DE102021211561A1

DE102021211561A1 - Mems-druckerfassungselement mit spannungsjustierern

Info

Publication number: DE102021211561A1
Application number: DE102021211561.6A
Authority: DE
Inventors: Jen-Huang Albert Chiou; Shiuh-Hui Steven Chen
Original assignee: Vitesco Technologies USA LLC
Current assignee: Vitesco Technologies USA LLC
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2021-10-13
Publication date: 2022-05-19
Also published as: CN114544045A

Abstract

Druckerfassungselement (10), aufweisend ein Substrat, eine mit dem Substrat verbundene Bauelementschicht (12), eine Membran (20), die Teil der Bauelementschicht (12) ist, und eine Vielzahl von Piezowiderständen (22a, 22b, 22c, 22d), die mit der Membran (20) verbunden sind. Eine Vielzahl von Bondkontaktflächen (24) ist auf der Bauelementschicht (12) angeordnet, und eine elektrische Feldabschirmung (28) ist an die Oberseite der Bauelementschicht (12) und mindestens eine der Bondkontaktflächen (24) gebondet. Mindestens ein Spannungsjustierer (32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g, 32h, 32i, 32j, 32k) ist Teil der elektrischen Feldabschirmung (28), wobei der Spannungsjustierer (32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g, 32h, 32i, 32j, 32k) ein Ausschnitt ist, der dazu ausgelegt und angeordnet ist, eine thermische Hysterese zu verringern, die durch eine Spannungsrelaxation der elektrischen Feldabschirmung (28) während eines Kühl- und Heizzyklus des Druckerfassungselements (10) bewirkt wird. Der Spannungsjustierer (32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g, 32h, 32i, 32j, 32k) kann ein auf der elektrischen Feldabschirmung (28) abgeschiedener dünner Film sein, der Eigenspannungen auf die Piezowiderstände (22a, 22b, 22c, 22d) ausüben kann. Das Druckerfassungselement (10) kann einen Hohlraum (18) aufweisen, der integral als Teil des Substrats ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Druckerfassungselement, das zumindest einen Spannungsjustierer aufweist, um den thermisch-mechanischen Effekt einer Spannungsrelaxation einer elektrischen Feldabschirmung zu minimieren und somit die thermische Hysterese zu minimieren.
Als Mikroelektromechanisches-System(MEMS) ausgebildete Druckerfassungselemente sind allgemein bekannt und weithin verwendet. Hohlraum-Silizium-auf-Isolator-Wafer (C-SOI) sind eine hochmoderne SOI-Technologie, bei der der Handhabungswafer (oder der Trägerwafer) vorgeätzte Hohlräume enthält. Ein Typ eines Hohlraum-Silizium-auf-Isolator- (CSOI) MEMS-Druckerfassungselements ist ein Absolutdruckerfassungselement, das eine Siliziumbauelementschicht aufweist, die direkt auf ein Siliziumträgersubstrat gebondet ist, das einen vorgeätzten Hohlraum enthält, um ein Referenzvakuum in dem Hohlraum zu bilden. Das Druckerfassungselement weist vier Piezowiderstände auf, die in einer Konfiguration einer sogenannten „Wheatstone-Brücke“ verbunden sind. Die Piezowiderstände sind auf eine Membran dotiert, die über dem Hohlraum angeordnet ist, so dass eine Auslenkung der Membran aufgrund von Druckänderungen detektiert wird. Das Druckerfassungselement kann eine elektrische Feldabschirmung aufweisen, um den Einfluss einer elektrischen Ladung auf das Druckerfassungselement während des Betriebs zu verringern oder zu eliminieren.
Diese MEMS-Druckerfassungselemente werden in unterschiedlichen Größen hergestellt und für verschiedene Anwendungen verwendet. Die Verwendung einer elektrischen Feldabschirmung führt jedoch zu einer thermischen Hysterese, die nicht kalibriert werden kann.
Unter Bezugnahme auf die in 1 gezeigte Hysteresekurve wird während des thermischen Kühl- und Heizprozesses eines MEMS-Druckerfassungselements die Spannungsausgabe nicht beibehalten. Die Ausgangsspannung wird an einem Anfangspunkt (V_I) bei Zimmertemperatur um 22°C gemessen. Die Temperatur des MEMS-Druckerfassungselements wird dann auf -40 °C gesenkt und dann wieder auf 22 °C erhöht, und es wird die Spannungsausgabe an diesem Mittelpunkt (V_M) gemessen und ist höher als die Ausgangsspannung am Anfangspunkt (V_I). Die Temperatur des MEMS-Druckerfassungselements wird dann auf 150 °C erhöht und dann zurück auf Raumtemperatur verringert und die Ausgabespannung des MEMS-Druckerfassungselements wird an diesem Endpunkt (V_F) gemessen. Die kalte Hysteresespannung = V_M - V_I. Die heiße Hysteresespannung = V_F - V_I. Die schlechtmöglichste Spannungsdifferenz = V_F - V_M wird hierbei als thermische Hysteresespannung betrachtet. Die thermische Hysterese wird als die thermische Hysteresespannung geteilt durch die Spanne definiert. Es gibt Fälle, bei denen die thermische Hysterese zu hoch ist und das MEMS-Druckerfassungselement möglicherweise nicht kalibriert ist.
Die Hauptursache der thermischen Hysterese des MEMS-Druckerfassungselements liegt in der Spannungsrelaxation der elektrischen Feldabschirmung (Viskoplastizität) beim Kühl- und Heizprozess der auf dem MEMS-Druckerfassungselement abgeschiedenen elektrischen Feldabschirmung. Die biaxiale Spannung ist nicht dazu in der Lage, in kurzer Zeit in den ursprünglichen Eigenspannungszustand zurückzukehren. Die Differenz der thermischen Eigenspannung bewirkt die Verschiebung der Ausgangspannung, die als „thermische Hysteresespannung“ bezeichnet wird.
Eine Druckeigenspannung an der elektrischen Feldabschirmung bewirkt eine Zugspannung an dem Piezowiderstand, während eine Zugeigenspannung an der elektrischen Feldabschirmung eine Druckspannung an dem Piezowiderstand bewirkt. Es ist zu beachten, dass ein anderes Abschirmmaterial für das elektrische Feld dazu führen kann, dass die in 2 gezeigte zyklische Spannungskurve umgekehrt wird und die Ausgangsspannung am Endpunkt höher als die Ausgangsspannung am Mittelpunkt ist, was eine Umkehrkurve von 1 ist.
3 zeigt eine Draufsicht eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung FS, um den Einfluss elektrischer Ladung auf das Druckerfassungselement während des Betriebs zu verringern oder zu eliminieren. Eine diagonale Querschnittsansicht des MEMS-Druckerfassungselements mit detaillierteren Schichten ist in 4 dargestellt. 5 zeigt eine Draufsicht auf Spannungskomponenten an Piezowiderständen. In einer Wheatstone-Brückenschaltung sind R1 und R3 ein Paar, während R2 und R4 das andere Paar sind.
Mit der intrinsischen und thermisch fehlangepassten Eigenspannung am Mittelpunkt und dem Endpunkt während der durch die elektrische Feldabschirmung induzierten thermischen Kurve ist die Radialspannung höher als die an jedem Piezowiderstand erfasste Tangentialspannung, wenn die elektrische Feldabschirmung eine Zugspannung an den Piezowiderständen bewirkt. Es ist zu beachten, dass ein differenzielles elektrisches Feldabschirmmaterial eine Druckspannung auf die Piezowiderstände verursachen kann. Die Spannungsrelaxation der elektrischen Feldabschirmung während eines Kühl- und Heizzyklus bewirkt höhere Spannungsdifferenzen und damit eine höhere thermische Hysteresespannung zwischen dem Mittelpunkt und dem Endpunkt. Die höhere thermische Hysteresespannung führt zu einer höheren thermischen Hysterese.
Für die Druckmessung erfasst jeder Piezowiderstand eine viel höhere Radialspannung als Tangentialspannung, die dem aufgebrachten Druck unterworfen ist, wie auch in 6 dargestellt wird.
Jedoch ist in Verbindung mit der intrinsischen und thermisch fehlangepassten Eigenspannung am Mittelpunkt und am Endpunkt während der durch die elektrische Feldabschirmung induzierten thermischen Kurve die Radialspannung noch höher als die Tangentialspannung an jedem Piezowiderstand. Die höheren Spannungsdifferenzen zwischen dem Mittelpunkt und dem Endpunkt bewirken eine höhere thermische Hysteresespannung und thermische Hysterese. Somit ist die thermische Hysterese bei einem höheren Druck höher als die thermische Hysterese bei einem niedrigeren Druck.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einer Verringerung oder Eliminierung der thermischen Hysterese in einem MEMS-Druckerfassungselement mit einer elektrischen Feldabschirmung.
In einer Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung ein MEMS-Druckerfassungselement mit einer elektrischen Feldabschirmung, wobei die elektrische Feldabschirmung zumindest einen Spannungsjustierer aufweist. Der Spannungsjustierer stimmt die Größe der Längsspannungen und der Querspannungen an den Piezowiderständen ab, um die thermische Hysteresespannung zwischen dem Mittelpunkt und dem Endpunkt zu ändern und die thermische Hysterese nach oben oder unten zu verschieben, um die thermische Hysterese zu minimieren.
In einer Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung ein Druckerfassungselement mit einem Trägersubstrat, einem integral als Teil des Trägersubstrats ausgebildeten Hohlraum, einer an das Trägersubstrat gebondeten Bauelementschicht, einer Membran, die Teil der Bauelementschicht ist, wobei die Membran den Hohlraum abdichtet, und eine Vielzahl von Piezowiderständen, die mit der Membran verbunden bzw. gekoppelt sind. Eine Vielzahl von Bondkontaktflächen ist auf der Baulelementschicht angeordnet, und eine elektrische Feldabschirmung ist an eine Außenfläche der Bauelementschicht derart gebondet, dass sich die elektrische Feldabschirmung oben auf der Bauelementschicht und zumindest einer der Bondkontaktflächen befindet. Zumindest ein Spannungsjustierer ist Teil der elektrischen Feldabschirmung, wobei der Spannungsjustierer dazu ausgelegt und angeordnet ist, die thermische Hysterese des Druckerfassungselements zu verringern, die durch eine Spannungsrelaxation des elektrischen Feldschutzes während eines Kühl- und Heizzyklus des Druckerfassungselements bewirkt wird.
In einer Ausführungsform weist das Druckerfassungselement eine Vielzahl von Spannungsjustierern auf.
In einer Ausführungsform ist der Spannungsjustierer integral als Teil der elektrischen Feldabschirmung ausgebildet, um während des Kühl- und Heizzyklus Radialspannungen an der Vielzahl von Piezowiderständen zu verringern und Tangentialspannungen an der Vielzahl von Piezowiderständen zu erhöhen.
In einer Ausführungsform ist der Spannungsjustierer integral als Teil der elektrischen Feldabschirmung ausgebildet, um während des Kühl- und Heizzyklus Radialspannungen an der Vielzahl von Piezowiderständen zu erhöhen und Tangentialspannungen an der Vielzahl von Piezowiderständen zu verringern.
In einer Ausführungsform ist der Spannungsjustierer ein Ausschnitt, bei dem ein Abschnitt der elektrischen Feldabschirmung entfernt wurde. Der Ausschnitt kann eine von mehreren Formen aufweisen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, L-förmig, quadratisch, kreisförmig, rechteckig, kreuzförmig oder T-förmig. Außerdem können mehrere Spannungsjustierer verwendet werden, um die gewünschte thermische Hysterese zu erreichen.
In einer Ausführungsform weist das Druckerfassungselement eine Vielzahl von Spannungsjustierern in Form einer Vielzahl von Ausschnitten auf, und jede der Vielzahl von Ausschnitten ist rechteckig geformt, und zumindest zwei der Vielzahl von Ausschnitten sind in einer L-förmigen Konfiguration angeordnet.
In einer Ausführungsform ist der Spannungsjustierer ein dünner Film, wobei der dünne Film oben auf der elektrischen Feldabschirmung abgeschieden ist. In einer Ausführungsform übt der Dünnfilm Eigenspannungen auf die Vielzahl von Piezowiderstände aus.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgend bereitgestellten ausführlichen Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele, obgleich sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, diese lediglich Zwecken der Veranschaulichung dienen sollen und nicht dazu vorgesehen sind, den Schutzumfang der Erfindung einzuschränken.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der ausführlichen Beschreibung und der beiligenden Zeichnungen besser verständlich; wobei für die Zeichnungen gilt:

1 ist ein Diagramm einer thermischen Hysteresekurve bzw. -schleife eines MEMS-Druckerfassungselements;
2 ist ein Diagramm einer Eigenspannung an einer elektrischen Feldabschirmung während der thermischen Zyklen;
3 ist eine Draufsicht eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung ohne Spannungsjustierer;
4 ist eine Schnittansicht eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung entlang der Linie 4-4 von 3;
5 eine Draufsicht eines MEMS-Druckerfassungselements ohne Spannungsjustierer, die Radial- und Tangentialspannungen an einem Mittelpunkt M der thermischen Hysteresekurve in 1 zeigt;
6 ist eine Draufsicht eines MEMS-Druckerfassungselements ohne Spannungsjustierer, die Radial- und Tangentialspannungen zeigt, die durch Druck und Temperatur induziert werden;
7A ist eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
7B ist eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern und zeigt Radial- und Tangentialspannungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
7C eine Schnittansicht entlang Linien 7C bis 7C in 7A;
8 ist eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform des in den 7A bis 7C gezeigten Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
9 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist;
10 ist eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern und zeigt Radial- und Tangentialspannungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
11 ist eine Draufsicht einer dritten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
12 ist eine Draufsicht einer dritten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern und zeigt Radial- und Tangentialspannungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
13 ist ein Diagramm der Verschiebung der thermischen Hysterese, die sich aus der Position der Spannungsjustierer in den ersten drei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergibt;
14A ist eine andere Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
14B ist eine Draufsicht einer vierten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
14C eine Draufsicht einer fünften Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist;
15A ist eine andere Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
15B ist eine Draufsicht einer sechsten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
15C ist eine Draufsicht einer siebten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
16A ist eine andere Draufsicht einer dritten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
16B ist eine Draufsicht einer achten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
16C ist eine Draufsicht einer neunten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
17A ist eine Draufsicht einer zehnten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
17B ist eine Draufsicht einer elften Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
17C ist eine Draufsicht einer zwölften Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
17D ist eine Draufsicht einer dreizehnten Ausführungsform eines MEMS-Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
18A ist eine Draufsicht auf ein Differenzial-MEMS-Druckerfassungselement mit einer elektrischen Feldabschirmung, wobei die Spannungsjustierer nicht gezeigt sind, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
18B ist eine Schnittansicht eines MEMS-Differenzdruckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
19 ist eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines MEMS-Differenzdruckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
20A ist eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines MEMS-Differenzdruckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
20B eine Schnittansicht entlang Linien 20B-20B in 20A;
20C ist eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform des in den 20A bis 20C gezeigten Druckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
21 ist eine Draufsicht einer dritten Ausführungsform eines MEMS-Differenzdruckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
22 ist eine Draufsicht einer vierten Ausführungsform eines MEMS-Differenzdruckerfassungselements mit einer elektrischen Feldabschirmung mit Spannungsjustierern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen einschränken.
Ein MEMS-Drucksensor beinhaltet ein MEMS-Druckerfassungselement und einen ASIC, der durch ein Gehäuse verkapselt und geschützt ist. Ein Beispiel des MEMS-Druckerfassungselements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 7A bis 7C bei 10 allgemein gezeigt. Das MEMS-Druckerfassungselement 10 weist eine allgemein mit 12 bezeichnete Bauelementschicht und ein Siliziumträgersubstrat 14 auf. Die Bauelementschicht 12 weist eine Siliziumschicht 12s, eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Schichten 12a, 12b, 12c, und eine vergrabene Oxidschicht 16 auf. Eine Vertiefung oder ein Hohlraum, allgemein bei 18 gezeigt, ist als Teil des Trägersubstrats 14 ausgebildet. Die Bauelementschicht 12 ist an dem Trägersubstrat 14 derart befestigt, dass eine Membran 20 der Bauelementschicht 12 den Hohlraum 18 abdichtend abdeckt, um einen Vakuumhohlraum unter der Membran 20 zu definieren.
Eine Vielzahl von Piezowiderständen 22a, 22b, 22c, 22d wird dotiert und eine Vielzahl von Bondkontaktflächen 24 wird abgeschieden oder anderweitig mit der Bauelementschicht 12 verbunden bzw. gekoppelt. Es gibt auch eine Vielzahl von Leitern 30, die mit den Piezowiderständen 22a, 22b, 22c, 22d und den Bondkontaktflächen 24 verbunden sind und mit ihnen in elektrischer Verbindung stehen, wie in den 7A bis 7C gezeigt wird. Die Bondkontaktflächen 24 bestehen aus Metall, und in einer Ausführungsform aus Gold. Die Piezowiderstände 22a, 22b, 22c, 22d sind in der standardmäßigen verteilten Wheatstone-Brücken-Anordnung auf der Bauteilschicht 12 und nahe einem Umfangsrand 26 der Membran 20 angeordnet, um Spannungen aufgrund einer der Auslenkung der Membran 20 zu erfassen. Um den Einfluss externer Ladung zu verringern oder zu eliminieren, ist eine elektrische Feldabschirmung 28 (in den 7A und 7C gezeigt, aber in 7B nicht gezeigt) auf die Oberseite des Druckerfassungselements 10 gesputtert, das an eine Außenseite gebondet ist und sich oben auf der Bauelementschicht 12 befindet und mit einer der Bondkontaktflächen 24 verbunden bzw. gekoppelt ist.
In den 7A und 7C weist das MEMS-Druckerfassungselement 10 eine elektrische Feldabschirmung 28 auf der Außenfläche auf, wobei die elektrische Feldabschirmung 28 Spannungsjustierer 32b1, 32b2, 32b3, 32b4 aufweist. In der in den 7A bis 7C gezeigten Ausführungsform sind die Spannungsjustierer 32b1, 32b2, 32b3, 32b4 Materialentfernungsbereiche oder Bereiche, in denen Material von der Feldabschirmung 28 entfernt wurde (auch als „Ausschnitte“ bezeichnet). In den 7A und 7C ist die Feldabschirmung 28 zusammen mit mehreren Ausschnitten als Spannungsjustierer 32b1, 32b2, 32b3,32b4 gezeigt. 7C zeigt eine Querschnittsansicht von 7A mit Ausschnitten in der elektrischen Feldabschirmung 28 als Spannungsjustierer. In 7B ist die Feldabschirmung 28 der Übersichtlichkeit nicht gezeigt, jedoch ist die Position der Spannungsjustierer 32b1, 32b2, 32b3, 32b4 immer noch gezeigt. In dieser Ausführungsform sind die Spannungsjustierer 32b1, 32b2, 32b3, 32b4 Materialentfernungsbereiche in Form von rechteckig geformten Ausschnitten, die sich in der Nähe entsprechender Piezowiderstände 22a, 22b, 22c, 22d befinden, die die thermische Hysterese nach oben verschieben. Wie in den 7A bis 7C dargestellt wird (mit den in 7B gezeigten Richtungen der Spannung), erhöht eine Piezowiderstands-nahe Aussparung benachbart zu dem ersten Piezowiderstand 22a als Spannungsjustierer 32b1 die Radialspannung an dem ersten Piezowiderstand 22a, was die Längsspannung an dem ersten Piezowiderstand 22a ist. Der Spannungsjustierer 32b1 benachbart zu dem ersten Piezowiderstand 22a verringert auch leicht die Tangentialspannung, die die Querspannung an dem ersten Piezowiderstand 22a ist. Ein Justierer 32b2 benachbart zu dem zweiten Piezowiderstand 22b erhöht deutlich die Radialspannung an dem zweiten Piezowiderstand 22b, die aber die Querspannung an dem zweiten Piezowiderstand 22b ist. Der Spannungsjustierer 32b2 benachbart zu dem zweiten Piezowiderstand 22b verringert auch leicht die Tangentialspannung, die die Längsspannung an dem zweiten Piezowiderstand 22b ist. Der Spannungsjustierer 32b3 benachbart zu dem dritten Piezowiderstand 22c bewirkt Spannungsänderungen an dem dritten Piezowiderstand 22c ähnlich zu dem ersten Piezowiderstand 22a, und der Spannungsjustierer 32b4 benachbart zu dem vierten Piezowiderstand 22d bewirkt Spannungsänderungen an dem vierten Piezowiderstand 22d ähnlich zu dem zweiten Piezowiderstand 22b.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1, bewirken Änderungen von Spannungskomponenten an den Piezowiderständen 22a, 22b, 22c, 22d die höheren Ausgangsspannungen am Mittelpunkt M und am Endpunkt F während eines Kühl- und Heizzyklus, was die thermische Hysteresespannung mehr in positive Richtung verschiebt und somit die thermische Hysterese nach oben verschiebt.
Unter Bezugnahme auf 8, wird eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform des Druckerfassungselements 10 in den 7A bis 7C gezeigt, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen. In dieser Ausführungsform sind keine Aussparungen vorhanden, die Feldabschirmung 28 weist somit keine Materialentfernungsbereiche auf. Die in 8 gezeigte Feldabschirmung 28 weist einen dünnen Film auf, der auf Bereichen der elektrischen Feldabschirmung 28 abgeschieden ist, die als Spannungsjustierer 32k fungieren. In der in 8 gezeigten Ausführungsform befinden sich die Spannungsjustierer 32k in den Bereichen auf der elektrischen Feldabschirmung 28, wie gezeigt wird, aber es liegt innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, dass die Spannungsjustierer 32k in anderen Bereichen der Feldabschirmung 28 angeordnet sein können.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den 9 bis 10 gezeigt, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen. Die Feldabschirmung 28 weist mehrere Spannungsjustierer 32a1, 32a2, 32a3, 32a4 auf, die in der in den 9-10 gezeigten Ausführungsform Materialentfernungsbereiche oder Bereiche sind, in denen Material von der Feldabschirmung 28 entfernt wurde. In 9 ist die Feldabschirmung 28 zusammen mit den Spannungsjustierern 32a1, 32a2, 32a3, 32a4 gezeigt. In 10 ist die Feldabschirmung 28 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt, wobei die Position der Spannungsjustierer 32a1, 32a2, 32a3, 32a4 immer noch gezeigt ist. Die in den 9 bis 10 gezeigten Spannungsjustierer 32a1, 32a2, 32a3, 32a4 sind Eckausschnitte und „L-förmig“, wodurch die thermische Hysterese nach unten verschoben wird.
Wie in den 9 bis 10 gezeigt wird (mit den in 10 gezeigten Richtungen der Spannungen), erhöhen zwei Spannungsjustierer 32a1, 32a4 benachbart zu dem ersten Piezowiderstand 22a die Tangentialspannung an dem ersten Piezowiderstand 22a, die die Querspannung an dem ersten Piezowiderstand 22a ist, signifikant. Die Spannungsjustierer 32a1, 32a4 verringern auch geringfügig die Radialspannung, die die Längsspannung an dem ersten Piezowiderstands 22a ist. Die Größen, Orte und Formen der zwei Spannungsjustierer 32a1, 32a4 machen die Tangentialspannung höher als die Radialspannung und beeinflussen ihre Größe. Zwei zu dem zweiten Piezowiderstand 22b benachbarte Spannungsjustierer 32a1, 32a2 erhöhen die Tangentialspannung des zweiten Piezowiderstands 22b signifikant, die jedoch die Längsspannung an dem zweiten Piezowiderstand 22b ist. Die Spannungsjustierer 32a1, 32a2 verringern auch geringfügig die Radialspannung des zweiten Piezowiderstands 22b, die jedoch die Querspannung an dem zweiten Piezowiderstand 22b ist. Zwei zu dem dritten Piezowiderstand 22c benachbarte Spannungsjustierer 32a2, 32a3 bewirken Spannungsänderungen an dem dritten Piezowiderstand 22c, ähnlich zu dem ersten Piezowiderstand 22a. Ähnlich wie bei dem zweiten Piezowiderstand 22b bewirken zwei zu dem vierten Piezowiderstand 22d benachbarte Spannungsjustierer 32a3, 32a4 eine höhere Tangentialspannung und eine geringere Radialspannung an dem vierten Piezowiderstand 22d.
Wie bei der vorherigen Ausführungsform bewirken die Änderungen der Spannungskomponente an den Piezowiderständen 22a, 22b, 22c, 22d niedrigere Ausgangsspannungen am Mittelpunkt M und am Endpunkt F während eines in 1 gezeigten Kühl- und Heizzyklus, was die thermische Hysteresespannung mehr in negative Richtung verschiebt und damit die thermische Hysterese nach unten verschiebt.
Die 11 bis 12 zeigen eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform des MEMS-Druckerfassungselements 10 mit einer elektrischen Feldabschirmung 28 auf der Außenfläche, und wobei die elektrische Feldabschirmung 28 einen Spannungsjustierer 32c aufweist. In 11 ist die Feldabschirmung 28 zusammen mit dem Spannungsjustierer 32c gezeigt. In 12 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit halber die Feldabschirmung 28 nicht gezeigt, jedoch ist die Position des Spannungsjustierers 32c immer noch gezeigt.
In dieser Ausführungsform ist der Spannungsjustierer 32c ein Materialentfernungsbereich in Form eines kreuzförmigen oder X-förmigen Ausschnitts, der sich in der Mitte der Membran 20 befindet, wodurch die thermische Hysterese nach oben verschoben wird. Wie in 12 veranschaulicht wird, mit einer ähnlichen Wirkung wie die erste Ausführungsform mit vier rechteckigen, Piezowiderstands-nahen Spannungsjustierern 32b1, 32b2, 32b3,32b4 (in den 7A bis7C gezeigt), erhöht die in den 11 bis 12 gezeigte Ausführungsform mit einem Spannungsjustierer 32c in der Mitte der Membran 20 auch jede entsprechende Radialspannung an jedem Piezowiderstand 22a, 22b, 22c, 22d, und verringert jede entsprechende Tangentialspannung an jedem Piezowiderstand 22a, 22b, 22c, 22d geringfügig.
Die Änderungen der Spannungskomponente an den Piezowiderständen 22a, 22b, 22c, 22d bewirken, dass die Ausgangsspannungen am Mittelpunkt M und am Endpunkt F während eines in 1 gezeigten Kühl- und Heizzyklus höher sind, was die thermische Hysteresespannung mehr in positive Richtung verschiebt und somit die thermische Hysterese nach oben verschiebt. Die Größe und Form des Spannungsjustierers 32c kann verwendet werden, um die Radialspannung und die Tangentialspannungen zu justieren und die Größe der thermischen Hystereseverschiebung zu ändern.
Unter Bezugnahme auf 13 ist eine Zusammenfassung der Auswirkungen der Position der Spannungsjustierer 32a1, 32a2, 32a3,32a4 und 32b1,32b2,32b3,32b4 sowie 32c auf die elektrische Feldabschirmung 28 gezeigt. 13 stellt dar, wie die Position der Spannungsjustierer 32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c eine Verschiebung der thermischen Hysterese nach oben oder nach unten erreicht, um die thermische Hysterese zu minimieren.
Die in den 14A bis 14C gezeigten Ausführungsformen des MEMS-Druckerfassungselements 10 sind Ausführungsformen, bei denen die Position der Spannungsjustierer 32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32d, 32e, 32f eine negative Verschiebung der thermischen Hysterese erreicht, um die thermische Hysterese zu minimieren.
Weitere Ausführungsformen des MEMS-Druckerfassungselements 10 sind in den 15A bis 15C gezeigt, wobei die Position der Spannungsjustierer 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32g, 32h eine positive Verschiebung der thermischen Hysterese erreicht, um die thermische Hysterese zu minimieren.
Weitere Ausführungsformen des MEMS-Druckerfassungselements 10 sind in den 16A bis 16C gezeigt, wobei die Position der Spannungsjustierer 32c, 32i, 32j eine positive Verschiebung der thermischen Hysterese erreicht, um die thermische Hysterese zu minimieren.
Weitere Ausführungsformen des MEMS-Druckerfassungselements 10 sind in den 17A bis 17B gezeigt, wobei die Position der Spannungsjustierer 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32i eine höhere positiv Verschiebung der thermischen Hysterese erreicht, um die thermische Hysterese zu minimieren. Das in 17A gezeigte MEMS-Druckerfassungselement 10 weist eine Kombination der Spannungsjustierer 32b1, 32b2, 32b3,32b4,32c auf, die in den 15A und 16A gezeigt sind. Das in 17B gezeigte MEMS-Druckerfassungselement 10 weist eine Kombination der Spannungsjustierer 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32i auf, die in den 15A und 16B gezeigt sind.
Weitere Ausführungsformen des MEMS-Druckerfassungselements 10 sind in den 17C bis 17D gezeigt, wobei die Position der Spannungsjustierer 32g, 32h, 32i, 32j eine höhere positive Verschiebung der thermischen Hysterese erreicht, um die thermische Hysterese zu minimieren. Das in 17C gezeigte MEMS-Druckerfassungselement 10 weist eine Kombination der in den 15B und 16C gezeigten Spannungsjustierer 32g, 32j auf. Das in 17D gezeigte MEMS-Druckerfassungselement 10 weist eine Kombination der in den 15C und 16B gezeigten Spannungsjustierer 32h, 32i auf.
In der in den 14A bis 17D gezeigten Ausführungsform ist die Feldabschirmung 28 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt, jedoch ist die Position der Spannungsjustierer in jeder dieser Ausführungsformen immer noch gezeigt, wie durch die Bezugszeichen angegeben wird.
Andere Ausführungsformen des MEMS-Druckerfassungselements 10 sind in den 18A bis 22 gezeigt, wobei das MEMS-Druckerfassungselement 10 ein Differenzdrucksensor ist. Der Differenzdrucksensor ist in den 18A bis 18B und 20B bis 20C mit der Feldabschirmung 28 dargestellt, und der Übersichtlichkeit halber ist die Feldabschirmung 28 in den 19, 20A und 21 bis 22 nicht mit den verschiedenen Beispielen der in den 19 bis 22 gezeigten Spannungsjustierer gezeigt.
In den 18A bis 19 ist das MEMS-Druckerfassungselement 10 rückseitig geätzt und weist vier Quadranten auf, die allgemein bei 41 gezeigt sind, und die Oberseite ist ebenfalls geätzt, um eine dünne Membran 40 zu bilden, wobei die Membran 40 auch eine Querversteifung 44 aufweist. Diese Ausführungsform weist eine Bauelementschicht 52 und ein Substrat 48 auf, wobei die Bauelementschicht 52 eine Siliziumschicht 52a aufweist, die auf der Oberseite des Substrats 48 aufgewachsen ist, und mindestens eine elektrisch isolierende Schicht 52b, wie in 18B gezeigt wird. Die Siliziumschicht 52a und das Substrat 48 sind integral zusammen ausgebildet. Die elektrische Feldabschirmung 28 ist auf einer Außenfläche 46 der Bauelementschicht 52 des Druckerfassungselements 10 aufgebracht, außer in dem Bereich der vier Quadranten 41. Ein Hohlraum, der in 18B allgemein bei 42 gezeigt ist, wird von der Unterseite des Substrats 48 her geätzt. Ebenfalls enthalten sind mehrere Piezowiderstände 50, die nahe dem Rand der Membran 40 auf der Oberseite der Siliziumschicht 52a dotiert sind, und mehrere Leiter 30 sind ebenfalls auf der Oberseite der Siliziumschicht 52a dotiert. Die Leiter 30 sind mit entsprechenden Bondkontaktflächen 34 auf der Oberseite der Bauteilschicht 52 verbunden.
Wie zuvor erwähnt, ist die elektrische Feldabschirmung 28 auf der Außenseite 46 der Bauelementschicht 52 des Druckerfassungselements 10 aufgebracht, außer in dem Bereich der vier Quadranten 41. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, dass in anderen Ausführungsformen die elektrische Feldabschirmung 28 auf die Bauelementschicht 52 aufgebracht sein kann, so dass die elektrische Feldabschirmung 28 auch in den Quadranten 41 angeordnet sein kann.
In 19 weist das MEMS-Druckerfassungselement 10 eine Vielzahl von Spannungsjustierern 32e, 32f auf, die in dieser Ausführungsform Ausschnitte sind, wodurch eine negative Verschiebung der thermischen Hysterese erreicht wird, um die thermische Hysterese zu minimieren. In 19 ist der Feldabschirmung 28 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt, jedoch ist die Position der Spannungsjustierer 32e, 32f immer noch gezeigt. Die in 19 gezeigten Spannungsjustierer 32e, 32f ähneln den in 14C gezeigten Spannungsjustierern 32e, 32f, sind jedoch in einer anderen L-förmigen Konfiguration angeordnet.
In den 20A bis 20B weist das MEMS-Druckerfassungselement 10 mehrere Spannungsjustierer 32b1, 32b2, 32b3, 32b4 auf, die in dieser Ausführungsform Ausschnitte sind, wodurch eine positive Verschiebung der thermischen Hysterese erreicht wird, um die thermische Hysterese zu minimieren.
Nun wird Bezug nehmend auf 20C eine alternative Ausführungsform des Druckerfassungselements 10 gezeigt. Diese Ausführungsform ähnelt der in den 20A bis 20B gezeigten Ausführungsform, jedoch gibt es keine Ausschnitte und die Feldabschirmung 28 weist daher keine Materialentfernungsbereiche auf. Die in 20C gezeigte Feldabschirmung 28 weist die Spannungsjustierer 32k auf, die in dieser Ausführungsform in Form eines dünnen Films vorliegen, der auf Bereichen der Feldabschirmung 28 abgeschieden ist, um die thermische Hysterese zu minimieren. In der in 20C gezeigten Ausführungsform sind die Spannungsjustierer 32k in den Bereichen auf der Feldabschirmung 28 angeordnet, wie gezeigt wird, aber es liegt innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, dass die Spannungsjustierer 32k in anderen Bereichen der Feldabschirmung 28 angeordnet sein können.
In 21 weist das MEMS-Druckerfassungselement 10 den Spannungsjustierer 32c auf, der in dieser Ausführungsform ein Ausschnitt ist, der eine positive Verschiebung der thermischen Hysterese erreicht, um die thermische Hysterese zu minimieren.
Unter Bezugnahme auf das in 22 gezeigte MEMS-Druckerfassungselement 10 sind die Spannungsjustierer eine Kombination der in 20 gezeigten Spannungsjustierer 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32i und dem in 21 gezeigten Spannungsjustierer 32c. Das MEMS-Druckerfassungselement 10 erreicht eine positive Verschiebung der thermischen Hysterese, um die thermische Hysterese zu minimieren.
In alternativen Ausführungsformen können die in den 18A-18B, 19-20B und 21-22 verwendeten Spannungsjustierer auch ein dünner Film sein (ähnlich den Spannungsjustierern 32k), der auf der Außenfläche abgeschieden ist, so dass der dünne Film oben auf der elektrischen Feldabschirmung 28 mit den Eigenspannungen liegt, so dass der auf die Vielzahl von Piezowiderständen aufgebrachte dünne Film die Längs- und Querspannungen an den Piezowiderständen während der thermischen Zyklen justiert, um die thermische Hysterese zu minimieren.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhaft, und somit sollen Variationen, die von dem Wesen der Erfindung nicht abweichen, in den Schutzumfang der Erfindung fallen. Solche Variationen sind nicht als Abweichung von dem Gedanken und Schutzumfang der Erfindung anzusehen.

Claims

Druckerfassungselement (10), aufweisend: ein Trägersubstrat (14); einen Hohlraum (18), der integral als Teil des Trägersubstrats (14) ausgebildet ist; eine Bauelementschicht (12), die an das Trägersubstrat (14) gebondet ist; eine Membran (20), die Teil der Bauelementschicht (12) ist, wobei die Membran (20) den Hohlraum (18) dichtend abdeckt; eine Vielzahl von Piezowiderständen (22a, 22b, 22c, 22d), die mit der Membran (20) gekoppelt sind; eine Vielzahl von Bondkontaktflächen (24), die auf der Bauelementschicht (12) angeordnet sind; eine elektrische Feldabschirmung (28), die auf eine Außenfläche der Bauelementschicht (12) derart gebondet ist, dass sich die elektrische Feldabschirmung (28) oben auf der Bauelementschicht (12) und zumindest einer der Bondkontaktflächen (24) befindet; und zumindest einen Spannungsjustierer (32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g, 32h, 32i, 32j, 32k), der Teil der elektrischen Feldabschirmung (28) ist; wobei der zumindest eine Spannungsjustierer (32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g, 32h, 32i, 32j, 32k) dazu ausgelegt und angeordnet ist, eine thermische Hysterese des Druckerfassungselements (10) zu verringern, die durch eine Spannungsrelaxation der elektrischen Feldabschirmung (28) während eines Kühl- und Heizzyklus des Druckerfassungselements (10) bewirkt wird.
Druckerfassungselement (10), aufweisend: ein Substrat mit einem Hohlraum (18); eine Bauelementschicht (12), die mit dem Substrat verbunden ist; eine Membran (20), die Teil der Bauelementschicht (12) ist; eine Vielzahl von Piezowiderständen (22a, 22b, 22c, 22d), die mit der Membran (20) verbunden sind; eine Vielzahl von Bondkontaktflächen (24), die auf der Bauelementschicht (12) angeordnet sind; eine elektrische Feldabschirmung (28), die an eine Außenfläche der Bauelementschicht (12) und zumindest eine der Bondkontaktflächen (24) gebondet ist; und zumindest einen Spannungsjustierer (32a, 32a2,32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g, 32h, 32i, 32j, 32k), der Teil der elektrischen Feldabschirmung (28) ist; wobei der mindestens eine Spannungsjustierer (32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g, 32h, 32i, 32j, 32k) dazu ausgelegt und angeordnet ist, eine thermische Hysterese des Druckerfassungselements (10) zu verringern, die durch eine Spannungsrelaxation der elektrischen Feldabschirmung (28) während eines Kühl- und Heizzyklus des Druckerfassungselements (10) bewirkt wird.
Druckerfassungselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Spannungsjustierer (32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g, 32h, 32i, 32j, 32k) ferner eine Vielzahl von Spannungsjustierern (32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g, 32h, 32i, 32j, 32k) umfasst.
Druckerfassungselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Spannungsjustierer (32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g, 32h, 32i, 32j, 32k) integral als Teil der elektrischen Feldabschirmung (28) ausgebildet ist, um während des Kühl- und Heizzyklus Radialspannungen an der Vielzahl von Piezowiderständen (22a, 22b, 22c, 22d) zu verringern und Tangentialspannungen an der Vielzahl von Piezowiderständen (22a, 22b, 22c, 22d) zu erhöhen, oder der zumindest eine Spannungsjustierer (32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g, 32h, 32i, 32j, 32k) integral als Teil der elektrischen Feldabschirmung (28) ausgebildet ist, um während des Kühl- und Heizzyklus Radialspannungen an der Vielzahl von Piezowiderständen (22a, 22b, 22c, 22d) zu erhöhen und Tangentialspannungen an der Vielzahl von Piezowiderständen (22a, 22b, 22c, 22d) zu verringern.
Druckerfassungselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Spannungsjustierer (32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g, 32h, 32i, 32j, 32k) ferner einen Ausschnitt aufweist.
Druckerfassungselement (10) nach Anspruch 5, wobei der Ausschnitt ferner einen Bereich der elektrischen Feldabschirmung (28) aufweist, der entfernt wurde.
Druckerfassungselement (10) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Ausschnitt L-förmig oder quadratisch oder kreisförmig oder rechteckig oder kreuzförmig oder T-förmig ist.
Druckerfassungselement (10) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Ausschnitt ferner mehrere Ausschnitte aufweist, wobei jeder der Vielzahl von Ausschnitten rechteckig geformt ist, und zumindest zwei der mehreren Ausschnitte in einer L-förmigen Konfiguration angeordnet sind.
Druckerfassungselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Spannungsjustierer (32a1, 32a2, 32a3, 32a4, 32b1, 32b2, 32b3, 32b4, 32c, 32d, 32e, 32f, 32g, 32h, 32i, 32j, 32k) ferner einen dünnen Film aufweist, wobei der dünne Film auf der elektrischen Feldabschirmung (28) abgeschieden ist.
Druckerfassungselement (10) nach Anspruch 9, wobei der dünne Film eine Eigenspannung auf die Vielzahl von Piezowiderständen (22a, 22b, 22c, 22d) ausübt.