具有应力调整器以最小化由电场屏蔽件引起的热滞后的MEMS压力传感元件制造技术

一种压力传感元件，包括基板、耦合到基板的器件层、作为器件层的一部分的膜片、以及耦合到膜片的多个压电电阻器。多个接合焊盘设置在器件层上，并且电场屏蔽件接合到器件层的顶部和至少一个接合焊盘。至少一个应力调整器是电场屏蔽件的一部分，其中，应力调整器是切口，该切口被构造和布置成减小在冷却和加热循环期间由电场屏蔽件的应力松弛引起的压力传感元件的热滞后。应力调整器可以是沉积在电场屏蔽件的顶部上的薄膜，其可以向压电电阻器施加残余应力。压力传感元件可以包括整体形成为基板的一部分的空腔。板的一部分的空腔。板的一部分的空腔。

【技术实现步骤摘要】
具有应力调整器以最小化由电场屏蔽件引起的热滞后的MEMS压力传感元件
[0001]相关申请的交叉引用本申请要求2020年11月19日提交的临时申请63/198,879的优先权。上述申请的公开内容通过引用并入本文。


[0002] 本专利技术一般涉及压力传感元件，其包括至少一个应力调整器，以最小化电场屏蔽件的应力松弛的热机械效应（thermal
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mechanical effect），并因此最小化热滞后。

技术介绍

[0003]微机电系统（MEMS）压力传感元件是公知的并且被广泛使用。空腔绝缘体上硅（C
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SOI）晶片是一种切割边缘SOI技术，其中，处置晶片（或支撑晶片）包含预蚀刻的空腔。一种类型的空腔绝缘体上硅（CSOI）MEMS压力传感元件是绝对压力传感元件，其包括熔融接合到硅支撑基板上的硅器件层，该硅支撑基板包含预蚀刻的空腔以在空腔中形成基准真空。压力传感元件包括四个压电电阻器，其连接成所谓的“惠斯通电桥”配置。压电电阻器掺杂在设置在空腔上方的膜片上，以便检测由于压力变化而引起的膜片的挠曲。压力传感元件可以包括电场屏蔽件，其用于减少或消除在操作期间的电荷对压力传感元件的影响。
[0004]这些MEMS压力传感元件被制造成不同的尺寸并用于各种应用。然而，电场屏蔽件的使用会导致不能被校准的热滞后。
[0005]参考图1所示的滞后回线，在MEMS压力传感元件的热冷却和加热过程期间，不维持电压输出。在大约22℃的室温下在初始点（V
I
）处测量输出电压。然后，将MEMS压力传感元件的温度降低到
‑
40℃，然后升高回到22℃，并且测量在该中点（V
M
）处的电压输出，而该电压输出高于在初始点（V
I
）处的输出电压。然后，将MEMS压力传感元件的温度升高到150℃，然后降低回到室温，并且在该终点（V
F
）处测量MEMS压力传感元件的输出电压。冷滞后电压=V
M
‑
V
I
。热滞后电压=V
F
‑
V
I
。最差电压差=V
F
‑
V
M
在此被认为是热滞后电压。热滞后被定义为热滞后电压除以跨度。存在其中热滞后过高的情况，并且MEMS压力传感元件可能不被校准。
[0006] MEMS压力传感元件的热滞后的根本原因是由于在沉积在MEMS压力传感元件上的电场屏蔽件的冷却和加热过程中的电场屏蔽件应力松弛（粘塑性）。双轴应力不能在短时间内恢复到原始残余应力状态。热残余应力差引起了输出电压偏移，称为“热滞后电压”。
[0007]电场屏蔽件上的压缩残余应力在压电电阻器上引起拉伸应力，而电场屏蔽件上的拉伸残余应力在压电电阻器上引起压缩应力。注意，不同的电场屏蔽件材料可以使得图2中所示的循环应力回线被反转，并且在终点处的输出电压高于在中点处的输出电压，这是图1的反转回线。
[0008]图3示出了MEMS压力传感元件的俯视图，该MEMS压力传感元件具有电场屏蔽件FS以减小或消除在操作期间的电荷对压力传感元件的影响。在图4中用更详细的层来描述MEMS压力传感元件的对角截面图。图5示出了压电电阻器上的应力分量的俯视图。在惠斯通
电桥电路中，R1和R3是一对，而R2和R4是另一对。
[0009]在由电场屏蔽件引起的热循环期间在中点和终点处的固有和热失配残余应力的情况下，如果电场屏蔽件在压电电阻器上引起拉伸应力，则径向应力高于在每个压电电阻器上感测的切向应力。请注意，差分电场屏蔽件材料可以在压电电阻器上引起压缩应力。在冷却和加热循环期间电场屏蔽件的应力松弛会导致应力差更高，并因此导致在中点和终点之间的更高的热滞后电压。更高的热滞后电压会导致更高的热滞后。
[0010]对于压力感测，每个压电电阻器感测到比经受所施加的压力的切向应力高得多的径向应力，也在图6中描绘了。
[0011]然而，耦合于在由电场屏蔽件引起的热循环期间在中点和终点处的固有和热失配残余应力，径向应力甚至高于每个压电电阻器上的切向应力。中点和终点之间的更高的应力差导致了更高的热滞后电压和热滞后。因此，在较高压力下的热滞后高于在较低压力下的热滞后。
[0012]因此，需要减少或消除具有电场屏蔽件的MEMS压力传感元件中的热滞后。

技术实现思路

[0013]在一个实施例中，本专利技术是一种具有电场屏蔽件的MEMS压力传感元件，其中，电场屏蔽件具有至少一个应力调整器。应力调整器调节压电电阻器上的纵向应力和横向应力的量值，以改变中点和终点之间的热滞后电压，并将热滞后向上或向下偏移，以最小化热滞后。
[0014]在一个实施例中，本专利技术是一种压力传感元件，包括支撑基板；作为支撑基板的一部分而整体形成的空腔；接合到支撑基板的器件层；作为器件层的一部分的膜片，该膜片以密封方式覆盖空腔；以及耦合到膜片的多个压电电阻器。多个接合焊盘设置在器件层上，并且电场屏蔽件接合到器件层的外表面，使得电场屏蔽件在器件层和至少一个接合焊盘的顶部上。至少一个应力调整器是电场屏蔽件的一部分，其中，应力调整器被构造和布置成减小在压力传感元件的冷却和加热循环期间由电场屏蔽件的应力松弛引起的压力传感元件的热滞后。
[0015]在一个实施例中，压力传感元件包括多个应力调整器。
[0016]在一个实施例中，应力调整器被整体地形成为电场屏蔽件的一部分，以便在冷却和加热循环期间减小多个压电电阻器上的径向应力并且增大多个压电电阻器上的切向应力。
[0017]在一个实施例中，应力调整器被整体地形成为电场屏蔽件的一部分，以便在冷却和加热循环期间增大多个压电电阻器上的径向应力并且减小多个压电电阻器上的切向应力。
[0018]在一个实施例中，应力调整器是切口，其中，电场屏蔽件的一部分被去除。切口可以具有若干种形状中的一种，包括但不限于L形、正方形、圆形、矩形、十字形或T形。另外，也可以使用若干个应力调整器来实现期望的热滞后。
[0019]在一个实施例中，压力传感元件包括以多个切口形式的多个应力调整器，并且多个切口中的每一个是矩形形状的，并且多个切口中的至少两个被布置成L形配置。
[0020]在一个实施例中，应力调整器是薄膜，其中，薄膜沉积在电场屏蔽件的顶部上。在
一个实施例中，薄膜将残余应力施加到多个压电电阻器。
[0021]本专利技术的其他应用领域将从以下提供的详细描述中变得显而易见。应当理解，详细描述和具体示例虽然指示了本专利技术的优选实施例，但仅旨在用于说明的目的，而不旨在限制本专利技术的范围。
附图说明
[0022]从详细描述和附图中，本专利技术将变得更完全理解，其中：图1是MEMS压力传感元件的热滞后回线的图表；图2是在热循环期间电场屏蔽件上的残余应力的图表；图3是具有电场屏蔽件而没有应力调整器的MEMS压力传感元件的俯视图；图4是沿图3的线4
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压力传感元件，包括：支撑基板；空腔，作为所述支撑基板的一部分而整体地形成；器件层，接合到所述支撑基板；膜片，其是所述器件层的一部分，所述膜片以密封的方式覆盖所述空腔；多个压电电阻器，耦合到所述膜片；多个接合焊盘，设置在所述器件层上；电场屏蔽件，接合到所述器件层的外表面，使得所述电场屏蔽件在所述器件层和所述接合焊盘中的至少一个接合焊盘的顶部上；以及至少一个应力调整器，其是所述电场屏蔽件的一部分；其中，所述至少一个应力调整器被构造和布置成减小在所述压力传感元件的冷却和加热循环期间由所述电场屏蔽件的应力松弛所引起的所述压力传感元件的热滞后。2.根据权利要求1所述的压力传感元件，所述至少一个应力调整器还包括多个应力调整器。3.根据权利要求1所述的压力传感元件，其中，所述至少一个应力调整器整体地形成为所述电场屏蔽件的一部分，以便在冷却和加热循环期间减小所述多个压电电阻器上的径向应力并且增大所述多个压电电阻器上的切向应力。4.根据权利要求1所述的压力传感元件，其中，所述至少一个应力调整器整体地形成为所述电场屏蔽件的一部分，以便在冷却和加热循环期间增大所述多个压电电阻器上的径向应力并且减小所述多个压电电阻器上的切向应力。5.根据权利要求1所述的压力传感元件，所述至少一个应力调整器还包括切口。6.根据权利要求5所述的压力传感元件，所述切口还包括已经被去除的所述电场屏蔽件的部分。7.根据权利要求5所述的压力传感元件，其中，所述切口是L形的。8.根据权利要求5所述的压力传感元件，其中，所述切口是正方形的。9.根据权利要求5所述的压力传感元件，其中，所述切口是圆形的。10.根据权利要求5所述的压力传感元件，其中，所述切口是矩形的。11.根据权利要求5所述的压力传感元件，其中，所述切口是十字形的。12.根据权利要求5所述的压力传感元件，其中，所述切口是T形的。13.根据权利要求5所述的压力传感元件，所述切口还包括多个切口，所述多个切口中的每一个切口是矩形的，并且所述多个切口中的至少两个切口以L形配置进行布置。14.根据权利要求1所述的压力传感元件，至少一个应力调整器还包括薄膜，其中，所述薄膜沉积在所述电场屏蔽件上。15.根据权利要求14所述的压力传感元件，其中，所述薄膜将残余应力施加...

【专利技术属性】
技术研发人员：JH，
申请(专利权)人：纬湃科技美国有限责任公司，
类型：发明
国别省市：