CN113365937A - Mems传感器以及用于制造mems传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MEMS传感器，该MEMS传感器包括衬底、至少三个功能层，所述功能层上下相叠地并且彼此间隔开地与衬底连接，并且其中，至少三个功能层中的第一功能层以能够偏移的方式布置，其中，在第一功能层处布置有第一电极，该第一电极具有至少两个区域，其中，第一电极的第一区域与至少三个功能层中的第二功能层的第二电极形成第一电容，并且其中，第一电极的第二区域与第三功能层的第三电极的至少一个区域形成第二电容，并且其中，这样布置电极，使得在第一电容的电极的间距改变时，以相反的方式改变第二电容的电极的间距。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS传感器，所述MEMS传感器包括衬底和至少三个功能层，所述功能层上下相叠地并且彼此间隔开地与衬底连接，其中，三个功能层中的至少一个功能层以能够偏移的方式布置。
本发明还涉及一种用于制造MEMS传感器的方法。
虽然本发明一般能够用于任意的具有至少三个功能层的MEMS传感器，但是本发明是参照电容式压力传感器来描述的。
背景技术
由DE10 2013 213 065 A1已知一种微机械构件。微机械构件具有衬底和膜片，该膜片至少部分地横跨腔，其中，该腔在远离膜片的侧上被衬底的上侧限界或者被结构的外侧限界，并且其中，在衬底中或者在结构中如此构造多个沟槽，使得衬底的被腔暴露的上侧或者至少所述结构的被腔暴露的外侧被划分为多个沟槽，和/或在膜片的内侧处的多个凹陷部被腔暴露。
发明内容
本发明提供一种MEMS传感器，该MEMS传感器包括衬底、至少三个功能层，所述功能层上下相叠地并且彼此间隔开地与衬底连接，并且其中，至少三个功能层中的第一功能层以能够偏移的方式布置，其中，在第一功能层处布置有第一电极，该第一电极具有至少两个区域，其中，第一电极的第一区域与至少三个功能层中的第二功能层的第二电极形成第一电容，并且其中，第一电极的第二区域与第三功能层的第三电极的至少一个区域形成第二电容，并且其中，这样布置电极，使得在第一电容的电极的间距改变时，以相反的方式改变第二电容的电极的间距。
在另一种实施方式中，本发明提供一种用于制造MEMS传感器的方法，其包括下述步骤：
-提供衬底，
-提供至少三个功能层，所述功能层上下相叠地并且彼此间隔开地与所述衬底连接，
-将第一电极布置在第一功能层处，该第一电极具有至少两个区域，其中，第一电极的第一区域与至少三个功能层中的第二功能层的第二电极形成第一电容，并且其中，第一电极的第二区域与第三功能层的第三电极的至少一个区域形成第二电容，并且其中，
这样布置电极，使得在改变第一电容的电极的间距时，以相反的方式改变第二电容的电极的间距。
由此实现的优点中的一个优点是，因此，具有电容式分析处理装置的微机械传感器能够实现为差分电容器，从而使得能够在整个测量范围内根据偏移线性地提供MEMS传感器的输出信号。另一个优点是，在MEMS传感器的相同的面积的情况下，与已知的MEMS传感器相比，敏感性能够加倍，或者反过来，在相同的敏感性的情况下，MEMS传感器的面积能够减半。另一个优点是更好的分辨率和改进的信噪比。另一个优点是更低的成本，尤其是由于不必需的参考电极。另一个优点是过程波动影响的减小，因为尤其是所有电极和电极间距都能够通过相同的层来实现。
在下文中，描述或者由此能够公开本发明的其他特征、优点和其他实施方式。
根据一种有利的扩展方案，第二和第三电极静态地布置。这能够实现简单的制造和相应的电容的可靠的形成。
根据另一种有利的扩展方案，第二电极布置在第一电极的相应的区域的下方，第三电极的至少一个区域布置在第一电极的相应的区域的上方。这样做的优点在于，在形成两个电容的同时能够实现紧凑的构造，从而使得在第一电容的电极的间距改变时，能够以相反的方式改变第二电容的电极的间距。
根据另一种有利的扩展方案，第一电极在平行于第一功能层的偏移方向的横截面中对称地构造。这样做的优点在于，能够实现简单的制造，并且同时提供相应的电容的可靠的形成。
根据另一种有利的扩展方案，第三电极具有至少两个子电极，所述子电极相对于第一电极的第一区域对称地布置，并且其中，第一电极的第二区域具有两个子区域，其中，子区域分别以与子电极共同作用用以形成第二电容的方式构造。通过这种方式，能够以特别紧凑的方式提供两个电容，所述电容分别具有相应的电极的间距的相反的改变。
根据另一种有利的扩展方案，至少两个电极的平行于第一功能层的偏移方向的相应的厚度是相同的。因此，能够实现特别简单的制造，因为不需要考虑不同的层厚度。
根据另一种有利的扩展方案，衬底在第一电极的第二区域的下方的区域中被掺杂或者具有金属层。因此，抵抗第一电极的第二区域与衬底之间的寄生电容的产生，这会降低传感器的灵敏度。就这方面而言，增加传感器的稳固性。
根据另一种有利的扩展方案，第一电极的第一区域和第二区域由不同的层的材料制成，尤其地，其中，不同的层的材料是相同的。通过这种方式，能够借助于层构造实现简单的制造，因为第一和第二区域与不同的层相对应。同时，尤其是不需要使用不同的材料，这抵抗不同的材料之间的应力。
根据另一种有利的扩展方案，第一电极、尤其是第二区域具有增强结构。这减小或者说防止由于内在的应力造成的电极的弯曲。换言之，通过局部的加固来实现刚性提高，此外，借助该刚性提高还能够调节电极的固有频率，从而使得能够在生产时或者在应用中避免共振。
根据另一种有利的扩展方案，增强结构通过第一电极的第二区域的层与布置有第三电极的层的部分连接形成。因此，实现简单的并且同时可靠的增强结构，而不减小电极彼此之间的相对运动。
根据另一种有利的扩展方案，以能够偏移的方式布置的功能层具有两个机械分离的、能够偏移的区域，其中，第一电极的第一区域和第二电极布置在第一能够偏移的区域中，第一电极的第二区域和第三电极布置在第二能够偏移的区域中。通过这种方式，基本上提供两个分离的、能够偏移的功能层，例如两个分离的膜片，所述膜片分别只具有一个电极类型。因此不仅实现电分离，还实现机械分离。尤其地，通过机械分离或者说去耦能够实现呈惠斯登桥电路形式的全桥，并且相对于外部施加的内在的机械应力的灵敏度降低。
由从属权利要求、绘图和与此有关的根据绘图的附图说明得到本发明的其他重要的特征和优点。
显而易见的是，上文提到的和下文待阐述的特征不仅能够按相应给出的组合使用，还能够按其他的组合来使用或者单独使用，而不偏移本发明的框架。
本发明的优选的实施方案和实施方式在绘图中示出并且在下面的描述中更详细地阐述，其中，相同的附图标记指的是相同的或者类似的或者具有相同功能的构件或者元件。
附图说明
在此示出：
图1根据本发明的一种实施方式的一个MEMS传感器的横截面；
图2根据本发明的实施方式的两个MEMS传感器的横截面；
图3根据本发明的一种实施方式的MEMS传感器的两个机械分离的区域的横截面；
图4根据本发明的一种实施方式的MEMS传感器的片段的沿着不同方向的横截面；和
图5根据本发明的一种实施方式的方法的步骤。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一种实施方式的MEMS传感器的横截面。
详细地，根据图1的MEMS传感器1的层构造如下。在衬底2上施加有LOCOS氧化层3，富含硅的氮化物层4又布置到该LOCOS氧化层上。这借助于所谓的LOCOS过程来实现，在该LOCOS过程中产生厚的氧化层3，薄的富含硅的层4沉积到该氧化层上。另外，功能层5、7、9和位于其之间的氧化层6、8交替地沉积并且后来部分地再次被移除，以便形成空穴和空腔。在产生用于在下文中描述的电极的对应的腔之后，能够偏移的功能层9布置、更准确地说沉积在氧化层8的上侧上。功能层9能够垂直于层2、3、4、5、6、7、8、9在方向R上偏移。
在图1中，与已知的MEMS传感器相比，功能层5的厚度与位于其上方的功能层7和9的厚度相同或者至少相似，因此能够用作完整的第三功能层。在这个第三功能层5中，如在下文中描述的那样，实现稳定的能够运动的电极。然后，在功能层9的偏移区域中在这个功能层的下方移除所有氧化层。在这种情况下，富含硅的层4能够用作掩蔽层，以便将空穴引入到位于其下方的LOCOS层3中。这些空穴15、16能够实现下文中描述的电极在功能层5中的出平面的运动。在能够偏移的功能层9的下侧上布置有电极10。这个电极在横截面中对称地构造：在中间，第一电极10(在功能层7的高度上)具有水平的区域10a，该水平的区域与在功能层5的区域中的第二电极11共同作用，用以形成第一电容C1。在此，两个电极10a、11彼此间隔开地布置。在未偏移的状态中的间距基本上通过氧化层6的厚度产生。现在，分别在侧面在左侧和右侧布置有另外的区域10b、10c，所述另外的区域布置在功能层5的高度上。与此间隔开地并且在相应的区域10b、10c的上方，在功能层7的高度上布置有第三电极12的子电极、更准确地说区域12a、12b。区域10c、12b或者说10b、12a之间的间距在此又基本上对应于氧化层6的厚度。区域10b、10c的以及电极11的厚度D对应于功能层5的厚度。在这种情况下，两个区域12a、12b形成第三电极12，其中，这个第三电极静态地布置。在这种情况下，第一电极10和第三电极12形成第二电容C2。
因此，基本上实现下述特性：提供差分电容器，其中，电极10、11、12的所有板和板间距都由相同的层构成。因此，能够减小生产公差的影响。借助差分电容器能够实现两种可能性。第一种可能性在于，由一个半桥能够形成全桥，与半桥相比，全桥具有加倍的敏感性和明显更好的线性。全桥的优点又在于，用于触点接通全桥的、在ASIC与MEMS芯片之间的触点接通部或键合焊盘的数量不比在半桥情况下的大。在这种情况下，只需要用于桥输入电压的两个触点接通部和用于桥输出电压的两个另外的触点接通部，因为电极10a、11与10b、10c、12a、12b之间的所描述的电容的布线在芯片上进行。
第二种可能性在于，通过ASIC单独地测量电容C1和C2，其中，为了测量n个电容需要(n+1)个键合焊盘。这个方法具有下述优点：通过等式
实现完全的线性化，其中，电容C2包括所有关闭的电容，C1包括所有打开的电容。
图2示出根据本发明的实施方式的两个MEMS传感器的横截面。
在图2中分别在下部和上部基本上示出根据图1的MEMS传感器1。与根据图1的MEMS传感器1不同，在根据图2的上部的MEMS传感器1的情况下，在衬底2上的第一电极10的区域10b、10c的下方布置有薄的金属化平面2b，尤其地，这个金属化平面具有在200nm与600nm之间、尤其在300nm与500nm之间的厚度。在图2的下部，替代金属化平面2b地，掺杂衬底2(附图标记2a)。借助于金属化平面2b或者说掺杂部2a，使衬底2的这个区域局部地变得导电并且抵抗寄生电容，所述寄生电容例如在衬底2与相应的区域10b、10c之间产生并且干扰MEMS传感器1的灵敏度。
图3示出根据本发明的一种实施方式的MEMS传感器的两个机械分离的区域的横截面。
详细地，在图3中，基本上在左侧和右侧分别示出根据图1的MEMS传感器1的构造。与根据图1的MEMS传感器1不同，在根据图3的左侧的MEMS传感器1的所示出的部分中缺少中间的第二电极11，在根据图3的右侧的MEMS传感器1的所示出的部分中缺少第一电极10的两个区域10b、10c。在图3中在左侧和右侧示出的部分形成一个MEMS传感器1。在这种情况下，MEMS传感器1的两个部分分别具有能够偏移的功能层9的一部分9a、9b，所述部分彼此机械地分离并且彼此电分离。通过机械去耦能够实现全桥，并且相对于外部施加的内在的机械应力的灵敏度降低。
图4示出根据本发明的一种实施方式的MEMS传感器的片段的沿着不同方向的横截面。
在图4中示出根据图1的MEMS传感器1的片段的沿着不同方向的横截面。与根据图1的MEMS传感器1不同，在根据图4的MEMS传感器1的情况下，布置有增强结构20。这个增强结构20局部地通过下述方式增强能够运动的电极10的区域10b：静态的电极的层7与能够运动的电极10的层5相互连接，从而使得基本上提供一种T形载体。由此提高刚性，并且根据刚性的提高能够调节相应的电极10、12的区域12a、10b的固有频率、尤其是能运动的电极区域10b、10c的固有频率，所述能运动的电极区域布置在层5中，从而使得在生产时或者在应用时避免共振。
图5示出根据本发明的一种实施方式的方法的步骤。
详细地说，图5示出用于制造MEMS传感器的方法的步骤。这个方法包括下述步骤
在步骤S1中，提供衬底。
在另外的步骤S2中，提供至少三个功能层，所述功能层上下相叠地并且彼此间隔开地与衬底连接。
在另外的步骤S3中，将第一电极布置在第一功能层处，该第一电极具有至少两个区域，其中，第一电极的第一区域与至少三个功能层中的第二功能层的第二电极形成第一电容，并且其中，第一电极的第二区域与第三功能层的第三电极的至少一个区域形成第二电容，并且其中，这样布置电极，使得在第一电容的电极的间距改变时，以相反的方式改变第二电容的电极的间距。
综上所述，本发明的实施方式中的至少一个实施方式具有下述优点中的至少一个优点：
-在相同的面积的情况下，敏感性提高了因数2：
·更好的分辨率和信噪比。
-全差分概念：
·线性地在整个测量范围内的电敏感性。
·能够通过两个分离的膜片进行机械去耦，所述膜片分别只具有两个电极类型中的一个电极类型，在一侧打开且在另一侧关闭。
-更低的成本：
·在相同的敏感性的情况下，与已知的MEMS传感器相比，芯片面积以因数2减小。
·省去静态的、不敏感的参考电极。
·能够在具有少量触点焊盘的全桥电路中进行分析处理，尤其是借助于四个焊盘。
-更小的过程波动影响：
·所有电极和电极间距都通过相同的层创建，例如，所有的电极间距都通过同一氧化物来实现。
-通过“T形载体”对能够运动的电极的加固：
·调节固有频率，以便在生产/应用中避免共振。
·减小电极的弯曲。
虽然已根据优选的实施例描述本发明，但是本发明不限于此，而是能够以有利的方式进行修改。
Claims (12)
1.MEMS传感器，所述MEMS传感器包括：
衬底，
至少三个功能层(5、7、9)，所述功能层上下相叠地并且彼此间隔开地与所述衬底连接，其中，
所述至少三个功能层(5、7、9)中的第一功能层(9)以能够偏移的方式布置，其中，在所述第一功能层(9)处布置有第一电极(10)，所述第一电极具有至少两个区域(10a、10b、10c)，其中，
所述第一电极(10)的第一区域(10a)与所述至少三个功能层(5、7、9)中的第二功能层(5)的第二电极(11)形成第一电容，其中，
所述第一电极(10)的第二区域(10b、10c)与第三功能层(7)的第三电极(12)的至少一个区域(12a、12b)形成第二电容，其中，
所述电极(10、11、12)布置成，使得在所述第一电容的电极(10、11)的间距改变时，以相反的方式改变所述第二电容的电极(10、12)的间距。
2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，第二和第三电极(11、12)静态地布置。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的MEMS传感器，其中，所述第二电极(11)布置在所述第一电极(10)的相应的区域(10a；10b、10c)的下方，并且所述第三电极(12)的至少一个区域(12a)布置在所述第一电极的相应的区域的上方。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS传感器，其中，所述第一电极(10)在平行于所述第一功能层(9)的偏移方向(R)的横截面中对称地构造。
5.根据权利要求4所述的MEMS传感器，其中，所述第三电极(12)具有至少两个子电极(12a、12b)，所述子电极相对于所述第一电极(10)的第一区域(10a)对称地布置，其中，所述第一电极(10)的第二区域(10b、10c)具有两个子区域(10b，10c)，其中，子区域(10b，10c)分别以与子电极(12a、12b)共同作用的方式构造用于形成所述第二电容。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的MEMS传感器，其中，至少两个电极(10、11、12)的平行于所述第一功能层(9)的所述偏移方向(R)的相应厚度(D)是相同的。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的MEMS传感器，其中，所述衬底(2)在所述第一电极(10)的所述第二区域(10b、10c)的下方的区域中被掺杂有掺杂部(2a)或者具有金属层(2b)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的MEMS传感器，其中，所述第一电极(10)的第一区域(10a)和第二区域(10b)由不同的层(5、7、9)的材料制成，尤其地，其中，所述不同的层(5、7、9)的材料是相同的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的MEMS传感器，其中，所述第一电极(10)、尤其是所述第二区域(10b、10c)具有增强结构(20)。
10.根据权利要求9所述的MEMS传感器，其中，所述增强结构(20)通过所述第一电极(10)的所述第二区域(10b、10c)的层(5)与布置有所述第三电极(12a、12b)的层(7)部分地连接来形成。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的MEMS传感器，其中，以能够偏移的方式布置的功能层(9)具有两个机械分离的、能够偏移的区域(9a、9b)，其中，所述第一电极(10)的第一区域(10a)和第二电极布置在所述第一能够偏移的区域(9a)中，并且所述第一电极的第二区域(10b、10c)和第三电极(12)布置在所述第二能够偏移的区域中。
12.用于制造MEMS传感器(1)的方法，所述方法包括下述步骤：
-提供(S1)衬底(2)，
-提供(S2)至少三个功能层(5、7、9)，所述功能层上下相叠地并且彼此间隔开地与所述衬底连接，
-将第一电极(10)布置在所述第一功能层(9)处，所述第一电极具有至少两个区域(10a、10b、10c)，其中，所述第一电极(10)的第一区域(10a)与所述至少三个功能层(5、7、9)的第二功能层(5)的第二电极(11)形成第一电容，其中，所述第一电极(10)的第二区域(10b、10c)与第三功能层(7)的第三电极(12)的至少一个区域(12a、12b)形成第二电容，其中，
所述电极(10、11、12)布置成，使得在所述第一电容的电极(10、11)的间距改变时，以相反的方式改变所述第二电容的电极(10、12)的间距。
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