CN109843788A - 具有应力解耦结构的微机械传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械传感器(100)，该微机械传感器具有：‑衬底(10)；布置在所述衬底(10)上的第一功能层(20)；‑布置在所述第一功能层(20)上的第二功能层(30)，该第二功能层具有能运动的微机械结构(31)；‑在所述衬底(10)中布置在所述能运动的微机械结构(31)下方的空腔(11)；和围绕所述第二功能层(30)的所述能运动的微机械结构(31)构造的并且延伸到所述衬底(10)中直至所述空腔(11)的垂直的沟槽结构(40)。

Description

具有应力解耦结构的微机械传感器

技术领域

本发明涉及一种微机械传感器。本发明还涉及一种用于制造微机械传感器的方法。

背景技术

用于测量加速度和转速的微机械惯性传感器针对在汽车和消费领域中的不同应用而批量制造。当前的惯性传感器相对于从外部耦入的机械应力是敏感的，这会以不利的方式降低它的精度。

US 7 170 140 A1公开了一种能够实现尽可能的应力解耦的结构。然而所述制造要求昂贵的层传输方法。

由US 6 893 928 B2和I.Mizushima、T.Sato、S.Taniguchi、Y.Tsunashima的“Empty-space-in-silicon technique for fabricating a silicon-on-nothingstructure”应用物理学快报，第77卷，第20期，2000年11月13日，已知所谓的SON衬底(英文，silicon-on-nothing)，其具有在衬底中的空腔，并且已知一种用于制造膜片的方法。

US 7 843 025 B2公开了用于制造膜片的表面微机械方法。

此外，用于微机械构件的应力解耦沟槽的原理由DE 10 2014 210 945 A1已知。

发明内容

本发明的任务是，提供一种在外部机械应力负载方面改善的微机械传感器。

根据第一方面，所述任务通过微机械传感器解决，该微机械传感器具有：

-衬底；

-布置在衬底上的第一功能层；

-布置在第一功能层上的第二功能层，该第二功能层具有能运动的微机械结构；

-在衬底中布置在能运动的微机械结构下方的空腔；和

-围绕第二功能层的能运动的微机械结构构造的并且延伸到衬底中直至空腔的垂直的沟槽结构。

以该方式，对于微机械传感器提供应力解耦结构，该应力解耦结构可以避免或强烈地降低从外部起作用的应力对传感器元件的影响和由此的误差信号。以该方式，有利地支持微机械传感器的改善的功能性。这基本上通过以下方式实现：建立用于能运动的微机械结构的旋转支点，整个结构可以围绕该旋转支点扭转，由此能运动的微机械结构即使在存在外部起作用的应力的情况下也保持基本上不运动并且由此不生成电的传感器误差信号。

结果是，提供机电结构相对于围绕的衬底的改善的应力解耦，由此能够实现高敏感性的微机械传感器。

根据第二方面，所述任务通过用于制造微机械传感器的方法解决，所述方法具有以下步骤：

-提供具有在其中构造的空腔的衬底；

-将第一功能层构造在衬底上；

-将具有能运动的微机械结构的第二功能层构造在第一功能层上，其中，能运动的微机械结构在第二功能层的区域中构造在空腔上方；并且

-将垂直的沟槽结构围绕能运动的微机械结构构造到衬底中直至空腔。

微机械传感器的优选实施方式是从属权利要求的主题。

微机械传感器的有利实施方式的特征在于，构造在第一功能层中的并且由沟槽结构限界的膜片垂直地和/或横向地锚固在衬底上。由此有利地提供用于构造在第一功能层中的膜片的不同紧固可能性方案。由此有利地提高用于应力解耦结构的设计自由度。

微机械传感器的另外的有利实施方式设置为，能运动的微机械结构在第一功能层上的固定元件和第一功能层在衬底上的固定元件基本上彼此叠置地布置。由此有利地引起，对于能运动的微机械结构并且对于布置在其下的电极结构存在相同的旋转支点，由此基本上防止误差信号。

微机械传感器的另外的有利实施方式的特征在于，空腔借助APSM空穴或SON空穴或者借助cSOI衬底提供。以该方式，有利地提供不同的可能性方案以将空腔设置在能运动的微机械结构下方。由此有利地提高用于应力解耦结构的设计自由度。

微机械传感器的另外的有利实施方式的特征在于，垂直的沟槽结构借助桥接元件来桥接。以该方式，例如可以有利地实现微机械结构的馈电。

微机械传感器的另外的有利实施方式的特征在于，桥接元件弹簧状地构造。以该方式，提供用于桥接元件的有利的机械特性。

微机械传感器的另外的有利实施方式的特征在于，微机械传感器构造为加速度传感器、转速传感器或压力传感器。由此可以有利地借助根据本发明的原理实现不同类型的微机械传感器。

附图说明

下面参照多个附图详细阐释本发明的其他特征和优点。相同的或功能相同的元件具有相同的附图标记。附图尤其被考虑用于阐明本发明重要的原理并且不必按正确比例制作。出于更好的概要性的原因可以设置为，不在所有的附图中画出所有的附图标记。

公开的方法特征类似地由相应公开的设备特征得出，反之亦然。这尤其意味着，关于用于制造微机械压力传感器的方法的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由微机械压力传感器的相应实施方案、特征和技术优点得出，反之亦然。

附图示出：

图1传统的微机械传感器在没有外部应力的情况下的原理示图；

图2传统的微机械传感器在具有外部应力的情况下的原理示图；

图3根据本发明的微机械传感器的功能原理的原理示图；

图4根据本发明的微机械传感器的实施方式的横截面视图；

图5...11用于制造根据本发明的微机械传感器的实施方式的过程流；和

图12用于制造根据本发明的微机械传感器的方法的原理流程。

具体实施方式

本发明的核心思想是提供用于微机械传感器的应力解耦结构。微机械传感器的所提出的构造和配属的制造方法导致MEMS结构与围绕的衬底的尽可能的应力解耦并且以该方式能够实现高敏感性的微机械惯性构件。

传统地，集成环境(例如电路板)和惯性构件的封装(例如模塑壳体)由于所使用材料的不同的热膨胀系数而将机械应力耦入到微机械惯性构件中，所述机械应力可以导致变形。在温度改变的情况下，出现这种变形的改变，这种变形的改变本身作为测量的误差信号起作用并且以不利的方式降低惯性构件的精度。

有利地，所提出的微机械传感器例如可以使用于红外线传感器阵列、加速度传感器、转速传感器、压力传感器以及所提到的传感器在传感器总成中的组合。

图1示意性示出传统的微机械惯性传感器，其具有衬底10，在该衬底上布置有第一功能层20(未示出)和具有能运动的微机械结构(未示出)的第二功能层30。示出不具有外部起作用的机械应力的情况，在这种情况下构件不变形并且能运动的微机械结构的平面和衬底10基本上平坦地构造。

图2示出图1的传统组件具有外部起作用的应力的情况，该应力的作用通过两个旋转箭头表明。在这种情况下，构件主要沿z方向变形，其中，悬置结构不随着弯曲，而直接锚固在衬底10上的功能元件(例如刚性的探测电极，未示出)已经弯曲。结果是，由此引起在悬置的和垂直锚固的功能元件之间的几何偏移，该几何偏移被探测为不期望的电误差信号。

图3示出所提出的构造的原理示图。设置有所谓的“膜片”在衬底10上的垂直锚固和在衬底10中构造在膜片下方的空腔11。结果是，由此建立旋转支点P1、P2，衬底10可以围绕所述旋转支点相对于膜片弯曲或扭转，由此实现，衬底10的变形不传递到膜片面上。结果是，由此具有能运动的微机械结构的第二功能层30保持基本上不运动并且由此经受外部起作用的机械应力而有利地不弯曲。有利地，由此在组件弯曲的情况下不生成电误差信号或仅生成非常小的电误差信号。

图4示出所提出的微机械传感器100的第一实施方式的示意性横截面视图。可看到衬底10，在该衬底上布置有第一功能层20，其中，在第一功能层20中布置有一个或多个电极21。在第一功能层20内部布置有蚀刻停止层22和氧化物层23。在第一功能层20上布置有第二功能层30，在该第二功能层中构造有能运动的微机械结构31(MEMS结构)，该能运动的微机械结构与第一功能层20的电极21共同作用并且在能运动的结构31限定地运动时生成微机械传感器100的电测量信号。

在衬底10中构造有空腔11，该空腔可以通过不同的、本身已知的过程提供，例如以APSM膜片(英文，advanced porous Silicon membrane)或SON膜片(英文，silicon-on-nothing)的形式或者通过使用cSOI衬底(英文，cavity substrate on insulator)来提供。

围绕能运动的微机械结构31构造有垂直的沟槽结构40，该沟槽结构穿过第一功能层20并且延伸到衬底10中直至约空腔11的高度处。以该方式，在第一功能层20的区段中与衬底10的区段一起建立膜片，该膜片凭借四个支撑元件20d垂直地锚固在剩余的衬底10上。

因此，借助垂直的沟槽结构40提供用于所提到的膜片的四个旋转支点，衬底10可以围绕所述旋转支点旋转，而由此布置在所提到的膜片上的能运动的微机械结构31不扭转。结果是，由此实现能运动的微机械结构31与衬底10的机械解耦，由此提高微机械传感器100的机械不敏感性，其方式是，尽可能地避免由于从外部作用到传感器100上的机械应力而引起的电误差信号。所描述的膜片在衬底10上的垂直锚固具有以下优点：没有平面内应力被耦入到能运动的微机械结构31中。

以该方式，膜片区域M在横向上由围绕的应力隔离或应力解耦沟槽来限界，该应力隔离或应力解耦沟槽仅由电供应元件(未示出)跨越。锚固的膜片引起，衬底的平面外的弯曲力矩由于缺少力传递而不会转移到MEMS元件31上。

替代地，也可以考虑，所提到的膜片在横向上锚固在衬底10上(未示出)。

借助键合框50，在第二功能层30上借助键合连接地布置有罩晶片60。

下面参照附图5至11阐明用于制造微机械传感器100的实施方式的过程流。这里取消过程实施的详细细节的示图，因为在此涉及表面微机械学的标准方法的本身已知的过程步骤。

图5示出衬底10的横截面视图，在该衬底中构造有空腔11。在此，借助已知的表面微机械过程、例如借助APSM过程或SON过程，在衬底10中通过各向异性的和可能的各项同性的蚀刻过程构造有栅格形结构。

图6示出栅格通过外延或通过热回流过程的封闭。下面进行氧化物层20a的沉积以及衬底接触孔20b的构造。然后在将来的应力隔离沟槽的所设置区域中产生氧化物栅格，该应力隔离沟槽的基础结构可以识别为在衬底接触孔20b下方的空腔。

图7的横截面视图表明，穿过氧化物栅格已实施挖沟槽并且优选已经将聚合硅层20c沉积到氧化物栅格上。然后进行电布线的结构化。在图7的右侧部分中可看出膜片区域M的俯视图，其中，可看出膜片的支撑柱20d和弹簧状构造的桥接元件20e，通过所述桥接元件实现微机械结构的电接合。在此，穿过两个支撑柱20d表明的截面相应于图7的左侧区域的截面视图。

桥接元件20e的弹簧状结构有利地产生高柔韧性，以便确保尽可能好的应力解耦。但在这里替代地也可以考虑另外的接片形式，例如多重曲折形。也可以考虑，在不同的膜片侧(例如上侧和下侧)上分别设置有弹簧接片。

在图8中可看出，通过另外的功能层的沉积和结构化使第一功能层20变完整。可选地，进行用于之后的牺牲层蚀刻的蚀刻停止层22的沉积和氧化物或牺牲层23的沉积。随后进行氧化物层23和可能的蚀刻停止层22的结构化。

在图9中可看出优选以多晶硅的形式的第二功能层30的沉积。随后进行用于键合垫和作为用于随后构造的键合界面50的键合金属化部的第一金属化平面50a(例如铝)的沉积。

在图10的横截面视图中表明，使第二功能层30结构化，由此形成能运动的微机械结构31。此外，进行机械功能区域的露出以及借助牺牲层蚀刻产生上面所阐释的沟槽结构40。

图11示出整个结构借助晶片键合的最终封装以及键合垫借助蚀刻的露出和隔离。晶片键合方法优选涉及金属键合方法，因为通过这种键合方法不仅应确保围绕膜片区域的传感器空穴(罩空穴)的密封性，而且也应确保第一和第二功能层20、30之间的芯片至芯片的电接触。合适的金属键合方法的示例是铝-锗、金-硅、铜-锡、铝-铝、铜-铜、金-金。也设置有用于避免粘接的止挡部。在罩晶片内部构造有罩空穴。

图12示出用于制造微机械结构的方法的原理流程。

在步骤200中提供具有在其中构造的空腔11的衬底10。

在步骤210中将第一功能层20构造在衬底10上。

在步骤220中实施具有能运动的微机械结构31的第二功能层30在第一功能层20上的构造，其中，能运动的微机械结构31在第二功能层30的区域中构造在空腔11上方。

在步骤230中实施垂直的沟槽结构40围绕能运动的微机械结构31到衬底中直至空腔11的构造。

在微机械传感器100具有多个传感器功能单元的情况下，优选对于每个单传感器功能单元构造有各自的垂直的沟槽结构40，由此以有利的方式使整个传感器阵列应力解耦。

尽管前面已参照具体应用示例描述本发明，但本领域技术人员也可以不实现或仅部分地实现本发明公开的实施方式，而不偏离本发明的核心。

Claims (10)

1.微机械传感器(100)，该微机械传感器具有：

-衬底(10)；

-布置在所述衬底(10)上的第一功能层(20)；

-布置在所述第一功能层(20)上的第二功能层(30)，该第二功能层具有能运动的微机械结构(31)；

-在所述衬底(10)中布置在所述能运动的微机械结构(31)下方的空腔(11)；和

-围绕所述第二功能层(30)的所述能运动的微机械结构(31)环绕地构造并且延伸到所述衬底(10)中直至所述空腔(11)的、垂直的沟槽结构(40)。

2.根据权利要求1所述的微机械传感器(100)，其特征在于，在所述第一功能层(20)中构造并且由所述沟槽结构(40)限界的膜片垂直地和/或横向地锚固在所述衬底(10)上。

3.根据权利要求1或2所述的微机械传感器(100)，其特征在于，所述能运动的微机械结构(31)在所述第一功能层(20)上的固定元件和所述第一功能层(20)在所述衬底(10)上的固定元件(20d)基本上彼此叠置地布置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的微机械传感器(100)，其特征在于，所述空腔(11)借助APSM空穴或SON空穴或者借助cSOI衬底提供。

5.根据前述权利要求中任一项所述的微机械传感器(100)，其特征在于，所述垂直的沟槽结构(40)借助桥接元件(20e)桥接。

6.根据权利要求5所述的微机械传感器(100)，其特征在于，所述桥接元件(20e)弹簧式地构造。

7.根据前述权利要求中任一项所述的微机械传感器(100)，其特征在于，所述微机械传感器(100)构造为加速度传感器、转速传感器或压力传感器。

8.用于制造微机械传感器(100)的方法，所述方法具有以下步骤：

-提供具有构造在其中的空腔(11)的衬底(10)；

-将第一功能层(20)构造在所述衬底(10)上；

-将具有能运动的微机械结构(31)的第二功能层(30)构造在所述第一功能层(20)上，其中，所述能运动的微机械结构(31)在所述第二功能层(30)的区域中构造在所述空腔(11)上方；并且

-将垂直的沟槽结构(40)围绕所述能运动的微机械结构(31)构造到所述衬底中直至所述空腔(11)。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述微机械传感器(100)构造为微机械转速传感器或构造为微机械加速度传感器或构造为微机械压力传感器。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，在所述微机械传感器(100)具有多个功能单元的情况下，对于每个功能单元构造各自的垂直的沟槽结构(40)。