具有隔离隔膜的传感器的制造方法

具有隔离隔膜的传感器的制造方法
【专利摘要】一种传感器组件，包括具有在其中形成腔的第一晶片以及相对于第一晶片结合从而在腔上方形成隔膜的第二晶片。在隔膜中或者环绕隔膜的第二晶片中形成沟槽，并且可以用隔离材料来填充该沟槽从而帮助热和/或电隔离隔膜。该隔膜可以支撑一个或多个感测元件。根据需要，传感器组件可以使用流量传感器、压力传感器、温度传感器、和/或任何其它适当传感器。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本公开总体上涉及传感器，并且更具体地涉及具有隔膜的鲁棒性（robust)传感 器。 具有隔离隔膜的传感器

【背景技术】
[0002] 传感器通常被用来感测流体的一个或多个特性。例如，流量传感器以及压力传感 器被用在各种各样的应用中，例如在工业过程控制、医疗设备、发动机等中。流量传感器经 常用于测量流体的流动速率，并且为仪器操作和/或控制提供流量信号。同样，压力传感器 经常被用于测量流体的压力，并且为仪器操作和/或控制提供压力信号。这些仅仅是可用 于感测一个或多个流体特性的传感器的少数示例。当被暴露到要感测的流体时一些传感器 可能是易受伤害的。例如，传感器可能对要被感测流体的湿气、颗粒物质、腐蚀特性或者其 它特性或状态易受伤害或敏感。在某些情况下，可能影响传感器的准确度和/或可靠性。存 在对鲁棒性传感器的需要，其能够经受住这些以及其它环境并且提供准确的结果。


【发明内容】

[0003] 本公开总体上涉及传感器，并且更具体地涉及具有隔膜的鲁棒性传感器。在一个 说明性实施例中，传感器组件包括感测管芯，该感测管芯包括具有在其中形成腔的第一晶 片以及在腔上方延伸以形成隔膜的第二晶片。在一些实例中，该第二晶片可以具有面向腔 的在其上的绝缘层。可以在隔膜中或环绕隔膜形成沟槽，并且在一些情况下，沟槽可以至少 部分地填充绝缘材料，例如氧化物。该沟槽可以环绕隔膜的周边延伸或者至少基本上环绕 其延伸。绝缘材料可以帮助热隔离和/或电隔离隔膜。举例说明，隔膜可以支撑用于感测 一个或多个被测对象（例如流体的流量或压力）的一个或多个感测元件。术语流体可以指 的是气相或者液相中的流体。
[0004] 在另一个说明性实施例中，传感器组件可以包括具有在其中形成腔的第一晶片， 其中腔限定了与第一晶片的第一侧邻近的腔边缘。被第一晶片的第一侧支撑的第二晶片可 以在腔上方延伸以形成传感器组件的隔膜。隔膜可以具有由腔的腔边缘限定的周边，并且 一个或多个感测元件可以由该隔膜支撑。在一些实例中，隔膜中的沟槽可以围绕或者基本 上围绕隔膜的周边。在一些实例中，沟槽可以至少部分地填充材料，该材料具有比第二晶片 的热传导率更小的热传导率。同样，并且在一些实例中，沟槽可以至少部分地填充材料，该 材料提供对隔膜的支撑，但是这不是在所有实施例中需要。
[0005] 在一些实例中，方法可以被用来制造具有隔膜的传感器。该方法可以包括在第一 晶片的第一侧中创建腔，其中第一晶片具有第一侧和第二相对侧。腔可以限定与第一晶片 的第一侧邻近的腔边缘。在一些情况下，第一晶片可以被提供在其中预先形成的腔。可以 相对于第一晶片的第一侧结合第二晶片，以形成在腔上方延伸的隔膜。隔膜可以具有由腔 的腔边缘限定的周边。该方法可以包括将一个或多个感测元件支撑在隔膜上并且在隔膜中 或环绕隔膜形成沟槽。在一些实例中，沟槽可以至少部分地填充材料，该材料具有比第二晶 片的热传导率更小的热传导率。
[0006] 提供前面的概要以便于对本公开的一些特征的理解，并且并不意图是全部的描 述。对本公开的完整的理解可以通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要看作整体来获 得。

【专利附图】

【附图说明】
[0007] 考虑本公开的各种说明性实施例的下面描述连同附图，可以更加完全地理解本公 开，其中：
[0008] 图1为说明性传感器组件的示意性顶视图；
[0009] 图2为图1的说明性传感器组件的沿图1的线2-2得到的示意性截面图，其具有 添加的说明性钝化层；
[0010] 图3为传感器组件的说明性第一晶片的示意性截面图，其中腔完全延伸通过说明 性第一晶片；
[0011] 图4为传感器组件的说明性第一晶片的示意性截面图，其中端口从第一晶片的第 一侧中形成的腔延伸，并且延伸通过到达说明性第一晶片的第二侧；
[0012] 图5A-5H为说明性传感器组件形成工艺的说明性示意截面图；
[0013] 图6为形成传感器组件的说明性方法的示意流程图。
[0014] 虽然本公开对各种修改和替代形式是可修正的，但是其具体细节已经作为示例在 图中示出，并且将被详细地描述。然而应当理解的是，意图并非是将公开限定到本文所描述 的特定说明性实施例。相反，意图是覆盖落入公开的精神和范围内的所有修改、等价物、以 及替换物。

【具体实施方式】
[0015] 下面的描述应当参考附图进行阅读，其中相似的参考数字指示遍及几个视图的相 似的元件。对"上面"、"下面"、"顶部"和"底部"等的参考是相对性术语，并且本文中是关 于附图作出的，并且不一定对应于实际物理空间中的任何特定取向。描述和附图示出几个 示例，其意图是说明所要求保护的公开。
[0016] 图1为说明性传感器组件10的示意性顶视图。尽管在本公开中将流量传感器示作 示例，应设想到可以根据需要提供任何合适的传感器（例如，压力传感器，温度传感器等）。 图2为图1的说明性传感器组件10沿剖线2-2得到的示意性截面图。
[0017] 图1-2的说明性传感器组件10可以包括第一晶片12(例如，初始晶片）和第二晶 片14,其两者或一个可以由硅和/或任何其它适当材料制成。第一晶片12可以具有第一侧 12a，以及与第一侧12a相对的第二侧12b。第一晶片12可以具有在其中形成的腔16。第 二晶片14可以以一种方式被定位在腔16上方以便形成隔膜18。词"隔膜"可以被考虑成 任何相对薄的膜片或桥。在流量传感器组件中，隔膜18可以帮助加热器44和/或一个或 多个感测元件46与第一晶片12的热隔离（参见下文），其可以帮助改进传感器组件的敏感 度和响应时间。在压力传感器组件中，隔膜18可能实际上被形变或者由于由流体施加压力 而另外受应力。于是由隔膜18支撑的一个或多个感测元件可以检测到该应力。
[0018] 在一些实例中，第二晶片14可以具有在其上的绝缘层20,其面向第一晶片12并且 从而被支撑。在一些实例中，绝缘层20可形成隔膜18的一部分。在第一晶片12中形成的 腔16可以限定与第一晶片12的第一侧12a邻近的腔边缘34。隔膜18可以在第一晶片12 中的腔16的上方延伸，使得其具有由腔16的腔边缘34限定的周边19。说明性传感器组件 10可以包括一个或多个感测元件24,该感测元件24由所形成的第二晶片14的隔膜18支 撑，或者将由其支撑。
[0019] 在一些实例中，可以在第二晶片14中形成沟槽22,使得其环绕或者基本上环绕隔 膜18延伸。如本文所使用的，术语"基本上环绕"可以表示大于70%环绕、大于80%环绕、 大于90 %环绕、大于95 %环绕或者更多。在一些实例中，沟槽22可以形成为围绕或者基本 上围绕在隔膜18上支撑的一个或多个感测元件24。可替换地，或者另外地，沟槽22可以形 成为围绕或者基本上围绕隔膜18的周边19。
[0020] 在一些情况下，为了辅助热和/或电隔离隔膜18(以及例如感测元件24)和/或 为了其它目的，沟槽22可以被填充一种或多种材料。在一个示例中，沟槽22可以被填充绝 缘材料40,以热和/或电隔离隔膜18 (例如，将隔膜18与第二晶片14和/或第一晶片12 的其它部分热和/或电隔离）。当被这样提供时，用于填充沟槽22的绝缘材料40可以是 任意的热和/或电绝缘材料40。例如，绝缘材料40可以是氧化物，例如二氧化硅。在一些 实例中，绝缘材料40可以对隔膜18提供一些支撑，特别是如果/当沟槽22延伸到隔膜18 中。另外地，或者可替换地，绝缘材料40可以是具有小于第二晶片14或第二晶片14 一部 分（例如，第二晶片14的硅层26)的材料的热传导率的热传导率的热和/或电绝缘材料。
[0021] 第二晶片14可以由任何材料形成，并且可以以任何方式形成。在一个示例中，第 二晶片14可以由在一侧具有氧化层的硅形成。在这样的实例中，第二晶片14可以是绝缘 体上硅（SOI)晶片（例如，在氧化层的相对侧具有或者不具有薄的硅外延层）。用于第二晶 片14的适合的材料可以包括硅、氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化铝、碳化硅、和/或根据需要 的任何其它合适材料或材料的组合。
[0022] 可以以任何方式相对于第一晶片12来固定第二晶片14。在一些实例中，第二晶片 14可以被结合（例如熔化结合或者以另一方式结合）到第一晶片12,或者根据需要以任何 其它合适的方式连接到第一晶片12。在一些情况下，第二晶片14的绝缘层20可以被结合 到第一晶片12。
[0023] 如图2中所示，第二晶片中的沟槽22可以一直延伸通过第二晶片14,但这并不是 必需的。例如，沟槽22可以从第二晶片14的第一侧14a延伸到第二晶片14的第二侧14b。 可替换地或者另外地，沟槽22可以从硅层26的第一侧26a延伸通过第二晶片14的硅层26 到达硅层26的第二侧26b，但是并不通过绝缘层20。
[0024] 在一些实例中，传感器管芯可以具有在第二晶片14上形成的或者另外被施加到 其的钝化层28。举例说明，钝化层28可以被施加到与绝缘层20相对的第二晶片14(例如， 在硅层26与绝缘层20相对的侧）。在图2中所示的示例中，钝化层28可以被施加到第二 晶片14的第一侧14a (例如，硅层26的第一侧26a)。
[0025] 在一些实例中，说明性传感器组件10可以包括一个或多个开口 30,该开口 30从第 一晶片12的第一侧12a中的腔16延伸通过到达第一晶片12的第二侧12b。在一个示例 中，如图3中所示，腔16可以从第一晶片12的第一侧12a延伸完全通过第一晶片12到达 第一晶片12的第二侧12b。在其它实例中，或者另外地，第一晶片12中的开口 30可以是如 图4中所示的端口 32,或者从腔16延伸通过第一晶片12的第二侧12b的其它开口。
[0026] 图5A-5H描绘了用于制造说明性传感器组件10的示意性方法或工艺流程，该传感 器组件10具有热和/或电隔离的隔膜18。可以用第一晶片12和第二晶片14制造说明性 传感器组件10,如图5A中所示那样。第一晶片12可以具有第一侧12a和第二侧12b，其中 第一晶片可以是硅晶片（例如，P型衬底晶片或者其它晶片类型）。具有第一侧14a和第二 侦U 14b的第二晶片14可以具有硅层26和绝缘层20 (例如，形成N型晶片或其它晶片类型 的SOI晶片）。第二晶片14的厚度可以基于隔膜18的理想厚度或者基于任何其它因素来 选择。
[0027] 如图5B中所示，腔16可以被形成在第一晶片12的第一侧12a中。腔16可以从 第一侧12a-直通过第一晶片12到第二侧12b来形成，或者如图5B中所示，可以从第一侧 12a部分地通过第一晶片12而形成。可以用任何腔形成技术来形成腔16。例如，可以通过 蚀刻来将腔16图案化。蚀刻可以形成腔16使得其具有腔壁36,该腔壁36通常从第一晶片 12的第一侧12a(例如，在腔边缘34处）会聚到腔16的底部38。腔16的深度可以通过调 整蚀刻时间进行控制。可以基于隔膜18的期望长度和/或宽度或直径来选择腔边缘34处 的腔16的长度和/或宽度或直径。在腔16完全延伸通过第一晶片12的情况下，可以用一 次蚀刻或者用两次蚀刻（例如，一次形成第一晶片12的第一侧12a，并且一次形成第一晶片 12的第二侧12b)来形成腔16,如图3中所示。
[0028] 图5C和?描绘了第二晶片14与第一晶片12的连接。在一些实例中，第二晶片 14可以以任何方式结合到第一晶片12。在一个示例中，第二晶片14可以被熔化结合到第 一晶片12或者以任何其它适当的方式结合到第一晶片12。
[0029] 图5E中示出沟槽22在第二晶片14中的形成。沟槽22可以被形成为便于隔膜18 与第二晶片14的其它部分（例如，第二晶片14不形成隔膜18的硅部分）热和/或电隔离。 在一些实例中，沟槽22可以被形成为基本上包围隔膜18。例如，沟槽22可以具有围绕或者 基本围绕腔边缘34的内周边（例如，隔膜18的周边19)。可替换地，或者另外地，沟槽22 的全部或者某部分可以从腔边缘34向内或向外横向偏移，和/或与腔边缘34交叠。在一些 实例中，如图5E中所示，可以至少通过硅层26的整个厚度（例如，从硅层26的第一侧26a 通过硅层26的第二侧26b)并且可选地通过包括绝缘层20的整个第二晶片14(但这不是 必需的）来形成沟槽22。可以用任何蚀刻工艺或者其它沟槽形成工艺来在第二晶片14中 形成沟槽22。例如，可以至少部分地用深反应离子蚀刻（DRIE)工艺或者任何其它适当的工 艺形成沟槽22。
[0030] 在一些实例中，并且如图5F中所示，沟槽22可以被完全或者部分地填充绝缘材料 40。填充沟槽22的该绝缘材料40可以是与形成绝缘层20的材料相同的材料或者可以是 与其不同的材料。在一个示例中，用于完全或者部分地填充沟槽22的该绝缘材料40可以 是介电材料和/或诸如氧化物材料（例如氧化硅或者其它氧化物）之类的具有相对低热传 导率的材料。可以用任何已知的沉积或者本领域中已知的施加技术将绝缘材料40施加到 沟槽22。一旦绝缘材料40已被沉积在沟槽22中或者被施加到沟槽22,如果需要，可以对 沟槽22中的绝缘材料40和/或第二晶片14的第一侧14a施加化学机械抛光（CMP)工艺 或者其它工艺。
[0031] 如图5G中所示，可以对第二晶片14的隔膜18施加一个或多个感测元件24,使得 感测元件24至少部分地被隔膜18支撑。在一个示例中，感测元件24可以被定位在隔膜18 上，使得沟槽22可以围绕或者基本上围绕一个或多个感测元件24。如本文中所使用的，术 语"基本围绕"被定义为围绕大于70%、80%、90%、95%或更多的环绕一个或多个感测元件 的路线。
[0032] 感测元件24可以是任何类型的感测元件。例如，感测元件可以交互工作从而感测 压力、压力的变化、流量、流量的变化、温度、温度的变化、和/或一个或多个其它被测对象。 在一个实例中，感测元件可以包括被定位在一个或多个加热电阻器44 (heater resistor) 的上游的一个或多个上游电阻器42,以及被定位在加热电阻器44的下游的一个或多个下 游电阻器46。
[0033] 在一个示例中，一个或多个上游电阻器42以及一个或多个下游电阻器46可以以 惠斯通电桥配置被布置，如例如在7, 278, 309号，Dmytriw等人的"INTERDIGITATED，FULL WHEATSTONE BRIDGE FLOW SENSOR TRANSDUCER"的美国专利中所描述的，其在此通过引入被 全部并入。在这种流量传感器组件中，流体可以被定向成流动经过固定到和/或设置在隔 膜18中或上的流量传感器部件（例如，感测元件24)。在一个示例中，流体流可以在从上游 电阻器42向着下游电阻器46的方向流动。加热电阻器44可以将电能消耗成热量，将其附 近的流体加温。根据流体的流动速率，可以在感测电阻器42和46之间产生温度差异。流 量传感器的性能可以取决于从流体转移到感测电阻器42和/或46的热量，而不是通过其 它热量传导路径的热量。沟槽22可以帮助隔膜18、加热电阻器44、上游电阻器42、以及下 游电阻器46与第二晶片14(以及第一晶片12)的其它区域热隔离。
[0034] 在一些实例中，可以用一种或多种任何适当方法在隔膜18中或上面形成感测元 件24。例如，可以在隔膜18的顶部上沉积并限定电阻性部件。各种电阻器材料可以是可用 的，包括但不限于钼、掺杂的多晶娃、掺杂的晶体娃、坡莫合金、娃铬（SiCr)、钽、氮化钽、铬 合金、镍铬合金（nichrome)、金属娃化物、和/或任何其它适当的材料或材料组合。
[0035] 如所讨论的，说明性传感器组件10可以包括没被设置在隔膜18中或者上面的其 它流量传感器组件。在一些实例中，根据需要可以沿着一个或多个晶片边缘或者在说明性 传感器组件10上的其它位置处设置线结合焊盘48。线结合焊盘48可以能够（和/或被配 置成）相对于一个或多个感测元件或者感测管芯部件（例如加热电阻器44、电阻器42,46、 和/或被定位成在隔膜18上或者离开隔膜18的其它电阻器或其它部件）传达信号。根据 需要，线结合焊盘48可以包括金、铜、铝、或者任何其它适当的导体材料或材料组合或者主 要由其形成。可以提供迹线、线结合、或者其它连接器从而将线结合焊盘48与适当的感测 元件24或者传感器组件部件电连接。
[0036] 图5H描绘对第二晶片14施加钝化层28的工艺。根据需要，可以通过任何已知的 沉积或者本领域中已知的施加工艺（例如，化学气相沉积（CVD)和/或其它工艺）施加钝 化层。钝化层28可以包括任何材料或材料的组合。在一个示例中，钝化层28可以是氮化 物或者适用于感测管芯的其它钝化层材料。钝化层28可以帮助保护感测元件24。
[0037] 尽管图5A-5H中所描绘的工艺以附图的顺序次序被讨论，应设想到所讨论的工艺 的一个或多个步骤可以以另一次序来执行。同样，虽然图5A-5H中示出流量传感器，应设想 到可以提供其它传感器。例如，在压力传感器中，感测元件24可以包括压电电阻器，其随着 隔膜响应于由被感测的流体所施加的压力而变形，经历电阻的变化。
[0038] 图6为高级流程图，其图示出形成具有热和/或电隔离隔膜18的说明性传感器组 件10的说明性方法150。在102处，该方法包括在第一晶片12中创建腔16。在第一晶片 12具有第一侧12a以及与第一侧12a相对的第二侧12b的情况下，腔16可以被形成在第一 晶片12的第一侧12a中，使得腔16限定了与第一晶片12的第一侧12a邻近的腔边缘34。 在一些情况中，腔16可以部分地延伸通过第一晶片12或者完全地通过第一晶片12。在104 处，第二晶片14可以相对于第一晶片12被结合从而形成在腔16上方延伸的隔膜18。
[0039] 举例说明，隔膜18可以具有由腔16的腔边缘34限定的周边19。在106处，一个 或多个感测元件24可以被支撑在隔膜18中和/或上面。在108处，可以在第二晶片14的 隔膜18中或环绕其来形成沟槽22。在形成沟槽22之前沉积感测元件24的情况下，沟槽22 可以被形成为围绕或者基本围绕一个或多个感测元件24。在形成沟槽22之后沉积感测元 件24的情况下，沟槽22可以被形成为为感测元件24提供空间，使得沟槽22能够围绕或者 基本上围绕一个或多个感测元件24。在110处，沟槽22可以被填充绝缘材料40。在一些 实例中，被用于填充沟槽22的绝缘材料40可以具有小于第二晶片14的热传导率的热传导 率。另外，应设想到在使用绝缘材料40填充沟槽22之后或者之前，感测元件24可以被支 撑在隔膜18中和/或上面。在一些实例中，在110处沟槽22已被填充之后，感测元件可以 被电连接到结合焊盘48。尽管本文所描述的高级方法100以一种或多种特定次序被描述， 应设想到，根据需要，方法100的步骤可以以其它次序来被执行。
[0040] 本公开不应该被认为是限制于上面描述的特定示例。在回顾本说明书时，对本公 开可能是可适用的各种修改、等同工艺、以及大量结构将对本领域技术人员来说是容易地 显而易见的。
【权利要求】
1. 一种传感器组件，包括： 第一晶片，其具有在其中形成的腔，该腔限定与第一晶片的第一侧邻近的腔边缘； 第二晶片，其被第一晶片的第一侧支撑，其中第二晶片在腔的上方延伸从而形成隔膜， 隔膜具有由腔的腔边缘限定的周边； 由隔膜支撑的一个或多个感测元件；以及 沟槽，其围绕或者基本围绕隔膜的周边。
2. 根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述沟槽一直延伸通过第二晶片。
3. 根据权利要求1所述的传感器组件,进一步包括位于沟槽中的绝缘材料，以及位于 面向腔的隔膜上的绝缘层。
4. 根据权利要求1所述的传感器组件，其中： 所述第二晶片具有在其上的绝缘层；并且 当所述第二晶片被所述第一晶片的第一侧支撑时，所述绝缘层面向所述腔。
5. 根据权利要求4所述的传感器组件，进一步包括在与所述绝缘层相对的所述第二晶 片上的钝化层。
6. -种制造具有隔膜的传感器的方法，所述方法包括： 在第一晶片的第一侧中创建腔，第一晶片具有第一侧和第二相对侧，腔限定了与第一 晶片的第一侧邻近的腔边缘； 相对于第一晶片的第一侧结合第二晶片，从而形成在腔的上方延伸的隔膜，所述隔膜 具有由所述腔的腔边缘限定的周边； 在所述隔膜上支撑一个或多个感测元件；并且 形成环绕隔膜的沟槽，所述沟槽围绕或者基本围绕一个或多个感测元件，所述沟槽至 少部分地填充材料，所述材料具有小于所述第二晶片的热传导率的热传导率。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述隔膜具有面向腔的电绝缘材料。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中用熔化结合技术将所述第二晶片结合到所述第一 晶片。
9. 根据权利要求6所述的方法，其中至少部分地使用深反应离子蚀刻（DRIE)工艺来形 成所述沟槽。
10. 根据权利要求6所述的方法，其中用热氧化工艺以及氧化物沉积工艺中的一个将 沟槽填充。
【文档编号】G01D5/16GK104101367SQ201410213258
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月8日 优先权日:2013年4月9日
【发明者】C·斯图尔特, S·E·贝克, R·A·戴维斯, G·莫拉莱斯 申请人:霍尼韦尔国际公司