用于高压的具有薄膜的微机电换能器、其制造方法和包括微机电换能器的系统与流程

本公开涉及微机电换能器、制造微机电换能器的方法以及包括微机电换能器的系统。

背景技术：

如所知的，集成压力传感器可以通过微制造技术生产。这些传感器通常包括薄膜或隔膜，该薄膜或隔膜悬置于半导体主体中形成的腔上方。互连的压阻元件在膜内形成，并且被连接在惠斯通(wheatstone)电桥中。当经受压力时，膜遭受变形，引起压阻元件的电阻的变化，使得惠斯通电桥变得不平衡。备选地，电容传感器是可用的，其中膜形成电容器的第一板，而第二板由固定参考物来形成。在使用中，膜的偏斜生成电容器的电容的变化，该变化可以被检测并且与施加在膜上的压力相关联。

然而，已知类型的集成半导体压力传感器通常被设计并用于测量相对低的温度(例如，高达0.1mpa)。为了增加集成半导体压力传感器的范围结束(end-of-scale)值，可以增加膜的刚度，以使针对相同的施加压力，较低值的信号被读取，从而降低传感器的灵敏度，并且即使针对较高的压力值，也使能获得可读取的信号。

例如，可以通过增加膜的厚度来增加膜的刚度。在用于制造已知类型的半导体压力传感器的过程中，膜是通过外延生长形成的。为获得较厚的膜而增加外延生长时间具有多个缺点，包括例如增加的成本以及半导体晶片的反面的增加的非均一性，从而引起在晶片操纵中的困难以及与制造过程的后续步骤不相容的问题。

技术实现要素：

实施例涉及微机电换能器、制造微机电换能器的方法以及包括微机电换能器的系统。一个实施例涉及被配置为检测高压(诸如等于或者大于30mpa的压力)的微机电换能器。

附图说明

为了使能本公开更容易地被理解，现在将参照附图纯粹通过非限制性示例的方式，描述其优选的实施例，其中：

图1在俯视图中示意性地示出根据本公开的一个实施例的被提供有压阻换能器的微机电换能器。

图2示意性地示出图1的微机电换能器的横截面，该截面是沿着图1的截面线ii-ii取的；

图3是惠斯通电桥的电路图，该惠斯通电桥被用作图1的微机电换能器的读取电路；

图4在俯视图中示意性地示出根据本公开的另一实施例的被提供有压阻换能器的微机电换能器；

图5和图6在部分俯视图中示意性地示出图4的微机电换能器的放大详图；

图7a-7f示出制造图1和图2的压力传感器的过程的步骤；以及

图8示出根据相应实施例的设有图1或图4的微机电换能器的制动系统的框图。

具体实施方式

图1是根据本公开的一个实施例的微机电换能器(特别地，压力传感器1)的俯视图。图1的压力传感器1是在彼此正交的笛卡尔坐标轴x、y和z的系统中示出的。图2示出沿着图1的截面线ii-ii的压力传感器1的横截面。

参照图1和图2共同考虑，压力传感器1包括半导体主体2，该半导体主体2例如是由硅制成的，由前表面2a(正面)和后表面2b(反面)界定，前表面2a和后表面2b沿着z轴彼此相对。

第一腔4a、第二腔4b、第三腔4c和第四腔4d在半导体主体2内延伸。每个腔4a-4d通过半导体主体2的相应的薄部分与前表面2a分离，半导体主体2的相应的薄部分分别形成悬置于腔4a-4d之上的第一膜5a、第二膜5b、第三膜5c和第四膜5d。每个腔4a-4d采取平行六面体的形式。特别地，第一膜5a和第三膜5c沿平行于x轴的方向对齐，并且具有例如50μm至150μm之间(例如等于70μm)的长度lm(沿平行于x轴的主延伸方向测量)以及50μm至150μm之间(例如等于90μm)的宽度wm(沿平行于y轴的方向测量)；此外，第二膜5b和第四膜5d沿平行于y轴的方向对齐，并且具有例如30μm至80μm之间(例如等于45μm)的长度lm(沿平行于y轴的主延伸方向测量)以及例如20μm至70μm之间(例如等于35μm)的宽度wm(沿平行于x轴的方向测量)。换言之，根据一个实施例，当从上方查看时，腔4a-4d(以及因此，膜5a-5d)布置在十字形的顶点处。根据一个不同的实施例，第二膜5b和第四膜5d的尺寸等于第一膜5a和第三膜5c的尺寸。因而，第一、第二、第三和第四膜的面积一般在2.5·10³μm²至22.5·10³μm²之间。

膜5a-5d具有例如在4μm至10μm之间(例如等于7μm)的厚度tm，该厚度tm是沿着平行于z轴的方向在半导体主体2的前表面2a和相应的腔4a-4d之间测量的。

根据本公开的一个方面，选择膜5a-5d的长度lm、宽度wm和厚度tm，以便提供5mv/v/fs至20mv/v/fs之间(例如15mv/v/fs)的电桥灵敏度，其中“fs”表示压力传感器1的范围结束值(特别地，fs在5mpa至50mpa之间，例如等于30mpa)。

根据本公开的另一方面，选择膜5a-5d的长度lm、宽度wm和厚度tm，以便提供例如100n/m至2·10⁶n/m之间的膜5a-5d的刚度km。根据实施例的一个示例，第一膜5a和第三膜5c具有大约400·³n/m的刚度km，并且第二膜5b和第四膜5d具有大约1.7·10⁶n/m的刚度km。利用刚度km的这些值，可能获得在前述范围内的压力传感器1的范围结束值。

腔具有例如在1μm至10μm之间(例如等于3μm)的厚度h，该厚度h是沿着平行于z轴的方向测量的。

每个膜5a-5d容纳相应的换能器元件6a-6d，特别地集成到半导体主体中的换能器，并且甚至更特别地集成在半导体主体2的前表面2a上的换能器。在一个实施例中，每个换能器元件6a-6d是压电电阻器6a-6d。特别地，第一膜5a容纳第一压电电阻器6a；第二膜5b容纳第二压电电阻器6b；第三膜5c容纳第三压电电阻器6c；并且第四膜5d容纳第四压电电阻器6d。

此外，每个压电电阻器6a-6d以如下这种方式放置在相应的膜5a-5d的外围区域：在使用压力传感器1期间以及存在作用于压力传感器1上的外部压力时，将压电电阻器6a-6d上的合成平面应力最大化。特别地，第一压电电阻器6a和第三压电电阻器6c具有如下主延伸方向，该主延伸方向正交于由外部压力在第一膜5a和第三膜5c上诱导的应力的主要分量的方向；也就是说，第二压电电阻器6a和第四压电电阻器6c具有平行于y轴的主延伸方向。此外，第二压电电阻器6b和第四压电电阻器6d具有如下主延伸方向，该主延伸方向平行于由外部压力在第二膜5b和第四膜5d上诱导的应力的主要分量的方向；也就是说，第二压电电阻器6b和第四压电电阻器6d具有平行于y轴的主延伸方向。换言之，第一压电电阻器6a和第三压电电阻器6c具有分别平行于第一膜5a和第三膜5c的边缘的主延伸方向，第一压电电阻器6a和第三压电电阻器6c面向第一膜5a和第三膜5c的该边缘；此外，第二压电电阻器6b和第四压电电阻器6d具有分别正交于第二膜5b和第四膜5d的主延伸方向，第二压电电阻器6b和第四压电电阻器6d面向第二膜5b和第四膜5d。在实施例的一个示例中，每个压电电阻器6a-6d和每个压电电阻器6a-6d面向的膜5a-5d的相应边缘之间的最小距离d在4μm至20μm之间，例如等于8μm。一般而言，每个压电电阻器6a-6d可以在距离其面向的膜5a-5d的相应边缘不同的最小距离处。

压电电阻器6a-6d具有例如在5μm至50μm之间(例如等于25μm)的长度lp(沿它们的主延伸方向测量)以及例如在5μm至30μm之间(例如等于9μm)的宽度wp(沿正交于它们的主延伸方向的方向测量)。

根据本公开的一个方面，半导体主体2是由n型单晶硅制成的，并且压电电阻器6a-6d是p+注入区域。

如图3的电路中示意性示出的，压电电阻器6a-6d在惠斯通电桥配置中通过未示出的电连接被电耦合。在使用压力传感器1期间以及存在外部压力时，第一压电电阻器6a的电阻ra和第三压电电阻器6c的电阻rc分别减小，而第二压电电阻器6b的电阻rb和第四压电电阻器6d的电阻rd分别增大。

根据已知的等式(1)，电阻中的该变化体现在由输入电压vi偏置的惠斯通电桥的输出电压vo中的变化中：

当以下条件存在时：

δra＝δrc＝-δrb＝-δrd＝δr

ra＝rb＝rc＝rd＝r(2)

等式(2)简化为：

总之，输出电压vo与外部压力相关联。

图4在俯视图中示出根据本公开的另一实施例的微机电换能器11。压力传感器11与压力传感器1的不同在于由每个膜5a-5d容纳的压电电阻器的形状，并且仅关于与压力传感器1的区别来描述压力传感器11。与压力传感器1一样的元件通过相同的参考标号指示，并且没有进一步详述。

与在压力传感器1中一样，压力传感器11包括四个膜5a-5d，四个膜5a-5d容纳压阻类型的相应的换能器元件16a-16d，换能器元件16a-16d互相电耦合以形成惠斯通电桥电路。以双z字形形式的第一压电电阻器16a被第一膜5a容纳；以双z字形形式的第二压电电阻器16b被第二膜5b容纳；以双z字形形式的第三压电电阻器16c被第三膜5c容纳；并且以双z字形形式的第四压电电阻器16d被第四膜5d容纳。

图5在俯视图中示出微机电换能器11的一部分，从其中可以理解由第一薄膜5a容纳的第一压电电阻器16a的形状。图5还示出第一电连接18a和第二电连接18b，第一电连接18a和第二电连接18b可以用于读取由第一压电电阻器16a转换的信号。例如，电连接18a、18b是p+注入区域，该p+注入区域与形成第一压电电阻器16a同时形成。

第一压电电阻器16a是由第一部分16a′、第二部分16a″和第三部分16a″′形成的。第一压电电阻器16a的第一部分16a′和第二部分16a″面向第一膜5a的相应的第一边缘5a′和第二边缘5a″，该第一边缘5a′和第二边缘5a″平行于y轴。特别地，第一压电电阻器16a的第一部分16a′从第一膜5a的第一边缘5a′延伸到第一距离d′(例如5μm至50μm之间，例如等于15μm)，而第一压电电阻器16a的第二部分16a″从第一膜5a的第二边缘5a″延伸到第二距离d″(例如5μm至50μm之间，例如等于15μm)。根据本公开的一个方面，第一距离d′和第二距离d″是沿相同的轴(在该情况中为x轴)测量的，并且基本上彼此相等。因而，第一压电电阻器16a的第一部分16a′和第二部分16a″关于对称轴ys对称地延伸，该对称轴ys平行于第一膜5a的第一边缘5a′和第二边缘5a″，并且经过第一膜5a的几何中心。

此外，第一压电电阻器16a的第一部分16a′和第二部分16a″分别连接到第一电连接18a和第二电连接18b，并且当从上方查看时，具有z字形形状，该z字形形状具有通过弯曲部分连接的多个(在该情况中为三个)直段。特别地，每个直段具有分别平行于第一膜5a的第一边缘5a′和第二边缘5a″的主延伸方向；当从上方查看时，第一压电电阻器16a的第三部分16a″′具有基本上方形的形状，并且在第一膜5a的中心部分中延伸，使第一压电电阻器16a的第一部分16a′和第二部分16a″互相连接。

形成第一压电电阻器16a的第一部分16a′和第二部分16a″的z字形各自具有例如40μm至80μm之间(例如等于60μm)的总长度ls以及例如1μm至3μm之间(例如等于2μm)的宽度ws。选择第一压电电阻器16a的第一部分16a′和第二部分16a″的总长度ls和宽度ws，以便提供针对压力传感器11的灵敏度的期望值的适当的电阻值；例如，针对在5mv/v/fs至20mv/v/fs之间的灵敏度值，第一压电电阻器16a的第一部分16a′和第二部分16a″中的每个部分的电阻在1千欧姆至10千欧姆之间。z字形形状使能第一压电电阻器16a的紧凑性增大，从而允许与方形形状相比在更小的面积内获得相同的电阻。

第一电连接18a和第二电连接18b部分地在第一膜5a上方延伸，以使压力传感器11更加紧凑。

由于相对于第一压电电阻器16a的第一部分16a′和第二部分16a″的电阻而言，在第一膜5a之上延伸的第一电连接18a和第二电连接18b的部分的电阻低，所以在第一膜5a之上延伸的第一电连接18a和第二电连接18b的部分对通过压阻效应生成的转换信号的贡献是可忽略的。

由于第一压电电阻器16a的第三部分16a″′的低电阻，并且由于其在第一膜5a的中心区域中延伸的事实(在第一膜5a的中心区域中，由于作用于压力传感器11的外部压力而产生的平面应力被最小化)，所以第一压电电阻器16a的第三部分16a″′也对转换信号做出可忽略的贡献。

因而，由第一压电电阻器16a的第一部分16a′和第二部分16a″提供对转换信号的主要贡献。根据图4和图5的实施例，第一压电电阻器16a几乎不经受由于在第一压电电阻器16a和第一膜5a之间的对齐误差而产生的灵敏度的任何变化。例如，如果在制造过程结束时存在对齐误差，以使距离d′小于距离d″，那么第一压电电阻器16a的第一部分16a′经受比完美对齐状况中更大的应力，而第一压电电阻器16a的第二部分16a″经受更小的应力，从而对转换信号的总贡献基本上不变。

图6示出压力传感器11的放大详图，从其中可以理解由第二膜5b容纳的第二压电电阻器16b的形状。图6还示出第三电连接18c和第四电连接18d，第三电连接18c和第四电连接18d可以用于读取由第二压电电阻器16b转换的信号。例如，电连接18c、18d是p+注入区域，该p+注入区域与形成第二压电电阻器16b同时形成。

第二压电电阻器16b是由第一部分16b′、第二部分16b″和第三部分16b″′形成的。第二压电电阻器16b的第一部分16b′和第二部分16b″与第二膜5b的相应的第一边缘5b′和第二边缘5b″部分重叠，该第一边缘5b′和第二边缘5b″平行于x轴。特别地，因而，第二压电电阻器16b的第一部分16b′和第二部分16b″关于对称轴xs对称地延伸，该对称轴xs平行于第二膜5b的第一边缘5b′和第二边缘5b″，并且经过第二膜5b的几何中心。

此外，第二压电电阻器16b的第一部分16b′和第二部分16b″分别连接到第三电连接18c和第四电连接18d，并且当从上方查看时，具有z字形形状，该z字形形状具有通过弯曲部分连接的多个(在该情况中为三个)直段。特别地，每个直段具有分别正交于第二膜5b的第一边缘5b′和第二边缘5b″的主延伸方向；当从上方查看时，第二压电电阻器16b的第三部分16b″′具有基本上方形的形状，并且在第二膜5b的中心部分中延伸，使第二压电电阻器16b的第一部分16b′和第二部分16b″互相连接。

形成第二压电电阻器16b的第一部分16b′和第二部分16b″的z字形各自具有例如40μm至80μm之间(例如等于60μm)的总长度ls以及1μm至3μm之间(例如等于2μm)的宽度ws。选择第二压电电阻器16b的第一部分16b′和第二部分16b″的总长度ls和宽度ws，以便提供针对压力传感器11的灵敏度的期望值的适当的电阻值；例如，针对在5mv/v/fs至20mv/v/fs之间的灵敏度值，第二压电电阻器16b的第一部分16b′和第二部分16b″中的每个部分的电阻在1千欧姆至10千欧姆之间。z字形形状使能第二压电电阻器16b的紧凑性增大，从而允许与方形形状相比在更小的面积内获得相同的电阻。

第三电连接18c和第四电连接18d部分地在第二膜5b上方延伸，以使压力传感器11更加紧凑。

由于相对于第二压电电阻器16b的第一部分16b′和第二部分16b″的电阻而言，在第二膜5b之上延伸的第三电连接18c和第四电连接18d的部分的电阻低，所以在第二膜5b之上延伸的第三电连接18c和第四电连接18d的部分对通过压阻效应生成的转换信号的贡献是可忽略的。

由于第二压电电阻器16b的第三部分16b″′的低电阻并且由于其在第二膜5b的中心区域中延伸的事实(在第二膜5b的中心区域中，由于作用于压力传感器11的外部压力而产生的平面应力被最小化)，所以第二压电电阻器16b的第三部分16b″′也对转换信号做出可忽略的贡献。

因而，由第二压电电阻器16b的第一部分16b′和第二部分16b″提供对转换信号的主要贡献。根据图4和图6的实施例，出于与参照图4描述的那些原因类似的原因，第二压电电阻器16b几乎不经受由于在第二压电电阻器16b和第二膜5b之间的对齐误差而产生的灵敏度的任何变化。

根据关于图5的第一压电电阻器16a给出的教导，第三压电电阻器16c在第三膜5c上形成，并且根据关于图6的第二压电电阻器16b给出的教导，第四压电电阻器16d在第四膜5d上形成。根据关于图3的压力传感器1给出的教导，压力传感器11的压电电阻器在惠斯通电桥中连接。

下面参照图7a-7e描述制造压力传感器1的方法。图7a-7e示出对应于第一膜5a的压力传感器1的细节。对应于剩余膜5b-5d的压力传感器1的部分经受制造方法的相同步骤。

图7a是在压力传感器1的制造的初始步骤期间的半导体晶片50的截面图，半导体晶片50特别地为n型单晶硅晶片。单个压力传感器或者多个压力传感器可以通过相同的制造步骤在晶片50上形成。

参照图7a(横截面图)和图7b(俯视图)，晶片50包括半导体主体52(例如，如需要则提前加工的衬底)，在该情况中半导体主体52是由n型单晶硅制成的。通过光刻的步骤，在半导体主体52的上表面52a的顶部上形成光阻剂的掩模53。在其中分别要形成腔4a-4d的半导体主体52的区域上形成掩模53。

掩模53形成蜂巢晶格，蜂巢晶格具有例如六边形形状的互相邻近的掩模区域。

使用掩模53(图7c)，刻蚀半导体主体52以形成沟槽56，沟槽56具有几个微米(例如，5μm至25μm之间)的深度。沟槽56限定硅柱57，硅柱57基本上是彼此相同的，并且具有对应于由掩模53限定的蜂巢区域的形状。通过示例的方式，每个柱57具有大约1μm的直径，并且沿x轴或者沿y轴与相邻的柱分开大约1μm。一般来说，柱57的直径和间距被选择为具有如下值，该值使得在下面描述的外延生长步骤期间沟槽56的顶部可以闭合。

然后去除掩模53(图7d)，并且在脱氧环境中(通常在具有高浓度氢的气氛中，优选地使用三氯硅烷(sihcl3))，实施外延生长。实施外延生长至少直到沟槽56的顶部闭合(例如，在接近1200℃的温度达45秒钟)。

从而，外延层58(其在下文中与半导体主体52没有区别，并且用相同的参考标号52标识)在硅柱57上方生长，闭合沟槽56的顶部，并且困住在沟槽中存在的气体(在该情况中为氢气h2的分子)。

然后实施退火步骤，例如在大约1190℃至1200℃的温度达大约30-40分钟。退火步骤使得(图7e)硅原子以已知的方式迁移，硅原子趋于向更低能量的位置移动，如例如t.sato,n.aoki,i.mizushima和y.tsunashima在论文“anewsubstrateengineeringfortheformationofemptyspaceinsilicon(ess)inducedbysiliconsurfacemigration”,iedm1999,pp.517-520中所讨论的。

在沟槽56中，在硅柱靠近在一起的情况下，硅原子完全迁移，并且形成腔4a-4d，腔4a-4d通过悬置的层58′在上方闭合。

优选地，在h2气氛中实施退火，以便防止在沟槽56中存在的氢通过外延层泄漏到外面，并且在外延生长步骤期间困住的量不充足的情况下，增加在腔4a-4d中存在的氢浓度。备选地，可以在氮环境中实施退火。

接下来(图7f)是在未被掩模60保护的区域中注入(由箭头59示出)p型掺杂元素(诸如硼)的步骤。随后的热扩散步骤导致形成压电电阻器6a-6d和相应的电连接。然后，去除掩模60，以生产图1和图2的压力传感器1。

通过与图7a-7f的制造方法相同的制造方法来制造压力传感器11。在该情况中，限定掩模60，以形成具有上述形状的压电电阻器6a-6d。

图8示出机电类型的制动系统100的框图的一个示例，该制动系统100包括根据上述实施例中的任何实施例的一个或多个压力传感器。

特别地，制动系统100进一步包括：制动踏板102；第一传感器103，用于检测制动踏板102的致动速度v和行程c；电子控制单元104，连接到第一传感器103；机电致动器105，连接到电子控制单元104，并且包括电动机106和活塞107，活塞107通过例如无止螺旋(endlessscrew)型的连接元件(未示出)连接到电动机106；制动盘108，连接到机电致动器105，并且固定到车辆的轮子(通过未示出的已知的方式)；以及根据本公开的一个或者多个压力传感器1和/或11，能够检测涉及通过机电致动器105在制动盘108上施加的制动作用的信息，并且通过反馈环路连接到电子控制单元104。

在使用中，第一传感器103将涉及制动踏板102的致动速度v和行程c的数据发送给电子控制单元104，基于这些数据，电子控制单元104生成针对机电致动器105(特别地，针对电动机106)的控制信号(以电压v，或者以电流i)。基于该控制信号，电动机106生成驱动扭矩，该驱动扭矩通过无止螺旋连接元件转换成活塞107的线性运动。因此，活塞107在制动盘108上按压(借助于未示出的磨料垫)，以便制动其旋转。压力传感器1、11检测活塞107在制动盘108上施加的压力p的值和活塞107相对于制动盘108的位置x，并作为反馈将这些数据发送给电子控制单元104。因此，电子控制单元104执行对制动作用的闭合环路控制(例如，pid控制)。

根据本公开的一个方面，压力传感器1、11被容纳在机电致动器105的外壳中，以便对活塞107施加的压力p敏感。备选地，压力传感器1、11被容纳在制动系统的液压回路中，以直接测量流体的压力。

显然，对于压力传感器1和11，其它应用是可能的；例如，它们可以用在柴油引擎中的燃料喷射回路中，以用于测量喷射到缸体中的柴油的量；用在工业环境中，以用于监控增压回路的具体分量和部件(机器人臂等)；或者用在空调系统中；或者用在其它应用中，其中，测量和/或监控流体和/或气体的压力水平(特别是高压(例如，30mpa或者更高))是有用的。

这里所描述和说明的本公开的特点的检查将揭示其提供的优点。

特别地，除了以上说明的优点，可能提供具有高刚性膜的压力传感器，从而增加范围结束值，而不增加用于已知类型的具有低范围结束值的压力传感器的制造方法的复杂度。

最后，在不脱离本公开的保护范围的情况下，本文描述和说明的公开内容显然可以被修改和变化。

例如，压力传感器11的压电电阻器的第一和第二部分可以具有不同于z字形形状的任何形状(例如，方形形状)。

腔4a-4d也可以具有不同的形状，例如圆形或者椭圆形或者六边形或者更一般地多边形或者具有圆顶点的多边形。腔4a-4d也可以以任何其它的几何配置来布置。

上面描述的各种实施例可以组合，以提供进一步的实施例。根据上面详细的描述，可以对实施例进行这些和其它改变。一般而言，在随附的权利要求中，使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求书中所公开的具体实施例，而应该被解释为包括所有可能的实施例以及这种权利要求被赋予的等同方案的全范围。相应地，权利要求不限于本公开。