ITTO20130540A1 - Dispositivo mems dotato di membrana sospesa e relativo procedimento di fabbricazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “DISPOSITIVO MEMS DOTATO DI MEMBRANA SOSPESA E RELATIVO PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONEâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un dispositivo MEMS dotato di membrana sospesa e al relativo procedimento di fabbricazione. In particolare, la seguente descrizione farà riferimento, senza per questo perdere in generalità, ad un sensore di pressione MEMS di tipo incapsulato.

Sensori includenti strutture micromeccaniche realizzate, almeno in parte, con materiali semiconduttori e con la tecnologia MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sono sempre più utilizzati, grazie alle vantaggiose caratteristiche di ridotte dimensioni, bassi costi di fabbricazione, flessibilità. Specificamente, sensori di pressione realizzati con la tecnologia MEMS trovano tipicamente impiego nella medicina, in apparecchi domestici, nell'elettronica di consumo (cellulari, PDA, cioà ̈ Personal Digital Assistant) e in campo automobilistico. In particolare, in quest'ultimo settore, i sensori di pressione vengono utilizzati tradizionalmente per la rilevazione della pressione dei pneumatici dei veicoli, e sono utilizzati dalla centralina per la segnalazione di allarmi. I sensori di pressione vengono utilizzati anche per il monitoraggio della pressione degli air-bag, per il controllo della pressione di rottura del sistema ABS, e per il monitoraggio della pressione dell'olio del motore, della pressione di iniezione del carburante, ecc.

Un sensore MEMS comprende generalmente una struttura di rilevamento micromeccanica, che trasduce una grandezza meccanica da rilevare (ad esempio un insieme di onde acustiche, una pressione, ecc.) in una grandezza elettrica (ad esempio correlata ad una variazione capacitiva); ed un circuito elettronico di lettura, solitamente realizzato come ASIC (Application Specific Integrated Circuit), che esegue operazioni di elaborazione (tra cui l'amplificazione e il filtraggio) di tale grandezza elettrica e fornisce un segnale elettrico di uscita, analogico (ad esempio una tensione elettrica), o digitale (ad esempio un segnale PDM, Pulse Density Modulation, con modulazione a densità di impulsi). Tale segnale elettrico, eventualmente elaborato ulteriormente da un circuito elettronico di interfaccia, viene quindi reso disponibile ad un sistema elettronico esterno, ad esempio un circuito di controllo a microprocessore dell’apparecchio elettronico incorporante il sensore.

Per il rilevamento della grandezza meccanica, i sensori MEMS di tipo considerato comprendono una membrana formata in o su una piastrina semiconduttrice e sospesa sopra una cavità. La membrana à ̈ affacciata all'ambiente esterno o in comunicazione con questo tramite un percorso fluidico, come mostrato ad es. in US 8.049.287, a nome della stessa richiedente, descrivente una struttura di rilevamento includente un sensore di pressione MEMS, di tipo capacitivo differenziale. In particolare, in US 8.049.287, la membrana à ̈ affacciata ad una camera formata in un cappuccio di protezione fissato superiormente alla piastrina e forato per l'esposizione all'ambiente circostante o à ̈ affacciata ad una cavità scavata dal retro della piastrina e collegata con l'esterno attraverso un foro estendentesi attraverso elementi di supporto.

I sensori MEMS noti, benché ampiamente utilizzati e soddisfacenti, sono suscettibili di miglioramento in particolare per quanto riguarda l'insensibilità a stress di incapsulamento e al contempo alla robustezza della parte sensibile.Scopo della presente invenzione à ̈ quindi mettere a disposizione un dispositivo MEMS che superi gli inconvenienti della tecnica nota.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un dispositivo MEMS e il relativo procedimento di fabbricazione, come definiti nelle rivendicazioni 1 e 12, rispettivamente.

In pratica, nelle forme di realizzazione in seguito descritte, la parte sensibile del dispositivo à ̈ separata dal resto della piastrina e supportata tramite molle che disaccoppiano la parte sensibile dal resto della piastrina e assorbono lo stress da incapsulamento, senza trasferirlo alla parte sensibile. Inoltre, la parte sensibile à ̈ alloggiata all’interno di una cavità, in modo da essere libera di muoversi. Nel caso di sensore di pressione, inoltre, la piastrina à ̈ realizzata in modo che la membrana sensibile sia affacciata all'ambiente esterno o in comunicazione con questo tramite un percorso fluidico. Il movimento della parte sensibile à ̈ inoltre limitato tramite una struttura di limitazione corsa, in modo che lo stress trasferito alle molle non può raggiungere valori eccessivi vicini al punto di rottura delle molle, ad esempio durante le fasi di trasporto e assemblaggio. 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 mostra una sezione trasversale semplificata di un sensore MEMS incluso nel presente dispositivo;

- la figura 2 Ã ̈ una vista dall'alto su un particolare del sensore MEMS di fig. 1;

- le figure 3-5 sono sezioni trasversali di differenti forme di realizzazione del presente dispositivo MEMS;

- le figure 6-12 mostrano sezioni trasversali relative a fasi successive di fabbricazione del sensore MEMS di fig. 1;

- le figure 13-16 mostrano sezioni trasversali relative a fasi successive di fabbricazione del dispositivo MEMS di fig. 4; e

- la figura 17 mostra un apparecchio utilizzante il presente dispositivo MEMS.

La fig. 1 mostra in modo semplificato un sensore MEMS 1, nel caso specifico un sensore di pressione incapsulato, formato in una piastrina 10 di materiale semiconduttore, quale silicio. In dettaglio, la piastrina 10 presenta una prima ed una seconda faccia 10a, 10b; un cappuccio ("cap") 11 Ã ̈ fissato alla prima faccia 10a e chiude superiormente la piastrina ed una regione di chiusura 12 Ã ̈ fissata alla seconda faccia 10b della piastrina 10 tramite distanziatori 26.

Come visibile anche dalla fig. 2, la piastrina 10 comprende una regione sospesa 13 separata dal resto della piastrina 10 (chiamata in seguito porzione periferica 18) attraverso una trincea 14. Elementi elastici (indicati anche come molle 15) supportano la regione sospesa 13 e la collegano meccanicamente alla porzione periferica 18. La regione sospesa 13 alloggia qui una cavità sepolta 16 delimitante inferiormente una porzione della regione sospesa 13 affacciata alla prima faccia 10a e formante una membrana 19.

Nell'esempio mostrato, la regione sospesa 13 e la trincea 14 hanno forma rettangolare, in particolare quadrata, ma altre forme, ad esempio circolare, possono essere previste.

Nella forma di realizzazione di fig. 1, la regione sospesa 13 e le molle 15 hanno spessore inferiore (in direzione perpendicolare alle facce 10a, 10b) rispetto alla porzione periferica 18 della piastrina 10, per cui un'isola d'aria ("air gap") 21 si estende al di sotto della regione sospesa 13, delimitata lateralmente dalla porzione periferica 18 della piastrina 10.

La regione sospesa 13 à ̈ dotata di una struttura di limitazione corsa (anche indicata come "Z stopper") che limita l'oscillazione della regione sospesa 13 stessa in caso di urti o sollecitazioni che potrebbero danneggiare le molle 15. Nell'esempio di fig. 1, tale struttura di limitazione à ̈ costituita da un gambo ("stem") 20 che si estende solidalmente dalla regione sospesa 13 nell'isola d'aria 21 verso la regione di chiusura 12, terminando a breve distanza da quest'ultima di uno spazio pari allo spessore dei distanziatori 26.

Il cappuccio 11 copre qui superiormente tutta la prima faccia 10a della piastrina 10 e protegge quest'ultima rispetto all'esterno. Il cappuccio 11 à ̈ fissato tramite regioni di incollaggio 22, ad es. di metallo quale oro, stagno o rame, oppure in materiale polimerico o base di paste vetrose (glass-fritt), fissate alla porzione periferica 18 ed à ̈ quindi distanziato di uno spazio 23 rispetto alla prima faccia 10a grazie allo spessore delle regioni di incollaggio 22. Inoltre, il cappuccio 11 presenta un foro passante 24, qui posto in posizione sovrastante la membrana 19, e collegante fluidicamente la membrana 19 stessa all'ambiente circostante la piastrina 10. Tuttavia,la posizione del foro passante 24 non à ̈ cruciale, e il percorso fluidico può comprendere fori o aperture anche laterali, purché tali da connettere lo spazio 23 con l'ambiente esterno.

La regione di chiusura 12 ha funzione di protezione durante la manipolazione del sensore MEMS 1 (ad esempio durante il trasporto ad un impianto di assemblaggio). In generale, la regione chiusura 12 à ̈ costituita da una seconda piastrina alloggiante componenti elettronici o meno, ad esempio un ASIC, ma può essere costituita da un altro supporto, quale una scheda a circuito stampato o simili. I distanziatori 26 possono essere costituiti da uno strato di tipo FOW (Film on wire) o da una pellicola di fissaggio piastrine DAF (“Die Attach Film†) o da altro materiale usato nelle fasi di fabbricazione back-end oppure, se deposti in fase di front-end, da materiali a base di oro, rame, stagno, glass-fritt, o polimeri.

Nel dispositivo MEMS 1 di fig. 1, la membrana 19 à ̈ collegata fluidicamente all'esterno attraverso il foro passante 24 nel cappuccio 11 ed à ̈ sensibile alla pressione esterna al dispositivo MEMS 100.

Infatti, la membrana 19 Ã ̈ dotata, in modo noto e non mostrato, di elementi trasduttori, ad es. elementi piezoresistivi, i quali, al rilevamento di una deformazione della membrana 19 per effetto della pressione agente su di essa, generano un segnale elettrico fornito a componenti elettronici (non mostrati) integrati nella porzione periferica 18 e/o a un circuito di elaborazione esterno per la generazione di un segnale elettrico indicativo della pressione rilevata.

Grazie alla struttura descritta, la regione sospesa 13 portante la parte sensibile del sensore MEMS (membrana 19) Ã ̈ libera di muoversi entro certi limiti in direzione verticale (perpendicolare al piano di estensione principale della piastrina 10 e quindi alle facce 10a, 10b della stessa) e non risente di stress di fabbricazione, in particolare durante l'incapsulamento, in quanto la regione sospesa 13 Ã ̈ disaccoppiata meccanicamente dalla porzione periferica.

D'altra parte, la presenza di una struttura di limitazione corsa (in fig. 1, il gambo 20 insieme al cappuccio 11 e la regione di chiusura 12) impedisce che le molle 15 vengano sottoposte a sforzi elevati che ne potrebbero causare la rottura. Infatti, eventuali urti o sollecitazioni in direzione verticale non possono provocare sovraelongazioni delle molle 15, dato che lo spostamento verticale della regione sospesa 13 viene limitato da un lato dal cappuccio 11 (la cui distanza dalla regione sospesa 13 à ̈ fissata dalle regioni di incollaggio 22) e dall'altro dalla distanza fra il gambo 20 e la regione di chiusura 12, determinata, come si à ̈ detto, dallo spessore dei distanziatori 26 (anch'esso controllabile in fase di progetto).

Di conseguenza, il sensore MEMS 1 risulta resistente ad eventuali urti meccanici dovuti alle fasi di trasporto e assemblaggio o ricevuti durante l’uso del dispositivo nell’applicazione finale. In questo modo, viene ridotta la resa meccanica di assemblaggio e viene aumentata l’affidabilità del sensore dopo montaggio dello stesso nei dispositivi che lo utilizzano.

La figura 3 mostra un dispositivo MEMS 100 realizzato usando il sensore MEMS 1 di fig. 1. Qui, il lato posteriore della piastrina 10 (seconda faccia 10b) à ̈ incollato ad una seconda piastrina 35, ad esempio realizzata come ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Per chiarezza, quindi, in seguito la piastrina 10 verrà indicata come prima piastrina 10 e la piastrina 35 verrà indicata come seconda piastrina 35.

In particolare, qui i distanziatori fra la seconda piastrina 35 e la seconda faccia 10b della prima piastrina 10 sono formati da un primo strato adesivo 36, di materiale sagomabile ("patternable"), quale una pellicola biadesiva, ad esempio una pellicola di fissaggio piastrine DAF (“Die Attach Film†). Nell'esempio mostrato, la prima piastrina 10 à ̈ inoltre collegata elettricamente alla seconda piastrina 35 tramite connessione a filo 37, in modo noto.

A sua volta, la seconda piastrina 35 à ̈ fissata ad un corpo portante 40 attraverso uno strato adesivo 42, ad esempio una pellicola di fissaggio piastrine DAF. Il corpo portante 40 à ̈ formato ad esempio da una scheda a circuito stampato, o altro substrato multistrato organico (quale ad esempio uno strato BT – Bismaleimide Triazine) ad esempio di tipo LGA ("Land Grid Array"). La seconda piastrina 35 à ̈ collegata elettricamente al corpo portante 40 mediante connessioni a filo 44, in modo noto.

Materiale di incapsulamento ("packaging") 45, ad esempio di materiale plastico, quale resina, ricopre lateralmente il cappuccio 11, ingloba la prima piastrina 10 e la seconda piastrina 35 e si estende lateralmente a filo con il corpo portante 40, in modo da incapsulare e isolare completamente la prima piastrina 10 dall'ambiente esterno, ad eccezione del foro 24. Con questa soluzione, il dispositivo MEMS 100 presenta spessore minimo. Ad esempio, in campioni realizzati dalla richiedente, Ã ̈ stato possibile realizzare dispositivi MEMS 100 di spessore complessivo inferiore a 650 µm.

Nel dispositivo MEMS 200 di fig. 4 la regione di chiusura 12 di fig. 1 Ã ̈ realizzata da un secondo cappuccio 220, fissato alla seconda faccia della prima piastrina.

In pratica, il dispositivo MEMS 200 comprende una prima piastrina 210 analoga alla prima piastrina 10 delle figg. 1 e 3, e quindi includente una regione sospesa 213 supportata da una porzione periferica 218 attraverso molle 215. Qui, la prima piastrina 210 presenta spessore uniforme, con una prima faccia 210a ed una seconda faccia 210b delimitanti sia la porzione periferica 218 sia la regione sospesa 213 e definenti piani paralleli. Anche qui, la regione sospesa 213 alloggia una cavità sepolta 216 delimitante inferiormente una membrana 219.

Il primo cappuccio 211 à ̈ anche qui fissato alla prima faccia 210a della piastrina 200, ad esempio attraverso prime regioni di incollaggio 222 (analoghe alle regioni di incollaggio 22 di fig. 3), ed à ̈ dotato di un foro 224 per l'esposizione della membrana 219 all'ambiente esterno.

Il secondo cappuccio 220 à ̈ analogo al primo cappuccio 211 e quindi à ̈ costituito da un corpo di materiale semiconduttore, quale silicio, incollato alla seconda faccia 210b della piastrina 200 attraverso seconde regioni di incollaggio 236. Trincee di contenimento 238 nel secondo cappuccio 220 circondano la zona della piastrina 200 in cui sono formati la parte sensibile 213 e le molle 214, in modo da contenere eventuali allargamenti del materiale delle seconde regioni di incollaggio 236.

A sua volta, il secondo cappuccio 220 Ã ̈ fissato ad una seconda piastrina 235 costituente un circuito di elaborazione e analoga alla seconda piastrina 35 di fig. 3. La seconda piastrina 235 Ã ̈ fissata ad un corpo portante 240 (analogo al corpo portante 40 di fig. 3) attraverso uno strato adesivo 242, ad esempio una pellicola di fissaggio piastrine DAF.

Un materiale di incapsulamento ("packaging") 245 ricopre lateralmente il primo cappuccio 211, ingloba la prima piastrina 210, il secondo cappuccio 220 e la seconda piastrina 235 e si estende lateralmente a filo con il corpo portante 240, analogamente all'incapsulamento 45 di fig. 3.

Con questa soluzione, grazie al secondo cappuccio 211, si ottiene una robustezza molto maggiore del sensore MEMS e del relativo dispositivo MEMS 200 a scapito di un leggero aumento di ingombro. Infatti, l'assenza del gambo 20 delle figure 1, 3 compensa in parte la presenta di un ulteriore strato (secondo cappuccio 220) cosicché à ̈ ancora possibile realizzare dispositivi MEMS 200 di spessore complessivo inferiore a circa 750650 µm. .

La figura 5 mostra una forma di realizzazione di un dispositivo MEMS 300 simile al dispositivo MEMS 100 di fig. 3, in cui la membrana (qui indicata con 319) si estende al di sopra della prima faccia 310a della piastrina 310 e non à ̈ quindi formata all'interno della regione sospesa 313. Per il resto, il dispositivo MEMS 300 à ̈ del tutto simile al dispositivo MEMS 100 di fig.

3, per cui i componenti sono stati indicati con gli stessi numeri di riferimento. In alternativa, il dispositivo MEMS 300 potrebbe avere la struttura generale di fig. 4.

Il sensore MEMS 1 di fig. 1 viene fabbricato come descritto in seguito con riferimento alle figure 6-12.

Inizialmente, figura 6, una prima fetta 350 di silicio monocristallino, eventualmente coperta da uno strato di passivazione non mostrato ed avente una prima ed una seconda faccia 350a, 350b destinate a formare la prima e la seconda faccia 10a della prima piastrina 10) viene lavorata in modo da formare le cavità sepolte 16 che delimitano inferiormente le membrane 19. La formazione delle cavità sepolte 16 può avvenire in vari modi, ad esempio come insegnato ad esempio in EP1577656. Nella prima fetta 350 vengono anche integrati i componenti utili per il funzionamento del sensore MEMS, quali sensori di temperatura, riscaldatori, piezoresistori, ecc. Inoltre, sulla prima faccia 350a della prima fetta 350 viene depositato uno strato d'oro in modo da formare prime strutture di incollaggio ("bonding") 351 (ad esempio a forma di anelli).

Successivamente, figura 7, la prima fetta 350 viene attaccata dal fronte mediante attacco del silicio in modo da definire lateralmente le trincee 14 e le molle 15.

Parallelamente, prima o poi, figura 8, una seconda fetta 400 di silicio monocristallino, eventualmente coperta da uno strato di passivazione non mostrato ed avente una prima ed una seconda faccia 400a, 400b, viene dotata di seconde strutture di incollaggio 401 (ad esempio a forma di anelli). Le seconde strutture di incollaggio 401 sono realizzate sulla prima faccia 400a e possono essere realizzate analogamente per deposito e sagomatura di uno strato di oro, di glass-fritt o di materiali polimerici e hanno forma e dimensioni congruenti a quelle delle prime strutture di incollaggio 351.

Successivamente, la prima faccia 400a della seconda fetta 400 viene coperta da uno strato di sagomatura 402, tipicamente di resist, figura 9, e viene effettuato un attacco profondo del silicio per realizzare fori 403 e trincee 404. In particolare, sia i fori 403 sia le trincee 404 hanno forma ad esempio circolare o quadrangolare. Ad esempio, i fori 403 possono avere diametro o larghezza dell’ordine di 10-100 µm, mentre le trincee 404 hanno larghezza maggiore, tipicamente di alcune centinaia di micron, avendo lo scopo di consentire le connessioni a filo, come spiegato più in dettaglio in seguito.

L'attacco viene prolungato in modo che sia i fori 403 sia le trincee 404 abbiano profondità maggiore dello spessore previsto per il cappuccio 11 (fig. 3), ad es. di 190-240 µm (in generale, fori 403 e trincee 404 hanno profondità differenti dovuti ai differenti rapporti di forma.

Quindi, dopo la rimozione dello strato di sagomatura 402 dalla seconda fetta 400, questa viene ribaltata e fissata alla prima fetta 350 tramite un processo di incollaggio fetta-su-fetta (wafer-to-wafer bonding") di tipo noto. In particolare, la seconda fetta 400 viene disposta in modo che la sua prima faccia 400a sia rivolta verso la prima faccia 350a della prima fetta 350 e le prime strutture di incollaggio 351 siano allineate e a contatto con le seconde strutture di incollaggio 401 e formino con queste le regioni di incollaggio 22. Si ottiene così una fetta composita 500, figura 10.

Quindi, figura 11, la prima fetta 350 viene assottigliata dal retro a partire dalla seconda faccia 350b della prima fetta 350 (fino ad uno spessore di ad esempio 195 µm) in modo puramente meccanico ("mechanical polishing") e quindi viene attaccata dal retro, per la liberazione delle regioni sospese 13 e delle molle 15. In particolare, viene eseguito un attacco mascherato profondo del silicio in modo da rimuovere il materiale della prima fetta 350 al di sotto delle molle 15 e di parte della regione sospesa 13, mentre sono protette le parti destinate a formare le regioni periferiche 18 e i gambi 20. Si formano così le isole d'aria 21.

In seguito, figura 12, la seconda fetta 400 viene assottigliata fino a raggiungere il fondo dei fori 403 e delle trincee 404 (ad esempio, fino ad ottenere uno spessore di circa 210 µm della seconda fetta 400), attraverso una fase di molatura ("griding").

Dopo il fissaggio della regione di chiusura 12, ad esempio, come indicato, una seconda fetta di materiale semiconduttore, e il taglio della fetta composita 500 di fig. 12, si ottiene quindi il sensore MEMS 1 di fig.

1. In alternativa, qualora la regione di chiusura non sia costituita da una piastrina di materiale semiconduttore, la fetta composita 500 di fig. 12 viene inizialmente tagliata e quindi fissata ad un supporto costituente la regione di chiusura 12.

In alternativa, per realizzare il dispositivo MEMS di fig. 3, la fetta composita 500 di fig. 12 viene tagliata ("diced") in modo da separare le piastrine 10 e i relativi cappucci 11; utilizzando le normali tecniche di fabbricazione dei semiconduttori, viene realizzata la seconda piastrina 35; questa viene fissata alla seconda faccia 10b della piastrina 10; e viene incollato il corpo portante 40; vengono realizzate le connessioni a filo 37 e 44 (fig. 3) e viene stampato l'incapsulamento 45, ottenendo il dispositivo MEMS 100.

Per la fabbricazione del dispositivo MEMS 300 di fig. 4, Ã ̈ possibile eseguire fasi simili a quelle sopra descritte nelle figure 6-10, fino all'incollaggio della prima e della seconda fetta 350, 400.

Di conseguenza, dopo la realizzazione delle trincee 214 nella prima fetta 210, la realizzazione di fori 403 e trincee 404 nella seconda fetta 400 e l'incollaggio delle due fette 350, 400 per ottenere la fetta composita 500, la prima fetta 350 viene assottigliata, tramite molatura. In questo modo, figura 13, la porzione inferiore della prima fetta 350 viene rimossa, a partire dalla sua seconda faccia 350b. In questa forma di realizzazione, l'assottigliamento viene proseguito fino a quando la prima fetta 350 presenta uno spessore uniforme di ad esempio 140 µm, e comunque fino a raggiungere la trincea 214. In seguito all'assottigliamento, la prima fetta 350 Ã ̈ delimitata fra la prima faccia 350a ed una terza faccia 350c.

Successivamente, contemporaneamente o in precedenza viene effettuata la lavorazione di una terza fetta 600, per la realizzazione dei secondi cappucci 220. In dettaglio, figura 14, la terza fetta 600 viene inizialmente attaccata per formare le trincee di contenimento 238 a partire da una sua faccia 600a e le regioni adesive 236 vengono realizzate sulla stessa faccia 600a.

Quindi, figura 15, la terza fetta 600 viene ribaltata e fissata alla terza faccia 350c della prima fetta 350, utilizzando una tecnica di wafer-to-wafer bonding ed ottenendo una seconda fetta composita 650. Quindi, la terza fetta 600 viene assottigliata, tramite molatura, fino ad uno spessore di ad es. 170 µm.

In seguito, figura 16, e analogamente alla fig.

12, la seconda fetta 400 viene assottigliata dal retro fino a raggiungere il fondo dei fori 403 e delle trincee 404 (ad esempio, fino ad ottenere uno spessore di circa 210 µm della seconda fetta 400), attraverso una fase di molatura.

Seguono quindi le fasi finali sopra descritte, includenti: il taglio della seconda fetta composita 650; la realizzazione della seconda piastrina 235; il fissaggio di questa al secondo cappuccio 220; l'incollaggio al corpo portante 240; la realizzazione delle connessioni a filo 237 e 244 (fig. 4) e lo stampaggio dell'incapsulamento 245, ottenendo il dispositivo MEMS 200.

La figura 17 mostra schematicamente un apparecchio elettronico 150 che utilizza il dispositivo MEMS 100-300.

L’apparecchio elettronico 150 comprende, oltre al dispositivo MEMS 100-300, un microprocessore 154, un blocco di memoria 155, collegato al microprocessore 154, ed un’interfaccia di ingresso/uscita 156, anch’essa collegata con il microprocessore 154.

Inoltre, può essere presente un altoparlante 158, per generare un suono su un’uscita audio (non mostrata) dell’apparecchio elettronico 150.

In particolare, l’apparecchio elettronico 150 à ̈ fissato al corpo portante 101, qui costituito da un circuito stampato, a cui sono accoppiati meccanicamente ed elettricamente il dispositivo MEMS 100-300 e, tra l’altro, il microprocessore 154 ed il blocco di memoria 155.

L’apparecchio elettronico 150 à ̈ ad esempio un apparecchio di misura della pressione arteriosa (sfigmomanometro), un apparecchio domestico, un dispositivo di comunicazione mobile (cellulare, PDA -Personal Digital Assistant, un notebook) o un apparecchio di misura della pressione utilizzabile in campo automobilistico.

Il dispositivo MEMS 100-300 à ̈ quindi in grado di: i) disaccoppiare la porzione sensibile (regione sospesa 13; 213; 313) dal resto 18; 218 della piastrina 10, 210; 310 che alloggia il sensore, grazie alla presenza delle molle 15, 215; ii) permettere il movimento meccanico delle molle di sospensione e della regione sospesa 13, 213, 313 nonché la connessione fluidica della membrana 19; 219; 319 con l’ambiente esterno; iii) limitare le sollecitazioni meccaniche sulle molle, dato che le oscillazioni in direzione verticale della porzione sensibile sono limitate dalle piastrine di cappuccio e dalla struttura di limitazione corsa ("Z stopper").

Infatti, la separazione fra la porzione periferica 18, 218 e la regione sospesa 13, 213, 313 (e quindi la membrana 19, 219 319) della piastrina 11, 210, 310 dovuta alla trincea 14, 214 consente di evitare che stress di assemblaggio portino a deformazioni della membrana stessa e a variazioni dei parametri elettrici del sensore, che genererebbero imprecisioni di lettura.

D'altra parte, la regione sospesa 13, 213, 313 Ã ̈ protetta nei confronti di urti, sollecitazioni e in generale forze agenti in direzione verticale su di essa (perpendicolari alla prima faccia 10a, 210a della prima piastrina), in quanto la struttura di limitazione corsa impedisce spostamenti verticali eccessivi, preservando le molle 15, 215 da sforzi distruttivi.

In particolare, le procedure di fabbricazione sono basate su fasi note e comuni nella lavorazione MEMS. Inoltre, non sono richiesti schemi di assemblaggio che fanno uso di cappucci pre-sagomati (tipicamente usati per sensori di pressione, gas, umidità, microfoni, ecc.) ma à ̈ possibile usare tecniche standard di incapsulamento a resina, per cui i costi di fabbricazione sono più bassi rispetto a quelli di sensori simili già disponibili commercialmente. Inoltre il flusso di lavorazione proposto permette di ottenere dispositivi a basso spessore come richiesto ad esempio in applicazioni su dispositivi portatili.

Quando la struttura di limitazione à ̈ realizzata dall'interazione diretta della regione sospesa con un corpo inferiore, in particolare un secondo cappuccio come mostrato in fig. 4, si ha il vantaggio che il sensore MEMS (non ancora fissato al circuito di elaborazione e al supporto) à ̈ particolarmente robusto. Questo può essere particolarmente utile nel caso di sensori non assemblati nell'impianto di fabbricazione, ma venduti e spediti per il loro assemblaggio in luoghi anche molto remoti, in quanto in questo caso essi sono protetti dal secondo cappuccio, più robusto rispetto ad uno strato DAF o FOW. La presenza del cappuccio inferiore di supporto rende inoltre più facile la lavorazione durante le fasi di testing, taglio e assemblaggio, in quanto si riduce la possibilità di errori nei robot automatici di movimentazione dei pezzi e riduce la possibilità di rotture del pezzo stesso. Inoltre, grazie all'assottigliamento della prima piastrina, anche se à ̈ necessario introdurre un ulteriore strato (secondo cappuccio 220), l'ingombro verticale può essere contenuto.

Risulta infine chiaro che al sensore MEMS e al procedimento di fabbricazione qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, il presente sensore MEMS potrebbe essere, invece di un sensore di pressione, un sensore di umidità, un sensore di flusso, un sensore ambientale (ovvero un sensore combinato di pressione/umidità/temperatura), un sensore di aria/gas, un dispositivo microfluidico o anche un microfono miniaturizzato.

La connessione fra la membrana e l'esterno può avvenire tramite un percorso fluidico diverso dal foro 24, 224 nel primo cappuccio 11, 211, ad esempio dal basso attraverso un foro estendentesi almeno nella seconda piastrina 35 e/o prevedendo intercapedini fra gli strati sottostanti la prima piastrina 10, 210 e/o attraverso il materiale di incapsulamento 45.

Il cappuccio 11, 211 potrebbe presentare una cavità formante una camera sovrastante la membrana 19, 219, 319, qualora sia richiesto uno spazio aggiuntivo. Inoltre, il primo cappuccio 11, 211 potrebbe essere conformato in modo da circondare la prima piastrina 10, 210, 310 su tre lati ed essere fissato direttamente al circuito integrato 35, 235, al secondo cappuccio 220 e/o al supporto 40, 240, in particolare nelle forme di realizzazione delle figg. 3 e 5.

Le connessioni 37, 237, 44, 244 fra la prima piastrina 10, 210, 310 e il circuito di elaborazione 35, 235 e fra questo e il supporto 40, 240 potrebbero non essere di tipo a filo, ad esempio utilizzare vie passanti e/o connessioni dal retro.

Infine, i sensori MEMS delle figure 3, 5 potrebbero anch'essi dotati di un secondo cappuccio simile al secondo cappuccio 211 di fig. 4.

Claims (19)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo MEMS comprendente: una prima piastrina (10; 210; 310) di materiale semiconduttore avente una prima faccia (10a, 210a) ed una seconda faccia (10b, 210b); la prima piastrina formando una regione sospesa (13; 213; 313) ed una regione periferica (18; 218) separate da una trincea (14; 214) e collegate meccanicamente attraverso elementi elastici (15; 215); una membrana (19; 219; 319), formata nella o sulla regione sospesa e rivolta verso la prima faccia (10a, 210a); un primo cappuccio (11; 211), solidale alla prima piastrina, rivolto verso la prima faccia (10a, 210a) della prima piastrina (10; 210; 310) e sovrastante la prima piastrina almeno nella zona della regione sospesa e della trincea; una regione di chiusura (12; 35; 220), fissata alla seconda faccia (10b, 210b) della prima piastrina; e un percorso fluidico (24) estendentesi attraverso il dispositivo MEMS e collegante la membrana (19; 219; 319) con l'esterno del dispositivo; la regione di chiusura (12; 35; 220) formando, insieme con la prima piastrina e il primo cappuccio, una struttura di limitazione corsa configurata in modo da limitare movimenti della regione sospesa (13; 213; 313) in direzione perpendicolare alla prima faccia.
2. 2. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione 1, in cui la regione sospesa (13; 213; 313), la regione periferica (18; 218) e gli elementi elastici (15; 215) sono monolitici.
3. 3. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la regione di chiusura (12; 35; 220) Ã ̈ scelta fra una seconda piastrina di materiale semiconduttore, un corpo rigido e un supporto, quale una scheda a circuito stampato.
4. 4. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, in cui la regione periferica (18) presenta un primo spessore, la regione sospesa (13; 313) presenta un secondo spessore inferiore al primo spessore, un'isola d'aria (21) si estende sotto la regione sospesa e la struttura di limitazione corsa comprende inoltre un gambo (20) estendentesi dalla regione sospesa nell'isola d'aria, il gambo avendo un'area in un piano parallelo alla prima faccia (10a) ed essendo distanziato dalla regione di chiusura, e la regione sospesa avendo un'area maggiore rispetto all'area del gambo.
5. 5. Dispositivo MEMS secondo rivendicazione 3, in cui il gambo à ̈ monolitico (20) con la regione sospesa (13; 313).
6. 6. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, in cui la regione periferica (218) e la regione sospesa (213) hanno uguale spessore in una direzione perpendicolare alla prima faccia (210a) e uno strato distanziatore (236) Ã ̈ disposto fra la regione periferica (218) e la regione di chiusura (35) e delimita uno spazio fra prima piastrina (13; 213; 313) e la regione di chiusura.
7. 7. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un foro (24; 224) attraversante il primo cappuccio (11; 211).
8. 8. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un incapsulamento (45; 245) di materiale stampabile racchiudente lateralmente almeno la prima piastrina (10; 210; 310) e il primo cappuccio (11; 211).
9. 9. Dispositivo MEMS secondo la rivendicazione 8, in cui un supporto (40; 240) Ã ̈ fissato alla regione di chiusura, la regione di chiusura essendo circondata dall'incapsulamento (45; 245) e formando un circuito di elaborazione quale un ASIC.
10. 10. Dispositivo MEMS secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, formante un sensore di pressione, sensore di umidità, un sensore di flusso, un sensore ambientale, un sensore di gas, un dispositivo microfluidico o un microfono miniaturizzato.
11. 11. Apparecchio (150) comprendente: una unità di elaborazione (154); una interfaccia di ingresso/uscita (156) accoppiata alla unità di elaborazione (210); un dispositivo di memoria (155) accoppiato alla unità di elaborazione (210) e un dispositivo MEMS (100; 200; 300; 400) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-8.
12. 12. Processo di fabbricazione di un dispositivo MEMS, comprendente le fasi di: disporre ("providing") una prima piastrina (10; 210; 310) di materiale semiconduttore avente una prima faccia (10a, 210a) ed una seconda faccia (10b, 210b) e formante una regione sospesa (13; 213; 313) ed una regione periferica (18; 218) separate da una trincea (14; 214) e collegate meccanicamente attraverso elementi elastici (15; 215), la regione sospesa portando una membrana (19; 219; 319) rivolta verso la prima faccia; fissare un primo cappuccio (11; 211) alla prima piastrina in modo che il primo cappuccio sia rivolto verso la prima faccia della prima piastrina; rimuovere porzioni selettive della prima piastrina partire dalla seconda faccia in modo da formare una struttura di arresto (20; 350c); fissare una regione di chiusura (12; 35; 220) alla seconda faccia (10b, 210b) della prima piastrina, la regione di chiusura formando, insieme con la struttura di arresto e al primo cappuccio, mezzi di limitazione corsa configurati in modo da limitare movimenti della regione sospesa in direzione perpendicolare alla prima faccia.
13. 13. Processo secondo la rivendicazione 12, in cui la fase di rimuovere porzioni selettive della prima piastrina (10; 210; 310) comprende liberare la regione sospesa (13; 213; 313) e gli elementi elastici (15; 215).
14. 14. Processo la rivendicazione 12 o 13, in cui la fase di fissare un primo cappuccio (11; 211) viene eseguita a livello di fetta, in cui una prima fetta (350) di materiale semiconduttore avente una prima ed una seconda faccia (350a, 350b) e alloggiante la piastrina (10; 210) viene fissata ad una seconda fetta (400) di materiale semiconduttore includente il primo cappuccio, formando una fetta composita (500); il processo comprendendo inoltre assottigliare la seconda fetta (400) e successivamente tagliare la fetta composita (500) ottenendo un sensore MEMS includente la prima piastrina, il cappuccio e la regione di chiusura.
15. 15. Processo la rivendicazione 14, comprendente la fase di rimuovere porzioni selettive della prima fetta (350) a partire dalla prima faccia (350a) della prima fetta per la definizione della regione sospesa (13; 213; 313) e degli elementi elastici (15; 215) prima della fase di fissare la prima fetta alla seconda fetta (400) e la fase di formare la struttura di arresto (20; 350c) a partire dalla seconda faccia (350b) della prima fetta prima della fase di tagliare la fetta composita (500).
16. 16. Processo secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui la fase di formare la struttura di arresto comprende formare una cavità (21) a partire dalla seconda faccia 350b della prima fetta (350) in posizione sottostante la membrana (19), la cavità estendendosi fino a ed in comunicazione con la trincea (14) e circondando lateralmente un gambo (20) estendentesi dalla regione sospesa (13). (17).
17. Processo secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui la fase di formare la struttura di arresto (350b) comprende assottigliare la prima fetta (350) a partire dalla seconda faccia (350b) della prima fetta.
18. 18. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 14-17, in cui la fase di fissare una regione di chiusura comprende fissare una terza fetta (600) alla prima fetta (350) prima della fase di tagliare la fetta composita (500).
19. 19. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-17, comprendente: fissare la regione di chiusura (35; 235) ad un supporto (40; 240); e formare un incapsulamento (45) di materiale stampabile racchiudente, insieme al supporto (40; 240), la seconda piastrina, la regione di chiusura, la prima piastrina (10) e il cappuccio (11).