专利名称：高温下应用的介质兼容型电隔离压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及压力传感装置，更具体而言，涉及在高温下处于恶性及/或电传导加压介质中的压力传感元件。
背景技术：
隔膜式压力传感器已经被广泛地应用，其中加压介质所施加的压力使隔膜发生偏转，并且被耦合至该隔膜的传感元件(诸如应变仪)对该偏转进行检测，并且向用以校正隔膜倾斜的信号提供一定的压力。主要有两种类型的压力传感器。第一种类型被称作差压传感器，该差压传感器测量相对于大气压的压力。第二种类型被称作绝对压力传感器，该绝对压力传感器通常测量相对于真空或者零压力的压力。图 IA 和图 IB 分别示出了由 Silicon Microstructures, Inc. of Milpitas，CA (压力传感器型号为SM510》制造的传统差压传感器100和传统绝对压力传感器110。这两种压力传感器100和110均使用了带有隔膜的硅微机械结构(也被称作测量晶片(gauge wafer))，其中该隔膜具有位于其上方或者外表面上的传感元件(未示出)。该微机械结构被安装在支撑结构上(也被称作垫片)。压力传感器的一般维度用mm表示。这两种压力传感器100和110均为顶侧式压力传感器，即加压介质到达隔膜的顶侧或者外侧。差压传感器100中的支撑结构具有开口，以将隔膜的相对侧(即，底侧或者内侧)暴露到大气压中。 另一方面，绝对压力传感器110中的支撑结构没有开口，并且界定该隔膜下方的真空参照腔室。当传感元件上的保护涂层发生损坏而使隔膜顶侧上的传感元件接触到恶性的加压介质时，这两种压力传感器100和110并不适合牵涉到恶性压力介质(诸如染料混合物和酸溶液等)。差压传感器读取相对于大气压的压力。大气压会随海拔和气候条件发生变化。因此，当需求较高的精度时，往往优选绝对压力传感器。例如，压差读数可能随大气压的变化而改变2-3psi。因此，如果全量程为IOOpsi时，则压力读数中会存在2%至3%的误差。在 500psi以下使用的大多数新的压力传感器在其可操作温度范围、可操作压力范围内以及在产品的整个寿命期间，要求+/-1%的精确度。因此，绝对压力传感器在上述应用中变得非常重要。图 2 示出了由 Silicon Microstructures, Inc. of Milpitas，CA(压力传感器型号为SM51U)制造的传统绝对压力传感器200。压力传感器200使用了带有微机械隔膜的硅测量晶片。被封闭到该测量晶片的硼硅玻璃罩在该隔膜上方产生了参照真空腔室。加压介质从该隔膜的底侧施加压力。支撑结构(垫片)由硼硅玻璃制成，其中该硼硅玻璃在其中心处具有钻孔，以使加压介质能够到达该隔膜的底侧。该隔膜的顶侧具有应变传感元件、互连扩散电阻和电互连镀金属，藉以引出来自应变传感元件的电信号。当传感元件与加压介质分离时，该构造比较适合牵涉到恶性加压介质。但是，将硼硅玻璃罩晶片粘贴到测量晶片以产生真空腔室的过程是一个非常昂贵的过程。
压力传感器200所遭遇的另一问题便是不能耐受高温，这是因为传感元件中存在漏电现象。压力传感器200将压敏电阻器作为传感元件(被构造为测量晶片)。在经典的压敏电阻应变仪中，在隔膜上方的惠斯通电桥构造(见图4)中连接有四个压敏电阻器。当被施加的压力使隔膜发生偏转时，隔膜中的诱导应力会使这些压敏电阻器改变其对应的电阻值，从而导致惠斯通电桥不平衡。不平衡的压敏电阻器电桥会产生与被施加的压力成比例的电信号输出。在硅隔膜中，可以通过使用标准的光刻法以较低的成本来集成上述压敏电阻器。如图3所示(在此只示出了测量晶片)，可以将压敏电阻器定义为相对极性区域的扩散井，其中相对极性区域嵌入在隔膜的基体材料中。在图3的插图中，通过光刻法在顶绝缘体层中开有窗口，则会在η型基体硅隔膜中生成ρ型扩散压敏电阻器，然后通过掺杂P型材料(例如硼)，藉以产生期望的薄层电阻率。如图4中的等效电路所示，压敏电阻器产生了带有隔膜衬垫的、类似于二极管的ρ-η结点。在超过约125°C的温度下，p-n结点类似于漏电二极管，即当温度升高时，漏电流以指数方式增加。如图4所示，如果周围的加压介质能够被电传导，则电流通过加压介质(用等效电路中的电阻R表示)漏向地面。在较高的温度下，漏电量较大，这会导致传感失灵，并且可能会导致不可挽回的机械损坏。尽管为了清楚起见，图3中并未示出，但是本发明的普通技术人员现在应该理解，在高温下，被耦合至应变压敏电阻器的互连扩散电阻(图2中所示)将会导致漏电。此外，在较低的温度甚至室温下。制造过程中的污染物可能会使二极管漏电。在先前描述的示例中，使用了带有集成传感元件的硅隔膜。硅隔膜和集成传感元件深受欢迎，这是因为它们便于批量处理制造。但是，取决于特殊的应用，在一些传统的压力传感器中，隔膜和传感器可以分开。当隔膜可以由耐腐蚀性材料如不锈钢制成，并且传感元件可以由硅制成并且与暴露在封闭腔室中的加压介质保持隔离时，其中该封闭腔室用额外的压力转换介质填充，从恶性加压介质的兼容性立场出发，这是有益的。这种类型的传感器的一个示例是油填充型传感器，其中压力转换介质是油。这种方法可能相对比较昂贵，因为油填充必须在真空下执行。上述方法中的误差也会增加，这是因为在封闭之后，腔室中通常会存在少量的残余空气。油容积的热效应和气泡也会使压力读数出现误差。为了便于参照，期望读者能够阅读Bang等人所著的美国专利6，311，561。在耐腐蚀性金属隔膜的情况下，通常在该隔膜上沉积有金属薄膜并且使其图案化来界定应变仪。例如，可以在涂覆有不锈钢隔膜的二氧化硅上沉积含氧的氮化钛(TiON)应变层。但是，通常意义上，这种类型的应变仪与微机械硅压敏电阻应变仪相比，具有较低的应变系数，这会影响压力的测量精度。通过采用其中微机械硅压敏电阻应变仪与涂覆有氧化物的金属隔膜结合的混合构造，就能解决应变系数变低的问题。但是，混合压力传感器遇到了传感元件与隔膜之间的热膨胀不匹配的问题。此外，该混合构造并不利于批量处理。在传感元件的上方添加真空封闭腔室可能会导致成本过于昂贵。甚至在不锈钢隔膜上沉积氧化物也要求昂贵的细磨抛光处理。在混合压力传感器中，可操作温度通常被限制在140°c。绝对压力传感器，其中传感元件被包围在封闭的参照腔室中，提供了保护传感元件免受恶性加压介质腐蚀的优势。但是，为了将来自传感元件的电连接引到封闭腔室外侧， 要求特殊的设计和处理步骤，即传感器的封装成本变高。美国专利5，929，497和6，109，113 示出了一种引出真空腔室电连接的途径。该方法比较复杂，并且使用了电容式传感器和多晶硅连接。通过使用静电结合技术使晶片结合。美国专利6，713，拟8描述了具有附加电路的相同技术。上述技术适合用于外界及摩托车中的次大气压级。因此，期望一种新的压力传感器，该压力传感器提供可以多个期望特征的结合，其中该多个期望特征包括但不限于，绝对压力传感精度高、压力范围较宽、与恶性加压介质的电化学兼容性、在包括高温的所有温度范围内的操作可靠、便于制造和封装、尺寸紧凑并且成本低等。
发明内容
_描述了一种带有传感元件的压力传感器，其中该传感元件与加压介质电物理隔离。一种绝对压力传感器具有参照腔室，其中该参照腔室能够处于真空下或者零压力下，并且包围该传感元件。该参照腔室通过使带有测量晶片的帽盖晶片与微机械隔膜结合而形成。传感元件配置在该隔膜的第一侧上。加压介质到达隔膜的第二侧，其中第二侧与配置有传感元件的第一侧相对。垫片晶片可以用于该测量晶片的结构支撑和应力释放。在一个实施例中，竖直的穿过晶片的导电过孔被用来将来自传感元件的电连接引到参照腔室的外侧。在可替换的实施例中，位于测量晶片上的外围结合衬垫被用来将来自传感元件的电连接引到参照腔室的外侧。在各种实施例中，可以将规则的绝缘体上硅晶片或者上层绝缘体上硅晶片用作测量晶片，并且采用合适的微机械步骤来界定该隔膜。在某些实施例中，在加压介质到达的隔膜的表面上沉积耐腐蚀性材料层。
附图包含在本说明书中并且构成了本说明书的一部分，它们与示例性实施例的描述一起示出了实施例的一个或多个示例，并且用以解释实施例的原理和补充说明。在附图中图1A-1B示出了传统的顶侧式压力传感器。图2解释了带有未被电隔离的传感元件的传统绝对压力传感器的示例。图3解释了传统的微机械硅压力传感器的未被电分离的传感元件(压敏电阻器) 的细节。图4示出了解释图3所示构造所遇到的漏电问题的等效电路。图5示出了其中传感元件与隔膜电隔离的一个实施例。图6示出了利用穿过晶片的竖直过孔引出来自传感元件的电连接的一个实施例。图7A-图7E示出了在一个实施例中使用的用于制造图6所示的压力传感器的各个处理步骤。图7F示出了利用穿过晶片的竖直过孔引出来自与图6所示的压力传感器类似的传感元件的电连接，并且将双层的绝缘体-上-硅晶片用作测量晶片的一个实施例。图8示出了利用外围结合衬垫引出来自传感元件的电连接的一个实施例。图9A-9D示出了在一个实施例中用以制造如图8所示的压力传感器的各种处理步
马聚ο
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图10示出了在平常汽车中所看见的各种温度分布轮廓，其中可以使用本文所公开的压力传感器的各种实施例。图11示出了用于本文所公开的压力传感器的各种实施例的一般操作条件的表格。
具体实施例方式本领域普通技术人员应该意识到，下面的描述仅是示例性的，并不意为对任何方法的限制。其它实施例会向技术人员，轻松表明本发明的益处。现在将参考附图所述的示例性实施例，详细进行说明。相同的标号将会贯穿附图，并且下面的描述激将会参考相同或者类似的序号。根据本发明，可以使用各种类型的半导体制造设备来实施本文所述的构件和方法步骤。应理解，术语“实施例”包括不止一个实施例，因此并不限于一个实施例。实施例描述了能够用在较宽的温度和压力范围内，包括汽车领域范围内的压力传感器，如相对于图10及图11所述。尽管为了示例性目的，详细描述了绝对压力传感器，但是本领域的普通技术人员应理解，类似的方法可以用来制造其它类型的压力传感器，如差压传感器。在绝对压力传感器中，可以使参照腔室处于实际的真空或者零压力下，或者在公知的参照压力下，利用化学兼容性流体(如气体或者液体)填充该参照腔室，并且校准该参照腔室，以确定绝对压力。尽管硅经常被示为用以制造微机械测量晶片和帽盖晶片的材料，其中该微机械测量晶片包括隔膜，该帽盖晶片在该隔膜的上方产生了参照腔室，但是材料的选择并不会限制本发明的范围。类似地，尽管该垫片可以由硅或派热克斯玻璃(Pyrex)或其它类型的玻璃或陶瓷材料制成，但是垫片材料的选择并不意在限制本发明。本领域的普通技术人员现在应该理解，如果测量晶片的材料和传感元件的材料具有类似的热膨胀系数，则本发明的实施例很有可能具有较好的热性能和较长的寿命。图5示出了本发明的压力传感器实施例500，其中传感元件502与加压介质电物理隔离，该加压介质从隔膜506的底侧施加压力。测量晶片518由块硅制成。隔膜506可以通过各种微机械技术来界定，这些微机械技术包括但不限于各向异性湿法化学蚀刻和干法蚀刻(例如高深度反应离子蚀刻)。在未被蚀刻的基座部分508保持完整并且提供结构支撑的同时，通过微机械使测量晶片518的中心部分变薄。在一个实施例中，隔膜506可以约为27微米厚。但是，隔膜的厚度取决于要被测量的压力范围。压力介质到达微机械结构/ 测量晶片518的隔膜区域的内表面507，其中压力介质使隔膜506偏转。在微机械结构/测量晶片518的隔膜区域的外表面509上沉积或者热生长电绝缘材料层504。绝缘材料504 可以是二氧化硅或者其它合适的绝缘材料。在实施例500中并未形成p-n结点，具体如插图所示，所以当在图3所示的传统压力传感器的情况下，在高温下不会发生漏电的可能性。 因此，该构造适合用于高温操作(350°C或者更高)，即使压力介质是电传导的。在参照腔室没有包围传感元件502的情况下示出了实施例500。但是，本领域普通技术人员现在应该能够修改实施例500中所述的结构，藉以产生绝对压力传感器。同样地，在该视图中，为了清楚起见，并未示出引出来自传感元件502的电信号的互连装置。传感元件502可以是配置在电子构造中作为压敏电阻应变仪的压敏电阻器。可替换地，在不偏离本发明保护范畴的情况下，可以使用其它类型的应变仪。传感元件502可以由单晶体硅或多晶体硅、或被薄化的块硅或者其它类型的应变材料如TiON制成。但是，对于硅测量晶片518来说，硅传感元件502是合乎逻辑的材料选择。可以通过使用低压化学汽相沉积法(LPCVD)在被热生长硅的二氧化硅层504上形成多晶体硅(用于传感元件502层)。通常来讲，单晶体硅与多晶体硅相比，具有较高的应变系数。多晶体硅的应变系数取决于其粒度。为了形成绝缘体上硅(silicon-on-insulator， SOI)测量晶片，可以通过注氧隔离(SIMOX)法或者通过熔接法形成单晶体硅。在SIMOX法中，穿过薄硅层注入氧离子，然后对其进行热处理以使其在单晶体硅的薄膜上方转换为二氧化硅。也可以通过熔接法(直接结合法)将牺牲硅晶片结合到另一涂覆有氧化物的硅晶片，来形成绝缘体上硅结构(SOI)。随后，使牺牲晶片接触、搭接及/或抛光到氧化物绝缘层上方的相对较薄的薄膜。接着，通过使用离子注入法或者热扩散法使较薄的单晶体硅或者多晶体硅掺杂有硼(或者其它掺杂物)，藉以实现必要的薄层阻抗。光刻法或者反应离子蚀刻(RIE)法用以使单晶体或者多晶体硅薄膜图案化，以形成传感元件502。被图案化的金属薄膜(未示出)与传感元件502连接，形成了惠斯通电桥。传感元件502的温度膨胀因此与硅隔膜506良好地匹配，使得不存在显著的热诱导应力。通过使用熔接法、阳极结合法、共晶结合法、焊锡结合法、玻璃熔接法或者可替换的结合技术使微机械测量晶片518结合到垫片晶片520。这些结合方法能够维持高温操作或者结合完成之后的任何随后处理或者封装步骤。如图5所示，结合表面包括微机械测量晶片518的基座508的底面510和垫片520的顶面512。通常意义上，阳极结合法适用于派热克斯垫片晶片，并且熔接法、玻璃熔接法、共晶结合法或者热压接结合法适用于硅垫片晶片。在不偏离本发明保护范畴的情况下，可以采用其它类型的垫片材料和结合方法。当将测量晶片安装在外壳或者封装中时，垫片可以提供应力释放，其中该包装具有不同于测量晶片的热膨胀系数。绝对压力传感器的示例性实施例#1图6示出了本发明的第一实施例600。图6所示的绝对压力传感器600与图5所示的压力传感器500类似，但是示出了图5未示出的附加结构构件。压力传感器600包括三个主要结构构件测量晶片518、帽盖晶片530和垫片晶片 520。测量晶片厚度的示例性维度b = 0. 4mm，垫片晶片的厚度c = 0. 5mm，帽盖晶片的厚度 a = 0. 5mm。其它维度，例如测量晶片的宽度g、垫片晶片的内、外直径(分别是e和(e+2f)) 和隔膜区域的宽度d等通常也在毫米级的范围之内。被薄化的硅隔膜的示例性厚度为27 微米。其它维度可能取决于材料和构造。测量晶片518可以包括硅互连器503、平坦化/钝化层558、屏蔽金属层556和结合金属层阳4。互连器503通常由与传感元件502相同的材料制成。层554的通常组分为金，其厚度为1 μ m。屏蔽金属层556可以是2000A厚的Ti/Pt或者Ti/W。在图6所示的实施例中，共晶金结合法用以使帽盖晶片530与测量晶片518耦合。根据该结合方法，可以使用其它结合技术，并且可以根据该结合技术采用其它界面层。平坦化/钝化层558可以是 500人厚的二氧化硅和2000A厚的氮化硅。如图6所示，在平坦化/钝化层558中开有窗口，以与晶片上的硅互连器503接触。传感元件502可以是露在外面的，如图6所示，或者可以被平坦化/钝化层858覆盖，如图8所示。
外部金属层560可以沉积在隔膜506的底部。例如，如果垫片晶片520是被涂覆为与外壳/包装(未示出)结合的厚层，其中该外壳/包装容纳压力传感器600，则可以沉积500A/1000A/1500人厚的Ti/Pt/Au金属层。该外壳可以由与加压介质兼容的科瓦铁镍钴合金或者其它材料制成。当帽盖晶片530结合到测量晶片518时，便会产生参照腔室535。帽盖晶片530 具有底面537，其中底面537包括凹槽532。该凹槽532的位置和维度使得其包围传感元件 502。帽盖晶片530包括被电传导的嵌入式过孔550。如果帽盖晶片由电传导材料制成，则过孔550可以具有绝缘侧壁552。如相对于图7A所述，在一个实施例中，过孔可以被界定为电传导帽盖晶片的一部分，其中该导电帽盖晶片被绝缘侧壁包围。在其它实施例中，帽盖晶片可以是电绝缘材料，并且过孔是穿过帽盖晶片的导电通路。传感元件502的电连接通过过孔550被引到帽盖晶片530的外表面Ml。帽盖晶片的外表面541具有绝缘层M2，其中绝缘层讨2中界定了窗口，以使金属衬垫MO图案化。金属衬垫540可以由1 μ m厚的Al/ Si/Cu或者其它互连或者金和金属材料制成。在图6所示的示例中，帽盖晶片的材料为硅。各过孔550的侧壁552确保过孔穿过帽盖530的块硅主体时不会短路。当穿过晶片的硅过孔被用来从真空腔室中引出电连接时，帽盖晶片530使用了体电阻率较低的硅材料。也可以将其它类型的导电材料用于帽盖
曰曰/To垫片晶片520具有使加压介质到达隔膜的中心孔562。孔562可以具有任意的几何形状，包括圆形、正方形、长方向和多边形等。图7A示出了形成帽盖晶片530的方法示例。在图7A中，在步骤1中，对硅晶片530A 进行干法蚀刻，以界定深槽710a-b。深槽710a是环绕过孔550a的连续深槽，并且深槽710b 是环绕过孔550b的连续深槽。在步骤2中，利用电绝缘体如二氧化硅填充深槽710a-b，以产生绝缘侧壁55h-b。在步骤3中，对晶片530A的下部732进行抛光或者蚀刻，完成穿过晶片的过孔。在步骤4中，通过其它蚀刻步骤来界定中心凹槽532。图7B示出了形成垫片晶片520的方法示例。在步骤1中，将硅/派热克斯玻璃或者其它材料的晶片520A抛光至所期望的厚度C。在步骤2中，在中心处形成孔562。可以通过钻孔法或者蚀刻法来形成穿过晶片的该孔。顶面512可以被进一步处理为与测量晶片 518结合。注意，在将垫片晶片520A结合到测量晶片518之后，可以对其进行抛光。图7C示出了形成测量晶片518的步骤示例。测量晶片518的处理可以开始于绝缘体上硅晶片518A，其中绝缘体上硅晶片518A具有位于二氧化硅层504上的硅层502A。可替换地，在步骤1中，可以在涂覆有氧化物的硅晶片上方形成层502A，如参考图5所示。在步骤2中，使层502A图案化，以界定传感元件502和互连器503。在传感元件上方沉积钝化层705，以保护该传感元件，并且通过湿法蚀刻法其底部开有宽度为dl的窗口。钝化层可以具有氮化硅，并且用作湿法蚀刻外罩。宽度dl由所期望的隔膜区域的最终宽度d确定。在步骤3的湿法蚀刻过程中，KOH溶液被用于硅的各向异性蚀刻。精确地控制湿法蚀刻的时间，得到所期望的隔膜厚度(例如27μπι)。注意，也可以使用干法蚀刻来界定隔膜(如图 7F所示)。在步骤4中，腐蚀掉钝化层。图7D示出了测量晶片518与垫片晶片520彼此结合的结合体720。如上所述，可以使用各种结合技术，如阳极结合法、熔接法、玻璃熔接法、共晶结合法、焊锡结合法或者热压接结合法，并且相应地完成用于测量晶片和垫片晶片的界面预备处理。图7E示出了如何将测量-垫片结合体720结合到帽盖晶片530。在步骤1中，形成了平坦化/钝化层558，并且在互连器503上开有窗口 750，以引出来自传感元件502的电连接。在步骤2中，形成了屏蔽金属层556和结合金属层554。层554的通常组分为金， 其厚度为lym。屏蔽金属层556可以是2000A厚的Ti/Pt或者Ti/W。这些步骤均适合使用共晶结合法。在其它形式的结合方法如焊锡结合法、熔接法、倒装焊接、热压接结合法中， 需要不同的界面预备处理。应该注意，结合方法应该足够可靠，藉以产生和维持真空参照腔室535。在步骤3中，将被处理过的帽盖晶片530结合到测量晶片518。在本发明的保护范畴之内，上述结构及处理步骤的各种替代是可行的。例如，在图 7E的步骤3中，可以在隔膜背侧上沉积耐腐蚀性层762，例如氧化铝。层762将会保护隔膜背侧506免受腐蚀性较强的加压介质的腐蚀。必须在形成金属层560之前完成耐腐蚀性金属层762的沉积(如图6所示)。可以利用液相沉积法或者其它类型的沉积方法来沉积氧化铝。尽管图7E中未示出，但是可以在绝缘层542的上方添加金属结构540并且添加金属层560以产生与压力传感器600类似的结构，如图6所示。在上述处理过程中，仅仅示出并描述了一种示例。必要时，可以添加或者删除中间步骤。处理步骤的次序并不限制本发明的保护范围。例如，本领域技术人员应理解，首先可以使测量晶片518与帽盖晶片530结合，然后将该帽盖-测量结合体结合到垫片晶片520。 在此情况下，可以使用高温结合法(例如，共晶结合法)使帽盖晶片与测量晶片结合，而该结合体在通过使用相对较低的低温结合法(例如，焊锡结合法)使测量晶片与垫片晶片结合的同时会保持完整。但是，低温结合法应该仍然能够维持加压介质的操作温度。同样地， 在将帽盖晶片结合到测量晶片之后，可以完成测量晶片的湿法蚀刻(以界定隔膜)。图7F示出了与图6中的压力传感器600类似的另一压力传感器700，除了如何来使测量晶片微机械化以界定隔膜506之外。在本示例性实施例中，选择双上硅绝缘体(SOI) 晶片718作为测量晶片。晶片718的上硅层718A夹置在两层氧化物504与704之间。层 718A的厚度由所期望的隔膜厚度确定。对晶片718的下硅层718B进行干法蚀刻，以产生开口，其中加压介质通过该开口到达隔膜506的底侧。可以通过深层反应离子蚀刻法来蚀刻穿过层718B，其中层718B具有用作蚀刻终止层的氧化物层704。耐腐蚀性层762的使用或者不使用取决于其应用。绝对压力传感器的示例性实施例#2图8示出了压力传感器的另一示例性实施例800，其中外围结合衬垫840代替竖直过孔，用以引出从传感元件502的电信号。当通过使用帽盖830并未完成电连接时，图8 中的帽盖晶片830不需要由诸如硅之类的导电材料制成。但是，从批量处理的观点出发，硅晶片用作帽盖是有益的。帽盖晶片830在其底面中具有凹槽832。帽盖晶片830具有侧壁 831，其中侧壁831可以是或者可以不是倾斜的或者歪斜的。当帽盖晶片830与测量晶片 518结合时，产生了封闭的参照腔室835。帽盖晶片可以具有结合层860，其中该结合层860 与测量晶片上方的平坦化层858匹配。与压力传感器600和700 —样，压力传感器800也没有采用p_n结点，并且适合于高温应用，另外，当传感元件502不与加压介质直接接触时，该构造可与恶性加压介质相容，这与压力传感器600和700类似。图9A示出了形成压力传感器800中所述的测量晶片518的方法步骤示例。在步骤1中，在硅晶片518A上形成氧化物层504。在步骤2中，形成传感元件层502A，并且向其中掺杂有掺杂物，藉以得到期望的薄层阻抗。在步骤3中，利用光刻法使传感元件502和互连器503图案化。在步骤4中，形成平坦化层858 (例如PSG)，以封装传感元件502和互连器503。使层858平坦化。在步骤5中，在平坦化层858中开有窗口 859，使得将来自传感元件502的电连接从真空腔室中弓I到互连器503。在步骤6中，形成外周接合衬垫840以与互连器503接触，由此可从真空腔引出来自传感元件502的电连接。在步骤7中，通过湿法 KOH蚀刻来界定隔膜506。也可以使用干法蚀刻来界定隔膜。可以将氮化物外罩705用作湿法蚀刻外罩。尽管步骤7中未示出，但是在湿法蚀刻过程中，氮化物外罩可以保护金属衬垫 840。图9B示出了形成帽盖晶片830的方法步骤示例。在步骤1中，在硅晶片830A上形成氧化物层842。在步骤2中，通过干法蚀刻或者湿法蚀刻来界定凹槽832。在步骤3中， 通过蚀刻法去除晶片830A的一部分。该处理可以产生倾斜的侧壁831。在步骤4中，使晶片830A重新被氧化。在步骤5中，如果采用了玻璃熔接法，则沉积玻璃溶解层860。至于其它结合技术，可以使用其它类型的界面预备处理。图9C示出了准备垫片晶片520的步骤。该步骤与图7B中所述的步骤相同。图9D概要地示出了如何组装帽盖晶片830、测量晶片518和垫片晶片520，以产生压力传感器实施例800。如上所述，结合次序并不会限制本发明的范围，但是有必要设计流程步骤，以支持结合技术及次序。本领域的普通技术人员现在应该理解，在实施例800中也可以使用双层的SOI测量晶片(如图7F所示)，用以界定隔膜506。此外，在隔膜506的底面上可以使用耐腐蚀性层762(如图7E-7F所示)。本发明的实施例可以应用于汽车领域，如进气歧管中、传动线路中、排气管中、轮胎中或者轮胎附近、发动机中或者发动机附近等。也可以用在本领域普通技术人员所熟知的生物医学仪器、航空航天、国防等其它领域。车辆电子产品的环境因其车辆内的位置的不同而不同。通常来讲，与用在温馨家庭或者办公室环境中的用户电子产品相比，上述环境更加恶劣。这些恶劣因素来源于较高的温度、较高的湿度和振动等。图10示出了在车辆防护罩下的不同位置处通常遇到的高温 (参考全国电子设备制造联合体(National Electronics Manufacturing Initiative, NEMI)路标，2000 年 12 月)。图11中的表-1示出了汽车压力传感器随其在汽车中的位置而变化的温度极限。 所示的温度为传感器封装表面的温度。传感器电子构件的内部温度通常比基板温度高10 至15°C。如今，在每个新产品年度，有越来越多的电子配件被安装到汽车中。当防护罩下的温度成为争议的焦点，并且可靠性成为主要的关注点时，许多汽车公司便将产品规格从0°C 至25°C改为-40°C至+125°C。现在，许多电子构件，包括汽车压力传感器，必须在140°C或者更高的温度下通过极其长的操作性试验。本发明的实施例是下意识地随较高的温度和腐蚀性的加压介质(排气和传动流体等)不断发展。
尽管已经示出并描述了实施例及其应用，但是本发明的益处对于本领域技术人员来说是显而易见的，即在不违背本文所公开的创造性概念的情况下，可以作出比以上描述更多的修改例。因此，本发明并没有被限制在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种微电子机械系统(MEMQ压力传感器，所述MEMS压力传感器包括测量晶片，所述测量晶片包括微机械结构，所述微机械结构包括隔膜区域和基座区域，其中所述隔膜区域的第一表面被构造为加压介质可以到达，其中所述加压介质施加压力，进而导致所述隔膜区域发生偏转；电绝缘层，所述电绝缘层配置在所述隔膜区域的第二表面上，所述第二表面与所述第一表面相对；以及多个传感元件，所述多个传感元件在所述电绝缘层上被图案化，所述电绝缘层配置在所述隔膜区域的所述第二表面上，其中所述传感元件的热膨胀系数与所述测量晶片的热膨胀系数大致匹配；帽盖晶片，所述帽盖晶片被耦合至所述测量晶片，所述帽盖晶片包括凹槽，所述凹槽位于所述帽盖晶片的面对所述测量晶片的内表面上，所述测量晶片界定封闭的参照腔室，所述封闭的参照腔室包围所述传感元件并且阻止所述传感元件暴露给外部环境；多个穿过晶片的嵌入式过孔，所述多个穿过晶片的嵌入式过孔由导电材料制成，以将来自所述传感元件的电连接引到所述帽盖晶片的外表面，所述外表面与凹槽的所述内表面相对；以及垫片晶片，所述垫片晶片具有中心孔，其中所述中心孔与所述隔膜区域对准，并且与所述微机械结构的所述基座区域结合。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中所述微机械结构由硅制成，并且包含所述传感元件的层由掺杂质的硅制成以实现期望的薄层阻抗。
3.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中所述帽盖晶片由导电材料制成，其中所述帽盖晶片的部分被用作所述嵌入式过孔，并且所述嵌入式过孔具有电绝缘的侧壁。
4.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中所述包含所述传感元件的层是多晶体硅层、单晶体硅层、或者在去除牺牲晶片的主体部分之后，通过熔接法在所述电绝缘层上方结合所述牺牲晶片所形成的层。
5.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中所述垫片晶片由派热克斯玻璃或者硅制成。
6.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中所述垫片晶片和所述微机械结构通过下列方法之一结合，其中所述方法包括阳极结合法、熔接法、玻璃熔接法、共晶结合法、焊锡结合法和热压接结合法。
7.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中所述帽盖晶片通过玻璃熔接法、共晶结合法、焊锡结合法、倒装结合法、熔接法、和热压接结合法被耦合至所述测量晶片。
8.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中在所述加压介质到达的所述隔膜区域的所述第一表面上沉积耐腐蚀性材料层。
9.根据权利要求8所述的MEMS压力传感器，其中所述耐腐蚀性材料为氧化铝。
10.一种制造微电子机械系统(MEMQ压力传感器的方法，所述方法包括形成微机械结构，所述微机械结构包括隔膜区域和基座区域，其中所述微机械结构的第一表面被构造为通过加压介质可以到达，其中所述加压介质施加压力，进而导致所述隔膜区域发生偏转；形成电绝缘层，所述电绝缘层配置在所述隔膜区域的第二表面上，所述第二表面与所述第一表面相对；以及形成多个传感元件，所述多个传感元件在所述电绝缘层上被图案化，所述电绝缘层配置在所述隔膜区域的所述第二表面上，其中所述传感元件的热膨胀系数与所述测量晶片的热膨胀系数大致匹配；形成帽盖晶片，所述帽盖晶片具有位于内表面中的中心凹槽；在所述帽盖晶片中形成多个穿过晶片的嵌入式过孔，所述多个穿过晶片的嵌入式过孔由电传导材料制成；通过将所述帽盖晶片的所述内凹槽表面耦合至所述测量晶片，产生封闭的腔室，使得所述传感元件被包围在所述凹槽中，并且通过所述电传导穿过晶片的嵌入式过孔将来自所述传感元件的电连接引出到与所述帽盖晶片的外表面，其中所述外表面与所述内凹入表面相对；形成带有中心孔的垫片晶片；以及将所述垫片晶片连接到带有所述中心孔的所述微机械结构的所述基座区域，其中所述中心孔与所述隔膜区域对准。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述微机械结构由硅制成，并且包含所述传感元件的层由掺杂质的硅制成以实现期望的薄层阻抗。
12.根据权利要求10所述的方法，其中形成所述多个穿过晶片的过孔的步骤包括选择电导性的帽盖晶片材料；将包围所述帽盖晶片的部分的深槽限定为过孔区域；以及使用电绝缘材料填充所述深槽。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述包含所述传感元件的层是多晶体硅层、单晶体硅层、或者在去除牺牲晶片的主体部分之后，通过熔接法在所述电绝缘层上方结合所述牺牲晶片所形成的层。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述垫片晶片由派热克斯玻璃或者硅制成。
15.根据权利要求10所述的方法，其中连接所述垫片晶片的方法包括使用下列方法之一，其中所述方法包括阳极结合法、熔接法、玻璃熔接法、共晶结合法、焊锡结合法和热压接结合法。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述帽盖晶片通过玻璃熔接法、共晶结合法、熔接法、焊锡结合法、倒装结合法、熔接法、和热压接结合法被耦合至所述测量晶片。
17.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法还包括在所述加压介质到达的所述隔膜区域的所述第一表面上沉积耐腐蚀性材料层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述耐腐蚀性材料为氧化铝。
19.根据权利要求10所述的方法，其中还包括使所述测量晶片的外表面的平坦化部分与所述帽盖晶片匹配。
20.一种微电子机械系统(MEMQ压力传感器，所述MEMS压力传感器包括测量晶片，所述测量晶片包括微机械结构，所述微机械结构包括隔膜区域和基座区域，其中所述隔膜区域的第一表面被构造为通过加压介质可以到达，其中所述加压介质施加压力，进而导致所述隔膜区域发生偏转；电绝缘层，所述电绝缘层配置在所述隔膜区域的第二表面上，所述第二表面与所述第一表面相对；以及多个传感元件，所述多个传感元件在所述电绝缘层上被图案化，所述电绝缘层配置在所述隔膜区域的所述第二表面上，其中所述传感元件的热膨胀系数与所述测量晶片的热膨胀系数大致匹配；帽盖晶片，所述帽盖晶片被耦合至所述测量晶片，所述帽盖晶片包括凹槽，所述凹槽位于所述帽盖晶片的面对所述测量晶片的内表面上，所述测量晶片界定封闭的参照腔室，所述封闭的参照腔室包围所述传感元件并且阻止所述传感元件暴露给外部环境；外围结合衬垫，所述外围结合衬垫被界定在所述测量晶片上，以将来自所述传感元件的电连接引到所述封闭参照腔室的外侧；以及垫片晶片，所述垫片晶片具有中心孔，其中所述中心孔与所述隔膜区域对准，并且与所述微机械结构的所述基座区域结合。
21.根据权利要求20所述的MEMS压力传感器，其中所述微机械结构由硅制成，并且包含所述传感元件的层由掺杂质的硅制成以实现期望的薄层阻抗。
22.根据权利要求20所述的MEMS压力传感器，其中所述包含所述传感元件的层是多晶体硅层、单晶体硅层、或者在去除牺牲晶片的主体部分之后，通过熔接法在所述电绝缘层上方结合所述牺牲晶片所形成的层。
23.根据权利要求20所述的MEMS压力传感器，其中所述垫片晶片由派热克斯玻璃或者硅制成。
24.根据权利要求20所述的MEMS压力传感器，其中所述垫片晶片和所述微机械结构通过下列方法之一使结合，其中所述方法包括阳极结合法、熔接法、玻璃熔接法、共晶结合法、 焊锡结合法和热压接结合法。
25.根据权利要求20所述的MEMS压力传感器，其中所述帽盖晶片通过玻璃熔接法、共晶结合法、焊锡结合法、倒装结合法、熔接法、和热压接结合法被耦合至所述测量晶片。
26.根据权利要求20所述的MEMS压力传感器，其中在所述加压介质到达的所述隔膜区域的所述第一表面上沉积耐腐蚀性材料层。
27.根据权利要求沈所述的MEMS压力传感器，其中所述耐腐蚀性材料为氧化铝。
全文摘要
本发明描述了一种带有传感元件的压力传感器，其中该传感元件与加压介质电且物理隔离。一种绝对压力传感器具有包围该传感元件的参照腔室，其中该参照腔室能够处于真空下或者零压力下。该参照腔室通过使带有测量晶片的帽盖晶片与微机械隔膜结合而形成。该传感元件配置在该隔膜的第一侧上。加压介质到达隔膜的第二侧，其中第二侧与配置有传感元件的第一侧相对。垫片晶片可以用于该测量晶片的结构支撑和应力释放。在一个实施例中，竖直的穿过晶片的导电过孔被用来将来自传感元件的电连接引到参照腔室的外侧。在可替换的实施例中，位于测量晶片上的外围结合衬垫被用来将来自传感元件的电连接引到参照腔室的外侧。在各种实施例中，可以将规则的绝缘体上硅晶片或者双层绝缘体上硅晶片用作测量晶片，并且采用合适的微机械步骤来界定该隔膜。在加压介质所到达的隔膜的表面上沉积耐腐蚀性材料层。
文档编号G01L9/06GK102341685SQ201080010485
公开日2012年2月1日 申请日期2010年3月3日 优先权日2009年3月3日
发明者穆罕默德·于纳斯, 詹姆斯·钱蒙·萨敏图 申请人:S3C公司