CN113474281A - Mems传感器以及用于运行mems传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS传感器，所述MEMS传感器包括：可偏移地布置的功能层；用于将所述功能层的偏移转换为电信号的转换装置，其中，所述转换装置包括至少一个电元件，其中，所述至少一个电元件与第一区域至少部分地电连接，其中，所述第一区域与第二区域至少部分地电连接，其中，第一和第二区域和/或第一区域和所述至少一个电元件能够在截止方向和导通方向上电运行；以及控制装置，其中，所述控制装置构造为使所述至少一个电元件和所述第一区域和/或所述第一区域和所述第二区域在导通方向上至少部分地为提供热能而运行。

Description

MEMS传感器以及用于运行MEMS传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种MEMS传感器，该MEMS传感器包括以可偏移的方式布置的功能层。
本发明还涉及一种用于运行MEMS传感器的方法。
尽管本发明一般性地能够应用于具有可偏移地布置的功能层的任何MEMS传感器，但是基于MEMS压力传感器来描述本发明。
背景技术
通过微系统技术制造的压力传感器通常具有由硅制成的膜，在膜表面上的压力发生变化时，该膜以膜的偏移做出反应。这种偏移或者说膜边缘处由此引起的机械应力可以借助压阻电阻转化为电信号。为了避免在低温下对传感器性能的负面影响——例如由于整体结构中的膨胀系数，具有集成加热器的压力传感器已经变得众所周知，其可以将传感器的温度提高到一定的最低水平。在这些压力传感器中，在金属导体轨道中或也在扩散式半导体导体轨道中通过电流产生焦耳热，这些导体轨道通过附加焊盘连接。
发明内容
本在一种实施方式中，本发明提供一种MEMS传感器，该MEMS传感器包括：可偏移地布置的功能层；用于将该功能层的偏移转换为电信号的转换装置，其中，该转换装置包括至少一个电元件，其中，所述至少一个电元件与第一区域至少部分地电连接，其中，第一区域与第二区域至少部分地电连接，其中，第一和第二区域和/或第一区域和至少一个电元件能够在截止方向和导通方向上电运行；以及控制装置，其中，控制装置构造为使所述至少一个电元件和第一区域和/或第一区域和第二区域在导通方向上至少部分地为提供热能而运行。
通过对衬底进行掺杂，第一和第二区域可以是衬底的一部分。由此可以产生靠近表面的第一和第二区域，但也可以产生更深入的槽池。替代地，也可以通过在衬底上施加被相应地掺杂的表面来限定所述第一和第二区域。通过适当的掺杂，随后可以将至少一个电气部件和/或电子部件引入到其中一个或两个区域/槽池中。因此可以想到，将p掺杂的压敏电阻引入到n掺杂的槽池中。由此防止压敏电阻中由于弯曲产生的电流不受阻碍地迁移到衬底中。
在另一实施方式中，本发明提供一种用于运行根据权利要求1至11中任一项所述的MEMS传感器的方法，其中，借助控制装置使第一和第二区域在导通方向上至少部分地为提供热能而运行。
由此获得的优点之一是，由此可以省去单独的加热装置，并且因此可以在总体上降低安装空间。另一优点是，由此可以降低制造成本。
本发明的其他特征、优点和其他实施方式在下文中描述或由此公开。
根据一种有利的扩展方案，一方面第一区域和至少一个电元件的截止方向和导通方向和另一方面第一区域和第二区域的截止方向和导通方向是相反的。这样做的优点是，电流流动由此要么从第一区域到第二区域进行要么从第一区域到至少一个电元件进行，这使得一方面能够实现简单地读取信号，另一方面能够实现简单地进行加热。
根据另一有利的扩展方案，转换装置包括具有呈电阻形式的至少四个电元件的惠斯通电桥电路。由此可以以简单的方式提供转换装置，其用于提供针对功能层的偏移的电信号。
根据另一有利的扩展方案，电阻是植入式或扩散式的压阻电阻。由此获得的优点之一是，电阻因此可以直接与膜相互影响并且能够直接借助电阻来探测膜的偏移。
根据另一有利的扩展方案，控制装置构造为使第一和第二区域暂时地在截止方向上运行以及暂时地在导通方向上运行。因此，以简单的方式一方面可以读取针对功能层的偏移的电信号，另一方面可以在导通方向上将高电流传导通过MEMS传感器，MEMS传感器由此生热。
根据另一有利的扩展方案，第一区域以槽池的形式构造，所述至少一个电元件布置在该槽池中，特别地，其中，所述槽池和所述至少一个电元件具有不同的掺杂。以这种方式可以避免电流从至少一个电元件流出而不是流过转换装置。这改善了效率和传感器性能。“槽池”尤其应理解为具有圆角的基本上三维的容积，其中，该容积除了一个侧面之外被第一材料限界并且在其他部分被第二材料完全填充。
根据另一有利的扩展方案，第一和/或第二区域能够分别借助多个接通部、尤其敷镀通孔而被加载电压。由此获得的优点之一是，电流因此可以分布在两个区域之间的过渡部的大的横截面积上，这使得能够实现高的、均匀的电流流动并且可以确保高的加热，因为电阻在两个区域之间的过渡部中可以保持为低。
根据另一有利的扩展方案，可偏移地布置的功能层布置在第一区域中。以这种方式，可以借助至少一个电元件将功能层的偏移直接转换为电信号。就这方面而言减小了安装空间。
根据另一有利的扩展方案，布置尤其呈槽池的形式的至少一个附加的环绕元件，其中，所述至少一个附加的环绕元件如此构造，使得其至少部分地环绕第一区域和第二区域。由此使得能够提供更多的热能。
根据另一有利的扩展方案，布置用于这些区域中的至少一个区域的至少一个附加的接通部，并且控制装置构造为借助在导通方向上运行第一和第二区域来提供热能并且在时间上并行地如此运行转换装置，使得能够由该转换装置提供电信号。以这种方式进一步改善传感器性能。
根据另一有利的扩展方案，布置温度测量元件、尤其二极管，并且控制装置构造为运行温度测量元件以提供热能。因此使得能够准确地掌管或者说控制热能的输出。
本发明的其他重要特征和优点由从属权利要求、由附图并且由基于附图的相关描述得出。
可以理解，在不脱离本发明的范畴的情况下，上文所提及的特征和还进一步列举的特征不仅可以分别以所说明的组合使用，而且可以以其他组合或单独使用。
附图说明
本发明的优选实施方案和实施方式在附图中示出并且在以下描述中进一步阐述，其中，相同的附图标记涉及相同或相似的或功能相同的构件或元件。
在此示出：
图1示出根据本发明的一种实施方式的MEMS传感器；
图2示出根据本发明的一种实施方式的MEMS传感器；并且
图3示出根据本发明的一种实施方式的MEMS传感器。
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。
在图1中以俯视图详细示出MEMS传感器1。在此，MEMS传感器1包括衬底(没有附图标记)。在衬底上布置有第一区域10和第二区域11。在此，第一和/或第二区域可以作为靠近表面的经掺杂的区域或作为更深入的经掺杂的槽池直接设置在衬底中。在此特别地设置，这两个区域被不同地掺杂。替代地也可以设置，借助常见的微机械方法、例如使用掩蔽和掺杂将用于限定第一和第二区域的第一和第二表面施加在衬底上。还布置有转换装置2，该转换装置本身具有惠斯通电桥电路16，该惠斯通电桥电路在第一区域10中具有压阻电阻9并且在第二区域11中具有相应的电接通部4a、4b、6a、6b。在第二区域11中还布置有用于温度传感器二极管8的电接通部7。此外，惠斯通电桥电路16的接通部4a、4b与控制装置5连接。此外，在第二区域11中布置有两个接通部6a和6b，该第二区域基本上L形地构造在基本上正方形的表面上。在此，接通部4a、4b、6a、6b通过相应的金属化轨与压阻电阻9、第一和第二区域10、11等连接。
第一区域10布置在L形第二区域11的两臂之间。如上所述，具有四个p掺杂的压阻电阻9的惠斯通电桥电路16布置在第一区域10中。这些压阻电阻一方面与布置在第二区域11中的用于截取电信号的接通部6a、6b连接，另一方面与同样布置在第二区域11中的两个接通部4a、4b连接，可以借助控制装置5在这两个接通部之间施加电压。第一区域10在此构造为槽池并且是n掺杂的。相反地，第二区域11是p掺杂的。此外，p掺杂的压阻电阻9与MEMS传感器1的可偏移膜3连接，例如整合或植入到该可偏移膜中。膜边缘由附图标记3a表示。如果膜3例如由于压力变化而偏移，则相应的压阻电阻9发生变化并且通过接通部6a、6b提供相应变化的电信号以测量压力或者说压力变化。
为了避免在对接通部4a、4b进行加载时电流从压阻电阻9流出到衬底中而不是流过完整的惠斯通电桥电路16，压敏电阻9被施加或者说布置在具有槽池形状的第一区域10中，例如在p掺杂的压阻电阻9的情况下施加或者说布置在n掺杂的槽池10中。在p掺杂的压敏电阻9的情况下，这些压敏电阻必须始终处于比n掺杂的槽池10低的电势上，由此，一方面p掺杂的压敏电阻9相对于n掺杂的槽池10连接在截止方向上，另一方面n掺杂的槽池10相对于同样p掺杂的第二区域11连接在截止方向上。
控制装置5现在使n掺杂的槽池10和p掺杂的压敏电阻9交替地一方面有针对性地在截止方向上运行，以便能够读取由于膜3的偏移引起的压力信号，另一方面有针对性地在导通方向上运行，以便能够将加热MEMS传感器1的高电流传导通过MEMS传感器1。在此，顺序或者说链：接通部4a、4b(“较高的电势”)至接通部4b、4a(“较低的电势”)中的最高电阻可以是在导通方向上运行并由两个区域10、11(即p区域11/n槽池10)形成的二极管，或者也可以是由金属导体轨或半导体导体轨形成的电阻。反过来在n掺杂的电阻9的情况下也可以使用p掺杂的槽池10。
为了实现更高的加热电流，也可以使用p掺杂的槽池11代替p掺杂的压敏电阻9。附加地，示出多个密集布置的敷镀通孔60a、60b，这些敷镀通孔使得能够将电流分布到两个区域10、11的p/n结的大的横截面积上。例如，为了借助通常的热耦合将MEMS压力传感器封装加热15℃，在1.6V的供应电压的情况下需要MEMS传感器1上的≤100欧姆的加热电阻，从而得出16mA的电流流动和32mW的功率输出。在已知压力传感器中常用的温度二极管在0.8V的情况下传导大约1mA的电流。如果针对图1示出的p/n区域二极管10、11假设相同的性能，则仅需16倍的横截面积以便能够传导所需的电流。能够借助围绕膜3施加的区域10、11来实现该横截面积。在这种情况下，加热功率的一半，即0.8V，在二极管中放出，而另一半，即0.8V，在金属导体轨或半导体导体轨中放出，从而可以通过后面的导体轨的适当放置而在芯片表面上实现低的温度梯度。
在图1中，有利地，用于电压供应而不是用于惠斯通电桥电路16的信号线路的接通部4a、4b通过相应的金属导体轨或者说金属化部连接到多个通孔或者说敷镀通孔60a、60b上，由此，在压力传感器信号读取模式下(在该模式下区域10、11在截止方向上运行)，可能的漏电流由于区域10、11的截止层而对传感器信号没有影响：在对惠斯通电桥电路16或其接通部4a、4b进行外部电压调节的情况下，即使漏电流发生变化，通过惠斯通电桥电路16的电流也不会显著变化。
为了读取电信号，将第一接通部4a接地并且给第二接通部4b加载电压VDD。因此，第二区域11处于比第一区域10低的电势上，并且，如此在两个区域10、11之间形成的二极管在截止方向上运行；电流流过惠斯通电桥电路16。为了提供热能，现在借助控制装置5将接通部4b接地并且给接通部4a加载电压VDD。由此，第二区域11具有比第一区域10高的电势，并且在两个区域10、11之间形成的二极管因此在导通方向上运行。电流沿方向50从第二区域11流至第一区域10，其中，由二极管形成的电阻是加热电阻。
在另一实施方式中，可以相较于第二区域11中的敷镀通孔60a而增大第一区域10中的敷镀通孔60b之间的间距。在另一替代实施方式中，不同于图1所示的那样，敷镀通孔60a、60b可以不连接到接通部4a、4b上，而是至少部分地、尤其完全地连接到与接通部6a、6b连接的信号线路上。
图2示出根据本发明的一种实施方式的MEMS传感器。
在图2中基本上示出根据图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MEMS传感器1中现在布置有两个附加的、不同地掺杂的槽池14、15，从而基本上从内到外产生以下布置：在内部布置有n掺杂的槽池10，其包括具有p掺杂的压阻电阻9的惠斯通电桥电路16。该n掺杂的槽池10被第二槽池11环绕，该第二槽池是p掺杂的并且相应于具有用于惠斯通电桥电路16的接通部4a、4b、6a、6b的第二区域11。附加地，现在布置有n掺杂的另一槽池14，其包围两个槽池10、11并且又布置在p掺杂的槽池15中。用于读取惠斯通电桥电路16的电信号和用于提供热能的操作在此再次如下地进行，其中，电流流动50在加热模式下从槽池10向附加的槽池14地进行。在此，电流流动50在加热模式下基本上从内向外地进行。此外，布置有附加的接通部12，其位于与接通部4b相同的电势上并且确保敷镀通孔60a被均匀地加载电压。
图3示出根据本发明的一种实施方式的MEMS传感器。
在图3中详细示出根据图2的MEMS传感器1。与根据图2的MEMS传感器1不同，在根据图3的MEMS传感器1中现在布置有附加的接通部13，该附加的接通部使得能够独立于接通部4a、4b各自的电压加载地并行地进行加热和测量：为此，例如可以将供应电压VDD施加到接通部4a上并且将接通部4b接地，以及可以将负的供应电压-VDD施加到该附加的接通部13上。
在另一实施方式中，作为由区域10、11、14、15形成的二极管的替代或附加，可以使用单独的温度传感器二极管8或者也可以使用温度传感器MOSFET。它们可以在低电流时用作温度传感器并且可以在高电流时作为替代的或附加的加热元件运行。
综上所述，本发明的实施方式中的至少一种具有以下优点中的至少一个：
·安装空间小。
·成本降低。
·用于MEMS传感器的芯片面积更小。
·易于实施。
尽管已经基于优选的实施例描述了本发明，但是本发明不限于此，而是可以以多种方式修改。

Claims (12)

1.一种MEMS传感器(1)，所述MEMS传感器包括：
可偏移地布置的功能层(3)，
用于将所述功能层(3)的偏移转换为电信号的转换装置(2)，其中，所述转换装置(2)包括至少一个电元件，
其中，所述至少一个电元件(9)与第一区域(10)至少部分地电连接，其中，所述第一区域(10)与第二区域(11)至少部分地电连接，其中，第一和第二区域(10，11)和/或第一区域(10)和所述至少一个电元件(9)能够在截止方向和导通方向上电运行，以及
控制装置(5)，其中，
所述控制装置(5)构造为使所述至少一个电元件(9)和所述第一区域(10)和/或所述第一区域(10)和所述第二区域(11)在导通方向上至少部分地为提供热能而运行。
2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，一方面第一区域(10)和至少一个电元件(9)的截止方向和导通方向与另一方面第一区域(10)和第二区域(11)的截止方向和导通方向是相反的。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的MEMS传感器，其中，所述转换装置(2)包括具有呈电阻(9)形式的至少四个电元件的惠斯通电桥电路。
4.根据权利要求3所述的MEMS传感器，其中，所述电阻(9)是植入式或扩散式的压阻电阻。
5.根据权利要求1至4中至少一项所述的MEMS传感器，其中，所述控制装置(5)构造为使所述第一和第二区域(10，11)暂时地在截止方向上运行以及暂时地在导通方向上运行。
6.根据权利要求4或5所述的MEMS传感器，其中，所述第一区域(10)以槽池的形式构造，所述至少一个电元件(9)布置在该槽池中，特别是，其中，所述槽池(10)和所述至少一个电元件(9)具有不同的掺杂。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的MEMS传感器，其中，所述第一和/或第二区域(10，11)能够分别借助多个接通部、尤其敷镀通孔(60a，60b)被加载电压。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的MEMS传感器，其中，所述可偏移地布置的功能层(3)布置在所述第一区域(10)中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的MEMS传感器，其中，布置尤其呈附加槽池的形式的至少一个附加的环绕元件(14，15)，其中，所述至少一个附加的环绕元件(14，15)如此构造，使得所述至少一个附加的环绕元件至少部分地环绕所述第一区域(10)和所述第二区域(11)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的MEMS传感器，其中，布置至少一个附加接通部(12，13)，并且所述控制装置(5)构造为：借助在导通方向上运行所述第一和第二区域(10，11)来提供热能并且在时间上并行地如此运行所述转换装置(2)，使得能够由所述转换装置(2)提供电信号。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的MEMS传感器，其中，布置温度测量元件(8)、尤其二极管(8)，并且所述控制装置(5)构造为运行所述温度测量元件(8)以提供热能。
12.一种用于运行根据权利要求1至11中任一项所述的MEMS传感器(1)的方法，其中，借助所述控制装置(5)使所述第一和第二区域(10，11)在导通方向上至少部分地为提供热能而运行。
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