IT201800001092A1 - Sensore di pressione piezoresistivo microelettromeccanico con capacita' di auto-diagnosi e relativo procedimento di fabbricazione - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“SENSORE DI PRESSIONE PIEZORESISTIVO MICROELETTROMECCANICO CON CAPACITA' DI AUTO-DIAGNOSI E RELATIVO PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONE”
La presente soluzione è relativa ad un sensore di pressione microelettromeccanico (cosiddetto MEMS, dall’inglese “Micro-Electromechanical Systems”) con capacità di auto-diagnosi (o “selftest”) e ad un relativo procedimento di fabbricazione.
Sono noti sensori di pressione integrati a semiconduttore realizzati con le tecniche di microfabbricazione tipiche dei sistemi MEMS.
Tali sensori sono ad esempio utilizzati all’interno di apparecchi elettronici portatili o indossabili, o in campo automobilistico, cosiddetto “automotive”, per applicazioni barometriche ed idrauliche; ad esempio, sensori di pressione ad elevato fondo scala (fino a 350 bar) sono utilizzati per applicazioni relative al sistema frenante, associati al pedale del freno.
In particolare, sono noti sensori di pressione piezoresistivi, che basano cioè il loro funzionamento sulla piezoresistività, ovvero sulla capacità di alcuni materiali di modificare la loro resistività al variare di sforzi meccanici a cui sono sottoposti. Ad esempio, la resistività decresce quando sono applicati sforzi di compressione, mentre aumenta quando sono applicati sforzi di trazione.
I sensori di pressione piezoresistivi comprendono generalmente una membrana (o diaframma), che è sospesa al di sopra di una cavità realizzata in un corpo di materiale semiconduttore e si deforma in presenza di onde di pressione incidenti provenienti dall’ambiente esterno.
Elementi piezoresistivi (generalmente costituti da regioni drogate impiantate o diffuse) sono realizzati nella regione superficiale della membrana e sono fra loro collegati elettricamente, ad esempio a ponte di Wheatstone. La deformazione della membrana provoca uno sbilanciamento del ponte di Wheatstone rilevabile da un apposito circuito elettronico (accoppiato alla struttura micromeccanica del sensore), cosiddetto circuito ASIC (Application Specific Integrated Circuit), che ricava da tale sbilanciamento il valore della pressione agente sulla membrana.
Nonostante siano largamente e con successo utilizzati, la presente Richiedente ha constatato che tali sensori di pressione piezoresistivi presentano alcuni svantaggi, almeno per determinate applicazioni.
In particolare, la presente Richiedente ha constatato che tali sensori di pressione piezoresistivi non consentono in maniera agevole di implementare procedure di autodiagnosi, per testarne la corretta operatività al termine del processo di fabbricazione o durante il funzionamento.
A questo riguardo, è noto che in alcuni ambiti di applicazione, in particolare in quello automobilistico, è espressamente richiesta la capacità di auto-diagnosi dei sistemi elettronici, al fine di evitare errori e prevenire guasti.
Sensori di pressione di tipo capacitivo consentono in generale tali procedure di auto-diagnosi, mediante l’applicazione di opportuni stimoli di test alle relative armature capacitive e la lettura della risultante variazione capacitiva. Tuttavia, tali sensori soffrono di alcuni svantaggi, tra cui una maggiore non linearità di risposta, la dipendenza dalla possibile formazione di umidità tra le armature capacitive, e l’impossibilità di raggiungere elevati valori di fondo scala, che possono sconsigliarne l’utilizzo, almeno in determinati ambiti di applicazione.
Scopo della presente invenzione è quello di fornire una soluzione che consenta di superare gli inconvenienti della tecnica nota.
Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un sensore di pressione microelettromeccanico ed un relativo procedimento di fabbricazione, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la Figura 1 è una vista in pianta schematica di un sensore di pressione piezoresistivo microelettromeccanico, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione;
- la Figura 2 è una vista in sezione schematica del sensore di pressione di Figura 1, presa lungo la linea di sezione II-II della stessa Figura 1;
- le Figure 3A-3B mostrano rispettivamente una porzione di una membrana di attuazione del sensore di pressione di Figura 1, e la stessa porzione di membrana di attuazione sottoposta a deformazioni per effetto piezoelettrico;
- la Figura 4 mostra grafici relativi alla deformazione della porzione di membrana di attuazione del sensore di pressione;
- le Figure 5A è una vista in sezione schematica di una fetta di materiale semiconduttore, in una fase iniziale del procedimento di fabbricazione del sensore di pressione di Figura 1;
- la Figura 5B è una vista in pianta schematica della fetta di Figura 5A;
- la Figura 5C mostra un particolare ingrandito di una porzione di maschera fotolitografica utilizzata nel procedimento di fabbricazione;
-le Figure 5D-5H sono viste in sezione schematiche della fetta di materiale semiconduttore in successive fasi del procedimento di fabbricazione;
- la Figura 6 mostra uno schema a blocchi di massima di un dispositivo elettronico in cui il sensore di pressione di Figura 1 può essere integrato; e
- la Figura 7 è una vista in pianta schematica di una porzione del sensore di pressione, secondo una possibile variante realizzativa.
Come sarà chiarito in dettaglio in seguito, un aspetto della presente soluzione prevede di realizzare, in un sensore di pressione piezoresistivo microelettromeccanico, una struttura di auto-diagnosi, atta a cooperare operativamente con una struttura di rilevamento dello stesso sensore di pressione, al fine di implementare un’operazione di autodiagnosi del funzionamento della stessa struttura di rilevamento.
Con riferimento dapprima alle Figure 1 e 2, viene ora descritto un sensore di pressione piezoresistivo microelettromeccanico, indicato in generale con 1, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione.
Il sensore di pressione 1 comprende un corpo monolitico 2 costituito da una regione compatta ed uniforme di materiale semiconduttore, in particolare silicio, avente una superficie anteriore 2a ed una superficie posteriore 2b, entrambe con estensione planare in un piano orizzontale xy definito da un primo e da un secondo asse orizzontale x, y, e separate da uno spessore lungo un asse verticale z definente con il primo e secondo asse orizzontale x, y una terna di assi cartesiani.
Il sensore di pressione 1 comprende una struttura di rilevamento 4 integrata nel corpo monolitico 2 e comprendente una cavità sepolta 5, completamente contenuta all’interno del corpo monolitico 2, in corrispondenza della superficie anteriore 2a, ed una membrana di rilevamento 6, sospesa al di sopra della stessa cavità sepolta 5.
In particolare, la cavità sepolta 5 è separata dalla superficie anteriore 2a del corpo monolitico 2 dalla membrana di rilevamento 6, che è formata da una porzione superficiale 2' dello stesso corpo monolitico 2, e dalla superficie posteriore 2b del corpo monolitico 2 da una regione di bulk 7 dello stesso corpo monolitico 2, compatta, omogenea ed uniforme.
La cavità sepolta 5 e la membrana di rilevamento 6 hanno una forma genericamente poligonale nel piano orizzontale xy; nell’esempio illustrato (si veda in particolare la Figura 2), tale forma è sostanzialmente quadrata.
La struttura di rilevamento 4 del sensore di pressione 1 comprende inoltre elementi di rilevamento 8, di tipo piezoresistivo, formati all’interno della membrana di rilevamento 6, in prossimità della superficie anteriore 2a del corpo monolitico 2. Gli elementi di rilevamento 8 sono costituiti da regioni superficiali drogate, impiantate o diffuse, realizzate all’interno della membrana di rilevamento 6.
Nell’esempio illustrato, sono presenti quattro elementi di rilevamento 8, disposti, ciascuno, in corrispondenza di un rispettivo lato della membrana di rilevamento 6, centralmente rispetto allo stesso lato.
Elementi di collegamento elettrico 9, costituiti da linee conduttive, ad esempio metalliche, disposte al di sopra della superficie anteriore 2a del corpo monolitico 2, collegano elettricamente, in maniera opportuna, gli elementi di rilevamento 8 tra loro, ed inoltre collegano gli stessi elementi di rilevamento 8 a piazzole elettriche di contatto 10, anch’esse disposte al di sopra della superficie anteriore 2a del corpo monolitico 2, in modo tale da essere accessibili dall’esterno, per la connessione, ad esempio mediante fili elettrici o altri elementi di collegamento elettrico, ad un circuito di elaborazione, ad esempio di tipo ASIC.
In una forma di realizzazione, gli elementi di collegamento elettrico 9 collegano tra loro gli elementi di rilevamento 8 in modo da formare un circuito elettrico a ponte di Wheatstone, e le piazzole elettriche di contatto 10 definiscono pertanto, a coppie, terminali di ingresso (atti a ricevere dall’esterno un segnale di alimentazione elettrico) e, rispettivamente, terminali di uscita (atti a fornire all’esterno un segnale elettrico di uscita) di tale circuito elettrico a ponte di Wheatstone.
Preferibilmente, gli elementi di collegamento elettrico 9 sono disposti esternamente rispetto alla membrana di rilevamento 6, in modo tale da non ostacolarne la deformazione durante il rilevamento di pressione.
In uso, in modo di per sé noto, onde di pressione incidenti dall’ambiente esterno (ovvero, esternamente rispetto al corpo monolitico 2) causano la deformazione della membrana di rilevamento 6, e, di conseguenza, la deformazione degli elementi di rilevamento 8; per effetto piezoresistivo, la resistenza di tali elementi di rilevamento 8 varia rispetto ad un valore a riposo, determinando uno sbilanciamento del ponte di Wheatstone, opportunamente alimentato elettricamente, e la generazione di un segnale elettrico di uscita rilevabile dall’esterno, indicativo del valore di pressione agente sulla membrana di rilevamento 6.
Secondo un aspetto particolare della presente soluzione, il sensore di pressione 1 comprende inoltre una struttura di auto-diagnosi 12, integrata all’interno dello stesso corpo monolitico 2 in cui è integrata anche la struttura di rilevamento 4.
La struttura di auto-diagnosi 12 comprende una rispettiva cavità sepolta 15, completamente contenuta all’interno del corpo monolitico 2, in corrispondenza della superficie anteriore 2a, ed una membrana di attuazione 16, sospesa al di sopra della stessa cavità sepolta 15.
In particolare, la cavità sepolta 15 è separata dalla superficie anteriore 2a del corpo monolitico 2 dalla membrana di attuazione 16, che è formata dalla porzione superficiale 2' dello stesso corpo monolitico 2, e dalla superficie posteriore 2b del corpo monolitico 2 dalla regione di bulk 7 dello stesso corpo monolitico 2.
La cavità sepolta 15 e la membrana di attuazione 16 hanno anch’esse una forma genericamente poligonale nel piano orizzontale xy; nell’esempio illustrato (si veda in particolare la Figura 2), tale forma è sostanzialmente quadrata.
In particolare, la cavità sepolta 15 della struttura di auto-diagnosi 12 è disposta nel corpo monolitico 2 affiancata alla cavità sepolta 5 della struttura di rilevamento 4, ad una stessa profondità rispetto alla superficie anteriore 2a dello stesso corpo monolitico 2.
Inoltre, la struttura di auto-diagnosi 12 comprende un canale di collegamento 18, sepolto e contenuto all’interno del corpo monolitico 2, che collega fluidicamente le cavità sepolte 5, 15 della struttura di rilevamento 4 e della struttura di auto-diagnosi 12; nell’esempio illustrato, tale canale di collegamento 18 si estende lungo il primo asse orizzontale x, parallelamente alla superficie anteriore 2a del corpo monolitico 2, e raccorda le cavità sepolte 5, 15 in corrispondenza di una loro corrispondente porzione di angolo.
Il canale di collegamento 18 è realizzato alla stessa profondità rispetto alla superficie anteriore 2a del corpo monolitico 2 a cui si trovano la cavità sepolta 15 della struttura di auto-diagnosi 12 e la cavità sepolta 5 della struttura di rilevamento 4.
Le suddette cavità sepolte 5, 15 ed il canale di collegamento 18 formano dunque complessivamente un ambiente sepolto 19, interamente contenuto ed isolato all’interno del corpo monolitico 2, non accessibile dall’esterno dello stesso corpo monolitico 2.
Secondo un aspetto della presente soluzione, tale ambiente sepolto 19 contiene un’atmosfera ad una pressione controllata, ad esempio compresa tra 0,1 e 100 mbar, ad esempio pari a 20 mbar; tale ambiente sepolto 19 contiene gas residuo (derivante dal processo di fabbricazione, come descritto in dettaglio in seguito), ad esempio contente Idrogeno e Silano.
La struttura di auto-diagnosi 12 comprende inoltre un gruppo di attuazione 20, accoppiato alla membrana di attuazione 16, comprendente una regione piezoelettrica 21 operabile per causare la deformazione della stessa membrana di attuazione 16 per effetto piezoelettrico; tale regione piezoelettrica 21 è costituita di un opportuno materiale piezoelettrico, quale ad esempio PZT – titanato zirconato di piombo.
Il suddetto gruppo di attuazione 20 comprende inoltre: un elettrodo inferiore 22a, disposto al di sopra della membrana di attuazione 16, sulla superficie anteriore 2a del corpo monolitico 2 (da cui è eventualmente separato da uno strato di separazione, di materiale dielettrico, qui non illustrato); ed un elettrodo superiore 22b, disposto al di sopra della regione piezoelettrica 21, a sua volta disposta al di sopra dell’elettrodo inferiore 22a. In sostanza, la regione piezoelettrica 21 è interposta tra gli elettrodi inferiore e superiore 22a, 22b, al di sopra della membrana di attuazione 16.
Nell’esempio illustrato: l’elettrodo inferiore 22a presenta una conformazione ed una estensione sostanzialmente corrispondente (di poco superiore, ad esempio di uno o pochi micrometri) alla regione piezoelettrica 21, la quale è disposta centralmente rispetto alla membrana di attuazione 16 e presenta conformazione anch’essa genericamente poligonale, ad esempio sostanzialmente quadrata, con dimensione inferiore rispetto alla stessa membrana di attuazione 16 (come discusso in maggiore dettaglio in seguito); l’elettrodo superiore 22b presenta anch’esso conformazione genericamente poligonale, ad esempio sostanzialmente quadrata, con una rispettiva estensione corrispondente alla sottostante regione piezoelettrica 21.
Elementi di collegamento elettrico 23, costituiti da piste o linee conduttive, ad esempio metalliche, collegano elettricamente, in maniera opportuna, gli elettrodi inferiore e superiore 22a, 22b a rispettive piazzole elettriche di contatto 24, disposte al di sopra della superficie anteriore 2a del corpo monolitico 2, in modo tale da essere accessibili dall’esterno, per la connessione, ad esempio mediante fili elettrici o altri elementi di collegamento elettrico, al circuito di elaborazione ASIC.
In uso, l’applicazione di uno stimolo di attuazione tramite un opportuno potenziale elettrico ΔV tra gli elettrodi inferiore e superiore 22a, 22b del gruppo di attuazione 20 della struttura di auto-diagnosi 12 provoca una deformazione, per effetto piezoelettrico, della membrana di attuazione 16, in particolare una sua deflessione lungo l’asse verticale z; tale deformazione costituisce una deformazione di test, per l’auto-diagnosi della struttura di rilevamento 4.
Tale deformazione di test viene infatti trasmessa alla membrana di rilevamento 6 della struttura di rilevamento 4 dal gas residuo, a pressione controllata, presente all’interno dell’ambiente sepolto 19, dalla cavità sepolta 15 della struttura di auto-diagnosi 12 alla cavità sepolta 5 della struttura di rilevamento 4, attraverso il canale di collegamento 18.
Di conseguenza, la membrana di rilevamento 6 si deforma, causando una deformazione corrispondente degli elementi di rilevamento 8 e la generazione di un segnale elettrico di uscita, indicativo dello stimolo di attuazione; l’elaborazione di tale segnale elettrico di uscita, in funzione delle caratteristiche note dello stimolo di attuazione, consente di verificare il corretto funzionamento della struttura di rilevamento 4.
La presente Richiedente ha verificato l’operatività della struttura di auto-diagnosi 12 mediante test e simulazioni sperimentali.
A questo riguardo, la Figura 3A mostra un modello di una porzione della struttura di auto-diagnosi 12, che mostra in particolare un quarto della membrana di attuazione 16 e della sovrastante regione piezoelettrica 21 (in tale Figura 3A non vengono mostrati, per chiarezza illustrativa, gli elettrodi inferiore e superiore 22a, 22b); il centro geometrico della membrana di attuazione 16 è indicato con O e corrisponde in questo caso anche al centro geometrico della regione piezoelettrica 21.
In particolare, con L1 si indica la lunghezza del lato della membrana di attuazione 16, nella rappresentazione in Figura 3A lungo il primo asse orizzontale x del piano orizzontale xy, mentre con L2 (< L1) si indica la lunghezza del corrispondente lato della regione piezoelettrica 21 (si noti dunque che in Figura 3A viene mostrata la metà di tali lunghezze L1 e L2; si noti inoltre che, nell’ipotesi in cui la membrana di attuazione 16 e la regione piezoelettrica 21 abbiano conformazione quadrata, tali lunghezze L1 e L2 corrispondono anche all’estensione lungo il secondo asse orizzontale y).
La Figura 3B mostra la risultante deformazione della membrana di attuazione 16, dovuta all’applicazione del potenziale elettrico ΔV tra gli elettrodi inferiore e superiore 22a, 22b del gruppo di attuazione 20, che provoca una deflessione della regione piezoelettrica 21 e conseguentemente della stessa membrana di attuazione 16 lungo l’asse verticale z; tale deformazione è di entità maggiore in corrispondenza del centro O e decresce progressivamente all’aumentare della distanza dallo stesso centro O.
La Figura 4 mostra grafici relativi al valore massimo di deflessione lungo l’asse verticale z, al variare della lunghezza L2 della regione piezoelettrica 21, supposta variabile ai fini dell’ottimizzazione delle sue dimensioni, data una lunghezza L1 fissa per la membrana di attuazione 16; in particolare, vengono illustrati due grafici, in corrispondenza di due valori del potenziale elettrico ΔV applicato tra gli elettrodi inferiore e superiore 22a, 22b del gruppo di attuazione 20.
Come si evince dall’esame dei grafici della suddetta Figura 4, il valore della lunghezza L2 della regione piezoelettrica 21, rispetto alla lunghezza L1 della membrana di attuazione 16 (anch’essa mostrata in Figura 4), determina l’entità massima della deflessione risultante; in particolare, si può verificare che un andamento ottimizzato per la suddetta deflessione si ottiene per valori di lunghezza L2 che soddisfano la seguente:
0,4·L1 < L2 < 0,8·L1
ovvero, per il seguente rapporto tra le lunghezze L2 e L1:
0,4 < L2/L1 < 0,8.
Ad esempio, il valore della lunghezza L2 della regione piezoelettrica 21 può vantaggiosamente essere pari a 0,6 volte il valore della lunghezza L1 della membrana di attuazione 16.
Viene ora descritto un procedimento di fabbricazione per la realizzazione del sensore di pressione 1, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione.
In una fase iniziale del procedimento di fabbricazione, come illustrato in Figura 5A, viene predisposta una fetta 30 di materiale semiconduttore, ad esempio silicio monocristallino, comprendente un substrato 32, ad esempio con drogaggio di tipo n (o in maniera equivalente di tipo p), ed avente una superficie anteriore 32a ed una superficie posteriore 32b.
Il procedimento di fabbricazione prosegue con la formazione di cavità sepolte, completamente contenute all’interno della fetta 30, sovrastate da una rispettiva membrana, con tecniche descritte in dettaglio ad esempio in EP 1 324 382 B1 a nome della stessa Richiedente, in particolare per la formazione delle cavità sepolte 5, 15 della struttura di rilevamento 4 e della struttura di autodiagnosi 12 e della membrana di rilevamento 6 e, rispettivamente, della membrana di attuazione 16.
Come mostrato anche in Figura 5B (non in scala, così come le restanti figure), sulla superficie anteriore 32a del substrato 32 viene realizzata una maschera di attacco 33, ad esempio di materiale fotosensibile, cosiddetto “fotoresist”.
La maschera di attacco 33 comprende, per la realizzazione di ciascun sensore di pressione 1: un primo elemento di maschera 33a, nell’esempio con forma approssimativamente quadrata, definente una prima area di attacco che corrisponde all’area che sarà occupata dalla cavità sepolta 5 della struttura di rilevamento 4, e avente un’estensione corrispondente all’estensione della membrana di rilevamento 6 che sarà formata al di sopra della stessa cavità sepolta 5; un secondo elemento di maschera 33b, nell’esempio anch’esso di forma approssimativamente quadrata, definente una seconda area di attacco che corrisponde all’area che sarà occupata dalla cavità sepolta 15 della struttura di auto-diagnosi 12 e avente un’estensione corrispondente all’estensione della membrana di attuazione 16 che sarà formata al di sopra della stessa cavità sepolta 15; ed inoltre un terzo elemento di maschera 33c, definente una terza area di attacco corrispondente all’area che sarà occupata dal canale di collegamento 18 della stessa struttura di auto-diagnosi 12.
Come mostrato nel particolare ingrandito della Figura 5C, ciascun elemento di maschera 33a, 33b, 33c comprende una pluralità di porzioni di maschera 34, ad esempio esagonali, che definiscono un reticolo, ad esempio a nido d’ape.
Quindi (si faccia riferimento alla Figura 5D, che, come la Figura 5C, rappresenta soltanto una porzione ingrandita della fetta 30, per ragioni di chiarezza di illustrazione), utilizzando la maschera di attacco 33 viene eseguito un attacco chimico anisotropo del substrato 32, in seguito al quale vengono formate trincee 36, comunicanti tra loro e delimitanti una pluralità di colonne 37.
In pratica, le trincee 36 formano una regione aperta di forma complessa (corrispondente al reticolo della maschera di attacco 33) nella quale si estendono le colonne 37 (di forma corrispondente alle porzioni di maschera 34).
Successivamente, la maschera di attacco 33 viene rimossa e viene eseguita una crescita epitassiale in ambiente deossidante (tipicamente, in atmosfera con elevata concentrazione di idrogeno, preferibilmente con triclorosilano-SiHCl3). Di conseguenza, uno strato epitassiale cresce al di sopra delle colonne 37 e chiude superiormente la suddetta regione aperta formata dalle trincee 36.
Viene quindi eseguita una fase di annealing termico, ad esempio per 30 minuti a 1190°C, preferibilmente in atmosfera riducente, tipicamente di idrogeno. La fase di annealing provoca una migrazione degli atomi di silicio che tendono a portarsi in una posizione di minore energia. Di conseguenza, e anche grazie alla distanza ravvicinata fra le colonne 37, gli atomi di silicio migrano completamente dalle porzioni delle colonne 37 presenti all’interno della suddetta regione aperta formata dalle trincee 36, e si forma, a partire da tale regione, una regione sepolta, come mostrato in Figura 5E (che mostra una porzione della fetta 30 corrispondente a quanto mostrato in Figura 5D).
In particolare, come mostrato anche in Figura 5F (che mostra una porzione più ampia della fetta 30), tale regione sepolta definisce l’ambiente sepolto 19 comprendente le cavità sepolte 5, 15 della struttura di rilevamento 4 e della struttura di auto-diagnosi 12 ed il canale di collegamento 18, che mette in comunicazione fluidica le stesse cavità sepolte 5, 15 (ed è realizzata alla stessa profondità rispetto alla superficie anteriore 32a del substrato 32). Vantaggiosamente, all’interno del suddetto ambiente sepolto 19 si crea, per effetto delle fasi di processo descritte, l’ambiente ad atmosfera controllata, contenente gas residuo (nell’esempio idrogeno e silano) ad una pressione desiderata, come precedentemente indicato compresa ad esempio tra 0,1 e 100 mbar, ad esempio pari a circa 20 mbar.
Al di sopra della regione sepolta rimane un sottile strato di silicio, costituito in parte da atomi di silicio cresciuti epitassialmente ed in parte da atomi di silicio migrati, che forma una regione di membrana, flessibile e che può deflettersi in presenza di sollecitazioni esterne.
In particolare, tale regione di membrana definisce la membrana di rilevamento 6 della struttura di rilevamento 4, ed inoltre la membrana di attuazione 16 della struttura di auto-diagnosi 12.
Vantaggiosamente, con le stesse fasi di processo, vengono dunque formati il canale di collegamento 18, le cavità sepolte 5, 15 ed inoltre le rispettive membrane di rilevamento e di attuazione 6, 16.
Come mostrato in figura 5G, il procedimento di fabbricazione prosegue quindi con la formazione, mediante diffusione o impiantazione di atomi droganti, degli elementi di rilevamento 8, di tipo piezoresistivo, all’interno della membrana di rilevamento 6 della struttura di rilevamento 4.
Al di sopra della superficie anteriore 32a del substrato 32, Figura 5H, vengono quindi formati, ad esempio per deposizione, ed opportunamente sagomati, ad esempio per attacco fotolitografico: un primo strato conduttivo, ad esempio di un materiale metallico, per la formazione dell’elettrodo inferiore 22a della struttura di autodiagnosi 12 ed inoltre (in maniera non illustrata nella stessa Figura 5H), degli elementi di collegamento elettrico 9, degli elementi di collegamento elettrico 23 che contattano lo stesso elettrodo inferiore 22a e delle relative piazzole elettriche di contatto 10, 24; uno strato di materiale piezoelettrico, ad esempio PZT, per la formazione della regione piezoelettrica 21 della struttura di auto-diagnosi 12, sopra l’elettrodo inferiore 22a al di sopra della membrana di attuazione 16; e di un secondo strato conduttivo, ad esempio di un rispettivo materiale metallico, per la formazione dell’elettrodo superiore 22b della struttura di auto-diagnosi 12 ed inoltre (in maniera qui non illustrata) degli elementi di collegamento elettrico 23 che contattano lo stesso elettrodo superiore 22b e delle relative piazzole elettriche di contatto 24.
In maniera non illustrata in dettaglio, ma che sarà evidente ad un tecnico del ramo, il procedimento di fabbricazione può inoltre prevedere la formazione e la sagomatura di opportuni strati di separazione o buffer, di materiale dielettrico, aventi la funzione di isolamento o protezione.
Il procedimento di fabbricazione termina quindi mediante una fase di taglio (cosiddetta operazione di “sawing” o “dicing”) della fetta 30, per la realizzazione di una pluralità di die, ciascuno integrante un rispettivo sensore di pressione 1 costituito da un rispettivo corpo monolitico 2, che risulta dunque formato da una porzione del substrato 32 originata dal taglio della fetta 30, in cui sono integrate la struttura di rilevamento 4 e la struttura di auto-diagnosi 12 (come illustrato nella precedente Figura 1).
I vantaggi della presente soluzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.
In ogni caso, si evidenzia nuovamente che la soluzione descritta consente di fornire in maniera semplice ed efficace capacità di auto-diagnosi ad un sensore di pressione 1 dotato di una struttura di rilevamento 4 di tipo piezoresistivo, per testarne il corretto funzionamento sia al termine del procedimento di fabbricazione, sia durante il normale utilizzo dello stesso sensore di pressione 1. Tale caratteristica è particolarmente vantaggiosa, come evidenziato in precedenza, ad esempio per applicazioni nel campo automobilistico.
In particolare, la struttura di auto-diagnosi 12, aggiuntiva rispetto alla struttura di rilevamento 4 del sensore di pressione 1, non comporta un sostanziale incremento del costo e della complessità realizzativa, in quanto prevede, per la sua realizzazione, fasi di processo in comune con quelle già previste per la realizzazione della struttura di rilevamento 4 del sensore di pressione 1.
In generale, le suddette caratteristiche rendono particolarmente vantaggioso l’utilizzo del sensore di pressione 1 in un dispositivo elettronico 40, ad esempio per applicazioni barometriche in campo automobilistico, come illustrato schematicamente in Figura 6.
In particolare, in tale Figura 6, è indicato nuovamente con 1 il sensore di pressione che integra una struttura MEMS includente la struttura di rilevamento 4 e la struttura di auto-diagnosi 12 precedentemente descritte; il sensore di pressione 1 comprende inoltre un circuito ASIC 43 che realizza la relativa interfaccia di lettura (e che può essere realizzato nella stessa piastrina o in una differente piastrina, che può comunque essere alloggiata in uno stesso package).
Il dispositivo elettronico 40 è generalmente in grado di elaborare, memorizzare e/o trasmettere e ricevere segnali ed informazioni, e comprende: un’unità di elaborazione 44, che riceve i segnali rilevati dal sensore di pressione 1 ed è inoltre configurato per controllare l’applicazione dello stimolo di attuazione tra gli elettrodi inferiore e superiore 22a, 22b del gruppo di attuazione 20 della struttura di autodiagnosi 12, in modo da consentire il test del funzionamento della struttura di rilevamento 4 dello stesso sensore di pressione 1; un’interfaccia di ingresso/uscita 45 collegata al microprocessore 44; ed una memoria interna 46, di tipo non volatile.
Il dispositivo elettronico 40, utilizzato in campo automobilistico, può ad esempio avere funzioni di controllo della miscela aria/carburante per la combustione nel motore, oppure funzioni di controllo dell’apertura di un airbag, in funzione del valore di pressione rilevato, oppure ancora funzioni di controllo dell’impianto frenante.
Risulta infine chiaro che a quanto descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di tutela della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, possono essere previste differenti conformazioni e/o disposizioni della regione piezoelettrica 21 della struttura di auto-diagnosi 12.
Ad esempio, come mostrato schematicamente in Figura 7, la regione piezoelettrica 21 può essere conformata a cornice, ad esempio sostanzialmente ad anello quadrato, ed essere disposta in corrispondenza dei lati perimetrali della sottostante membrana di attuazione 16 (in questo caso avente una estensione nel piano orizzontale xy minore rispetto alla suddetta cornice). La cornice definisce in questo caso internamente una regione vuota, priva di materiale piezoelettrico; la dimensione, lungo il primo o il secondo asse orizzontale x, y, indicata con D in Figura 7 tra un bordo interno della suddetta cornice ed il perimetro della membrana di attuazione 16 può essere compresa ad esempio tra 10 µm e 50 µm.
Potrebbero essere previste modifiche ai materiali utilizzati per la realizzazione del sensore di pressione 1, potendo ad esempio essere utilizzati differenti materiali metallici o dielettrici e/o un differente materiale piezoelettrico.
Inoltre, è evidente che il sensore di pressione 1 può vantaggiosamente essere utilizzato anche per differenti applicazioni in cui si desideri ottenere un rilevamento di pressione con caratteristiche di auto-diagnosi, ad esempio in dispositivi portatili o indossabili (quali smartphone, tablet, smartwatch, o analoghi), o in applicazioni industriali.
Il sensore di pressione 1 può eventualmente essere integrato con ulteriori sensori MEMS inerziali e/o microfonici, grazie alla generale compatibilità del procedimento di fabbricazione utilizzato.
Claims (20)
- RIVENDICAZIONI 1. Sensore di pressione microelettromeccanico (1), comprendente: un corpo monolitico (2) di materiale semiconduttore, avente una superficie anteriore (2a); ed una struttura di rilevamento (4) integrata in detto corpo monolitico (2) e dotata di: una cavità sepolta (5), completamente contenuta all’interno del corpo monolitico (2), in corrispondenza di detta superficie anteriore (2a); una membrana di rilevamento (6), sospesa al di sopra della cavità sepolta (5) e formata da una porzione superficiale (2') del corpo monolitico (2); ed elementi di rilevamento (8), di tipo piezoresistivo, disposti nella membrana di rilevamento (6) ed atti a rilevare una deformazione di detta membrana di rilevamento (6) per effetto di una pressione, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre una struttura di auto-diagnosi (12), integrata all’interno dello stesso corpo monolitico (2) in cui è integrata detta struttura di rilevamento (4) e configurata in modo da causare l’applicazione di una deformazione di test di detta membrana di rilevamento (6) per la verifica del funzionamento di detta struttura di rilevamento (4).
- 2. Sensore secondo la rivendicazione 1, in cui detta struttura di auto-diagnosi (12) comprende una rispettiva cavità sepolta (15), completamente contenuta all’interno del corpo monolitico (2), in corrispondenza della superficie anteriore (2a); una membrana di attuazione (16), sospesa al di sopra della rispettiva cavità sepolta (15); un gruppo di attuazione (20), accoppiato alla membrana di attuazione (16) ed operabile per causarne la deformazione; ed un canale di collegamento (18), sepolto e contenuto all’interno del corpo monolitico (2), collegante fluidicamente le cavità sepolte (5, 15) della struttura di rilevamento (4) e della struttura di auto-diagnosi (12) in modo da consentire la deformazione di test di detta membrana di rilevamento (6) in risposta alla deformazione di detta membrana di attuazione (16).
- 3. Sensore secondo la rivendicazione 2, in cui detto canale di collegamento (18) forma con le cavità sepolte (5, 15) della struttura di rilevamento (4) e della struttura di auto-diagnosi (12) un ambiente sepolto (19), interamente contenuto ed isolato all’interno del corpo monolitico (2), contente un’atmosfera ad una pressione controllata.
- 4. Sensore secondo la rivendicazione 3, in cui detta pressione controllata è compresa nell’intervallo compreso tra 0,1 mbar e 100 mbar.
- 5. Sensore secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detto canale di collegamento (18) è disposto ad una stessa profondità rispetto alla superficie anteriore (2a) del corpo monolitico (2) a cui si trovano le cavità sepolte (5, 15) della struttura di rilevamento (4) e della struttura di autodiagnosi (12).
- 6. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-5, in cui detto gruppo di attuazione (20) comprende una regione piezoelettrica (21), disposta al di sopra di detta membrana di attuazione (16), operabile per causare la deformazione della stessa membrana di attuazione (16) per effetto piezoelettrico.
- 7. Sensore secondo la rivendicazione 6, in cui detta regione piezoelettrica (21) comprende PZT – titanato zirconato di piombo.
- 8. Sensore secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui detta membrana di attuazione (16) presenta estensione principale in un piano orizzontale (xy) e detta regione piezoelettrica (21) è disposta centralmente rispetto alla membrana di attuazione (16); ed in cui un rapporto tra una lunghezza (L2) di detta regione piezoelettrica (21) lungo una direzione di detto piano orizzontale (xy) ed una corrispondente lunghezza (L1) di detta membrana di attuazione (16) è compreso tra 0,4 e 0,8.
- 9. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 6-8, in cui detto gruppo di attuazione (20) comprende inoltre: un elettrodo inferiore (22a), disposto al di sopra della membrana di attuazione (16), sulla superficie anteriore (2a) del corpo monolitico (2); ed un elettrodo superiore (22b), disposto al di sopra della regione piezoelettrica (21), a sua volta disposta al di sopra dell’elettrodo inferiore (22a).
- 10. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti elementi di rilevamento (8) disposti nella membrana di rilevamento (4) sono di tipo piezoresistivo e comprendono regioni superficiali drogate realizzate all’interno della membrana di rilevamento (6).
- 11. Dispositivo elettronico (40), comprendente il sensore di pressione (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed un’unità di elaborazione (44) accoppiata al sensore di pressione (1) e configurata in modo da ricevere segnali elettrici rilevati dal sensore di pressione (1) ed inoltre in modo da controllare l’applicazione di uno stimolo di attuazione alla struttura di auto-diagnosi (12), per causare detta deformazione di test.
- 12. Procedimento di fabbricazione di un sensore di pressione microelettromeccanico (1), comprendente: predisporre una fetta (30) includente un substrato (32) di materiale semiconduttore ed avente una superficie anteriore (32a); formare una struttura di rilevamento (4) integrata in detto substrato (32), includente: formare una cavità sepolta (5), completamente contenuta all’interno del substrato (32), in corrispondenza di detta superficie anteriore (32a); formare una membrana di rilevamento (6), sospesa al di sopra della cavità sepolta (5); e formare elementi di rilevamento (8), di tipo piezoresistivo, disposti nella membrana di rilevamento (6) ed atti a rilevare una deformazione di detta membrana di rilevamento (6) per effetto di una pressione, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre formare una struttura di auto-diagnosi (12), integrata all’interno dello stesso substrato (32) in cui è integrata detta struttura di rilevamento (4) e configurata in modo da causare l’applicazione di una deformazione di test di detta membrana di rilevamento (6) per la verifica del funzionamento di detta struttura di rilevamento (4).
- 13. Procedimento secondo la rivendicazione 12, in cui formare detta struttura di auto-diagnosi (12) comprende formare una rispettiva cavità sepolta (15), completamente contenuta all’interno del substrato (32), in corrispondenza della superficie anteriore (32a); formare una membrana di attuazione (16), sospesa al di sopra della rispettiva cavità sepolta (15); formare un gruppo di attuazione (20), accoppiato alla membrana di attuazione (16) ed operabile per causarne la deformazione; e formare un canale di collegamento (18), sepolto e contenuto all’interno del substrato (32), collegante fluidicamente le cavità sepolte (5, 15) della struttura di rilevamento (4) e della struttura di autodiagnosi (12) in modo da consentire la deformazione di test di detta membrana di rilevamento (6) in risposta alla deformazione di detta membrana di attuazione (16).
- 14. Procedimento secondo la rivendicazione 13, in cui le fasi di formare la cavità sepolta (5) di detta struttura di rilevamento (4), formare la cavità sepolta (15) di detta struttura di auto-diagnosi (12) e formare detto canale di collegamento (18) sono eseguite contestualmente.
- 15. Procedimento secondo la rivendicazione 14, in cui dette fasi di formare la cavità sepolta (5) di detta struttura di rilevamento (4), formare la cavità sepolta (15) di detta struttura di auto-diagnosi (12) e formare detto canale di collegamento (18) comprendono formare congiuntamente un ambiente sepolto (19), interamente contenuto ed isolato all’interno del substrato (32), contente un’atmosfera ad una pressione controllata.
- 16. Procedimento secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui dette fasi di formare la cavità sepolta (5) di detta struttura di rilevamento (4), formare la cavità sepolta (15) di detta struttura di auto-diagnosi (12) e formare detto canale di collegamento (18) comprendono: scavare, in rispettive aree all’interno di detto substrato (32), a partire dalla superficie anteriore (32a), trincee (36) delimitanti fra loro colonne (37) di materiale semiconduttore; crescere epitassialmente, a partire da dette colonne (37), uno strato di chiusura di materiale semiconduttore, detto strato di chiusura chiudendo superiormente dette trincee (36); ed eseguire un trattamento termico tale da causare la migrazione del materiale semiconduttore di dette colonne (37) verso detto strato di chiusura, formando dette cavità sepolte (5, 15) di detta struttura di rilevamento (4) e di detta struttura di auto-diagnosi (12), ed inoltre, contestualmente, dette membrane di rilevamento e di attuazione (6, 16) sospese al di sopra di dette cavità sepolte (5, 15) e detto canale di collegamento (18) tra dette cavità sepolte (5, 15).
- 17. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 13-16, in cui formare detto gruppo di attuazione (20) comprende formare una regione piezoelettrica (21), disposta al di sopra di detta membrana di attuazione (16), operabile per causare la deformazione della stessa membrana di attuazione (16) per effetto piezoelettrico.
- 18. Procedimento secondo la rivendicazione 17, in cui formare detta regione piezoelettrica (21) comprende formare e sagomare uno strato di PZT – titanato zirconato di piombo.
- 19. Procedimento secondo la rivendicazione 17 o 18, in cui formare la regione piezoelettrica (21) comprende realizzare detta regione piezoelettrica (21) centralmente rispetto alla membrana di attuazione (16); ed in cui detta membrana di attuazione (16) presenta estensione principale in un piano orizzontale (xy), ed un rapporto tra una lunghezza (L2) di detta regione piezoelettrica (21) lungo una direzione di detto piano orizzontale (xy) ed una corrispondente lunghezza (L1) di detta membrana di attuazione (16) è compreso tra 0,4 e 0,8.
- 20. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 17-19, in cui formare detto gruppo di attuazione (20) comprende inoltre: formare un elettrodo inferiore (22a), disposto al di sopra della membrana di attuazione (16), sulla superficie anteriore (32a) del substrato (32); e formare un elettrodo superiore (22b), disposto al di sopra della regione piezoelettrica (21), a sua volta disposta al di sopra dell’elettrodo inferiore (22a).
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