CN103512683A - 用于最小化热噪声的具有阶梯式空腔的压力传感器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于最小化热噪声的具有阶梯式空腔的压力传感器件。一种压力传感元件可以包括隔膜和阶梯式空腔。所述压力传感元件可以包括可操作以根据响应于感测到的流体的压力的隔膜的弯曲量来生成电信号的多个压敏电阻器。可以使用粘合剂将所述压力传感元件安装到外壳衬底上，以使粘合剂的一部分附着于第一空腔的壁和阶梯式空腔的阶梯面，以重分布压力传感元件上的热诱导应力。所述阶梯式空腔可以被包含在MEMS压力传感元件中以减小或消除诸如偏移电压输出的温度系数（TCO）之类的热噪声。

Description

用于最小化热噪声的具有阶梯式空腔的压力传感器件
背景技术
本发明的实施例涉及一种在背面具有阶梯式空腔（cavity）的微机电系统（MEMS）压力传感元件，所述元件用于减少或消除由热应力所引起的热噪声，例如偏移电压输出的温度系数（TCO）。
MEMS压力传感器通常是已知的。一种类型的压力传感器是包括阳极接合于玻璃底座并使用粘合剂（adhesive）安装于外壳衬底的硅压力传感元件的差压传感器。许多差压传感器被用于其中传感器被暴露于变化的温度的应用中。这导致传感元件、玻璃底座、粘合剂、和外壳衬底响应于温度变化而膨胀和收缩。
压力传感元件包括位于被称为“惠斯通电桥”配置中的四个压敏电阻器或电阻器以感测作用于电阻器的应力。所述玻璃底座被合并到压力传感元件和粘合剂之间，以使得由压力传感元件、粘合剂、和外壳衬底间在热膨胀上的差异所引起的应力被玻璃底座所隔离。玻璃底座和压力传感元件具有略微不同的热膨胀系数，并因此当其被暴露于变化的温度时，它们以较低的不同速率膨胀和收缩。玻璃底座实质上充当用于隔离由压力传感元件、粘合剂、和外壳衬底间不同的膨胀和收缩速率所引起的应力的缓冲器。
上文讨论的压力传感器的示例在图1中一般示于10处。传感器10包括压力传感元件12、玻璃底座14、粘合剂16、和外壳衬底18。在图1中示出的压力传感元件12由硅制成，并阳极接合于玻璃底座14。粘合剂16被用于将玻璃底座14与外壳衬底18接合。
形成为外壳衬底18的部分的是第一孔（aperture）20，并且形成为玻璃底座14的部分的是基本对准第一孔20的第二孔22。第二孔22与通常示于24处的空腔流体连通，其中空腔24形成为压力传感元件12的部分。压力传感元件12包括四个角内表面，其中在图1的横截面视图中只示出了第一角内表面26和第二角内表面28。四个角内表面中的每一个都终止于作为隔膜32的部分的底面30。压力传感元件12还包括顶面34，并存在掺杂（dope）在压力传感元件12的顶面34上的画框换能器或画框惠斯通电桥36。至少形成热氧化层和钝化层来保护该电路。如图2B所示，由四个p-压敏电阻器36A-36D来形成画框惠斯通电桥36。四个压敏电阻器36A-36D也可以形成为如图3所示的分布式惠斯通电桥38A-38D以用于压力传感。
隔膜32在微米范围内相对薄，且隔膜32的厚度取决于压力范围。隔膜32响应于作用在隔膜32的底面30、顶面34上的压力而向上和向下弯曲。由于流体流入和流出孔20和22的压力改变，空腔34中的压力改变。
顶面34上的弯曲也使掺杂在压力传感元件12的顶面34上的画框惠斯通电桥36变形。压力传感元件12由单晶硅（Si）制成。如图2A-2B所示，在压力传感元件12之上形成四个p-压敏电阻器36A-36D，并且通过p+互连器40将其彼此连接来形成用于压力传感的画框惠斯通电桥36。
如本文所使用的，术语惠斯通电桥指代示于图2A-2B中的电路拓扑，即两个串联电阻的并联。
图2A-2B显示了带有被掺杂到隔膜32上的画框惠斯通电桥36的压阻压力传感元件12的顶视图。隔膜32具有780 μm x 780 μm的尺寸。隔膜32的厚度通常大约在5 μm 到20 μm的范围内。使用传统技术来处理画框惠斯通电桥36以在压力传感元件12的顶面上形成四个电阻器36A-36D。电阻器36A-36D被形成为p-电阻器，其实施例是在半导体领域的普通技术人员所熟知的。由p+材料制成的连接到接合焊盘（bond pad）42A-42D的底部的电互连40也被形成在压力传感元件12的顶面34上。每个互连40提供两个电阻器之间的电连接，以便将电阻器彼此连接来形成压阻惠斯通电桥电路。
四个互连40被示出作为压力传感元件12的部分。每个互连40从彼此相邻的四个电阻器36中的两个之间的点或节点44向外延伸，并连接到金属接合焊盘42的底部。每个接合焊盘42位于压力传感元件12的顶面34的一边46附近。每个互连40从而终止于并连接到接合焊盘42。
图2A还示出了在顶面34上的定向基准48。基准48是视觉可感知的符号或图标，其功能是简单地实现压力传感元件12的定向。
每个接合焊盘42具有表明其用途的不同的标签或名称。第一接合焊盘42A和第二接合焊盘42B接收输入或为惠斯通电桥电路提供电压。这两个接合焊盘42A、42B分别被命名为Vp和Vn。另外两个接合焊盘42C、42D是分别被命名为Sp和Sn的输出信号节点。
已经做出了许多尝试通过除去玻璃底座14、并直接用粘合剂16将压力传感元件12安装于外壳衬底18来简化这种类型的压力传感器10的结构。然而，外壳衬底18、粘合剂16、和压力传感元件12间热膨胀的差异已经导致了作用于压力传感元件12的不需要的应力，这然后干扰了电阻器36A-36D中的每一个，导致压力传感元件12不准确的压力读取。
更特别地，在图1中所示的结构的实验测量和计算机仿真都示出了将压力传感元件12直接连接到外壳衬底18引起偏移电压输出以及归因于电阻器36A-36D上的不对称的热应力的所述偏移电压输出在操作温度范围的变化。除去玻璃底座14导致电阻器36A至36D之一变形并不对称地改变其相对于其他电阻器的电阻值，从而导致压力传感元件12的输出中在操作温度范围中的偏移电压输出变化。
偏移电压输出在操作温度上的变化被称为偏移电压输出的温度系数（TCO）并被定义如下：
TCO = (Vo at 150℃ - Vo at -40℃) / 190℃
其中，Vo at 150℃：在没有压力作用的情况下在150℃的偏移电压输出；并且Vo at -40℃：在没有压力作用的情况下在-40℃的偏移电压输出。
压力传感元件12通常与专用集成电路（ASIC）一起使用。ASIC被用于放大和校准从压力传感元件12接收到的信号。因为期望将TCO保持在-50 uV/℃和50 uV/℃之间，所以ASIC最好能够处理任何热噪声。
尤其当粘合剂16不是对称分配时，ASIC补偿高TCO是困难的。如果粘合剂不是对称分配的，那么这能够进一步降低传感器的准确性，这是由于在四个电阻器的每一个上在X和Y方向上应力的差异将被放大。因此偏移电压输出在高温和低温之间的差异将增加，TCO也将这样。这是示于图1中的玻璃底座14被用于隔离热应力的原因。为了降低成本并简化制造过程，希望除去玻璃底座。不具有玻璃底座的压力传感元件也会改善引线接合的稳定性和可靠性。因此，不具有玻璃底座而具有低TCO噪声的压力传感器会提升现有技术。
发明内容
根据本发明的实施例，压力传感元件可以包括隔膜和阶梯式空腔。所述压力传感元件可以包括可操作以根据响应于感测到的流体压力的隔膜的弯曲量来生成电信号的多个压敏电阻器。可以使用粘合剂将所述压力传感元件安装到外壳衬底上，以使粘合剂的一部分附着于第一空腔的壁和阶梯式空腔的阶梯面以重分布压力传感上的热诱导应力（thermally induced stress）。所述阶梯式空腔可以被包含于MEMS压力传感元件中以减小或消除诸如偏移电压输出的温度系数（TCO）之类的热噪声。
附图说明
图1是现有技术的压力传感器的横截面视图。
图2A是供现有技术的压力传感器使用的压阻压力传感元件的顶视图。
图2B是示于图2A中的压力传感元件的放大视图，其示出了画框惠斯通电桥。
图3是现有技术的在压力传感元件上的分布式惠斯通电桥的顶视图。
图4是根据本发明的实施例的压力传感器件的部分的透视图。
图5是根据本发明的实施例的用作压力传感器件的部分的压力传感元件的透视底视图。
图6是根据本发明的实施例的用作压力传感器件的部分的压力传感元件的四分之一的透视图。
图7是表示在现有技术的压力传感器件和根据本发明的实施例的压力传感器件之间在每个电阻器上在X和Y的方向上热应力的差异的减小的比较和改善的曲线图。
图8是根据本发明的另一个实施例的用于背面绝对压力传感的压力传感器件的横截面视图。
具体实施方式
下述一个或多个实施例的描述实际上仅仅是示例性的，决不意味着限制本发明、其应用、或用法。
根据本发明的实施例的压力传感元件在图4-6中示出。所述压力传感元件能够进一步包括如图8所示通常在1100处的罩（cap）。传感器100包括压力传感元件112、粘合剂114、和外壳衬底116。图6示出了带有隔膜126的中心160的压力传感元件的四分之一的透视图。示于图4-6和图8中的压力传感元件112由硅制成，并且使用粘合剂114将其安装到外壳衬底116。
形成为外壳衬底116的部分的是孔118。孔118与形成为压力传感元件112的部分的阶梯式空腔120流体连通。在一个实施例中，使用干法蚀刻（dry etch）、深反应离子蚀刻（DRIE）来形成阶梯式空腔120，但是在本发明的范围内，可以使用其他工艺。通过第一空腔621的壁121、阶梯面144、第二空腔622的壁122、和隔膜126的底面124将如图5、6、和8所示的阶梯式空腔120形成到基面（base surface）146中。以这种方式，阶梯面可以被认为是第一空腔的上表面和第二空腔被形成于其中的基面二者。阶梯式空腔120近似位于压力传感元件112的基面的中心。根据一些实施例，壁面121A-121D和122A-122D的每一个都基本上垂直于隔膜126，并且阶梯面144基本上平行于隔膜。在其他实施例中，壁面可以不基本上垂直于隔膜，或者阶梯面可以不基本上平行于隔膜。压力传感元件112还包括顶面128，并且存在通常示于36处的掺杂到压力传感元件112的顶面128上的与如图2A-2B中所示的画框惠斯通电桥36的类型相同的画框惠斯通电桥。
隔膜126相对薄，并且隔膜126的厚度取决于压力范围。隔膜126响应于作用在如图4中所示的隔膜126的底面124和顶面128上的压力而向上和向下弯曲。由于孔118中的流体的压力改变，在阶梯式空腔120中的压力改变。
在隔膜126的顶面128上的弯曲使掺杂在压力传感元件112的顶面128上的画框惠斯通电桥36变形。如图2A和2B所示，在压力传感元件112的顶面128上，形成四个压敏电阻器，且这些电阻器彼此相连来形成用于压力传感的惠斯通电桥。在该实施例中，所述惠斯通电桥是画框惠斯通电桥36，且被配置为如图2A-2B所示，并且四个电阻器36A-36D位于隔膜126的一边附近。然而，在本发明的范围内，所述惠斯通电桥可被配置为如图3所示的分布式惠斯通电桥电路，其中每个电阻器38A-38D位于隔膜126的各边附近。
在本实施例中，惠斯通电桥包括多个电阻器36A-36D、多个电互连40、多个接合焊盘42、和节点44。在该实施例的情况下，接合焊盘42位于压力传感元件112的顶面128的一边46附近。在本实施例中，压力传感元件还包括用于在装配期间对压力传感元件进行定向的基准48。
惠斯通电桥电路具有两个输入节点和两个输出节点。作为输出电压和输入电压的比值的传递函数可以被表示为如下等式1所示
Figure 272989DEST_PATH_IMAGE001
重新整理传递函数的项提供了输出电压V out 作为输入电压V in 和惠斯通电桥中的电阻器的值的函数的等式。下面的等式2从而表示了输出电压作为输入电压和组成惠斯通电桥电路的电阻器的值的函数。
Figure 702834DEST_PATH_IMAGE002
从等式2中可以看出，输出电压随着由压力、温度改变、热失配等所引起的电阻器值的改变而改变。对输出电压有影响的热失配存在于压力传感元件112、粘合剂和外壳衬底116之中。
下面的等式3表示了输出电压作为阻值的波动的函数。
Figure 944459DEST_PATH_IMAGE003
将等式3展开为下面的等式4，示出了V out 会随电阻器R1直至R4的每一个的改变而变化。
Figure 281899DEST_PATH_IMAGE004
对于压阻器件，电阻改变对每个电阻器的电阻的比值可以如下表示：
Figure 925370DEST_PATH_IMAGE005
：电阻器i上的纵向应力
Figure 51775DEST_PATH_IMAGE007
：电阻器i上的横向应力
并且，压阻系数的值π 44大约为1.381/GPa，其中硼掺杂密度为1.8E15/cm^3。
等式4示出了电阻改变对每个电阻器的电阻的比值取决于每个电阻器上的纵向和横向应力。如果电阻器1和3上的纵向应力被对准为垂直于隔膜的边缘，那么电阻器2和4上的横向应力也垂直于隔膜的边缘。参考如图2A所示的坐标系，垂直于隔膜边缘的应力被表示为Sxx。在这种条件下，电阻器1和3上的横向应力以及电阻器2和4上的纵向应力将平行于隔膜的边缘。平行于隔膜边缘的应力被表示为Syy。因此，等式4可以被重写为下面的等式5
Figure 694371DEST_PATH_IMAGE008
。
因而，V out 是在所有四个电阻器上的差异应力(Sxx-Syy)的和的函数。根据等式5，当压力传感器件在压力下时，在每个电阻器上垂直于隔膜的应力Sxx高于在每个电阻器上平行于隔膜的应力Syy。因此，压力传感器件具有高灵敏度。然而，为了最小化热噪声，需要在这种条件下保持电压输出或偏移电压输出尽可能得低，并且对于由热应力所引起的噪声优选为零。根据等式5，明显的是，如果热诱导应力Sxx和Syy能够被均衡或(Sxx-Syy)的和能够被减小为零，那么由于应力消除，偏移电压输出变为零。一旦在不同温度级别的偏移电压输出减小为近似于零，那么TCO基本为零。
传感器100的操作温度范围在大约-40 oC 和大约+150 oC之间。压力传感元件112、粘合剂114、和外壳衬底116之间的热膨胀系数的差异引起作用在各个电阻器36上的应力间的不平衡。这种不平衡由通常示于120处的阶梯式空腔来校正。以这种方式，阶梯式空腔120消除了对于玻璃底座14的需求，从而有利地减小压力传感器100的成本。
阶梯式空腔120的深度148通常大约从压力传感元件112的厚度150的四分之一到三分之二，且最好大约从压力传感元件112的厚度150的三分之一到二分之一。压力传感元件112的厚度150大约为0.525mm，且阶梯式空腔120的第一空腔通常在1.4到1.6mm的范围内，且最好大约为1.58mm。附图标记158在图4中示出了第一空腔的宽度的一半。压力传感元件112基本上是正方形的，且压力传感元件112的每个边的宽度154大约为2.06mm，且隔膜126的每个边的宽度156大约为0.78mm。
与如图1所示的压力传感元件12相比，基本上垂直的第一空腔的壁121A-121D和第二空腔的壁122A-122D使得压力传感元件112被制造得更小，这是在包括示于图1中的成角度的表面26、28的设计方面的改进。压力传感元件112缩小后的尺寸允许更广的位置布置中安装和使用，例如其中空间或重量受限的位置。阶梯式空腔120的包含由粘合剂的内楞（inner fillet）172在阶梯面144上引起压紧力（hold-down force）并且更均匀地压紧在阶梯面144之上隔膜126周围的区域，重分布由粘合剂114和外壳衬底116所引起的热应力，并且在垂直于隔膜126的方向（Sxx）上显著压紧电阻器36A-36D，同时在平行于隔膜126的方向（Syy）上轻轻地压紧电阻器36A-36D。尤其在画框惠斯通电桥36的区域中，隔膜126在X和Y两个方向上受到更平均的压应力。
在装配期间，使用粘合剂114将压力传感元件112附着于外壳衬底116。一种出现极端TCO情形的场景是当压力传感元件112被放置在粘合剂114上时，粘合剂114部分地填充第一空腔621且至少部分包围压力传感元件112的两个对边上基本垂直的外表面174中的两个。粘合剂114在外壳衬底116和压力传感元件112之间提供安全连接。在装配期间，粘合剂114是可变形的，并且在装配后，粘合剂114具有外楞（outer fillet）部分168、基座部分170、和内楞部分172。如图4中最佳所示，粘合剂114的包围外表面174中的两个的部分是外楞部分168。
当传感器100被用于操作并暴露于各种温度时，压力传感元件112、粘合剂114、和外壳衬底116具有不同的热膨胀系数，并因此以不同的速率膨胀和收缩。阶梯式空腔120被用于偏移由压力传感元件112、粘合剂114、和外壳衬底116的热膨胀速率的差异而引起的各种应力。
由于固化温度是在150oC，热应力分量Sxx和Syy是微不足道的，因为存在很小的热失配。然而，热应力分量Sxx和Syy在-40 oC相当大，因为热失配相当大。图7示出了在-40 oC具有阶梯式空腔120的压力传感器和不具有阶梯式空腔120的压力传感器之间应力分量Sxx和Syy的比较。在图7中，附图标记176示出了不具有附加于压力传感元件112的阶梯式空腔的四个电阻器36的每一个上的应力分量Sxx和Syy。为了简便起见，电阻器36A-36D分别被命名为R1、R2、R3、和R4。四个电阻器上的应力差(Sxx-Syy)都是正的。因而，所有四个电阻器上的(Sxx-Syy)的和是大正的，且导致正电压14.03mV。在150 oC，每个电阻器上的热应力分量Sxx和Syy是微不足道的，且每个电阻器上的应力差(Sxx-Syy)接近于零。对于所有四个电阻器上的应力差的和，同样如此。因此，在150 oC的偏移电压输出近似为零。根据TCO的定义，TCO的值被计算为 -73.83 uV/oC。
实验和计算机仿真示出TCO近似与-40 oC的偏移电压输出成比例。为了减小或最小化TCO，重要的是要减小或最小化-40 oC的偏移电压输出。图7中的附图标记178示出， (Sxx – Syy)1,、(Sxx – Syy)2、和(Sxx – Syy)3都是略微正的，除了(Sxx – Syy)4是略微负的。因而，所有这些所有四个电阻器上的较小的(Sxx – Syy)的和是略微正的，且导致正电压0.89mV。所有(Sxx – Syy)的和被显著的减小，所以-40 oC的偏移电压输出被最小化为小正值。因而，TCO被减小为小负值-4.69 uV/ oC。
本发明的另一个实施例在图8中示为1100，其中相同的附图标记指代相同的元件。在该实施例中，罩180被附着于压力传感元件112的顶面128。在一些实施例中，罩180可以由硅或诸如硼硅玻璃之类的玻璃制成。在该实施例中，罩180由硅制成且被熔接到压力传感元件112的顶面128。然而，如果罩180由玻璃制成，那么罩180可以被阳极接合于压力传感元件112的顶面128。
罩180包括通常示于182、位于侧壁184之间的腔室。罩180被接合于压力传感元件112的顶面128，以使得腔室182是在隔膜126暴露于介质时用作零压力参考的真空室。这允许示于图8中的压力传感器1100测量背面的绝对压力，而示于前面的实施例中的压力传感器100测量差异压力。腔室182的长度和宽度至少与隔膜126的长度和宽度一样大。罩180将隔膜126与来自顶侧的介质隔离，并且保护隔膜126免于恶劣环境，从而减小发生在压力传感元件112的顶面128上的电路的损坏的可能性。
前述描述只是为了说明的目的。本发明的实际范围由附加的权利要求所定义。

Claims (13)

1.一种装置，包括：
压力传感元件，包括：
阶梯式空腔，其通过第一空腔的多个壁、阶梯面、第二空腔的多个壁和隔膜的底面形成到压力传感元件的基面中；以及
隔膜的顶面上的多个压敏电阻器。
2.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
至少一个衬底；以及
粘合剂，其将衬底连接到基面，以使得第一空腔的壁和阶梯式空腔的阶梯面粘合于粘合剂的至少一部分。
3. 如权利要求2所述的装置，其中，所述粘合剂进一步包括：
基座部分；
外楞部分，其与基座部分整体形成，当压力传感元件连接到至少一个衬底时，所述外楞部分邻近至少一个外表面；以及
内楞部分，其与基座部分整体形成，当压力传感元件连接到至少一个衬底时，所述内楞部分基本上被布置在第一空腔中。
4.如权利要求2所述的装置，其中，所述粘合剂的附着于第一空腔的壁和阶梯面的部分重分布压力传感元件上的热诱导应力以最小化由压力传感元件上的热诱导应力所引起的压力传感不准确。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一空腔的深度近似是压力传感元件的厚度的四分之一到三分之二。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一空腔的深度近似是压力传感元件的厚度的三分之一到二分之一。
7.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
罩，连接到压力传感元件的顶面；以及
腔室，在罩和压力传感元件的顶面之间整体形成，以使得腔室是至少部分真空的。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述罩由硼硅玻璃制成。
9.如权利要求7所述的装置，其中，所述罩由硅制成。
10.如权利要求1所述的装置，其中，所述多个压敏电阻器被配置为画框惠斯通电桥。
11.如权利要求1所述的装置，其中，所述多个压敏电阻器被配置为分布式惠斯通电桥。
12.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一和第二空腔的多个壁基本上垂直于隔膜。
13.如权利要求1所述的装置，其中，所述阶梯面基本上平行于隔膜。
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