CN104627950A - 微机械传感器单元和用于制造微机械传感器单元的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于制造微机械传感器单元的方法，其中，所述微机械传感器单元包括衬底和封闭罩，其中，在第一方法步骤中所述衬底和所述封闭罩如此设计并且接合，使得通过封闭罩和衬底的连接制造：具有第一压力的第一腔，第一传感器元件设置在所述第一腔中，和具有第二压力的第二腔，第二传感器元件设置在所述第二腔中，其中，在第二方法步骤中制造引导到所述第一腔中的可封闭的通道，其中，在第三方法步骤中通过所述可封闭的通道改变所述第一腔中的第一压力。

Description

微机械传感器单元和用于制造微机械传感器单元的方法

技术领域

本发明基于一种根据权利要求1的前序部分的微机械传感器单元。

背景技术

这样的微机械传感器单元例如由文献DE10 2006 016 260A1已知并且允许在微机械传感器单元中集中多个不同的传感器元件，所述多个不同的传感器元件对环绕其的大气具有不同要求。在此，不同的传感器元件，通常是加速度传感器和转速传感器设置在不同的腔中并且优选包括振动质量(Seismische Masse)。对于这样的微机械装置通常设定，同时、也就是在一个方法步骤中在衬底上制造不同的传感器元件，由此在单个微机械传感器单元中可实现不同的传感器系统的特别小的和成本有利的组合。对于涉及的微机械传感器单元在此存在以下技术挑战：在对于传感器元件分别设定和大多不同的压力下运行传感器元件。也就是例如对于转速传感器尽可能小的压力(例如1毫巴)是值得期望的，以便转速传感器的共振运行的振动质量仅仅经历微不足道的阻尼，而加速度传感器优选在大约大500倍压力的情况下运行。现有技术通常利用吸气材料以调节期望的由腔到腔的不同的压力。所述吸气材料通常引入到设有低压的腔中并且在活化的状态下能够俘获气体分子，由此腔中的气压降低。通常活化吸气材料，其方式是，温度超过一个阈值。附加的并由此与额外成本有关的吸气材料在微机械传感器单元的生产中的应用在此证实为不利的。本发明所基于的任务是，提供一种微机械传感器单元，其中，一方面在具有不同压力的不同腔中集中传感器元件并且另一方面可成本有利地并且没有大的耗费地实现这些微机械传感器单元。

发明内容

所述任务通过一种用于制造微机械传感器单元的方法解决，微机械传感器单元包括衬底和封闭罩。根据本发明设定，在第一方法步骤中如此接合衬底和封闭罩，使得形成第一腔和第二腔。在具有第一压力的第一腔中设置第一传感器元件，例如加速度传感器，而在具有第二压力的第二腔中设置第二传感器元件，例如转速传感器。典型地直接在第一方法步骤之后在第一腔和第二腔中存在相同的压力。根据本发明设定，随后在第二方法步骤中制造引导到第一腔中的可封闭的通道。例如将通道集成到衬底中和/或封闭罩中。随后在第三方法步骤中通过可封闭的通道改变第一腔中的第一压力，其中，第一压力是可调节的，所述第一压力与第二腔中的第二压力不同。

本发明相对于现有技术的优点在于，在本发明中对于具有两个腔的微机械传感器单元的制造可以省去应用吸气材料并且尽管如此可以在两个腔中实现不同的压力。特别有利的是，腔中的压力可匹配于集成到腔中的传感器元件的要求。尤其在根据本发明的方法中可能的是，省去对于吸气材料的活化必要的温度升高。由此可以有利地避免损害，所述损害否则可能通过所述温度升高产生。此外，本发明提供一种尽可能简单的途径，以便改变腔中的压力，其中，本发明的突出之处也在于，在连接衬底和封闭罩之后可以在几乎每个任意时刻实施压力变化。结果有利地可能的是，使得在制造链期间在对于制造有意义的或有利的时刻实现在第一腔中压力的变化。在此可能的是，衬底包括分析处理晶片。这样的分析处理晶片优选具有印制导线、电极和分析处理装置，通过它们第一和第二传感器元件与电路板或芯片电通信连接。此外可以考虑，第一传感器元件和/或第二传感器元件集成在衬底中和/或封闭罩中或者是中间晶片的组成部分，所述中间晶片设置在衬底与封闭罩之间。此外可以考虑，衬底和封闭罩经由连接机构例如以胶粘物质的形式连接。优选地，衬底和封闭罩借助于铝锗共晶键合方法或密封气体键合方法相互连接。也可以考虑，第二方法步骤包括第二通道的制造并且在第三方法步骤中也通过第二通道确定在第二腔中的压力。

本发明的有利的构型和扩展方案可从属权利要求以及参照附图的说明书得知。

在本发明的另一实施方式中设定，在第四方法步骤中以第一封闭机构和/或第二封闭机构封闭可封闭的通道。尤其第一封闭机构、尤其其粘性如此选择，使得第一封闭机构虽然部分地侵入可封闭的通道中，然而在其硬化或变干之前没有流经可封闭的通道。第二封闭机构的应用适合于当存在在微机械传感器单元与第一传感器单元之间的接触区域中的气体能够持久地进入到第一腔中或从第一腔出来的危险时。由此可以有利地实现特别稳定和稳健的封闭，并且将在第一腔中的第一压力尽可能长时间地保持恒定。

在本发明的另一实施方式中设定，在补充的方法步骤中实现用于容纳第一封闭机构的凹部。尤其设定，用于容纳第一封闭机构的凹部集成到衬底中和/或封闭罩中。所述凹部有利地实现了，第一封闭机构连同微机械传感器单元形成尽可能齐平的终止并且由此第一封闭机构特别节省空间地并且稳定地封闭可封闭的通道。在此可以考虑，补充的方法步骤在时间上在第一方法步骤之后或之前实施。

在本发明的另一实施方式中设定，

将第一封闭机构如此设置在用于容纳第一封闭机构的凹部中，使得用于容纳第二封闭机构的另一凹部通过第一封闭机构的容纳来实现；和/或

将第二封闭机构如此设置在第一封闭机构上，使得第一封闭机构由第二封闭机构和微机械传感器单元完全包围。由此可以有利地实现可封闭的通道的特别稳定和空气密封的封闭。

在本发明的另一实施方式中设定，在第二方法步骤中：

以蚀刻方法实现可封闭的通道和/或用于容纳第一封闭机构的凹部；和/或

通过用于实现通道的蚀刻方法仅仅蚀刻第一腔的以下区域：所述区域不是第一传感器元件的组成部分。可封闭的通道的蚀刻具有的优点在于，可以使用由半导体技术已知的技术并且不必设计新的方法。此外可以考虑，用于蚀刻的蚀刻方法可以利用蚀刻装置，所述蚀刻装置已经用于制造衬底或封闭罩。因此不必制造用于制造可封闭的通道的新的装置，由此可以有利地节省用于购置这样的装置的资金。尤其有利的是，如此选择用于蚀刻方法的位置，使得第一传感器元件不受蚀刻方法损坏。此外有利的是，蚀刻方法实现尽可能窄的可封闭的通道，因为随后有利地对第一封闭机构的材料需要下降并且该封闭相比于用于具有更大直径的通道可更简单地实现。

在本发明的另一实施方式中设定，微机械传感器单元包括用于第二方法步骤的保护装置，其中，所述保护装置包括：蚀刻终止层、牺牲蚀刻区域和/或接片。所述保护装置有利地用于基本上保护第一传感器元件免于由于蚀刻方法的损坏。尤其使所述保护装置或由所述保护装置的组合匹配于相应的蚀刻方法。

在本发明的另一实施方式中设定，第一封闭机构至少部分地具有聚合物，而第二封闭机构至少部分地具有金属。例如聚合物是光刻胶。通过材料选择可以有利地实现可封闭的通道的尽可能空气密封的或气体密封的封闭。

在本发明的另一实施方式中，在第五方法步骤中结构化第二封闭机构。例如剪裁第二封闭机构并且由此微机械装置的扩展减小。也可以考虑，磨削第二封闭机构并且由此能够实现用于微机械传感器单元的尽可能平的表面。

本发明的另一主题是微机械传感器单元，其中，微机械传感器单元包括第一和第二腔。根据本发明设定：在第一腔中在第一压力下设置第一传感器元件，而在第二腔中在第二压力下设置第二传感器元件。此外，微机械传感器单元具有至少一个引导到第一腔中的可封闭的通道，所述通道用于确定第一腔中的第一压力。

通过可封闭的通道，微机械传感器单元具有特别稳定和稳健的用于确定第一腔中的第一压力的装置。典型地微机械装置包括主延伸平面并且可封闭的通道沿垂直于主延伸平面的方向延伸。此外可以考虑，可封闭的通道如此设置在衬底和/或封闭罩上，使得衬底和/或封闭罩的部分在没有通道的情况下沿垂直于主延伸平面的方向完全覆盖第一传感器元件和/或第二传感器元件。由此有利地保护第一传感器元件基本上免于污物或蚀刻气体，它们可能通过可封闭的通道进入。

在本发明的另一实施方式中，以第一封闭机构和/或第二封闭机构封闭可封闭的通道。在此涉及特别稳定的微机械传感器单元，其能够提供两个具有不同压力的腔分别用于不同的传感器元件。

在本发明的另一实施方式中设定：

微机械传感器单元具有主延伸平面；

微机械传感器单元具有用于容纳第一封闭机构的凹部；和/或

第二封闭机构完全沿垂直于主延伸平面的方向覆盖第一封闭机构。这样的微机械传感器单元能够有利地尽可能长时间地将在第一腔内的压力保持恒定。

在另一实施方式中设定，衬底包括分析处理晶片和/或第一传感器元件和/或第二传感器元件，所述分析处理晶片具有印制导线、电极和分析处理机构。通过将另外的元件集成到衬底中可以实现特别节省结构空间的微机械传感器单元。

在另一实施方式中设定，第一传感器元件和/或第二传感器元件是转速传感器、加速度传感器或基于洛伦兹力的磁场传感器。有利的是将最不同的传感器元件集中在一个微机械传感器单元中。

附图说明

附图中示出：

图1：根据现有技术的具有第一传感器元件和第二传感器元件的微机械传感器单元；

图2：根据第一示例性的实施方式的微机械传感器单元；

图3：根据第二示例性的实施方式的微机械传感器单元；

图4：根据第三示例性的实施方式的微机械传感器单元；

图5：根据第四示例性的实施方式的微机械传感器单元；

图6：根据第五示例性的实施方式的微机械传感器单元；

图7：根据第六示例性的实施方式的微机械传感器单元；以及

图8：用于制造根据本发明的微机械传感器单元的示例性的方法，其中，各个图8a至8h是所述示例性方法期间的瞬间拍摄。

在不同的图中相同的部件总是设有相同的附图标记并且因此通常也分别仅仅一次地命名或提及。

具体实施方式

在图1中示出了根据现有技术的微机械传感器单元1。这样的微机械传感器单元1典型地包括第一传感器元件11和第二传感器元件12，其中，第一传感器元件11和第二传感器元件12例如是衬底4的组成部分。优选地衬底4除了第一和第二传感器元件11和12之外也包括衬底基体7和分析处理晶片6，所述分析处理晶片具有印制导线和分析处理单元。借助于这样的大多在分析处理晶片6中埋入的印制导线和分析处理单元能够分析处理和/或转发借助于第一和第二传感器元件11和12求取的测量值。此外，微机械传感器单元1具有封闭罩5，所述封闭罩不仅保护第一和第二传感器元件11和12免于微机械传感器单元1的环境，而且实现了给第一或第二传感器元件11或12提供对于相应的传感器元件最优匹配的大气。名称大气在此可以理解为通称，所述通称尤其总结这样的特征，如压力和气体类型或气体种类(其环绕第一或第二传感器元件11或12)。尤其通常设定，第一传感器元件11、第二传感器元件12、衬底4和封闭罩5如此设计和设置，也就是配置，使得第一传感器元件11连同第一大气设置或包围在第一腔21中，而第二传感器元件12连同第二大气设置或包围在第二腔22中。在此可以考虑，封闭罩5和衬底4借助于连接机构3相互连接。通常止挡部2和/或防粘涂层集成到腔中，所述止挡部和/或防粘涂层确保或改善第一和/或第二传感器元件11和/或12的功能或者防止其在使用中的损坏。优选地在第一腔21中的第一大气与在第二腔22中的第二大气不同。通过单独匹配于传感器元件的大气可以实现用于相应的传感器元件的最优的框架条件，其中，各个传感器元件同时位于一个共同的衬底基体7上或者是共同的衬底4的一部分。例如可以产生微机械传感器单元1，其具有作为第一传感器元件11的加速度传感器和作为第二传感器元件12的转速传感器。转速传感器典型地被包围在低的压力(1毫巴)下，而对于加速度传感器的最优运行值得期望的是，在高的压力(500毫巴)下运行加速度传感器。由于在第一腔11中的第一大气和在第二腔12中的第二大气，其中，第一大气与第二大气不同，所以可以有利地在单个微机械传感器单元1中集中加速度传感器和转速传感器。尤其有利的是，在微机械传感器单元1中集中加速度传感器和转速传感器，因为由此两个传感器可以由衬底4或在衬底基体7上制造，由此可以同样节省成本(相比于在不同的衬底基体或衬底上单独制造加速度传感器和转速传感器)并且可实现节省结构空间的微机械装置1。典型地可以在第一或第二腔21或22中借助于吸气剂8实现不同压力，其中，吸气剂8例如集成到第二腔22中，在那儿被包围在高的压力下并且最后由于温度变化吸气剂负责降低第二腔22中的压力。所述方法在微机械传感器单元的制造中与巨大的额外耗费和额外成本相关。

在图2中示出了根据本发明的微机械传感器单元的第一示例性的实施方式。相比于由现有技术已知(参见图1)的具有第一和第二腔21和22的微机械传感器单元1，根据第一示例性的微机械传感器单元1的第二腔22有利地不具有吸气剂8。因此，在第二腔22中的大气在第一方法步骤——在用于制造微机械传感器单元1的方法范围中——期间封闭时被确定。直接在封闭之后第一和第二腔21和22中的第一和第二大气相互相应，尤其第一腔中的压力相应于第二腔中的压力。为了实现与第二大气可区分的第一大气，根据本发明设有可封闭的通道9，所述通道例如在第二方法步骤中蚀刻到封闭罩5中。优选地通道9如此设置在衬底4上，使得在第二方法步骤中的蚀刻中不损坏第一传感器元件11。因此特别优选地，通道9设置在衬底4和/或封闭罩5中的以下位置上，该位置没有设置在第一传感器元件11上方或下方。在图2中将可封闭的通道9在第二方法步骤中如此蚀刻到封闭罩9中，使得可封闭的通道9基本上垂直于微机械传感器单元1的主延伸平面。在此如此选择开始蚀刻方法的位置，使得通道9没有在第一传感器元件11上方延伸。代替在蚀刻时损坏第一传感器元件11，该蚀刻方法在衬底4中留下蚀刻痕迹8，其中，蚀刻痕迹8基本上不限制或妨碍第一传感器元件11的功能。尤其设定，通道9在其宽度方面比封闭罩5的横向扩展小得多，由此有利地简化可封闭的通道9的封闭。此外设定，在第一腔21中的第一大气通过可封闭的通道9如此可调节的，使得在第一腔21中的第一大气与在第二腔22中的第二大气不同。在此可以考虑，压力和/或气体类型在第二方法步骤之后在第二腔22中通过气体的进入和/或气体的排出是可改变或可操纵的。随后在第三方法步骤中以第一和第二封闭机构31和32封闭可封闭的通道9。优选地，第一封闭机构31是聚合物，例如光刻胶。特别优选地，封闭机构31涉及有机漆，尤其基于氟的漆，例如聚酰亚胺，其承受高于200℃以上的温度。第一封闭机构31的借助第二封闭机构32的覆盖有利地引起严密密封并且加强可封闭的通道9的封闭，尤其在第一封闭机构31与第二封闭机构32之间的接触区域33中。优选地，第二封闭机构32涉及金属覆盖层，涉及尤其铝覆盖层，其中，金属覆盖层完全覆盖第一封闭机构31。此外设定，封闭罩5具有用于容纳第一封闭机构31的凹部40。由此有利地，第一和第二封闭机构31和32可节省结构空间地设置在微机械传感器单元1处。在此设定，第一封闭机构31不从用于容纳第一封闭机构31的凹部40突出，其中，优选用于容纳第一封闭机构31的凹部40在其沿垂直于主延伸平面的方向的延伸方面被匹配。尤其设定，通过至少部分填充用于容纳第一封闭机构31的凹部40实现用于容纳第二封闭机构32的另一凹部42，其中，另一凹部42基本上设置在用于容纳第一封闭机构31的凹部40上方。此外设定，第二封闭机构32如此构造，使得第二封闭机构32基本上比用于容纳第二封闭机构32的另一凹部32沿垂直于主延伸平面的方向的最大延伸更厚。由此可以有利地实现可封闭的通道9的特别稳定的机械封闭。

在图3至7中示出了根据本发明的不同的示例性的微机械装置1。所有示出的实施方式分别通过至少一个保护装置补充根据本发明的第一示例性的微机械传感器单元1，其中，保护装置保护第一传感器元件11免于在第二方法步骤中的蚀刻方法并且由此积极地提高功能良好的第一传感器元件11的概率。在第二示例性的实施方式中，衬底4至少部分地以蚀刻终止层18覆盖，所述蚀刻终止层基本上避免衬底4的蚀刻。在第三实施方式中封闭罩5包括接片19，所述接片如此伸入到第一腔21中，使得第一腔21被分为通风区域14和传感器元件区域13，其中，传感器元件区域13和通风区域14通过连接通道15分享相同的第一大气。尤其衬底4以在通风区域14和连接通道15的区域中的蚀刻终止层18覆盖。优选地，连接通道15平行于微机械传感器单元1的主延伸平面。在第四实施方式中与之相对地蚀刻终止层18仅仅在连接通道18的区域中延伸。由此有利地节省用于蚀刻终止层的材料并且如在图5中所示那样可能的是，以如此程度蚀刻到衬底4中，使得暴露分析处理晶片6。也可以考虑，如此继续蚀刻过程，使得通道9从封闭罩5延伸直至衬底基体7，如在图6中所示。在根据本发明的第六示例性的微机械传感器单元1中设定，可封闭的通道9设置在衬底4中。优选地，牺牲层16在第一腔21内设置在可封闭的通道9下方或上方。尤其牺牲层16具有大的表面并且具有连接通道15并且设定用于至少部分地减少各向同性的蚀刻气体。

在图8中示出了用于制造根据本发明的微机械传感器单元1的示例性方法，其中，在附图8a至8h中连续地示出分别在依次的方法步骤之后封闭罩5的瞬间拍摄(微机械传感器单元的第一腔)。在图8a中示出了封闭罩5，其在下侧上具有空穴38，所述空穴设定用于形成第一腔21。优选地随后优化封闭罩5的这样的初始形式(参见图8b)，其方式是，例如使得封闭罩变得平坦，由此实现尽可能节省结构空间的封闭罩5。在图8c中在补充的方法步骤中实现用于容纳第一封闭机构的凹部。随后在第二方法步骤中蚀刻可封闭的通道9优选窄通道9到封闭罩5中。尤其可以考虑，封闭罩5在第一方法步骤中在图8a至8d中示出的制造过程之一之后与衬底4如此连接，使得形成第一腔21。换言之，可以考虑，第一方法步骤在时间上在第二方法步骤之前或之后实现，但是在时间上在第三方法步骤之前实现。图8e示出了在封闭罩5以第一封闭机构31在平行于主延伸平面的和背向衬底4(未示出)的表面侧上覆盖后的封闭罩5。优选地，第一封闭机构31的粘性如此选择，使得第一封闭机构31至少部分地填充可封闭的通道9并且不流过可封闭的通道9。尤其第一封闭机构31具有如此大的表面应力，使得封闭机构31在硬化之前没有进入到第一腔21中。随后又移除设置在封闭罩5上的第一封闭机构31的一部分。尤其如此移除第一封闭机构31，使得产生用于容纳第二封闭机构的另一凹部42。图8f示出这一点。随后封闭罩5如此平面地以第二封闭机构覆盖，使得第二封闭机构32不仅覆盖第一封闭机构31而且覆盖封闭罩5的表面侧，所述表面侧平行于主延伸平面并且位于在背向衬底5的侧上。尤其设定，在第一与第二封闭机构之间不产生间隙。在最后的第四方法步骤中结构化第二封闭机构32。在图8h中例如减小第二封闭机构32的平行于主延伸平面的延伸，其中，设定，在减小之后第二封闭机构32的平行于主延伸平面的延伸大于第一封闭机构31的延伸，并且第二封闭机构32完全覆盖第一封闭机构31，由此优选如此实现覆盖，使得可封闭的通道被严密地并且持久地封闭。

Claims (12)

1.一种用于制造微机械传感器单元(1)的方法，其中，所述微机械传感器单元(1)包括衬底(4)和封闭罩(5)，其中，在第一方法步骤中如此设计并且接合所述衬底(4)和所述封闭罩(5)，使得通过封闭罩(5)和衬底(4)的连接制造：

具有第一压力的第一腔(21)，第一传感器元件(11)设置在所述第一腔中，和

具有第二压力的第二腔(22)，第二传感器元件(12)设置在所述第二腔中，

其特征在于，在第二方法步骤中制造引导到所述第一腔(21)中的可封闭的通道(9)，其中，在第三方法步骤中通过所述可封闭的通道(9)改变所述第一腔(21)中的第一压力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第四方法步骤中以第一封闭机构(31)和/或第二封闭机构(32)封闭所述可封闭的通道(9)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在补充的方法步骤中实现用于容纳所述第一封闭机构(31)的凹部(40)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

将所述第一封闭机构(31)如此设置在用于容纳所述第一封闭机构(31)的凹部(40)中，使得用于容纳所述第二封闭机构(32)的另一凹部(42)通过所述第一封闭机构(31)的容纳来实现；和/或

将所述第二封闭机构(32)如此设置在所述第一封闭机构(31)上，使得所述第一封闭机构(31)由所述第二封闭机构(32)和所述微机械传感器单元(1)完全包围。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在第二方法步骤中：

以蚀刻方法实现(40)所述可封闭的通道(9)和/或用于容纳所述第一封闭机构(31)的凹部(40)；和/或

通过用于实现所述通道(9)的蚀刻方法仅仅蚀刻所述第一腔(21)的以下区域：所述区域不是所述第一传感器元件(11)的组成部分。

6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述微机械传感器单元(1)包括用于所述第二方法步骤的保护装置，其中，所述保护装置包括：

蚀刻终止层(18)；

牺牲蚀刻区域(16)和/或

接片(19)。

7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一封闭机构(31)至少部分地具有聚合物，而所述第二封闭机构(32)至少部分地具有金属。

8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在第五方法步骤中结构化所述第二封闭机构(32)。

9.一种微机械传感器单元(1)，其中，所述微机械传感器单元(1)包括：

具有第一压力的第一腔(21)，第一传感器元件(11)设置在所述第一腔中，和

具有第二压力的第二腔(22)，第二传感器元件(12)设置在所述第二腔中，

其特征在于，所述第一腔(21)包括可封闭的通道(9)，其用于确定在所述第一腔(21)中的第一压力。

10.根据权利要求11所述的微机械传感器单元(1)，其特征在于，所述可封闭的通道(9)以第一封闭机构(31)和/或第二封闭机构(32)封闭。

11.根据权利要求11至12中任一项所述的微机械传感器单元(1)，其特征在于，

所述微机械传感器单元(1)具有主延伸平面；

所述微机械传感器单元(1)具有用于容纳所述第一封闭机构(31)的凹部(40)；和/或

所述第二封闭机构(32)完全沿垂直于所述主延伸平面的方向覆盖所述第一封闭机构(31)。

12.根据权利要求11至14中任一项所述的微机械传感器单元(1)，其特征在于，所述第一传感器元件(11)和/或所述第二传感器元件(12)是：

转速传感器、

加速度传感器或

基于洛伦兹力的磁场传感器。