CN106092428A - 具有高灵敏度和高精确度的压力传感器器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高灵敏度和高精确度的压力传感器器件。具体地，通过增加该传感器的灵敏度，增加从低压MEMS传感器输出的电压。通过使具有转角沟槽的低压传感器器件的膜板变薄，增加灵敏度。通过同时创建交叉加强件到膜板的底侧，降低通过使膜板变薄而增加的非线性。还可以添加缘边、锚固件和加强件衬垫，以进一步加固较薄的膜板并进一步降低压力非线性。

Description

具有高灵敏度和高精确度的压力传感器器件

背景技术

固态微机电系统（MEMS）压力传感器是众所周知的。例如，给Kurtz等人的美国专利号4,236,137公开了一种半导体压力转换器。给Johnson等人的美国专利号5,156,052也公开了一种固态压力转换器。给Bryzek等人的美国专利号6,006,607公开了一种使用压阻器件的压力传感器。美国专利号5,178,016和6,093,579也公开了固态压力传感器。

众所周知的关于使用形成到薄硅膜板的压阻器件的现有技术的MEMS压力传感器的问题是压力非线性或PNL。该PNL是硅膜板偏转的功能。膜板偏转越大，输出的非线性的程度越大，无论压电电阻是否作为电压或电流进行检测和测量。

输出的非线性在意在检测低压力（例如低于10kPa的压力）的传感器中更有问题。由于低压传感器件需要非常薄的硅膜板，薄膜板中的膜板偏转趋于加重经设计测量低压的压力传感器中的PNL。关于薄硅膜板的另一个问题是它们是脆弱的。主要的挑战是创建一种降低或减小PNL的膜板，同时提供压力灵敏度而不增加低压传感器的模具尺寸。可以在低压中使用并具有改进的输出线性且比现有技术中的那些更坚固和更灵敏的固态压阻式压力传感器将是一个进步。

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剖视图；

图4示出惠斯通电桥电路的拓扑结构；

图5是具有高灵敏度、高精确度并具有薄膜板和交叉加强件的压力传感元件的透视图；

图6-1是图5中所示的压力传感元件的底视图的透视图；

图6-2是压力传感元件的替代实施例的底部的平面图；

图7是图5和图6-1中所示的压力传感元件的剖视图；

图8是示出由沉积到外延层的顶侧的压电电阻器形成的分布式惠斯通电桥的压力传感元件的顶侧的平面图；

图9是压力传感元件的优选实施例的底部的透视图；

图10是图9中所示的压力传感元件的底部的平面图；

图11是差压传感器的剖视图；

图12是顶侧绝对压力传感器的剖视图；

图13是背侧绝对压力传感器的剖视图；

图14-1至图14-4是传感元件的替代实施例的平面图；且

图15是示出使用交叉加强件形成具有高灵敏度和高精确度的压力传感器器件的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

图1是用于在汽车和工业压力传感应用中使用的压力传感器10的透视图。图2是压力传感器10的侧视图。图3是图1和图2中所示的压力传感器10的剖面图。

在图1、图2和图3中，传感器10包括注射成型塑料壳体12，其包括长形的中空护罩部分13。护罩13接收阳性连接器并保护一个或多个引线框24，其穿过制成壳体12的塑料材料。引线框24提供电通路到壳体12内的凹处（pocket）16中，其中由参考标号14标识的压力传感元件用模具安装式粘合剂安装在穿过基体26形成的孔18上方。孔18与端口32的敞开通道30对准。压力将由压力传感元件14测量的液体或气体能够穿过基体26中的通道30和孔18并在制成压力传感元件的膜板上施加压力。

压力传感元件14是位于壳体12的凹处16内的膜板型压力传感元件14。也位于凹处16内的专用集成电路（ASIC）18包括电子器件，以输出电压，所述电压与形成于传感元件14的一个或多个“分布式”压阻器件的电阻变化成比例，并且彼此电连接以形成惠斯通电桥电路。

图4示出在压力传感元件14中使用的惠斯通电桥电路400的拓扑结构。电路400包括四个单独压阻电阻器402、404、406和408，其彼此连接，从而“首尾相连地”形成具有其中四个压阻电阻器连接在一起的四个节点的回路。压阻电阻器402、404、406和408通过将P-半导体材料沉积到由N外延层制成的薄膜板的顶表面中而形成。压阻电阻器402、404、406和408与导体互连。所述导体通过将P＋半导体材料沉积到外延层的顶表面中而形成。包括电阻器的P-半导体材料被限制到小的区域且因此被局部化。电阻器通过沉积到膜板的顶表面上的导体和金属滑道彼此连接。两个对角相对的节点410、412被认为是输入端子；另外两个对角相对的节点414、416被认为是输出端子。

本领域的普通技术人员将认识到施加到输入端子410、412的电压的大小将由穿过输出端子414、416的压阻电阻器的电阻值和输出的比划分。由于压阻电阻器402、404、406和408形成到当向其施加压力时偏转的薄硅膜板，压阻电阻器402、404、406和408的物理尺寸、形状和电阻将响应于由施加到膜板的压力引起的膜板偏转而变化。

再次参考图3，ASIC 18包括向输入端子410、412施加电压并测量输出端子414、416处的输出电压的电路。因此，ASIC 18产生可电测量的输出信号，该输出信号响应于形成到包括传感元件14的薄膜板的一个或多个电阻器的电阻变化而变化。如图3中最佳地看到，来自ASIC 18内的电子器件的电信号通过引线框24穿过壳体12布线，所述引线框24延伸至包围引线框24的护罩13中。

如本文所用，矩形是其各邻边形成直角的平行四边形。方形是其各边具有相等长度的矩形。如下所述，压力传感元件14由具有交叉加强件的薄且基本方形的硅膜板形成，其可以定尺寸、定形状并布置成通过控制薄膜板的偏转来降低非线性。膜板和交叉加强件一起形成，即同时，通过从相对厚的硅基体的一侧蚀刻材料直到达到N外延层，然后蚀刻该外延层以由外延层材料形成膜板和交叉加强件。

图5是从上方观看的硅基体500的透视图。图6-1是图5中所示的基体500的底部的透视图。图7是从剖面线7-7截取的基体500的剖视图。

膜板606的厚度优选地在约2.5微米和约5.0微米之间。当压力施加到膜板606时，具有厚度在该范围内的膜板606容易偏转。如下所述并且如在其他附图中可以看到，在膜板下方形成的交叉加强件限制膜板偏转并降低从使用此类压力传感元件构造的压力传感器输出的信号的非线性。

现在参考图5，压力传感元件14包括由P型单晶体硅制成的基本长方体状基体502。基体502具有基本平面的顶侧504和相对的基本平面的底侧506。基体502也具有四个基本垂直的侧面或边缘508、510、512和514。使用常规过程形成的外延层516在基体502的顶侧504上生长或沉积。通常由氮化硅形成的一个或多个钝化层517可以沉积在外延层516上方。

图6-1是图5中所示的基体502（即当从下面观看时的基体502）的底部506的透视图。基体502具有通过第一蚀刻形成到底侧506的腔体602，所述第一蚀刻优选地是深反应离子蚀刻（DRIE）或使用氢氧化钾（KOH）执行的“湿”蚀刻。第一蚀刻移除基体材料一直“向下”到在基体502的顶侧504上形成的外延层516。以另一种方式说明，第一蚀刻将腔体602形成到从基体502的底侧506向上延伸至外延层516的基本502的底侧506中。

在形成基体502的P型单晶体硅被移除以形成腔体602并露出外延层516之后，在腔体602内并靠着外延层516的底表面604执行第二“干”蚀刻。所述干蚀刻优选地使用为半导体处理技术中的普通技术人员熟知的“SF6”执行。第二蚀刻将材料从外延层移除至薄的外延层且因此形成非常薄的膜板606，该膜板606也具有在图6-1中最佳地看到和在图7中的截面中所示的交叉加强件608。

在优选的实施例中，在湿蚀刻之后并在干蚀刻之前执行转角圆化蚀刻步骤。所述转角圆化蚀刻消除或至少减少由湿蚀刻形成的相交表面之间的锐角转角，并且因此减少或消除相交表面处的应力集中。

仍然参考图5、图6-1和图7，交叉加强件608基本上包括两个固定梁608A和608B，即每个梁608A、608B的两端部是固定的。梁608A、608B支撑并加固膜板606，并且加压流体（即液体或气体）靠着其施加压力。因此交叉加强件608支撑穿过膜板606分布的膜板606上的负载。

梁608A、608B的端部609被认为是“固定的”，因为梁608A、608B和它们的端部609被形成为缘边618的一部分，也是外延层516的一部分，其围绕膜板606的周边延伸。

虽然梁608A、608B通过蚀刻掉外延层516而形成，但是所述梁在本文被认为是在其相应的中点610处彼此连接的，并且彼此成直角。因此交叉加强件608在本文被认为是复杂的固定梁。它加固膜板606，从而当压力施加到该膜板时减少膜板606的偏转。

图6-2是压力传感元件500的替代实施例600的底部的平面图。与具有围绕膜板的周边延伸并支撑膜板的周边的缘边618的图6-1中所示的外延层516不同，在图6-2中由外延层516形成的交叉加强件629不具有缘边。交叉加强件629反而完全穿过膜板607延伸至该交叉加强件的臂被接合到倾斜侧壁620、622、624和626或从其延伸的地方，所述倾斜侧壁620、622、624和626包围腔体603且在第一蚀刻期间形成。以另一种方式说明，图6-2中所示的压力传感元件600包括硅基体503，其底侧507被蚀刻掉以形成腔体603并露出外延层516。然后外延层516通过SF6蚀刻成需要的交叉加强件629的厚度水平。用覆盖所蚀刻的硅基体的背侧并与交叉加强件629的特征部组成图案的光致抗蚀剂，与SF6的进一步蚀刻提供一种转角沟槽，以形成无缘边的交叉加强件629。如同图6-1中所示的实施例一样，当压力施加到膜板607时，图6-2中所示的交叉加强件629加固和因此减少膜板607的偏转。

在一个实施例中，传感元件能够测量在约1.0千帕和约10.0千帕之间的压力。在每个实施例中，交叉加强件的刚性和刚度由其尺寸以及形成交叉加强件的材料的特性所确定。

交叉加强件的尺寸经由实验设计（DOE）通过分析和实验确定。对于具有厚度在约2.5微米和约5.0微米之间的膜板，交叉加强件608的高度应该在约7.0微米和约10.0微米之间且优选地约8.5微米。

图8是外延层516的顶表面802的平面图。该外延层基本上是具有四个侧的方形。外延层516的膜板区域或部分606也是方形。它也具有四个侧804、806、808和810。

四个压电电阻器812、814、816和818通过将P-型半导体材料沉积到N外延层516中而在顶表面802中的小的局部区域中或在膜板区域606内形成。如在该图中可以看到，压电电阻器812、814、816和818位于方形膜板区域606的每个侧804、806、808和810的中点820处。

压电电阻器812、814、816和818被认为是“分布式”元件，因为它们不局限于膜板606的一侧或一边，而是反而彼此分离并沿方形膜板606的边804、806、808和810定位。

压电电阻器由导体824彼此连接，所述导体824由沉积到N外延层中的P+导电材料形成。P+导体824从压电电阻器的每个端部向外延伸至金属滑道826，所述金属滑道826连接到金属接合衬垫830、832、834、836用于输入电压和输出电压，以形成惠斯通电桥电路。

两个P+连接器连接到从它们延伸至可以施加输入信号金属接合衬垫830和832的金属滑道。两个其他的P+导体连接到其他金属滑道834、836，所述金属滑道834、836延伸至可以从惠斯通电桥取得的输出信号的第二对金属衬垫。

图9是传感元件900的优选实施例的底部的透视图。图10是传感元件900的同一优选实施例的平面图。

如图9中最佳地看到，形成交叉加强件908的两个基本正交的臂904、906的相对端部902被形成，并且延伸远离四个交叉加强件锚固件910。以另一种方式说明，锚固件910、交叉加强件908和缘边920通过对沉积到单晶体硅基体916的顶表面914上的外延层912进行蚀刻而一起形成，如上所述，腔体918被蚀刻到其中。

锚固件910基本上是平行六面体形块并靠着缘边920定位且从缘边920延伸，所述缘边920也通过蚀刻外延层912而形成。锚固件910被形成为直接位于压电电阻器（参见图8）下方，所述压电电阻器形成到图9或图10中不可见的外延层912的顶表面中。锚固件910具有经选择防止泄漏电流通过P-N接合点穿过P+和P-到N外延层912中的厚度。

如图10中最佳地看到，交叉加强件908穿过锚固件910附接到缘边920。如上所述，交叉加强件908是支撑通过使外延层1012变薄而形成的膜板824的梁。交叉加强件1008限定四个转角沟槽926。

缘边920支撑并加固膜板924的周边。形成沟槽926的“底部”的变薄的外延层将响应于施加到它们的压力而偏转，并从而改变在该外延层的顶表面中形成的压电电阻器的形状或尺寸。交叉加强件908减少膜板924的偏转，所述交叉加强件908是支撑或加固膜板的梁。

图11是差压传感器1100的剖面图。压力传感器1100可以由具有缘边618的图5中所示的传感元件500形成，或者由无缘边的图6-2中所示的传感元件600形成，或者由具有缘边和四个锚固件的图9中所示的传感元件900形成。在图11中，包括如图6-2中所述的传感元件的第一基体1102在第一基体1102中形成，其然后被附接到第二基体1108并由第二基体1108支撑。第二基体1108通常是玻璃，但也可以由硅形成。第二基体1108附接到第一基体1102的底侧1110。

孔1112穿过第二基体形成。孔1112与在第一基体1102中形成的膜板1114对准。孔1112被定尺寸、定形状和布置成引导流体（即液体或气体）到形成到第一基体1102的底侧1110中的腔体1116中。流体将因此在膜板1114的底侧上施加压力。因此膜板1114的偏转取决于施加到膜板1114的顶侧的压力（即顶腔体1006内的压力）和施加到该膜板的底侧的压力（即底腔体或下腔体1116内的压力）之间的差。

改变支撑膜板1114的交叉加强件1124的高度1120和/或宽度1122响应于施加到它们的压力和因此传感器的灵敏度来确定膜板和交叉加强件1124的偏转。因此改变交叉加强件1124的尺寸允许精确地控制压力灵敏度和非线性。传感元件500中的缘边618的尺寸或传感元件900中的缘边920和锚固件910的尺寸也影响压力灵敏度和非线性。

图12是绝对压力传感器1200的剖视图。绝对压力传感器1200具有与图11中所示且在上面所述的第一基体1102相同的顶或第一基体1102。第二基体1202被附接到第一基体1102的底侧1110。第二基体1202不具有孔；其关闭形成到第一基体1120的底侧1110中的腔体1116。

如果当第二基体1202被附接时腔体1116被排空，则施加到第一基体1102的顶侧1103的压力或真空将引起膜板1114偏转，从而改变形成到膜板中的压电电阻器的电阻。

图13是背侧绝对压力传感元件1300的剖视图。施加到图11中所示的第一基体1102的顶侧1103的帽部1302在膜板1114上方提供排空的腔体1304。施加到第一基体1102的底侧1110的第二基体1306具有与膜板1114对准的孔1308，其中流体可以通过其而穿到在第一基体1102中形成的腔体1116中。孔1308使加压流体能够在膜板1114的底部或背侧1115上施加压力。膜板1114的净偏转由顶腔体1304和底或背侧腔体1116中的压力确定。

实验表明，如上所述和图3-13中所示的交叉加强件也可以与位于中心的膜板加固衬垫形成。图14-1至图14-4是交叉加强件的替代实施例的底视图。在图14-1中，交叉加强件1402被形成为不带锚固件，但从位于中心的方形衬垫1404向外延伸至围绕膜板1408的周边而延伸的缘边1406。

在图14-2中，交叉加强件1402从基本近似圆形或圆形的衬垫1410延伸至缘边1406。

在图14-3中，交叉加强件1402从位于缘边1406的每侧的中点处的锚固件1412向内延伸至基本方形的衬垫1404。

最后在图14-4中，位于中心的衬垫1410也是圆形的或近似圆形的。交叉加强件1402从其向外延伸至锚固件1412。

在优选的实施例中，膜板厚度在约2.5微米和约5微米之间。然而，交叉加强件具有在约5.0微米和约10.0微米之间的厚度，但厚度可以高达15.0微米。

如上所述，加强件和膜板由相同的外延层形成。然而在替代实施例中，加强件可以沉积到使用其中形成膜板的不同材料的外延层的底侧上。

图15是示出形成上述压力传感元件的方法的步骤的流程图。

在第一步骤1502，外延层在单晶体硅基体的顶侧上形成。该外延层的厚度是薄的，优选地小于约20微米。

在第二步骤1504，单晶体硅层的底侧被蚀刻，以限定或形成腔体。第一蚀刻移除所有单晶体层材料“向下”至外延层，露出该外延层的底表面用于随后的蚀刻步骤。

在第三步骤1506，在外延层上执行第二蚀刻，以从该外延层移除材料来限定交叉加强件、缘边或锚固件，并且如果需要，限定上述加强件衬垫。

在优选的实施例中，在腔体蚀刻到基体的底侧中之后并在蚀刻外延层之前，任选地执行转角圆化蚀刻步骤1505。该转角圆化蚀刻步骤大体上圆化内转角并减少将在无转角蚀刻步骤情况下发展的应力集中。

在第五步骤1508，具有外延层的基体附接到被视为第一基体的支撑件的第二基体。第二基体可以具有根据所得的压力传感元件是否是差压传感器或顶侧绝对压力传感器而穿过其形成的孔。

最后在步骤1510，帽部施加到第一基体的顶侧，以在膜板上方限定排空的腔体。

本领域的普通技术人员将理解的是，如上所述的交叉加强件将支撑和因此控制薄膜板的偏转。交叉加强件尺寸（高度、宽度和长度）可以通过实验或通过计算机建模确定，以根据需要加固膜板。因此，与交叉加强件、缘边和/或锚固件结合，膜板可以被做得非常薄，以增加其灵敏度和精确度，如上面更详细描述。

前面的描述仅是为了说明的目的。本发明的真实范围在随附的权利要求中阐述。

Claims (23)

1.一种压力传感元件，包括：

第一基体，其具有相对的顶侧和底侧；

膜板，其形成到所述第一基体的底部中，所述膜板具有相对的顶侧和底侧，所述膜板的所述顶侧包括彼此耦接以形成惠斯通电桥的间隔开的压电电阻器；和

交叉加强件，其在所述膜板的所述底侧上形成为所述膜板的一部分。

2.如权利要求1所述的压力传感元件，其还包括附接到所述第一基体的底部的第二基体。

3.如权利要求1所述的压力传感元件，其还包括附接到所述第一基体的底部的第二基体，所述第二基体具有孔，其与所述膜板对准并被构造成引导流体朝向所述膜板的所述底侧。

4.如权利要求3所述的压力传感元件，其还包括帽部，所述帽部覆盖所述膜板的所述顶侧并且其在所述膜板的所述顶侧的上方限定腔体。

5.如权利要求1所述的压力传感元件，其还包括缘边，所述缘边形成为所述膜板的所述底部的一部分并且其支撑和加固所述膜板的所述底部的周边区域。

6.如权利要求5所述的压力传感元件，其中，所述膜板基本上是方形的，并且其中，所述交叉加强件包括在所述缘边之间延伸的第一和第二基本正交梁段。

7.如权利要求1所述的压力传感元件，其还包括：

缘边，其形成为所述膜板的所述底部的一部分并且其支撑和加固所述膜板的所述底部的周边区域；

交叉加强件，其包括形成为所述膜板的所述底部的一部分的第一和第二基本正交梁段，每个梁段具有第一和第二相对端部；和

锚固件，其形成为所述膜板的所述底部的一部分并位于所述缘边和梁段的端部之间。

8.如权利要求7所述的压力传感元件，其中，所述压电电阻器形成到所述膜板的所述顶侧中并位于形成为所述膜板的所述底侧的一部分的所述锚固件上方。

9.如权利要求5所述的压力传感元件，其还包括形成为所述膜板的所述底部的一部分并基本上集中在所述膜板的所述底侧上的加强件衬垫，并且其中，所述交叉加强件从所述加强件衬垫延伸至所述缘边。

10.如权利要求9所述的压力传感元件，其中，所述加强件衬垫具有基本方形的形状。

11.如权利要求9所述的压力传感元件，其中，所述加强件衬垫具有基本圆形的形状。

12.如权利要求7所述的压力传感元件，其还包括形成为所述膜板的所述底部的一部分并基本上集中在所述膜板的所述底侧上的加强件衬垫，并且其中，所述交叉加强件从所述加强件衬垫延伸至所述锚固件。

13.如权利要求12所述的压力传感元件，其中，所述加强件衬垫具有基本方形的形状。

14.如权利要求12所述的压力传感元件，其中，所述加强件衬垫具有基本圆形的形状。

15.如权利要求1所述的压力传感元件，其中所述膜板具有在约2.5微米和约5.0微米之间的厚度，并且其中，所述交叉加强件具有在约5.0微米和约15.0微米之间的不同的厚度。

16.如权利要求1所述的压力传感元件，其中，所述加强件由与形成所述膜板的材料不同的材料形成。

17. 一种压力传感器，其包括：

壳体，其具有凹处；和

压力传感元件，其位于所述凹处中，所述压力传感元件包括：

第一基体，其具有相对的顶侧和底侧；

膜板，其形成到所述第一基体的底部中，所述膜板具有相对的顶侧和底侧，所述膜板的所述顶侧包括彼此耦合以形成惠斯通电桥的间隔开的压电电阻器；和

交叉加强件，其在所述膜板的所述底侧上形成为所述膜板的一部分。

18.一种形成压力传感元件的方法，所述方法包括以下步骤：

在第一基体的顶侧上形成外延层，所述第一基体包括硅；

在所述第一基体的底侧上执行第一蚀刻，所述第一蚀刻在所述第一基体中向上延伸至所述外延层的所述第一基体的底侧中形成腔体；以及

执行由所述腔体露出的所述外延层的第二蚀刻的一部分，所述第二蚀刻从所述外延层移除材料，以限定由相同材料形成的交叉加强件和膜板。

19.如权利要求18所述的方法，其还包括以下步骤：

在所述第一和第二蚀刻步骤之间执行转角圆化蚀刻步骤，所述转角圆化蚀刻步骤包括圆化由所述第一蚀刻步骤形成的内转角的干蚀刻。

20.如权利要求18所述的方法，其中，执行第二蚀刻的步骤将膜板厚度限定在约2.5微米和5.0微米之间并将交叉加强件厚度限定在约5.0微米和15.0微米之间。

21.如权利要求18所述的方法，其还包括以下步骤：将所述第一基体附接到支撑所述第一基体的第二基体。

22.如权利要求18所述的方法，其还包括将所述第一基体附接到具有与所述膜板对准的孔的第二基体的步骤，其中所述孔允许将流体施加到所述膜板。

23.如权利要求22所述的方法，其还包括将帽部附接到所述第一基体的所述顶侧的步骤，其中所述帽部在所述膜板的所述顶侧的上方限定腔体。