微机电传感器和MEMS装置制造方法及图纸

本公开涉及微机电传感器和MEMS装置，其具有：半导体材料的传感器裸片，其具有在水平面内延伸的前表面和下表面，并且由具有沿垂直方向的厚度的横向于水平面的紧凑块体区域平面；压阻元件，集成在传感器裸片的块体区域中，位于其前表面处；以及帽状裸片，其耦合在传感器裸片上方，覆盖压阻元件，帽状裸片具有沿垂直方向彼此相对的相应前表面和底表面，底表面面向传感器裸片的前表面。转换层布置在传感器裸片的前表面和帽状裸片的底表面之间，被图案化以限定沿着垂直方向横穿整个厚度的凹槽；压阻元件垂直对应于凹槽布置，并且转换层被设计为将施加到帽状裸片的前表面和/或传感器模的底表面的负载沿垂直方向转换成在凹槽处的平面应力分布，这在水平面上起作用。

【技术实现步骤摘要】
微机电传感器和MEMS装置
本公开涉及一种微机电传感器和MEMS装置。
技术介绍
例如在工业或汽车领域存在若干应用，需要使用具有高满缩放量程值的力/压力传感器来测量高范围负载(力或压力)值，例如高达10kN或更高。用于感测高范围负载的已知传感器解决方案通常设想使用高强度金属负载单元，包括不同种类的应变计作为感测元件。应变计感测元件通过电阻的变化来检测它们所耦合到的芯的几何变形。虽然通常使用，但这些传感器的缺点是灵敏度低，并且小型化的可能性有限。使用半导体技术制造的集成压力传感器也是已知的，其使用集成在硅裸片中的压阻元件来检测施加的压力。这些传感器的缺点是需要复杂的封装结构，以便将施加的负载转换为作用于硅裸片和集成压阻上的应力。这些传感器因此昂贵，并且通常不允许容易定制，特别是在所施加负载的范围方面。例如，已知的集成压力传感器在W.Kurniawan，R.Tjandra，E.Obermeier的ProceedingsoftheEurensensorsXXIIIconference，ProceiaChemistry1(2009)544-547中的文件“Bulk-typepiezoresistiveforcesensorforhighpressureapplications”中得到公开。该文件中公开的解决方案基于在硅裸片上紧密相邻的突出岛上施加力，以在岛之间的区域中引起机械应力。对于压力测量，使用含金属隔膜和耦合金属棒的壳体将压力转化为力。传感器裸片采用SOI技术制造，这简化了突出岛的实现。虽然具有良好的灵敏度并且允许小型化，但是该传感器也具有上述缺点，即具有昂贵且复杂的制造工艺和封装设计以将外部施加的压力转换为集中在硅裸片(也称为“管芯”)上的力。
技术实现思路
提供一种易于制造、实现高度定制并且具有高检测灵敏度的微机电传感器。在一个方面，提供了一种微机电传感器，包括：半导体材料的传感器裸片，具有第一表面和第二表面，第一表面和第二表面在水平面中延伸并且具有沿横向于水平面的垂直方向上的厚度；多个压阻元件，在第一表面处集成在传感器裸片中；帽状裸片，耦合到传感器裸片并覆盖多个压阻元件，帽状裸片具有第一表面和沿着垂直方向与第一表面相对的第二表面，帽状裸片的第二表面面向传感器裸片的第一表面；以及转换层，布置在传感器裸片的第一表面和帽状裸片的第二表面之间，转换层包括沿垂直方向通过转换层的整个厚度的凹槽，其中多个压阻元件相对于凹槽垂直布置，其中转换层被配置为将沿垂直方向施加至帽状裸片的第一表面或传感器裸片的第二表面中的至少一个的负载转换为在凹槽处作用在水平面中的传感器裸片中的平面应力分布。在某些实施例中，凹槽在水平面中具有纵向主延伸部，并且应力分布限定在横向于纵向主延伸部的方向上的最大平面应力以及在平行于凹槽的纵向主延伸部的方向上的最小平面应力。在某些实施例中，多个压阻元件包括：至少一个第一压阻元件，平行于凹槽的纵向主延伸部在水平面内延伸；以及至少一个第二压阻元件，横向于凹槽的纵向主延伸部在水平面内延伸，微机电传感器还包括限定通过第一压阻元件和第二压阻元件的纵向延伸部的电流路径的电连接。在某些实施例中，压阻元件还包括：至少一个第三压阻元件，平行于凹槽的纵向主延伸部在水平面内延伸；以及至少一个第四压阻元件，横向于凹槽的纵向主延伸部在水平面内延伸，其中电连接被配置为限定包括第一压阻元件、第二压阻元件、第三压阻元件和第四压阻元件的惠斯通电桥。在某些实施例中，所施加的负载被配置为引起第一压阻元件中的电阻变化和第二压阻元件中的对应的相反的电阻变化。在某些实施例中，帽状裸片通过接合层接合到传感器裸片，其中接合层介于转换层与帽状裸片的第二表面之间。在某些实施例中，帽状裸片覆盖传感器裸片的除第一表面的暴露区域之外的第一表面；微机电传感器还包括在暴露区域处形成在传感器裸片的第一表面上的电接触焊盘，其中电接触焊盘通过传感器裸片中的电连接电耦合到多个压阻元件。在某些实施例中，还包括隔离沟槽，隔离沟槽围绕沟槽并且延伸穿过转换层的整个厚度并穿过传感器裸片和帽状裸片的表面部分。在某些实施例中，隔离沟槽被配置为将传感器裸片的集成多个压阻元件的感测区域与在平行于水平面的方向上外部施加在传感器裸片的侧面和帽状裸片的侧面处的力/压力负载弹性去耦。在某些实施例中，凹槽进一步在帽状裸片的第二表面处的表面部分内延伸。在某些实施例中，传感器裸片和帽状裸片由单晶硅制成。在某些实施例中，转换层由以下材料中的一种制成：多晶硅、SiO2、Si3N4、Al2O3、ZrO2、TiB2、B4C、SiC、WC、AlN或BN。在某些实施例中，凹槽在水平面中为闭合的正方形形状，该形状限定转换层的在凹槽内部的第一有源区域并且限定转换层的在凹槽外部的第二有源区域，第一有源区域和第二有源区域被独立地配置为将施加到帽状裸片的第一表面或传感器裸片的第二表面中的一个的负载转换成平面应力分布。在某些实施例中，负载是直接施加到帽状裸片的第一表面或传感器裸片的第二表面中的至少一个的力或压力。在另一方面，还提供了一种MEMS装置，包括：半导体材料的传感器裸片，具有第一表面；多个压阻元件，在第一表面处集成在传感器裸片中；转换层，位于传感器裸片上，转换层具有通孔，多个压阻元件位于通孔中；以及帽状裸片，耦合到传感器裸片并覆盖多个压阻元件，其中转换层被配置成将施加到MEMS装置的负载转换成平面应力。在某些实施例中，通孔是闭合的方形。在某些实施例中，转换层被配置为在负载被施加到帽状裸片或MEMS装置的传感器裸片时转换负载。在某些实施例中，多个压阻元件是彼此横向取向的第一压阻元件和第二压阻元件。附图说明为了更好地理解本公开，现在参照附图仅通过非限制性示例来描述本技术的优选实施例，其中：图1A是根据本方案的没有帽状裸片的力/压力传感器的示意性平面图；图1B是具有图1A的帽状裸片的传感器的示意性截面图；图2示出了力/压力传感器中惠斯通电桥的电路图；图3A是根据本方案的实施例的力/压力传感器的平面图；图3B是图3A的传感器的截面图；图4A是根据本解决方案的另一实施例的力/压力传感器的平面图；图4B-图4C是图4A的传感器的截面图；图5A是根据本方案的又一实施例的力/压力传感器的平面图；图5B是图5A的传感器的截面图；图6A是力/压力传感器的平面图，示出了用于高负载应用的可能的尺寸；图6B是图6A的传感器的截面图；图7A-图7B示出了与图6A的传感器有关的电量的电学数值和曲线图；图8A是力/压力传感器的平面图，示出了用于低负载应用的可能的尺寸；图8B是图8A的传感器的截面图；图9A-图9B示出了与图8A的传感器相关的电量的电学数值和曲线图；图10A是力/压力传感器的平面图，示出了用于流体静力学(hydrostatic)应用的可能的尺寸；图10B-图10C是图10A的传感器的截面图；图11A-图11B示出了与图10A的传感器有关的电量的电学数值和曲线图；以及图12A-图12F是根据本方案的力/压力传感器的其他实施例的平面图。具体实施方式一个或多个实施例旨在利用体硅的压阻效应来设计新的MEMS(微机电系统)集成力/压力传感器，以从较少的N/bar到若干kN/kbar的外力/压力(通过按比例放大或缩小相应尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微机电传感器，其特征在于，包括：半导体材料的传感器裸片，具有第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面在水平面中延伸并且具有沿横向于所述水平面的垂直方向上的厚度；多个压阻元件，在所述第一表面处集成在所述传感器裸片中；帽状裸片，耦合到所述传感器裸片并覆盖所述多个压阻元件，所述帽状裸片具有第一表面和沿着所述垂直方向与所述第一表面相对的第二表面，所述帽状裸片的第二表面面向所述传感器裸片的第一表面；以及转换层，布置在所述传感器裸片的第一表面和所述帽状裸片的第二表面之间，所述转换层包括沿所述垂直方向通过所述转换层的整个厚度的凹槽，其中所述多个压阻元件相对于所述凹槽垂直布置，其中所述转换层被配置为将沿所述垂直方向施加至所述帽状裸片的第一表面或所述传感器裸片的第二表面中的至少一个的负载转换为在所述凹槽处作用在所述水平面中的所述传感器裸片中的平面应力分布。

【技术特征摘要】
2017.02.21 IT 1020170000194261.一种微机电传感器，其特征在于，包括：半导体材料的传感器裸片，具有第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面在水平面中延伸并且具有沿横向于所述水平面的垂直方向上的厚度；多个压阻元件，在所述第一表面处集成在所述传感器裸片中；帽状裸片，耦合到所述传感器裸片并覆盖所述多个压阻元件，所述帽状裸片具有第一表面和沿着所述垂直方向与所述第一表面相对的第二表面，所述帽状裸片的第二表面面向所述传感器裸片的第一表面；以及转换层，布置在所述传感器裸片的第一表面和所述帽状裸片的第二表面之间，所述转换层包括沿所述垂直方向通过所述转换层的整个厚度的凹槽，其中所述多个压阻元件相对于所述凹槽垂直布置，其中所述转换层被配置为将沿所述垂直方向施加至所述帽状裸片的第一表面或所述传感器裸片的第二表面中的至少一个的负载转换为在所述凹槽处作用在所述水平面中的所述传感器裸片中的平面应力分布。2.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述凹槽在所述水平面中具有纵向主延伸部，并且所述应力分布限定在横向于所述纵向主延伸部的方向上的最大平面应力以及在平行于所述凹槽的所述纵向主延伸部的方向上的最小平面应力。3.根据权利要求2所述的微机电传感器，其特征在于，所述多个压阻元件包括：至少一个第一压阻元件，平行于所述凹槽的所述纵向主延伸部在所述水平面内延伸；以及至少一个第二压阻元件，横向于所述凹槽的所述纵向主延伸部在所述水平面内延伸，所述微机电传感器还包括限定通过所述第一压阻元件和所述第二压阻元件的纵向延伸部的电流路径的电连接。4.根据权利要求3所述的微机电传感器，其特征在于，所述压阻元件还包括：至少一个第三压阻元件，平行于所述凹槽的所述纵向主延伸部在所述水平面内延伸；以及至少一个第四压阻元件，横向于所述凹槽的所述纵向主延伸部在所述水平面内延伸，其中所述电连接被配置为限定包括所述第一压阻元件、所述第二压阻元件、所述第三压阻元件和所述第四压阻元件的惠斯通电桥。5.根据权利要求3所述的微机电传感器，其特征在于，所施加的负载被配置为引起所述第一压阻元件中的电阻变化和所述第二压阻元件中的对应的相反的电阻变化。6.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述帽状裸片通过接合层接合到所述传感器裸片，其中所述接合层介于所述转换层与所述帽状裸片的第二表面之间。7.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述帽状裸片覆盖所述传感器裸片的...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·亚巴西加瓦蒂，D·卡尔塔比亚诺，A·皮科，A·A·波马里科，G·罗塞利，F·布拉格辛，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：新型
国别省市：意大利,IT