CN104024816B - 具有可变形膜片和阻抗较强变形的保护部的微机械结构 - Google Patents

具有可变形膜片和阻抗较强变形的保护部的微机械结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测量或者探测机械量或者动态量的微机械机构，其包括能够变形的膜片(20)和支撑基板(10)，所述膜片(20)包括第一部分(20a)和由所述第一部分(20a)包围的第二部分(20b)，所述第二部分(20b)的厚度小于所述第一部分(20a)的厚度，所述膜片(20)悬置在所述支撑基板(10)之上，并且因此限定了自由空间(30)，所述微机械机构还另外包括下邻接支座(21)，所述下邻接支座(21)用于限制所述膜片(20)的变形，所述下邻接支座(21)布置在所述支撑基板(10)之上并且从所述支撑基板(10)朝着所述膜片(20)延伸到所述自由空间(30)中，其特征在于，所述下邻接支座(21)包括岛状体(101–108)，所述岛状体(101–108)从所述下邻接支座(21)的平坦表面朝着膜片(20)延伸到所述自由空间(30)中，所述岛状体(101–108)以这样的方式形成浮雕结构，从而在所述岛状体(101–108)和膜片(20)的精细部分(20b)接触的情况下，所述岛状体(101–108)和膜片(20)的精细部分(20b)之间的接触表面相对于膜片(20)的精细部分(20b)的尺寸是较小的。

Description

具有可变形膜片和阻抗较强变形的保护部的微机械结构
技术领域
本发明涉及一种微机械结构，该微机械结构旨在测量或探测机械量或者动态量。
并且更具体地，本发明涉及一种用于压力的绝对测量、相对测量、或者差压测量的微机械结构。
背景技术
一种用于测量例如压力的机械量或者动态量的微机械机构，其通常包括可变形的膜片和支撑基板，该膜片悬置在支撑基板之上并且限定了自由空间。
这些悬置的膜片的使用是已知的。
在观察膜片与变形有关的物理性质的改变时(例如电容或内部应力的变化)，由膜片支撑的电容传感器或应变仪能够测量由经受外部能量的作用的膜片所承受的变形(例如垂直施加至膜片的主平面的压力)。
施加至膜片的能量或者施加到膜片上的力的改变能够例如通过这种方式而测得，并且因此能够监测到在一些介质中的物理量(这些为动态类型的量，即，加速类型或者减速类型、和/或机械类型)。
这些经受较强能量的膜片会变得易损坏，它们的固有特性会被改变，并且它们的结构可能会裂开或甚至破损。
发明内容
本发明克服了至少一个上述缺点。
为此，本发明提出了一种用于测量或者探测机械量或者动态量的微机械机构，其包括可变形的膜片和支撑基板，所述膜片包括第一部分和由所述第一部分包围的第二部分，所述第二部分的厚度小于所述第一部分的厚度，所述膜片悬置在所述支撑基板之上，所述支撑基板限定了自由空间，所述微机械机构还包括下邻接支座，所述下邻接支座适于限制所述膜片的变形，所述下邻接支座布置在所述支撑基板之上并且从所述支撑基板朝着所述膜片延伸到所述自由空间中，其特征在于，所述下邻接支座包括岛状体，所述岛状体从所述下邻接支座的平坦表面朝着膜片延伸到所述自由空间中，所述岛状体形成浮雕结构，从而使得在所述岛状体与膜片的精细部分接触的情况下，所述岛状体与膜片的精细部分之间的接触表面相对于膜片的精细部分的尺寸来说是微小的。
本发明有利地通过以下特征单独或者以技术可行的任何组合来实现：
-岛状体包括倾斜面，所述倾斜面根据相对于所述下邻接支座的平坦表面的大于0°的锐角而定向；
-岛状体为台面(mésa)形式；
-所述支撑基板还具有中央贯穿凹部；
-所述下邻接支座包括椎体形式的中央贯穿凹部；
-其还包括布置在膜片之上的上邻接支座；
-所述上邻接支座包括围绕其中心分布的凹部；
-支撑底座和所述下邻接支座分别由彼此不同的两种材料形成；
-所述支撑基板由玻璃制成，并且其中所述下邻接支座和由玻璃制成的所述支撑基板由阳极封闭或通过具有或没有中间层的分子键或原子键、或者通过烧结或钎焊而连接；
-所述支撑底座和所述下邻接支座由同一种材料形成；
-支撑底座和邻接支座中的每个选自以下的材料制成：合金、玻璃、石英、氧化铝、陶瓷、硅、碳化硅、蓝宝石；
-膜片的精细部分的厚度在20μm至100μm之间；
-所述岛状体的高度在10μm至50μm之间，并且最大宽度在20μm至200μm之间。
此外，本发明提出一种差压传感器，所述差压传感器包括根据本发明的第一方面的微机械结构。
本发明具有很多优点。
下邻接支座保护膜片免受过度压力。
提供邻接支座作为用于阻抗过度压力的独立元件的事实可以将邻接支座加到所有现有的微机械结构上，而不需对可变形的膜片进行任何尺寸改变，也不需对该结构的机械性能或者热性能进行改变。
以这种方式，所述微机械结构的抗力得以改进，而不改变悬置的膜片的结构和其几何形状。同样，其既不改变安装在膜片上的测量元件的结构，也不改变安装在膜片上的测量元件的清晰度，并且也不会妨碍膜片暴露部分。
同样，岛状物将由于存在于膜片与邻接支座之间的空间中的油或者其他流体(液体或者气体)的热膨胀而产生的应力最小化。这些岛状体还使得流体进行良好的循环，并且在用作差压传感器的情况下改进了该结构的填充度。这在粘性流体的情况下非常重要，一旦该结构充满所述流体，例如在作为差压传感器使用的情况下，岛状体可以避免该流体中出现气泡，并且减少由于流体不良循环而可能出现的错误。
因此，该微机械机构在无需改变悬置膜片就实现阻抗外部应力，该微机械结构能够例如起到标准膜片的作用。
附图说明
本发明的其他特征和优点将从随后的描述中呈现，随后的描述仅为示意性的而非限制性的，并且必须结合所附附图来考虑，其中：
图1示出了根据本发明的实施方案的微机械结构；
图2示出了根据本发明的实施方案的微机械结构；
图3示出了本发明的微机械结构的底部平视图；
图4示出了包括根据本发明的微机械机构的差压传感器；
图5示出了本发明的微机械结构的一部分的详细视图；
图6a和6b示出了本发明的微机械结构的下邻接支座的两个视图。
在所有的视图中，相似的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
微机械机构旨在测量或者探测例如压力的机械量或者动态量，所述微机械机构包括可变形的膜片20和支撑基板10。
如在图1、图2和图4中所示，该膜片布置在支撑基板10之上以限定自由空间30。在用于差压测量的微机械机构的情况下，该自由空间30旨在被流体填充。在该情况下，压力P1来自于该结构之上，而压力P2来自于该结构之下(见图1、图2和图4)。
膜片20旨在支撑压力测量元件22、23a、23b、24a、24b、25a、25b、26a、26b。
自由空间30一般通过微加工而形成在初始的基板中。用以形成这种自由空间的微加工技术例如可以为化学蚀刻，例如为在预定温度下的KOH蚀刻。
类似地，膜片由两个不同部分构成：第一部分20a，该第一部分20a的厚度大于细小的第二部分20b，该第一部分20a充当主动构件。第二部分20b被第一部分20a包围。该部分20a接触支撑基板10，然而精细部分20b悬置在自由空间30之上。
膜片20的第二部分20b的厚度小于膜片的第一部分20a的厚度。
第二部分20b的厚度典型地在20至100μm之间，该厚度值根据要测量的机械量或者动态量的范围而界定。
以这种方式，膜片20(尤其是它的精细部分20b)在施加到精细部分20b的压力P1的作用下会变形。
支撑基板10可以由基于玻璃、硅石英、Pyrex(TM)、蓝宝石、氧化铝、硅、碳化硅的材料制成。
支撑基板10的厚度典型地在500μm至2000μm之间。
膜片20通过阳极封闭或通过具有或不具有中间层的分子键或原子键、或通过烧结或通过钎焊而连接至支撑基板10。
膜片20典型地由这样的基板形成，该基板例如包括单晶硅和蓝宝石，该单晶硅例如SOI(“绝缘体上硅结构”)和PSOI(“绝缘体上多晶硅结构”)，该蓝宝石例如SOS(“蓝宝石上硅”)，或者其他材料(例如SiCOI(“绝缘体上碳化硅”)或者碳化硅)。
在膜片20由SOI或PSOI制成的情况下，膜片20包括例如SiO2层的电绝缘层22，该电绝缘层22沉积在膜片20的与自由空间30相对的外表面上。不同的材料例如氮化物、氧化物、金属层、单晶或者多晶硅设置在该绝缘层22上，从而形成微结构23a、23b、24a、24b、25a、25b、26a、26b。该微结构能够形成应变仪并且用作用于测量物理量(例如压力)的元件。
为了确保连接，电接触区域25a、25b也布置在膜片20上。这些电接触区域25a、25b例如包括铝、金、铂、钛和钨。
为了防止膜片20变形，在来自该结构顶部过度压力的情况下，微机械结构包括限制膜片20变形的下邻接支座21。下邻接支座21布置在支撑基板10之上，并且从支撑基板10朝着膜片20而延伸到自由空间30中。
下邻接支座21优选包括与膜片20相同的材料，或者由合金、蓝宝石、氧化铝、陶瓷、石英、或玻璃制成。下邻接支座21还可包括与支撑基板10相同的材料。
下邻接支座21具有通常的梯形形状，较大的基部布置在支撑基板10上，而较小的基部直接布置在膜片20之下，具体布置在膜片20的精细部分20b之下，该较小的基部限定了下邻接支座21的平坦表面。
为了提升下邻接支座21的性能，下邻接支座21在平坦表面上包括(参见图5、图6a和图6b)(尤其是通过下邻接支座的较小的基部而限定的)从下邻接支座21的平坦表面延伸的岛状体101、102、103、104、105、106、107、108，所述平坦表面对应于这些岛状体的基部。
岛状体101-108形成了浮雕结构，从而在岛状体101-108与膜片20的精细部分20b之间接触的情况下，岛状体101-108与膜片20的精细部分20b之间的接触表面相对于膜片20的精细部分20b的尺寸是微小的。
岛状体101-108有利地包括倾斜面，该倾斜面根据相对于下邻接支座的平坦表面的大于0°的锐角而定向。岛状体101-108尤其为台面的形式。
形成的岛状体使得流体能够在膜片20和下邻接支座21之间的空间中进行最优循环。
另一个优点在于，岛状体还将由于位于下邻接支座21和膜片20之间的空间中的流体的密度变化(在使用微机械结构期间温度变化的情况下，例如温度从–50℃变化到180℃)导致的错误最小化。
岛状体的高度优选在10μm至50μm之间，基部的宽度在20μm至200μm之间。
另外，岛状体的尺寸形成为使得膜片的精细部分与岛状体间隔5至30μm的距离，优选地为10μm。
岛状体例如可以通过微加工工艺而得到，该微加工工艺包括应用到下邻接支座21的上表面的光刻和蚀刻。所应用的蚀刻类型限定了岛状体的形式(用于KOH蚀刻种类的湿式各向异性刻蚀的台面形式和TMAH形式，该TMAH形式带有用于干式刻蚀类型RIE(“反应离子刻蚀”)的竖直壁)。
优选地，包括岛状体的下邻接支座从由硅制成的基板而得到，其中岛状体和凹部(见下文)通过蚀刻而形成。岛状体的预形成区域被护罩保护，该护罩优选地由SiO2+Si3N4制成，第二护罩SiO2+Si3N4在下邻接支座21与支撑基板10结合之后制成，该结合优选地通过阳极封闭而制成，支撑基板10由玻璃制成。
如上所述，在下邻接支座21和膜片20之间有距离。该距离表示膜片20的最大变形距离。以这种方式，比该距离更大的变形抵住下邻接支座21而支撑膜片20，其防止与过度压力相关联的过度变形。在来自该结构的顶部的过度压力P1的情况下，具体来说是膜片20抵住所述岛状体而支撑的。
通过有利的方式，该距离的值可选择成随着阻抗膜片20的变形的参数(尤其是根据膜片20的厚度和包括膜片20的材料)而变化，该参数具有膜片遭受恶化风险的距离阀值。
这就是如何能够随着计划应用的变化来调整所述下邻接支座21的参数。
对于差压测量，支撑基板10因此包括贯穿凹部40，该贯穿凹部40根据下邻接支座21中的凹部40'而延伸。支撑基板10的凹部40和下邻接支座21中的凹部40'优选地为圆形。
邻接支座的凹部40'的直径可以与支撑基板10的凹部的直径相同，或者小于支撑基板10的凹部的直径。然而，凹部优选地为椎体形式，例如该锥体较大的直径位于支撑基板10的侧部上并且在该凹部的厚度从下邻接支座21渐进的同时而减小。
应注意的是，不带有凹部40，微机械结构能够进行绝对压力测量。
凹部40具有经由支撑基板10而接近压力的几何形状。凹部40可以采用简单圆柱的形式，其直径通常在500μm至1500μm之间，凹部40或者采用例如双圆柱的更复杂的形式，该双圆柱的上部直径小于所述简单圆柱的直径。
支撑基板10的凹部40和下邻接支座21中的凹部40'使得流体(气体或者液体)通过，因此在差压传感器或相对压力传感器的情况下需要将压力P2传递到膜片20的下面部分。
支撑基板10的凹部40和下邻接支座21中的凹部40'通过蚀刻制成，蚀刻是通过各向异性蚀刻(KOH、TMAH，。。。)的碱性溶液的方式，优选地通过两个步骤来进行：第一预先蚀刻步骤，然后在下邻接支座21结合到支撑基板10上之后进行最终蚀刻，该结合优选地通过阳极封闭而进行，该支撑基板10由玻璃制成。应注意的是，蚀刻后剩余的区域被3D光刻工艺保护，该3D光刻工艺为基于厚树脂(厚度在10μm至50μm之间)的已知类型。
为了改进用于差压测量的微机械结构的阻抗，该微机械结构还包括布置在膜片20之上的上邻接支座60(见图2和图4)。
上邻接支座60的作用是当来自该结构下方的过度压力(图2和图4中的压力P2)的情况下机械保护膜片20。
上邻接支座60在它的中心处还具有一个或者多个凹部70(典型地为4个)，上邻接支座60通过如下方式连接至该结构的剩余部分：通过阳极封闭或者通过具有或不具有中间层的分子键或者原子键、或者通过烧结或钎焊。
凹部70在上邻接支座60中穿透用以减少在充满流体后的温度下的毛细作用或者膨胀作用，并且使得压力P1更容易地传递。凹部在上邻接支座60的4个拐角处形成，从而能够连接至机械外壳。
事实上，如图4所示，上述的结构旨在被放置在外壳Ｂ中并且浸没到流体中(图4中的阴影区)。
上邻接支座60优选地从穿透的硼硅玻璃的基板得到。
上邻接支座60具有过蚀刻区域，该过蚀刻区域位于金属轨道的水平处和上邻接支座60的4个拐角处，从而允许电连接并且更容易地使流体充满。同样，如前所述，过蚀刻所剩余的区域被3D光刻工艺保护，该3D光刻工艺为基于厚树脂的已知类型。

Claims (16)

1.一种旨在测量或者探测机械量或者动态量的微机械机构，其包括能够变形的膜片(20)和支撑基板(10)，所述膜片(20)包括第一部分(20a)和由所述第一部分(20a)包围的精细部分(20b)，所述精细部分(20b)的厚度小于所述第一部分(20a)的厚度，所述膜片(20)悬置在所述支撑基板(10)之上，并且因此限定了自由空间(30)，所述微机械机构还包括下邻接支座(21)，所述下邻接支座(21)适于限制所述膜片(20)的变形，所述下邻接支座(21)布置在所述支撑基板(10)之上并且从所述支撑基板(10)朝着所述膜片(20)延伸到所述自由空间(30)中，其特征在于，所述下邻接支座(21)包括岛状体(101–108)，所述岛状体(101–108)从所述下邻接支座(21)的平坦表面朝着膜片(20)延伸到所述自由空间(30)中，所述岛状体(101–108)形成浮雕结构，从而使得在所述岛状体(101–108)与所述膜片(20)的精细部分(20b)接触的情况下，所述岛状体(101–108)与所述膜片(20)的所述精细部分(20b)之间的接触表面相对于所述膜片(20)的所述精细部分(20b)的尺寸是微小的。
2.如权利要求1所述的微机械机构，其中所述岛状体(101–108)包括倾斜面，所述倾斜面根据相对于所述下邻接支座(21)的平坦表面的大于0°的锐角而定向。
3.如权利要求1至2的任一项所述的微机械机构，其中所述岛状体为台面形式。
4.如权利要求1或2所述的微机械机构，其中所述膜片(20)的所述精细部分(20b)的厚度在20μm至100μm之间。
5.如权利要求1或2所述的微机械机构，其中所述岛状体的尺寸形成为能够使得所述膜片的所述精细部分与所述岛状体由5至30μm的距离隔开。
6.如权利要求1或2所述的微机械机构，其中所述岛状体的尺寸形成为能够使得所述膜片的所述精细部分与所述岛状体以10μm的距离隔开。
7.如权利要求1或2所述的微机械机构，其中所述岛状体(101–108)的高度在10μm至50μm之间，并且在基部处具有20μm至200μm之间的最大宽度。
8.如权利要求1或2所述的微机械机构，其中所述支撑基板(10)还具有中心贯穿凹部(40)。
9.如权利要求1或2所述的微机械机构，其中所述下邻接支座(21)包括椎体形式的中心贯穿凹部(40')。
10.如权利要求1或2所述的微机械机构，还包括上邻接支座(60)，所述上邻接支座(60)布置在所述膜片之上。
11.如权利要求10所述的微机械机构，其中所述上邻接支座(60)包括围绕其中心分布的凹部。
12.如权利要求1或2所述的微机械机构，其中所述支撑基板(10)和所述下邻接支座(21)由不同材料形成。
13.如权利要求12所述的微机械机构，其中所述支撑基板由玻璃制成，并且其中所述邻接支座和由玻璃制成的所述支撑基板通过阳极封闭或通过具有或没有中间层的分子键、或者通过具有或没有中间层的原子键或者通过烧结或通过钎焊来连接。
14.如权利要求1或2所述的微机械机构，其中所述支撑基板和所述下邻接支座(21)由同一种材料形成。
15.如权利要求1或2所述的微机械机构，其特征在于，所述支撑基板和所述邻接支座的每一个由选自以下材料的材料制成：玻璃、石英、氧化铝、陶瓷、合金、硅、碳化硅、蓝宝石。
16.一种差压传感器，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的微机械机构。
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