CN117945338A - 具有集成的应力传感器的微机械传感器和用于传感器信号的信号校正的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明从一种微机械传感器出发，所述微机械传感器具有MEMS衬底(10)并且具有罩衬底(40)，在所述MEMS衬底(10)上在空腔(20)中布置有具有至少一个传感器电极的微机械结构(30)，所述罩衬底布置在所述微机械结构上方并且封闭所述空腔。本发明的核心在于，在所述罩衬底的内侧上布置有电容电极(21)，所述电容电极与在所述MEMS衬底上的相邻的微机械结构元件(31)一起形成测量电容，用于测量在所述电容电极与所述微机械结构元件之间的间距(51)。本发明还涉及一种用于这样的微机械传感器的传感器信号的信号校正的方法。
Description
技术领域
本发明从一种微机械传感器出发，所述微机械传感器具有MEMS衬底并且具有罩衬底(Kappensubstrat)，在所述MEMS衬底上在空腔中布置有具有至少一个传感器电极的微机械结构，所述罩衬底布置在所述微机械结构上方并且封闭所述空腔。
背景技术
用于测量加速度和转速的微机械惯性传感器针对汽车领域和消费品领域中的不同应用已在批量生产中制造。对于具有垂直于晶片平面的探测方向(z方向)的电容式加速度传感器，由RB优选使用“摆杆(Wippen)”。这些摆杆的传感器原理基于弹簧质量系统，在该弹簧质量系统中，在最简单的情况下，可运动的振动质量与固定在衬底上的两个对应电极一起形成两个板式电容器。振动质量经由至少一个(出于对称性原因通常两个)扭转弹簧与衬垫连接。如果质量结构在扭转弹簧的两侧上的大小不同，则在z加速度起作用时，质量结构相对于作为转动轴线的扭转弹簧转动。因此，电极的间距在具有较大的质量的侧上比在另一侧上大。电容变化是用于起作用的加速度的量度。这些加速度传感器在许多出版物中描述，例如在EP0244581和EP0773443 B1中。
在z加速度传感器的进一步开发方面的趋势在于改进性能(尤其是减少偏移和噪声)和不断的微型化，用于降低成本并且用于在具有强结构空间限制的新型应用中使用，例如可穿戴设备、可听设备、智能眼镜或者智能隐形眼镜。
对改进加速度传感器的性能、尤其是在偏移和噪声方面的性能做出重要贡献的是，具有总共三个硅层的现代的z传感器设计和配属的技术，如例如在出版物DE 10 2009000 167 A1中示出的那样。这样的设计导致在出现弯曲应力的情况下更小的偏移漂移和灵敏度漂移，所述弯曲应力例如由于电路板弯曲或者热机械应力引起。
该紧凑的z加速度传感器可以用于在所谓的混合集成或者竖直集成中的进一步微型化。在此，CMOS-ASIC用作用于MEMS晶片的罩晶片，并且除了用于气密密封MEMS结构的键合框架之外，还制造MEMS功能元件与ASIC之间的电触点。用于竖直集成方法的例子主要在出版物US7250353B2、US7442570B2、US20100109102A1、US20110049652A1、US20110012247A1、US20120049299A1和DE102007048604A1中描述。
然后，这些竖直集成的晶片堆垛可以进一步处理成所谓的芯片级封装(ChipScale Packages，CSP)，在所述芯片级封装的情况下，省去任何的衬底、粘接剂、键合引线、模塑质量等，并且未经封装的硅芯片(“bare die”，裸晶片)直接安装到应用电路板上。ASIC的外部电触点经由覆镀通孔(TSV，through silicon vias，硅通孔)向外引导到背侧上，可以在那里引导通过重新布线层(RDL，redistribution layer，再分布层)上并且经由焊接珠在应用电路板上被触点接通。图3示出该配置作为另外的现有技术(该附图基本上相应于DE102016207650A1的图6)。
由出版物DE102012208032A1和DE102015217921A1已知，将CMOS-ASIC的最上方的金属层用于z加速度传感器的附加的分析处理电极。
发明内容
本发明的任务在于，提出一种尽可能紧凑的微机械传感器以及一种配属的用于传感器信号的信号校正的方法，该微机械传感器能够实现对作用到微机械结构上的机械应力影响的测量和补偿。
本发明的核心和优点
本发明从一种微机械传感器出发，所述微机械传感器具有MEMS衬底并且具有罩衬底，在所述MEMS衬底上在空腔中布置有具有至少一个传感器电极的微机械结构，所述罩衬底布置在所述微机械结构上方并且封闭所述空腔。
本发明的核心在于，在所述罩衬底的内侧上布置有电容电极，所述电容电极与在所述MEMS衬底上的相邻的微机械结构元件一起形成测量电容，用于测量在所述电容电极与所述微机械结构元件之间的间距。
根据本发明的微机械传感器允许对在设备内、优选在竖直集成的惯性传感器(例如尤其是z加速度传感器)内的机械应力的测量和补偿，其中，对于用于应力测量的布置——与现有技术不同——在传感器芯中不需要附加的面积。通过测量机械应力，可以对加速度传感器的由应力引起的灵敏度误差和偏移误差进行补偿。
有利的是，在CMOS-ASIC的靠近表面的金属层中使用相对于固定的结构位于MEMS晶片上的附加电极，而用于惯性传感器的分析处理电极布置在MEMS晶片上。作为特别优选的布置，提出将附加电极放置在z加速度传感器的固定的顶部电极的上方，因为这些面积相对较大并且因此可以提供具有高测量灵敏度的大电容。在此，z加速度传感器具有根据图1、2的基本拓扑。附加电极与顶部电极形成电容，所述电容可以单个地、相加地或者差分地被分析处理。在ASIC侧，有利地使用最上方的或者次最上方的金属层，因为该金属层与MEMS结构的上侧的间距最小并且因此在间距变化时表现出最大的电容变化。在出现具有垂直于芯片平面的分量(所述分量尤其在电路板弯曲时通常占主导地位)的机械应力的情况下，在固定的顶部电极与附加电极之间出现间距变化，所述间距变化可以通过测量电容C1,top和C2,top来检测。相反，在出现加速度的情况下，电容C1,top和C2,top不发生变化。因此，能够得出机械应力对加速度传感器信号的贡献的结论，并且相应的贡献可以从加速度信号中减去，以便确保较小的偏移误差和灵敏度误差。有利地，该布置不需要芯片中的附加面积，因为在顶部电极上方的区域在其他情况下未被利用。
本发明还涉及一种用于微机械传感器的传感器信号的信号校正的方法，所述微机械传感器具有MEMS衬底并且具有罩衬底，在所述MEMS衬底上在空腔中布置有具有至少一个传感器电极的微机械结构，所述罩衬底布置在所述微机械结构上方并且封闭所述空腔。根据本发明的方法包含：借助布置在所述罩衬底的内侧上的电容电极进行所述传感器信号的校正，所述电容电极与在所述MEMS衬底上的相邻的微机械结构元件一起形成测量电容，用于测量在所述电容电极与所述微机械结构元件之间的间距，其中，所述传感器信号至少部分地由在所述传感器电极与所述微机械结构的另一部分之间的传感器电容求取。
根据本发明的方法能够实现，测量传感器的变形并且校正所述变形对传感器信号的影响。
本发明的有利构型能够从以下说明中得到。
附图说明
图1示意性地在散点透视图中示出现有技术中的z加速度传感器。
图2在图1的剖面AB中示出现有技术中的z加速度传感器。
图3示意性地示出现有技术中的z加速度传感器，该z加速度传感器具有作为罩的半导体衬底。
图4示出在第一实施例中的根据本发明的微机械传感器。
图5示出用于根据图4的微机械传感器的信号校正的补偿方法。
图6示出根据图4的微机械传感器的测量电容与该微机械传感器的传感器信号的相关联系。
图7示出在第二实施例中的根据本发明的微机械传感器。
图8示出用于根据图7的微机械传感器的信号校正的补偿方法。
图9示出在第三实施例中的根据本发明的微机械传感器。
具体实施方式
图1示意性地在散点透视图中示出现有技术中的z加速度传感器。图2示出图1的剖面AB。首先，在衬底10上布置有氧化物层100。该z传感器的微机械结构30由三个多晶硅层P1、P2、P3形成，其中，P1层用于布线，P2层用于可运动结构的一部分，P3层用于可运动结构的另一部分以及用于实现顶部电极。
该传感器拓扑示出相对于较旧的摆杆设计的显著优点，所述较旧的摆杆设计仅由硅功能层和布线层形成。这尤其包括增加的电容密度(即电容/面积)，因为使用底部电极(P1层中C1BOT和C2BOT)和顶部电极(P3层中C1TOP和C2TOP)，由此可以在相同的传感器面积的情况下实现改进的信噪比(或者但是在保持相同的噪声性能的情况下实现减小的传感器面积)。通常，根据dC＝(C1TOP+C1BOT)–(C2TOP+C2BOT)对电容进行差分分析处理，因此，不仅底部电极、而且顶部电极对信号做出贡献。
此外，呈底部电极和顶部电极的型式的传感器电极的布置产生较小的易受弯曲应力影响性，因为顶部电极悬挂在中央并且底部电极(由于通过顶部电极形成的附加电容)可以实施得稍微更紧凑。在此，传感器电极锚固在MEMS衬底10上。
图3示意性地示出现有技术中的z加速度传感器，该z加速度传感器具有作为罩的半导体衬底。示出微机械设备，该微机械设备具有MEMS衬底10并且具有罩衬底40，在该MEMS衬底上在空腔20中布置有微机械结构30，该罩衬底布置在微机械结构上方并且封闭该空腔。
罩衬底是具有集成电路(IC)的半导体衬底，即具有CMOS层400的ASIC。ASIC的外部电触点经由覆镀通孔410(TSV，through silicon vias，硅通孔)向外引导到背侧上，可以在那里被引导通过重新布线层(RDL，redistribution layer，再分布层)并且经由焊接珠430在应用电路板上被触点接通。
图4示出在第一实施例中的根据本发明的微机械传感器。
该微机械传感器相应于图3中的设备，区别在于，在罩衬底40的内侧上布置有电容电极21，该电容电极与在MEMS衬底上的相邻的微机械结构元件31一起形成测量电容，用于测量在电容电极与微机械结构元件之间的间距51。此外，另外的电容电极22布置在该罩衬底的内侧上，该另外的电容电极与另外的相邻的微机械结构元件32一起形成另外的测量电容，用于测量在另外的电容电极与另外的微机械结构元件之间的另外的间距52。
为此，在ASIC表面上，在这种情况下在最上方的金属层中，布置有两个附加电极，也用CM1和CM2表示，所述附加电极与传感器电极的表面对置，所述传感器电极呈z加速度传感器的顶部电极C1TOP和C2TOP的型式。电极CM1与电极C1TOP的表面形成第一附加电容CM1/C1TOP，在下文中简称为CZ1，并且相应地，电极CM2与电极C2TOP的表面形成第一附加电容CM2/C2TOP，在下文中简称为CZ2。在微机械结构元件31、32(即顶部电极)与附加电极21、22之间的、尤其可以通过机械应力感应的间距变化导致电容的变化，所述电容的变化可以由具有高分辨率的ASIC前端部测量。
由于机械应力在实践中通常不突然发生变化，因此，对附加电容的测量可以在时间上强烈地求平均，以便获得特别低噪声的信号。附加电极CM1和CM2彼此之间电分离以及与可运动结构的电位CM电分离，使得能够实现与z加速度传感器的信号完全无关的信号分析处理。即，对附加电容的分析处理可以通过分离的ASIC前端部或者但是也可以通过唯一的前端部的切换(多路复用)进行。
图5示出用于根据图4的微机械传感器的信号校正的补偿方法。
描述如下基本方法：附加电极或附加电容在实践中可以如何使用。在第一步骤100中，需要创建特定于构件的训练数据。为此，使用传感器的限定的集合(Ensemble)，例如几百个或者几千个结构元件，所述结构元件焊接到专门为弯曲试验准备的电路板上。在这些传感器中，一方面读取在外部机械应力改变的情况下加速度传感器的信号dC(σ,T)。除了重力加速度之外，在该检查步骤中不施加加速度。另一方面，求取附加电容的变化CZ1(σ,T)和CZ2(σ,T)。
图6示出根据图4的微机械传感器的测量电容与该微机械传感器的传感器信号的相关联系。
如果相对于附加电容的与应力有关的数据绘制与应力有关的加速度传感器数据，如在图6中对于附加电容CZ1以草图的形式示出的那样，则得出典型的、即与结构元件的几何形状比例有关的、所述信号之间的相关联系，在最简单的情况下，所述相关联系能够通过相关因数V1和V2来描述。这在步骤110中进行。应指出的是，相关因数V1、V2不一定能够直接从根据图6的直线斜率中读出，而是需要在多维优化方法中求取，在该多维优化方法中，两个附加电容CZ1和CZ2以适合的方式与加速度传感器信号相关。在此，差CZ1–CZ2也可以纳入到校正算法中。也能够考虑，在这些相关联系中，求取非线性项并且稍后考虑所述非线性项用于信号校正，所述非线性项即较高阶的校正项，所述较高阶的校正项包含平方阶的、立方阶的或者更高阶的测量电容CZ1、CZ2或者差CZ1–CZ2。通过这种方式，也可以检测传感器信号与附加电容CZ1、CZ2之间的更复杂的关联。这能够实现借助附加电容CZ1、CZ2还更精确地校正传感器信号。
在最简单的情况下，仅推导出相关因数V1、V2，所述相关因数表示集合平均值(步骤110)。由于在这种简单的情况下只有集合平均值纳入到相关因数中，因此，不能够借助集合方法校正强烈的、构件个体化的散射。然而，在该方法的一种构型中也能够考虑，在创建相关联系时考虑附加的传感器参数并且能够实现对该校正方法的进一步完善，所述附加的传感器参数例如是层厚度、MEMS结构元件之间的横向间距或者竖直间距或者还有来自构造技术和连接技术的数据，所述数据例如由生产数据已知。但是，为了简单起见，省去对这些能够考虑的且在构思方面包含在本发明中的方法的更详细的描述。
原则上，对集合内的应力相关性的测量可以在多个温度T的情况下执行。或者可以在不施加可变的机械应力的情况下只改变温度。借助这两种方法，也可以求取与温度有关的应力贡献，即通过由于不同的热膨胀系数引起的热机械应力导致的信号变化。因此，相关因数也可以具有温度相关性V1(T)和V2(T)，对于该集合，所述温度相关性能够确定为平均值，以便也进行对加速度传感器信号的特定于温度的补偿。通常，分析处理ASIC具有集成温度传感器，使得在知道相关因数V1(T)、V2(T)的温度相关性的情况下，信号校正不仅可以在一个温度下、还可以在任意的运行温度下进行。
到目前为止所描述的方法步骤100、110在集合层面上进行。在理想情况下，集合训练数据在新的传感器的生产开始之前只需要创建一次，然后可以在接下来的大批量生产期间用于所有单个结构元件。
相反，接下来的方法步骤200-240在单个结构元件层面上进行，即适用于在终端客户处使用的每个单个结构元件。根据现有技术，在步骤200中对单个结构元件的灵敏度和偏移进行调准。接下来，将单个结构元件发送给客户并且安装在该客户的应用中(210)，典型地借助焊接到终端设备的电路板上，所述终端设备例如是智能手机或者可穿戴设备。在终端设备运行时，读取加速度传感器(220)。除了实际待测量的加速度a之外，经分析处理的信号还将包含由于机械应力s并且由于温度T的变化造成的寄生效应。在根据本发明的步骤230中，进行对附加电容CZ1(σ,T)和CZ2(σ,T)的测量。原则上，该测量可以连续进行。但是，如上所述，由于机械应力通常不突然发生变化，因此，在许多情况下足够的是，通过专门的触发器指令从ASIC侧出发有针对性地在限定的时间点触发对附加电容的测量作为测试信号，例如在每次启动传感器时，在限定的时间间隔之后，在大于/小于确定的温度点的情况下，或者在限定的事件的情况下，例如在启动在智能手机或者可穿戴设备上的、需要加速度传感器的特别高的精度(尤其是少的偏移误差和/或灵敏度误差)的App时。
借助先前在集合中求取出的相关因数V1(T)、V2(T)，现在可以根据下述公式进行加速度传感器信号的信号校正：
dCkorr(a,T)＝dC(a,σ,T)–V1(T)*[CZ1(σ,T)–CZ1(s＝0,T)]–V2(T)*[CZ2(σ,T)–CZ2(σ＝0,T)]。因此，该加速度传感器信号在很大程度上不受通过机械应力和热机械应力做出的贡献的影响，并且相应地，偏移误差和灵敏度误差减少。如上所述，原则上在信号校正的情况下可能的是，也考虑较高的项，即在传感器信号与附加电容之间的相关联系中的非线性贡献。
图7示出在第二实施例中的根据本发明的微机械传感器。
视z加速度传感器在芯片内的位置而定地，并且视芯片在电路板上或者在芯粒(Chiplet)中的安装位置而定地，附加电容CZ1和CZ2可以在机械应力改变时表现得非常相似或者相当不同。如果所述附加电容表现得非常相似，则对两个附加电容的分开的分析处理不提供显著的附加信息，并且然后为了分析处理电路和校正方法的简单性起见，可能有意义的是，将先前分开的两个电容电极21、22放置到共同的电位CM1上并且一起分析处理。总电容(C1TOP+C2TOP)/CM1在下文中简单地称为CZ。
图8示出用于根据图7的微机械传感器的信号校正的补偿方法。
该校正方法在很大程度上相应于图5的校正方法。步骤300和310相应于步骤100和110。步骤400、410和420相应于步骤200、210和220。然而，取代两个附加电容CZ1、CZ2地，现在在步骤430中只还考虑一个附加电容CZ(σ，T)。在步骤440中，根据下述公式进行加速度传感器信号的信号校正：
dCkorr(a,T)＝dC(a,σ,T)–V(T)*[Cz(σ,T)–Cz(s＝0,T)]。
在创建集合训练数据时，当然不一定只测量z加速度传感器的数据，而是也可以同时检测别的传感器数据，例如三轴加速度传感器的x通道和y通道以及在IMU(InertialMeasurement Unit，惯性测量单元)的情况下的三个转速传感器通道，在IMU的情况下，三轴加速度传感器与三轴转速传感器组合。如果确定别的传感器通道与附加电容之间的限定的相关联系，则这些相关联系当然也可以用于校正别的信号通道的信号。
将附加电极布置在z加速度传感器的顶部电极的上方，如在图4和7的实施例中那样，能够被视为特别有利的，因为可供使用的面积相对较大并且因此可以形成相当大的附加电容。但是，根据本发明，原则上能够考虑，在ASIC上相对于别的/另外的不可运动的MEMS结构(例如机械锚固块)布置附加电极。对此，图9示例性地示出在第三实施例中的根据本发明的微机械传感器。
在每种情况下，只有电容电极21和可能的另外的电容电极22布置在罩衬底上。所有微机械结构，包括测量电极在内，布置在MEMS衬底上。这在如下方面是有利的：到ASIC中的应力输入在图4、7和9的根据本发明的布置中直接在(未示出的)电路板上进行，该结构元件焊接到该电路板上，但是MEMS结构的分析处理电极远离电路板。因此，到MEMS衬底中的应力输入、尤其是在分析处理电极上的应力输入相对减少，但是ASIC与MEMS之间的附加电容将相对强烈地对应力做出反应。因此，附加电容可以用作高精度应力传感器，以便也精确地校准MEMS衬底中的相对较小的应力效应。与此相比，具有在ASIC上的分析处理电极的布置会更强烈地受应力效应影响。即使借助高精度应力传感器，校正之后的剩余误差也会比在以具有较小的初始误差的方式布置在分析处理电极上的情况下大。
在所描述的实施例中，通过训练数据求取相关因数，所述训练数据是在一个集合的传感器上求取的。原则上能够考虑，即使与在调准时的明显较高的花费相关联，在最终的测试方法和调准方法中也将机械应力刺激施加到构件行并且构件个体化地求取相关因数并且将所述相关因数存储到ASIC的调准寄存器中，以便实现进一步改进的应力补偿。
附图标记列表
10 MEMS衬底
20 空腔
21 电容电极
22 另外的电容电极
30 微机械结构
31 微机械构件元件
32 另外的微机械构件元件
40 罩衬底
51 间距
52 另外的间距
100 氧化物层
300 扭转弹簧
310 扭转轴线
410 覆镀通孔
420 重新布线层
430 焊接珠
Claims (10)
1.一种微机械传感器，所述微机械传感器具有MEMS衬底(10)并且具有罩衬底(40)，在所述MEMS衬底(10)上在空腔(20)中布置有具有至少一个传感器电极的微机械结构(30)，所述罩衬底布置在所述微机械结构上方并且封闭所述空腔，
其特征在于，
在所述罩衬底的内侧上布置有电容电极(21)，所述电容电极与在所述MEMS衬底上的相邻的微机械结构元件(31)一起形成测量电容，用于测量在所述电容电极与所述微机械结构元件之间的间距(51)。
2.根据权利要求1所述的微机械传感器，其特征在于，所述罩衬底(40)是半导体衬底，所述半导体衬底尤其具有集成电路。
3.根据权利要求1或2所述的微机械传感器，其特征在于，所述微机械结构元件(31)以不能够运动的方式构型。
4.根据上述权利要求中任一项所述的微机械传感器，其特征在于，在所述罩衬底(40)的内侧上布置有另外的电容电极(22)，所述另外的电容电极与另外的相邻的微机械结构元件(32)一起形成另外的测量电容，用于测量在所述另外的电容电极与所述另外的微机械结构元件之间的另外的间距(52)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的微机械传感器，其特征在于，所述微机械设备是z加速度传感器，其中，所述相邻的微机械结构元件(31)是用于测量加速度的固定的传感器电极。
6.一种用于微机械传感器的传感器信号的信号校正的方法，所述微机械传感器具有MEMS衬底(10)并且具有罩衬底(40)，在所述MEMS衬底(10)上在空腔(20)中布置有具有至少一个传感器电极的微机械结构(30)，所述罩衬底布置在所述微机械结构上方并且封闭所述空腔，
其特征在于，
借助布置在所述罩衬底的内侧上的电容电极(21)进行所述传感器信号的校正，所述电容电极与在所述MEMS衬底上的相邻的微机械结构元件(31)一起形成测量电容，用于测量在所述电容电极与所述微机械结构元件之间的间距(51)，其中，所述传感器信号至少部分地由在所述传感器电极与所述微机械结构(30)的另一部分之间的传感器电容求取。
7.根据权利要求6所述的用于微机械传感器的传感器信号的信号校正的方法，其特征在于，从所述传感器信号中减去校正贡献，所述校正贡献由测量电容和至少一个相关因数V形成。
8.根据权利要求7所述的用于微机械传感器的传感器信号的信号校正的方法，其特征在于，所述至少一个相关因数V具有温度相关性，并且所述传感器信号的校正以与温度有关的方式进行。
9.根据权利要求7或8所述的用于微机械传感器的传感器信号的信号校正的方法，其特征在于，所述传感器信号的校正也包括所述测量电容的至少二阶的项。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述测量电容用于校正多个传感器通道的传感器信号。
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