对于常规电容性mems压力传感器增加的灵敏性，且与安装在刚性支撑表面上的传感器不同，是完全柔性的。

第三柔性支撑层114覆盖第二导电层112以及第二导电层110的不与第二导电层接触的部分，使得第一导电层106、分离部108、第二柔性支撑层110和第二导电层112在第一柔性支撑层104和第三柔性支撑层114之间且由第一柔性支撑层104和第三柔性支撑层114封装。

第一、第二和第三柔性支撑层104、110、114包括柔性聚合物，其在该实施例中是帕利灵（parylene）的薄膜覆层。在其他实施例中，包括其他柔性材料。在一个实施例中，使用非聚合物柔性材料。如在本文中使用的，“帕利灵”意思是对二甲苯的聚合（聚对二甲苯）或者其替代衍生物。在不同实施例中，沉积的帕利灵是被动或反应性的。在至少一个实施例中，沉积的帕利灵诸如利用氟、氯、或溴而被卤化。在一些实施例中，帕利灵是帕利灵变型，诸如帕利灵ht、帕利灵a、帕利灵am、帕利灵af-4、帕利灵n、帕利灵c、帕利灵d、或帕利灵x聚合物。在一个实施例中，第一、第二和第三柔性支撑层104、110、114包括相同材料。在另一实施例中，第一、第二和第三柔性支撑层104、110、114包括不同材料。

第一和第二导电层106、112包括诸如金属、金属氧化物的导电材料或者适于形成平行板电容器的电极的其他材料。有利地，分离部108是凝胶或液体，其具有比在第二柔性支撑层110中包括的材料的气相沉积期间发生的蒸汽压更低的蒸汽压，且配置成在平行板电容器的电极之间作为绝缘体或电介质操作。在该实施例中，其中，第二柔性支撑层110包括帕利灵，分离部108包括硅油。如在本文中使用的，“硅油”意思是带有有机侧链的任何液体聚硅氧烷，诸如聚二甲基硅氧烷。

第一设备主体安装件116包括第一安装构件126、第二安装构件128、接触区域130和至少一个电部件132。第一安装构件126配置成与第一柔性支撑层104接合，且第二安装构件128配置成与第三柔性支撑层114接合，使得压力传感器102的第二侧122安装在第一和第二安装构件126、128之间。在该实施例中，第一和第二安装构件126、128彼此间隔开，使得第一和第二安装构件126、128配置成在其间以过盈配合安装压力传感器102。

接触区域130配置成接触第一和第二导电层106、112中的至少一个。例如，在另一实施例（未示出）中，第一设备主体支撑件116安装在压力传感器102的第一侧120上。在该实施例中，接触区域配置成接触第二导电层112。

连接元件129配置成从第一导电层106通过第二柔性支撑层110提供电子连接。在该实施例中，连接元件129是导电材料丝，其从第一导电层106跨整个第一柔性支撑层104延伸，且由第二柔性支撑层110覆盖或封装。尽管在图1中示出为穿过第二柔性支撑层110，但是连接元件还能设置在第一柔性支撑层104和第二柔性支撑层110之间。

所述至少一个电部件132电连接到接触区域130，且配置成从接触区域130接收由于与第一和第二导电层106、110中的至少一个接触而生成的电信号。所述至少一个电部件132能够包括例如电力部件、通信部件及集成电路和/或处理器。电力部件能够包括电池或电力连接。通信部件能够包括例如无线天线和发射机或有线连接。处理器和/或集成电路能够配置成例如从接触区域130接收电信号、分析电信号，以便确定由压力传感器102感测的压力，并将输出信号传输至通信部件。

第一设备主体安装件116配置为夹，且第二安装构件128是配置成围绕基点134枢转的弹簧构件，以使得能够将压力传感器102夹在第一和第二安装构件126、128之间。在另一实施例中，第一安装构件126是弹簧构件，其配置成枢转以便夹着压力传感器102。在一个实施例中，两个安装构件126、128都是刚性构件，其配置成利用卡扣配合将压力传感器102安装在其间。

图2示出压力传感器102另外安装在第二设备主体安装件118内的另一实施例。第二设备主体安装件118包括第一安装构件136、第二安装构件138、接触区域140和至少一个电部件142。第一安装构件136配置成与第一柔性支撑层104接合，且第二安装构件138配置成与第三柔性支撑层114接合，使得压力传感器102的第一侧120安装在第一和第二安装构件136、138之间。第一和第二安装构件136、138彼此间隔开，使得第一和第二安装构件136、138配置成在其间以过盈配合安装压力传感器102。

接触区域140配置成接触第一和第二导电层106、110中的至少一个。在该实施例中，第一设备主体安装件116的接触区域130连接到第二导电层112，且第二设备主体安装件118的接触区域140连接到第一导电层106。

在另一实施例中，连接元件（未示出）配置成从第二导电层112通过第二柔性支撑层110或第三柔性支撑层114至接触区域140提供电子连接。在一个实施例中，连接元件是导电材料丝（未示出），其从第二导电层112跨整个第二柔性支撑层110延伸，且由第三柔性支撑层114覆盖和封装。所述至少一个电部件142能够包括类似于上文中关于第一设备主体元件116的电部件132描述的部件的电部件。

在一个实施例中，第一设备主体元件116与第二设备主体元件118通信，以使得至少一个电部件132或142能够接收从两个接触区域130、140生成的电信号，以便分析作用在压力传感器上的压力。在一个实施例中，该通信是经由无线通信天线和发射机的无线通信。在另一实施例中，第一和第二设备主体元件116、118形成统一主体且经由有线连接而连接。在一个实施例中，第一和第二设备主体元件116、118是经由将压力传感器102安装至第一和第二设备主体元件116、118而联结的带条（诸如例如，腕带条）的相应端。

还考虑其他类型的安装件。在一个实施例中，插口配置成接收第一柔性支撑层104的背对压力传感器102一侧，且包括配置成经由夹、卡扣、或过盈配合接收和安装压力传感器102的侧壁。

由于压力传感器102由柔性材料形成，所以压力传感器102是柔性的，且因此能够在当刚性传感器或安装在刚性支撑件上的传感器可能不是最优的时的情形中利用。另外，因为如下文中描述的材料和生产的方法相对便宜且不复杂，所以压力传感器非常适于用作一次性传感器。有利地，压力传感器102可移除地安装在设备主体安装件116和/或118中，使得压力传感器102能够被处置和替换。在设备主体安装件116和/或118包括要求组装的各种电部件时，压力传感器102由低成本材料形成，且大量生产和替换是便宜的。此外，如压力传感器102的电容性mems压力传感器通常具有有限的寿命，其比设备主体的可能的寿命更短。压力传感器102在设备主体安装件116、188中的可移除安装使得能够在不替换更昂贵的设备的情况下进行便宜的压力传感器102的替换。

图3-图9示出用于生产根据本公开的mems装置的过程。如在图3中所示，牺牲层304被施加到衬底302。衬底302能够是例如硅、或其他常规衬底材料。牺牲层304能够包括例如光致抗蚀剂材料、可溶于水的材料、或经由诸如丙酮的其他溶剂可溶解或可移除且能够通过诸如化学气相沉积的任意常规过程施加的材料。柔性材料覆层306被施加在牺牲层304上以形成第一柔性支撑层。如上文所描述的，覆层306的柔性材料能够是诸如帕利灵的聚合物。

图4示出第一导电层308，该第一导电层308在第一柔性支撑层306上小于其整体地施加，使得第一柔性支撑层306的从第一侧312延伸的一部分保持暴露。在一个实施例中，第一导电层通过如下方式被施加：施加导电材料层，且将导电材料层的一部分蚀刻掉，使得第一柔性支撑层306的一部分暴露。在一些实施例中，配置成接触设备主体安装件的接触区域的丝连接或其他类型的连接被施加在第一柔性支撑层306的暴露部分上。

分离部310（例如，硅油）被施加在第一导电层308的内部部分上，使得第一导电层308的从第二侧314延伸的一部分保持暴露。“内部部分”意思是在第一侧312和第二侧314之间的一部分。

在一些实施例中，可以有益地将分离部310在第一导电层308的表面的限定部分内局部化。在一个实施例中，疏水性控制材料被施加到第一导电层308的至少一个部分，以便限定第一导电层308的吸引或排斥分离部310的区域。疏水性控制材料能够是例如帕利灵，诸如利用氧等离子体、或cytop、非晶形含氟聚合物处理过的帕利灵。

如在图5中所示，另一柔性材料覆层316被施加在第一柔性支撑层304的暴露的部分上、在分离部310上和在第一导电层308的暴露的部分上，以形成第二柔性支撑层。分离部310的材料被选定为具有低于在柔性材料的沉积过程期间发生的压力的蒸汽压。这使得在施加第二柔性支撑层316时，分离部310能够保持在液态中而不是蒸发。

图6示出施加在第二柔性支撑层316上的第二导电层318，其从第一侧312延伸小于整个第二柔性支撑层316，使得第二导电层318的至少一部分与第一导电层308重叠。第二导电层318能够部分地与分离部310重叠，完全与分离部310重叠，或者延伸超过分离部310。第二导电层318有益地与第一导电层308的至少一部分重叠，以便形成平行板电容器。然而，还有益地限制第二导电层从第二侧314延伸的距离。因为根据本公开的压力传感器通过观察由在两个导电层之间的相对运动引起的平行板电容器的电容的变化来检测压力，所以如果第二导电层318延伸更远且因此更难以运动，则压力传感器可以因此更不敏感。因此，应当针对压力传感器的灵敏性和平行板电容器的可操作性优化第二导电层318的范围。

在一些实施例中，配置成接触设备主体安装件的接触区域的丝连接或其他类型的连接被施加在第二柔性支撑层316的暴露部分上。第二导电层318和第一导电层308分别可作为由分离部310分离的平行板电容器的电极操作。

在图7中，柔性材料320的第三覆层被施加在第二导电层318和第二柔性支撑层308的暴露部分上，以便形成第三柔性支撑层且因此形成mems装置的中间结构322。

在不损坏mems装置并且执行起来快速且简单的过程中释放组装的结构322是有益的。在牺牲层304是光致抗蚀剂的释放过程的一个实施例中，衬底302和中间结构322被浸泡在水浴中。由于结构322由第一和第三柔性支撑层304、320大致封装，所以结构322能够在没有损坏的风险的情况下浸泡在水浴中。在一个实施例中，水浴是一种热水浴，其具有在从大约30℃至大约90℃范围中的温度。如在图8中所示，在水浴中浸泡之后，光致抗蚀剂牺牲层304由于水而膨胀，且随着其膨胀，其从衬底302和第一柔性支撑层306两者释放，因此释放结构322。

在其他实施例中，从衬底释放结构322包括经由诸如丙酮的溶剂分解牺牲层302。然而，一些溶剂可能以非期望的方式与结构中的其他物质反应。例如，一些溶剂能够引起帕利灵膨胀，这可损坏结构。

图9示出释放结构322，其中，第一导电层308电连接到电压源324的负端子，且第二导电层318电连接到电压源324的正端子。结构322周围的环境压力导致结构322的压缩或膨胀，这导致第一和第二导电层308、318的相对位置的变化。相对位置的变化引起平行板电容器的电容的变化，这能够例如通过观察在电压源324处的电压或电流的对应变化来确定。

虽然已经参考mems压力传感器描述了上述实施例，但是读者应当理解，上述mems装置和生产方法不受限于压力传感器。上文中描述的技术适于其他类型的mems装置，例如，加速计、陀螺仪、声学传感器和光学传感器。尤其，通过将结构浸泡在水浴中以便使牺牲层膨胀来从衬底释放结构的方法适用于许多种mems装置，但是应当理解此类过程可能不适用于可被水损坏的mems装置，除非此类装置例如通过帕利灵覆层大致封装。

在示例性实施例中：

柔性mems装置包括平行板电容器，其由被硅油分离的相对的导电层形成。一个或多个柔性帕利灵层被施加以环绕导电层和硅油中的一个或多个。平行板电容器配置成展现对应于环境压力的变化的电容的变化。导电层中的一个或多个配置成与设备主体安装件连接，该设备主体安装件配置成观察平行板电容器的电容以便确定环境压力。

从衬底释放mems装置的方法包括：将光致抗蚀剂层施加至衬底，将mems装置的结构组装在光致抗蚀剂层上，以及将结构、光致抗蚀剂层和衬底浸泡在水浴中。当光致抗蚀剂由于水而膨胀时，结构从衬底释放和脱离。

由柔性材料组装压力传感器，以使得压力传感器能够是完全柔性的。

一种生产电容性mems压力传感器的方法，包括：将牺牲层施加至衬底；施加第一柔性支撑层；在第一柔性支撑层上小于其整体地施加第一导电层；在第一导电层的内部部分上施加分离部；在第一柔性支撑层、第一导电层和分离部上施加第二柔性支撑层；在第二柔性支撑层上小于其整体地施加第二导电层，以便与由分离部分离的第一导电层结合而形成平行板电容器；在第二导电层和柔性支撑层上施加第三柔性支撑层，以在衬底上形成mems压力传感器的结构；将衬底和结构引入水浴；以及从衬底释放结构。

方法还能够包括将释放结构安装在设备的安装件内，该安装件包括接触区域和至少一个电部件，所述接触区域配置成接触第一和第二导电区域中的至少一个，所述电部件配置成为mems压力传感器提供电力，参考mems压力传感器确定压力读数、或传输和接收电信号。

将理解，上述及其他特征和功能的变型或其替代方案可以可期望地组合到许多其他不同系统、应用或方法中。可由本领域技术人员随后做出各种目前未预见或未预料的替代方案、修改、变型或改进，其也试图被前述公开囊括。