压阻式压力传感器设备制造技术

公开了压阻式压力传感器设备。通过增加传感器的灵敏度来增加从低压力MEMS传感器输出的电压。通过使得低压力传感器设备的膜片变薄来增加灵敏度。通过同时在膜片的顶侧上产生交叉加固物来减少通过使得膜片变薄增加的非线性。顶侧的过蚀刻进一步增加灵敏度。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
固态微机电系统（MEMS）压力传感器是熟知的。例如，Kurtz等人的美国专利号4,236,137披露半导体压力传感器。Johnson等人的美国专利号5,156,052也披露固态压力传感器。Bryzek等人的美国专利号6,006,607披露使用压阻式设备的压力传感器。美国专利号5,178,016和6,093,579也披露固态压力传感器。使用形成为薄硅膜片的压阻式设备的先前技术MEMS压力传感器的熟知问题是压力非线性或PNL。PNL是硅膜片的挠度的函数。膜片挠度越大，输出非线性的程度越大，无论压阻是作为电压还是电流来检测和测量。输出非线性在意欲检测低压力（例如，低于10kPa的压力）的传感器中变得更加有问题。因为低压力感测设备需要非常薄的硅膜片，所以薄膜片中的膜片挠度趋向于恶化设计成测量低压的压力传感器中的PNL。薄硅膜片的另一个问题在于它们易碎。重大挑战是在提高压力灵敏度的同时降低或减少PNL形成膜片，而不会增加用于低压力传感器的芯片尺寸。可以在低压力下使用并且具有改进的输出线性并且比先前技术中的那些传感器更坚固且更灵敏的固态压阻式压力传感器将是一种改进。
技术实现思路
根据本专利技术的实施例，通过增加传感器的灵敏度来增加从低压力MEMS传感器输出的电压。通过使得低压力传感器设备的膜片变薄来增加灵敏度。通过同时在膜片的顶侧上产生交叉加固物来减少通过使得膜片变薄而增加的非线性。顶侧的过蚀刻进一步增加灵敏度。附图说明图1和图2是压力传感器的透视图；图3是图1和图2中所示的压力传感器的截面图；>图4描绘惠斯登电桥电路的拓扑；图5是具有高灵敏度、高精确度并且具有薄膜片和顶侧交叉加固物的压力感测元件的第一优选实施例的透视图；图6是图5中所示的压力感测元件的底部视图的透视图；图7是图5中所示的压力感测元件的截面图；图8是具有顶侧交叉加固物和4个锚状物的压力感测元件的第二优选实施例的顶侧的透视图；图9是图10中所描绘的压力感测元件的截面图；图10是在作为一般化的优选实施例的不规则延伸的膜片上具有顶侧交叉加固物和四个锚状物的压力感测元件的顶侧的平面图；图11A是压力感测元件的第三优选实施例的透视图；图11B是压力感测元件的第四优选实施例的透视图；图12是图11A中所示的压力感测元件的截面图；图13是背侧绝对压力的截面图；图14是差压传感器的截面图；图15是示出形成具有顶侧交叉加固物的压力感测元件的方法的步骤的流程图；图16是在顶侧中具有交叉加固物并且在背侧中具有竖直壁的压力感测元件的截面图；图17是具有顶侧加固物和在底部基底中的用于顶侧绝对压力感测的埋置腔的另一个优选实施例；图18是具有顶侧加固物和连接底部基底中的通孔以用于差压感测的埋置腔的另一个优选实施例；以及图19是在背侧腔中具有保护膜的实施例。具体实施方式图1是用于汽车和工业压力感测应用中的压力传感器10的透视图。图2是压力传感器10的侧视图。图3是图1和图2中所示的压力传感器10的截面图。在图1、2和3中，传感器10包括注射模制塑料壳体12，所述壳体包括细长的中空护罩部分13。护罩13保护穿过制成壳体12的塑料材料的一个或多个引线框架24。引线框架24提供进入壳体12内的容室16中的电气通路，其中由参考数字14指示的压力感测元件通过芯片安装粘合剂来安装在穿过基底26形成的孔28上方。孔18与端口32的打开通路30对准。压力将由压力感测元件14测量的液体或气体能够通过基底26中的通路30和孔18并且对制成压力感测元件的膜片（图1中不可见）施加压力。具有薄膜片的压力感测元件14位于壳体12的容室26内。也位于容室16内的特定应用集成电路（ASIC）18包括电子设备，以输出与形成在感测元件14中并且彼此电气连接以形成惠斯登电桥电路的一个或多个“分布的”压阻式设备的电阻变化成比例的电压。图4示出用于压力感测元件14中的惠斯登电桥电路400的拓扑。电路400包括四个分开的压电电阻器402、404、406和408，它们彼此连接，从而“端对端”形成具有四个节点的回路，在该回路中四个压电电阻器被连接在一起。压电电阻器402、404、406和408通过将P-半导体材料掺杂到由N-型外延层制成的薄膜片的顶表面中来形成。压电电阻器402、404、406和408与互连器互连，所述互连器通过将P+互连器掺杂到N-型外延层的顶表面中形成。包括电阻器的P-半导体材料限于小区域，并且因此位于N-型外延层中。电阻器通过掺杂到膜片的顶表面上的互连器来彼此连接。两个对角相对的节点410、412被认为是输入端子；其他两个对角相对的节点414、416被认为是输出端子。本领域普通技术人员将认识到，施加到输入端子410、412的电压量值将除以压电电阻器的电阻值与横跨输出端子414、416的输出的比率。由于压电电阻器402、404、406和408被形成为当对膜片施加压力时挠曲的薄硅膜片，所以压电电阻器402、404、406和408的物理尺寸、形状和电阻将响应于由施加到膜片的压力导致的膜片挠曲而改变。再次参照图3，ASIC18包括对输入端子410、412施加电压并且测量输出端子414、416处的输出电压的电路。因此，ASIC18产生电气可测量输出信号，该信号响应于形成为感测元件14的薄膜片的一个或多个电阻器的电阻的改变而改变。如图3中最佳看出，来自ASIC18内的电子设备的电气信号通过引线框架24（其延伸到围绕引线框架24的护罩13中）路由通过壳体12。如本文所使用，矩形是相邻的侧面形成直角的平行四边形。正方形是侧面具有相同长度的矩形。如以下所描述，微机电系统（MEMS）压力感测元件由薄且基本上正方形的硅基底形成，所述硅基底具有形成在基底的顶表面上的薄外延层。具有压电电阻器和互连器的惠斯登电桥电路400被掺杂到外延层的顶表面中。随后，将外侧层的顶部蚀刻成使层变薄并且在外延层的顶部形成交叉加固物。随后，在外延层的顶部沉积钝化层（不可见）以保护电路。蚀刻掉基底的底部的一部分以暴露外延层的底部，从而形成膜片。交叉加固物的尺寸被确定大小、成形和布置成减少从形成到外延层中的惠斯登电桥输出的信号的非线性。图5是压力感测元件500的第一实施例的透视图，该压力感测元件可以用于壳体（诸如图1-3中所示的壳体）中以提供具有高灵敏度、高精确度和减少的非线性的压力传感器。图5示出形成到基底501的顶侧上的薄外延层504的顶侧502。图6是感测元件500的底侧508的透视图。图6示出通过常规的氢氧化钠（KOH）蚀刻过程或者深反应离子蚀刻（DRIE）过程形成到基底501的底侧508中的腔510。图7是穿过截面线7-7的图5中所示的感测元件500的截面图。交叉加固物514形成到顶侧502中，并且通过蚀刻基底501的底部508形成具有指示厚度的t1的薄膜片512。如图6和图7中最佳看出，相对厚的硅基底501的底侧508被蚀刻掉从而暴露形成在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压力感测元件，包括：具有相对的顶侧和底侧的第一基底；形成到所述第一基底的底部中的膜片，所述膜片具有相对的顶侧和底侧，所述膜片的底侧具有第一外周界，所述膜片的顶侧具有第二外周界，并且包括彼此联接以形成惠斯登电桥的间隔开的压电电阻器；以及形成到所述膜片的顶侧中的交叉加固物，所述压电电阻器形成在所述顶侧的从其形成所述交叉加固物的部分中并且位于所述第二周界内侧并且接近所述第一周界。

【技术特征摘要】
2014.11.25 US 62/0842171.一种压力感测元件，包括：
具有相对的顶侧和底侧的第一基底；
形成到所述第一基底的底部中的膜片，所述膜片具有相对的顶侧和底侧，所述膜片的底侧具有第一外周界，所述膜片的顶侧具有第二外周界，并且包括彼此联接以形成惠斯登电桥的间隔开的压电电阻器；以及
形成到所述膜片的顶侧中的交叉加固物，所述压电电阻器形成在所述顶侧的从其形成所述交叉加固物的部分中并且位于所述第二周界内侧并且接近所述第一周界。
2.如权利要求1所述的压力感测元件，其中所述交叉加固物包括：
由所述膜片的顶部的一部分形成的基本上正交的第一和第二梁部分，每个梁部分具有相对的第一和第二末端；以及
形成为所述膜片的顶部的部分并且位于两个梁部分的每个末端处的锚状物，其中所述压电电阻器被形成到所述锚状物内。
3.如权利要求1所述的压力感测元件，其中所述膜片的底侧具有基本上正方形的第一外周界，所述膜片的顶侧被形成为具有大于所述第一外周界的第二外周界。
4.如权利要求2所述的压力感测元件，其中所述膜片的底侧具有基本上正方形的第一外周界，所述膜片的顶侧被形成为具有大于所述第一外周界的第二外周界。
5.如权利要求1所述的压力感测元件，其中所述第一外周界是基本上正方形的，并且其中所述第二外周界是非正方形的封闭多边形。
6.如权利要2所述的压力感测元件，其中所述第一外周界是基本上正方形的，并且其中所述第二外周界是非正方形的封闭多边形。
7.如权利要1所述的压力感测元件，其中形成到所述第一基底的底部中的所述膜片具有侧壁，所述侧壁是倾斜的。
8.如权利要1所述的压力感测元件，其中形成到所述第一基底的底部中的所述膜片具有侧壁，所述侧壁是基本上竖直的。
9.如权利要1所述的压力感测元件，其中所述膜片具有约1.5微米与约5.0微米之间的厚度，并且其中所述交叉加固物具有约5.0微米与约15.0微米之间的不同的厚度。
10.如权利要1所述的压力感测元件，其进一步包括附接到所述第一基底的底部的第二基底。
11.如权利要1所述的压力感测元件，其进一步包括附接到所述第一基底的底部的第二基底，所述第二基底具有孔，所述孔与所述膜片对准并且被配置成将流体朝向所述膜片的底侧引导。
12....

【专利技术属性】
技术研发人员：JHA邱，SHS陈，
申请(专利权)人：大陆汽车系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US