CN111164401A - 微机械设备和用于制造微机械设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机械设备(1a；1b；1c)，该微机械设备具有载体衬底(2)；传感器装置(3)，该传感器装置与所述载体衬底(2)的表面区段(4)间隔开地借助于弹簧元件(9)布置在所述载体衬底(2)处，使得所述传感器装置(3)能够相对于所述表面区段(4)振动；和至少一个布置在所述传感器装置(3)和/或所述载体衬底(2)的所述表面区段(4)处的停止器元件(51、52)，该停止器元件限制所述传感器装置(3)朝着所述表面区段(4)的方向的偏移。

Description

微机械设备和用于制造微机械设备的方法
技术领域
本发明涉及一种微机械设备，该微机械设备可以用于测量物理参量、如环境压力。本发明还涉及一种用于制造微机械设备的方法。
背景技术
微机械压力传感器用于求取在可携带仪器中以及在工业和住宅区域中的器械中的压力和机械负载。示例性的压力传感器由公开文献DE 10 2010 031197 A1已知。然而，传感器不仅记录外部的压力波动，而且也对于壳体的震动敏感。但通常希望的是，消除或至少减少这种震动的影响。
发明内容
本发明公开了一种具有权利要求1的特征的微机械设备和一种具有权利要求10的特征的用于制造微机械设备的方法。
因此，根据第一方面，本发明涉及一种具有载体衬底和传感器装置的微机械设备，该传感器装置与载体衬底的表面区段间隔开地布置并且借助于弹簧元件固定在载体衬底处。由此，传感器装置相对于表面区段可振动地构造。在传感器装置处和/或在载体衬底的表面区段处布置有至少一个停止器元件，该停止器元件限制传感器装置的朝着表面区段的方向的偏移。
根据第二方面，本发明涉及一种用于制造微机械设备的方法。提供集成电路和MEMS结构，其中，MEMS结构具有传感器装置，该传感器装置借助于弹簧元件可振动地布置。将至少一个停止器元件布置在传感器装置和/或集成电路的表面区段处。MEMS结构与集成电路连接，使得传感器装置可以相对于集成电路的表面区段振动，并且，其中，传感器装置的朝着表面区段的方向的偏移通过所述至少一个停止器元件限制。
优选的实施方式是各个从属权利要求的主题。
根据本发明的微机械设备能够基于通过弹簧元件的悬挂实现传感器装置相对于载体衬底的一定程度的解耦。为了确保足够好的解耦，弹簧元件也必须是足够柔性的，以便使传感器装置在外部震动时偏移并且由此补偿不期望的横向影响。根据本发明，还是能够防止传感器装置或布置在载体衬底上的其他构件的损坏。为此，设置有停止器元件，所述停止器元件限制传感器装置的振动或偏移。因此，停止器元件用作为额定接触部位，以便防止传感器装置与载体衬底的表面区段的直接接触或者甚至防止弹簧元件由于过载而引起的断裂。由此可以防止在传感器装置与表面区段碰撞时颗粒的可能磨损或碎裂。
根据所述设备的优选扩展方案，在传感器装置处布置有第一停止器元件并且在表面区段处布置有第二停止器元件。由此，传感器装置仅能够偏移到直至第一停止器元件触碰第二停止器元件的程度。在第一停止器元件和第二停止器元件之间的距离在任何时候都小于在传感器装置的区域和载体衬底的表面区段的相对置的区域之间的距离。由此确保，仅仅停止器元件能够相互触碰。
根据所述设备的优选扩展方案，第一停止器元件具有第一电极并且第二停止器元件具有第二电极。此外，所述设备具有分析处理装置，该分析处理装置测量在第一电极和第二电极之间的电容。在考虑所测量的电容的情况下，分析处理装置确定在传感器装置和表面区段之间的区域中的湿度。这是基于以下物理原理，即作为电介质的位于第一电极和第二电极之间的空气的湿度变化描述了相对电容率的变化。例如，没有水的空气的相对电容率为1.0059，而在饱和状态中相对电容率为1.77。相应地得出在两个电极之间的电容的变化。因此，通过测量电容可以确定湿度。电容和湿度之间的关系可以凭经验求取并且存在表格中。
根据所述设备的扩展方案，在表面区段处布置有参考电极，并且，在载体衬底的与表面区段间隔开并且与传感器装置相邻的部位处布置有第二参考电极。在所述部位和表面区段之间的距离是固定的。例如，参考电极布置在表面区段或所述部位的在空间上相对彼此固定的区域处。分析处理装置还构造成用于测量在第一和第二参考电极之间的参考电容并且在考虑参考电容的情况下进一步确定湿度。因为在两个在空间上固定的参考电极之间的参考电容被测量，该参考电容与载体衬底的震动无关。通过所测量的电容随时间的走向与所测量的参考电容随时间的走向的比较可以求取，电容变化是来源于湿度的变化还是来源于载体衬底的震动。因此，可以在计算湿度时考虑并且消除外部震动或载体衬底的运动的影响。根据另外的实施方式，也可以直接测量参考电容并且用于计算湿度。
根据所述设备的优选扩展方案，分析处理装置构造成用于测量传感器装置相对于表面区段的振动的共振频率并且在考虑共振频率的情况下确定湿度。湿度影响震动系统的品质并且因此影响共振频率。通过凭经验求取例如可以存储在表格中的共振频率和湿度之间的关系，可以直接基于共振频率求取湿度。
根据所述设备的扩展方案，第一停止器元件的撞击面的硬度不同于第二停止器元件的撞击面的硬度。撞击面理解为停止器元件相互触碰的那些区域。通过这种材料选择可以减小冲击的影响，因为具有较小硬度的较软的停止器元件可以更好地吸收能量。
优选地，第二停止器元件的撞击面的硬度小于第一停止器元件的撞击面的硬度。即使在停止器元件相撞时出现裂缝和损坏，这大部分仅对于具有较小硬度的第二停止器元件是这种情况。而与传感器装置连接的第一停止器元件被保护，从而防止敏感的传感器装置的损坏。第一停止器元件的撞击面例如可以由较软的金属层、如由铝铜层(AlCu层)组成，而第二停止器元件的撞击面由较硬的钝化层、如氮化物层组成。
根据优选的扩展方案，传感器装置的面向载体衬底的表面区段的表面具有钝化层。氮化物层例如可以构造在该表面上。第一停止器元件构造在表面处或上，其中，钝化层在围绕第一停止器元件的区域中中断。即在该区域中移除钝化层或者甚至不构造钝化层。在停止器元件相撞时可能形成裂缝，所述裂缝例如可能产生在构造在第一停止器元件的表面上的钝化层中。然而，因为钝化层围绕第一停止器元件中断，这些裂缝不会进一步扩展，从而更好地保护传感器设备免受损坏。尤其防止由于侵入到裂缝中的液体导致的传感器元件的测量条件的变化，因为所述裂缝在信号变换器的区域中甚至不产生。
根据所述设备的优选扩展方案，分析处理装置还构造成用于基于传感器装置的测量信号并且在考虑所求取的湿度的情况下测量环境压力。因为电极构造在停止器元件中或处，确定在紧接着传感器装置的环境中的湿度。
根据所述设备的优选的实施方式，分析处理装置还构造成用于在考虑所求取的电容的情况下并且优选除了所求取的参考电容附加地计算出传感器元件朝着载体衬底的表面区段的方向的加速度。分析处理装置尤其可以将所述电容的变化与参考电容的变化进行比较。因为参考电极在空间上相对彼此固定，所述参考电容的变化基本上与传感器元件的加速度无关，而是仅与其他外部参数、如空气湿度有关。分析处理装置可以参照所测量的参考电容的变化修正所测量的所述电容的变化。修正的电容变化仅还与传感器元件朝着载体衬底的表面区段的方向的加速度有关。这允许分析处理装置求取传感器元件的加速度。
根据所述设备的优选扩展方案，载体衬底具有集成电路，该集成电路具有表面区段。此外，载体衬底具有MEMS结构，该MEMS结构布置在集成电路处或上。传感器装置布置在MEMS结构的凹部中并且通过弹簧元件与MEMS结构连接。
根据所述设备的优选扩展方案，传感器装置具有空腔以及膜片，该膜片跨越空腔。因此，传感器装置构造为压力传感器装置。
附图说明
附图示出：
图1根据本发明的实施方式的微机械设备的示意性横截面视图；
图2根据本发明的另外的实施方式的微机械设备的示意性横截面视图；
图3根据本发明的另外的实施方式的微机械设备的细节的示意性横截面视图；和
图4用于阐释根据本发明的实施方式的用于制造微机械设备的方法的流程图。
在所有附图中，相同的或功能相同的元件和设备设有相同的附图标记。方法步骤的序号用于概要性并且通常不会暗示确定的时间顺序。尤其也可以同时实施多个方法步骤。
具体实施方式
图1示出根据本发明的实施方式的微机械设备1a的示意性横截面视图。微机械设备1a具有载体衬底2，该载体衬底由MEMS结构21和集成电路或者说ASIC22构建，它们通过具有共晶合金的键合连接部100相互连接。测量通道84在MEMS结构21和集成电路22之间走向。
MEMS结构21具有传感器装置3，该传感器装置可以用于测量在测量通道84中的压力。为此，传感器装置3具有膜片91，该膜片针对空气密封地封闭构造在传感器装置3的衬底中的空腔92。在空腔92中存在具有参考压力的参考气体。在测量通道84中的机械应力或者相对于参考压力的压力变化产生膜片91的偏移或振动，所述偏移或振动可以通过已知的测量元件、例如压电元件探测。相应的电信号被传递给(未示出的)分析处理装置并且由该分析处理装置用于测量环境压力或机械应力。
传感器装置3借助于弹簧元件9固定在环绕的衬底处。传感器装置3的远离集成电路22指向的侧面通过相应的空气通道81、83相对于环绕的衬底露出。为此，借助于光刻技术在后侧产生孔图案并且通过各向异性的蚀刻使沟槽82成形，所述沟槽终止在块状硅中。通过切断在DRIE蚀刻过程中的钝化和喷涂分量，借助于接下来的各向同性的蚀刻在沟槽82的端部构造空腔或者说空气通道81，该空气通道使传感器装置3的后侧与环绕的衬底分开。通过构造前侧的沟槽，形成侧面的空气通道83，其中，留出接片。所述接片通过后侧的露出成形为弹簧元件9，使得传感器元件3仅通过弹簧元件9与环绕的载体衬底连接。因此，传感器装置3可振动地悬挂，使得载体衬底的可能的震动和例如通过封装的外部应力可以通过弹簧元件9补偿。
测量通道84通过空气通道81、83与环绕的空气处于流体连接中，使得通过测量在测量通道84中的压力可以确定环境压力。
传感器装置3尤其可以沿法线方向、即朝着集成电路22的表面区段4的方向振动。在表面区段4的沿着法线方向相对置的侧面上并且在传感器装置3的相对置的表面40上构造有第一停止器元件51或第二停止器元件52。在传感器装置3剧烈偏移的情况下，布置在传感器元件3的表面40上的第一停止器元件51触碰相对置的、构造在集成电路22的表面区段4上的第二停止器元件52。
在图1中画出的实施方式中，两对第一和第二停止器元件51、52构造在传感器装置3的表面40的对立的边缘部位中，以便能够实现均匀的接触并且抑制扭矩的可能产生。然而，根据另外的实施方式，也可以设置仅单独一对停止器元件51、52，或者也可以设置多对停止器元件51、52。
停止器元件51、52具有电导线或供应导线或电极61、62，它们优选布置在停止器元件51、52的表面处。电导线61、62通过弹簧元件9和键合连接部100相互连接并且相应地引导到键合垫处，所述键合垫可以位于MEMS结构21上或者位于集成电路22上。取决于在电导线61、62或停止器元件51、52之间的电容的电信号被发送给分析处理装置。
此外，设置有参考电极71、72，其中，第一参考电极71构造在集成电路22的表面区段4处、内部或者上，并且第二参考电极72在MEMS结构21的沿着法线方向相对置的区段中走向。电信号根据在参考电极71、72之间的参考电容被测量并且被传递给分析处理装置。
分析处理设备构造成用于参照所测量的电容和所测量的参考电容确定在传感器装置3和集成电路22之间的空气的湿度。为此，要么可以分析处理所述电容和参考电容本身，要么可以分析处理所述电容或参考电容的变化。所述电容和参考电容的大小或走向取决于湿度。在所述电容或参考电容的相应值之间的比例和用于湿度的参量可以凭经验确定。分析处理装置可以在知道所述电容或参考电容的情况下参照相应的数据表格求取湿度。参考电容尤其可以考虑用于消除外部震动对于所述电容的变化的影响。如果仅所述电容改变，而参考电容基本上保持稳定，那么分析处理装置可以识别出，所述电容的变化仅是传感器装置朝着集成电路22的表面区段4的方向上运动的结果。通常，为了补偿这种相对运动，例如可以基于相应加权的参考电容计算出该运动对于所述电容或对于所述电容的变化的影响，以便得到可以考虑用于计算湿度的参量。
此外，分析处理设备可以构造成用于求取在空气中的水的质量。为此，分析处理装置根据所求取的湿度估计水的质量。所求取的水的质量理解为用于求取压力的修正函数中的参量。修正函数描述了水的质量对于所测量的压力的影响。压力借助于修正函数的修正优选借助于闭环方法实施。
根据另外的实施方式，在第一停止器元件51和/或第二停止器元件52的区域中构造有梳状电极。梳状电极的电容变化受到空气湿度的影响，使得通过测量所述电容或电容变化可以测量空气的湿度。
在图2中示出根据本发明的另外的实施方式的微机械设备1b的横截面视图。所示出的视图相比于图1旋转180度。设备1b基本上相当于上面所描述的设备1a，从而更准确地仅讨论不同。下面尤其更详细探讨设备1b的在图2中示出的层构造。
因此，集成电路22具有氧化层208、209、211和位于所述氧化层之间的硅衬底210。与MEMS衬底21相对置的表面区段4具有氮化物层作为钝化层207。第二停止器元件52具有由铝铜材料制成的层212，该层至少部分地涂覆有钝化层207。然而，第二停止器元件52的表面的中央区域相对于钝化层207露出，该中央区域设置为与第一停止器元件51的接触面。
MEMS衬底21在面向集成电路22的表面区段4的一侧上涂覆有氧化层201、202和外部的氮化物层作为钝化层203。
在第一停止器元件51的区域中，钝化层203中断。第一停止器元件51具有由钛氮化物制成的屏障层204和由铝铜材料制成的金属化层205，它们由钝化层203覆盖。
在传感器元件3的表面40处可以设置有另外的接触元件301、302、303，所述另外的接触元件设计成用于例如与膜片91电接触。在静止位态中在表面区段4和传感器装置3之间的最小距离d1优选约为1至2微米、优选1.4微米，并且大于在第一停止器元件51和第二停止器元件52之间的最小距离d2，该最小距离例如处于0.5和1微米之间、并且优选为0.8微米。
在图3中示出根据本发明的另外的实施方式的设备1c的细节的横截面视图。另外，设备1c可以相应于上面所描述的设备1a、1b。在图3中示出的实施方式中，遮盖传感器元件3的表面40和第一停止器元件51的屏障层204以及金属化层205的钝化层203在围绕第一停止器元件51的圆环形部位400中露出。
在图4中示出用于阐释用于制造微机械设备1a、1b、1c的方法的流程图。
在第一方法步骤S1中，提供集成电路22和MEMS结构21。MEMS结构具有传感器装置，该传感器装置借助于弹簧元件可振动地构造。这样可以通过上面描述的后侧和前侧蚀刻使传感器装置3露出，其中，留出弹簧元件9。因此，传感器装置3可振动地布置并且尤其可以沿法线方向、即垂直于传感器装置3的表面振动。
传感器装置3优选构造为压力传感器并且可以具有空腔92和跨越空腔92的膜片91。
在方法步骤S2中，在传感器装置3的表面40处通过金属层和钝化层的沉积或露出构造至少一个第一停止器元件51。
在集成电路22的表面区段4处通过金属层和钝化层的沉积或露出构造至少一个第二停止器元件52。
在方法步骤S3中，通过键合方法使MEMS结构21与集成电路22连接。在这里，MEMS结构21和集成电路22相对彼此这样定位，使得传感器装置3可以相对于集成电路22的表面区段4振动。在MEMS结构21与集成电路22连接之后，各个第一停止器元件51和第二停止器元件52分别沿着法线方向相对置。因此，传感器装置3朝着表面区段4的方向的偏移通过停止器元件51、52限制。
不同层结构的提供可以通过已知的沉积方法和蚀刻过程实现，从而在这里可以取消详细描述。

Claims (10)

1.微机械设备(1a；1b；1c)，该微机械设备具有：
载体衬底(2)；
传感器装置(3)，该传感器装置与所述载体衬底(2)的表面区段(4)间隔开地借助于弹簧元件(9)布置在所述载体衬底(2)上，使得所述传感器装置(3)能够相对于所述表面区段(4)振动；和
至少一个布置在所述传感器装置(3)上和/或所述载体衬底(2)的所述表面区段(4)上的停止器元件(51、52)，该停止器元件限制所述传感器装置(3)朝着所述表面区段(4)的方向的偏移。
2.根据权利要求1所述的设备(1a；1b；1c)，其中，在所述传感器装置(3)上布置有第一停止器元件(51)，并且在所述表面区段(4)上布置有第二停止器元件(52)，使得所述传感器装置(3)仅能够偏移到直至所述第一停止器元件(51)触碰所述第二停止器元件(52)的程度。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1a；1b；1c)，其中，所述第一停止器元件(51、52)具有第一电导线(61、62)并且所述第二停止器元件(51、52)具有第二电导线(61、62)，并且，其中，所述设备(1a；1b；1c)还具有分析处理装置，该分析处理装置构造成用于测量在所述第一电导线(61、62)和所述第二电导线(61、62)之间的电容并且在考虑所测量的电容的情况下确定在所述传感器装置(3)和所述表面区段(4)之间的区域中的湿度。
4.根据权利要求3所述的设备(1a；1b；1c)，其中，在所述表面区段(4)上布置有第一参考电极(71、72)，并且在所述载体衬底的与所述表面区段(4)间隔开并且与所述传感器装置(3)相邻的部位中布置有第二参考电极(71、72)，其中，在所述部位和所述表面区段(4)之间的距离是固定的，并且，其中，所述分析处理装置还构造成用于测量在所述第一参考电极和所述第二参考电极(71、72)之间的参考电容并且还在考虑所述参考电容的情况下确定所述湿度。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的设备(1a；1b；1c)，其中，所述分析处理装置构造成用于测量所述传感器装置(3)相对于所述表面区段(4)的振动的共振频率并且在考虑所述共振频率的情况下确定所述湿度。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的设备(1a；1b；1c)，其中，所述第一停止器元件(51)的撞击面的硬度与所述第二停止器元件(52)的撞击面的硬度不同。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的设备(1a；1b；1c)，其中，所述分析处理装置还构造成用于基于所述传感器装置(3)的测量信号并且在考虑所求取的湿度的情况下测量所述传感器装置(3)的环境压力和/或加速度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1a；1b；1c)，其中，所述载体衬底(2)具有：
集成电路(22)，该集成电路具有所述表面区段(4)，和
MEMS结构(21)，该MEMS结构布置在所述集成电路处或上，其中，所述传感器装置(3)布置在所述MEMS结构(21)的凹部中并且通过所述弹簧元件(9)与所述MEMS结构连接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1a；1b；1c)，其中，所述传感器装置(3)具有空腔(92)和跨越所述空腔(92)的膜片(91)并且构造为压力传感器。
10.用于制造微机械设备(1a；1b；1c)的方法，所述方法具有以下步骤：
提供(S1)集成电路(22)和MEMS结构(21)，其中，所述MEMS结构具有传感器装置(3)，该传感器装置构造为借助于弹簧元件(9)能振动；
构造(S2)布置在所述传感器装置(3)上和/或所述集成电路(22)的表面区段(4)上的至少一个停止器元件(51、52)；并且
连接(S3)所述MEMS结构(21)与所述集成电路(22)，使得所述传感器装置(3)能够相对于所述集成电路(22)的所述表面区段(4)振动，其中，所述传感器装置(3)朝着所述表面区段(4)的方向的偏移通过至少一个所述停止器元件(51、52)限制。
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