TW201435320A - 具有電磁防護件的微機電系統壓力感測器組件 - Google Patents

Abstract

一壓力感測器組件包含一壓力感測器晶粒和一電路晶粒。該壓力感測器晶粒含有一微機電系統壓力感測器和一電磁防護件層。該電路晶粒含有一ASIC，該ASIC經組態以產生一電性輸出，該電性輸出對應於由該微機電系統壓力感測器所感測的一壓力。該ASIC係電性地連接至該壓力感測器晶粒。該電磁防護件經組態以防護該微機電系統壓力感測器和該ASIC免於電磁輻射的影響。

Description

具有電磁防護件的微機電系統壓力感測器組件

本發明大致上關於半導體裝置，並且特別是關於一種微機電系統(MEMS)壓力感測器。

微機電系統已被證明在各種應用中由於靈敏度，空間分辨率和時間分辨率，並通過微機電系統元件表現出較低的功率需求的解決方案。由此，基於微機電系統的傳感器，例如加速度計、陀螺儀、聲學傳感器、光學傳感器和壓力傳感器，已經開發了用於在各種各樣的應用中使用。

微機電系統壓力感測器通常使用一可變形膜，其在施加壓力時偏轉。對於電容壓力感測器，一在薄膜上之電極在增加壓力之下朝一固定電極偏轉，而導致在兩電極之間的該電容之變化。此電容值係被測量以決定施加至該可變形膜之壓力。相同地，電容式麥克風反映聲振動而導致電容之變化。

雖然上面描述的微機電系統感測器適合於大多數的應用中，基本元件的結構和用於確定由該感測器測量到的壓力的電路可能會受到電磁場產生干擾。有時，由電磁場產生的干擾會負面地影響微機電系統感測器的性能。

鑑於上述情況，提供展現有高度電磁兼容性的一個微機電系 統壓力感測器為有利的。如果這樣的壓力感測器不需要顯著額外的空間，這將是進一步有利的。一種可以已知的製造技術來製造且表現高度的電磁兼容性的微機電系統壓力感測器將進一步更有利。

根據所揭示的一範例性實施例，一種壓力感測器組件含有一壓力感測器晶粒，其含有(i)一固定電極、(ii)一可移動電極，其位在該固定電極之下以及(iii)一電磁防護件，其位在該固定電極之上。

根據所揭示的另一範例性實施例，一壓力感測器組件含有一壓力感測器晶粒和一電路晶粒。該壓力感測器晶粒含有一微機電系統壓力感測器和一電磁防護件層。該電路晶粒含有一ASIC，該ASIC經組態以產生一電性輸出，該電性輸出對應於由該微機電系統壓力感測器所感測到的一壓力。該ASIC係電性連接至該壓力感測器晶粒。

100,100’‧‧‧壓力感測器組件

108,108’‧‧‧壓力感測器晶粒

110‧‧‧感測器部分

112’‧‧‧防護件部分

116,120‧‧‧傳導構件

122‧‧‧接合構件

124‧‧‧電路晶粒

132‧‧‧基板

140‧‧‧微機電系統壓力感測器

156‧‧‧電性的導線

164‧‧‧電性的導線

172‧‧‧空穴

188‧‧‧下可移動電極

180‧‧‧上固定電極

190‧‧‧可移動的磊晶矽薄膜

196‧‧‧空穴

204‧‧‧間隙

212‧‧‧ASIC

220‧‧‧直通矽穿孔

228‧‧‧焊球

上述特徵和優點，以及其它特徵和優點，所屬技術領域中具有通常知識者應當參照下面的詳細說明和其中的附圖變得更加顯而易見：圖1為微機電系統壓力感測器組件的立體圖，如本文中所述的，其具有一電磁防護件部分經組態以隔絕電磁輻射；圖2為沿著圖1之線II-II的橫切面示圖；以及圖3為相似於沿著圖1之線II-II的橫切面示圖，此處顯示的為另一實施例的微機電系統壓力感測器組件，如描述於此，具有電磁防護件部分經組態以隔絕電磁輻射。

為了促進對於本發明之原理的了解，將參照這些圖示於圖中並且描述於說明書中的實施例。應理解的是，其並未用以限制本發明的揭露範圍。應進一步了解的是，對於所述技術領域中具有通常知識者而言，此揭露含有對於圖示的實施例之改造和修改並且含有此揭露之原理的更進一步的應用。

如圖1所示，壓力感測器組件100含有一壓力感測器晶粒108、兩個傳導構件116和120、一接合構件122以及電路晶粒124。該壓力感測器組件100經顯示被設置於基板132上，例如印刷電路板或是其他適合用於裝置電子構件。

參照圖2，該壓力感測器晶粒108含有一感測器部分110和一電磁防護件112。該感測器部分110，其可由矽所形成，其含有至少一個微機電系統壓力感測器140。在用來說明的實施例中，該壓力感測器140為一電容式壓力感測器，其經組態以使用電容傳導原理感測壓力；然而，在其他實施例中，該感測器部分110含有任何所欲使用的型態的微機電系統感測器，包含但是不局限於其他型態的壓力感測器、加速度計、陀螺儀、聲學傳感器和光學傳感器。

該壓力感測器140含有一下可移動電極188、一上固定電極180和為其之間的一空穴172。如圖2所示，該可移動電極188係位於該固定電極180之下且在該壓力感測器晶粒108之一第一側(及一下側)上。在一實施例中，該可移動電極188係導電的並且係位於一可移動的磊晶矽薄膜190上。因此，該可移動電極188經組態以可相對於固定電極180而移動以對應於該薄膜190之移動。該可移動電極188係較佳地由導電材料所製成， 該導電材料被沉積/形成於該薄膜190上，但是可由任何所希望使用的材料所形成。在一實施例中，該可移動電極188定義大約為0.01-1.0平方微米(mm²)的一面積並且具有大約為1微米到20微米(μm)的一厚度。

該固定電極180係與該可移動電極188分隔開並且係位於該可移動電極和該防護件112之間。該固定電極180係較佳地由傳導材料所製成，例如被摻雜而為高傳導性的磊晶矽，但是可由任何所希望使用的材料所製成。該上電極180的面積大約相同於該可移動電極188的面積。

位於該可移動電極188和該固定電極180之間的空穴172係通常維持在真空或是近真空的狀態，因此，該壓力感測器140係經組態為一絕對壓力感測器。在其他實施例中，除了其他因子之外，該空穴172係在除真空或是近真空的壓力程度下，其係根據該壓力感測器組件100的操作環境。

參照圖2，該電磁防護件112為該壓力感測器晶粒108之一導電層/部份，其係位於固定電極180之上。在一實施例中，該防護件112係電性地接地或是連接至另一參考電位。因此，該電磁防護件112係實質上/完全地為無孔的。典型地，該防護件112之電阻of該防護件112係低於1歐姆公分(1.0Ω．cm)並且理想地係低於0.1歐姆公分(0.1Ω．cm)。在圖2的實施例中的該防護件112係與該壓力感測器晶粒108的第一側(該下側)分隔開。

該防護件112可被形成係藉由摻雜該上晶粒組件108之一區域而成為高導電性的。在另一實施例中，該防護件112被形成係藉由使用位在一絕緣薄膜上之一摻雜的矽層，其被設置在該上晶粒組件108之感測 器部分110之上。

如圖1和2所示，傳導構件116、120被設置在該壓力感測器晶粒108和該電路晶粒124之間並且係電性地彼此絕緣。該傳導構件116係藉由一電性的導線156而被電性地連接至該固定電極180，而該傳導構件120藉由一電性的導線164而被電性地連接至該可移動電極188。因此，傳導構件116、120電性地連接該壓力感測器晶粒108至該電路晶粒124。傳導構件116、120係由該壓力感測器晶粒108之一傳導部分、焊接劑或是任何其他金屬或傳導材料，例如被摻雜而成為導電性的矽。

接合構件122係位於該壓力感測器晶粒108和該電路晶粒124之間並且經組態以在結構上以一堆疊的構造連接該壓力感測器晶粒至該電路晶粒，例如使用共晶鍵合製程。接合構件122使該壓力感測器晶粒108與該電路晶粒124分隔開，使得空穴196被定義於其之間。在傳導構件116、120和接合構件122之間的間隙204(圖1)曝露空穴196於環繞該壓力感測器組件100的大氣(或是圍繞該壓力組件100的流體)。應注意的是，在另一實施例中，該壓力感測器晶粒108至該電路晶粒124之該結構上的連接係通過熱壓接合製程而完成。在另一實施例中，該壓力感測器晶粒108至該電路晶粒124之該結構上的連接係通過固體-液體-相互擴散接合或是通過金屬焊接、膠合及/或使用焊球。在進一步的實施例中，在當形成該壓力感測器組件100的相同的製造步驟過程中，接合構件122和傳導構件116、120被應用至該電路晶粒124(或該壓力感測器晶粒108)。在另一實施例中，該接合構件122和傳導構件116、120為相同的/等同的，使得一單一結構(未顯示)經建構而作為接合構件和傳導構件兩者。

該電路晶粒124含有一ASIC 212，並且定義複數個直通矽穿孔220。該ASIC 212係經由傳導構件116、120而電性地連接至該壓力感測器140。該ASIC 212經組態以產生一電性輸出，該電性輸出對應於由該壓力感測器140所感測到的壓力。如圖1和2所示，壓力感測器晶粒108的“所占面積(footprint)”係大約相等於該電路晶粒124的所占面積。在另一實施例中，該壓力感測器晶粒108的所占面積係大小不同於(無論是大於或小於)該電路晶粒124的所占面積。

該直通矽穿孔220經組態以傳送該壓力感測器組件100(包含該ASIC 212之輸出)之該電性輸出至一外部電路(未顯示)。因此，該直通矽穿孔220可從該外部電路接收電訊號，例如用於組態該ASIC 212的訊號。該壓力感測器組件100經顯示為含有三個直通矽穿孔220，然而，應了解的是，當被該ASIC 212使用時，該電路晶粒124可含有任何數量的直通矽穿孔。

如圖2所示，焊球228可被用於結構上地以及電性上地直接連接該壓力感測器組件100至該基板132而不具有該壓力感測器組件被固定在一封裝或殼體中。在所屬技術領域中具有通常知識者所知道的製程中，該焊球228被設置以直通矽穿孔220達成電性接觸。此種安裝方式係參照裸晶粒安裝/連接方式。由於該壓力感測器組件100不被安裝在一陶瓷或是預模造封裝中，該壓力感測器組件的製造成本係通常低於與傳統的封裝壓力感測器組件相關聯的製造成本。

一種製造該壓力感測器組件100的方法，其包含形成該壓力感測器晶粒108之該電磁防護件112部份。如上文所述，該防護件112之形 成係由摻雜該壓力感測器晶粒108之上層而成為高傳導性。任何所希望的摻雜製程可被用於形成該防護件112。

在另一實施例中，該防護件112含有一高傳導性的金屬化鍍膜/金屬化層，其係使用濺鍍、原子層沉積(ALD)或是矽化而形成。在濺鍍中，一來源材料被能量粒子轟擊以造成該來源材料的原子轉移到目標表面(即該壓力感測器晶粒108的上表面)。舉例來說，來源材料可含有金屬，例如鎳(Ni)、鈦(Ti)、鈷(Co)、鉬(Mo)、鉑(Pt)及/或任何其他所欲使用的金屬。舉例來說，鉑可被濺鍍至該壓力感測器晶粒108上而形成該防護件112，其為一無孔的鉑層。化學機械研磨(CMP)可被用於形狀化該防護件112及/或從該壓力感測器晶粒108移除所濺鍍的材料。

當ALD被用於形成防護件部分112時，一來源材料的順應層被沉積在該壓力感測器晶粒108上。通常來說，ALD被用於沉積材料係藉由依序曝露一基板(例如該壓力感測器晶粒108)於數種不同的前驅物。典型的沉積循環係開始於曝露該基板於一前驅物“A”，其與該基板表面反應直到飽合狀態。這被稱為“自終止反應”。接著，該基板被曝露於一前驅物“B”，其與該表面反應直到飽合狀態。第二自終止反應使該表面恢復活動。再度活動允許該前驅物“A”再一次與該表面反應。通常用於ALD的前驅物含有有機金屬前驅物和例如為水蒸氣或臭氧的一氧化劑。

該沉積循環通常產生一個原子層被形成於該基板上。之後，其他層係藉由重複該製程而被形成。因此，該順應層最後的厚度係藉由基板所曝露的沉積循環數量所控制。再者，使用ALD製程的沉積基本上不受該特定表面的定向所影響，該特定表面上有材料被沉積。因此，非常均勻 的厚度之材料可以在上部和下部兩者的水平表面和垂直表面上實現。在一實施例中，ALD係用於沉積鉑於該壓力感測器晶粒108上，使得該防護件112被形成為一無孔的鉑層。CMP可被用於形狀化該防護件112及/或從該壓力感測器晶粒108移除所沉積的材料。

如上所述，在某些實施例中，該防護件112之形成可藉由將該壓力感測器晶粒108之一部分轉化為矽化物，其為高傳導性的。要從一矽層形成該防護件112，先將一矽化物形成材料施加到該壓力感測器晶粒108。該矽化物形成材料為一材料，其與矽(Si)在高溫中反應以形成一矽化物合成物，其含有該矽化物形成材料和矽。在此範疇中的一些常見金屬包含有鎳(Ni)、鈦(Ti)、鈷(Co)、鉬(Mo)和鉑(Pt)。該矽化物形成材料可藉由原子層沉積來形成該順應層。

上述的製程為範例性的製程，其適用於形成該電磁防護件112。當然，該防護件112可藉由任何其所希望的製程來形成。

在執行中，該壓力感測器組件100感測位於圍繞該壓力感測器組件之大氣中的一流體(未顯示)的壓力。特別是，該壓力感測器組件100呈現一電性的輸出，該電性輸出對應於藉由在該空穴196之流體而施加在該薄膜190(以及該可移動電極188)的壓力。在該空穴196之流體的壓力造成該可移動電極188和該薄膜190相關於該固定電極180而移動，該可移動電極188與該固定電極180分隔大約1微米(1μm)。通常，增加壓力就會導致該可移動電極188移動靠近該固定電極180。該移動造成該固定電極180和該可移動電極188之間的電容充電。相較於其他類型的壓力感測器，該磊晶矽薄膜190與該電容組合在一起的換能工作方式使得該壓力感測器140 為機械性地堅固的。

該ASIC 212呈現一電性輸出訊號，其依據該固定電極180和該可移動電極188之間的電容而定。該ASIC 212的電性輸出訊號以已知的方法反應該固定電極180和該可移動電極188之間的電容的改變。因此，該ASIC 212的電性輸出訊號相關於藉由在該空穴196中之氣流而施加至該薄膜190上的壓力。

由於採用了防護件部分112、感測器部分110、ASIC 212以及電性的導線156、164，因此不會受到施加到或是靠近該壓力感測器組件100之電磁場和電磁輻射的影響。這是因為該防護件部分112作用為法拉第籠(Faraday Cage)/法拉第遮罩(Faraday Shield)，其至少部分地遮蔽該壓力感測器140和該ASIC 212免於電磁輻射的影響。由於該防護件部分112為無孔的，因此該防護件部分有效地遮蔽該感測器部分110免於電磁輻射的所有波長的影響。該防護件部分112藉由將任何周圍的電磁輻射導向地面而遮蔽該壓力感測器140、該ASIC 212以及電性的導線156、164。

該防護件部分112以一種低成本的方式來遮蔽該感測器部分110、該ASIC 212和該電性的導線156、164免於電磁場/輻射的影響而不需要增加該壓力感測器組件100的尺寸。相較於其他壓力該測器，其他壓力感測器係被設置在“金屬罐封裝”中以遮蔽其免於電磁場的影響。金屬罐封裝為良好的電磁防護件；然而，此種形式的封裝為昂貴的並且笨重的。該壓力感測器組件100之功能相同於設置在金屬罐封裝中的一感測器組件；然而，該壓力感測器組件100係較小、較輕、較便宜並且較容易安裝於該基板132上。

由於該壓力感測器組件100並非被安裝在一封裝中，其相較於其他封裝配置的壓力感測器組件係呈現出比較小的尺寸。特別是，該壓力感測器組件100經設置而對著該基板132的接觸面積係小於大約2平方釐米(2.0mm²)。因此，該壓力感測器組件的高度係小於大約1釐米(1mm)。應注意的是，在一實施例中，即使當該壓力感測器組件100係被電性地連接至該基板132，該高度還是小於1.0mm，因為並未使用打線接合來電性地連接該壓力感測器組件。再者，因為該可移動電極188係面向該ASIC 212，則該壓力感測器組件100並未含有(在該圖示的實施例中)保護殼，因此該電路晶粒124和該壓力感測器晶粒108保護該薄膜190。

該壓力感測器組件100之相對較小的尺寸使得它特別適合於消費類電子產品，例如輪胎壓力監測系統或是應用在其中的任何非常小、強壯並且低成本的所期望的壓力感測器。再者，該壓力感測器組件100可被實施在或是關聯於各種應用，像是家電、手提電腦、手持或是可攜帶式電腦、無線元件、平板電腦、個人資訊助理(PDA)、MP3播放裝置、相機、GPS接受器或是導航系統、電子書顯示器、投影機、駕駛艙控制、遊戲機、耳塞、耳機、助聽器、可帶式顯示元件、保全系統等等。

如圖3中所示，該壓力感測器組件100含有防護件部分112’的另一實施例其為碗狀的。除了被設置於該壓力感測器140之上，防護件部分112’亦被設置於該壓力感測器的側表面之上，使得該防護件部分112’自該壓力感測器晶粒108’的第一側(上側)延伸至該壓力感測器晶粒的一相對第二側(下側)。包含該防護件部分112’的該壓力感測器組件100’以相同於該壓力感測器組件100的方式操作。

應注意的是，在某些實施例中，該防護件112為可調的以阻擋特定波長範圍/頻率的電磁輻射。舉例來說，取代為無孔的，該防護件112可定義一預定尺寸的開口(未顯示)，其可以使得小於預定波長的電磁輻射通過。

如本文所使用的，術語之上、之下、上、下或是類似相關於該壓力感測器組件100之部分的相對設置/位置，其並非用以限制該壓力感測器組件的指向。舉例來說，在圖1中的該壓力感測器組件100顯示該壓力感測器晶粒108係位於該電路晶粒124之上，但是在其他實施例中，該壓力感測器晶粒108亦可轉向為在該電路晶粒124之下。

雖然本揭露已經在圖式和前面的描述中詳細說明並描述，然而，其應該被認為是說明性的，而非限制性性質的。應了解的是，僅有較佳的實施例被呈現並且其之揭露範圍中的所有改變、修改或是進一步的應用亦為所欲保護的範圍。

100‧‧‧壓力感測器組件

108‧‧‧壓力感測器晶粒

110‧‧‧感測器部分

112‧‧‧防護件部分

116,120‧‧‧傳導構件

122‧‧‧接合構件

124‧‧‧電路晶粒

132‧‧‧基板

196‧‧‧空穴

204‧‧‧間隙

Claims (20)

1. 一種壓力感測器組件，其包含：一壓力感測器晶粒，其含有(i)一固定電極、(ii)一可移動電極，其位在該固定電極之下以及(iii)一電磁防護件，其位在該固定電極之上。
2. 如申請專利範圍第1項之壓力感測器組件，其中該電磁防護件係電性地連接至接地。
3. 如申請專利範圍第2項之壓力感測器組件，其中該電磁防護件含有一金屬化鍍膜。
4. 如申請專利範圍第2項之壓力感測器組件，其中該電磁防護件含有一矽層。
5. 如申請專利範圍第2項之壓力感測器組件，其中該電磁防護件含有一經摻雜的矽層，其係導電的。
6. 如申請專利範圍第1項之壓力感測器組件，其中該電磁防護件為無孔的。
7. 如申請專利範圍第1項之壓力感測器組件，其中：該可移動電極係位在該壓力感測器晶粒的一第一側上，並且該電磁防護件從該第一側延伸至該壓力感測器晶粒的相對一第二側。
8. 如申請專利範圍第1項之壓力感測器組件，其中：該可移動電極係位於該壓力感測器晶粒之一第一側上，並且該電磁防護件係與該第一側分隔開。
9. 如申請專利範圍第1項之壓力感測器組件，其進一步包含：一電路晶粒，其包含經組態以產生一電性輸出的ASIC，該電性輸出對 應於該壓力感測器晶粒所感測到的一壓力；以及一傳導構件，其被設置在該壓力感測器晶粒和該電路晶粒之間並且經組態以電性地連接該壓力感測器晶粒至該電路晶粒。
10. 如申請專利範圍第1項之壓力感測器組件，其中該電磁防護件定義一電阻，該電阻小於或等於1歐姆．公分。
11. 一種壓力感測器組件，其包含：一壓力感測器晶粒，其含有一微機電系統壓力感測器和一電磁防護件層；以及一電路晶粒，其含有一ASIC，該ASIC經組態以產生一電性輸出，該電性輸出對應於由該微機電系統壓力感測器所感測到的一壓力，該ASIC係電性連接至該壓力感測器晶粒。
12. 如申請專利範圍第11項之壓力感測器組件，其中該電磁防護件層係電性地連接至接地。
13. 如申請專利範圍第11項之壓力感測器組件，其中該電磁防護件為導電性的，並且經組態以防護該微機電系統壓力感測器和該ASIC免於電磁輻射的影響。
14. 如申請專利範圍第11項之壓力感測器組件，其進一步包含：一接合構件，其被設置在該壓力感測器晶粒和該電路晶粒之間，使得該壓力感測器晶粒和該電路晶粒被安置在一堆疊的構造。
15. 如申請專利範圍第11項之壓力感測器組件，其中：該電路晶粒係經組態以作為一裸晶粒連結至一基板，並且該微機電系統壓力感測器和該ASIC係位於該電磁防護件層和該基板 之間。
16. 如申請專利範圍第11項之壓力感測器組件，其中：該微機電系統壓力感測器包含一固定電極以及位於該固定電極之下的一可移動電極，並且該電磁防護層係位於該固定電極之上。
17. 如申請專利範圍第16項之壓力感測器組件，其中：該可移動電極係位在該壓力感測器晶粒之一第一側上，並且該電磁防護層從該第一側延伸至該壓力感測器晶粒之一相對第二側。
18. 如申請專利範圍第16項之壓力感測器組件，其中：該可移動電極係位在該壓力感測器晶粒之一第一側上，並且該電磁防護層係與該第一側分隔開。
19. 如申請專利範圍第11項之壓力感測器組件，其中該電磁防護件含有一經摻雜的矽層，其係導電的。
20. 如申請專利範圍第11項之壓力感測器組件，其中該電磁防護件為無孔的。