CN103180705A - 用于测量力的微机电传感器以及对应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量力、压力或类似物理量的微机电传感器。该微机电传感器包括：具有测量元件的衬底，其中测量元件包括至少两个导电区域，其中导电区域中的至少一个至少部分地与衬底连接；和至少一个变换区域，其中变换区域至少部分地布置在导电区域之间，其中变换区域在无负载的状态下构成为基本上电绝缘的，并且在有负载的状态下构成为基本上导电的。本发明同样涉及一种对应的方法以及一种用于制造微机电传感器的对应方法。

Description

用于测量力的微机电传感器以及对应的方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量力、压力或类似物理量的微机电传感器、一种对应的方法以及一种对应的制造方法。
背景技术
微机电系统已经在如今获得了巨大的经济意义。尤其是在消费领域中和在汽车范畴中用作为加速度传感器和压力传感器的微机电传感器在这里形成了最大的部分。
这种压力传感器基于基本上相同的工作原理：压力差导致压力传感器中的膜片的变形。对膜片的与压力差成比例的该变形进行测量。对此已经公知了用于分析处理的两种对应的方法。
在电容方法中，膜片被构造为使得通过膜片变形改变电容。检测对应的电容变化，并且然后借助该电容变化计算出压力差或对应的压力。
用于分析处理的第二种方法基于所谓的压阻效应。将压敏电阻布置在对应的膜片上或膜片中。然后将电压施加到该压敏电阻上。在膜片变形时，压敏电阻的电阻也因此变化，即膜片变形被作为电阻变化来测量。例如从DE 10 2008 033 592 A1中公知一种基于压阻效应的压力传感器。
发明内容
在权利要求1中所定义的用于测量力、压力或类似物理量的压力传感器包括具有测量元件的衬底，其中测量元件包括：至少两个导电区域，其中导电区域中的至少一个至少部分地与衬底连接；和至少一个变换区域，其中变换区域至少部分地布置在导电区域之间，其中变换区域在无负载的状态下是构成为基本上电绝缘的并且在有负载的状态下构成为基本上导电的。
在权利要求6中所定义的用于测量力、压力或类似物理量的方法——该方法尤其是适合利用根据权利要求1-6中的至少一项的微机电传感器来执行——包括以下步骤：
测量在无负载的状态下施加于变换区域的电参量，其中变换区域布置在至少两个导电区域之间，
变换区域由于力、压力或类似物理量变形，
在有负载的状态下测量电参量，
借助所测量的电参量来确定力、压力或类似物理量。
在权利要求8中所定义的用于制造尤其是根据权利要求1至6中的至少一项的微机电传感器的方法包括以下步骤：
优选借助热氧化或化学气相沉积，尤其是借助原子层沉积，在第一导电层上施加薄的氧化层，
优选借助化学和/或物理气相沉积，将第二导电层施加到薄的氧化层上，以及
如此在衬底上布置彼此相叠布置的层，使得彼此相叠布置的层——即第一导电层、氧化层和第二导电层——的至少一部分是能变形的。
本发明的优点
在权利要求1中所定义的微机电传感器、在权利要求6中所定义的方法以及在权利要求8中所定义的用于制造微机电传感器的方法具有以下的优点，即微机电传感器可以成本有利地制造，同时对于干扰较不敏感，并且可以采用在较大的温度范围中。除此之外，微机电传感器或对应的方法具有较高的精度。
根据本发明的另一优选的改进方案，变换区域在无负载的状态下具有少于25纳米、尤其是少于10纳米、优选少于5纳米的厚度。在此优点在于，因此可以特别良好地利用电子的量子力学的隧道效应来进行压力测量和力测量，也即微机电传感器的灵敏度在高精度的同时是相对应地高的。如果变换区域的厚度由于间接作用于其的力而减小，则隧道势垒变得更小并且电子的隧道贯通的概率提高；通过变换区域的隧道电流尤其是指数地上升。
根据本发明的另一有利的改进方案，变换区域包括二氧化硅和/或氮化硅。在此所达到的优点是，微机电传感器因此可以以简单的和成本有利的方式配备电绝缘层。
根据本发明的另一有利的改进方案，测量元件包括多个交替布置的导电区域和变换区域。在此优点是，当例如如此相叠地布置区域中的多个时，因此进一步提高了微机电传感器的灵敏度和精度。
根据本发明的另一有利的改进方案，微机电传感器包括膜片，该膜片在至少两个、尤其是四个相邻的侧上分别具有测量元件。在此优点是，因此可以仍进一步提高微机电传感器的灵敏度和精度，例如可以将相应测量元件的测量值用于力测量或压力测量的平均值构成。
根据本方法的另一有利的改进方案，借助电参量的单调的、尤其是指数的变化曲线，进行力、压力或类似物理量的确定。在此情况下优点是，因此可以以简单和可靠的方式明确地将特定的力或特定压力或类似物理量分配给电参量的值，使得实现压力、力或类似物理量的可靠确定。
附图说明
在附图中示出和在以下的描述中详细阐述本发明的实施例。其中：
图1示出根据第一实施形式的微机电传感器的工作方式的原理示图；
图2示出根据本发明的第二实施形式的微机电传感器的原理示图；
图3示出根据本发明的第三实施形式的微机电传感器的示意图；
图4示出根据本发明的第四实施形式的微机电传感器的示意图；
图5示出用于制造根据本发明的第一实施形式的微机电传感器的方法的步骤；和
图6示出根据第一实施形式的方法的步骤。
具体实施方式
在图中相同的附图标记表示同样的或功能相同的元件。
图1示出关于根据第一实施形式的微机电传感器的工作方式的原理示图。
在图1中，附图标记1表示微机电传感器的测量元件。测量元件1包括具有基本上矩形截面的下导电区域2a和上导电区域2b。同样基本上具有矩形截面的变换区域3布置在这两个导电区域2a，2b之间。在此根据图1在垂直方向上测量变换区域3的厚度D。此外在图1a中，下导电区域2a和上导电区域2b与电压源5相连接以及与电流测量设备M相连接，该电流测量设备M用于流经导电区域2a，2b和变换区域3的隧道电流4。如果现在变换区域3的厚度D减小，则在导电区域2a，2b之间流动的隧道电流4根据图1b的变化曲线V指数地上升。因此在根据图1b的示图中，关于变换区域3的厚度D绘出了隧道电流4。变化曲线V在此是指数的，横坐标和纵坐标的比例尺在此是线性的。在仅还1纳米的厚度D的情况下，根据图1b的隧道电流具有0.67的大小，而在6纳米的厚度D的情况下，该隧道电流具有0.1的值。隧道电流4在此配备了任意的单位。
图2示出根据本发明的第二实施形式的微机电传感器的原理示图。在图2a中示出微机电传感器的测量元件1，该测量元件1 基本上对应于根据图1a的测量元件1的构造。此外示出在其上布置了导电区域2a的衬底7。在导电区域2b上布置基本上为T形的力冲头6。在图2a中，不向力冲头6施加力。
如果现在力F从上方作用到力冲头6上，则因此间接地减小变换区域3的厚度D。由于变换区域3的减小的厚度D，现在通过施加在导电区域2a，2b上的电压，较大的隧道电流4可以流过位于导电区域2a，2b之间的变换区域3。借助隧道电流4于是可以确定作用到力冲头6上的力F。
图3示出根据本发明的第三实施形式的微机电传感器的示意图。在图3a中示出微机电传感器的测量元件1。该测量元件1的构造在此基本上又对应于根据图1或2的对应构造。不同于图1a，根据图3a第一下导电区域2a相对于变换区域3和第二导电区域2b在水平方向上向右错开地布置。此外，第一导电区域2a与衬底7连接。衬底7还具有在其中布置有中性纤维7b的可弯曲区域7a。
变换区域3在其左侧至少部分地与衬底7连接，而第一导电区域2a在右侧与衬底7连接。如在以上的图1-2中所描述的那样，第一导电区域2a和第二导电区域2b与电压源5连接以及与用于隧道电流4的测量设备M连接。
在图3a中，在导电区域2b之上的压力p1等于在可弯曲区域7a之下的压力p2。该可弯曲区域7a例如可以以膜片的形式来构成。导电区域2a，2b以及变换区域3水平地和互相平行地布置。用于隧道电流4的测量设备M测量流过导电区域2a，2b以及流过变换区域3的隧道电流4的特定参量。
在图3b中，现在在导电区域2b之上的压力p1大于在衬底7的可弯曲区域7a之下并且因此也在导电区域2a之下的压力p2。与此相应地，根据图3b的可弯曲区域7a、中性纤维7b、导电区域2a，2b、以及变换区域3向下弯曲。通过在导电区域2b的上侧上的较高的压力p1，导电区域2a，2b以及变换区域3在膜片或可弯曲区域7a的基本上水平的平面中经历镦锻（Stauchung）。由于该镦锻或通过横向收缩，导电区域2a，2b以及变换区域3在与此垂直的方向上伸展。变换区域3的厚度D因此增大，并且其结果是隧道电流4下降。以该方式可以确定压力或压力差。
图4示出根据本发明的第四实施形式的微机电传感器的示意图。在图4a中，微机电传感器具有四个测量元件1a，1b，1c，1d。测量元件1a，1b，1c，1d在构造上分别对应于图1的测量元件1。四个测量元件1a，1b，1c，1d的布置如下：在图4a中，在左侧和右侧分别示出衬底7的部分7’，7”。间隙8布置在衬底7的两个部分7’，7”之间。测量元件1b现在布置在衬底的左边部分7’上，其中第一导电区域2a布置在衬底的左边部分7’上。测量元件1c对应地布置在衬底7的右边部分7”上。测量元件1b，1c的相应的下导电区域2a在此在其水平延伸方面构造得比相应的变换区域3或导电区域2b大。测量元件1b，1c在此部分地延伸到间隙8中。在两个测量元件1b，1c上布置膜片9，该膜片9与测量元件1b，1c的导电区域2b相连接。膜片9在此具有可弯曲区域9a，并且在其内部包括中性纤维9b。膜片9在此完整地从左边向右边延伸，也就是从衬底7的左边部分7’向右边部分7”延伸。在这些部分7’，7”的上侧上的膜片9的相应的左边和右边末端区域上，现在布置两个另外的测量元件1a，1d。测量元件1a，1d的第一导电区域2a在此与膜片9连接。测量元件1a，1d在此又部分地延伸到在衬底7的两个部分7’，7”之间的间隙8中。总之，测量元件1a，1d的水平延伸分别小于测量元件1b，1c的水平延伸。同样如此来布置膜片9，使得该膜片9仅部分地与测量元件1b，1c的第二导电区域2b连接。
在图4a中现在示出根据图3b的对应的压力情况，即膜片9之上的压力大于膜片9之下的压力。因此通过压力差向下压下根据图4a的膜片9。如果像在图1中所示那样将相对应地施加的相应电压5施加到相应的测量元件1a，1b，1c，1d上，则测量到测量元件1a，1d中的隧道电流4的下降，而分别与在没有偏移的膜片9中或当膜片9的上侧和下侧之间不存在压力差时流过测量元件1a，1b，1c，1d的隧道电流4相比，测量元件1b，1c中的隧道电流4上升。
在图4b中示出惠斯顿电桥形式的测量元件1a，1b，1c，1d的接线。那里所示的电阻R1a，R1b，R1c，R1d在此对应于测量元件1a，1b，1c，1d的电阻。如果现在将电压5根据惠斯顿电桥的原理施加到相对应地连接的电阻R1a，R1b，R1c，R1d上，则用于隧道电流4的测量设备M可以在膜片偏转9增加的情况下检测到隧道电流4的单调上升。以此方式提高了通过膜片9的偏移测量压力差的精度，因为以此方式通过四个测量元件1a，1b，1c，1d实现了差分的分析处理。
图5示出用于制造根据本发明的第一实施形式的微机电传感器的方法的步骤。根据图5a在此通过硅晶片2a形成第一导电区域2a，在该硅晶片2a上布置天然的氧化层10，并且在根据图5b的下一个步骤中现在例如借助氢氟酸除去该氧化层10，使得根据图5b仅仅剩下硅晶片2a。在该硅晶片2a上，根据图5c例如通过热氧化来施加超薄层的二氧化硅作为变换区域3（步骤T1）。在根据图5d的另一步骤T2中，现在例如借助含硅的基础材料的化学气相沉积过程来施加由硅制成的另一导电层2b，并且在另一步骤T3中将层堆叠2a，3，2b施加到衬底7上。
图6示出根据第一实施形式的方法的步骤。在图6中示出用于测量压力、力或类似物理量的方法的流程图：在第一步骤S1中进行电参量的测量。在另一步骤S2中进行由于力、压力或类似物理量的变换区域的变形。在第三步骤S3中在有负载的状态下进行电参量的测量。在另一步骤S4中，借助所测量的电参量进行力、压力或类似物理量的确定。
尽管当前借助优选的实施例已描述了本发明，但是本发明不局限于此，而是可以以多种多样的方式进行修改。因此例如不仅硅、而且例如碳化硅也可以作为衬底材料。

Claims (8)

1.用于测量力、压力或类似物理量的微机电传感器，包括
具有测量元件（1）的衬底（7），其中测量元件（1）包括至少两个导电区域（2a，2b），其中导电区域（2a，2b）中的至少一个至少部分地与衬底（7）连接，和
至少一个变换区域（3），其中变换区域（3）至少部分地布置在导电区域（2a，2b）之间，其中变换区域（3）在无负载的状态下构造为基本上电绝缘的，并且在有负载的状态下构造为基本上导电的。
2.根据权利要求1的微机电传感器，其中
变换区域（3）在无负载的状态下具有少于25纳米、尤其是少于10纳米、优选少于5纳米的厚度D。
3.根据权利要求1-2中的至少一项的微机电传感器，其中
变换区域（3）包括二氧化硅和/或氮化硅。
4.根据权利要求1-3中的至少一项的微机电传感器，其中
测量元件（1，1a，ab，1c，1d）包括交替布置的多个导电区域（2a，2b）和变换区域（3）。
5.根据权利要求1-4中的至少一项的微机电传感器，包括
膜片（7a），该膜片（7a）在至少两个、尤其是四个相邻的侧上分别具有测量元件（1，1a，ab，1c，1d）。
6.用于测量力、压力或类似物理量的方法，该方法尤其是适合利用根据权利要求1-6中的至少一项的微机电传感器来执行，该方法包括以下步骤：
测量（S1）在无负载状态下施加于变换区域（3）的电参量（4），其中变换区域（3）布置在至少两个导电区域（2a，2b）之间，
变换区域（3）由于力、压力或类似物理量变形（S2），
测量（S3）有负载状态下的电参量（4），和
借助所测量的电参量（4）确定（S4）力、压力或类似物理量。
7.根据权利要求6的方法，其中
借助电参量（4）的单调的、尤其是指数的变化曲线或者借助类似的有关的变化曲线进行力、压力或类似物理量的确定。
8.用于制造微机电传感器、尤其是根据权利要求1-6中的至少一项的微机电传感器的方法，该方法包括以下步骤：
优选借助热氧化或化学气相沉积，尤其是借助原子层沉积，将薄的氧化层（3）施加（T1）到第一导电层（2a）上，
优选借助化学和/或物理气相沉积，将第二导电层（2b）施加（T2）到薄的氧化层（3）上，以及
如此在衬底（7）上布置（T3）彼此相叠布置的层，使得彼此相叠布置的层——即第一导电层（2a）、氧化层（3）和第二导电层（2b）——的至少一部分是能变形的。
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