专利名称：最小化热噪声的半导体传感器件的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及微机电系统(MEMS)压力传感元件，所述微机电系统(MEMS)压力传感元件在背面具有沟槽，用于减少或消除诸如温度偏移电压输出(temperatureoffset voltage output)之类的热感应应力或热噪声的效应。
背景技术：
MEMS压力传感器一般是公知的。一种类型的压力传感器是差压传感器，所述差压传感器包括被阳极结合(bond)到玻璃底座的由硅制成的压力传感元件，并且玻璃底座通过使用胶粘剂被安装到外壳基板。许多差压传感器被用在其中传感器被暴露于变化的温度的应用中。这引起传感元件、玻璃底座、胶粘剂和外壳基板响应于温度改变而膨胀和收缩。压力传感元件包括以被称为“惠斯通电桥(Wheatstone Bridge)”的配置被定位的四个压电电阻器或电阻器。胶粘剂关于压力传感元件以不同的速率膨胀和收缩，这可以引起应力被施加到电阻器，从而影响由压力传感元件所检测到的压力读数。玻璃底座被并入在压力传感元件与胶粘剂之间，使得由在压力传感元件与胶粘剂之间的热膨胀差造成的应力通过玻璃底座被隔离。玻璃底座和压力传感元件具有稍微不同的热膨胀系数，并且因此当被暴露于变化的温度时以更低的不同的速率膨胀和收缩。玻璃底座基本上充当缓冲器，以隔离由在玻璃底座与胶粘剂之间的不同的膨胀和收缩率造成的应力。上面所讨论的压力传感器的例子在图1至2B中一般以10被示出。传感器10包括压力传感元件12、玻璃底座14、胶粘剂16和外壳基板18。在图1中所示的压力传感元件
12由硅制成，并且被阳极结合到玻璃底座14。胶粘剂16被用来把玻璃底座14结合到外壳基板18。第一孔20被形成为外壳基板18的部分，而第二孔22被形成为玻璃底座14的部分，所述第二孔22基本上与第一孔20对准。第二孔22与腔(一般以24示出)流体连通，在那里腔24被形成为压力传感元件12的部分。压力传感元件12包括四个有角的内表面，在那里只有第一有角的内表面26和第二有角的内表面28在图1中被描绘，因为图1是横截面视图。四个有角的内表面中的每个都终止到底面30中，所述底面30是膜片32的部分。压力传感元件12还包括顶面34，并且存在被掺杂到压力传感元件12的顶面34上的相框(picture frame)换能器或相框惠斯通电桥36。至少热氧化层和钝化层被形成来保护该电路。如在图2B中所示出的那样，相框惠斯通电桥36由四个P-压电电阻器36A至36D形成。如在图3中所示出的那样，四个压电电阻器36A至36D也可以被形成为分布式惠斯通电桥38A至38D，用于压力传感。膜片32是相对薄的，并且膜片32的厚度与压力范围有关。膜片32响应于被施加到膜片32的底面30和顶面34的压力而向上和向下偏转。腔24中的压力作为流入和流出孔20、22的流体的压力改变的结果而改变。顶面34中的偏离还使相框惠斯通电桥36变形，所述相框惠斯通电桥36被掺杂到压力传感元件12的顶面34上。压力传感元件12由单晶硅(Si)制成。在压力传感元件12的顶部，四个P-压电电阻器36A至36D被形成，并且通过P+互连装置40被彼此连接，以形成如在图2A至2B中所示的用于压力传感的相框惠斯通电桥36。麦林韦氏大学词典第11版把惠斯通电桥定义为如下电桥:所述电桥包括通过电流计被接合的并联电路的两个分支，并且被用于确定分支之一中的未知电阻的值。如在这里所使用的那样，术语“惠斯通电桥”指的是在图2A至2B中所示出的电路拓扑、即两个串联电阻器的并联连接。图2A至2B表示具有被掺杂在膜片32上的相框惠斯通电桥36的压阻式压力传感元件12的俯视图。膜片32具有780 μ mX 780 μ m的尺寸。膜片32的厚度一般在约5 μ m至20 μ m的范围内，并且如在图2A至2B中所示为约9 μ m。相框惠斯通电桥36通过使用常规技术被处理，以在压力传感元件12的顶面上形成四个电阻器36A至36D。电阻器36A至36D由P-材料形成，其实施例对于半导体领域中的普通技术人员是众所周知的。被连接到结合区(bond pad)42A至42D的底部的由p+材料制成的电互连40也被形成在压力传感元件12的顶面34上。每个互连40都提供两个电阻器之间的电连接，以便把电阻器彼此连接来形成压阻式惠斯通电桥电路。 四个互连40被示为压力传感元件12的部分。每个互连40都从在四个电阻器36中的彼此紧挨的两个电阻器之间的点或节点44向外延伸，并且连接到金属结合区42的底部。每个结合区42都位于压力传感元件12的顶面34的一侧46附近。每个互连40因而都终止在结合区42处并且连接到该结合区42。图2A还不出了顶面34上的定向基准(orientation fiducial)48。该基准48是视觉上可感知的符号或图标，所述视觉上可感知的符号或图标的功能是要简单地能够实现压力传感单元12的定向。每个结合区42都具有指示其目的的不同的标签或名称。第一结合区42A和第二结合区42B接收针对惠斯通电桥电路的输入或供给电压。那两个结合区42A、42B分别被命名为Vp和\。其它两个结合区42C、42D是分别被命名为Sp和Sn的输出信号节点。已经进行许多尝试来通过消除玻璃底座14以及用胶粘剂16把压力传感元件12直接连接到外壳基板18而简化这种类型的压力传感器10的构造。然而，在胶粘剂16与压力传感元件12之间的热膨胀差已经导致被施加到压力传感元件12的不想要的应力，这些应力接着破坏电阻器36A至36D中的每个，从而引起通过压力传感元件12进行的不准确的压力读数。更特别地，在图1至2B中所描绘的结构的实验测量结果以及计算机模拟表明了把压力传感元件12直接连接到外壳基板18创建了由于电阻器36A至36D上的不对称热应力带来的偏移电压输出及其在工作温度范围上的变化。玻璃底座14的消除引起电阻器36A至36D中的一个变形或被受力，或者关于其它电阻器不对称地改变其电阻值，从而导致压力传感元件12的输出中的工作温度范围内的偏移电压输出变化。工作温度上的偏移电压输出变化被叫做偏移电压输出的温度系数(TC0)，并且被如下定义:
TCO=(在 150°C下的 Vo-在零下 40°C下的 Vo)/190°C
其中在150°C下的Vo:没有施加压力时的在150°C下的偏移电压输出
在零下40°C下的Vo:没有施加压力时的在零下40°C下的偏移电压输出。
压力传感元件12通常与专用集成电路(ASIC)—起被使用。ASIC尤其被用于放大和校准从压力传感元件12接收到的信号。将TCO保持在-50uV/°C与50uV/°C之间是想要的，因此ASIC能够更好地处理任何热噪声。高TCO使ASIC难以补偿，尤其是当胶粘剂16没有被对称地散布时。如果胶粘剂没有被对称地散布，那么这可以进一步减小传感器的精度。在四个电阻器中的每个电阻器上的在X和Y方向上的应力差都被放大，因而偏移电压输出增加，以及TCO增加。那就是在图1中所示的玻璃底座14被·用来隔离热应力的原因。为了减少成本并且简化制造过程，消除玻璃底座是想要的。没有玻璃底座的压力传感元件还改进了线结合稳定性和可靠性。因此，存在对于并不具有玻璃底座而具有低TCO噪声的一种类型的压力传感器的需求。
发明内容
在一些实施例中，压力传感器被设计来减少或消除热感应应力或热噪声、诸如温度偏移电压输出。压力传感器包括具有膜片以及腔的压力传感元件，所述腔被形成为压力传感元件的部分，其中所述腔容纳流体，使得膜片至少部分地偏转。压力传感器还包括被连接到压力传感元件的多个压电电阻器，所述多个压电电阻器在工作中基于膜片中的偏转量来生成信号。顶面被形成为压力传感元件的部分，并且多个压电电阻器被掺杂到顶面。多个外表面也被形成为压力传感元件的部分，使得多个外表面中的每个都终止到顶面中。至少一个基板在工作中用于支承压力传感元件。至少一个沟槽被整体地形成为压力传感元件的部分，并且胶粘剂把压力传感元件连接到至少一个基板，使得胶粘剂的至少部分被安排在所述沟槽中，并且将压电电阻器上的热感应应力重新分配，使得热感应应力基本上被消除。本发明的适用性的其它范围从在下面提供的详细描述中将变得明显。应该理解的是，虽然详细描述和特定例子指示了本发明的优选实施例，但这些详细描述和特定例子意图仅仅用于说明的目的，而不是意图限制本发明的范围。
从详细描述和附图中，本发明将更充分地被理解，其中:
图1是现有技术的压力传感器的横截面视 图2A是与现有技术的压力传感器一起被使用的压阻式压力传感元件的俯视 图2B是图2A中所示的压力传感元件的放大视图，该放大视图示出了相框惠斯通电
桥；
图3是压力传感元件上的分布式惠斯通电桥的俯视 图4是根据本发明的实施例的半导体传感器件的截面的透视 图5是根据本发明的实施例的被用作半导体传感器件的部分的压力传感元件的透视底视 图6是根据本发明的实施例的被用作半导体传感器件的部分的压力传感元件的截面的透视底视 图7是根据本发明的实施例的被用作半导体传感器件的部分的压力传感元件和胶粘剂的透视图；图8是表示了在现有技术的半导体传感器件与根据本发明的实施例的半导体传感器件之间的在每个电阻器上的在X和Y方向上的热应力差减少的比较和改进的曲线 图9是根据本发明的另一实施例的半导体传感器件的截面的透视 图10是根据本发明的另一实施例的半导体传感器件的截面的透视图；以及图11是根据本发明的另一实施例的用于背面绝对压力传感的半导体传感器件的横截面视图。
具体实施例方式优选的(多个)实施例的下面的描述实质上仅仅是示例性的，并且决不意图限制本发明、其应用或使用。根据本发明的实施例的压力传感器在图4至11中一般以100被示出。传感器100包括压力传感元件112、胶粘剂·114和外壳基板116。在图4至7中所示的压力传感元件112由硅制成，并且通过使用胶粘剂114被连接到外壳基板116。孔118被形成为外壳基板116的部分。孔118与一般以120示出的腔流体连通，在那里，腔120被形成为压力传感元件112的部分。在一个实施例中，腔120通过使用干法刻蚀、深反应离子刻蚀(DRIE)被形成，但是其它工艺可以被使用是在本发明的范围内。压力传感元件112包括多个基本上垂直的内表面122A至122D。内表面122A至122D中的每个都终止到底面124中，所述底面124是膜片126的部分。内表面122A至122D中的每个都基本上垂直于膜片126。压力传感元件112还包括顶面128，并且存在被掺杂到压力传感元件112的顶面128上的一般以36示出的相框惠斯通电桥，这是在图2A至2B中所示的相同的相框惠斯通电桥36。膜片126是相对薄的，并且膜片126的厚度与压力范围有关。膜片126响应于被施加到底面124的压力而向上和向下偏转，并且膜片126的顶面128响应于腔120中的和顶面128上的压力改变而偏转，如在图4中所示出的那样。腔120中的压力作为孔118中的流体的压力改变的结果而改变。顶面128中的偏转也使相框惠斯通电桥36变形。膜片126的顶面128的偏转使被掺杂到压力传感元件112的顶面128上的相框惠斯通电桥36变形，所述压力传感元件112以类似于在图1中所示的压力传感元件12的方式由单晶硅(Si)制成。在压力传感元件112的顶面128上，四个压电电阻器被形成并且被彼此连接来形成如在图2A和2B中所示的用于压力传感的惠斯通电桥。在该实施例中，惠斯通电桥是相框惠斯通电桥36，并且如在图2A至2B中所示的那样被配置，而且所有四个电阻器36A至36D位于膜片126的一侧附近。然而，在本发明的范围内的是，惠斯通电桥可以被配置为在图3中所示的分布式惠斯通电桥电路，在那里每个电阻器38A至38D都位于膜片126的每侧附近。在该实施例中，惠斯通电桥仍然包括多个电阻器36A至36D、多个电互连40、多个结合区42和节点44。利用这个实施例，结合区42再次位于压力传感元件112的顶面128的侧46附近。该实施例中的惠斯通电桥还包括基准48，所述基准48被用于在装配期间对惠斯通电桥进行定向。惠斯通电桥电路具有两个输入节点和两个输出节点。为输出电压与输入电压的比率的传递函数可以如下面在方程式I中所示出的那样被表达。
权利要求
1.一种设备，其包括: 压力传感元件，所述压力传感元件包括: 腔，所述腔被形成到压力传感元件的基面中； 膜片，所述膜片至少部分地由所述腔限定； 膜片上的多个压电电阻器；以及 至少一个沟槽，所述至少一个沟槽包围所述腔并且被形成在基面中。
2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括: 至少一个基板；以及 胶粘剂，所述胶粘剂把基板连接到基面，使得至少一个沟槽容纳所述胶粘剂的至少部分。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，至少一个沟槽具有一般约为至少一个基板的总高度的十分之一至一半的深度。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，至少一个沟槽具有约为至少一个基板的总高度的三分之一至一半的深度。
5.根据权利要求1所述的设备，进一步包括: 至少一个外表面，所述至少一 个外表面终止到基面中；以及 顶面，所述至少一个外表面，其中所述至少一个外表面终止到所述顶面和基面中。
6.根据权利要求5所述的设备，所述胶粘剂进一步包括: 基部; 外圆角部，所述外圆角部和基部一起被整体地形成，当压力传感元件被连接到至少一个基板时，所述外圆角部邻近至少一个外表面；以及 内圆角部，所述内圆角部与基部一起被整体地形成，当压力传感元件被连接到至少一个基板时，所述内圆角部基本上被安排在沟槽中。
7.根据权利要求5所述的设备，进一步包括: 盖，所述盖被连接到顶面；以及 室，所述室被整体地形成为盖的部分，使得所述室至少部分地被抽空。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述盖由硼硅酸盐玻璃制成。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述盖由硅制成。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，多个压电电阻器被配置为是相框惠斯通电桥。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，多个压电电阻器被配置为是分布式惠斯通电桥。
12.—种压力传感器器件，其包括: 压力传感元件，所述压力传感元件具有膜片； 至少一个基板，所述至少一个基板支承所述压力传感元件； 膜片上的多个压电电阻器； 至少一个沟槽，所述至少一个沟槽被形成为所述压力传感元件的部分；以及 胶粘剂，所述胶粘剂把所述压力传感元件连接到所述至少一个基板； 其中，所述胶粘剂的至少部分被安排在所述至少一个沟槽中。
13.根据权利要求12所述的压力传感器器件，其中，所述胶粘剂的被安排在所述至少一个沟槽中的部分将压力传感元件上的热感应应力重新分配，使得热感应应力或热噪声的效应基本上被消除。
14.根据权利要求12所述的压力传感器器件，进一步包括: 至少一个内表面，所述至少一个内表面被形成为压力传感元件的部分，使得所述至少一个内表面基本上垂直于膜片；以及 至少一个基面，所述至少一个基面被形成为压力传感元件的部分，使得所述基面终止到所述至少一个内表面中，所述至少一个沟槽被形成为基面的部分。
15.根据权利要求14所述的压力传感器器件，进一步包括: 腔，所述腔被形成为压力传感元件的部分；以及 底面，所述底面被形成为压力传感元件的部分，其中至少一个内表面终止到所述底面中，使得至少一个内表面和底面形成所述腔的至少部分，其中所述底面形成膜片的至少部分； 其中，所述腔中的流体施加压力到所述底面，以使所述底面偏转。
16.根据权利要求12所述的压力传感器器件，其中，至少一个沟槽具有一般约为至少一个基板的总高度的十分之一至一半的深度。
17.根据权利要求12所述的压力传感器器件，其中，至少一个沟槽具有约为至少一个基板的总高度的三分之一至一半的深度。
18.根据权利要求12所述的压力传感器器件，进一步包括: 盖，所述盖被连接到压力传感元件；以及 室，所述室被整体地形成为所述盖的部分，使得所述室部分地被抽空。
19.根据权利要求18所述的压力传感器器件，其中，所述盖由硼硅酸盐玻璃制成。
20.根据权利要求18所述的压力传感器器件，其中，所述盖由硅制成。
21.根据权利要求12所述的压力传感器器件，其中，多个压电电阻器被配置为是相框惠斯通电桥。
22.根据权利要求12所述的压力传感器器件，其中，多个压电电阻器被配置为是分布式惠斯通电桥。
23.一种压力传感器,其包括: 压力传感元件，所述压力传感元件具有膜片； 腔，所述腔被形成为压力传感元件的部分； 多个压电电阻器，所述多个压电电阻器被连接到压力传感元件； 顶面，所述顶面被形成为压力传感元件的部分，使得所述顶面的至少部分是膜片的部分，其中多个压电电阻器在顶面上； 多个外表面，所述多个外表面被形成为压力传感元件的部分，其中所述多个外表面中的每个都终止到顶面中； 底面，所述底面被形成为压力传感元件的部分，其中所述多个外表面中的每个都终止到所述底面中； 多个内表面，所述多个内表面被形成为压力传感元件的部分，其中所述多个内表面终止到所述底面中，使得所述多个内表面和所述底面形成所述腔的至少部分； 基面，所述基面被形成为压力传感元件以及所述多个外表面的部分，其中所述基面终止到多个内表面中； 至少一个沟槽，所述至少一个沟槽被整体地形成为基面的部分； 至少一个基板，所述至少一个基板被配置为支承所述压力传感元件；以及 胶粘剂，所述胶粘剂把压力传感元件连接到所述至少一个基板； 其中，所述胶粘剂的至少部分被安排在所述至少一个沟槽中。
24.根据权利要求23所述的压力传感器，所述胶粘剂进一步包括: 基部; 外圆角部，所述外圆角部与基部一起被整体地形成，当压力传感元件被连接到至少一个基板时，所述外圆角部邻近至少一个外表面；以及 内圆角部，所述内圆角部与基部一起被整体地形成，当压力传感元件被连接到至少一个基板时，所述内圆角部基本上被安排在所述沟槽中。
25.根据权利要求23所述的压力传感器，其中，至少一个沟槽具有一般约为至少一个基板的总高度的十分之一至一半的深度。
26.根据权利要求25所述的压力传感器，其中，至少一个沟槽具有约为至少一个基板的总高度的三分之一至一半的深度。
27.根据权利要求23所述的压力传感器，进一步包括: 盖，所述盖被连接到顶面；以及 室，所述室被整体地形成为盖的部分，使得所述室部分地被抽空。
28.根据权利要求27所述的压力传感器，其中，所述盖由硼硅酸盐玻璃制成。
29.根据权利要求27所述的压力传感器，其中，所述盖由硅制成。
30.根据权利要求23所述的压力传感器，其中，多个压电电阻器被配置为是相框惠斯通电桥。
31.根据权利要求23所述的压力传感器， 其中，多个压电电阻器被配置为是分布式惠斯通电桥。
全文摘要
本发明涉及最小化热噪声的半导体传感器件。一种MEMS压力传感器被设计来减少或消除热噪声、诸如温度偏移电压输出。该压力传感器包括具有膜片以及腔的压力传感元件，所述腔被形成为压力传感元件的部分，其中所述腔容纳流体，使得膜片至少部分地偏转。该压力传感元件还包括多个压电电阻器，所述多个压电电阻器在工作中基于膜片中的偏转量来生成信号。至少一个沟槽被整体地形成为压力传感元件的部分，并且胶粘剂把压力传感元件连接到至少一个基板，使得胶粘剂的至少部分被附着到所述沟槽，并且将压力传感元件上的热感应应力重新分配，使得热感应噪声基本上被消除。
文档编号G01L1/18GK103226047SQ20131003555
公开日2013年7月31日 申请日期2013年1月30日 优先权日2012年1月30日
发明者J-H.A.仇, S-H.S.陈 申请人:大陆汽车系统公司