CN208150964U - 微机电传感器和mems装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及微机电传感器和MEMS装置，其具有：半导体材料的传感器裸片，其具有在水平面内延伸的前表面和下表面，并且由具有沿垂直方向的厚度的横向于水平面的紧凑块体区域平面；压阻元件，集成在传感器裸片的块体区域中，位于其前表面处；以及帽状裸片，其耦合在传感器裸片上方，覆盖压阻元件，帽状裸片具有沿垂直方向彼此相对的相应前表面和底表面，底表面面向传感器裸片的前表面。转换层布置在传感器裸片的前表面和帽状裸片的底表面之间，被图案化以限定沿着垂直方向横穿整个厚度的凹槽；压阻元件垂直对应于凹槽布置，并且转换层被设计为将施加到帽状裸片的前表面和/或传感器模的底表面的负载沿垂直方向转换成在凹槽处的平面应力分布，这在水平面上起作用。

Description

微机电传感器和MEMS装置
技术领域
本公开涉及一种微机电传感器和MEMS装置。
背景技术
例如在工业或汽车领域存在若干应用，需要使用具有高满缩放量程值的力/压力传感器来测量高范围负载(力或压力)值，例如高达10kN或更高。
用于感测高范围负载的已知传感器解决方案通常设想使用高强度金属负载单元，包括不同种类的应变计作为感测元件。应变计感测元件通过电阻的变化来检测它们所耦合到的芯的几何变形。
虽然通常使用，但这些传感器的缺点是灵敏度低，并且小型化的可能性有限。
使用半导体技术制造的集成压力传感器也是已知的，其使用集成在硅裸片中的压阻元件来检测施加的压力。
这些传感器的缺点是需要复杂的封装结构，以便将施加的负载转换为作用于硅裸片和集成压阻上的应力。这些传感器因此昂贵，并且通常不允许容易定制，特别是在所施加负载的范围方面。
例如，已知的集成压力传感器在W.Kurniawan，R.Tjandra，E.Obermeier的Proceedings of the Eurensensors XXIII conference，Proceia Chemistry 1(2009)544-547中的文件“Bulk-type piezoresistive force sensor for high pressureapplications”中得到公开。该文件中公开的解决方案基于在硅裸片上紧密相邻的突出岛上施加力，以在岛之间的区域中引起机械应力。对于压力测量，使用含金属隔膜和耦合金属棒的壳体将压力转化为力。传感器裸片采用SOI技术制造，这简化了突出岛的实现。
虽然具有良好的灵敏度并且允许小型化，但是该传感器也具有上述缺点，即具有昂贵且复杂的制造工艺和封装设计以将外部施加的压力转换为集中在硅裸片(也称为“管芯”)上的力。
实用新型内容
提供一种易于制造、实现高度定制并且具有高检测灵敏度的微机电传感器。
在一个方面，提供了一种微机电传感器，包括：半导体材料的传感器裸片，具有第一表面和第二表面，第一表面和第二表面在水平面中延伸并且具有沿横向于水平面的垂直方向上的厚度；多个压阻元件，在第一表面处集成在传感器裸片中；帽状裸片，耦合到传感器裸片并覆盖多个压阻元件，帽状裸片具有第一表面和沿着垂直方向与第一表面相对的第二表面，帽状裸片的第二表面面向传感器裸片的第一表面；以及转换层，布置在传感器裸片的第一表面和帽状裸片的第二表面之间，转换层包括沿垂直方向通过转换层的整个厚度的凹槽，其中多个压阻元件相对于凹槽垂直布置，其中转换层被配置为将沿垂直方向施加至帽状裸片的第一表面或传感器裸片的第二表面中的至少一个的负载转换为在凹槽处作用在水平面中的传感器裸片中的平面应力分布。
在某些实施例中，凹槽在水平面中具有纵向主延伸部，并且应力分布限定在横向于纵向主延伸部的方向上的最大平面应力以及在平行于凹槽的纵向主延伸部的方向上的最小平面应力。
在某些实施例中，多个压阻元件包括：至少一个第一压阻元件，平行于凹槽的纵向主延伸部在水平面内延伸；以及至少一个第二压阻元件，横向于凹槽的纵向主延伸部在水平面内延伸，微机电传感器还包括限定通过第一压阻元件和第二压阻元件的纵向延伸部的电流路径的电连接。
在某些实施例中，压阻元件还包括：至少一个第三压阻元件，平行于凹槽的纵向主延伸部在水平面内延伸；以及至少一个第四压阻元件，横向于凹槽的纵向主延伸部在水平面内延伸，其中电连接被配置为限定包括第一压阻元件、第二压阻元件、第三压阻元件和第四压阻元件的惠斯通电桥。
在某些实施例中，所施加的负载被配置为引起第一压阻元件中的电阻变化和第二压阻元件中的对应的相反的电阻变化。
在某些实施例中，帽状裸片通过接合层接合到传感器裸片，其中接合层介于转换层与帽状裸片的第二表面之间。
在某些实施例中，帽状裸片覆盖传感器裸片的除第一表面的暴露区域之外的第一表面；微机电传感器还包括在暴露区域处形成在传感器裸片的第一表面上的电接触焊盘，其中电接触焊盘通过传感器裸片中的电连接电耦合到多个压阻元件。
在某些实施例中，还包括隔离沟槽，隔离沟槽围绕沟槽并且延伸穿过转换层的整个厚度并穿过传感器裸片和帽状裸片的表面部分。
在某些实施例中，隔离沟槽被配置为将传感器裸片的集成多个压阻元件的感测区域与在平行于水平面的方向上外部施加在传感器裸片的侧面和帽状裸片的侧面处的力/压力负载弹性去耦。
在某些实施例中，凹槽进一步在帽状裸片的第二表面处的表面部分内延伸。
在某些实施例中，传感器裸片和帽状裸片由单晶硅制成。
在某些实施例中，转换层由以下材料中的一种制成：多晶硅、SiO2、Si3N4、Al2O3、ZrO2、TiB2、B4C、SiC、WC、AlN或BN。
在某些实施例中，凹槽在水平面中为闭合的正方形形状，该形状限定转换层的在凹槽内部的第一有源区域并且限定转换层的在凹槽外部的第二有源区域，第一有源区域和第二有源区域被独立地配置为将施加到帽状裸片的第一表面或传感器裸片的第二表面中的一个的负载转换成平面应力分布。
在某些实施例中，负载是直接施加到帽状裸片的第一表面或传感器裸片的第二表面中的至少一个的力或压力。
在另一方面，还提供了一种MEMS装置，包括：半导体材料的传感器裸片，具有第一表面；多个压阻元件，在第一表面处集成在传感器裸片中；转换层，位于传感器裸片上，转换层具有通孔，多个压阻元件位于通孔中；以及帽状裸片，耦合到传感器裸片并覆盖多个压阻元件，其中转换层被配置成将施加到MEMS装置的负载转换成平面应力。
在某些实施例中，通孔是闭合的方形。
在某些实施例中，转换层被配置为在负载被施加到帽状裸片或MEMS装置的传感器裸片时转换负载。
在某些实施例中，多个压阻元件是彼此横向取向的第一压阻元件和第二压阻元件。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在参照附图仅通过非限制性示例来描述本实用新型的优选实施例，其中：
图1A是根据本方案的没有帽状裸片的力/压力传感器的示意性平面图；
图1B是具有图1A的帽状裸片的传感器的示意性截面图；
图2示出了力/压力传感器中惠斯通电桥的电路图；
图3A是根据本方案的实施例的力/压力传感器的平面图；
图3B是图3A的传感器的截面图；
图4A是根据本解决方案的另一实施例的力/压力传感器的平面图；
图4B-图4C是图4A的传感器的截面图；
图5A是根据本方案的又一实施例的力/压力传感器的平面图；
图5B是图5A的传感器的截面图；
图6A是力/压力传感器的平面图，示出了用于高负载应用的可能的尺寸；
图6B是图6A的传感器的截面图；
图7A-图7B示出了与图6A的传感器有关的电量的电学数值和曲线图；
图8A是力/压力传感器的平面图，示出了用于低负载应用的可能的尺寸；
图8B是图8A的传感器的截面图；
图9A-图9B示出了与图8A的传感器相关的电量的电学数值和曲线图；
图10A是力/压力传感器的平面图，示出了用于流体静力学(hydrostatic)应用的可能的尺寸；
图10B-图10C是图10A的传感器的截面图；
图11A-图11B示出了与图10A的传感器有关的电量的电学数值和曲线图；以及
图12A-图12F是根据本方案的力/压力传感器的其他实施例的平面图。
具体实施方式
一个或多个实施例旨在利用体硅的压阻效应来设计新的MEMS(微机电系统)集成力/压力传感器，以从较少的N/bar到若干kN/kbar的外力/压力(通过按比例放大或缩小相应尺寸以及由于硅材料的高强度)。
如将在下面详细讨论的那样，传感器包括接合在一起的半导体材料的两个本体(裸片)，特别是硅，其具有感测元件，尤其是压阻元件，形成在底部裸片的顶表面处(传感器裸片)。
将具有如下所述的合适材料的转换层以特殊图案放置在传感器裸片上，以将所施加的垂直力/压力转换成由压阻元件感测到的所需的平面应力。
首先参考图1A和图1B，更详细地讨论根据一个实施例的力/压力传感器1的结构和工作原理。
力/压力传感器1包括第一本体，第一本体是半导体材料的传感器裸片2，特别是单晶硅。传感器裸片具有顶部表面2a，该顶部表面2a在由第一和第二正交水平轴x、y和底表面2b限定的水平面xy中延伸，并且具有沿垂直于上方的水平面xy的垂直轴z的厚度t。传感器裸片2是坚固且紧凑的整体式本体，具有基本上恒定的厚度(被认为是顶部和底部表面2a、2b之间的距离)。
力/压力传感器1还包括布置在传感器裸片2的顶面2a上的转换层4；转换层4可以通过沉积或生长或任何其他合适的技术形成。
转换层4由合适的刚性材料制成，具有足够高的杨氏模量(例如在50-80GPa的范围内)；此外，转换层4优选具有接近传感器裸片2的材料的热系数的热系数。例如，转换层可以由多晶硅、SiO2、Si3N4或其他不同的材料制成，如Al2O3、ZrO2、TiB2、B4C、SiC、WC、AlN或BN。
例如通过蚀刻或任何其他合适的技术对转换层4进行图案化以限定通孔或凹槽5，其沿着垂直轴z延伸穿过转换层4的整个厚度。在图1A和图1B所示的示例中，凹槽5具有沿着第二水平轴y的纵向延伸部(或主延伸部)和沿着第一水平轴x的横向延伸部(远低于主延伸部)。换句话说，凹槽5具有比相应宽度(沿第一水平轴)大得多的长度(沿着第二水平轴y)。
压阻元件6形成在传感器裸片2的体部中，靠近其顶面2a，以便相对于凹槽5垂直布置(或者在平面图中布置在同一凹槽5内，在平行于顶面2a和水平面xy的部分中)。
以已知的方式，压阻元件6可以通过传感器电路小片2内的掺杂剂原子的扩散或注入而形成。在所示实施例中，压阻元件6在平面图中具有基本矩形的形状。
具体地，如图1A所示，至少第一压阻元件6a被布置成具有平行于凹槽5的纵向延伸的相应的纵向延伸(在该示例中，沿着第二水平轴y)，并且至少第二压阻元件6b布置成具有横向于凹槽5的纵向延伸(在该示例中，沿着第一水平轴x)的相应的纵向延伸。
力/压力传感器1进一步包括第二本体，该第二本体也是半导体材料、特别是单晶硅的帽状裸片8(帽状裸片8未在图1A中示出，以显示下面的结构)。
帽状裸片8布置在传感器裸片2上方，通过接合层9与合适材料(例如玻璃料)耦合(接合)；在本实施例中，接合层9布置在转换层4上，具有与转换层4相同的图案(使得凹槽5也沿垂直轴z延伸穿过同一接合层9的整个厚度)；接合层9因此介于转换层4与帽状裸片8的底表面8b之间。
在力/压力传感器1的操作期间，沿竖直轴线z(如箭头所示)施加负载(力或压力)到帽状裸片8的沿垂直轴z与底部表面8b相对的顶表面8a，和/或施加到传感器裸片2的底表面2b。
根据本方案的一个方面，转换层4操作以将垂直施加的负载转换成可由压阻元件6感测到的平面应力。具体地，转换层4被配置为在凹槽5(即，在垂直对应于相同凹槽5的传感器裸片2的区域中)处增加平面应力分布，据此最大化沿着凹槽5的横向延伸的平面应力，并且据此最小化沿着相同的凹槽5的纵向延伸的平面应力。
在图1A所示的示例中，用σx表示的沿第一水平轴x的平面应力被最大化，而用σy表示的沿第二水平轴y的平面应力被最小化。
因此，由于压阻元件6的布置，在图1A所示的示例中，一个压阻元件(第一压阻元件6a)的电阻率减小，而在图1B所示的示例中，其他压阻元件(第二压阻元件6b)的电阻率具有相应的增加。
事实上，压阻元件6的电阻率根据以下表达式(例如，表示在单晶平面<001>上的p掺杂硅中的压阻效应)而改变：
其中ρ是电阻率，R是电阻，σLi和σTi是分别相对于压阻元件6的纵向方向和横向方向的诱导应力，并且πin_plane由下式给出：
从而确认，对于第一压阻元件6a，下面的表达式成立：
而第二压阻元件6b的电阻率变化由下式给出：
因此，第一和第二压阻元件6a、6b经历相应的电阻率变化，符号相反(在该示例中，第一压阻元件6a承受负变化，而第二压阻元件6ba相应地承受正变化)。
如图1A所示，通过适当地连接相同的第一和第二压阻元件6a、6b，经由电连接10(使得电流I流过相同的压阻元件6a、6b的长度或纵向延伸部分)，因此可以实现电阻率变化的差分感测，并且因此实现所施加的力/压力的值的差分感测。电连接10可以例如经由掺杂剂原子的扩散(或者经由传感器裸片2的表面上的金属化，对于没有被转换层4覆盖的区域)而形成在同一传感器裸片2中，在顶面2a下方。
根据本方案的一个方面，有利地，力/压力传感器1包括另一对压阻元件6，特别是第三和第四压阻元件6c、6d；特别是第三压电电阻元件6c布置成与第一压阻电阻元件6a承受相同的电阻率变化，而第四压电电阻元件6d布置成与第二压电电阻元件6b承受相同的电阻率变化。
如图2示意性所示，压阻元件6a-6d可以电连接以形成惠斯通电桥；特别地，R1、R2、R3和R4分别表示第一、第二、第三和第四压阻元件6a、6b、6c、6d的电阻；Vin是施加到惠斯通电桥的偏置电压；并且Vout是在相同的惠斯通电桥输出端处的输出电压。
众所周知，惠斯通电桥的运行由以下表达式定义：
其中R是压阻元件6a-6d的公共电阻值，当不施加应力时，ΔR1-4是由于施加的应力引起的相同压阻元件6a-6d的电阻变化。
假设ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4＝ΔR，则：
即，输出电压Vout与电阻变化成正比，并因此与施加的应力(力或压力)成正比。
参考图3A和图3B，现在公开了本方案的另一实施例。
在该实施例中，力/压力传感器1的转换层4被图案化，使得凹槽5在平面图中具有方形环形状，具有沿第一水平轴x延伸的第一对凹槽部分，以及沿第二水平轴y延伸的第二对凹槽部分。
因此，凹槽5限定了转换层4的两个有源区域4a、4b，凹槽5内部的第一有源区域4a以及外部的第二有源区域4b。第一和第二有源区域4a、4b被独立设计用于将沿垂直方向施加的负载转换为平面应力分布。
如前所述，转换层4被配置为将平面应力有效地集中为垂直于其纵向延伸，该平面应力是在凹槽5内的传感器裸片2的区域中施加的垂直负载(在该示例中为力F)产生的。
具体地，在第二对凹槽部分处(沿着第二水平轴y延伸)，转换层4被布置成使得沿着第一水平轴x的平面应力σx被最大化并且沿着第二水平轴y的平面应力σy被最小化，同时在第一对凹槽部分处(沿第一水平轴x延伸)，沿着第二水平轴y的平面应力σy被最大化并且沿着第一水平轴x的平面应力σx被最小化。
在这种情况下，第一和第三压电电阻元件6a、6c被布置在第二对凹槽部分的相应凹槽部分内，而第二和第四压阻元件6b、6d被布置在第一对凹槽的相应凹槽部分内。
由于压阻元件6全部相互平行地布置(都沿着相同的方向延伸，在本示例中沿着第二水平轴y)，并且电流流过相同的压阻元件6的长度(如前所述)，第一和第三压阻元件6a、6c经历电阻的减小，而第二和第四压阻元件6b、6d经历对应的电阻增加。第一和第三压阻元件6a、6c实际上平行于槽5的纵向延伸，而第二和第四压阻元件6b、6d实际上垂直于槽5的纵向延伸。
如前所述，压阻元件6a-6d因此可以以惠斯通电桥配置连接，以方便地检测施加的负载的值(在该示例中为力F)。
如同样的图3A和图3B所示，传感器裸片2的顶部表面2a的外部部分2a'未被帽状裸片8(和转换层4)覆盖。在传感器裸片2的外侧处，外部部分2a'例如在平面图中是矩形的，沿着第二水平轴y延伸。
电接触焊盘12形成在传感器裸片2的顶表面2a上的该外部部分2a'处，并且可以利用引线接合技术耦合到电线14。以已知的方式(这里未示出)，这些电线14可以耦合到外部电路或电子组件或印刷电路板(PCB)，以便向外提供输出电压Vout，表示由力/压力传感器1产生的感测负载(力或压力)的值，并向相同的力/压力传感器1提供用于供应惠斯通电桥的偏置电压Vin。
如在图3B中示意性地示出的，在传感器裸片2内，在其顶面2a处进一步提供电连接10，用于将(一个或多个)压阻元件6电连接到电接触焊盘12。
可以进一步设置涂层区域，例如环氧树脂的未示出的涂层区域，以覆盖和保护传感器裸片2的侧部2a'和电线14，从而限定力/压力传感器1的封装。需要强调的是，在封装力/压力传感器1中，帽状裸片8的顶表面8a和传感器裸片2的底表面2b可以有利地暴露于外部环境并且可以直接施加要感应的负载。
现在参考图4A、图4B和图4C，现在讨论力/压力传感器1的另一实施例，其特别适于感测流体静压力，由此将相同的力/压力传感器1浸入流体中，流体的压力是要衡量的。仅作为示例，凹槽5再次被示出为具有正方形的环形形状，如之前参考图3A和图3B所讨论的。
本实施例的区别在于，存在隔离沟槽16，其通过传感器裸片2的一部分和帽状裸片8形成在其相对表面(传感器裸片2的前表面2a和底面8b)处，并且此外穿过转换层4(和接合层9)的整个厚度。
在图4A-图4C所示的实施例中，传感器裸片2和转换层4中隔离沟槽16的宽度(在水平面xy中，沿着第一和第二水平轴x、y)较高，并且在帽状裸片8中较低。
隔离沟槽16布置成在水平面xy的外部包围沟槽5，在这种情况下具有与相同沟槽5相同的方形环形状；隔离沟槽16在其第二有源区域4b处在沟槽5外侧和侧向延伸穿过转换层4。
特别地，隔离沟槽16以连续的方式在帽状裸片8内并且穿过转换层4延伸，完全围绕沟槽5；而相同的隔离沟槽16在围绕沟槽5的传感器裸片2内延伸，除了为电连接10设计的窄部分17之外(特别参见图4A和图4B的截面图)。
隔离沟槽16允许将力/压力传感器1的敏感部分、特别是压阻元件6弹性地分离或侧向地从裸片的侧表面(传感器裸片4和帽状裸片8)分开，如图4B和图4C中的侧向箭头所示。
特别地，由于全部围绕隔离沟槽16的硅壁的弹簧效应(弹性行为)，即使在力/压力传感器1周围施加流体静压力(当浸入流体中时)，敏感部分主要感测从传感器的顶部和底部外在地施加的垂直于水平面xy的负载，而横向施加的负载基本不影响相同的压阻元件6。
因此，隔离沟槽16使得转换层4基本上以先前结构的完全相同的工作原理(用于干式应用)进行工作，将外部负载转换成传感器裸片2顶部上的平面应力分布，在沟槽内如图5所示，该处布置有压阻元件6。
如图5A和图5B所示，在不同的实施例中，穿过转换层4(和粘结层9)的厚度形成的凹槽5可以在流体连续性的情况下进一步延伸穿过帽状裸片8，特别是穿过其表面部分，面向传感器裸片2。
同样在图5A-图5B所示的实施例中，沟槽5(在水平面xy中)的宽度通过帽状裸片8比通过转换层4高。
帽状裸片8内的凹槽5的存在赋予了结构的弹簧行为(即弹性)，其可以通过考虑相同凹槽5的适当宽度和深度来调整，导致传感器的功能性的两个改进：传感器相对于温度变化具有改进的稳定性(即，不太敏感)；并且负载更有效地转换成传感器裸片2顶部上的平面应力分布。
前文的描述清楚了本方案提供的优点。
在任何情况下，强调的是，根据本方案的力/压力传感器1相比于已知的测力传感器或传感器在相同范围的力下具有更小的尺寸，并且不需要复杂的包装设计；制造过程更简单且不昂贵，需要MEMS制造共同的制造步骤。感测区域受到保护免受外部环境的影响，特别是由于存在帽状裸片8，允许在恶劣的环境中使用；对施加的负载的响应对于大范围的施加的力/压力是非常线性的；甚至可以感测到不均匀的外力分布(特别是，改变槽5的尺寸和位置将改变转换层4的第一和第二有源区域4a、4b，导致对于每个独立区域不同的灵敏度)。由于整个结构具有半均匀的材料特性，所以力/压力传感器1适合于具有高温度变化的应用(即灵敏度相对于温度稳定)；并且力/压力传感器1可以容易地按比例放大/缩小，以用于具有不同的力/压力范围的任何可能的应用。
具体而言，通过适当调整力/压力传感器1的尺寸可以容易地实现感测性能的缩放。
在这方面，图6A和图6B涉及用于高(或重)负荷应用的力/压力传感器1的示例性尺寸。
在这个示例中，整个有效区域(即，第一和第二有源区域4a、4b的组合)为≈48mm2；施加的外力为12.6kN；等效外加应力≈262MPa；最大Von-Mises应力≈700MPa；满量程的平均输出信号为≈70mV/V。
如图7A-图7B所示，由申请人进行的仿真证实，在施加的外力与相应的输出电压Vout之间存在线性行为，其可以被测量为提供适当的偏置电压。此外，力/压力传感器1在不同温度下的操作几乎是恒定的，即在不同的操作温度下仅发生非常小的灵敏度变化。
图8A和图8B涉及力/压力传感器1的示例性尺寸，这次用于低(或轻)负载应用。
在这个示例中，整个有效面积为≈0.27mm2；施加的外力为64N；等效外加应力≈240MPa；最大Von-Mises应力≈750MPa；满量程的平均输出信号为≈65mV/V。
图9A-图9B示出了申请人进行的仿真结果，再次证明了非常好的线性行为和基本恒定的温度敏感性。
图10A和图10B-图10C涉及力/压力传感器1的示例性尺寸，这次用于流体静力应用；力/压力传感器1因此包括隔离沟槽16。
在这个示例中，施加的外部压力是600bar；等效外加应力为60MPa；最大Von-Mises应力≈700MPa；满量程的平均输出信号为≈34mV/V。
图11A-图11B示出了与图10A-图10C的实施例有关的仿真结果，在这种情况下也显示出非常好的线性行为和基本恒定的温度灵敏度。
最后，清楚的是，可以对本文已经描述和示出的内容做出修改和变化，而不偏离本公开的范围。
特别强调的是，取决于应用规范，可以为力/压力传感器1的转换层4设想不同的图案布局和不同的几何特征。
在这方面，就转换层4的不同图案和几何特征而言，图12A-图12F示出了不同的传感器布局。
特别地，图12A、图12B、图12C示出了第一和第二有源区域4a、4b(在凹槽5的内部和外部，在该示例中也是方形环形状)可以具有不同的表面延伸，例如，一个相对于另一个。为了符合施加负载(力或压力)的不均匀分布；此外，凹槽5的尺寸在水平面xy上可以沿第一和第二水平轴x、y不同。
在这些实施例中，压阻元件6彼此平行地布置，并具有沿第一水平轴x具有主延伸。
图12D中的凹槽5改为成形为“X”形，其中两个凹槽部分在中心点处交叉；在这种情况下，第一对压阻元件6(用6a和6c表示)布置在第一凹槽部分内，主延伸部平行于同一第一凹槽部分的纵向延伸部；而第二对压阻元件6(用6b和6d表示)布置在第二凹槽部分内，其主延伸横向于同一第二凹槽部分的纵向延伸。
在图12E和图12F所示的实施例中，凹槽5具有线性形状，其具有沿第二水平轴y(图12E)或第一水平轴x(图12F)的主延伸。在这种情况下，压阻元件6被布置在凹槽5内，沿着其主延伸部对齐，成对地布置成具有平行于或横向于其的纵向延伸。
通常，要强调的是，根据应用规范，不仅转换层4(和相关的凹槽5)，而且传感器裸片2和盖芯片8的尺寸和形状也可以不同。
此外，可以为同一转换层4设计不同类型的材料(如前所述)，并且也可以用于例如由多晶硅或外延硅制成的传感器裸片2和帽状裸片8。特别地，转换层4也可以由硅(单晶硅、外延硅或多晶硅)或甚至合适的陶瓷材料制成。
此外，要强调的是，结合层9和转换层4可以由合适的接合材料的相同层或区域提供；特别是在接合层9的厚度可以足以保证所施加的应力转换成作用在凹槽5内的平面应力的期望的情况下，相同的接合层9也可以限定上述转换层4。
最后，强调施加到力/压力传感器1的负载的类型可以是力、压力或剪切力(shear)。

Claims (18)

1.一种微机电传感器，其特征在于，包括：
半导体材料的传感器裸片，具有第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面在水平面中延伸并且具有沿横向于所述水平面的垂直方向上的厚度；
多个压阻元件，在所述第一表面处集成在所述传感器裸片中；
帽状裸片，耦合到所述传感器裸片并覆盖所述多个压阻元件，所述帽状裸片具有第一表面和沿着所述垂直方向与所述第一表面相对的第二表面，所述帽状裸片的第二表面面向所述传感器裸片的第一表面；以及
转换层，布置在所述传感器裸片的第一表面和所述帽状裸片的第二表面之间，所述转换层包括沿所述垂直方向通过所述转换层的整个厚度的凹槽，
其中所述多个压阻元件相对于所述凹槽垂直布置，其中所述转换层被配置为将沿所述垂直方向施加至所述帽状裸片的第一表面或所述传感器裸片的第二表面中的至少一个的负载转换为在所述凹槽处作用在所述水平面中的所述传感器裸片中的平面应力分布。
2.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述凹槽在所述水平面中具有纵向主延伸部，并且所述应力分布限定在横向于所述纵向主延伸部的方向上的最大平面应力以及在平行于所述凹槽的所述纵向主延伸部的方向上的最小平面应力。
3.根据权利要求2所述的微机电传感器，其特征在于，所述多个压阻元件包括：
至少一个第一压阻元件，平行于所述凹槽的所述纵向主延伸部在所述水平面内延伸；以及
至少一个第二压阻元件，横向于所述凹槽的所述纵向主延伸部在所述水平面内延伸，
所述微机电传感器还包括限定通过所述第一压阻元件和所述第二压阻元件的纵向延伸部的电流路径的电连接。
4.根据权利要求3所述的微机电传感器，其特征在于，所述压阻元件还包括：
至少一个第三压阻元件，平行于所述凹槽的所述纵向主延伸部在所述水平面内延伸；以及
至少一个第四压阻元件，横向于所述凹槽的所述纵向主延伸部在所述水平面内延伸，
其中所述电连接被配置为限定包括所述第一压阻元件、所述第二压阻元件、所述第三压阻元件和所述第四压阻元件的惠斯通电桥。
5.根据权利要求3所述的微机电传感器，其特征在于，所施加的负载被配置为引起所述第一压阻元件中的电阻变化和所述第二压阻元件中的对应的相反的电阻变化。
6.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述帽状裸片通过接合层接合到所述传感器裸片，其中所述接合层介于所述转换层与所述帽状裸片的第二表面之间。
7.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述帽状裸片覆盖所述传感器裸片的除所述第一表面的暴露区域之外的第一表面；
所述微机电传感器还包括在所述暴露区域处形成在所述传感器裸片的第一表面上的电接触焊盘，其中所述电接触焊盘通过所述传感器裸片中的电连接电耦合到所述多个压阻元件。
8.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，还包括隔离沟槽，所述隔离沟槽围绕所述沟槽并且延伸穿过所述转换层的整个厚度并穿过所述传感器裸片和所述帽状裸片的表面部分。
9.根据权利要求8所述的微机电传感器，其特征在于，所述隔离沟槽被配置为将所述传感器裸片的集成所述多个压阻元件的感测区域与在平行于所述水平面的方向上外部施加在所述传感器裸片的侧面和所述帽状裸片的侧面处的力/压力负载弹性去耦。
10.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述凹槽进一步在所述帽状裸片的所述第二表面处的表面部分内延伸。
11.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述传感器裸片和所述帽状裸片由单晶硅制成。
12.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述转换层由以下材料中的一种制成：多晶硅、SiO2、Si3N4、Al2O3、ZrO2、TiB2、B4C、SiC、WC、AlN或BN。
13.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述凹槽在所述水平面中为闭合的正方形形状，该形状限定所述转换层的在所述凹槽内部的第一有源区域并且限定所述转换层的在所述凹槽外部的第二有源区域，所述第一有源区域和所述第二有源区域被独立地配置为将施加到所述帽状裸片的第一表面或所述传感器裸片的第二表面中的一个的所述负载转换成所述平面应力分布。
14.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述负载是直接施加到所述帽状裸片的第一表面或所述传感器裸片的第二表面中的至少一个的力或压力。
15.一种MEMS装置，其特征在于，包括：
半导体材料的传感器裸片，具有第一表面；
多个压阻元件，在所述第一表面处集成在所述传感器裸片中；
转换层，位于所述传感器裸片上，所述转换层具有通孔，所述多个压阻元件位于所述通孔中；以及
帽状裸片，耦合到所述传感器裸片并覆盖所述多个压阻元件，
其中所述转换层被配置成将施加到所述MEMS装置的负载转换成平面应力。
16.根据权利要求15所述的MEMS，其特征在于，所述通孔是闭合的方形。
17.根据权利要求15所述的MEMS，其特征在于，所述转换层被配置为在所述负载被施加到所述帽状裸片或所述MEMS装置的所述传感器裸片时转换所述负载。
18.根据权利要求15所述的MEMS，其特征在于，所述多个压阻元件是彼此横向取向的第一压阻元件和第二压阻元件。
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