ES2677232T3 - Sensor de presión con amortiguador de tensión incorporado - Google Patents

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ES2677232T3 ES16173621.0T ES16173621T ES2677232T3 ES 2677232 T3 ES2677232 T3 ES 2677232T3 ES 16173621 T ES16173621 T ES 16173621T ES 2677232 T3 ES2677232 T3 ES 2677232T3
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Abstract

Un sensor de presión semiconductor (1) para medir una presión, que comprende: - un sustrato semiconductor (2) que tiene una abertura pasante (3) que se extiende desde una superficie superior (4) a una superficie inferior (5) del sustrato (2), la abertura pasante (3) forma un espacio hueco entre una parte interior (12) y una parte exterior (11) de dicho sustrato; - una estructura sensible a la presión dispuesta en dicha parte interior (12); - una serie de elementos flexibles (7, 13) que se extienden desde dicha parte interior (12) a dicha parte exterior (11) para suspender la parte interior (12) dentro de dicha abertura pasante (3); - la abertura pasante está al menos parcialmente llena con un material anelástico.

Description

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DESCRIPCION
Sensor de presion con amortiguador de tension incorporado Campo de la invencion
La invencion se refiere al campo de sensores de presion, en particular los sensores de presion semiconductores con un mecanismo de alivio de tension.
Antecedentes de la invencion
Los sensores de presion semiconductores son conocidos en la tecnica. Dichos sensores de presion tienen un elemento sensible a la presion dispuesto para medir una presion absoluta (por ejemplo, de un gas o lfquido) o una presion relativa (por ejemplo, la diferencia entre dos presiones de fluido).
Un problema con muchos sensores de presion es que las medidas de sensor (o emiten, o dan) una senal, incluso en ausencia de una presion (o diferencia de presion) a medir. Este desplazamiento puede ser, por ejemplo, el resultado de una tension mecanica y/o una deformacion de la carcasa (por ejemplo, el embalaje) del sensor. La tension/deformacion de la carcasa tambien provocara un componente de tension en la superficie del sensor donde se encuentran los elementos sensibles (por ejemplo, resistencias piezoelectricas) y provocara un error de desviacion, un error de linealidad o incluso un error de histeresis en la senal de salida.
Un error de desplazamiento constante puede ser compensado por la calibracion, pero en la practica la tension y/o la deformacion de la carcasa depende, entre otros, de los cambios de temperatura y humedad en el ambiente, y puede, en casos extremos incluso dar lugar a la deformacion plastica de determinadas materiales de la carcasa. La compensacion de temperatura se puede utilizar para reducir o cancelar los errores debido a la deformacion reversible de la carcasa, pero no puede compensar los errores debidos a una deformacion plastica irreversible. Tales errores a menudo se conocen como "deriva a largo plazo" o "deriva durante la vida".
Hace aproximadamente 20 anos este problema fue abordado proporcionando ranuras desde la parte delantera y desde la parte posterior (del sustrato semiconductor) usando ataque anisotropico para obtener un muelle entre el area de la membrana y el area de union. Sin embargo, estas soluciones requieren un area de semiconductor relativamente grande y no pueden resistir una tension radial muy buena (por ejemplo, debido a la compresion termica o la expansion de la carcasa). El documento US 2014/0001584 A divulga un sensor de presion que comprende un amortiguador de tension.
Sumario de la invencion
Es un objeto de realizaciones de la presente invencion proporcionar un buen sensor de presion, y un metodo para fabricar el mismo.
Es un objeto de realizaciones de la presente invencion proporcionar un sensor de presion que es menos sensible a la tension de envasado y/o la tension causada por la temperatura y/o por los cambios de humedad, y un metodo para fabricar el mismo.
Es un objeto de realizaciones de la presente invencion proporcionar un sensor de presion con un buen mecanismo de alivio de tension, y un metodo para fabricar el mismo.
Es un objeto de la realizacion de la presente invencion proporcionar un sensor de presion con una reduccion de la sensibilidad a la tension y el par radial, y un metodo para hacer tal como se define en las reivindicaciones 1 y 6 respectivamente. Estos objetivos se logran mediante un metodo y dispositivo segun las realizaciones de la presente invencion.
En un primer aspecto, la presente invencion proporciona un sensor de presion semiconductor que comprende: un sustrato semiconductor que tiene una abertura pasante que se extiende desde una superficie superior a una superficie inferior del sustrato, la abertura pasante que forma un espacio hueco entre una parte interior y una parte exterior de dicho sustrato; una estructura sensible a la presion dispuesta en dicha parte interior; una serie de elementos flexibles que se extienden desde dicha parte interior a dicha parte exterior para suspender la parte interior dentro de dicha abertura pasante; la abertura pasante esta rellena al menos parcialmente con un material anelastico tal que cuando el material anelastico evita que el fluido fluya de un lado al otro lado del sensor.
Es una ventaja de las realizaciones de acuerdo con la presente invencion que la estructura sensible a la presion esta dispuesta en la parte interior dentro de la abertura pasante, y suspendido por elementos flexibles, en calidad de elementos de muelle, que afsla mecanicamente la estructura interna del resto del sustrato, de modo que la tension ejercida sobre el sustrato, en particular en la parte exterior, no se extienda (o solo en una cantidad limitada) a la estructura interna sensible a la presion.
Es una ventaja de las realizaciones de la presente invencion que la parte interior esta dispuesta en dicha abertura pasante, y solo se suspende por una serie de elementos flexibles, porque tal suspension permite un ligero
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movimiento, por ejemplo, la rotacion de la parte interior (con la estructura sensible a la presion) en relacion con la parte exterior, lo que alivia la tension, y solo permite una cantidad mmima de tension inducida por la carcasa.
Es una ventaja de las realizaciones de la presente invencion que los elementos flexibles son la unica union mecanica entre la parte interior (que comprende la estructura sensible la presion) y el resto del sustrato, en particular, la parte exterior (en contraste con conexiones ngidas), porque reduce o elimina los cambios de tension causados por una deformacion plastica irreversible en la parte exterior que se transferira a la parte interior, lo que de otro modo conducina a errores conocidos como "deriva a largo plazo" o "deriva a lo largo de la vida".
Es una ventaja de las realizaciones de la presente invencion que la parte interior (con la estructura sensible a la presion) no se mueve arriba y abajo (por ejemplo, en una direccion perpendicular al plano del sustrato) cuando la tension se ejerce sobre el cuerpo circundante, (es decir, la parte exterior) pero simplemente gira la parte interior (que comprende la estructura sensible a la presion) en un plano paralelo al sustrato, por lo tanto, la estructura sensible a la presion permanece a la misma altura dentro del paquete.
Tfpicamente una abertura (distancia) se deja entre la superficie exterior (por ejemplo, cilmdrica) o pared de la parte interior y una superficie (por ejemplo, cilmdrica) o pared interior de la parte exterior, aparte de los elementos flexibles (actuando como elementos de muelle), que permite la expansion termica o compresion de la parte interior sin causar una tension (significativa) a la parte interior y externa (solo a los elementos flexibles). De esta forma, la tension en el sustrato o la tension de la carcasa, por ejemplo, causada por el embalaje debido a cambios de temperatura o humedad, se puede desacoplar sustancialmente de la tension en la parte interior, en particular en la estructura sensible a la presion localizada en el, y errores de desplazamiento y/o errores de linealidad, y/o histeresis pueden ser reducidos. En otras palabras, este mecanismo de alivio de tension afsla la membrana de tension del embalaje ejercido sobre el sustrato.
Es una ventaja que el mecanismo de alivio de tension se ha descrito anteriormente hace que la estructura interior insensible a la tension uniforme puede absorber (o al menos en gran medida a reducir) la tension radial (por ejemplo, debido a la compresion o la expansion de la parte exterior), y par de torsion.
El material anelastico funciona como un sellado para impedir un flujo de fluido a traves de la abertura pasante, de un lado del sensor hasta el otro lado, aunque en la mayona de los casos el sellado no necesita ser hermetico.
Es una ventaja de proporcionar una union mecanica flexible entre la estructura sensible a la presion y la carcasa donde la parte exterior esta montada tfpicamente, en que minimiza la deriva o el riesgo de la deriva durante la vida util del producto y permite una mejor compensacion de error por calibracion y/o compensacion de temperatura.
En una realizacion, la estructura sensible a la presion comprende una membrana dispuesta para deformarse bajo la presion a medir, y uno o mas elementos para permitir la medicion de dicha deformacion.
Las membranas y los diafragmas son bien conocidos en el campo de los sensores de presion, y tfpicamente tienen un espesor reducido en comparacion con su entorno directo con el fin de aumentar su sensibilidad. Segun aspectos de la presente invencion, los elementos de deteccion de presion estan situados en la membrana, preferiblemente cerca de un borde de membrana, y no cerca de los elementos flexibles, para medir la deformacion de la membrana debido a la presion ejercida sobre ella, en lugar de la tension ejercida por el paquete en la estructura sensible a la presion.
En una realizacion, el uno o mas elementos son elementos piezo-resistivo.
Las mediciones de presion que utilizan elementos piezo-resistivos, y circuitos de lectura para obtener un valor de la misma, tal como por ejemplo un puente de Wheatstone, son bien conocidos en la tecnica, y por lo tanto no necesitan ser explicados aqrn con mas detalle.
En una realizacion, la abertura pasante es o comprende una ranura que se extiende en una direccion perpendicular al sustrato.
Es una ventaja de la ranura que se extiende en una direccion perpendicular al sustrato (por ejemplo, "ranura vertical") que este mecanismo de liberacion de tensiones requiere menos espacio que otras soluciones de la tecnica anterior, por ejemplo, utilizando estructuras a modo de muelle o a modo de armonica o en zigzag o a modo de serpentinas, que tambien se extienden en una direccion paralela al sustrato. Por lo tanto, dicho sensor de presion puede hacerse mas compacto. Dicho surco se puede producir convenientemente usando tecnicas de grabado anisotropico. El grabado ionico reactivo especialmente profundo permite hacer surcos estrechos y profundos, pero tambien se pueden usar otras tecnicas de grabado.
En una realizacion, la abertura pasante tiene una seccion transversal circular en un plano paralelo al sustrato.
Tal abertura es ideal para la recepcion de una estructura sensible a la presion cilmdrica con una membrana circular. Ademas de los elementos flexibles, tal abertura tendna una forma anular. Pero la invencion no esta restringida a esta forma particular y tambien pueden usarse aberturas que tengan otras formas.
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En una realizacion, los elementos flexibles son vigas.
Las vigas pueden ser vigas de silicio. Al elegir las dimensiones adecuadas, por ejemplo, longitud, altura y anchura, las vigas pueden disenarse para tener una resistencia predefinida para soportar la parte interior, a la vez que tienen suficiente flexibilidad para reducir, por ejemplo, minimizar la tension inducida por la carcasa. En realizaciones particulares, el silicio puede dejarse afuera llenando las ranuras con el material anelastico antes de la metalizacion.
Los elementos flexibles, la parte interior y la parte exterior pueden estar formados integralmente (tambien conocido como "monolftico"), lo que significa que se pueden formar a partir de una sola pieza de material de sustrato donde la abertura esta formada mediante la eliminacion de material. Esto ofrece la ventaja de que la conexion mecanica de los elementos flexibles puede ser muy fuerte, en particular puede ser mas fuerte que las vigas formadas portecnicas de adicion.
Las vigas pueden tener el mismo espesor (altura) que la membrana. Alternativamente, las vigas pueden hacerse mas delgadas o mas gruesas que la membrana.
En una realizacion, las vigas tienen una longitud y una anchura y una altura, con lo que la altura es de al menos 2,0 veces la anchura.
En una realizacion, las vigas se extienden a traves de la abertura pasante en una direccion no radial.
Mediante la orientacion de las vigas en una direccion no radial, la tension en el sustrato, por ejemplo, debido a la expansion termica, puede provocar el movimiento lateral de un punto de la viga sobre el lado del sustrato de anclaje, y puede causar la flexion de la viga, pero puede traducir en la rotacion de la estructura sensible a la presion, por lo tanto, absorber la tension lateral sin pasarla a la membrana. De esta forma, se puede realizar una medicion mas precisa de la presion.
Las vigas pueden ser vigas rectas. Es una ventaja de usar vigas rectas, por ejemplo, antes que una forma de serpentina, ya que es mecanicamente mas estable, mientras que se puede doblar facilmente en una direccion perpendicular a su direccion longitudinal.
En una realizacion, las vigas son tangenciales a una circunferencia de la parte interior.
Al elegir una disposicion tangencial, el desplazamiento lateral de un punto de la viga de anclaje provoca la rotacion maxima de la parte interior y la absorcion de este modo maximo de tension lateral.
En una realizacion, las vigas son paralelas al sustrato y un espesor de la membrana y un espesor de viga son sustancialmente los mismos.
Con sustancialmente lo mismo se quiere decir "dentro de un margen de tolerancia de +/- 10%". Normalmente, se pueden usar las llamadas vigas horizontales. Al elegir el mismo espesor de la membrana, las vigas y la membrana se pueden formar en el mismo paso. Es una ventaja si el lado superior de la viga y de la membrana estan sustancialmente nivelados, porque permite que las conexiones electricas desde la membrana, por ejemplo, desde los resistores piezoelectricos, se encaminen sobre las vigas hacia la circuitena sobre el sustrato.
En una realizacion, el numero de vigas es un valor en el intervalo de 3 a 32, preferiblemente en el intervalo de 3 a 4.
En una realizacion particular se utilizan solo tres lugares de suspension. Esto ofrece la ventaja sobre una suspension que tiene solo dos vigas de que se obtiene un enlace mecanico mas estable, y que se elimina el riesgo de rotacion de la estructura sensible a la presion alrededor de las dos vigas y que se reduce el riesgo de fractura de las vigas.
El numero de vigas se puede elegir igual al numero de elementos de deteccion de presion, de modo que cada interconexion se puede encaminar mas de una viga correspondiente, pero tambien es posible encaminar multiples interconexiones sobre mas de una unica viga, o teniendo vigas sin interconexion electrica, solo mecanica.
Otras realizaciones de la presente invencion pueden tener mas de cuatro vigas para la suspension de la estructura sensible a la presion.
Si se utiliza contra afilado para crear la abertura pasante, el numero de vigas y/o la flexibilidad de las vigas pueden ser elegidos teniendo en cuenta la resistencia requerida para contra afilado.
En una realizacion, los elementos flexibles estan formados mediante la aplicacion de una metalizacion que se extiende al otro lado de la abertura pasante en la parte superior del material anelastico.
Es una ventaja de la utilizacion de interconexion de metal en lugar de vigas de silicio, ya que puede hacer mas flexible la conexion entre la parte interior y exterior.
En un segundo aspecto, la presente invencion proporciona un metodo de produccion de un sensor de presion semiconductor, que comprende las etapas de: a) proporcionar un sustrato; b) realizar una abertura pasante que se
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extiende desde una superficie superior a una superficie inferior de dicho sustrato a fin de formar un espacio hueco entre una parte interior y una parte exterior de dicho sustrato; b) formar una estructura sensible a la presion en dicha parte interior; c) rellenar al menos parcialmente la abertura pasante con un material anelastico o un gel; d) proporcionar una serie de elementos flexibles que se extienden desde dicha parte interior a dicha parte exterior para suspender la parte interior dentro de dicha abertura pasante.
En una realizacion, la etapa de formar una estructura sensible a la presion sobre dicha parte interior comprende la formacion de una membrana y la formacion de elementos sensibles a la presion situados al menos en parte en la membrana.
En una realizacion, la formacion de los elementos sensibles a la presion comprende la formacion de elementos piezo-resistivos.
En una realizacion, la etapa de formar una abertura pasante comprende la formacion de una ranura que se extiende en una direccion perpendicular al sustrato.
En una realizacion, la etapa de hacer una abertura pasante comprende hacer una abertura anular, creando asf una parte interior cilmdrica.
En una realizacion, la etapa de proporcionar elementos flexibles comprende la formacion de vigas flexibles que se extienden desde la parte interior a la parte exterior.
En una realizacion, las vigas flexibles estan formadas de tal manera que las vigas son rectas y se extienden en una direccion no radial.
En una realizacion, las vigas flexibles estan formadas de tal manera que las vigas son tangenciales a una circunferencia de la parte interior.
En una realizacion, las vigas y la membrana estan formadas de tal manera que las vigas son paralelas al sustrato y de tal manera que un espesor de la membrana y un espesor de las vigas es sustancialmente el mismo.
En una realizacion, la etapa de proporcionar elementos flexibles comprende la aplicacion de una metalizacion directamente en la parte superior del material anelastico.
En una realizacion, el metodo comprende ademas una etapa de adelgazamiento del sustrato, la etapa de llenar al menos en parte la abertura pasante con un material anelastico se produce antes de la etapa de adelgazamiento del sustrato y antes de la etapa de metalizacion.
En una realizacion, el metodo comprende ademas una etapa de adelgazamiento del sustrato, y la etapa de llenado al menos en parte la abertura pasante con un material anelastico ocurre antes de la etapa de adelgazamiento del sustrato, pero despues de la etapa de metalizacion.
En una realizacion, el metodo comprende ademas una etapa de adelgazamiento del sustrato, y la etapa de llenado al menos en parte la abertura pasante con un material anelastico se produce despues de la etapa de adelgazamiento del sustrato.
En una realizacion, el metodo comprende ademas una etapa de contra grabado de forma simultanea de la parte exterior y la parte interior, y la etapa de al menos llenar parcialmente la abertura pasante con un material anelastico ocurre antes de la etapa de metalizacion.
En una realizacion, el metodo comprende ademas una etapa de contra grabado de forma simultanea de la parte exterior y la parte interior, y la etapa de llenar al menos parcialmente la abertura pasante con un material anelastico ocurre antes de la etapa de contra grabado, pero despues de la etapa de metalizacion.
En una realizacion, el metodo comprende ademas una etapa de contra grabado de forma simultanea de la parte exterior y la parte interior, y la etapa de al menos llenar parcialmente la abertura pasante con un material anelastico se produce despues de la etapa de contra grabado.
El uso de contra grabado en lugar de amolado tiene la ventaja de que el riesgo de romper los elementos flexibles (por ejemplo, las vigas) se reduce drasticamente o incluso se elimina.
En una realizacion, el metodo comprende ademas una etapa de contra grabado de la parte interior pero no de la parte exterior, y la etapa de llenar al menos parcialmente la abertura pasante con un material anelastico ocurre antes de la etapa de metalizacion.
En una realizacion, el metodo comprende ademas una etapa de contra grabado de la parte interior pero no de la parte exterior, y la etapa de llenar al menos parcialmente la abertura pasante con un material anelastico se produce antes de la etapa de contra grabado, pero despues de la etapa de metalizacion.
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En una realizacion, el metodo comprende ademas una etapa de contra grabado de la parte interior pero no de la parte exterior, y la etapa de llenar al menos parcialmente la abertura pasante con un material anelastico se produce despues de la etapa de contra grabado.
Solamente mediante el contra grabado de la parte interior, o mediante el contra grabado de la parte interior mas larga que la parte exterior, la parte exterior puede ser mas gruesa y mas ngida que la parte interior, lo que facilita el envasado y reduce la presion de embalado en las vigas.
Los aspectos particulares y preferidos de la invencion se exponen en las reivindicaciones independientes y dependientes que se acompanan. Las caractensticas de las reivindicaciones dependientes pueden combinarse con las caractensticas de las reivindicaciones independientes y con las caractensticas de otras reivindicaciones dependientes, segun corresponda, y no meramente expuestas explfcitamente en las reivindicaciones.
Estos y otros aspectos de la invencion seran evidentes a partir de y se aclararan con referencia a la realizacion(es) descrita a continuacion.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 muestra un sensor de presion con una conexion flexible de ranuras en V, conocido en la tecnica.
La figura 2 muestra una realizacion de un sensor de presion segun la presente invencion. Las lmeas de puntos entre la figura 1 y la figura 2 muestran la ventaja de la reduccion de tamano ofrecida por las realizaciones de acuerdo con la presente invencion, mientras que el tamano de la membrana y la anchura del area de union pueden mantenerse iguales.
La figura 3 muestra una realizacion de un sensor de presion segun la presente invencion, con una parte exterior que tiene una abertura "sustancialmente anular" en la que se ubica un cuerpo interior "sustancialmente cilmdrico", suspendido por medio de "vigas", el cuerpo interno comprende una membrana y una pluralidad de elementos sensibles a la presion. La figura 3(a) muestra un tipo de vista en seccion transversal, y la figura 3(b) muestra una vista superior.
La figura 4 muestra un flujo de proceso para fabricar la estructura flexible de la figura 3 y para llenar la abertura al nivel de la placa.
La figura 5 es una ilustracion esquematica de una realizacion de la presente invencion, sometida a tension radial.
La figura 6 es una ilustracion esquematica de una realizacion de la presente invencion, sometida a una tension uniforme.
La figura 7 es una ilustracion esquematica de una realizacion de la presente invencion, sometida a una tension de torsion.
La figura 8 muestra una ilustracion esquematica de una realizacion ejemplar de la presente invencion con un mecanismo capacitivo diferencial para deteccion de presion
La figura 9 muestra una seccion transversal esquematica del montaje de una realizacion a modo de ejemplo de la presente invencion en un paquete QFN convencional
La figura 10 muestra una seccion transversal esquematica del montaje de una realizacion ejemplar de la presente invencion en un paquete SOIC convencional.
La figura 11 muestra una seccion transversal esquematica de la realizacion ejemplar de la figura 3(a) con protuberancias de soldadura.
Los dibujos son solo esquematicos y no son limitativos. En los dibujos, el tamano de algunos de los elementos puede ser exagerado y no dibujado a escala con fines ilustrativos.
Cualquier signo de referencia en las reivindicaciones no debe interpretarse como una limitacion del alcance.
En los diferentes dibujos, los mismos signos de referencia se refieren a los mismos o elementos analogos. Descripcion detallada de las realizaciones preferidas
La presente invencion se describira con respecto a realizaciones particulares y con referencia a ciertos dibujos, pero la invencion no se limita a los mismos sino solamente por las reivindicaciones. Los dibujos descritos son solo esquematicos y no son limitativos. En los dibujos, el tamano de algunos de los elementos puede ser exagerado y no dibujado a escala con fines ilustrativos. Las dimensiones y las dimensiones relativas no corresponden a las reducciones reales a la practica de la invencion.
Ademas, los terminos primero, segundo y similares en la descripcion y en las reivindicaciones, se utilizan para
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distinguir entre elementos similares y no necesariamente para describir una secuencia, ya sea temporalmente, espacialmente, en la clasificacion o de cualquier otra manera. Debe entenderse que los terminos as^ usados son intercambiables en circunstancias apropiadas y que las realizaciones de la invencion descritas en este documento son capaces de funcionar en otras secuencias que las descritas o ilustradas en este documento.
Ademas, los terminos superior, inferior y similares en la descripcion y las reivindicaciones se utilizan con fines descriptivos y no necesariamente para describir posiciones relativas. Debe entenderse que los terminos asf usados son intercambiables en circunstancias apropiadas y que las realizaciones de la invencion descritas en este documento son capaces de operar en otras orientaciones que las descritas o ilustradas en este documento.
Ha de observarse que el termino "que comprende", que se utiliza en las reivindicaciones, no debe interpretarse como restringido a los medios enumerados a continuacion; no excluye otros elementos o etapas. Por lo tanto, debe interpretarse como la especificacion de la presencia de las caractensticas, enteros, etapas o componentes indicados a los que se hace referencia, pero no excluye la presencia o adicion de una o mas caractensticas, enteros, etapas o componentes, o grupos de los mismos. Por lo tanto, el alcance de la expresion "un dispositivo que comprende los medios A y B" no debe limitarse a dispositivos que consisten unicamente en los componentes A y B. Significa que, con respecto a la presente invencion, los unicos componentes relevantes del dispositivo son A y B.
La referencia a lo largo de esta memoria descriptiva a "una realizacion" significa que un rasgo, estructura o rasgo particular descrita en conexion con la realizacion se incluye en al menos una realizacion de la presente invencion. Por lo tanto, las apariencias de las frases "en una realizacion" en varios lugares a lo largo de esta memoria descriptiva no necesariamente se refieren a la misma realizacion, pero pueden serlo. Ademas, las caractensticas, estructuras o rasgos particulares se pueden combinar de cualquier manera adecuada, como sena evidente para un experto habitual en la tecnica a partir de esta descripcion, en una o mas realizaciones.
Del mismo modo debe apreciarse que en la descripcion de ejemplos de realizacion de la invencion, diversas caractensticas de la invencion se agrupan a veces juntos en una unica realizacion, figura o descripcion de los mismos para el proposito de racionalizar la revelacion y ayudar en la comprension de uno o mas de los diversos aspectos inventivos. Sin embargo, este metodo de divulgacion no debe interpretarse como que refleja la intencion de que la invencion reivindicada requiera mas caractensticas de las que se mencionan expresamente en cada reivindicacion. Por el contrario, como reflejan las siguientes reivindicaciones, los aspectos inventivos se encuentran en menos de todas las caractensticas de una unica realizacion descrita anteriormente. Por lo tanto, las reivindicaciones que siguen a la descripcion detallada se incorporan expresamente aqrn en esta descripcion detallada, con cada reivindicacion independiente por sf misma como una realizacion separada de esta invencion.
Ademas, aunque algunas realizaciones descritas en este documento incluyen algunos, pero no otras caractensticas incluidas en otras realizaciones, las combinaciones de caractensticas de diferentes formas de realizacion estan destinadas a estar dentro del alcance de la invencion, y formar realizaciones diferentes, como se entendera por aquellos en la tecnica. Por ejemplo, en las siguientes reivindicaciones, cualquiera de las realizaciones reivindicadas puede usarse en cualquier combinacion.
En la descripcion proporcionada en este documento, se exponen numerosos detalles espedficos. Sin embargo, se entiende que las realizaciones de la invencion pueden practicarse sin estos detalles espedficos. En otros casos, metodos, estructuras y tecnicas bien conocidas no se han mostrado en detalle para no oscurecer la comprension de esta descripcion.
Cuando en la presente invencion se hace referencia a "tension", lo que se quiere decir es "tension mecanica", a menos que se indique explfcitamente lo contrario.
En este documento, los terminos "elementos flexibles" y "puentes" se usan como sinonimos, y "vigas" es un ejemplo particular de los mismos.
Cuando en la presente invencion se hace referencia a "abertura sustancialmente anular", lo que se entiende es una abertura que tiene una forma principalmente anular, aparte de uno o mas elementos, que se extiende a traves de dicha abertura.
Cuando en la presente invencion se hace referencia a "cuerpo sustancialmente cilmdrico", lo que se entiende es un cuerpo que tiene principalmente una superficie exterior cilmdrica, ademas de uno o mas elementos que se extienden desde la superficie exterior.
La figura 1 muestra un dispositivo de la tecnica anterior con una conexion flexible en ranura en V. La ranura en V crea una estructura tipo muelle, y se puede crear con grabado anisotropico (simultaneamente) desde la parte frontal y desde la parte posterior del sustrato, por ejemplo, un sustrato semiconductor. Tal estructura tiene varias desventajas: (1) la estructura puede absorber la tension radial, pero no puede absorber la tension o el par no radial, (2) el area de silicio requerida para implementar la ranura en V similar a un muelle es relativamente grande, (3) el area de deteccion se movera verticalmente funcion de la direccion de la tension experimentada por el sustrato que rodea el area de deteccion, (4) la estructura no permite un encaminamiento facil de las rutas electricas para la lectura de los elementos sensores.
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La figura 2 muestra una realizacion de un sensor de presion (o parte del mismo) de acuerdo con la presente invencion, que tiene sustancialmente la misma estructura sensible a la presion (referida adicionalmente como "cuerpo interior") como se uso en la figura 1, pero que tiene otro mecanismo de montaje, que se explicara con mas detalle en la figura 3 y la figura 4. Las lmeas de puntos entre la figura 1 y la figura 2 muestran el tamano de silicio reducido obtenible mediante las realizaciones de acuerdo con la presente invencion. Por supuesto, esta reduccion solo se muestra para una realizacion particular, pero la presente invencion no se limita solo a la estructura sensible a la presion que se uso en la figura 1, y otras estructuras sensibles a la presion tambien pueden ser utilizadas. El proposito de la figura 2 es simplemente para ilustrar el tamano reducido, como una ventaja de las realizaciones de la presente invencion.
La figura 3 muestra una realizacion particular de un sensor de presion 1 de acuerdo con la presente invencion en mas detalle. El sensor 1 tiene preferiblemente una forma monolttica, que (en aras de la explicacion) puede verse como que esta compuesto de varias partes:
• una parte exterior 11, en el ejemplo que tiene una seccion transversal cuadrada en un plano horizontal. La parte exterior 11 tiene una abertura pasante, en el ejemplo una abertura sustancialmente cilmdrica que se extiende en toda su altura;
• una parte interior 12, tambien denominada aqrn cuerpo interior, en el ejemplo un cuerpo cilmdrico, que tiene un diametro exterior mas pequeno que el diametro interno de la abertura de la parte exterior 11, para crear un espacio anular entre la parte exterior 11 y la parte interior 12 para permitir que la parte interior 12 se mueva. La parte interior 12 comprende ademas una cavidad cilmdrica 15 (vease la figura 3(a) en su lado inferior, y una membrana 8 en su lado superior;
• una serie de conexiones flexibles, en el ejemplo cuatro vigas (tambien denominadas "puentes") 7a a 7d, que se extienden desde la parte exterior 11 a la parte interior 12, y formando una conexion mecanica entre la parte interior 12 y la parte exterior 11;
• la abertura anular 3 entre la parte interior 12 y la parte exterior 11 esta llena al menos en parte, preferiblemente completamente, de un material anelastico 17, para evitar que el fluido fluya a traves de la abertura, por ejemplo, un gas o lfquido. Esto funciona como un tipo de sellado, pero el sellado no necesita ser hermetico. La ventaja de utilizar un material anelastico tal como, por ejemplo, poliimida es que, para dichos materiales, la desviacion aumenta mas que linealmente con la tension aplicada. Eso significa que uno puede considerar que ese material se suaviza cuando se desplaza mas. estirado. Normalmente, los materiales tienen una rigidez constante cuando se estiran hasta que se rompen (por ejemplo, el silicio).
La parte exterior 11 es relativamente ngida, y esta montada tipicamente en una carcasa (no mostrada en la figura 3), y puede comprender zonas de union 14 para golpear o union de cables (vease por ejemplo la figura 9 o la figura 10, pero tambien se pueden usar otros embalajes).
La parte interior 12 comprende una estructura sensible a la presion, tambien conocida como transductor de presion, para convertir la presion en una senal electrica. Se pueden usar varias estructuras sensibles a la presion, y el funcionamiento de tales estructuras es bien conocido en la tecnica, y por lo tanto no necesitan explicarse con mas detalle aqrn. Basta decir que tal estructura tipicamente comprende una membrana 8, en el ejemplo mostrado: una membrana circular, y comprende una pluralidad de elementos 9 sensibles a la presion, en el ejemplo: cuatro elementos piezo-resistivos 9. Cuando se aplica una presion a la superficie de la membrana, dicha superficie se deforma levemente (elasticamente), y los valores de la resistencia electrica de los piezo-resistivos 9 dispuestos sobre ellos tambien cambiaran (por ejemplo, linealmente con la presion aplicada). Este cambio de resistencia se puede medir mediante una circuitena de lectura (conocida en la tecnica), y el valor es indicativo de la presion mecanica ejercida sobre la membrana, que es la presion a medir. Los cambios de resistencia pueden leerse, por ejemplo, mediante un circuito de puente de Wheatstone. Para ello, los piezo-resistivos 9 estan conectados por medio de conexiones electricas 13, que estan encaminadas (en este ejemplo) para unir las almohadillas 14, desde donde pueden conectarse a la circuitena de lectura situada fuera de la membrana 8. Las almohadillas de union 14 se pueden usar para aplicar tensiones de polarizacion, por ejemplo, VDD y GND, y para leer una senal diferencial Vout- , Vout + de formas bien conocidas en la tecnica.
Un aspecto importante de la presente invencion es la forma en la parte interior 12 esta unida mecanicamente a la parte exterior 11. De acuerdo con la presente invencion, la parte interior 12 esta dispuesta en la abertura pasante 3 de la parte exterior 11, y montada a la misma por medio de una pluralidad de elementos flexibles 7. En el ejemplo mostrado en la figura 3, los elementos flexibles 7 son cuatro vigas de silicio que se extienden a traves de la abertura 3 entre la parte interior 12 y la parte exterior 11. Las vigas 7 mostradas en la figura 3 son vigas alargadas rectas, y son flexibles en una direccion perpendicular a su direccion longitudinal, y estan orientadas tangencialmente a la circunferencia de la parte interior cilmdrica 12. Es una ventaja que las vigas esten orientadas de forma no radial (con respecto al centro "c" de la parte interior 12) porque al hacerlo, la tension ejercida por la parte exterior 11 sobre las vigas 7 es al menos parcialmente absorbida por las vigas 7, en lugar de ser simplemente transmitida a la parte interior 12. Ademas, la tension uniforme, la tension radial y el par ejercido por la parte exterior sobre las vigas, daran como resultado una deformacion elastica de las vigas flexibles 7 y una rotacion de la parte interior 12, de modo que
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la mayor parte de la tension sea absorbida por las vigas. El resultado es que la tension ejercida sobre la parte interior 12 es solo una fraccion de la tension ejercida sobre las vigas, de modo que la deformacion de la membrana debido a la tension del empaquetado o tension debido a los cambios de temperatura y a la humedad de la estructura exterior se reduce. por ejemplo, se minimiza.
La figura 3(a) muestra un tipo de vista en section transversal segun la lmea X-X de la figura 3(b), por lo que la parte izquierda de la figura 3(a) muestra la abertura 3 entre la parte interior 12 y la parte exterior 1l, que se extiende desde la parte superior hasta la parte inferior de la parte exterior. En el ejemplo mostrado, la altura "Hi" de la parte interior 12 y la altura "Ho" de la parte exterior 11 son las mismas, pero eso no es absolutamente necesario. Como se puede ver en la figura 3(a) y la figura 3(b) la mayor parte de la abertura 3 se deja desconectada, aparte de las cuatro vigas 7, que preferiblemente no se extienden por toda la altura de la parte interior 12, sino solo por encima de "Hb" que es solo una fraccion de la altura "Ho". La parte derecha de la figura 3(a) no es una vista en seccion transversal real, sino que esta algo comprimida, e ilustra la conexion entre la parte interior 12 y la parte exterior 11 a traves de la viga 7a. En el ejemplo mostrado, la altura "Hb" del puente 7 es la misma que la altura "Hm" de la membrana 8, que es conveniente producir (como se explicara mas adelante).
En realizaciones alternativas (no mostradas), la parte exterior 11 no necesita tener una seccion transversal exterior cuadrada (en un plano paralelo al sustrato), pero puede ser cualquier sustrato con una abertura perpendicular pasante 3 en una direction al sustrato.
Aunque se prefiere una abertura cilmdrica 3, ya que proporciona un volumen maximo de ranura con el perimetro mas pequeno en comparacion con el diametro de la membrana, esto no es esencial para la presente invention, y otras aberturas, por ejemplo, una abertura con una forma de cuadrado o forma hexagonal o cualquier otra forma, tambien pueden ser utilizadas. Lo que es importante es que la parte interior 12 (o el cuerpo interno con uno o mas elementos sensibles a la presion) encaje dentro de la abertura 3 de la parte exterior 11, y se pueda mover en su interior, en particular, sea ligeramente giratoria en la misma.
En la realization ilustrada en la figura 3(a) la parte exterior 11 tiene sustancialmente la misma altura "Ho" que la altura (maxima) "Hi" de la parte interior 12, pero eso no es absolutamente necesario, y la altura "Ho" de la parte exterior 11 y la altura "Hi" de la parte interior 12 tambien puede ser diferente. Como se puede ver, la altura "Hi" de la parte interior 12 no tiene que ser constante.
En la realizacion ilustrada en la figura 3(a), la superficie superior de la membrana 8 y la superficie superior de la viga 7 estan niveladas, lo que ofrece la ventaja de que las conexiones electricas (por ejemplo, pistas metalicas depositadas) pueden encaminarse facilmente desde la parte interior 12 a la parte exterior 11 sobre una o mas de las vigas 7.
La altura "Hb" de las vigas 7 puede ser la misma que la altura "Hm" de la membrana 8, pero esto no es absolutamente necesario y que puede elegirse de forma independiente. Las dimensiones de la membrana 8 (por ejemplo, diametro, altura) se seleccionan tipicamente para una buena sensibilidad de la medicion de presion, mientras que las dimensiones de las vigas 7 (por ejemplo, longitud, anchura, alto) y su orientation se eligen tipicamente para una resistencia mecanica suficiente mientras brindan al mismo tiempo suficiente flexibilidad sin romperse.
Las dimensiones adecuadas (altura Hb, anchura Wb, longitud Lb) de las vigas y una orientacion adecuada (por ejemplo, angulo a la circunferencia exterior) se pueden elegir por la persona experta, para proporcionar vigas que sean suficientemente fuertes para suspender el cuerpo interior 12, a la vez que es suficientemente flexible para reducirla tension mecanica.
En el ejemplo mostrado, todas las vigas 7 tienen la misma longitud "Lb" y la misma altura "Hb" y la misma anchura "Wb", sin embargo, esto no es absolutamente necesario para la presente invencion, y tambien pueden tener diferentes alturas, anchuras y/o longitudes, por ejemplo, vigas que llevan conexiones electricas multiples pueden ser mas anchas, y las vigas sin conexiones electricas pueden ser mas estrechas.
Aunque cuatro vigas 7 se muestran en las realizaciones descritas anteriormente, el numero de vigas no necesita ser cuatro, pero tambien pueden ser solo tres, o mas de cuatro. Sin embargo, lo importante es que son suficientemente flexibles para que puedan absorber al menos parte de la tension radial ejercida por el cuerpo exterior hacia el interior del cuerpo. Esto se puede lograr, por ejemplo, proporcionando vigas relativamente largas y relativamente delgadas, expresadas matematicamente de la siguiente manera:
Lb > 4x Wb, and Hb > lx Wb
Las vigas que se muestran en la figura 3 son vigas rectas, pero eso no es absolutamente necesario, siempre que los puntos de anclaje (indicados por puntos negros en los dibujos) de las vigas 7 en la parte interior 12 y en la parte exterior 11 no esten situados en direccion radial con respecto al centro de masa (o centro de gravedad) de la parte interior 12, porque de lo contrario la tension radial se transmitiria sin atenuacion a la parte interior. Preferiblemente, las vigas 7 estan orientadas de modo que sean tangenciales a una superficie exterior de la parte interior 12, pero eso no se requiere absolutamente, y tambien se pueden usar otras orientaciones entre la direccion tangencial y la
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direccion radial. Dependiendo de la implementacion, sin embargo, las vigas tambien pueden orientarse a lo largo de direcciones cristalograficas espedficas. Se pueden usar formas mas complejas donde las vigas tienen una forma de "S", (por ejemplo, forma de serpentina) o incluso una forma de "U" para dar mas flexibilidad para una anchura y espesor dados.
Los inventores de la presente invencion llegaron a la idea de que si la altura de las vigas (aqm: "Hb") se elige al menos 2 veces, por ejemplo, al menos 3 veces, por ejemplo, al menos 5 veces mas grande que la anchura "Wb", las vigas seran muy ngidas en la direccion vertical (evitando el movimiento arriba-abajo del cuerpo interno), pero al mismo tiempo permanecen bastante flexibles en otras direcciones, lo que permite absorber la tension mecanica debido, por ejemplo, a una tension de empaquetado o al par (en el plano) uniforme. Esta combinacion los hace muy interesantes tambien para los sensores de presion.
La abertura 3 y las vigas 7 forman asf un enlace mecanico, mientras que actua como un mecanismo de alivio de tension para montar la parte interior 12 en la parte exterior 11. Esta claro que el principio de montaje mostrado en la figura 3 no esta espedficamente vinculado a un puente de Wheatstone con elementos piezo-resistivos localizados en una membrana circular 8, pero tambien se puede usar con cualquier otro circuito de deteccion de presion. En otras palabras, el mecanismo descrito anteriormente proporciona un enlace mecanico flexible en el chip entre la parte sensible y la parte del chip que esta conectada mecanicamente a la carcasa.
La figura 4 muestra un flujo de proceso que puede usarse para fabricar el dispositivo de la figura 3, por lo que la abertura 3 puede llenarse con un material anelastico tal como, por ejemplo, poliimida en el nivel de la placa o despues de la individualizacion del chip (corte en cubitos) a nivel del empaquetado.
La figura 4(a) ilustra el resultado de una primera etapa del proceso, en la que se proporciona una placa base estandar, y se oxida y se modela para el enmascaramiento DRIE. En esta etapa, se puede formar una cavidad redonda (en el medio), y una ranura circular concentrica (vease la figura 3(b)). Las cavidades redondas son el uso mas eficiente de la superficie.
La figura 4(b) ilustra la etapa del grabado DRIE. De hecho, se muestran dos opciones:
• La cavidad central puede ser una cavidad profunda, por ejemplo, para producir sensores de presion relativa. En este caso, el grabado de la cavidad central y el grabado de la ranura circular pueden formarse simultaneamente.
• Alternativamente, la cavidad central puede ser una cavidad poco profunda, por ejemplo, para producir un sensor de presion absoluta. En este caso, se puede aplicar un grabado de dos etapas para formar la cavidad central (poco profunda) y la ranura circular profunda.
La figura 4(c) muestra la estructura de la figura 4(b) despues de la tira de oxido, y despues de la fusion de union con la placa superior diluida. La placa superior puede ser una placa SOI adelgazada. El espesor de la placa superior define el espesor de la membrana y el espesor de los puentes (vigas). Se podnan crear cavidades en la placa superior (membrana) antes de la union, lo que da como resultado una membrana mas delgada o una viga mas delgada cuando las cavidades se definen en estos lugares, respectivamente. Esto no se muestra en el dibujo. Incluso son posibles vigas o membranas con partes relativamente mas gruesas que podnan mejorar la linealidad de la membrana o la rigidez de las vigas. En algunas realizaciones, las vigas pueden ser mas gruesas que la membrana. En otras realizaciones, la membrana puede ser mas gruesa que las vigas. En algunas realizaciones, el espesor de la membrana no es constante, pero puede ser, por ejemplo, mas grueso en el medio y disminuir mas lejos del centro, o viceversa. En algunas realizaciones, las vigas no necesitan tener un espesor constante, pero el espesor puede variar a lo largo de las vigas.
Especialmente para sensores capacitivos tambien se puede crear una cavidad debajo de la membrana uniendo una placa oxidada a una placa no oxidada donde el oxido de la placa oxidada se elimina en el area de la membrana mediante tecnicas de proceso CMOS estandar. El espesor del oxido define el espacio entre la membrana y el volumen para formar un condensador dependiente de la presion donde la membrana y la masa forman las placas del condensador. (ver la figura 8).
La figura 4(d) muestra la estructura de la figura 4(c) despues de la formacion de una estructura piezo-resistiva ejemplar, por ejemplo, usando un piezo-proceso estandar, oxido termico, nitruro LPCVD, piezo, n ++, implantes p ++ y metalizacion y etapas de pasivacion opcionales. Sera evidente para el experto en la materia que esta etapa (o estas etapas) depende(n) de la estructura sensible real que se implementa en la membrana. Como se menciona anteriormente, la presente invencion no esta limitada a ninguna estructura espedfica.
La figura 4(e) muestra la estructura de la figura 4(d) despues de grabar la placa de membrana por encima de las estructuras de ranura y rellenarlas con un material anelastico. En este ejemplo, los puentes tienen el mismo espesor que la membrana, y los lados de los puentes estan grabados con una etapa de grabado adicional (seco) desde el lado frontal. La ranura debajo de los puentes ya estaba grabada junto con la cavidad debajo de la membrana y, por lo tanto, no requiere procesamiento adicional. Opcionalmente en esta etapa, la abertura puede estar (al menos parcialmente, por ejemplo, completamente) llena con un material anelastico. Alternativamente, la abertura tambien puede llenarse despues de la etapa de amolado (etapa f). Las aberturas a traves de la placa superior pueden ser
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mas anchas o estrechas que la ranura en la placa de la cavidad (placa inferior). Para sensores capacitivos, es una ventaja que el grabado de la membrana sea independiente del grabado con ranura. De esta forma, la magnitud del condensador se puede elegir de forma independiente del grabado con ranura.
Alternativamente, la abertura de ranura y el llenado de la ranura con un material blando o anelastico podnan llevarse a cabo despues de que el procesamiento de alta temperatura, tales como difusion y deposicion de LPCVD, pero antes de la metalizacion se lleva a cabo. En ese caso, no se necesitan puentes y la conexion entre las partes interna y externa esta completamente proporcionada por el material de relleno. Con este proceso, las vigas flexibles 7 solo consisten en capas de metal y pasivacion y no hay silicio debajo del metal. Las capas de metal y pasivacion se depositan sobre el material de relleno.
La figura 4(f) muestra la estructura de la figura 4(e) despues de amolar y abrir la membrana desde la parte posterior. La ranura se abre desde la parte inferior con un proceso de rectificado que tambien abre la cavidad para sensores de presion relativa. La ranura esta sellada (pero no se requiere sellado hermetico) para evitar que el fluido fluya a traves de la ranura. El espesor restante esta tfpicamente en el rango de 600 a 200 pm.
Por lo tanto, el sellado se puede proporcionar en el nivel de la placa dispensando un material anelastico antes de abrir las ranuras desde la parte posterior (figura 4(e)), o el sellado tambien se puede proporcionar durante el proceso de montaje con el mismo gel que se utiliza para la proteccion de los cables de enlace. Es una ventaja que el sellado de la abertura entre la parte interior y externa se puede realizar con el mismo gel anelastico que se usa para la proteccion de los alambres de union.
Otra opcion es abrir las ranuras en el lado frontal solo despues del contra amolado que es necesario para abrir las ranuras desde la parte inferior y la cavidad para los sensores de presion relativa. Esto tiene la ventaja de que las placas son menos fragiles durante el contra amolado.
El metodo descrito es adecuado para sensores de presion integrados en el que el procesamiento de CMOS tiene lugar en la misma etapa de procesamiento como la realizacion de las resistencias piezoelectricas. El circuito CMOS se puede colocar en el area de deteccion (en la parte interior) y/o en el area de union (en la parte exterior).
Se pueden aplicar etapas de procesamiento adicionales, tales como, por ejemplo, el corte en cubitos de placas y el envasado, para producir circuitos integrados de sensores de presion empaquetados.
En las variantes del metodo descrito anteriormente, el contra amolado (etapa f) puede ser reemplazado por un ataque qrnmico de plasma por lo que solo el area de la abertura pasante 3 y la parte interior 12 son grabados, pero no la parte exterior 11. Esto es posible tambien despues de llenar los cortes. Usar grabado en lugar de amolado ofrece las ventajas de que se ejercen fuerzas reducidas sobre los elementos flexibles 7 (por ejemplo, las vigas) y que la parte exterior 11 es mas gruesa que la parte interior 12 (Ho > Hi) que puede facilitar el ensamblaje de la estructura del sensor en un paquete (como se describira adicionalmente en relacion con la figura 9 y la figura 10).
La figura 5 muestra el sensor de presion de la figura 3, sometido a tension radiales, por ejemplo, debido a la compresion termica o expansion termica de la parte exterior en presencia de un gradiente de temperatura. El experto en la materia entendera que la tension radial sera absorbida en gran medida por las vigas y/o convertida en una rotacion de la parte interior.
La figura 6 muestra una realizacion de la presente invencion, sometida a una tension uniforme en el plano (en el ejemplo mostrado: de izquierda a derecha). El experto en la materia entendera que esta tension no se transfiere a la parte interior en absoluto, ya que la parte interior solo esta suspendida por las vigas y no toca la carcasa en ningun otro lado.
La figura 7 muestran una realizacion de la presente invencion, sometida a una tension de torsion. El experto en la materia entendera que la tension de torsion no se transfiere tampoco a la parte interior, porque la parte interior puede girar simplemente, aliviando de ese modo por completo dicha tension.
Aunque se han descrito realizaciones particulares, son posibles variaciones adicionales. Por ejemplo, la parte interior 12 y/o la parte exterior 11 pueden comprender circuitos adicionales. Por ejemplo, si el sustrato es un sustrato CMOS, la parte interior o la parte exterior o ambas pueden contener circuitos adicionales, por ejemplo, circuitos de amplificacion, circuitos de lectura, circuitos de digitalizacion, etc.
La figura 8 muestra un sensor de presion que tiene el mismo mecanismo de alivio de tension que se describe en la figura 3, con un cuerpo externo 11 y un cuerpo interior 12, siendo el cuerpo interno movil en una abertura del cuerpo exterior, y suspendido en el mismo por medio de uno o mas, por ejemplo, al menos tres elementos flexibles. Todo lo descrito anteriormente para la primera realizacion tambien es aplicable aqrn, por ejemplo, el cuerpo interno puede ser cilmdrico, la abertura puede ser anular, los elementos flexibles pueden estar orientados tangencialmente, etc., excepto por los elementos sensores, que se describen a continuacion.
Mientras que el sensor de la figura 3 tiene una membrana sobre la cual se montan uno o mas elementos piezo- resistivos para medir una deflexion de la membrana causada por la presion externa a medir, aqrn se usa otro
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principio, a saber: medicion capacitiva. Para sensores capacitivos conocidos, la membrana se suspende sobre una cavidad inferior y la capacitancia es entonces la suma de la capacitancia variable del area de la membrana mas la capacitancia estatica del area alrededor de la membrana. Esta capacitancia estatica reduce la sensibilidad ya que no cambia con la presion. Con el mecanismo de alivio de tension que comprende la abertura pasante de la presente invencion, dicha capacitancia estatica se puede reducir en gran medida.
A menudo se aplica una medicion diferencial para la deteccion capacitiva donde se realiza una segunda capacitancia fija sin cavidad de forma similar para permitir la medicion diferencial entre el condensador de deteccion y este segundo condensador fijo, que no cambia bajo la presion externa que se va a medir. Utilizando la abertura pasante, se puede formar un segundo condensador Creferencia en la parte exterior 12 como se muestra en la figura 8, que es insensible a la presion aplicada y que se corresponde con la parte interior (el mismo espacio y la misma constante dielectrica). Equilibrando adecuadamente el area del condensador Csensor ubicada en la parte interior 12 y el condensador Creferencia ubicado en la parte exterior 12, las capacitancias se pueden hacer iguales para optimizar la medicion diferencial.
La figura 9 y la figura 10 son dos ejemplos para ilustrar que el sensor de presion con la estructura de alivio de tension de la presente invencion es particularmente adecuado para paquetes sobremoldeados donde el sensor (cuerpo externo 11) esta montado sobre un orificio en el marco 18, cuyo orificio tiene dimensiones (por ejemplo, un diametro) igual o preferiblemente mayor que el diametro exterior de la abertura pasante 3 del sensor, para permitir que el cuerpo interno 12 se mueva con respecto al marco principal 18, pero mas pequeno que las dimensiones externas de la parte exterior 11 para sostener la parte exterior 11.
Utilizando un moldeado asistido por pelfcula y una forma de molde apropiada, se pueden realizar aberturas por encima y por debajo de la estructura de sensor 1 y asegurarse de que el molde este unido unicamente a la parte exterior 11 de la misma. Los hilos de enlace 19 se pueden encapsular en el compuesto de molde. El material anelastico entre la parte exterior e interna se puede aplicar despues de la moldura con herramientas de dispensacion estandar comunmente usadas para el ensamblaje. La figura 9 es un ejemplo de un paquete QFN, la figura 10 es un ejemplo de un paquete SOIC.
La figura 11 muestra un ejemplo para ilustrar que la estructura de alivio de tension se puede usar para sensores de presion que estan montados mediante soldadura de virutas volantes. La tension introducida por la conexion de soldadura ngida es absorbida por las vigas y el material anelastico. La colocacion de protuberancias de soldadura puede llevarse a cabo despues del llenado de las ranuras y el adelgazamiento de la parte posterior de las placas.
REFERENCIAS
1
sensor de presion 2 substrato
3
abertura pasante 4 superficie superior
5
superficie inferior 7 vigas
8
membrana 9 elementos piezo-resistivos
10
ranura 11 parte exterior
12
parte interior 13 interconexion electrica
14
almohadilla de enlace 15 cavidad
17
material anelastico 18 marco
19
hilo de enlace X direccion de las vigas
Tm
espesor de la membrana Tb espesor de la viga
c
centro de la membrana

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un sensor de presion semiconductor (1) para medir una presion, que comprende:
    - un sustrato semiconductor (2) que tiene una abertura pasante (3) que se extiende desde una superficie superior (4) a una superficie inferior (5) del sustrato (2), la abertura pasante (3) forma un espacio hueco entre una parte interior (12) y una parte exterior (11) de dicho sustrato;
    - una estructura sensible a la presion dispuesta en dicha parte interior (12);
    - una serie de elementos flexibles (7, 13) que se extienden desde dicha parte interior (12) a dicha parte exterior (11) para suspender la parte interior (12) dentro de dicha abertura pasante (3);
    - la abertura pasante esta al menos parcialmente llena con un material anelastico.
  2. 2. El sensor de presion semiconductor (1) segun la reivindicacion 1,
    - en el que la estructura sensible a la presion (6) comprende una membrana (8) dispuesta para deformarse bajo la presion a medir, y uno o mas elementos para permitir la medicion de dicha deformacion;
    - y opcionalmente en el que uno o mas elementos son elementos piezo-resistivos (9).
  3. 3. El sensor de presion semiconductor (1) segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
    - en el que la abertura pasante (3) es o comprende una ranura (10) que se extiende en una direccion perpendicular al sustrato (2);
    - y opcionalmente en el que la abertura pasante (3) tiene una seccion transversal circular en un plano paralelo al sustrato.
  4. 4. El sensor de presion semiconductor (1) segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
    - en el que los elementos flexibles son vigas (7);
    - y opcionalmente en el que las vigas tienen una longitud (Lb) y una anchura (Wb) y una altura (Hb), por lo que la altura (Hb) es al menos 2,0 veces la anchura (Wb);
    - y opcionalmente en el que las vigas (7) se extienden a traves de la abertura pasante en una direccion no radial (X);
    - y opcionalmente en el que las vigas (7) son tangenciales a una circunferencia de la parte interior (12);
    - y opcionalmente en el que las vigas (7) son paralelas al sustrato y en el que un espesor (Tm) de la membrana y un espesor (Tb) de la viga son sustancialmente los mismos;
    - y opcionalmente en el que el numero de vigas (7) es un valor en el rango de 3 a 32, preferiblemente en el rango de 3 a 4.
  5. 5. El sensor de presion semiconductor (1) segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,
    - en el que los elementos flexibles se forman aplicando una metalizacion que se extiende a traves de la abertura pasante en la parte superior del material anelastico.
  6. 6. Metodo de produccion de un sensor de presion semiconductor (1), que comprende las etapas de:
    a) proporcionar un sustrato;
    b) hacer una abertura pasante (3) que se extiende desde una superficie superior (4) a una superficie inferior (5) de dicho sustrato a lo largo de una curva cerrada, formando dicha abertura pasante un espacio hueco entre una parte interior (12) y la parte exterior (11) de dicho sustrato;
    b) formar una estructura sensible a la presion en dicha parte interior (12);
    c) rellenar al menos parcialmente la abertura pasante (3) con un material anelastico;
    d) proporcionar una serie de elementos flexibles (7, 13) que se extienden desde dicha parte interior (12) a dicha parte exterior (11) para suspender la parte interior dentro de dicha abertura pasante (3).
  7. 7. El metodo segun la reivindicacion 6,
    - en el que la etapa de formar una estructura sensible a la presion en dicha parte interior comprende formar una membrana y formar elementos sensibles a la presion situados al menos parcialmente en la membrana;
    5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    - y opcionalmente, la formacion de los elementos sensibles a la presion comprende formar elementos piezo- resistivos (9);
    - y opcionalmente en el que la etapa de formar una abertura pasante comprende formar una ranura (10) que se extiende en una direccion perpendicular al sustrato (2);
    - y opcionalmente en el que la etapa de hacer una abertura pasante comprende hacer una abertura anular.
  8. 8. El metodo segun la reivindicacion 6 o 7,
    - en el que la etapa de proporcionar elementos flexibles (7, 13) comprende formar vigas flexibles que se extienden desde la parte interior (12) a la parte exterior (11);
    - y opcionalmente en el que las vigas flexibles estan formadas de tal manera que las vigas son rectas y se extienden en una direccion no radial;
    - y opcionalmente en el que las vigas flexibles estan formadas de tal manera que las vigas son tangenciales a una circunferencia de la parte interior (12).
  9. 9. El metodo segun la reivindicacion 8, en el que las vigas (7) y la membrana estan formados de manera que las vigas (7) son paralelas al sustrato y de manera que un espesor (Hm) de la membrana y un espesor (Hb) de las vigas es sustancialmente el mismo.
  10. 10. El metodo segun la reivindicacion 6 o 7, en el que la etapa de proporcionar elementos flexibles (7, 13) comprende aplicar una metalizacion directamente sobre el material anelastico.
  11. 11. El metodo segun la reivindicacion 9 o 10,
    - que comprende ademas una etapa de amolado del sustrato;
    - y en el que la etapa de llenar al menos parcialmente la abertura pasante con un material anelastico se produce antes de la etapa de amolado del sustrato y antes de la etapa de metalizacion o antes de la etapa de amolado del sustrato, pero despues de la etapa de metalizacion.
  12. 12. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11, que comprende ademas una etapa de amolado del sustrato, y en el que la etapa de llenar al menos parcialmente la abertura pasante con un material anelastico se produce despues de la etapa de amolado del sustrato.
  13. 13. El metodo segun la reivindicacion 9 o 10, y una de las siguientes alternativas:
    a) que comprende ademas una etapa de contra grabado simultaneo de la parte exterior (11) y la parte interior (12), y en el que la etapa de llenar al menos parcialmente la abertura pasante con un material anelastico se produce antes de la etapa de metalizacion;
    b) que comprende adicionalmente una etapa de contra grabado simultaneo de la parte exterior (11) y la parte interior (12), y en el que la etapa de llenar al menos parcialmente la abertura pasante con un material anelastico se produce antes de la etapa de contra grabado, pero despues la etapa de metalizacion;
    c) que comprende ademas una etapa de contra grabado de la parte interior (12) pero no de la parte exterior (11), y en el que la etapa de llenar al menos parcialmente la abertura pasante con un material anelastico se produce antes de la etapa de metalizacion;
    d) que comprende ademas una etapa de grabado posterior de la parte interior (12) pero no de la parte exterior (11), y en el que la etapa de llenar al menos parcialmente la abertura pasante con un material anelastico ocurre antes de la etapa de contra grabado, pero despues la etapa de metalizacion.
  14. 14. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, que comprende ademas una etapa de contra grabado de forma simultanea de la parte exterior (11) y la parte interior (12), y en el que la etapa de llenar al menos parcialmente la abertura pasante con un material anelastico ocurre despues de la etapa de contra grabado.
  15. 15. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, que comprende ademas una etapa de contra grabado de la parte interior (12) pero no de la parte exterior (11), y en el que la etapa de rellenar al menos parcialmente la abertura pasante con un material sintetico el material ocurre despues de la etapa de contra grabado.
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