CN111373233A - 微机械压力传感器设备和相应的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实现一种微机械压力传感器设备和相应的制造方法。微机械压力传感器设备配备有：具有前侧(VS)和后侧(RS)的传感器衬底(SE)；悬挂在传感器衬底(SE)中的压力传感器装置(SB)，其中，第一腔(K1)设置在压力传感器装置(SB)上方，该第一腔通过一个或多个进入开口(Z)朝着所述前侧(VS)露出；一个或多个应力卸载沟(T1、T2)，所述应力卸载沟在横向上围绕所述压力传感器装置(SB)并且形成从所述后侧(RS)朝着所述第一腔(K1)的流体连通；和电路衬底(AS)，所述传感器衬底(SE)的所述后侧(RS)键合到所述电路衬底上，其中，在所述压力传感器装置(SB)下方在所述电路衬底(AS)中构造有第二腔(K2)，该第二腔与所述应力卸载沟(T1、T2)处于流体连通中，并且，其中，在所述压力传感器装置(SB)的周围设置有至少一个通道(ST)，该通道与所述第二腔(K2)处于流体连通中并且向外露出。

Description

微机械压力传感器设备和相应的制造方法
技术领域
本发明涉及一种微机械压力传感器设备和相应的制造方法。
背景技术
虽然可以使用任意的微机械压力传感器设备，但本发明和基于本发明的问题根据基于硅的微机械压力传感器设备进行阐释。
DE 10 2014 200 512 A1描述了一种微机械压力传感器设备和相应的制造方法。微机械压力传感器设备包括ASIC晶片，在该ASIC晶片的前侧上设置具有多个堆叠的导体轨平面和绝缘层的布线装置。此外，所述微机械压力传感器设备包括MEMS晶片，在该MEMS晶片中设置有压力传感器装置，该压力传感器装置可以从前侧通过多个贯通开口加载以压力。压力感测借助于电容式测量方法通过膜片状的第一电极相对于固定的第二电极的偏移实现。
例如由DE 10 2012 205 878 A1已知压阻式压力测量方法，在该压阻式压力测量方法中，压阻式半导体电阻设置在微机械压力传感器设备的膜片中或上。
在这种微机械压力传感器设备中作为机电换能器使用的压阻式半导体电阻不仅接收通过作用到膜片上的压力影响所产生的机械应力，而且同样接收机械干扰影响的应力。
不同的因素导致这些干扰影响，例如在其上装配有压力传感器设备的导体板的变形、封装例如通过钎焊引起的关于温度的变形、所使用的粘接剂的温度特性、压力传感器设备的覆盖层的温度特性等。
因此，提出压力传感器设备的芯的机械解耦。对此现有的方案是膜片的在侧面以挖沟槽的方式露出或者全面的蚀刻露出，其中，通常保留多个与芯片边缘的连接，以便实现与膜片的电连接。
DE 10 2015 116 353A1公开了一种具有机械解耦的微机械压力传感器设备和相应的制造方法。在此，在SOI衬底上制造的压力传感器区域从后侧通过蚀刻掉埋入的氧化物层而露出。
微机械压力传感器设备的介质抗性能够通过以下方式实现：使传感器表面填充以凝胶，该凝胶具有抵抗介质的特性，例如由DE 10 2011 077 686A1已知。然而在该凝胶中不应包含气泡，因为这使压力传感器设备的性能变差。
发明内容
本发明实现一种根据权利要求1所述的微机械压力传感器设备和根据权利要求8所述的相应的制造方法。
优选的扩展方案是相应的从属权利要求的主题。
基于本发明的思想在于，在压力传感器装置的周围提供单独的通道，该通道优选具有大于压力传感器装置上方的进入开口和在侧面围绕的应力卸载沟的直径。因此，通过所述通道强烈地简化压力传感器设备以钝化介质、如凝胶或该凝胶的未交联的前体的无气泡的填充。
根据优选的扩展方案，所述通道、第二腔、应力卸载沟和第一腔以钝化介质填充。这样能够实现有效的介质抗性。
根据另外的优选的扩展方案，传感器衬底和电路衬底至少部分地由模具壳体围绕，该模具壳体具有第一贯通开口，该第一贯通开口使通道和进入开口露出。因此，这些衬底可以很大程度上相对于外部影响受保护。
根据另外的优选的扩展方案，传感器衬底和电路衬底至少部分地由模具壳体围绕，该模具壳体具有第一贯通开口，该第一贯通开口使进入开口露出，并且该模具壳体具有第二贯通开口，该第二贯通开口使通道露出。这样所述填充可以通过模具壳体实现。
根据另外的优选的扩展方案，在模具壳体的背离传感器衬底的一侧上将连接法兰模制到模具壳体中或者粘接到模具壳体上。这样可以实现与外部壳体的可简单密封的连接。
根据另外的优选的扩展方案，压力传感器装置具有第三腔，该第三腔严密地封闭并且邻接到膜片区域上，在该膜片区域上或中设置有用于通过膜片区域的变形感测压力的压阻装置。这引起稳固的压力感测。
根据另外的优选的扩展方案，电路衬底具有导体轨装置，其中，第二腔设置在导体轨装置的区域中。这可以通过在导体轨装置中设置待移除的牺牲层区域简单地实现。
根据另外的优选的扩展方案，压力传感器装置通过导体轨悬挂在传感器衬底中。这样能够实现压力传感器装置的特别有效的机械解耦。导体轨可以通过衬底材料、例如硅的接片机械地稳定。
附图说明
下面根据实施方式参照附图阐释本发明的其他特征和优点。
附图示出：
图1根据本发明的第一实施方式的微机械压力传感器设备的示意性横截面示图；
图2根据本发明的第二实施方式的微机械压力传感器设备的示意性横截面示图；和
图3根据本发明的第三实施方式的微机械压力传感器设备的示意性横截面示图。
具体实施方式
在附图中相同的附图标记表明相同的或功能相同的元件。
图1示出根据本发明的第一实施方式的微机械压力传感器设备的示意性横截面示图。
在图1中，附图标记SE表明具有前侧VS和后侧RS的传感器衬底。在衬底中悬挂有压力传感器装置SB。所述悬挂在本实施方式中通过传感器衬底SE中的(未示出的)导体轨实现，但必要时或替代地可以通过衬底材料、例如硅的接片实现。
第一腔K1在传感器衬底SE中设置在压力传感器装置SB上方，该第一腔通过多个进入开口Z朝着前侧VS露出。
悬挂在传感器衬底SE中的压力传感器装置SB由多个应力卸载沟T1、T2包围，所述应力卸载沟使压力传感器装置SB在侧面与其余的传感器衬底SE解耦并且形成从后侧RS朝着第一腔K1的流体连通。
电路衬底AS具有导体轨装置LB，该导体轨装置具有多个导体轨平面和位于其间的绝缘层，其中，传感器衬底SE以其后侧RS键合到电路衬底AS上。在此，通过附图标记B标明的虚线表明键合平面。
在压力传感器装置SB下方在电路衬底AS中构造有第二腔K2，该第二腔与应力卸载沟T1、T2处于流体连通中。这例如可以通过在导体轨装置LB中设置和移除相应的牺牲层区域、例如氧化物区域实现。替代地，所述腔可以通过以下方式构造：电路衬底AS与传感器衬底SE例如通过共晶键合接合。
在压力传感器装置SB的周围设置有通道ST，该通道从传感器衬底SE的前侧VS延伸至后侧RS并且该通道与第二腔K2处于流体连通中、即流入到该第二腔中。
通道ST具有相对较大的直径，该直径大于应力卸载沟T1、T2和进入开口Z的直径。通过通道ST可以使压力传感器装置SB填充以钝化介质SM，其中，填充方向通过附图标记E标明。
因此，在填充时首先填充第二腔K2，并且随后钝化介质SM通过应力卸载沟T1、T2进一步扩散到第一腔K1中并且随后扩散到进入开口Z中。在本实施方式中，填充的钝化介质SM不延伸至传感器衬底SE的前侧VS，但这可以根据应用而改变，并且所述延伸可以设置为直至前侧VS或超出该前侧，或者也仅直至腔K1的朝着进入开口Z的边缘。
传感器衬底SE和电路衬底AS由模具壳体M围绕，该模具壳体具有贯通开口H0，该贯通开口使通道ST和进入开口Z露出。所述填充可以在模制之前或者在模制之后发生。钝化介质SM例如是针对介质稳固的凝胶的前体(Precursor)或者针对介质稳固的液体、例如油。如果钝化介质SM不能交联，那么可以将(未示出的)纺织膜片粘接到传感器衬底SE的前侧VS上，以便避免钝化介质SM的流出。
电路衬底AS可以通过键合连接部B0以通常的方式与外部电触点接通。
虽然不限制于此，但压力传感器装置SB在示出的实施方式中具有第三腔K0，该第三腔严密地封闭并且该第三腔邻接在膜片区域MB上，在该膜片区域上或中设置有用于通过膜片区域MB的变形感测压力的压阻装置PZ。
当然也可以考虑电容式的或另外的压力传感器装置SB。
图2示出根据本发明的第二实施方式的微机械压力传感器设备的示意性横截面示图。
在第二实施方式中，模具壳体M‘与第一实施方式的那个模具壳体不同。在这里，模具壳体M‘具有第一贯通开口H0‘，该第一贯通开口使进入开口Z露出。此外，设置有第二贯通开口ST1，该第二贯通开口使通道ST露出。这样可以在合适的模制工具的情况下将填充接头施加到模具壳体M‘上，以便简化填充。
在其他方面，第二实施方式与第一实施方式相同地构型。
图3示出根据本发明的第三实施方式的微机械压力传感器设备的示意性横截面示图。
在第三实施方式中，模具壳体M“在模具壳体M“的背离传感器衬底SE的一侧上具有连接法兰AR，该连接法兰模制到模具壳体M“中。连接法兰AR例如可以是金属环。因此，连接法兰AR例如可以作为用于(未示出的)密封环的支承面使用，该密封环例如集成到智能工具(如智能手表)的壳体中。
在另外的未示出的实施方式中，连接法兰AR也可以粘接到模具壳体M“上。
虽然已经根据优选的实施例描述本发明，但本发明不局限于此。所提到的材料和拓扑尤其仅是示例性的并且不局限于所阐释的例子。
虽然在示出的实施方式中在压力传感器装置的周围设置有至少一个向外露出的通道，该通道从前侧延伸至后侧并且该通道与第二腔处于流体连通中，但在另外的未示出的实施方式中所述通道可以穿过电路衬底走向或者在侧面向外走向。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.微机械压力传感器设备，该微机械压力传感器设备具有：
传感器衬底(SE)，该传感器衬底具有前侧(VS)和后侧(RS)；
悬挂在所述传感器衬底(SE)中的压力传感器装置(SB)；
其中，第一腔(K1)布置在所述压力传感器装置(SB)上方，该第一腔通过一个或多个进入开口(Z)朝着所述前侧(VS)露出；
一个或多个应力卸载沟(T1、T2)，所述应力卸载沟在横向上围绕所述压力传感器装置(SB)并且形成从所述后侧(RS)朝着所述第一腔(K1)的流体连通；和
电路衬底(AS)，所述传感器衬底(SE)的所述后侧(RS)键合到所述电路衬底上；
其中，在所述压力传感器装置(SB)下方在所述电路衬底(AS)中构造有第二腔(K2)，该第二腔与所述应力卸载沟(T1、T2)处于流体连通中；并且
其中，在所述压力传感器装置(SB)的周围布置有至少一个通道(ST)，该通道与所述第二腔(K2)处于流体连通中并且向外露出；并且，
其中，所述电路衬底(AS)具有导体轨装置(LB)并且所述第二腔(K2)布置在所述导体轨装置(LB)的区域中。
2.根据权利要求1所述的微机械压力传感器设备，其中，所述通道(ST)、所述第二腔(K2)、所述应力卸载沟(T1、T2)和所述第一腔(K1)填充以钝化介质(SM)。
3.根据权利要求1或2所述的微机械压力传感器设备，其中，所述传感器衬底(SE)和所述电路衬底(AS)至少部分地由模具壳体(M)围绕，该模具壳体具有第一贯通开口(H0)，该第一贯通开口使所述通道(ST)和所述进入开口(Z)露出。
4.根据权利要求1或2所述的微机械压力传感器设备，其中，所述传感器衬底(SE)和所述电路衬底(AS)至少部分地由模具壳体(M‘)围绕，该模具壳体具有第一贯通开口(H0‘)，该第一贯通开口使所述进入开口(Z)露出，并且该模具壳体具有第二贯通开口(ST1)，该第二贯通开口使所述通道(ST)露出。
5.根据权利要求3或4所述的微机械压力传感器设备，其中，在所述模具壳体(M“)的背离所述传感器衬底(SE)的一侧上将连接法兰(AR)模制到所述模具壳体(M“)中或者粘接到所述模具壳体(M“)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微机械压力传感器设备，其中，所述压力传感器装置(SB)具有第三腔(K0)，该第三腔严密地封闭并且该第三腔邻接到膜片区域(MB)上，在所述膜片区域上或中布置有用于通过所述膜片区域(MB)的变形感测压力的压阻装置(PZ)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微机械压力传感器设备，其中，所述压力传感器装置(SB)通过导体轨悬挂在所述传感器衬底(SE)中。
8.用于制造微机械压力传感器设备的方法，所述方法具有以下步骤：
提供具有前侧(VS)和后侧(RS)的传感器衬底(SE)；
形成悬挂在所述传感器衬底(SE)中的压力传感器装置(SB)；
形成在所述压力传感器装置(SB)上方的第一腔(K1)，该第一腔通过一个或多个进入开口(Z)朝着所述前侧(VS)露出；
形成一个或多个应力卸载沟(T1、T2)，所述应力卸载沟在横向上围绕所述压力传感器装置(SB)并且形成从所述后侧(RS)朝着所述第一腔(K1)的流体连通；
将具有导体轨装置(LB)的电路衬底(AS)键合到所述传感器衬底(SE)的所述后侧(RS)上；
在所述压力传感器装置(SB)下方在所述电路衬底(AS)中在导体轨装置(LB)的区域中形成第二腔(K2)，该第二腔与所述应力卸载沟(T1、T2)处于流体连通中；
在所述压力传感器装置(SB)的周围形成至少一个通道(ST)，该通道从所述前侧(VS)延伸至所述后侧(RS)并且该通道与所述第二腔(K2)处于流体连通中。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述通道(ST)、所述第二腔(K2)、所述应力卸载沟(T1、T2)和所述第一腔(K1)填充以钝化介质(SM)。

Claims (10)

1.微机械压力传感器设备，该微机械压力传感器设备具有：
传感器衬底(SE)，该传感器衬底具有前侧(VS)和后侧(RS)；
悬挂在所述传感器衬底(SE)中的压力传感器装置(SB)；
其中，第一腔(K1)设置在所述压力传感器装置(SB)上方，该第一腔通过一个或多个进入开口(Z)朝着所述前侧(VS)露出；
一个或多个应力卸载沟(T1、T2)，所述应力卸载沟在横向上围绕所述压力传感器装置(SB)并且形成从所述后侧(RS)朝着所述第一腔(K1)的流体连通；和
电路衬底(AS)，所述传感器衬底(SE)的所述后侧(RS)键合到所述电路衬底上；
其中，在所述压力传感器装置(SB)下方在所述电路衬底(AS)中构造有第二腔(K2)，该第二腔与所述应力卸载沟(T1、T2)处于流体连通中；并且
其中，在所述压力传感器装置(SB)的周围设置有至少一个通道(ST)，该通道与所述第二腔(K2)处于流体连通中并且向外露出。
2.根据权利要求1所述的微机械压力传感器设备，其中，所述通道(ST)、所述第二腔(K2)、所述应力卸载沟(T1、T2)和所述第一腔(K1)填充以钝化介质(SM)。
3.根据权利要求1或2所述的微机械压力传感器设备，其中，所述传感器衬底(SE)和所述电路衬底(AS)至少部分地由模具壳体(M)围绕，该模具壳体具有第一贯通开口(H0)，该第一贯通开口使所述通道(ST)和所述进入开口(Z)露出。
4.根据权利要求1或2所述的微机械压力传感器设备，其中，所述传感器衬底(SE)和所述电路衬底(AS)至少部分地由模具壳体(M‘)围绕，该模具壳体具有第一贯通开口(H0‘)，该第一贯通开口使所述进入开口(Z)露出，并且该模具壳体具有第二贯通开口(ST1)，该第二贯通开口使所述通道(ST)露出。
5.根据权利要求3或4所述的微机械压力传感器设备，其中，在所述模具壳体(M“)的背离所述传感器衬底(SE)的一侧上将连接法兰(AR)模制到所述模具壳体(M“)中或者粘接到所述模具壳体(M“)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微机械压力传感器设备，其中，所述压力传感器装置(SB)具有第三腔(K0)，该第三腔严密地封闭并且该第三腔邻接到膜片区域(MB)上，在所述膜片区域上或中设置有用于通过所述膜片区域(MB)的变形感测压力的压阻装置(PZ)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微机械压力传感器设备，其中，所述电路衬底(AS)具有导体轨装置(LB)并且所述第二腔(K2)设置在所述导体轨装置(LB)的区域中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微机械压力传感器设备，其中，所述压力传感器装置(SB)通过导体轨悬挂在所述传感器衬底(SE)中。
9.用于制造微机械压力传感器设备的方法，所述方法具有以下步骤：
提供具有前侧(VS)和后侧(RS)的传感器衬底(SE)；
形成悬挂在所述传感器衬底(SE)中的压力传感器装置(SB)；
形成在所述压力传感器装置(SB)上方的第一腔(K1)，该第一腔通过一个或多个进入开口(Z)朝着所述前侧(VS)露出；
形成一个或多个应力卸载沟(T1、T2)，所述应力卸载沟在横向上围绕所述压力传感器装置(SB)并且形成从所述后侧(RS)朝着所述第一腔(K1)的流体连通；
将电路衬底(AS)键合到所述传感器衬底(SE)的所述后侧(RS)上；
在所述压力传感器装置(SB)下方在所述电路衬底(AS)中形成第二腔(K2)，该第二腔与所述应力卸载沟(T1、T2)处于流体连通中；
在所述压力传感器装置(SB)的周围形成至少一个通道(ST)，该通道从所述前侧(VS)延伸至所述后侧(RS)并且该通道与所述第二腔(K2)处于流体连通中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述通道(ST)、所述第二腔(K2)、所述应力卸载沟(T1、T2)和所述第一腔(K1)填充以钝化介质(SM)。
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