CN101886962A - 电子压力传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子压力传感装置。电子压力传感装置100包括位于基板110上的晶体管105。该装置还包括连接臂115，其具有配置为接触在晶体管附近的基板的接触区125的尖端120。该装置还包括机械地耦接到连接臂的压力转换器130。压力转换器被配置为响应于压力变化使尖端施加能改变晶体管的电传导性的力。

Description

电子压力传感装置
技术领域
本申请总体上涉及压力传感装置，更具体地说，涉及电子压力传感装置以及使用和制造该装置的方法。
背景技术
压力传感装置的微型化是符合期望的，因为这拓宽了其应用并可以减少其材料或制造成本。但是，由于压力传感装置的元件一般被分开地制造并然后组装以形成该装置，因此阻碍了微型化和成本降低。
发明内容
本公开的一个实施例是一种电子压力传感装置。该装置包括位于基板上的晶体管。该装置还包括连接臂，其具有配置来接触晶体管附近的基板的接触区的尖端。该装置还包括机械地耦接到连接臂的压力转换器。压力转换器被配置为响应于压力变化使尖端施加能改变晶体管的电传导性(electrical conductivity)的力。
本公开的另一实施例提供了一种测量压力变化的方法。该方法包括：响应于压力转换器因压力转换器周围的介质的压力变化而机械地震动，移动耦接到压力转换器的连接臂。该移动使得连接臂的尖端施加力到基板的接触区。该方法还包括：跨位于基板上且在接触区附近的晶体管施加电压。该方法还包括：记录来自晶体管的第一电压或第一电流，所记录的第一电压或第一电流作为所施加的力的变化的函数而改变。
本公开的再一实施例是一种制造电子压力传感装置的方法。该方法包括：在基板上形成晶体管，在基板上方设置连接臂，以使得连接臂的尖端能够接触晶体管附近的基板的接触区。该方法还包括：将连接臂耦接到压力转换器，以使得压力转换器周围的环境中的压力变化能够使该尖端施加力到接触区。
附图说明
当结合附图阅读时，可以由下面的具体实施方式理解各个实施例。各个特征可以不按比例绘制，以及为了论述的清楚，可以任意地增加或减小尺寸。现在结合附图参考下面的描述，在附图中：
图1A-1C呈现出本公开的示例电子压力传感装置的部分剖面图；
图2呈现出本公开的电子压力传感装置(诸如图1A-1C中呈现出的装置)的示例差分放大器电路；
图3呈现出根据本公开的测量压力变化的示例方法的流程图；以及
图4呈现出根据本公开的制造电子压力传感装置的示例方法的流程图。
具体实施方式
本公开受益于这样的认识，即，晶体管对外力的灵敏度可以被有利地用来提供电子压力传感装置。由于外部施加的力影响晶体管的电传导性(例如，通过增加或减小晶体管的载流子的迁移率)，因此当施加外力时，晶体管的电传导性变化可用于测量晶体管周围的环境介质中的压力变化。
在此公开的电子压力传感装置及其用途与典型的被设计和封装以消除或最小化外力对晶体管功能的影响的电子装置相反。通常不希望电子装置中的晶体管对外力敏感，因为这可能使得晶体管和装置的电学性能表现得不同于最初设计。例如，在它们的制造(导线接合、探查(probing)和封装)过程中施加到晶体管的力的变化可能导致晶体管的电学特性的不希望的改变。相反，本公开的压力传感装置可以包括增强晶体管对其环境中的压力变化的灵敏度的结构。
图1A-1C呈现出本公开的示例电子压力传感装置100实施例的部分剖面图。装置100包括位于半导体基板110上的晶体管105。装置100还包括具有尖端120的连接臂115，尖端120接触在晶体管105附近的基板110的接触区125。该装置100还包括机械地耦接到连接臂的压力转换器130。压力转换器130被配置来响应于压力变化使尖端120施加能改变晶体管105的电传导性的力。
基板110的接触区125是被尖端120接触的基板110的面132的一部分。出于本公开的目的，当晶体管105是在接触区125的周界134内并沿着从尖端120施加的力的希望方向136时，接触区125被认为是在晶体管105附近。
在某些实施例中，诸如图1A所示，连接臂115的尖端120位于基板110上方。在基板110上方设置尖端120可以有利于优化装置100对压力的灵敏度。例如，考虑当基板110包括晶体管105上的薄电介质层140时的情形。例如，二氧化硅电介质层140具有约10至20微米的厚度142。由尖端120传送的基本上所有力到达晶体管105，这是因为薄电介质层140基本上不能耗散来自尖端120的力。
在某些实施例中，诸如图1B所示，连接臂115的尖端120位于基板110下面。这种配置可以提供如下优点：允许容易的对晶体管105的接入。例如，用于将晶体管105连接到其他装置(未示出)的触点144可以直接位于电介质层140中的晶体管105之上，由此促进了晶体管105和触点144之间的短的互连路径。但是，有时，如图1B所示配置的装置100可以具有比图1A所示配置更小的灵敏度，这是因为基板110可以耗散较多的来自尖端120的力。例如，由于基板110基本上比介质层140更厚(例如，约200至300微米的硅厚度146)，因而可以发生力的相对较大的耗散。但是，在某些实施例中，可以减小基板的厚度114，以减小耗散效应，并由此增加压力灵敏度。例如，如图1B所示，可以去除晶体管105正下方的基板110的部分，以提供减小的基板厚度148(例如，约50至100微米)以供尖端120接触。
在再一实施例中，诸如图1C所示，连接臂115的尖端120可以位置邻近于基板110。这种实施例可以具有如下的优点：提供了与图1A或1B描绘的配置相比在竖直尺度上更紧凑的装置配置。
对于图1A-1C所示的任意实施例，连接臂115可以由任意固体材料制成，并且可以具有有助于将由压力转换器130登记的压力变化传送至接触区125的任意形状。例如，连接臂115可以由能够被模制、弯曲、加工或以另外方式成形的金属或塑料制成，以将耦接到压力转换器130的主体150提供到基板110，并提供能够接触该接触区125的尖端120。在某些情况下，优选将接触该接触区125的尖端表面152(图1A)的面积最小化，因为这可以集中从尖端125施加的力。但是，将表面152的面积最小化需要与使晶体管105中心在表面152上的优先选择作平衡，并且在面积上足够大，以便对于相同的单位压力变化，向晶体管105提供可再现量的力。关于可再现性的要求可应用于单个装置内以及在不同的装置(例如，以批处理制造的)当中。在某些实施例中，表面152的面积范围从基板110上的被晶体管105占据的面积的10至100倍。例如，考虑当以40nm节点制造晶体管105(例如，晶体管105的栅长为约40nm)并由此占据约0.02微米2的面积时的情形。在某些实施例中，表面152的面积优选范围从约0.2至2微米2。但是，在其它情况下，可以使用具有更可靠的电学性能的较大晶体管(例如，65nm节点及更高)。在此情况下，大于约2微米2的表面152面积可能是符合期望的。
如图1A所示，在某些情况下，优选将连接臂115配置为具有斜的尖端120。这种配置可以帮助将从连接臂115施加的力集中到接触区125上。
如图1A-1C所示，基板100可以包括电介质层140。电介质层140可以是包括将晶体管105耦接到装置100的其它元件(未示出)的金属互连线、通路(via)和触点(未示出)的互连结构的一部分。在某些实施例中，电介质层140是或者包括覆盖晶体管105的应变电介质层是有利的。应变电介质层140可以被配置为对晶体管105施加张力或压缩力。在某些实施例中，例如，应变电介质层140包括由氮化硅、氮氧化硅或二氧化硅构成的一个或更多个层。
应变电介质层140可以改变(例如，增加或减小)晶体管105相对于从连接臂115的尖端120施加的力的电灵敏度。与具有非应变电介质层的等效晶体管相比，可以通过对于给定的施加的栅电压和由尖端120施加的力，测量晶体管的漏极电流变化，来评估晶体管105的灵敏度。
与等效的非应变晶体管相比，应变电介质层140是增加还是减小晶体管105对由尖端120施加的力的灵敏度，取决于由电介质层140施加的应变的类型，以及，装置100中晶体管105的类型。沿方向136施加压缩力到n型金属氧化物半导体(nMOS)晶体管105的应变电介质层140可以增加晶体管105的灵敏度。亦即，与被非应变电介质层140覆盖并接收相同施加的力的等效nMOS晶体管105相比，响应于从尖端120施加的力，nMOS晶体管105的传导性(例如，如对于给定的施加的栅电压由漏极电流所反映的)在更大的程度上变化。沿方向136施加张力到nMOS晶体管105的应变电介质层140可以降低晶体管105的灵敏度。亦即，与被非应变电介质层140覆盖并接收相同的施加的力的等效nMOS晶体管105相比，响应于从尖端120施加的力，nMOS晶体管105的传导性在较小的程度上变化。
在比较中，沿方向136施加压缩力到p型金属氧化物半导体(pMOS)晶体管105的应变电介质层140可以减小晶体管105的灵敏度。亦即，与被非应变电介质层140覆盖并接收相同的施加的力的等效pMOS晶体管105相比，响应于从尖端120施加的力，pMOS晶体管105的传导性在较小的程度上变化。沿方向135施加张力到pMOS晶体管105的应变电介质层140可以增加晶体管105的灵敏度。亦即，与被非应变电介质层140覆盖并接收相同的施加的力的等效pMOS晶体管105相比，响应于从尖端120施加的力，pMOS晶体管105的传导性在更大的程度上变化。
使用应变电介质层来增加晶体管对外部施加的力的灵敏度与某些常规集成电路(IC)设计相反，这些常规集成电路(IC)设计常常试图将晶体管对外部施加的力的灵敏度最小化。常常寻求对外力的最小灵敏度，以便避免IC制造中的步骤对IC中晶体管的电学特性具有不希望的影响，由此使起作用的IC的较低成品率在可接受的范围内。
如图1A进一步所示的，在某些实施例中，装置100还可以包括位于基板110上的参考晶体管155。参考晶体管155和晶体管105之间的分开距离157是足以使得从尖端120施加的力基本上不改变参考晶体管155的电传导性的。例如，在某些实施例中，晶体管105和参考晶体管155被分开距离157，该距离157至少约为接触基板110的接触区125的尖端表面152的面积的平方根的5倍。例如，当尖端表面152的面积约等于2微米2时，分开距离约为10微米。
出于类似原因，参考晶体管155被置为使得它在接触区125的周界134的外面且不沿从尖端120施加的力的希望方向136也可以是符合期望的。例如，对于如图1C所示的实施例，未绘出参考晶体管，因为来自尖端120的力的方向136横向地横穿基板110行进，并因此可能影响图中绘出的位于截面内的参考晶体管155。相反，参考晶体管位于在图1C绘出的截面内或截面外将是优选的。
在某些实施例中，晶体管105和参考晶体管155都是pMOS晶体管或nMOS晶体管。这可以易于使晶体管105、155的电学特性互相良好匹配，当从尖端120施加力时，这又使得容易检测晶体管105、155的电学响应的差。但是，在其它情况下，晶体管105、155之一可以是pMOS或nMOS晶体管中的一种，而另一晶体管155、105可以是nMOS或pMOS晶体管中的另一种。在另一情况中，晶体管105、155中的一个或两者可以是双极晶体管或其他类型的晶体管。尽管在此论述的示例实施例描述了存在一个晶体管105和一个参考晶体管155，但是本领域技术人员将理解，如果希望的话，可以在接触区125的周界134内设置多个晶体管，或者，可以使用多个晶体管作为参考晶体管。
在某些实施例中，晶体管105和参考晶体管155两者都覆盖有应变电介质层140。应变电介质层140被配置为对晶体管105和参考晶体管155施加张力或压缩力之一。这些实施例受益于在晶体管105、155上淀积单个电介质层140的较低成本和较简单的工艺。另外，因为它们在其上具有相同的电介质层140，因此晶体管105、155可以具有相同的电学特性，这在它们被引入某些类型的差分放大器电路时可以是有用的。
但是，在其它情况下，可以使用适合的掩模和淀积工艺来仅仅在晶体管105上提供应变电介质层，以及仅仅在参考晶体管155上提供非应变电介质层。当在不这样做时从尖端120施加的力将对参考晶体管的电学特性具有实质性影响(例如，即使参考晶体管155远离接触区125)时，这可以是有利的。
还是如图1A所示，在某些实施例中，压力转换器130被附着到尖端120所接触的基板110的相同面132。例如，装置100可以被配置为音频装置，诸如麦克风、记录装置、电话或其组合，或者压力变换器(transducer)。在某些情况下，压力转换器130可以包括或者可以是附着到连接臂115的主体150的隔膜(diaphragm)，连接臂115的主体150又被附着到基板110。但是，在其它情况下，压力转换器130可以被直接附着到基板110的面132。隔膜压力转换器130可以被配置为响应于压力变化而移动，以使得通过主体150对尖端120施加机械力，由此使得尖端120在方向136上对接触区125施加力。例如，隔膜压力转换器130可以响应于通过装置100或压力转换器130所处的介质(例如，空气、液体或固体)传播的声波而机械振动，并且这些机械振动可以被施加到连接臂115的尖端120。
但是，在再一实施例中，连接臂115或压力转换器130之一或两者并不附着到基板110。例如，如图1C所示，压力转换器130和连接臂115可以被分开地附着到第二基板160，并邻近于基板110设置。
在某些实施例中，晶体管105和参考晶体管155两者都是装置100的差分放大器电路的一部分。图2呈现出本公开的电子压力传感装置(诸如，图1A-1C中呈现出的装置100)的示例差分放大器电路200。如图2所示，晶体管105和参考晶体管155可以经由公共节点215耦接到公共电压源210(例如，通过施加电压Vs)。例如，两个晶体管105、155的源电极220、222可以被耦接到公共节点215。输入电流(Iin)在晶体管105、155之间拆分。当晶体管105、155电学上等同时，它们每个承载Iin的一半。当来自尖端120(图1)的力被施加到一个晶体管105而不施加到另一晶体管155时，那么晶体管之一(例如，晶体管105或参考晶体管155)将更加导电，并因此承载更多的该电流。第一和第二电流(I1out，I2out)的差被承载将又在晶体管105、155的漏电极224、226上引起不同的第一和第二电压(V1out、V2out)。
本领域的技术人员将熟知，为了完成电路200可能要包括的附加元件。例如，如图2所示，电路200还可以包括第三晶体管230。第三晶体管230可用于控制到晶体管105、155的Iin，例如，通过调整施加到第三晶体管220的栅极225的电压(VG)。电路200还可以包括耦接到105、155的漏电极224、226的电阻器235、237。在其他实施例中，可以代替电阻器235、237，或者在电阻器235、237之外，使用附加晶体管来承受电流负荷(current load)。
图3呈现出本公开的另一实施例的测量压力变化的方法300的流程图。如图1A-2的上下文中所述的装置100的任意实施例可用于执行方法300。
继续参考整个图1A-2，方法300包括移动耦接到压力转换器130的连接臂115的步骤310。步骤310中的连接臂115的移动响应于压力转换器130因该压力转换器周围的介质中的压力变化而机械地振动(步骤320)。连接臂115的移动使得其尖端120施行施加到基板110的接触区125的力的变化(步骤330)。方法300还包括跨位于基板110上并在接触区125附近的晶体管105施加电压Vs的步骤340。该方法300还包括在步骤350中记录来自晶体管105的第一电压(V1out)，第一电压(V1out)作为施加的力的变化的函数而变化。基于本公开，本领域的普通技术人员将理解如何改变电路200(图2)，以便在步骤350中替代地记录来自晶体管105的第一电流(I1out)，第一电流(I1out)作为施加的力的变化的函数而变化。
在某些实施例中，在步骤355中施加选定的栅电压(VG)到晶体管105是符合期望的，这是因为对于给定的施加的力，与其他VG值相比，这可以导致I1out的更大的变化。例如，在某些实施例中，当在从约0.01至0.4伏的范围内施加VG(步骤350)时，在从尖端120施加力(例如，约1×10-4N或更大)时，与不施加力时相比，I1out可以变化(例如，对于nMOS晶体管105，增加)约15％或更大。在某些优选实施例中，步骤350中施加的VG约为0.01至0.15伏，这在从尖端120施加力时可以促进约30％或更大的I1out的变化。
在某些实施例中，该方法300还包括施加相同电压(Vs)到位于基板110上的参考晶体管155的步骤360。如图2的上下文中论述的，参考晶体管155可以具有与晶体管105的公共输入节点215。在有些情况下，因为参考晶体管与接触区125分开，来自参考晶体管155的第二电压(V2out)基本上不响应于从尖端120施加的力的变化而改变。参考晶体管的存在可以便于检测晶体管105的电学响应的变化。例如，在步骤370中，可以记录来自晶体管105和参考晶体管155的电压的差(例如，V1out-V2out)，该电压差分作为所施加的力的变化的函数而变化。基于本公开，本领域的普通技术人员将理解，在步骤370中可以怎样使用替代电路200(图2)来记录来自晶体管105和参考晶体管155的第一和第二电流的差(例如，I1out-I2out)。本领域的技术人员将理解如何执行适合的步骤以将步骤350或370的记录的电压或电流或者电压或电流差分分布转变为存储的信息或以另外方式对于最终用户有用的信息。
本公开的再一实施例是用于制造电子压力传感装置的方法。可以通过该方法来制造图1A-3的上下文中论述的装置100的任意实施例。图4呈现出根据本公开制造电子压力传感装置的示例方法400的流程图。
再次继续参考图1A-2，方法400包括在基板110上形成晶体管105的步骤410。该方法400还包括如下的步骤420：在基板110之上设置连接臂115，以使得连接臂115的尖端120可以接触基板110的接触区125，接触区125在晶体管105附近。方法400还包括如下的步骤430：将连接臂115耦接到压力转换器130，以使得围绕压力转换器130的介质中的压力变化可以使得尖端120施加力到接触区125。
在某些情况下，步骤410中的在基板110上形成晶体管105可以包括使用光刻构图、掺杂剂注入、刻蚀及其他常规半导体处理技术，在半导体基板110(诸如，硅晶片基板)中或上面制造晶体管105。本领域的技术人员将熟知作为步骤410的一部分的用以形成nMOS、pMOS或其他晶体管类型的工艺。但是，在其它情况下，步骤410中的在基板110上形成晶体管105可以包括将包括晶体管105的预先制造的IC安装到印刷电路板基板110。
在某些实施例中，步骤410中的在基板110上形成晶体管105可以包括在基板105上淀积电介质层140以使得晶体管105被电介质层140覆盖的步骤435。在某些情况下，步骤435中淀积的电介质层140是应变电介质层。应变电介质层140被配置为对晶体管105施加张力或压缩力之一。本领域的技术人员将熟知淀积非应变或应变电介质层140的方法，例如作为半导体晶体管前端制造工艺流程的一部分。例如，在晶体管105是nMOS晶体管的某些情况下，可以在硅基板上淀积应变的氮化硅电介质层140，以使得压缩力或张力之一被施加到晶体管105。
在某些实施例中，方法400还可以包括在基板110上形成参考晶体管155的步骤440。优选在基板110上与晶体管105分开足以使从连接臂115的尖端120施加的力将基本上不改变参考晶体管155的电传导性的距离157的位置处形成参考晶体管155。在某些情况下，形成参考晶体管155的步骤440是用来在步骤410中形成晶体管105的同一半导体晶体管前端制造工艺流程的一部分。在此情况下，步骤435中淀积的电介质层140(例如，应变电介质层)也可以覆盖参考晶体管155。然而，在其它情况下，可以执行分开的电介质层(例如，非应变的电介质层)淀积步骤445以覆盖参考晶体管155。在其他情况中，步骤440中的在基板110上形成参考晶体管155可以包括将包括参考晶体管155的预先制造的第二IC安装到安装了晶体管105(例如，IC中)的同一印刷电路板基板110。
在某些情况下，连接臂115和压力转换器130是预先制造的元件，其被分别根据步骤420和430设置和耦接。替代地，本领域的技术人员将熟知用于将连接臂115由金属、塑料或类似材料模制、弯曲或加工为合适形状的工艺，以及熟知用于制造压力转换器130(如隔膜或其他类型的压敏结构)的工艺过程。
在某些情况下，在基板110之上设置连接臂120的步骤420还可以包括将尖端120接合到接触区125的步骤450。例如，可以使用诸如环氧树脂或焊料的粘合剂材料接合尖端120。将尖端120接合到接触区125可以帮助避免通过基板110传播谐振。如果作为施加力的一部分，尖端120将从与基板110分开并在基板110上方的位置击打基板110，则可能发生谐振。这种谐振可能干扰压力转换器130接收的压力变化到晶体管105中的电传导性变化的精确转换。
虽然已经详细描述了本公开的某些实施例，但是本领域的普通技术人员应该理解，他们可以在其中进行各种改变、替代和变更而不脱离本公开的范围。

Claims (10)

1.一种电子压力传感装置，包括：
位于基板上的晶体管；
具有尖端的连接臂，所述尖端被配置为接触所述晶体管附近的所述基板的接触区；以及
压力转换器，其机械耦接到所述连接臂，所述压力转换器被配置为响应于压力变化使所述尖端施加能改变所述晶体管的电传导性的力。
2.如权利要求1的装置，其中所述连接臂的所述尖端位于所述基板下面或邻近于所述基板。
3.如权利要求1的装置，其中所述基板还包括覆盖所述晶体管的应变介质层，所述应变介质层被配置为施加张力或压缩力到所述晶体管。
4.如权利要求1的装置，还包括位于所述基板上的参考晶体管，其中所述参考晶体管和所述晶体管之间的分开距离足以使所述力基本上不改变所述参考晶体管的电传导性。
5.如权利要求4的装置，其中所述晶体管和所述参考晶体管分开至少约为接触所述接触区的所述尖端表面面积的平方根的5倍的距离。
6.如权利要求4的装置，其中所述晶体管和所述参考晶体管是差分放大器电路的一部分。
7.如权利要求1的装置，其中所述压力转换器包括隔膜，并且所述装置被配置为音频装置或压力变换器。
8.一种测量压力变化的方法，包括：
响应于所述压力转换器由于围绕所述压力转换器的介质中的压力变化而机械地振动，移动耦接到压力转换器的连接臂，其中所述移动使得所述连接臂的尖端对基板的接触区施加力；
跨位于所述基板上以及在所述接触区附近的晶体管施加电压；以及
记录来自所述晶体管的第一电压或第一电流，所述第一电压或所述第一电流作为所述施加的力的变化的函数而变化。
9.如权利要求8的方法，还包括：
施加所述电压到位于所述基板上的参考晶体管，所述参考晶体管与所述晶体管具有公共输入节点，其中响应于所述改变的施加的力的幅度，来自所述参考晶体管的第二电压或第二电流基本上不改变；以及
计算在所述第一电压和所述第二电压之间或在所述第一电流和所述第二电流之间的差，所述差作为所述施加的力的变化的函数而变化。
10.一种制造电子压力传感装置的方法，包括：
在基板上形成晶体管；
在所述基板上方设置连接臂，以使得所述连接臂的尖端能够接触所述晶体管附近的所述基板的接触区；以及
将所述连接臂耦接到压力转换器，以使得围绕所述压力转换器的介质中的压力变化能够使所述尖端对所述接触区施加力。
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