專利名稱:電容傳感器的制作方法
技術領域:
硅傳感器廣泛地應用于大而日益變化的領域,包括一些重要的領域,例如醫(yī)療設備、汽車領域如引擎控制和輪胎壓力監(jiān)測、工業(yè)過程控制和航空電子設備工業(yè)?;诠璧膫鞲衅髯罱?jīng)常使用的轉(zhuǎn)換原理是電容探測和壓阻探測。
背景技術:
壓阻傳感器通常被認為比電容傳感器更耐用(robust)。另一個優(yōu)點是它們給出的輸出信號與輸入具有良好的線性。另一方面,電容傳感器與壓阻傳感器相比的優(yōu)點是,它們消耗功率小,但是具有非線性直接輸出信號且對電磁干擾更加敏感。電容硅傳感器能夠制得尺寸很小,并能夠容易地通過表面微機械加工制成。然而,它們并不非常耐用,且在大多數(shù)應用中需要通過凝膠或者其它的柔性材料保護它們的壓力敏感隔膜免受的壓力破壞。這使得由于添加到該隔膜頂部的塊(mass)導致振動敏感性增加。在專利申請EP-A-742581和EP-A-994330中說明了制造硅壓力傳感器和慣性傳感器的先進且經(jīng)過良好證明的方法,但是它們?nèi)跃哂猩鲜鰡栴}。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明試圖提供一種電容硅傳感器裝置,其解決了上述問題。
根據(jù)本發(fā)明,提供了一種電容類型的傳感器,其包括玻璃板,在其上面形成有電極;和微機械加工結(jié)構(gòu),其由半導體材料形成并且在上面形成有絕緣凸緣(rim);以及導電密封(conducting seal),其在絕緣凸緣上形成并被布置成與玻璃基片結(jié)合從而限定包含電極的封閉腔(enclosed cavity),借此限定電容元件,在使用中,該導電密封被布置成使電信號經(jīng)過從而確定其電容,電容表示待由傳感器確定的參數(shù)。
本發(fā)明講授了一種電容裝置,用于測量物理變量例如壓力、流量和加速度。本發(fā)明的壓力傳感器裝置具有微機械加工的硅隔膜,其起電容器內(nèi)可動電極的作用;通過陽極粘合(anodic bonding)作用密封的片上真空參考體積(on-chip vacuum reference volume),其起電容器內(nèi)的間隙的作用,并且在玻璃上具有電容器的反電極(counterelectrode),通過傳導系統(tǒng)與密封腔的外部連接,該傳導系統(tǒng)由玻璃上的金屬互連、玻璃上的金屬與硅部分上的金屬密封環(huán)之間的壓力接觸件構(gòu)成,其也形成一個封閉的密封腔(sealed cavity)。本發(fā)明產(chǎn)生了耐用而可靠的傳感器,具有良好的介質(zhì)兼容性,并通過使被測變量入口朝向硅隔膜的后側(cè)而獲得。所使用的處理技術使得制造成本較低,這是大量生產(chǎn)領域例如在汽車工業(yè)中需要的。可以制作變型,其通過在玻璃上形成電容器并聯(lián)的電極系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電容值。其它的變型可以包括集成MOS電容器。
通過使硅平面處理與硅體微機械加工處理相結(jié)合可以使本發(fā)明成為可能,硅體微機械加工例如干腐蝕、各向異性和選擇腐蝕、玻璃的薄膜金屬化和玻璃與薄膜層之間的陽極粘合。所有這些技術在微系統(tǒng)技術(MST)和微電機械系統(tǒng)(MEMS)中是眾所周知的。
盡管在說明書中,選擇硅作為材料,但是本發(fā)明并不僅限于硅,也能夠使用其它的半導體材料制成,例如III-V半導體如GaAs或者高溫半導體SiC。
為了較好地理解本發(fā)明及其特征和優(yōu)點,下面參考詳細說明和附圖,其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一和基本類型電容絕對壓力傳感器的剖面圖;圖2是圖1中的壓力傳感器通過A-A線的頂視圖;圖3是根據(jù)本發(fā)明的電容加速傳感器的頂視圖;圖4顯示了圖1中玻璃上的金屬電極與密封環(huán)的金屬之間壓力接觸件的一種布置的細節(jié);圖5顯示了圖1中玻璃上的金屬電極與密封環(huán)的金屬之間壓力接觸件的第二種布置的細節(jié);圖6是根據(jù)本發(fā)明的電容絕對壓力傳感器第二實例的頂視圖,其包括可調(diào)金屬氧化物半導體電容器;圖7是根據(jù)本發(fā)明的電容壓力傳感器第三實例的頂視圖,其具有可調(diào)的電極圖形;和圖8顯示了在通過陽極粘合將各部分層壓在一起形成傳感器之前,圖1和2所示電容壓力傳感器分離的硅和玻璃部分。
具體實施例方式
參考圖1和2,傳感器具有硅部分100,在基片上形成的剛性支持緣102和柔性微結(jié)構(gòu),該柔性微結(jié)構(gòu)形成了薄柔性隔膜104?;恢負诫s以便獲得低串聯(lián)阻抗。在隔膜104內(nèi)腐蝕出淺凹槽,且支持緣102在其表面上具有電絕緣層107。在電絕緣層107上形成導電薄膜層108,作為圍繞隔膜104的環(huán)。
第一玻璃部分120具有薄膜表面?zhèn)鲗到y(tǒng),在其表面上形成有金屬互連,其構(gòu)成面向硅隔膜104的平板電極121。玻璃120被陽極粘合于硅部分100上的導電薄膜層上,借此在界面122上形成完全的密封環(huán)108。
如圖1和2所示,平板電極121通過電壓力接觸件109a和109b與導電薄膜密封環(huán)108接觸。這樣,隔膜104的腐蝕凹槽提供了器件內(nèi)的密封腔123。
基片100和玻璃部分120形成了電容傳感器件,用玻璃120上的平板電極121作為第一電極。該電極通過在電極121與金屬密封環(huán)108之間形成的壓力接觸件109a、109b與密封腔123外部的絲線鍵合焊墊111a電連接。密封腔123起電容器中電絕緣間隙的作用。柔性隔膜104是可變電容器的第二電極,并通過支持緣102與密封腔外部的電接觸焊墊111b電連接。
當外力施加在隔膜104的柔性結(jié)構(gòu)上,借此將隔膜104壓向玻璃上的平板電極121,在電容器內(nèi)產(chǎn)生較小的間隙123時,電容改變從而提供傳感功能。
優(yōu)選地,絕緣層107在電介質(zhì)材料上形成,且密封環(huán)108也起導體的作用,從而在玻璃120上的平板電極121與位于空腔外部的絲線鍵合焊墊111a之間提供電接觸。
如上所述,圖1和2所示的基本傳感器件包括柔性微結(jié)構(gòu),其能夠采用薄隔膜104的形式。在該實例中,施加在隔膜104上的壓力將隔膜104壓向平板電極121,處于薄膜傳導系統(tǒng)的形式。因此減小了電極之間的間隙112。因此該傳感器件能夠用作壓力傳感器,探測氣壓或者液壓的變化。
圖1和2的傳感器還包括彈性中心凸起(resilient center boss)106和電絕緣微機械超載保護部件110。這一部件保證,在所感測的參數(shù)極度變化的影響下,部件110與玻璃120上的電極121接觸,借此保證兩個電極繼續(xù)電絕緣。
圖3顯示了本發(fā)明傳感器件的另一個實例,其是電容加速計的形式。加速計40包括在基片430上構(gòu)建的硅部分400。硅部分400具有剛性支持緣402,其通過薄柔性彈簧連接于地震塊(seismic mass)406,從而塊406由彈簧的末端支持。彈簧和塊構(gòu)成薄柔性隔膜404,其通過支持緣402與電接觸焊墊(未顯示)電連接。
硅支持緣402具有電絕緣環(huán)形層407,其表面具有導電薄膜層408。該薄膜層起導電密封環(huán)408的作用,其圍繞隔膜404,并與圖1中壓力傳感器的密封環(huán)408相似。
電容加速計40的玻璃部分420具有薄膜傳導系統(tǒng),在其表面上形成有金屬互連,并且面向硅部分400。該傳導系統(tǒng)在使用中起平板電極的作用。
玻璃部分420被陽極粘合于硅部分400,從而在兩個部分之間的界面422上形成完全的密封。
從圖3能夠看出,密封環(huán)408具有形成于電極421和密封環(huán)408之間的壓力接觸區(qū)域409A、409B,并連接位于電容加速計外部的絲線鍵合區(qū)域411,以便提供引出和/或進入傳感器件的電連接。壓力接觸件409A和409B在平板電極421與薄膜密封環(huán)408之間形成有效的電連接。
在薄隔膜404內(nèi)腐蝕淺凹槽,從而當玻璃與硅部分如上所述地連接時,在平板電極421和隔膜404之間存在真空參考體積(vacuumreference volume)。因此在傳感器件的玻璃420和硅400部分之間提供密封腔423。該密封腔起電容加速計的電絕緣間隙的作用。
在使用中,平板電極421和硅隔膜404的地震塊406分別起電容加速計40的第一和第二電極的作用。
加速計40以和上述電容壓力傳感器10類似的方式發(fā)揮作用。施加在塊406上的加速度驅(qū)動隔膜404向著或者背離平板電極421偏轉(zhuǎn),借此改變電極之間間隙412的尺寸,從而測量電容值。在感測相對大的加速度時,為了維持電極之間的電絕緣,在隔膜404上提供電絕緣機械過載保護部件410。
參考圖4和5,它們顯示了用于形成傳感器件壓力接觸件109的可選擇構(gòu)型。圖4顯示了作為單個部件的壓力接觸件109的細節(jié),該部件使玻璃120的金屬電極121與密封環(huán)108的金屬連結(jié)。圖5中,電極121的金屬和密封環(huán)108的金屬彼此直接接觸。這些壓力接觸布置使用密封環(huán)122將密封功能和電接觸功能合并在單個部件內(nèi),借此允許簡化器件,具有更少的部分。這一合并還使器件易于制造。
圖6顯示了本發(fā)明進一步的實例,其中傳感器件20通過傳感器的基片與一個或多個金屬氧化物半導體電容器(MOS電容器)212a-d串聯(lián)。在多個MOS電容器的實例中,它們彼此并聯(lián)。MOS電容器應當初始具有比傳感器更高的電容值,并使互連213a-d設計成具有能夠用激光束除去的區(qū)域。通過以這種方法“調(diào)節(jié)”MOS電容器,能夠減小其電容,從而增加系統(tǒng)的總電容值。
通過以這種方法增加總電容,電容器作為被測參數(shù)的函數(shù)改變的比率、器件的敏感性、能夠設定在不依賴于處理公差的恒定限定值。
“調(diào)節(jié)”總電容值的進一步方法存在于圖7所示的傳感器30的實例中。這里,傳感器30玻璃部分320上的電極圖形由至少兩個電極構(gòu)成。電極321a-h通過玻璃部分(322a-h)和硅部分(323a-d)的金屬互連系統(tǒng)并聯(lián)在空腔內(nèi)。連接頂電容電極的金屬線能夠用激光束穿過玻璃,從而能夠減小傳感器的總電容值。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的器件(如圖1和2示出的)的制造過程的順序。硅基片應當通過標準光刻方法、離子轟擊和/或高溫擴散摻雜劑被重摻雜。傳感器的硅部分100,包括剛性支持緣102,能夠通過本技術領域內(nèi)眾所周知的標準方法加以制造,例如硅平面處理、雙側(cè)光刻以及濕和干腐蝕步驟。凹槽在兩個腐蝕步驟中在硅上濕和/或干腐蝕而成。第一步生成壓力接觸件109a和109b,第二步生成凹槽從而在完全制造的傳感器中提供間隙112。電絕緣層107可以熱生長或者氣相沉積在剛性支持緣102的表面上,然后在其頂部形成密封環(huán)108,其處于導電薄膜層的形式。
玻璃部分120上的金屬平板電極121能夠通過用于在玻璃上制造薄膜結(jié)構(gòu)的標準方法制造。間隙112和壓力接觸件109a和109b的位置也能夠通過在玻璃120內(nèi)腐蝕凹槽生成,或者通過在玻璃部分120和硅部分100內(nèi)執(zhí)行聯(lián)合腐蝕步驟生成。
通過在真空中,將玻璃基片120陽極粘合于硅基片100上完成該傳感器件的制造,產(chǎn)生如圖1和2所示的結(jié)構(gòu),其中玻璃基片120具有金屬電極121并在上面已經(jīng)形成薄膜互連,最終結(jié)構(gòu)具有(陽極粘合的)密封環(huán)108和密封空腔123,它們通過在硅基片的表面內(nèi)腐蝕出的凹槽形成。
權利要求
1.一種電容類型傳感器,包括玻璃平板,其上面具有電極;和微機械加工結(jié)構(gòu),其由半導體材料形成并在其上面形成有絕緣凸緣;以及導電密封,形成在絕緣凸緣上,并被配置成粘合于玻璃基片從而限定包含電極的封閉腔,借此限定電容元件,在使用中,該導電密封被配置成使電信號經(jīng)過從而確定其電容,該電容表示待由該傳感器確定的參數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1的傳感器,其中微機械加工結(jié)構(gòu)包括隔膜。
3.根據(jù)權利要求2的傳感器,其中在隔膜上還安裝有電連接件。
4.根據(jù)權利要求3的傳感器,其中隔膜的電連接件由半導體材料提供。
5.根據(jù)權利要求2-4的傳感器,其中隔膜包括剛硬的中心凸起。
6.根據(jù)前述任一權利要求的傳感器,其中半導體材料是硅。
7.根據(jù)前述任一權利要求的傳感器,其中半導體材料構(gòu)成剛性支持緣。
8.根據(jù)前述任一權利要求的傳感器,其中玻璃基片與半導體材料之間的密封通過陽極粘合提供。
9.根據(jù)前述任一權利要求的傳感器,其中在空腔的外部提供附加的壓力接觸件從而允許其它器件相互作用。
10.根據(jù)前述任一權利要求的傳感器,其中在制造該器件期間,電極的形狀被加工成其尺寸能夠調(diào)節(jié)以便控制其電容。
11.根據(jù)前述任一權利要求的傳感器,被配置成壓力傳感器。
12.根據(jù)權利要求1-10中任何一個的傳感器,被配置成加速計。
13.根據(jù)前述任一權利要求的傳感器,其中導電密封與玻璃基片上的電極電連接。
14.根據(jù)前述任一權利要求的傳感器,其中導電密封與空腔外部的電粘合墊連接。
全文摘要
一種電容型傳感器包括上面具有電極的玻璃平板,和由半導體材料形成的且上面形成有絕緣凸緣的微機械加工結(jié)構(gòu)。在絕緣凸緣上形成導電密封并布置成粘合于玻璃基片從而限定包含電極的封閉腔,借此限定電容元件,在使用中,該導電密封被布置成使電信號通過從而確定其電容,該電容表示待由傳感器確定的參數(shù)。
文檔編號B81B7/00GK1605560SQ200410077009
公開日2005年4月13日 申請日期2004年9月9日 優(yōu)先權日2003年10月10日
發(fā)明者亨利克·賈克布森, 特杰·克韋斯特羅 申請人:森松諾爾公司