用于压力和惯性传感器设备的微机械构件的制作方法

1.本发明涉及一种用于压力和惯性传感器设备的微机械构件和一种压力和惯性传感器设备。同样地，本发明涉及一种用于制造用于压力和惯性传感器设备的微机械构件的制造方法。


背景技术：

2.在de 10 2006 024 671 a1中描述一种微机械结构元件，该微机械结构元件包括撑开的膜片，该膜片这样气密地密封膜片的膜片内侧与载体之间的内部容积，使得膜片借助存在于远离载体指向的膜片外侧上的压力与存在于内部容积中的参考压力之间的压力差能够被翘曲。此外，在内部容积中布置有振动质量。借助由该振动质量和同样布置在内部容积中的刚性电极形成的电容，应该能够测量微机械结构元件的加速度。附加地，借助由膜片和振动质量或者膜片和刚性电极形成的电容应该能够测量压力或者声音。


技术实现要素：

3.本发明实现一种具有权利要求1的特征的用于压力和惯性传感器设备的微机械构件、一种具有权利要求7的特征的压力和惯性传感器设备和一种具有权利要求7的特征的用于制造用于压力和惯性传感器设备的微机械构件的制造方法。
4.本发明的优点
5.本发明实现用于将压力传感器结构和惯性传感器结构共同集成在微芯片上/中的有利的可能性。借助本发明实现的用于共同集成压力传感器结构和惯性传感器结构的可能性能够实现相应的微芯片的芯片面的特别好的充分利用，由此能够简化压力和惯性传感器设备的微型化并且能够在制造压力和惯性传感器设备时降低制造成本。
6.与在先描述的现有技术相比，本发明的特别的优点在于，根据本发明的微机械构件的构造允许与直接地或者间接地紧固在该微机械构件的衬底的衬底表面上的传感器对应电极共同作用，所述微机械构件具有在所述微机械构件的膜片的膜片内侧上突出的且伸入到内部容积中的传感器电极。因此，省去上文描述的现有技术的如下必要性：将振动质量或者与该振动质量共同作用的“刚性电极”用作用于膜片的对应电极。附加地，根据本发明的具有在膜片内侧上突出的且伸入到内部容积中的传感器电极的微机械构件的构造，允许将与传感器电极共同作用的传感器对应电极以与传感器电极具有相对较小的间距的方式直接地或者间接地布置在衬底表面上。因此，传感器电极和传感器对应电极之间的共同作用适合用于以相对较高的敏感性、良好的测量精度和可忽略不计的低误差频率验证或者测量存在于膜片外侧上的压力。
7.在微机械构件的一种有利的实施方式中，振动质量由半导体材料层的或者半导体材料层堆的至少一个半导体材料形成，其中，传感器电极至少部分地同样由该半导体材料层的或者该半导体材料层堆的至少一个半导体材料形成。因此，半导体材料层或者半导体材料层堆作为唯一的微机械功能层不仅能够用于形成振动质量、还能够用于形成传感器电
极的至少一部分。这也便于微机械构件的在这里描述的实施方式的微型化。
8.作为有利的扩展方案，布置在所述内部容积中的且独立于所述振动质量形成的参考电极附加地能够由所述半导体材料层的或者所述半导体材料层堆的至少一个半导体材料形成。在这种情况下，参考电极到内部容积中的集成不/几乎不有助于增加微机械构件的在这里描述的实施方式的延展，在下文还将更详细地阐述该参考电极的功能。
9.在微机械构件的另一种有利的实施方式中，振动质量通过至少一个弹簧装置这样附接在衬底表面上，使得振动质量能够被置于调整运动中，该调整运动具有沿着与衬底表面平行地伸展的调整轴线定向的运动分量，其中，至少一个质量对应电极这样固定地布置在内部容积中，使得，如果振动质量被置于具有沿着调整轴线定向的运动分量的调整运动中，则振动质量与相应的质量对应电极的相应的间距发生变化。因此，在微机械构件的在这里描述的实施方式中，振动质量能够可靠地用于验证或者用于探测微机械构件的具有沿着调整轴线定向的至少一个加速度分量的加速度。
10.替代地，振动质量还能够具有摆杆结构，该摆杆结构能够被置于围绕与衬底表面平行地定向的倾斜轴线的摆动运动中，其中，第一质量对应电极和第二质量对应电极这样直接地或者间接地紧固在衬底表面上，使得，如果振动质量的摆杆结构被置于围绕倾斜轴线的摆动运动中，则摆杆结构与第一质量对应电极的第一间距和摆杆结构与第二质量对应电极的第二间距发生变化。微机械构件的在这里描述的实施方式能够有利地用于可靠地验证或者探测微机械构件的具有与衬底表面垂直地定向的加速度分量的加速度。
11.尤其是，至少一个参考对应电极也能够在第一质量对应电极与第二质量对应电极之间直接地或者间接地紧固在衬底表面上。如在下文更详细地阐述的那样，在这种情况下，所述至少一个参考对应电极能够用于参考测量，用以增加借助传感器电极和紧固在衬底表面上的传感器对应电极所实施的对存在于膜片外侧上的压力的测量的测量精度。
12.在具有这种类型的微机械构件的压力和惯性传感器设备的情况下，也确保上文描述的优点。压力和惯性传感器设备能够理解为如下传感器设备：该传感器设备不仅能够满足压力传感器的或者声音传感器的功能，还能够满足惯性传感器(例如加速度传感器、转速传感器或者旋转加速度传感器)的功能。
13.另外，用于制造用于压力和惯性传感器设备的微机械构件的相对应的制造方法的实施也实现上述优点。应明确指出，能够如此扩展该制造方法，使得由此能够制造该微机械构件的上述所有实施方式。
附图说明
14.在下文中，根据附图阐述本发明的其他特征和优点。附图示出：
15.图1a和图1b微机械构件的第一实施方式的俯视图和横截面，其中，图1b示出沿着图1a的线a-a’的横截面；
16.图2a和图2b微机械构件的第二实施方式的俯视图和横截面，其中，图2b示出沿着图2a的线b-b’的横截面；
17.图3a至图3c微机械构件的第三实施方式的俯视图和横截面，其中，图3b示出沿着图3a的线c-c’的横截面，图3c示出沿着图3a的线d-d’的横截面；
18.图4a和图4b微机械构件的第四实施方式的俯视图和横截面，其中，图4b示出沿着
图4a的线e-e’的横截面；
19.图5微机械构件的第五实施方式的横截面；
20.图6微机械构件的第六实施方式的横截面；
21.图7微机械构件的第七实施方式的横截面；和
22.图8用于阐述用于制造用于压力和惯性传感器设备的微机械构件的制造方法的一种实施方式的流程图。
具体实施方式
23.图1a和图1b示出微机械构件的第一实施方式的俯视图和横截面，其中，图1b示出沿着图1a的线a-a’的横截面。
24.在图1a和图1b中示意性示出的微机械构件包括具有衬底表面10a的衬底10、撑开的膜片12和振动质量14，该膜片具有朝向衬底表面10a定向的膜片内侧12a和远离衬底表面10a指向的膜片外侧12b。膜片内侧12a邻接于内部容积16，在该内部容积中封锁有参考压力p0，该参考压力能够与存在于膜片外侧12b上的压力p不同。膜片12构造为能够这样变形，使得膜片12借助存在于其膜片外侧12b上的压力p与存在于内部容积中的参考压力p0之间的压力差能够被翘曲/被翘曲。此外，振动质量14布置在内部容积16中。
25.此外，微机械构件具有在膜片内侧12a上突出的且伸入到内部容积16中的传感器电极18，该传感器电极借助膜片12的翘曲相对于衬底10能够被调整/被调整。传感器电极18能够可选地构造为一体式或者多件式。在膜片内侧12a上突出的传感器电极18在两种情况下都满足膜片12的加固结构的优点，例如尤其是在所述膜片的膜片侧12a和12b上存在压力差的情况下对膜片12的边缘区域的相对较强的弯曲的安全调整(sicherverstellung)，由此增加膜片12的被边缘区域围绕的中心区域的偏转。此外，如在图1b中所示，在膜片内侧12a上突出的传感器电极18能够有利地与直接或者间接紧固在衬底表面10a上的传感器对应电极20共同作用，其中，能够确保，当膜片侧12a和12b上压力相等时，传感器电极18与传感器对应电极20具有相对较小的间距d
18-20
。因此，在膜片内侧12a上突出的传感器电极18的构造还增加在借助膜片12实施的对存在于膜片外侧12b上的压力p的测量时的敏感性。用作机械加固结构的传感器电极18附加地确保膜片侧12a和12b上的压力差的增加或者减少与间距d
18-20
的对应的减小或者增大之间的低的非线性，这便于对借助膜片12、传感器电极18和传感器对应电极20实施的压力测量进行分析处理。因此，为了压力测量能够使用构造得相对较简单的、成本有利的并且需要相对较少的结构空间的电子装置。
26.振动质量14也能够用于实施测量。在图1a和图1b的实施方式中，振动质量14通过至少一个弹簧装置22这样附接在衬底表面10a上，使得振动质量14能够被置于调整运动中，该调整运动具有沿着与衬底表面10a平行地定向的调整轴线24定向的运动分量。尤其是，振动质量14能够被置于沿着调整轴线24定向的调整运动中。附加地，至少一个质量对应电极26这样固定地布置在内部容积16中，使得，如果振动质量14被置于具有沿着调整轴线24定向的运动分量的调整运动中，则振动质量14与相应的质量对应电极26的相应的间距d
14-26
发生变化。因此，振动质量14和至少一个质量对应电极26特别好地适合用于可靠地验证或者测量微机械构件沿着与衬底表面10a平行地定向的调整轴线24的加速度。
27.因此，在此描述的微机械构件不仅适合用于验证和/或测量参考压力p0与存在于
膜片外侧12b上的压力p之间的压力差，还适合用于验证和/或测量微机械构件沿着调整轴线24的加速度。附加地，在微机械构件的情况下，膜片12也能够用作用于振动质量14和与其共同作用的至少一个质量对应电极26的“薄层覆盖部”，从而使得膜片12的该多功能性用于附加地保护振动质量14和至少一个质量对应电极26。微机械构件的另一个优点是，将其敏感的部件12、14、18、20和26集成到相对较小的容积中，由此便于微机械构件的微型化并且能够在制造微机械构件时节省材料。
28.在此描述的微机械构件的另一个优点是，不仅振动质量14由半导体材料层28的或者半导体材料层堆的至少一个半导体材料形成，而且传感器电极18至少部分地同样由半导体材料层28的或者半导体材料层堆的至少一个半导体材料成形。可选地，用于振动质量14的至少一个(在图1a和图1b中未示出的)止挡结构也能够由半导体层28或者半导体层堆形成。
29.因此，在此描述的微机械构件能够借助相对较少的工作花费来制造。例如，能够首先将布线材料层和电极材料层30直接地或者间接地沉积在衬底10的衬底表面10a上。随后，不仅传感器对应电极20、而且微机械构件的线路32都能够由布线材料层和电极材料层3形成/结构化。此外，借助布线材料层和电极材料层30在至少部分地覆盖衬底表面10a的至少一个绝缘层34上的沉积，能够使由布线材料层和电极材料层30成形的结构20和32与衬底10电绝缘。随后，半导体材料层28或者半导体材料层堆能够沉积在(在图1b中未示出的)牺牲层上，该牺牲层至少部分地覆盖衬底表面10a、至少一个绝缘层34和/或由布线材料层和电极材料层30形成的结构20和32。借助在沉积半导体材料层28或者半导体材料层堆之前贯穿牺牲层的至少一个凹槽的构造，能够在衬底表面10a上和/或在线路32上形成至少一个弹簧装置22的和/或至少一个质量对应电极26的后来的锚固部36。随后，借助膜片封闭层38在另外的牺牲层上的沉积，能够完成膜片12，该另外的牺牲层至少部分地覆盖在此描述的层构造，但是在图1b中未示出该另外的牺牲层。随后，借助牺牲层的至少部分的移除，能够获得在图1b中示意性示出的层构造。
30.因此，微机械构件的能够运动的传感器部件12、14和18能够由两个功能层28和38(半导体材料层28和膜片封闭层38)形成。此外，微机械构件的位于两个功能层28和38之外的所有固定的电子结构20和32都能够借助布线材料层和电极材料层30形成。因此，在这里描述的微机械构件的制造需要相对较少的沉积步骤。例如，硅能够用作半导体材料层28的或者半导体材料层堆的至少一个半导体材料。硅也能够被沉积用于膜片封闭层38。布线材料层和电极材料层30的材料例如能够是金属或者经掺杂的硅。因此，相对较成本有利的且能够容易加工的材料也能够用于制造微机械构件。牺牲层例如能够由氧化硅制成。
31.图2a和图2b示出微机械构件的第二实施方式的俯视图和横截面，其中，图2b示出沿着图2a的线b-b’的横截面。
32.在图2a和图2b中示意性示出的微机械构件是先前描述的实施方式的一种扩展方案。为此，图2a和图2b的微机械构件附加地还包括至少一个参考对应电极40，该参考对应电极直接地或者间接地紧固在衬底表面10上。优选地，至少一个参考对应电极40布置为与振动质量14具有相对较小的间距d
14-40
，该振动质量能够被调整到其调整运动中，该调整运动具有沿着调整轴线24定向的至少一个运动分量。借助至少一个参考对应电极40的这种类型的布置，能够充分利用：微机械构件的沿着调整轴线24的加速度(基本上)不引起振动质量
14与至少一个参考对应电极40之间的间距d
14-40
的变化。
33.至少一个参考对应电极40是有利的，以便能够实现在由传感器电极18和传感器对应电极20形成的可变电容与在振动质量14与参考对应电极40之间形成的电容之间的差分的分析处理，在振动质量14与参考对应电极40之间形成的电容在压力变化的情况下是不改变的。差分的电容测量通常是有利的，以便实现特别简单且高分辨率的电子分析处理电路。此外，在对由传感器电极18和传感器对应电极20形成的和由振动质量14和参考对应电极40形成的电容进行差分的分析处理时，在适当地选择电极的几何形状布置的情况下在很大程度上抵消衬底10的弯曲的影响。因此，能够可靠地区分间距d
18-20
的由压力p的变化导致的变化和间距d
18-20
的能够归因于衬底10的弯曲的变化。所述至少一个参考对应电极40能够由布线材料层和电极材料层30形成。
34.关于图2a和图2b的微机械构件的其他特征和优点参考上文阐述的实施方式。
35.图3a至图3c示出微机械构件的第三实施方式的俯视图和横截面，其中，图3b示出沿着图3a的线c-c’的横截面，图3c示出沿着图3a的线d-d’的横截面。
36.在图3a至图3c的实施方式中，振动质量14包括摆杆结构42，该摆杆结构能够被置于围绕与衬底表面10平行地定向的倾斜轴线44的摆动运动(wippenbewegung)中。为此，摆杆结构42借助沿着倾斜轴线44延伸的两个扭转弹簧46附接到两个锚固点36上。摆杆结构42能够理解为具有关于包括倾斜轴线44的剖面不对称的质量分布的结构。因此，微机械构件的沿与衬底表面10a垂直地定向的加速度方向的加速度引起摆杆结构42的位于剖面的第一侧上的第一摆杆件42a与摆杆结构42的位于剖面的第二侧上的第二摆杆件42b之间的指向相反方向的运动。
37.第一质量对应电极48a和第二质量对应电极48b这样直接地或者间接地紧固在衬底表面10a上，使得，如果振动质量14的摆杆结构42被置于围绕倾斜轴线44的摆动运动中，则摆杆结构42的第一摆杆件42a与第一质量电极48a的第一间距d
42a-48a
和摆杆结构42的第二摆杆件42b与第二质量电极48b的第二间距d
42b-48b
分别发生变化。优选地，两个质量对应电极48a和48b这样布置在摆杆结构42上，使得，如果摆杆结构42的围绕倾斜轴线44的摆动运动引起第一间距d
42a-48a
的增大，则第二间距d
42b-48b
减小，如果摆杆结构42的围绕倾斜轴线44的摆动运动引起第一间距d
42a-48a
的减小，则第二间距d
42b-48b
增大。借助对借助质量对应电极48a和48b获得的信号的减法，能够实现特别简单且高分辨率的电子分析处理电路，用以测量电容变化。此外，能够自动地过滤出能够归因于衬底10的弯曲的“错误信号”。优选地，第一质量对应电极48a靠近第一摆杆件42a的远离剖面指向的端部，而第二质量对应电极48b靠近第二摆杆件42b的远离剖面指向的端部。
38.作为有利的扩展方案，还能够在第一质量对应电极48a与剖面之间和/或在第二质量对应电极48b与剖面之间将至少一个参考对应电极40a和40b直接地或者间接地紧固在衬底表面10a上。优选地，至少一个第一参考对应电极40a布置在第一质量对应电极48a与剖面之间，至少一个第二参考对应电极40b布置在第二质量对应电极48b与剖面之间。在这种情况下，有利地以差分的方式借助由传感器电极18和传感器对应电极20形成的第一电容和由振动质量14和参考对应电极40形成的第二电容的差的变化来测量压力变化。至少一个参考对应电极40a和40b和/或两个质量对应电极48a和48b也能够由布线材料层和电极材料层30形成。
39.关于图3a至图3c的微机械构件的其他特征和优点参考上文描述的实施方式。
40.图4a和图4b示出微机械构件的第四实施方式的俯视图和横截面，其中，图4b示出沿着图4a的线e-e’的横截面。
41.作为对上文描述的实施方式的至少一个参考对应电极40a和40b的替代方案或者补充方案，图4a和图4b的微机械构件还包括布置在内部容积16中且独立于振动质量14形成的/能够被调整的参考电极50，该参考电极具有配属于参考电极50的(另外的)参考对应电极40。如图4b所示，布置在内部容积16中且独立于振动质量14形成的/能够被调整的参考电极50能够附加地由半导体材料层28的或者半导体材料层堆的至少一个半导体材料形成。与参考电极50具有间距d
40-50
布置的参考对应电极40能够由布线材料层和电极材料层30形成。在这种情况下，有利地以差分的方式借助由传感器电极18和传感器对应电极20形成的第一电容和由参考电极50和参考对应电极40形成的第二电容的差的变化来测量压力变化。
42.关于图4a和图4b的微机械构件的其他特征和优点参考上文描述的实施方式。
43.在这里也应指出，振动质量14还能够具有蹦床结构，而非摆杆结构42。然后，在微机械构件具有沿与衬底表面10a垂直地定向的加速度方向的加速度的情况下，该蹦床结构以与衬底表面10a垂直地定向的运动分量运动。
44.图5示出微机械构件的第五实施方式的横截面。
45.在图5中示意性示出的微机械构件是图1a和图1b的实施方式的一种扩展方案。能够看出，膜片12被撑开在框架结构52上。框架结构52能够至少部分地由半导体材料层28的或者半导体材料层堆的至少一个半导体材料形成。在框架结构52之外，电触点54能够同样至少部分地由半导体材料层28的或者半导体材料层堆的至少一个半导体材料形成，该半导体材料层堆能够通过键合焊盘56电触点接通。此外，由布线材料层和电极材料层30能够形成导体电路供应部58，在框架件52之外形成的电触点54通过该导体电路供应部电附接到位于内部容积16中的至少一个部件上。
46.关于图5的微机械构件的其他特征和优点参考图1a和图1b的实施方式。
47.图6示出微机械构件的第六实施方式的横截面。
48.在图6中示意性示出的微机械构件是图5的实施方式的一种扩展方案。能够看出，图5的微机械构件借助粘接层60粘合到分析处理asic62上。此外，至少一个电触点54的相应的键合焊盘56通过至少一个引线键合部64与分析处理asic62电连接。分析处理asic62借助另外的粘接层66固定粘合在载体件68上，其中，载体件68和设有压力供应开口70的盖件形成微机械构件的壳体。分析处理asic62也能够通过至少一个(另外的)引线键合部74电附接在载体件68的至少一个钎焊盘76上。
49.关于图6的微机械构件的其他特征和优点参考图11、图1b和图5的实施方式。
50.图7示出微机械构件的第七实施方式的横截面。
51.在图7中示意性示出的微机械构件也是图5的实施方式的一种扩展方案。为此，至少一个芯片对芯片触点78和键合框架79这样构造在图5的微机械构件的远离衬底10指向的侧上，使得图5的微机械构件能够通过至少一个芯片对芯片触点78和键合框架79固定粘合在分析处理asic62上。至少一个芯片对芯片触点78和键合框架79这样布置和构造，使得通向膜片12的膜片外侧12b的压力进口80保持畅通。借助至少一个芯片对芯片触点78确保微机械构件与分析处理asic62之间的电触点接通。键合框架79保证微机械构件的气密性。为
了形成至少一个芯片对芯片触点78和键合框架79，例如能够使用金属键合方法，例如尤其是在使用铝和锗的情况下的共晶键合、在使用铜和锡的情况下的slid(固液相互扩散，solid liquid interdiffusion)键合、直接键合方法或者热压键合方法。
52.由于图7的微机械构件的密封的封装，分析处理asic62的排气效应(ausgaseffekt)对于微机械构件的运行而言是不重要的，该分析处理asic在其金属氧化物层堆中通常已存储可观的量的氢气和别的气体。此外，图7的微机械构件具有相对较紧凑且成本有利的、呈“芯片级封装(chip-scale-packages)”形式的构造。借助至少一个焊球82，图7的微机械构件能够容易附接在另外的设备上。
53.上文描述的所有微机械构件都能够有利地用作压力和惯性传感器设备的一部分。这种类型的压力和惯性传感器设备不仅能够用作压力传感器或者声音传感器、还能够用作惯性传感器(例如加速度传感器、转速传感器和/或旋转加速度传感器)，其中，能够同时测量能够由不同的传感器类型测量的物理参量中的多个物理参量。这种类型的压力和惯性传感器设备例如能够在车轮轮胎传感装置中使用，在该车轮轮胎传感装置中通常需同时测量压力信号和加速度信号。同样地，这种类型的压力和惯性传感器设备也能够成功应用在消费电子装置领域中，例如应用在智能手机中。由于这种类型的压力和惯性传感器设备的制造是相对较成本有利的并且成品的压力和惯性传感器设备是相对较紧凑的，因此该压力和惯性传感器设备也能够成功地用于其他使用目的。
54.图8示出用于阐述用于制造用于压力和惯性传感器设备的微机械构件的制造方法的一种实施方式的流程图。
55.借助于在下文中描述的制造方法，能够制造例如在上文中阐述的所有微机械构件。然而，该制造方法的可实施性不限于制造这些微机械构件。
56.在方法步骤s1中，将振动质量布置在后来的内部容积中。优选地，为此(在撑开下文描述的膜片之前)至少部分地借助由至少一个半导体材料构成的半导体材料层或者半导体材料层堆覆盖衬底的衬底表面和/或至少部分地覆盖该衬底表面的至少一个中间层，并且振动质量由该半导体材料层的或者该半导体材料层堆的至少一个半导体材料形成。振动质量例如能够构造为摆杆结构，该摆杆结构能够被置于围绕与衬底表面平行地定向的倾斜轴线的摆动运动中。然而，在方法步骤s1中也能够构造振动质量的在上文描述的别的例子。
57.在方法步骤s2中，将膜片这样撑开在具有衬底表面的衬底上，使得膜片的膜片内侧朝向衬底表面定向并且膜片的膜片外侧远离衬底表面指向，并且膜片内侧邻接于内部容积。此外，作为方法步骤s3，构造具有传感器电极的膜片，该传感器电极在膜片内侧上突出并且伸入到内部容积中。然而，方法步骤s3能够与方法步骤s1同时实施，其方式是，传感器电极至少部分地同样由该半导体材料层的或者该半导体材料层堆的至少一个半导体材料形成。
58.作为方法步骤s4，在内部容积中这样封锁参考压力，使得膜片在出现存在于其膜片外侧上的压力与参考压力之间的压力差的情况下翘曲，其中，在膜片翘曲的情况下相对于衬底调整传感器电极。
59.因此，在这里描述的制造方法的实施也实现上文描述的优点。