CN113227741A - 微机械传感器装置和用于制造微机械传感器装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械传感器装置(1)，包括衬底(2)和边缘层(3)，所述边缘层布置在所述衬底(2)上并且在横向上包围在所述衬底(2)上面的内部区域(IB)；至少一个膜片(4)，所述膜片跨越所述内部区域(IB)并且构造在所述衬底(2)上面的被遮盖的腔(K)；至少一个支撑部(5)，所述支撑部在所述腔(K)内部布置在所述衬底(2)和所述膜片(4)之间并且所述膜片(4)固定在所述边缘层(3)和/或所述至少一个支撑部(5)上，其中，所述支撑部(5)将所述膜片(4)分隔成至少一个通过力作用(p)能运动的测量区域(MB)和至少一个通过所述力作用(p)不能运动的参考区域(RB)，其中，所述衬底(2)和所述膜片(4)在所述腔(K)内部包括在所述测量区域(MB)和参考区域(RB)中的面向彼此的电极(E1；E2)。

Description

微机械传感器装置和用于制造微机械传感器装置的方法

技术领域

本发明涉及一种微机械传感器装置和一种用于制造微机械传感器装置的方法。

背景技术

为了实现基于膜片的传感器、例如压力传感器，已知关于膜片几何形状、布置、膜片选择和膜片连接的多种构型可能性。在这里目的可以是，多个膜片在一个传感器芯内部的布置和分布作为膜片构型存在。

在DE 10 2016 107 275 A1中描述了一种压力传感器，该压力传感器包括在一个基面中的多个小的压力单元。

此外，已知具有矩形膜片的电容式压力传感器，例如那种膜片长度与膜片宽度的长宽比大于等于3：1的矩形膜片(US 9,442,032 B2或EP 2 994733 B1)。

发明内容

本发明实现一种根据权利要求1所述的微机械传感器装置和一种根据权利要求10所述的用于制造微机械传感器装置的方法。

优选的扩展方案是从属权利要求的主题。

基于本发明的思想在于，说明一种具有一个或多个膜片的传感器装置，其中，所述多个膜片可以在基面内部分隔开并且连接/互连。传感器装置可以有利地通过信号偏移(Signalhub)的增大刻画出(auszeichnen)。

矩形的膜片并且有利地所述膜片在方形的基面内部的互连可以有利地抑制(verhalten)关于基础电容(ΔC/C0)的信号偏移的大小。

根据本发明，微机械传感器装置包括衬底和边缘层，所述边缘层布置在衬底上并且在横向上包围在衬底上的内部区域；至少一个膜片，该膜片跨越内部区域并且构造在衬底上的被遮盖的腔；至少一个支撑部，该支撑部在腔内部布置在衬底和膜片之间，并且膜片固定在边缘层和/或至少一个支撑部上，其中，支撑部将膜片分隔成至少一个通过力作用可运动的测量区域和至少一个通过力作用不可运动的参考区域，其中，衬底和膜片在腔内部包括在测量区域和参考区域中的面向彼此的电极。

这种传感器装置可以使用在MEMS构件、如压力传感器或基于膜片的传感器中。

根据传感器装置的优选实施方式，膜片包括多个矩形的、多边形的或圆形的测量区域。

根据传感器装置的优选实施方式，膜片包括相同数量的测量区域和参考区域，所述测量区域和参考区域相互连接为惠斯顿桥。

根据传感器装置的优选实施方式，该传感器装置实施为压力传感器。

根据传感器装置的优选实施方式，支撑部在衬底的俯视图中圆形地、方形地、矩形地或多边形地成形。

根据传感器装置的优选实施方式，支撑部完全地并且相对彼此分别以1μm至10μm的间距环绕所述测量区域中的至少一个测量区域。

根据传感器装置的优选实施方式，边缘层和/或支撑部包括与膜片相同的材料。

根据传感器装置的优选实施方式，边缘层和/或支撑部填充有氧化物。

根据传感器装置的优选实施方式，至少一个参考区域在横向上围绕所述至少一个测量区域。

根据本发明，在用于制造微机械传感器装置的方法中，提供具有边缘层的衬底，该边缘层布置在衬底上并且该边缘层在横向上包围在衬底上面的内部区域；在内部区域中将至少一个支撑部布置在衬底上，该支撑部限定在衬底上的至少一个测量区域和至少一个参考区域并且使它们彼此分隔开；将膜片布置在边缘层和支撑部上，使得膜片固定在边缘层和/或支撑部上并且跨越内部区域并且被遮盖的腔构造在内部区域中以及在膜片和衬底之间，并且通过支撑部将膜片分隔成至少一个通过力作用可运动的测量区域和至少一个通过力作用不可运动的参考区域。

所述方法也可以有利地通过已经结合压力传感器装置提到的特征和其优点刻画出，并且反之亦然。

所述力作用可以是压力。

根据所述方法的优选实施方式，腔填充有气体或者产生真空。

根据所述方法的优选实施方式，至少一个测量区域成形有比另外的测量区域大的厚度。

本发明的实施方式的另外的特征和优点由下面参照附图的说明得出。

附图说明

下面参照在示意性附图中给出的实施例详细阐释本发明。

附图示出：

图1a根据本发明的实施例的传感器装置的示意性侧视图；

图1b根据本发明的另外的实施例的传感器装置的示意性侧视图；

图2根据本发明的实施例的传感器装置的膜片的示意性俯视图；

图3根据本发明的实施例的传感器装置的线路图；

图4根据本发明的另外的实施例的传感器装置的示意性侧视图；

图5根据本发明的实施例的膜片的示意性俯视图和腔的侧视图；

图6根据本发明的实施例的用于制造传感器装置的方法的示意性框图。

在附图中，相同的附图标记标明相同的或功能相同的元件。

具体实施方式

图1a示出根据本发明的实施例的传感器装置的示意性侧视图。

压力传感器装置1包括：衬底2和边缘层3，该边缘层布置在衬底2上并且包围在衬底2上面的内部区域IB；膜片4，该膜片锚固在边缘层3上并且跨越内部区域IB并且形成在衬底2上面的被遮盖的腔K；并且有利地包括支撑部5，所述支撑部在腔K内部在衬底2和膜片4之间布置，其中，支撑部5将膜片4分成至少一个能通过压力p运动的测量区域MB和至少一个不能通过压力p运动的参考区域，其中，衬底2和膜片4在腔K内部包括在测量区域MB和参考区域中的彼此面向的电极E1和E2。边缘层可以成型为边缘区域并且也有利地包括多个层。

边缘层3有利地构造内部区域作为封闭的腔、有利地作为严密封闭的腔。

边缘层3本身也可以包括多个彼此相叠布置的层，并且有利地垂直远离衬底2地延伸，使得该边缘层可以形成腔的侧壁。边缘层3可以在横向上完全围绕腔并且本身包括接触部Ki作为贯通触点，通过所述接触部可以使腔中的电极E1和E2连接。电极可以划分成在衬底2上的下电极E2和在膜片4上的上电极E1。支撑部5可以包括膜片4的材料，并且有利地在所述支撑部的内部包括氧化物材料。支撑部可以(例如完全)由膜片材料、如硅、多晶硅、非晶硅、SiN、富硅氮化物组成。

在膜片上可以布置有一个或多个间距保持件(止挡结构、止挡块或止挡停止件)或者延伸到腔K中(未示出)。间距保持件可以包括膜片的材料或另外的材料并且空出或者由上电极E1覆盖。膜片4也可以包括多个彼此叠置的层或者由材料、如硅组成。在图1中，压力传感器装置1在内部区域IB中包括多个测量区域MB，所述测量区域通过在测量区域之间的支撑部5分开并且这可以相应于多个膜片区域的互连。相对于可以成形为在腔上方的整个膜片的一个膜片，多个膜片区域(测量区域)可以共同具有比单个膜片的基面小的总面积。在此，虽然可以得出比在单个膜片(单个电容)时小的电容面积，但是多个测量区域MB可以通过划分腔K和膜片分占一个腔和所述腔的有利地严密封闭的容积，由此可以实现在腔K中包含的压力关于排气或相对于温度变化的稳定性方面的优点。在所述腔中可以存在气体、来自制造过程的剩余气体或真空。在该布置中的多个测量区域(膜片区域)可以分占一个严密封闭的腔，尤其刚好分占可以通过衬底、侧壁(边缘层)和上膜片层形成的腔。

单个膜片、如测量区域(膜片区域)在该总布置中可以通过支撑部的相应布置实现(通过支撑部可以使膜片区域彼此分开)，所述支撑部可以使衬底与膜片点状地连接。支撑部的加固作用能够实现在严密封闭的室内部的多个单个膜片(测量区域、膜片区域)。

支撑部5可以分别具有相同的或不同的形状。支撑部5可以本身矩形地成形，例如成形为长方体，例如包括不同大小的长方体的组合(未示出)、芯和包覆材料，例如作为包覆件的膜片材料，或者仅由一种材料制造。此外，也可能是另外的形状，例如在水平横截面中形成圆形形状(正圆形、椭圆形)，矩形，多边形，三角形或另外的形状，例如十字形，或者在竖直方向形成锥形或具有向上或向下的确定的开口角度的圆锥形，使得支撑部的侧面与膜片和/或衬底形成的角度可以偏离直角。支撑部可以在横向上部分地或完全地围绕测量区域MB。测量区域可以在至少一侧上也由边缘层3作为侧壁围绕并且限界。

膜片4在内部区域IB中的基面例如可以具有350x 350μm，测量区域MB可以成形在该内部区域中。在这种基面内部可能的是不同的膜片构型，例如单个测量区域，该测量区域可以是矩形的或圆形的，或多个测量区域，所述测量区域同样可以是圆形的或矩形的，例如在测量区域中的具有直至约160x 160μm的侧边长的多个方形的膜片区域；或者一个具有直至350μm的直径的圆形的测量区域，或者多个圆形的测量区域，所述测量区域分别具有直至约160μm的直径，或者多个矩形的测量区域，所述测量区域具有直至约320μm的侧边长和大于2：1的侧边长比例。为此还可以同样附加地存在多个参考区域RB。

膜片4例如可以包括硅(或多晶硅，无定形硅)。膜片4也可以包括由绝缘的富含硅的氮化物层(SiRiN)与能传导的多晶硅电极层组成的组合。在多晶硅中，聚合有利地意味着晶体生长，而相对的是无定形硅或单晶硅。

膜片4可以在测量区域MB上包括至少一个或多个蚀刻孔，以便能够在该区域中释放膜片4。

图1b示出根据本发明的另外的实施例的传感器装置的示意性侧视图。

图1b的实施方案与图1a的那个实施方案的不同仅在于，传感器装置、有利地压力传感器装置1仅包括可以将内部区域划分成两个膜片区域/测量区域(MB)的支撑部5。因此，膜片4可以在外部区域(边缘)中固定在边缘区域3中并且在另一侧上、即在腔内部固定在支撑部5上。膜片4可以成形为至少一个膜片并且近似成形为连续的层。边缘层可以显示为在横向外边缘处的膜片固定部6，该膜片固定部可以与衬底2固定连接。在膜片上的间距保持件可以存在(未示出)或者可以取消该间距保持件。

图2示出根据本发明的实施例的传感器装置的膜片的示意性俯视图。

图2示出膜片4在四个矩形区域中的分布的可能布局，其中，其中的两个矩形区域可以形成为测量区域MB并且两个矩形区域可以形成为参考区域RB，并且可以具有比边缘层3内部的膜片4小的基面。根据图4，测量区域和参考区域可以通过以下方式区分开：测量区域具有释放的膜片，所述膜片在测量区域中可以通过压力p弯曲，并且参考区域可以位于牺牲层或另外的材料下面。在参考区域和测量区域处的上电极E1可以通过外部触点A和B触点接通(例如作为输入导线)并且通过边缘层3引导。在参考区域和测量区域处的下电极E2可以通过外部触点C和D触点接通并且通过边缘层3引导。支撑部5可以使测量区域MB相对彼此并且与参考区域RB分开并且沿着在边缘层3的两个相对置的侧壁之间的平行线走向。支撑部可以相对彼此分别具有10μm至50μm的距离d。这两个测量区域MB可以直接彼此贴靠并且分占腔K。测量区域或参考区域的膜片面积例如可以分别包括300μm x 80μm并且包括15μm的区域的半宽度(Halbbreite)。

在下面的图部分中示出传感器装置1的相应的侧视图。

图3示出根据本发明的实施例的传感器装置的线路图。

测量区域MB和参考区域RB可以有利地在惠斯顿桥中相互连接。对此有利的是，存在相同数量的测量区域MB和参考区域RB，它们可以基本上全部具有相同的电容。外部电极A、B、C和D例如相应于图2，同样配属给测量区域MB和参考区域RB。外部电极A、B、C和D以及测量区域和参考区域MB和RB的相互连接也可以是不同的，如在下面的图中示出。

图4示出根据本发明的另外的实施例的传感器装置的示意性侧视图。

图4示出图3中的布置的侧视图(具有根据下面的图或上面的图的电路)，其中，测量区域MB分别包括例如由蚀刻方法释放的膜片4，并且参考区域RB不能具有膜片的释放并且因此基本上不能通过在膜片4上的压力运动，所述压力可以使测量区域MB偏移。外部电极A、B、C和D例如相应于图2，同样配属给测量区域MB和参考区域RB。两个相邻的测量区域MB也可以分占腔的容积，其中，在支撑部5之间的连接可以存在(未示出)。

膜片例如可以包括320μm x 80μm的基面和由SiRiN制成的层。替代地，该膜片也可以包括由硅、多晶硅或与另外的材料的组合如SiN、SiO制成的层。

图5示出根据本发明的实施例的膜片的示意性俯视图和腔的侧视图。

按照膜片4到参考区域和测量区域MB中的另外的划分，参考区域RB也可以在横向上、例如完全地围绕测量区域MB。膜片4的外部区域通常可以比在膜片中间的区域更小地弯曲，所述外部区域可以与在边缘层处或外部的大面(Festland)连接，由此能够通过支撑部与膜片几何结构无关地实现在横向上环绕测量区域的参考区域的布置(环绕的电容区域可以围绕测量区域)。因此，支撑部5可以显示出参考区域RB的机械加固。支撑部例如可以具有2μm至20μm的直径并且例如是圆形的。替代地，支撑部也可以包括具有1μm至20μm的范围中的侧边长的方形或矩形(俯视图)。支撑部可以包括在其内部的由氧化物制成的芯并且包覆该芯，简单填充的支撑部具有支撑部的例如2μm的直径，或者双重填充的支撑部具有支撑部的例如8μm的直径。参考区域RB也可以具有不同于测量区域的电容。在图5中，在上面的区域中示出测量区域MB与边缘层3的连接。在这里，所述连接可以仅涉及电极的水平，而参考区域作为膜片可以完全环绕在电极上的测量区域(未示出)。图5的下面的区域示出压力传感器装置1的侧面的横截面，在该横截面中支撑部5可以将参考区域RB和测量区域MB彼此分开。在这里，边缘层3可以在横向上向外连接到腔和参考区域上(在下面的附图中未示出)。分别在参考区域RB和测量区域中，可以在衬底2上布置有下电极E2并且在膜片4上布置有上电极E1。在该情况下也可以增大在腔K中有利地严密包围的容积。但在膜片外部的边缘层也可以设有腔。由此，在该情况下也可以实现涉及包围的压力的稳定性、关于排气、或者相对于温度变化的稳定性的优点。

图6示出用于制造根据本发明的实施例的传感器装置的方法的示意性框图。

在用于制造传感器装置(有利地压力传感器装置)的方法中，提供S1具有边缘层的衬底，该边缘层布置在衬底上并且该边缘层在横向上包围在衬底上面的内部区域；在内部区域中将支撑部布置S2在衬底上，所述支撑部限定在衬底上的至少一个测量区域和至少一个参考区域并且使它们彼此分开；将膜片布置S3在边缘层和支撑部上，使得膜片锚固在边缘层上并且跨越内部区域，并且在内部区域中以及在膜片和衬底之间构造被遮盖的腔，并且通过支撑部将膜片分隔成至少一个通过压力(力作用)可运动的测量区域和至少一个通过压力不可运动的参考区域。

虽然前面已经参照优选实施例完整描述了本发明，但本发明不局限于此，而是能够以多种方式改型。

Claims (12)

1.微机械传感器装置(1)，包括

-衬底(2)和边缘层(3)，所述边缘层布置在所述衬底(2)上并且在横向上包围在所述衬底(2)上面的内部区域(IB)；

-至少一个膜片(4)，所述膜片跨越所述内部区域(IB)并且构造在所述衬底(2)上的被遮盖的腔(K)；

-至少一个支撑部(5)，所述支撑部在所述腔(K)内部布置在所述衬底(2)和所述膜片(4)之间并且所述膜片(4)固定在所述边缘层(3)和/或所述至少一个支撑部(5)上，其中，所述支撑部(5)将所述膜片(4)分隔成至少一个能通过力作用(p)运动的测量区域(MB)和至少一个不能通过所述力作用(p)运动的参考区域(RB)，其中，所述衬底(2)和所述膜片(4)在所述腔(K)内部包括在所述测量区域(MB)和参考区域(RB)中的面向彼此的电极(E1；E2)。

2.根据权利要求1所述的传感器装置(1)，在所述传感器装置中，所述膜片(4)包括多个矩形的、多边形的或圆形的测量区域(MB)。

3.根据权利要求2所述的传感器装置(1)，在所述传感器装置中，所述膜片(4)包括相同数量的测量区域(MB)和参考区域(RB)，所述测量区域和参考区域相互连接为惠斯顿桥。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器装置(1)，在所述传感器装置中，所述支撑部(5)在所述衬底(2)的俯视图中圆形地、方形地、矩形地或多边形地成形。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器装置(1)，在所述传感器装置中，所述支撑部(5)完全地并且相对彼此分别以1μm至10μm的间距(d)围绕所述测量区域(MB)中的至少一个测量区域。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器装置(1)，在所述传感器装置中，所述边缘层(3)和/或所述支撑部(5)包括与所述膜片(4)相同的材料。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器装置(1)，在所述传感器装置中，所述边缘层(3)和/或所述支撑部(5)填充有氧化物。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器装置(1)，在所述传感器装置中，至少一个参考区域(RB)在横向上环绕所述至少一个测量区域(MB)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器装置(1)，所述传感器装置实施为压力传感器。

10.用于制造微机械传感器装置(1)的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供(S1)具有边缘层(3)的衬底(2)，所述边缘层布置在所述衬底(2)上并且所述边缘层在横向上包围在所述衬底(2)上面的内部区域(IB)；

-在所述内部区域(IB)中将至少一个支撑部(5)布置(S2)在所述衬底(2)上，所述支撑部限定在所述衬底(2)上的至少一个测量区域(MB)和至少一个参考区域(RB)并且使它们相对彼此分隔开；

-将膜片(4)布置(S3)在所述边缘层(3)和所述支撑部(5)上，使得所述膜片(4)固定在所述边缘层(3)和/或所述支撑部(5)上并且跨越所述内部区域(IB)，并且被遮盖的腔(K)构造在所述内部区域(IB)中以及在所述膜片(4)和所述衬底(2)之间，并且通过所述支撑部(5)使所述膜片(4)分隔成至少一个能通过力作用(p)运动的测量区域(MB)和至少一个不能通过所述力作用(p)运动的参考区域(RB)。

11.根据权利要求10所述的方法，在所述方法中，所述腔(K)填充以气体或者产生真空。

12.根据权利要求10或11所述的方法，在所述方法中，至少一个测量区域(MB)成形有比另外的测量区域(MB)大的厚度。

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