CN107421663A - 用于模收缩和高灵敏度的具有锚定件的压力传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开用于模收缩和高灵敏度的具有锚定件的压力传感器装置。通过减薄膜片并且使所述膜片形成为包括锚定件，增加来自MEMS压力传感器的电压输出跨度和灵敏度并且降低压力非线性，其中所述锚定件不被连接到膜片加劲梁或膜片的加厚区，或者不被接到膜片加劲梁或膜片的加厚区上。

Description

用于模收缩和高灵敏度的具有锚定件的压力传感器装置

技术领域

本发明涉及用于模收缩和高灵敏度的具有锚定件（anchor）的压力传感器装置。

背景技术

微机电系统（MEMS）压力传感器是公知的。例如，Kurtz等人的美国专利号4,236,137公开一种半导体压力换能器。授予Johnson等人的美国专利号5,156,052也公开一种固态压力换能器。授予Bryzek等人的美国专利号6,006,607公开一种使用压敏电阻装置的压力传感器。美国专利号5,178,016和6,093,579也公开固态压力传感器。还参见由本申请的申请人所有并且还通过引用以其整体并入的题为“Semiconductor sensing device tominimize thermal noise”的美国专利8,881,596。

关于现有技术MEMS压力传感器的公知问题是压力非线性或“PNL”。PNL是硅膜片的挠度（deflection）的函数。然而，膜片挠度确定MEMS压力传感器检测小压力改变的能力。不幸的是，当膜片挠度增加时，输出非线性也增加。参见例如转让给相同申请人并且通过引用以其整体并入本文中的2015年11月19日公开的题为“PRESSURE SENSOR DEVICE WITH HIGHSENSITIVITY AND HIGH ACCURACY”的美国授予专利前的公开20150330856。

灵敏度由于感测低压强（即大约100kPa以下的压强）所要求的收缩MEMS压力传感器中的较小膜片而变得更加有问题。如下的固态压敏电阻压力传感器将是一种改进：相比于现有技术中的那些，可以在低压力处使用、并且具有更小模中的更小膜片与改进的输出线性度、并且更灵敏。

附图说明

图1是示出压力非线性或PNL的曲线图，其是跨线性电压输出范围MEMS压力传感器的真实输出电压中的差除以全刻度跨度输出电压；

图2是具有形成到衬底底部中的腔体的压力感测元件的第一实施例的透视图，所述腔体将膜片约束在衬底中，所述衬底的顶部被形成为具有带有锚定件的凹进部；

图3是示出其四分之一的图2的压力感测元件的剖视图；

图4是图2中描绘的压力感测元件的底视图；

图5A是图2中示出的压力感测元件的底视图，但是示出形成到膜片的顶表面中的凹进部的位置，所述膜片形成到衬底的底表面中；

图5B是图2中示出的压力感测元件的可替换实施例的底视图，其描绘形成到膜片的顶表面中的凹进部，所述凹进部的形状与图5A中示出的形状不同；

图6A示出压力感测元件的横截面视图，其具有与底部处的衬底接合以用于顶侧绝对压力感测的顶侧锚定件；

图6B示出压力感测元件的横截面视图，其具有与带有通孔的底部处的衬底接合的顶侧锚定件以及作为顶部处的盖的另一衬底以用于背侧绝对压力感测；

图7是压力感测元件的底视图，其包括在蚀刻腔体之后形成到衬底的底部中以限定边缘（rim）和锚定件的凹进部；

图8是压力感测元件的横截面视图，其具有如图7中示出的背侧锚定件加上底部处的具有通孔的玻璃基座和顶部上的盖；

图9是针对现有技术MEMS压力感测元件、在本文中描述的压力感测元件并且使用7微米和10微米厚度二者的输出电压跨度、跨度比、压力和非线性百分比的图表；

图10是具有对称顶侧锚定件的压力感测元件的顶视图；以及

图11是具有非对称顶侧锚定件的压力感测元件的顶视图。

具体实施方式

为了清楚目的，本文中将压力非线性或“PNL”视为理想化的线性电压输出与从体现为由压敏电阻器形成的惠斯通电桥电路的MEMS压力传感器的实际电压输出之间的最大电压差。真实电压输出与理想化的线性电压输出中的最大差除以全刻度或简单地“跨度”定义PNL。

图1是描绘如何确定PNL的曲线图。作为释义，将PNL确定为在输入压力范围上MEMS压力传感器与理想的线性输出电压的最大输出电压偏差。如图1中示出的，将PNL表述为：PNL= Δmax/ FSS。

MEMS压力传感器领域中的普通技术人员知道，PNL应当降低到尽可能低，对于汽车应用而言，通常降低至小于约1.5%。

图2描绘压力感测元件200的第一实施例，其包括具有顶表面204和底表面206的立方体形状衬底202。衬底202还具有蚀刻到顶表面204中的凹进部208，凹进部208被设计尺寸和成形以定义四个“锚定件”，其大体是通过参考数字210标识的大体上矩形形状的块或长方体。不同于在以上指出的本申请人的共同待决的申请中所公开的压力感测元件，本文中所公开的锚定件不利用或通过在相对锚定件之间延伸的膜片加劲物连接或耦合到彼此。

在图2中，锚定件210在凹进部208“中”与彼此间隔开，使得锚定件210中的每一个位于每一个膜片边缘中心附近。换句话说，与彼此相对的每两个锚定件210在膜片208上均匀地隔开。

图3是图2中示出的压力感测元件200的四分之一部分的透视图。衬底202的底侧206可以在图3中看到为具有形成到衬底202的底侧206中的大体上角锥形状的腔体300。作为通过其形成腔体的蚀刻过程的结果，腔体300的侧面略微倾斜。

图4是图2中示出的压力感测元件200的底侧206的透视图。腔体300从底表面206向上延伸通过由其制成衬底202的材料的大部分。腔体300的深度选择成使得没有蚀刻掉并且留在腔体300的顶部304处的材料限定大体上方形形状的膜片306，其厚度在大约7.0微米直至大约15.0微米之间。

图5A是图2中描绘的压力感测元件200的底视图。图5A还示出形成到顶侧204中的凹进部208的形状和通过蚀刻衬底材料形成的锚定件210。图5B是图2中示出的压力感测元件200的可替换实施例的底视图，其描绘形成到膜片306的顶表面中的非对称凹进部258，其形状与图5A中示出的形状不同。两对锚定件210和260由非对称凹进部258形成。

公知的是，当其所有角度相等并且其所有边的长度相等时多边形是“规则的”，否则多边形是“不规则的”。凹进部208的形状主要由于锚定件相对于凹进部的周界的尺寸而在本文中被视为是闭合的不规则形状的多边形。

如在图3中最好看到的，膜片306的厚度t相当薄，优选地在大约2.0和5.0微米之间。然而，锚定件210具有较大的厚度，大约7.0直至大约15.0微米。

如在图6A中最好看到的，具有图2-5中示出的顶侧锚定件210的压力感测元件优选地由第二衬底或基座602（优选地由玻璃制成）支撑，以用于顶侧压力感测。第二衬底602优选地由硅或玻璃制成并且附接到第一衬底202的底表面206。在一个实施例中，第二衬底602设有如图6B中示出的通孔604。通孔604允许孔604中的流体抵靠形成到第一衬底202的顶部中的膜片306的背侧施加压力以用于差压感测。可选的盖606可以放置在膜片306的顶侧之上，即在衬底202的顶表面204之上以限定膜片306的顶侧上方的排空的腔体608。盖606保护膜片306的顶侧并且防止压力被应用到用于背侧压力感测的膜片306的顶表面。

图7描绘压力感测元件700的可替换实施例的底视图。压力感测元件700包括具有顶侧704（在图7中不可见）和底侧706的衬底702。底侧706具有腔体708，腔体708具有角锥状形状，类似于图2-6中示出的形成到衬底中的腔体300的形状。

图7中示出的腔体708形成到衬底702的底表面706中。腔体708被形成以提供大体上平面表面711。平面表面711被进一步蚀刻以形成凹进部712，其具有围绕凹进部712的四个锚定件714和边缘710。四个锚定件714中的每一个位于底表面处的每一个膜片边缘的中心附近，所述底表面在与平面表面711相同的高度处。四个锚定件714从边缘710的每一侧向内延伸。如图8中示出的较薄波纹形膜片719因而由边缘710、凹进部712和四个锚定件714形成。膜片719的较薄部分用于增加压力灵敏度并且边缘和锚定件用于降低压力非线性。

图8是图7中描绘的压力感测元件的横截面视图，其示出底侧中的腔体708和进一步形成到衬底702的腔体708中的凹进部712。

如同图2-6中描绘的压力感测元件一样，形成在衬底702的底表面中的凹进部712是闭合多边形形状。离开锚定件714的膜片719厚度在大约2.0和大约5.0微米之间。然而，锚定件714和边缘710更厚，具有大约7.0和15.0微米之间的厚度。

类似于图2中示出的压力感测元件200，图7中示出的压力感测元件700还可以设有如图8中示出的第二衬底602，所述第二衬底602具有通孔604以用于差压感测。第二衬底602，还称为基座，优选地由玻璃制成。具有真空腔体808的盖824还可以放置在顶表面704之上，其中排空的腔体808用于背侧绝对压力感测。

图9是描绘现有技术压力感测元件和本文中所描绘的压力感测元件针对使用300um膜片进行的1巴顶侧绝对压力感测的性能的表格。对于大约7微米的膜片厚度，常规现有技术平坦膜片具有大约22.36毫伏的跨度电压。在申请人的共同待决申请号2014P05613US中的权利要求中描述的顶部交叉具有改进了大约48%的32.99毫伏处的改进跨度电压；然而，仅由锚定件支撑并且如本文中描述的膜片的跨度电压具有大约43.14毫伏的益发甚至更大的跨度电压。跨度比相比于现有技术结构也改进，尽管压力非线性略微更高，但是仍旧在压力非线性要求+/-1.5%内。

类似的性能改进已经利用厚度大约10微米的膜片来实现。在顶部交叉撑牢膜片与仅锚定件膜片之间，跨度电压变好接近50%。压力非线性在+/-1.5%内相当低。

最后，图10和11分别描绘对称和非对称顶侧锚定件。在图10中，锚定件1002是大体上相同尺寸并且具有大体上相同的表面积。然而，在图11中，在膜片306的相对侧1106和1108上的两个较长锚定件1102大于或长于膜片306的相对侧1114和1116上的较短锚定件1112。

图10描绘具有对称顶侧锚定件的图6A中示出的压力感测元件200的顶表面204的平面视图。四个压敏电阻器1012、1014、1016和1018通过向压力感测元件200的顶表面204上的锚定件1002的区域中沉积P型半导体材料来形成。压敏电阻器1012、1014、1016和1018被视为“分布式”元件，因为它们不被约束到膜片306的一侧或边缘，而是替代地与彼此分离并且沿方形形状的膜片306的边306A、306B、306C和306D定位。

压敏电阻器通过导体1020连接到彼此，导体1020由沉积到压力感测元件200的顶表面204中的P+导电材料形成。P+导体1020从压敏电阻器的每一端向外延伸并且连接到金属接合焊盘1032、1034、1036和1038以用于输入和输出电压以形成惠斯通电桥电路。

两个电路回路用于将金属接合焊盘1032连接到金属接合焊盘1034以用于输入信号，并且每一个回路包括两个压敏电阻器和两对P+连接器。另两个电路回路用于将金属接合焊盘1036连接到金属接合焊盘1038以用于输出信号，并且类似地每一个回路包括两个压敏电阻器和两对P+连接器。

如图11中示出的，已经在实验上确定非对称锚定件增加膜片的跨度或灵敏度，但是可能引入某种较高压力非线性或电气噪声。

前述描述仅出于说明的目的。本发明的真实范围在所附权利要求中阐述。

Claims (20)

1.一种压力感测元件，包括：

具有顶部和底部相对侧的第一衬底；

形成到第一衬底的底部中的腔体，腔体被设计尺寸和成形以在第一衬底中形成薄膜片，膜片具有大体上平面的顶表面和腔体中的相对底表面，底表面也是大体上平面的；

形成到膜片的顶表面中的凹进部，凹进部被设计尺寸和成形以限定四个锚定件，锚定件在凹进部中与彼此间隔开，使得每一个锚定件形成在每一个膜片边缘中心附近；以及

形成到每一个锚定件的顶表面中的压敏电阻器。

2.权利要求1所述的压力感测元件，其中锚定件不被接到膜片加劲物上。

3.权利要求1所述的压力感测元件，其中凹进部是闭合不规则多边形。

4.权利要求1所述的压力感测元件，在这里锚定件是对称的。

5.权利要求1所述的压力感测元件，在这里锚定件是非对称的。

6.权利要求1所述的压力感测元件，在这里压敏电阻器连接到彼此以形成惠斯通电桥。

7.权利要求1所述的压力感测元件，其中膜片具有大约2.0和大约5.0微米之间的厚度，并且其中锚定件具有大约7.0和大约15.0微米之间的不同厚度。

8.权利要求1所述的压力感测元件，还包括附接到第一衬底的底部的第二衬底。

9.权利要求8所述的压力感测元件，其中第二衬底具有孔，所述孔与膜片对准并且配置成朝向膜片的底侧传导流体。

10.权利要求8所述的压力感测元件，还包括覆盖膜片的顶侧并且限定膜片的顶侧上方的腔体的盖。

11.一种压力感测元件，包括：

具有顶部和底部相对侧的第一衬底；

形成到第一衬底的底部中的腔体，腔体被设计尺寸和成形以在第一衬底中形成薄膜片，膜片具有顶表面和腔体中的相对底表面；

形成到膜片的底表面中的凹进部，凹进部被设计尺寸和成形以限定凹进部周围的边缘和四个锚定件，所述四个锚定件从边缘向内并且朝向彼此延伸，锚定件在凹进部中与彼此间隔开，使得每一个锚定件形成在每一个膜片边缘中心附近；以及

形成到每一个锚定件的顶表面中的压敏电阻器。

12.权利要求11所述的压力感测元件，其中锚定件不被接到膜片加劲物上。

13.权利要求11所述的压力感测元件，其中凹进部是闭合多边形。

14.权利要求11所述的压力感测元件，其中锚定件是对称的。

15.权利要求11所述的压力感测元件，其中锚定件是非对称的。

16.权利要求11所述的压力感测元件，其中压敏电阻器连接到彼此以形成惠斯通电桥。

17.权利要求11所述的压力感测元件，其中膜片具有大约2.0和大约5.0微米之间的厚度，并且其中锚定件具有大约7.0和大约15.0微米之间的不同厚度。

18.权利要求11所述的压力感测元件，还包括附接到第一衬底的底部的第二衬底。

19.权利要求18所述的压力感测元件，其中第二衬底具有孔，所述孔与膜片对准并且配置成朝向膜片的底侧传导流体。

20.权利要求19所述的压力感测元件，还包括覆盖膜片的顶侧并且限定膜片的顶侧上方的腔体的盖。