CN114286929A - 传感器和制造传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
在至少一个实施俯视中，传感器包括具有用于在通过介质施加压力时变形的膜（10）的变形体（1）以及施加到所述膜（10）上并且固定在所述膜（10）上的膨胀元件（2）。所述膨胀元件（2）基于SOI技术并且具有多个压阻电阻器（20）。
Description
技术领域
说明了一种传感器。此外还说明了一种用于制造传感器的方法。
发明内容
要解决的任务是说明一种既能承受高温又能在腐蚀性介质中使用的传感器。另外要解决的任务是说明一种用于制造这种传感器的方法。
这些任务尤其通过独立权利要求的主题来解决。有利的设计和扩展是从属权利要求的主题并且还从以下描述和附图中得出。
首先说明所述传感器。所述传感器特别是用于测量液体或气体中的压力的压力传感器。所述传感器例如可以用于工业设施、反应器或制冷/空调设施中。
根据至少一个实施方式，所述传感器包括具有用于在通过介质施加压力时变形的膜的变形体。所述变形体还可以具有承载体，所述膜与所述承载体机械连接。所述膜优选地布置在所述承载体上，使得所述膜可以相对于所述承载体移动。特别地，所述膜被设置为相对于所述承载体振动和/或相对于所述承载体弯曲。
所述承载体例如是环形的或框架形的，从而所述承载体侧向地包围空腔。所述膜布置在所述承载体上，使得所述膜在垂直于横向方向的竖直方向上界定和封闭该空腔，并且在此过程中在所述承载体上形成覆盖面。横向方向在此和下文中表示平行于所述膜的主延伸平面的方向。
在未被所述承载体支撑的区域中，即在与所述空腔交界的区域中，所述膜可以振动或弯曲。所述承载体和所述膜可以彼此一体地构造或者可以是彼此不同的、相互施加在对方上的元件。在第二种情况下，所述承载体和所述膜可以由不同或相同的材料组成。
所述膜例如具有在垂直于所述膜的主延伸平面测量的最大厚度和/或平均厚度，所述厚度在50μm和1mm之间，包括端值，优选地在100μm和500μm之间，包括端值。所述膜的厚度在此还取决于所述膜的材料。
根据至少一个实施方式，所述传感器包括施加到所述膜上并且固定在所述膜上的膨胀元件。所述膨胀元件例如是半导体芯片。所述膨胀元件优选地施加在所述膜的背离所述承载体的一侧上。特别优选地，所述膨胀元件仅施加在或大部分施加在所述膜的不被承载体支撑的区域中，即在可以自由振动的区域中。如果所述膜由于通过介质施加的压力而弯曲，则所述膨胀元件也一起弯曲。所述膨胀元件被设置为将所述变形体的压力引起的弯曲应力转换为电信号。
根据至少一个实施方式，所述膨胀元件基于SOI（绝缘体上硅）技术并且具有多个压阻电阻器。换言之，所述膨胀元件具有硅衬底、所述硅衬底上的SiO2层以及多个压阻电阻器。所述硅衬底可以由掺杂硅或未掺杂硅组成。
所述硅衬底优选地在所述膨胀元件的整个或几乎整个横向伸展上延伸。特别地，所述硅衬底形成了所述膨胀元件的支撑该膨胀元件的组件，优选自支撑的组件。所述硅衬底可以在横向于所述膜的主延伸平面延伸的侧面上具有分离过程的痕迹，例如物理或化学的材料去除的痕迹。这些痕迹例如从使得所述膨胀元件与晶片分离的分离过程中产生。
所述压阻电阻器优选地由掺杂硅形成。例如通过金属印制导线来接触所述压阻电阻器。SiO2层优选地位于压阻电阻器与硅衬底之间的平面中。所述硅衬底优选地面向所述膜并且所述压阻电阻器背离所述膜。所述压阻电阻器例如通过SiO2层与硅衬底电绝缘。
所述膨胀元件例如包括至少两个或至少四个压阻电阻器。这些压阻电阻器特别是相互连接成网络，例如半桥、全桥、分压器或惠斯通测量电桥。当膜弯曲并由此在压阻电阻器中产生张力时，电阻器值会发生变化，然后可以通过所述互连确定该变化并换算为作用在膜上的压力值。
压阻电阻器彼此介电绝缘并且优选还与硅衬底介电绝缘。例如，该介电绝缘至少部分地由SiO2层实现。也就是说，压阻电阻器特别是没有通过半导体材料相互连接而使得在高温下可能在电阻器之间出现电流流动。换言之，压阻电阻器不仅通过pn结而彼此电绝缘。
在至少一个实施方式中，所述传感器包括具有用于在通过介质施加压力时变形的膜的变形体和施加到所述膜上并固定在所述膜上的膨胀元件。所述膨胀元件基于SOI技术并具有多个压阻电阻器。
本发明尤其基于以下想法：将基于SOI技术的膨胀元件布置在具有膜的变形体上。在使用基于SOI技术的膨胀元件的情况下，压阻电阻器彼此介电绝缘。与pn绝缘的压阻电阻器相比，这使得即使在高温下也能使用。因为即使在高温下，压阻电阻器之间的绝缘在这里也得到保持并且是稳定的。从而例如这里描述的传感器例如可以在高于250°C的温度（例如在400°C）下使用。
此外，与膨胀元件分离的具有膜的变形体可以被选择为，使得该变形体可以承受诸如废气或燃料的腐蚀性介质。特别是按照如下方式使用传感器，使得所述介质从背离所述膨胀元件的一侧输送，从而所述介质优选不与所述膨胀元件接触。
根据至少一个实施方式，所述压阻电阻器是横向暴露的Si电阻器。也就是说，这些电阻器在横向方向上通过充气的沟槽或间隙彼此间隔开。因此，每两个电阻器之间的区域没有填充或没有完全填充固体材料。特别地，压阻电阻器在垂直于膜的主延伸平面的方向上突出。这些电阻器例如包括p掺杂或n掺杂的硅或由p掺杂或n掺杂的硅组成。在这些电阻器与所述硅衬底之间优选布置了SiO2层，使得Si电阻器由SiO2层支撑。
根据至少一个实施方式，压阻电阻器分别包括局部暴露的Si纳米线（Si-Nanowire）或由其组成。这些纳米线的纵横比例如分别为至少5或至少10或至少20。Si纳米线例如分别由p掺杂或n掺杂的硅组成。Si纳米线的纵轴优选平行于膜的主延伸平面延伸。“局部暴露”意味着Si纳米线在其部分长度上没有得到支撑而是底部掏空的。为此，可以在纳米线下方的区域中去除SiO2层，使得纳米线可以在竖直方向上自由振荡。例如，纳米线仅在其长边端部处得到支撑并且在那里例如位于SiO2层上。
替代地，纳米线也可以不被底部掏空并且可以沿着其整个长度得到支撑，例如由SiO2层支撑。
根据至少一个实施方式，在所述膜与所述膨胀元件之间布置了连接装置。所述膨胀元件经由所述连接装置固定在所述膜上。所述连接装置特别是在一侧与所述膜交界并且在相对侧上与所述膨胀元件的硅衬底交界。所述连接装置优选被选择为使得连接即使在所述膜上存在高压（例如超过100巴）和高温（例如超过250°C）的情况下也保持稳定。所述连接装置例如由与膨胀元件和变形体不同的材料构成。所述连接装置的垂直于膜的主延伸平面测量的最大厚度和/或平均厚度为例如最多20μm，例如在5μm和10μm之间，包括端值。所述连接装置优选地具有与所述膜相似的热膨胀系数。例如，所述膜和所述连接装置的热膨胀系数彼此最多相差10％。
根据至少一个实施方式，所述连接装置的弹性模量至少与所述膜的弹性模量一样大。例如，所述连接装置的弹性模量比所述膜的弹性模量大至少5％或至少10％。通过使用这样的连接装置确保了在膜弯曲并且由此导致的连接装置弯曲时膜与膨胀元件之间的连接不会遭到破坏。当压力按预期出现时，所述连接装置的变形优选地发生在弹性模量的应力-膨胀图的胡克范围内。
根据至少一个实施方式，所述连接装置包括以下材料中的一种或多种或由以下材料中的一种或多种组成：玻璃焊料、金属焊料、无机粘合剂、有机粘合剂。例如，连接材料是Au-Sn焊料。这样的连接装置特别是即使在高压和高温下也能保证稳定连接。特别地，连接材料由这样一种材料形成，即该材料在按预期的运行中（例如在高达1000巴的压力下）仅可逆地变形。
根据至少一个实施方式，所述膨胀元件覆盖所述膜的大部分。例如，在俯视图中观察，所述膨胀元件覆盖所述膜的至少50％或至少75％或至少90％。特别地，所述膨胀元件覆盖所述膜的未通过承载体支撑的所有区域。
根据至少一个实施方式，所述膨胀元件在其横向伸展的大部分上与所述膜连接。所述膨胀元件的横向伸展在此是其平行于所述膜的主延伸平面的伸展。例如，所述膨胀元件沿其横向伸展的至少75％或至少90％或沿其整个横向伸展与所述膜连接并且由所述膜支撑。在此，所述膨胀元件可以直接与所述膜连接或经由连接装置间接与所述膜连接。特别优选地，在所述膨胀元件与所述膜之间不形成充气空腔，在所述充气空腔中所述膨胀元件未受到所述膜支撑。
根据至少一个实施方式，所述膨胀元件具有最多200μm或最多150μm或最多100μm的最大厚度。替代地或附加地，所述膨胀元件的最大厚度为至少10μm或至少20μm。这里也垂直于所述膨胀元件的主延伸平面测量该厚度。为了实现所述膨胀元件的小厚度，可以将硅衬底与其在晶片复合体中具有的初始厚度相比变薄，例如通过研磨。
根据至少一个实施方式，所述变形体，特别是所述膜，包括以下材料中的一种或多种或由以下材料中的一种或多种组成：玻璃、蓝宝石、硅、钢（例如不锈钢）、陶瓷（例如ZrO2或Al2O3）。特别地，所述膜由这样一种材料形成，所述材料在按预期的运行中（例如在高达1000巴的压力下）仅可逆地变形。
根据至少一个实施方式，所述压阻电阻器布置在所述膜的边缘区域中。优选地，所述压阻电阻器在此情况下布置在所述膜的未受到所述承载体支撑但直接与所述承载体交界的区域中。特别地，所述压阻电阻器布置在所述膜的以下区域中，在该区域中所述膜以及因此所述膨胀元件在施加压力时承受最大的弯曲应力。所述压阻电阻器布置在所述膜的区域中意味着在俯视图中观察时所述压阻电阻器与该区域重叠。
接下来说明用于制造传感器的方法。该方法特别是适用于制造这里描述的传感器。因此，关于所述传感器公开的所有特征也针对该方法公开，反之亦然。
根据至少一个实施方式，该方法包括步骤A），其中提供具有用于在通过介质施加压力时变形的膜的变形体。该方法还包括步骤B），其中提供膨胀元件，其中所述膨胀元件基于SiO2技术并且具有多个压阻电阻器。然后在步骤C）中将所述膨胀元件施加并固定在所述膜上。
所述膨胀元件例如由包括硅衬底、硅层和布置在所述硅层与所述硅衬底之间的二氧化硅层（SiO2层）的晶片复合体制造。然后所述压阻电阻器由所述硅层制造，例如通过蚀刻。然后可以将所述硅衬底减薄至期望的厚度，例如通过研磨。
根据至少一个实施方式，通过直接结合方法将所述膨胀元件固定在所述膜上。例如，在此所述膨胀元件的硅衬底与例如由陶瓷形成的膜直接接触。
根据至少一个实施方式，经由连接装置将所述膨胀元件固定在所述膜上。
传感器和用于制造传感器的方法的其他优点和有利的设计和扩展从以下结合附图示出的实施例中得出。相同、类型相同或相同作用的要素在附图中具有相同的附图标记。附图和附图中所示要素的彼此大小比例不应被视为按比例绘制。相反，为了更好地显示和/或更好地理解，可以夸大地显示各个要素，特别是层厚度。
附图说明
图1和图2分别以横截面视图示出了传感器的实施例，
图3和图4以横截面视图和俯视图示出了传感器的实施例，
图5示出了用于制造传感器的方法的实施例中的位置。
具体实施方式
图1以横截面视图示出了传感器的第一实施例。该传感器包括具有膜10和承载体11的变形体1。膜10在边缘区域中由承载体11支撑。在膜10的内部区域中，膜10没有受到承载体11支撑并且可以在那里相对于承载体11自由摆动或自由弯曲。在当前情况下，膜10和承载体11一体地构造并且例如由陶瓷组成。然而，承载体11和膜10也可以并非相互一体地构造并且可以例如由不同的材料组成。
在膜10的背离承载体11的一侧上布置有膨胀元件2。膨胀元件2是基于SOI技术的半导体芯片。膨胀元件2包括硅衬底22和硅衬底22上的SiO2层21。在SiO2层21背离硅衬底22的一侧上布置有横向暴露的、由硅制成的压阻电阻20。压阻电阻器20通过SiO2层彼此电绝缘并且还与硅衬底22电绝缘。在背离硅衬底22的一侧上，压阻电阻器20通过例如由氮化硅制成的钝化层23钝化。通过金属印制导线24来电接触压阻电阻器20。
例如，在所述传感器的运行期间，膜10的背离膨胀元件2的侧与诸如液体的介质接触，所述液体例如是油或水。由于所述介质对膜10施加的压力使得膜10弯曲。由此膨胀元件2也弯曲，并且压阻电阻器20张紧。压阻电阻器20的电阻值由于该张紧而改变，这可以通过由印制导线24的接触来测量。在当前情况下，压阻电阻器20例如互连成惠斯通测量电桥。
在图1中将膨胀元件2直接施加到膜10上，使得硅衬底22与膜10直接接触。例如，膨胀元件2通过直接结合施加到膜10上。膨胀元件2完全覆盖膜10，特别是膜10的未受到支撑的部分。在此，膨胀元件2沿着膨胀元件2的整个横向伸展与膜10直接连接。
图2示出了所述传感器的第二实施例。膨胀元件2在这里以与图1完全相同的方式构造。然而与图1不同的是，膨胀元件2经由连接装置3施加在膜10上并且经由连接装置3与膜10连接。连接装置3例如是玻璃焊料或金属焊料或有机粘合剂或无机粘合剂。连接装置3的弹性模量优选地至少与膜10的弹性模量一样大。在当前情况下，膜10例如由不锈钢组成。
图3以横截面视图示出了所述传感器的第三实施例。这里，压阻电阻器20分别包括由硅制成的纳米线（Nanowire）。这些纳米线是局部暴露的，使得这些纳米线至少在一些区域中不受支撑并且自由地悬挂在硅衬底22上。SiO2层因此在纳米线下方的区域中被局部去除，使得在那里纳米线未受到SiO2层支撑。与第二实施例中相同，这里膨胀元件2再次借助于连接装置3固定在膜10上。
图4示出了所述传感器的第三实施例的俯视图。可以看出，膨胀元件2包括四个压阻电阻器20，所述压阻电阻器20分别具有纳米线。压阻电阻器20经由金属印制导线23相互连接成惠斯通测量电桥。
图5示出了用于制造传感器的方法的实施例中的位置。这里提供了基于SOI技术的具有多个压阻电阻器20的膨胀元件2和具有膜10的变形体1。将膨胀元件2施加到膜10上并且固定在膜10上。这里示出了膨胀元件2直接（例如通过直接接合）施加到膜10上的情况。替代地，膨胀元件2可以借助于连接装置固定在膜10上。
本发明不限于基于实施例的描述。相反，本发明包括每一个新特征和每一个特征组合，特别是包括权利要求中的每一个特征组合，即使这些特征或这个组合本身没有在权利要求或实施例中明确说明。
附图标记列表
1 变形体
2 膨胀元件
3 连接装置
10 膜
11 承载体
20 压阻电阻器
21 SiO2层
22 硅衬底
23 钝化层
24 印制导线
Claims (14)
1.一种传感器，包括
-变形体（1），具有用于在通过介质施加压力时变形的膜（10），
-施加到所述膜（10）上并且固定在所述膜（10）上的膨胀元件（2），其中
-所述膨胀元件（2）基于SOI技术并且具有多个压阻电阻器（20）。
2.根据权利要求1所述的传感器，
其中所述压阻电阻器（20）是横向暴露的Si电阻器。
3.根据权利要求1所述的传感器，
其中所述压阻电阻器（20）分别包括局部暴露的Si纳米线。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中
-在所述膜（10）与所述膨胀元件（2）之间布置有连接装置（3），
-所述膨胀元件（2）经由所述连接装置（3）固定在所述膜（10）上。
5.根据权利要求4所述的传感器，
其中所述连接装置（3）的弹性模量至少与所述膜（10）的弹性模量一样大。
6.根据权利要求4或5所述的传感器，
其中所述连接装置（3）包括玻璃焊料或金属焊料或无机粘合剂或有机粘合剂。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，
其中所述膨胀元件（2）覆盖所述膜（10）的大部分。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，
其中所述膨胀元件（2）在其横向伸展的大部分上与所述膜（10）连接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，
其中所述膨胀元件（2）具有最多200μm的最大厚度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，
其中所述变形体（1）包括以下材料中的一种或多种或由以下材料中的一种或多种组成：玻璃、蓝宝石、硅、钢、陶瓷。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，
其中所述压阻电阻器（21）布置在所述膜（10）的边缘区域中。
12.一种用于制造传感器的方法，包括以下步骤：
A）提供具有用于在通过介质施加压力时变形的膜（10）的变形体（1），
B）提供膨胀元件（2），其中所述膨胀元件（2）基于SiO2技术并且具有多个压阻电阻器（20），
C）将所述膨胀元件（2）施加并固定在所述膜（10）上。
13.根据权利要求12所述的方法，
其中通过直接结合方法将所述膨胀元件（2）固定在所述膜（10）上。
14.根据权利要求12所述的方法，
其中经由连接装置（3）将所述膨胀元件（2）固定在所述膜（10）上。
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