CN101988859A - 具有高精确度和高灵敏度的低压传感器装置 - Google Patents

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具有高精确度和高灵敏度的低压传感器装置。在由具有嵌入的压阻换能器的硅膜形成的低压传感器装置中，压力非线性利用在超薄膜上的浅凸台或薄刚性构件而降低，同时装置的压力灵敏度由于角部槽而提高。

Description

具有高精确度和高灵敏度的低压传感器装置
背景技术
固态压力传感器是众所周知的。Kurtz等人的美国专利No.4,236,137公开了一种半导体压力换能器。Johnson等人的美国专利No.5,156,052也公开了一种固态压力换能器。Bryzek等人的美国专利No.6,006,607公开了使用压阻器件的压力传感器。美国专利No.5,178,016和No.6,093,579也公开了固态压力传感器。
对于使用形成在薄的硅膜中的压阻器件的现有技术压力传感器，众所周知的问题是压力非线性(或PNL)。PNL是硅膜的挠曲的函数。膜挠曲越大，输出非线性的程度就越大，无论压电电阻作为电压还是作为电流被检测和测量。
输出非线性在用于检测低压，例如，低于10kPa的压力的传感器中变得较成问题。因为低压传感装置需要非常薄的硅膜，薄的膜中的膜挠曲趋向于使在被设计成测量低压的压力传感器中的PNL加剧。薄的硅膜的另一问题是它们易碎裂。主要的挑战是，在改进压力灵敏度而不增加用于低压传感器的芯片尺寸的同时产生降低或减少PNL的膜。固态压阻压力传感器将会是一种改进，其能在低压时使用并且具有改进的输出线性，而且其比现有技术中的那些压力传感器更结实且更灵敏。
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是在图1、2和3中所示的压力传感器中使用的压力传感器元件的截面图；
图5是在图3中所示的压力传感器中使用的压力传感器元件的俯视图；
图6是压力传感器元件的仰视图；
图7是压力传感器元件的膜的底部的透视图；以及
图8示出形成压力传感器元件的工艺步骤。
具体实施方式
图1和图2是在自动和工业压力传感应用中使用的压力传感器10的优选实施方式的不同透视图。图3是图1和图2中示出的压力传感器10的剖视图。图1、2和3中示出的传感器10包括压阻压力传感器元件，其在下面被描述并且该压阻压力传感器元件通过使用薄的膜而具有减少的PNL和改进的压力灵敏度，其包括表面微加工的刚性构件，这里也称为“浅凸台”。以下描述的传感器元件在图1或图2中没有示出，因为其在外壳12内侧。但是，图3示出了在传感器10中的压力传感器元件14的相对位置。
注射模制的塑料外壳12将膜型压力传感器元件14密封在腔16内侧。集成电路18经导线20电连接到压力传感器元件14的膜中的压阻器件，该集成电路18包括电子器件以测量传感器元件14中的一个或更多个压阻器件的电阻变化，且响应于该电阻变化而产生电测量输出信号，该导线20从集成电路18延伸到压力传感器元件14上的金属焊垫。电源和接地连接导线22为集成电路18提供电流。
来自集成电路18内部的电子器件且表示压力传感器元件14中的膜的挠曲的电信号通过信号引线框架24传送通过外壳12，信号引线框架24延伸到包围信号和电源引线框架24的套罩内。
如下所述，压力传感器元件14由薄的、方形或矩形硅膜36形成，硅膜36具有顶表面(或顶侧)和底表面(或底侧)，方形为具有四条相等长度的侧边和四个相等的内角(90度)的特殊类型的矩形。利用普通技术人员公知的现有技术，一个或多个压阻换能器38靠近膜36的外周的边形成到膜36内。响应于施加到膜表面的压力的膜挠曲使压阻换能器中产生应力，这导致其电阻改变。压阻器件的电阻改变随后通过集成电路(IC)18中的电路而转换成可测量的电量，即，电压或电流，以产生表示膜上的压力的电信号。
因为压力传感器10用于感测低压，所以膜厚度应该是薄的。在优选实施方式中，膜厚度标称在大约三(3)和大约五(5)微米之间，但是，可替代的实施方式包括厚度在1微米和大约10微米之间的膜，以便使膜能够响应低于10kPa的压力。尽管薄的膜使压力传感器元件14能够响应非常低的压力，但是这种薄的膜的使用会使PNL加剧。本发明人通过使用薄或“浅”的刚性构件34已经克服了由薄的膜引起的PNL的增加，刚性构件34在膜的与压阻换能器38相反的一侧应用于膜36或形成为膜36的一部分。刚性构件34在这里也称为“凸台”。使用适当厚度的薄刚性构件使膜能够响应低压但不会使膜过度挠曲。
在形成膜本身的蚀刻工艺过程中，薄刚性构件34或“凸台”优选地形成为膜36的一部分。表面微加工为可选的，其是一次一个相互施加多个层的公知的工艺，但是优选地用于适当“薄”的膜36并且形成刚性构件34。在替代的实施方式中，刚性构件34分开地形成并且随后附连到膜36。
在优选的实施方式中，膜36为具有大约770微米的宽度和长度的方形或大致方形。如在图中所示，刚性构件34优选地具有与膜36相同的几何形状，并且刚性构件的中心尽可能靠近膜36的中心定位，从而膜36在其角部被支撑，并且位于膜的边的中间处的压阻换能器38由于膜挠曲而产生应力。在优选的实施方式中，方形刚性构件具有大约为470微米的宽度和长度，以及具有范围可从大约1微米到大约20微米变化的厚度，但是刚性构件34的优选范围是在大约1微米至10微米之间。
图4是被构造用于在诸如图1、2和3中示出的一个压力传感器中使用的压力传感器元件14的截面图。压力传感器元件14包括通过晶片键合连接在一起的两层半导体材料。在此被称为器件晶片的顶层被形成为具有前述的薄的膜36。当膜36响应于施加到它的压力而挠曲时，膜变形改变压阻换能器38的电阻。通过集成电路18中的器件(未示出)来电测量电阻的变化，以产生与膜挠曲成比例或表示膜挠曲的输出信号。通过膜36的相反的一侧上的刚性构件34减少压阻元件的电阻的非线性。
如图4中所示，压力传感器元件14包括具有顶表面29和底表面31的器件层28，以及具有顶表面25和底表面27的衬底层26。衬底层优选地由单晶硅制成。
在图4中，器件层28相应地具有其自己的顶表面29和底表面31并且由单晶硅制成。利用任何合适的蚀刻技术，例如深反应离子蚀刻(DRIE)来蚀刻器件层28的底表面31，以在底表面31中形成腔30。腔30优选地为方形或矩形，但形成具有L型的角部32，该L型的角部32被比较深地蚀刻且在图7中最佳地示出。
在器件晶片28的底表面31被蚀刻之后，器件晶片28的底表面31晶片键合到衬底层26的顶表面25。在器件晶片28晶片键合到衬底层26之后，利用化学机械抛光(或CMP)将器件晶片28的顶表面(在图8以附图标记45表示)变薄，以形成膜36的顶表面29。将器件晶片28从其顶表面(在图8以附图标记45表示)变薄产生在图4中所示的次级或第二顶表面29。在变薄之后，器件晶片28距离腔30的厚度，即，顶表面29至底表面31之间的距离为大约400微米。膜被看作是器件晶片28的在CMP变薄之后保留的材料，且其在顶表面29和刚性构件或浅凸台34的底表面之间。刚性构件34的顶部和表面29之间的距离限定膜的厚度。在顶表面变薄以形成表面29之后器件晶片的厚度导致薄的膜的形成，该薄的膜将响应于施加到膜的任一侧的非常低的压力而挠曲。
在DRIE工艺过程中可形成上述刚性构件34，在此情形中，刚性构件和膜由相同的材料形成，或者刚性构件可由与膜相同的材料或与膜不同的材料分开地形成。与膜36类似，刚性构件34也是薄的，即，优选地在2微米和大约7微米之间，但是优选地大约4微米厚。如上所述，刚性构件的厚度范围可从1微米到大约10微米不等。
如图中所示，刚性构件34没有一直延伸到槽的侧壁37，而是位于膜中央。尽管刚性构件34朝向侧壁37仅延伸到半途，但是刚性构件还是会减少薄的膜响应于施加的压力的挠曲和几何非线性，并且这样会减少形成在器件层28的顶表面29内的压阻换能器38的电阻非线性。因而，刚性构件对改进压力传感器元件14的线性(或者减少PNL)很重要，其工作压力范围由膜36的厚度来确定。
图5是图4中以截面形式示出的压力换能器38的俯视图。在该图中，膜36被以虚线清楚地示出为器件层28的顶表面29的方形部分且位于膜的几何中心。压阻换能器38靠近膜36的一条边的中间处形成。
图6是器件晶片28的仰视图。变薄的外角部区域或部分32被形成槽，它们也被示出为通过侧臂42相互分开。如在图7中所示，侧臂42比角部部分32厚。刚性构件34因而可被看作是附加材料厚度，而不是侧臂42的部分且不是角部32的部分。举例来说，侧臂42的厚度可以是5微米，角部的厚度是3微米，而不作为侧臂42的部分且不作为角部32的部分的刚性构件34的自身厚度可以是4、5或6微米。
图7是器件晶片28的膜的底部的透视图。在该图中，刚性构件34被示出为形成为膜36的一部分，这可在腔30的蚀刻过程中发生。但是，在替代性实施方式中，刚性构件34可形成为应用到膜36的底部的单独结构，例如表面微加工。
图8示出形成具有高精确度和高压力灵敏度的压力换能器应用的工艺步骤。制造工艺以在上述图中由附图标记26和28表示的两个单独的半导体晶片开始。作为第二步骤，蚀刻器件晶片28的底表面31以形成浅腔30。间隙或腔30从底侧形成，因为在随后的步骤中蚀刻衬底晶片26来形成通孔，该通孔一直延伸穿过衬底晶片26且其允许流体(气体或液体)撞击在膜的后侧或底侧上。
在形成器件晶片28和衬底晶片26之后，将器件晶片和衬底晶片彼此晶片键合。一旦所述晶片彼此键合，利用化学机械抛光(CMP)技术使顶表面45变薄，其结果是形成次级顶表面29。
晶片键合提供了在它们之间的气密封。在由衬底26结合到器件晶片28的晶片键合封装之后，在电路的制造过程中腔30与外界隔离。
在第四步骤中，利用公知的现有技术，将包括压阻换能器38和用于导线连接的金属焊垫43以及在金属垫43和压阻换能器38之间的互连44的电路39形成到变薄的器件晶片28的次级顶表面29中。次级顶表面29中的电路允许从外部集成电路对压阻换能器38进行电连接。钝化层40被添加到次级顶表面29上以保护电路39。
在最后的步骤中，从衬底晶片的底表面27到其顶表面25一直穿过衬底晶片26形成通孔。通孔51因此允许压力换能器38作为差动换能器操作，也就是说，压阻换能器38的电阻将响应于腔30内部的压力和顶表面29上方的压力之间的压差而改变。
上述膜和刚性构件的尺寸是重要的，因为它们使压力传感器元件14具备现有技术中不存在的特征，即，在减少PNL的情况下测量低压的能力，而否则只能利用现有技术教导的厚膜和/或厚刚性构件才可以。
如此处使用的，膜36被认为是器件晶片28的直接位于腔30上方的部分。在优选实施方式中，膜厚度在大约3微米至大约5微米之间。膜本身优选是方形，其具有的边到边的尺寸为大约700至800微米，优选的实施方式为大约770微米的宽度。
此处也被称为凸台的刚性构件34也优选地为方形，其具有大约400微米的公称宽度。膜的角部32比较薄且具有大约3微米的厚度。刚性构件的替代性的实施方式可以是矩形、圆形或椭圆形，它们是公知的几何形状，因此为了简化而省去它们的图形。
穿过衬底晶片26形成的孔51优选地利用深反应离子蚀刻(或DRIE)形成。该孔允许流体(气体或液体)对膜的底部或后侧施加压力，以提供差动压力传感器。该孔的侧壁几乎竖直。替代性的实施方式采用其他蚀刻技术。
作为最后的处理步骤，由二氧化硅或氮化硅形成的钝化层沉积到次级顶表面29上，以保护其内形成的压阻换能器38和其他电路元件39。金属焊垫对压力换能器提供导电通路，前述连接导线20可附连到该导电通路。
前述说明仅用于示意性的目的。本发明的真正范围由所附权利要求限定。

Claims (13)

1.一种压力传感器，包括：
硅膜(膜)，具有在大约1微米和大约10微米之间的第一厚度，且具有在其内形成的压阻元件；以及
膜刚性构件，具有在大约1微米和20微米之间的第二厚度，所述膜刚性构件附连到所述膜且靠近所述膜的中心设置。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述膜刚性构件具有在大约1微米和大约10微米之间的第二厚度。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述膜刚性构件被表面微加工。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述刚性构件具有外周边，并且其中，所述膜被蚀刻，并且在分布于所述膜的外周边周围的多个区域变薄。
5.根据权利要求2所述的压力传感器，其中，所述膜刚性构件为矩形的。
6.根据权利要求2所述的压力传感器，其中，所述膜刚性构件为圆形的。
7.根据权利要求3或4所述的压力传感器，其中，在所述刚性构件的每个角部处设有一个蚀刻区域。
8.根据权利要求7所述的压力传感器，还包括位于每个蚀刻区域之间的侧臂，其中，所述蚀刻区域具有第一厚度，所述侧臂具有第二厚度，并且所述刚性构件具有第三厚度，以及其中，所述第一厚度、所述第二厚度和所述第三厚度互不相同，并且其中所述刚性构件由所述膜形成。
9.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述刚性构件由与所述膜不同的材料形成。
10.根据权利要求1所述的压力传感器，还包括具有凹部的外壳。
11.根据权利要求1所述的压力传感器，还包括形成在所述硅膜中的至少一个电路和形成在所述膜上的钝化层。
12.一种形成压力传感器的方法，所述方法包括以下步骤：
在第一芯片的第一侧上形成浅间隙，所述浅间隙具有底表面，并且其中，形成所述浅间隙以向所述浅间隙的底表面提供刚性构件；
在所述刚性构件周围形成多个蚀刻区域；
将所述第一芯片结合至第二芯片；
将所述第一芯片的第二侧变薄；以及
在所述第一芯片的第二侧上形成压阻换能器。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括下述步骤：穿过所述第二芯片形成孔。
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