应力敏感性降低的微机电传感器器件制造技术

本发明专利技术涉及应力敏感性降低的微机电传感器器件。一种提供有感测结构的MEMS传感器器件，包括：具有在水平面中延伸的上表面的衬底；悬置在衬底的上方的惯性质量；弹性耦合元件，弹性耦合元件弹性地连接到惯性质量，以便使得它们相对于衬底的惯性移动作为沿着属于水平面的感测轴的待检测量的函数；和感测电极，感测电极电容耦合到惯性质量，以便形成至少一个感测电容器，其电容值指示待检测量。微机电感测结构包括悬置结构，感测电极被刚性地耦合到悬置结构，并且惯性质量通过弹性耦合元件弹性地耦合到悬置结构；悬置结构通过弹性悬置元件被连接到相对于衬底固定的锚固结构。

MEMS sensor devices with reduced stress sensitivity

The invention relates to a micro electromechanical sensor device with reduced stress sensitivity. A sensing MEMS sensor device structure includes a substrate having a top surface extending in a horizontal plane; suspended in inertial mass substrate; elastic coupling element, elastic elastic coupling element connected to the inertial mass, so that they move with respect to the inertial substrate along the horizontal plane as a sense of belonging to the measuring shaft to be inspected measurement function; and the sensing electrode, the sensing electrode capacitively coupled to the inertial mass, so as to form at least one sensing capacitor, the capacitance value indicating the test. MEMS sensing structure including mount structure, the sensing electrode is rigidly coupled to the mounting structure, and the inertial mass through the elastic coupling element elastically coupled to the mounting structure; mounting structure through the elastic suspension element is connected to the substrate relative to the fixed anchor structure.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及对应力、尤其是在对应的感测结构中经由与对应封装的交互所引起的应力具有降低的敏感性的MEMS(微机电系统)类型的传感器器件。
技术介绍
不失一般性，下面的描述将明确参考电容类型的MEMS加速度计。已知MEMS加速度计，其中感测轴位于水平面中，即，包括微机电结构，其感测沿着与所述结构的延伸的主平面和半导体材料的对应衬底的上表面平行的至少一个方向作用的加速度(也可能能够检测沿着与所述平面正交的方向作用的其他加速度)。图1a和图1b通过示例的方式示出了已知类型的感测结构，整体上通过1来表示，其属于感测轴在该平面中的MEMS加速度计。感测结构1包括：具有上表面2a的由半导体材料、例如硅制成的衬底2；和惯性质量3，它是由导电材料、例如适当掺杂的外延硅制成并且被布置在衬底2的上方，悬置在离衬底2的上表面2a一定距离。惯性质量3通常也被称为“转子质量”或简称“转子”，因为作为惯性效应的结果它是移动的，但是这没有暗示该惯性质量3具有旋转移动。如下文所述，在本实施例中，惯性质量3相反具有遵循沿着感测轴的加速度的感测的线性移动。惯性质量3在由彼此正交的第一水平轴x和第二水平轴y所限定的并且基本上平行于衬底2的上表面2a的水平面xy上具有主延伸，并且具有大致可忽略沿正交轴z的尺寸，正交轴z垂直于前述水平面xy(并垂直于前述衬底2的上表面2a)并与第一水平轴x和第二水平轴y形成笛卡尔三轴集合xyz。特别地，第一水平轴x在这种情况下与感测结构1的感测轴重合。惯性质量3在上述水平面xy中具有框架状构造，例如正方形或矩形(或者，换言之，它的形状像正方形或矩形环)并且在中心处具有通孔，限定一个窗口4，该通孔贯穿它的整个厚度。惯性质量3还具有多个孔5，与前述窗口4相比孔5的尺寸非常小，孔5贯穿质量3的整个厚度，在制造过程中通过化学蚀刻底层牺牲材料例如介电材料来实现它的释放(以及它随后在衬底2上方的悬置布置)(以本文中未示出的方式)。感测结构1还包括转子锚固结构6(如此定义是因为如将在下文中描述的那样它被耦合到惯性质量或转子)。转子锚固结构6被居中地设置在窗口4内，平行于衬底2的上表面2a，具有在水平面xy上的矩形构造，并且在所示出的示例中沿着第一水平轴x的纵向延伸。转子锚固结构6通过转子锚固元件7而被固定地耦合(锚固)到衬底2，转子锚固元件7在衬底2的上表面2a和所述锚固结构6之间像柱状一样延伸。转子锚固元件7也在水平面xy上具有矩形构造，其延伸比转子锚固结构6的延伸小，位于所述转子锚固结构6的中心部分处。惯性质量3通过弹性耦合元件8弹性地耦合至转子锚固结构6，该弹性耦合元件8在惯性质量3和转子锚固结构6之间、沿第一水平轴x的方向在转子锚固结构6的相对侧上被布置在窗口4中。特别地，弹性耦合元件8被配置以便使得惯性质量3相对于衬底2沿着第一水平轴x移动，符合沿着第一水平轴x的变形(并且相对于在水平面xy的不同方向或者与同一水平面xy横切的方向上的变形基本上是刚性的)。惯性质量3还承载固定地耦合到其上(与所述惯性质量3集成的或由单片制成的)的多个移动电极9(也被称为“转子电极”)。移动电极9在窗口4内从惯性质量3开始延伸。例如，该移动电极9在水平面xy中具有矩形构造，并且沿着第二水平轴y延伸(在该示例中，呈现了两个移动电极9，相对于转子锚固结构6在相对侧上延伸，沿着第二水平轴y对齐)。像惯性质量3一样，移动电极9悬置在衬底2上方，平行于同一衬底2的上表面2a。感测结构1还包括多个第一固定电极10a和第二固定电极10b的(也被称为“定子电极”)，它们被设置在窗口4内，在第一水平轴x的方向上的相应移动电极9的相对侧上，并且在水平面xy中面对相应移动电极9。第一和第二固定电极10a，10b在该示例中在水平面xy中具有在平行于移动电极9的方向上、沿着第二水平轴y延伸的矩形构造。第一和第二固定电极10a，10b通过相应定子锚固元件12a，12b还被刚性地耦合到衬底2，相应定子锚固元件12a，12b在衬底2的上表面2a和所述第一和第二固定电极10a，10b之间以柱状的形式延伸。定子锚固元件12a，12b在水平面xy中也具有矩形构造，其延伸比对应的固定电极10a，10b的延伸小，位于同一固定电极10a，10b的中心部分处。第一固定电极10a和第二固定电极10b(例如，通过对应的定子锚固元件12a，12b)被偏置在相应的偏置电压处，该偏置电压不同于移动电极9被偏置的偏置电压(例如，经由包括转子锚固元件7、转子锚固结构6、弹性耦合元件8、和惯性质量3的导电路径，在这种情况下，全部包括导电材料)。在操作期间，作用在水平面中、在该示例中沿着第一水平轴x的加速度分量，确定由于惯性效应引起的，惯性质量3从静止位置沿着第一水平轴x的位移，以及电极9朝向第一固定电极10a(或第二固定电极10b)并远离第二固定电极10b(或第一固定电极10a)的移动。因此，差分电容变化在具有平面和平行面的在移动电极9和第一固定电极10a之间形成的第一感测电容器C1和也具有平面和平行面的在移动电极9和第二固定电极10b之间形成的第二感测电容器C2之间产生。此电容变化与作用在感测结构1上的加速度的值成比例。MEMS加速度计还包括电耦合到感测结构1的适当的电子读取电路(所谓的ASIC——专用集成电路)，它在其输入端接收感测电容器C1，C2的上述差分电容变化，并对其进行处理以便确定加速度的值，用于生成电输出信号(其被提供到MEMS加速度计的外部用于随后的处理操作)。通常在半导体材料的相应裸片中提供上述电子读取电路和感测结构1，它们被密封在一个封装内，该封装保护所述裸片，而且还提供用于对外部的电连接的接口。在所谓的“衬底级封装”的解决方案中，通过一个或多个基层和帽层来获得该封装，所述底层和帽层被直接耦合到MEMS器件的裸片，构成其对外部的机械和电气接口。图2是MEMS加速度计13的示意图示，其包括封装14壳体：第一裸片15a，在其中提供ASIC电子电路；第二裸片15b，在其中提供感测结构1(包括衬底2，在衬底上方提供惯性质量3，移动电极9，以及第一和第二固定电极10a，10b)，被设置为堆叠在第一裸片15a上；和帽15c，设置在第一和第二裸片15a，15b的堆叠布置上。封装14还包括：具有外表面16a的基层16，所述基层16支撑第一和第二裸片15a，15b和帽15c的上述堆叠布置，所述外表面16a构成封装14的外表面并承载例如以电连接垫18的形式用于电连接至外部的电连接元件；和涂层区域19，例如由环氧树脂制成，其包围第一和第二裸片15a，15b以及帽15c的上述堆叠布置，并且限定了封装14的侧和上外表面，被设计成与外部环境的接触。本申请人已经意识到，在应力和变形发生的情况下，例如随着温度或环境条件变化或因机械应力的缘故，前述的感测结构1会受到甚至显著的测量误差。特别地，微机电传感器的封装由于制成它的不同和组合的材料的不同的热膨胀系数和不同的杨氏模量值而随着温度变化经受变形，可能导致在容纳在其中的感测结构1的衬底2的对应变形。类似的变形可能由于材料的老化、或者由于从外部引起的应力例如在印刷电路板上的封装的焊接过程中、或者由于由同一封装的材料的湿度吸收而出现。如在图3a中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提供有微机电感测结构(20)的MEMS传感器器件(41)，包括：‑具有在水平面(xy)中延伸的上表面(2a)的衬底(2)；‑悬置在所述衬底(2)的上方的惯性质量(30)；‑弹性耦合元件(32)，所述弹性耦合元件(32)弹性地连接到所述惯性质量(30)，以便使得所述惯性质量(30)相对于所述衬底(2)的惯性移动作为沿着属于所述水平面(xy)的感测轴(x)的待检测量的函数；以及‑感测电极(35a，35b)，所述感测电极(35a，35b)电容耦合到所述惯性质量(30)，以便形成至少一个感测电容器(C1，C2)，其电容值指示所述待检测量，其特征在于，所述MEMS传感器器件(41)包括悬置结构(21)，所述感测电极(35a，35b)被刚性地耦合到所述悬置结构(21)，并且所述惯性质量(30)通过所述弹性耦合元件(32)弹性地耦合到所述悬置结构(21)；所述悬置结构(21)通过弹性悬置元件(28)被连接到相对于所述衬底(2)固定的锚固结构(23)。

【技术特征摘要】
2015.10.14 IT 1020150000616831.一种提供有微机电感测结构(20)的MEMS传感器器件(41)，包括：-具有在水平面(xy)中延伸的上表面(2a)的衬底(2)；-悬置在所述衬底(2)的上方的惯性质量(30)；-弹性耦合元件(32)，所述弹性耦合元件(32)弹性地连接到所述惯性质量(30)，以便使得所述惯性质量(30)相对于所述衬底(2)的惯性移动作为沿着属于所述水平面(xy)的感测轴(x)的待检测量的函数；以及-感测电极(35a，35b)，所述感测电极(35a，35b)电容耦合到所述惯性质量(30)，以便形成至少一个感测电容器(C1，C2)，其电容值指示所述待检测量，其特征在于，所述MEMS传感器器件(41)包括悬置结构(21)，所述感测电极(35a，35b)被刚性地耦合到所述悬置结构(21)，并且所述惯性质量(30)通过所述弹性耦合元件(32)弹性地耦合到所述悬置结构(21)；所述悬置结构(21)通过弹性悬置元件(28)被连接到相对于所述衬底(2)固定的锚固结构(23)。2.根据权利要求1所述的器件，其中所述悬置结构(21)在所述水平面(xy)中具有框架状形状并且限定窗口(24)，所述感测电极(35a，35b)和所述惯性质量(30)被布置在所述窗口(24)内。3.根据权利要求1或2所述的器件，其中所述弹性悬置元件(28)被配置为将所述悬置结构(21)弹性地耦合到所述衬底(2)。4.根据前述权利要求任一项所述的器件，其中所述弹性悬置元件(28)被配置为以相应的方式将所述衬底(2)的可能变形传输到所述惯性质量(30)和所述感测电极(35a，35b)。5.根据前述权利要求任一项所述的器件，其中所述悬置结构(21)在所述水平面(xy)中具有框架状形状，并且所述锚固结构(23)包括相对于所述衬底(2)固定的锚固部分(26)，其被布置到所述悬置结构(21)外部并且经由所述弹性悬置元件(28)的相应弹性悬置元件而被耦合到所述悬置结构(21)；其中所述弹性悬置元件(28)具有直线构造。6.根据权利要求5所述的器件，其中所述锚固部分(26)被布置在所述悬置结构(21)的顶点处，并且所述弹性悬置元件(28)从所述顶点开始、朝向相应的锚固部分(26)延伸，以相对于所述感测轴(x)相反的倾斜成对对齐。7.根据前述权利要求任一项所述的器件，其中所述悬置结构(21)内部包括电绝缘区域(22)，用于将固定地连接到所述感测电极(35a，35b)的所述悬置结构(21)的第一部分(21a，21b)与弹性地连接到所述惯性质量(30)的所述悬置结构(21)的第二部分(21c，21d)电绝缘。8.根据权利要求7所述的器件，其中所述悬置结构(21)的所述第一部分(21a，21b)和所述第二部分(21c，21d...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·托齐奥，F·里奇尼，L·奎利诺尼，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT