电容式半导体压力传感器 【技术领域】
本发明涉及一种压力传感器，尤其是一种制造于一非单晶硅绝缘基底上的电容式半导体压力传感器(capacitive semiconductor pressure sensor)，以节省制造成本。
背景技术
气压或液压测量是工业控制中相当重要的一环。一般而言，压力量测的原量与方法有许多，针对所应用的各个领域或特别需求，而有不同设计方法与考虑。目前压力传感器的设计方法主要包含有压阻式(piezoresistive)、压电式(piezoelectric)、电容式(capacitive)、电位计式、电感电桥式、应变计式，以及半导体压力传感器等。其中，由于电容式压力传感器具有高灵敏度，及不易受外界环境影响等优势，在市场上已逐渐受到瞩目。
此外，由于各种压力传感器尺寸方面的大幅缩小，及工艺、组装和操作上的限制，一种新的微加工技术(micromachining technology)，可应用于制造各种微传感器(microsensor)及微执行器(microactuator)，并与微电子电路整合后可构成微系统(microsystem)，通称为微机电系统(microelectro-mechanical system，MEMS)。MEMS具有微小化、可批量制造(batchproduction)以降低成本的优点，且可与信号处理电路同时制造于硅晶片上以形成单个(monolithic)元件，这对于传感器尤为重要，因为传感器微弱的输出信号可就近放大处理，以避免外界的电磁干扰，且可利用信号处理电路先行模/数转换(analog-to-digital，A/D)后，再输送到中央处理单元，因此可提高信号可靠度，减少连线数与中央控制系统的负担。由于尺寸方面的大幅缩小，及工艺、组装和操作上的限制，利用MEMS所制造的压力传感器，其灵敏度及制造成本上都比传统工艺优秀，近几年来的发展相当快速。
请参考图1，图1为习知电容式半导体压力传感器10的剖面示意图。如图1所示，习知的压力传感器10主要包含有一半导体基底(semiconductorsubstrate)12，例如一单晶硅基底或一硅覆绝缘(silicon on insulator，SOI)基底；一外延硅隔膜(epitaxial-silicon diaphragm)14；一外延硅基座(base)14，设于半导体基底12上，用来固定隔膜14的两端，使得隔膜14与半导体基底12之间形成一密闭凹穴(sealed cavity)18；以及一掺杂区(doped region)20，设于隔膜14下方的半导体基底12内。一般而言，隔膜14用来当作一上电极或一可动(movable)电极，掺杂区20用来当作一下电极或固定(stationary)电极，且隔膜14与掺杂区20构成一平板电容(plate capacitor)。此外，习知的压力传感器10另包含有一控制电路，例如一互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)控制电路22，设于基座16上或半导体基底12上，并电连接于该平板电容，主要是用来接收、处理并传送该平板电容所输出地信号。
当一待测压力施加于隔膜14，或是当隔膜14的内外部具有一压力差时，隔膜14的中央部分会受压而产生形变，并同时改变该平板电容的电容值，因此压力传感器10可以利用CMOS控制电路22来侦测该平板电容的静电容量(electrostatic capacitance)变化量，以得到压力的变化。该平板电容的电容值的计算方程式为C＝μA/d，其中μ为密闭凹穴18内所填充材料的介电常数值，A为平板(即隔膜14或掺杂区20)的面积，而d为平板(即隔膜14与掺杂区20)之间的距离，而该电容变化量(ΔC＝C-C0)与压力的关系为F＝PA＝kd0(ΔC)/C0，其中F为传感器10所受的弹力，k为弹力系数，d0为平板之间的初始距离，C0为平板电容的初始电容值。值得注意的是，若是填充于密闭凹穴18内的材料的介电常数值不能保持为一定值，则在测量压力的过程中，压力传感器10无法正常进行操作，因此密闭凹穴20的内部为真空是最佳测量状态。此外，由于该平板电容的电容值仅与物理参数(physical parameters)有关，因此可使用具有低热膨胀系数(thermal expansioncoefficient)的材料来形成压力感测元件以得到灵敏度较佳的压力传感器10。
然而习知电容式半导体压力传感器10的半导体基底12、隔膜14与基座16的材料皆包含有单晶硅或外延硅，虽然可测得压力的灵敏度较高，但是由于硅晶片(silicon wafer)与形成外延硅层的成本较高，对于竞争激烈的压力感测元件市场而言，如何制造出成本较低且品质好的产品为目前一项重要的课题。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种制造成本较低的电容式半导体压力传感器。
在本发明的优选实施例中揭露了一种电容式半导体压力传感器，其包含有一非单晶硅基底；一可导电可动的多晶硅隔膜(conductive movablepolysilicon diaphragm)；一多晶硅支承构件(supporter)，设于该非单晶硅基底上，用来固定该多晶硅隔膜的两端，使得该多晶硅隔膜与该非单晶硅基底之间形成一密闭凹穴；一固定电极(stationary electrode)，设于该多晶硅隔膜下方的该非单晶硅基底上，该固定电极与该多晶硅隔膜构成一平板电容；以及一薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)控制电路，设于该非单晶硅基底上，并电连接于该平板电容。
由于本发明的电容式半导体压力传感器是制造于非单晶硅基底，例如玻璃基底或石英基底上，因此可大幅节省原材料的成本。此外，本发明利用多晶硅来形成一体成型的隔膜与其支承构件，不但可以降低加工成本，且适合大量生产以符合市场价格需求。
【附图说明】
图1为习知电容式半导体压力传感器的剖面示意图；
图2为本发明电容式半导体压力传感器的剖面示意图。
【具体实施方式】
请参考图2，图2为本发明电容式半导体压力传感器30的剖面示意图。如图2所示，本发明压力传感器30主要包含有一非单晶硅基底32；一可导电可动的多晶硅隔膜34；一多晶硅支承构件(supporter)36，设于非单晶硅基底32上，用来固定多晶硅隔膜34的两端，使得多晶硅隔膜34与非单晶硅基底32之间形成一密闭凹穴38；一固定电极40，设于多晶硅隔膜34下方的非单晶硅基底32内，多晶硅隔膜34与固定电极40分别用来当作压力传感器30的平板电容的上下电极；以及一控制电路，例如一薄膜晶体管(thinfilm transistor，TFT)控制电路42，设于非单晶硅基底32上，并电连接于该平板电容，用来接收、处理并传送该平板电容所输出的信号。
同样地，本发明电容式半导体压力传感器30的操作原理主要是利用多晶硅隔膜34当作感测元件，当一待测压力导入并施加于多晶硅隔膜34上，使得多晶硅隔膜34受压时，其中央部分会因受力而凹陷变形，并与固定电极40间产生相对位置变化，同时改变该平板电容内的电容值，故可通过量测电容值变化而得到待测压力值。
在本发明的优选实施例中，非单晶硅基底32是由玻璃(glass)制成，且由于玻璃的熔点较低，为了避免后续形成的TFT控制电路42因温度过高而对非单晶硅基底32造成影响，因此本发明的TFT控制电路42需为一低温多晶硅(low temperature polysilicon，LTPS)TFT控制电路。然而本发明并不局限于此，本发明的非单晶硅基底32也可以由石英制成，由于石英的熔点较高，因此本发明的TFT控制电路42也可以是一高温多晶硅TFT控制电路。此外，本发明的多晶硅隔膜34与多晶硅支承构件36可以一体成型，也可以分开制造，多晶硅隔膜34也可另掺杂些许掺杂物(dopants)以降低其阻值，增加导电性，而固定电极40可以由铝(Al)、钛(Ti)、铂(Pt)或合金材料制成。
值得注意的是，在本发明的优选实施例中，控制电路42设于玻璃基底32上，而本发明应用并不局限于此，本发明的控制电路42也可以设于一印刷电路板(printed circuit board，PCB，未显示于图2中)上，再利用一挠性印刷电路板(flexible printed circuit board，FPC board，未显示于图2中)电连接控制电路42与该平板电容。此外，控制电路42，例如包含有多个集成电路芯片(integrated circuit chip，IC chip)也可以直接设于一挠性印刷电路板上，再利用该挠性印刷电路板电连接控制电路42与该平板电容。再者，本发明的非单晶硅基底32表面可另包含有一TFT显示区域(display area，未显示于图2中)，用来显示本发明的电容式半导体压力传感器30所侦测到的压力变化值，以方便使用者观察与测量。
综上所述，与习知电容式半导体压力传感器相比，本发明的电容式半导体压力传感器是制造于非单晶硅基底，例如玻璃基底或石英基底上，因此可大幅节省原材料的成本。此外，本发明利用多晶硅来形成隔膜与其支承构件，也可以降低加工成本，不但适合大量生产以符合市场价格需求，且可避免习知形成外延硅层的繁复工艺与参数控制。再者，本发明的电容式半导体压力传感器的加工过程可同时形成TFT控制电路与TFT显示区域内的薄膜晶体管，因此可有效整合加工步骤，达到减少加工步骤的功效。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所作的均等变化与变型，皆应属本发明专利的涵盖范围。