具有应力调整器以最小化由电场屏蔽件引起的热滞后的MEMS压力传感元件的制作方法

具有应力调整器以最小化由电场屏蔽件引起的热滞后的mems压力传感元件
1.相关申请的交叉引用本技术要求2020年11月19日提交的临时申请63/198,879的优先权。上述申请的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
[0002] 本发明一般涉及压力传感元件，其包括至少一个应力调整器，以最小化电场屏蔽件的应力松弛的热机械效应（thermal-mechanical effect），并因此最小化热滞后。


背景技术：

[0003]
微机电系统（mems）压力传感元件是公知的并且被广泛使用。空腔绝缘体上硅（c-soi）晶片是一种切割边缘soi技术，其中，处置晶片（或支撑晶片）包含预蚀刻的空腔。一种类型的空腔绝缘体上硅（csoi）mems压力传感元件是绝对压力传感元件，其包括熔融接合到硅支撑基板上的硅器件层，该硅支撑基板包含预蚀刻的空腔以在空腔中形成基准真空。压力传感元件包括四个压电电阻器，其连接成所谓的“惠斯通电桥”配置。压电电阻器掺杂在设置在空腔上方的膜片上，以便检测由于压力变化而引起的膜片的挠曲。压力传感元件可以包括电场屏蔽件，其用于减少或消除在操作期间的电荷对压力传感元件的影响。
[0004]
这些mems压力传感元件被制造成不同的尺寸并用于各种应用。然而，电场屏蔽件的使用会导致不能被校准的热滞后。
[0005]
参考图1所示的滞后回线，在mems压力传感元件的热冷却和加热过程期间，不维持电压输出。在大约22℃的室温下在初始点（vi）处测量输出电压。然后，将mems压力传感元件的温度降低到-40℃，然后升高回到22℃，并且测量在该中点（vm）处的电压输出，而该电压输出高于在初始点（vi）处的输出电压。然后，将mems压力传感元件的温度升高到150℃，然后降低回到室温，并且在该终点（vf）处测量mems压力传感元件的输出电压。冷滞后电压=v
m-vi。热滞后电压=v
f-vi。最差电压差=v
f-vm在此被认为是热滞后电压。热滞后被定义为热滞后电压除以跨度。存在其中热滞后过高的情况，并且mems压力传感元件可能不被校准。
[0006] mems压力传感元件的热滞后的根本原因是由于在沉积在mems压力传感元件上的电场屏蔽件的冷却和加热过程中的电场屏蔽件应力松弛（粘塑性）。双轴应力不能在短时间内恢复到原始残余应力状态。热残余应力差引起了输出电压偏移，称为“热滞后电压”。
[0007]
电场屏蔽件上的压缩残余应力在压电电阻器上引起拉伸应力，而电场屏蔽件上的拉伸残余应力在压电电阻器上引起压缩应力。注意，不同的电场屏蔽件材料可以使得图2中所示的循环应力回线被反转，并且在终点处的输出电压高于在中点处的输出电压，这是图1的反转回线。
[0008]
图3示出了mems压力传感元件的俯视图，该mems压力传感元件具有电场屏蔽件fs以减小或消除在操作期间的电荷对压力传感元件的影响。在图4中用更详细的层来描述mems压力传感元件的对角截面图。图5示出了压电电阻器上的应力分量的俯视图。在惠斯通
电桥电路中，r1和r3是一对，而r2和r4是另一对。
[0009]
在由电场屏蔽件引起的热循环期间在中点和终点处的固有和热失配残余应力的情况下，如果电场屏蔽件在压电电阻器上引起拉伸应力，则径向应力高于在每个压电电阻器上感测的切向应力。请注意，差分电场屏蔽件材料可以在压电电阻器上引起压缩应力。在冷却和加热循环期间电场屏蔽件的应力松弛会导致应力差更高，并因此导致在中点和终点之间的更高的热滞后电压。更高的热滞后电压会导致更高的热滞后。
[0010]
对于压力感测，每个压电电阻器感测到比经受所施加的压力的切向应力高得多的径向应力，也在图6中描绘了。
[0011]
然而，耦合于在由电场屏蔽件引起的热循环期间在中点和终点处的固有和热失配残余应力，径向应力甚至高于每个压电电阻器上的切向应力。中点和终点之间的更高的应力差导致了更高的热滞后电压和热滞后。因此，在较高压力下的热滞后高于在较低压力下的热滞后。
[0012]
因此，需要减少或消除具有电场屏蔽件的mems压力传感元件中的热滞后。


技术实现要素：

[0013]
在一个实施例中，本发明是一种具有电场屏蔽件的mems压力传感元件，其中，电场屏蔽件具有至少一个应力调整器。应力调整器调节压电电阻器上的纵向应力和横向应力的量值，以改变中点和终点之间的热滞后电压，并将热滞后向上或向下偏移，以最小化热滞后。
[0014]
在一个实施例中，本发明是一种压力传感元件，包括支撑基板；作为支撑基板的一部分而整体形成的空腔；接合到支撑基板的器件层；作为器件层的一部分的膜片，该膜片以密封方式覆盖空腔；以及耦合到膜片的多个压电电阻器。多个接合焊盘设置在器件层上，并且电场屏蔽件接合到器件层的外表面，使得电场屏蔽件在器件层和至少一个接合焊盘的顶部上。至少一个应力调整器是电场屏蔽件的一部分，其中，应力调整器被构造和布置成减小在压力传感元件的冷却和加热循环期间由电场屏蔽件的应力松弛引起的压力传感元件的热滞后。
[0015]
在一个实施例中，压力传感元件包括多个应力调整器。
[0016]
在一个实施例中，应力调整器被整体地形成为电场屏蔽件的一部分，以便在冷却和加热循环期间减小多个压电电阻器上的径向应力并且增大多个压电电阻器上的切向应力。
[0017]
在一个实施例中，应力调整器被整体地形成为电场屏蔽件的一部分，以便在冷却和加热循环期间增大多个压电电阻器上的径向应力并且减小多个压电电阻器上的切向应力。
[0018]
在一个实施例中，应力调整器是切口，其中，电场屏蔽件的一部分被去除。切口可以具有若干种形状中的一种，包括但不限于l形、正方形、圆形、矩形、十字形或t形。另外，也可以使用若干个应力调整器来实现期望的热滞后。
[0019]
在一个实施例中，压力传感元件包括以多个切口形式的多个应力调整器，并且多个切口中的每一个是矩形形状的，并且多个切口中的至少两个被布置成l形配置。
[0020]
在一个实施例中，应力调整器是薄膜，其中，薄膜沉积在电场屏蔽件的顶部上。在
一个实施例中，薄膜将残余应力施加到多个压电电阻器。
[0021]
本发明的其他应用领域将从以下提供的详细描述中变得显而易见。应当理解，详细描述和具体示例虽然指示了本发明的优选实施例，但仅旨在用于说明的目的，而不旨在限制本发明的范围。
附图说明
[0022]
从详细描述和附图中，本发明将变得更完全理解，其中：图1是mems压力传感元件的热滞后回线的图表；图2是在热循环期间电场屏蔽件上的残余应力的图表；图3是具有电场屏蔽件而没有应力调整器的mems压力传感元件的俯视图；图4是沿图3的线4-4截取的具有电场屏蔽件的mems压力传感元件的截面图；图5是没有应力调整器的mems压力传感元件的俯视图，其示出了图1中的热滞后回线的中点m处的径向和切向应力；图6是没有应力调整器的mems压力传感元件的俯视图，其示出了由压力和温度引起的径向和切向应力；图7a是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第一实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图7b是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第一实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件，并示出了径向和切向应力；图7c是沿图7a中的线7c-7c截取的截面图；图8是根据本发明实施例的图7a-7c所示的压力传感元件的替选实施例的截面图，该压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图9是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第二实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图10是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第二实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件，并示出了径向和切向应力；图11是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第三实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图12是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第三实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件，并示出了径向和切向应力；图13是本发明的前三个实施例中的应力调整器的位置所导致的热滞后的偏移的图表；图14a是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第二实施例的另一俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图14b是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第四实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图14c是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第五实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图15a是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第一实施例的另一俯视图，该
mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图15b是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第六实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图15c是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第七实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图16a是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第三实施例的另一俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图16b是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第八实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图16c是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第九实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图17a是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第十实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图17b是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第十一实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图17c是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第十二实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图17d是根据本发明实施例的mems压力传感元件的第十三实施例的俯视图，该mems压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图18a是根据本发明实施例的具有电场屏蔽件的差分mems压力传感元件的俯视图，其中，未示出应力调整器；图18b是根据本发明实施例的具有电场屏蔽件的差分mems压力传感元件的截面图；图19是根据本发明实施例的具有带应力调整器的电场屏蔽件的差分mems压力传感元件的第一实施例的俯视图；图20a是根据本发明实施例的具有带应力调整器的电场屏蔽件的差分mems压力传感元件的第二实施例的俯视图；图20b是沿图20a中的线20b-20b截取的截面图；图20c是根据本发明实施例的图20a-20c所示的压力传感元件的替选实施例的截面图，该压力传感元件具有带应力调整器的电场屏蔽件；图21是根据本发明实施例的具有带应力调整器的电场屏蔽件的差分mems压力传感元件的第三实施例的俯视图；以及图22是根据本发明实施例的具有带应力调整器的电场屏蔽件的差分mems压力传感元件的第四实施例的俯视图。
具体实施方式
[0023]
以下对（一个或多个）优选实施例的描述本质上仅是示例性的，而绝非旨在限制本发明、其应用或使用。
[0024] mems压力传感器包括由壳体封装和保护的asic和mems压力传感元件。在图7a-7c
中示出了根据本发明第一实施例的mems压力传感元件的一个示例，总地以10示出。mems压力传感元件10包括总地以12指示的器件层、以及支撑硅基板14。器件层12包括硅层12s、多个电绝缘层12a、12b、12c、以及掩埋氧化物层16。总地以18示出的凹陷或空腔被形成为支撑基板14的一部分。器件层12附接到支撑基板14，使得器件层12的膜片20以密封的方式覆盖空腔18，以在膜片20下限定出真空腔。
[0025]
多个压电电阻器22a、22b、22c、22d被掺杂，并且多个接合焊盘24被沉积或以其他方式耦合到器件层12。还存在多个导体30，其连接到压电电阻器22a、22b、22c、22d和接合焊盘24并与之电通信，如图7a-7c所示。接合焊盘24是金属的，并且在一个实施例中，是金的。压电电阻器22a、22b、22c、22d以标准的分布式惠斯通电桥布置而被布置在器件层12上，并靠近膜片20的圆周边缘26，以便感测膜片20挠曲时的应力。为了减小或消除外部电荷的影响，电场屏蔽件28（在图7a和7c中示出，但在图7b中未示出）被溅射在压力传感元件10的顶部上，其被接合到外表面并位于器件层12的顶部上，并且连接到接合焊盘24中的一个接合焊盘。
[0026]
在图7a和7c中，mems压力传感元件10包括在外表面上的电场屏蔽件28，该电场屏蔽件28具有应力调整器32b1、32b2、32b3、32b4。在图7a-7c所示的实施例中，应力调整器32b1、32b2、32b3、32b4是材料去除区域、或者其中已经从场屏蔽件28去除了材料的区域（也称为“切口”）。在图7a和7c中，示出了场屏蔽件28以及作为应力调整器32b1、32b2、32b3、32b4的若干个切口。图7c示出了图7a的截面图，其中，在电场28中的切口作为应力调整器。在图7b中，为了清楚起见，未示出场屏蔽件28，然而，仍然示出了应力调整器32b1、32b2、32b3、32b4的位置。在该实施例中，应力调整器32b1、32b2、32b3、32b4是以矩形切口形式的材料去除区域，位于对应的压电电阻器22a、22b、22c、22d附近，其向上偏移热滞后。如图7a-7c所示（其中在图7b中示出应力方向），作为应力调整器32b1的邻近第一压电电阻器22a的压电电阻器附近切口显著地增大了第一压电电阻器22a上的径向应力，该径向应力是第一压电电阻器22a上的纵向应力。邻近第一压电电阻器22a的应力调整器32b1也略微减小了切向应力，该切向应力是第一压电电阻器22a上的横向应力。邻近第二压电电阻器22b的调整器32b2显著地增大了第二压电电阻器22b上的径向应力，但其是第二压电电阻器22b上的横向应力。邻近第二压电电阻器22b的应力调整器32b2也略微减小了切向应力，该切向应力是第二压电电阻器22b上的纵向应力。与第一压电电阻器22a类似地，邻近第三压电电阻器22c的应力调整器32b3引起了第三压电电阻器22c上的应力变化，并且与第二压电电阻器22b类似地，邻近第四压电电阻器22d的应力调整器32b4引起了第四压电电阻器22d上的应力变化。
[0027]
再次参考图1，压电电阻器22a、22b、22c、22d上的应力分量变化导致了在冷却和加热循环期间在中点m和终点f处的输出电压更高，这更正向地移动热滞后电压并且因此向上偏移热滞后。
[0028]
参考图8，示出了图7a-7c中的压力传感元件10的替选实施例的横截面图，其中，相同的附图标记表示相同的元件。在该实施例中，没有切口，因此场屏蔽件28没有材料去除区域。图8所示的场屏蔽件28具有薄膜，其沉积在用作应力调整器32k的电场屏蔽件28的区域上。在图8所示的实施例中，应力调整器32k位于电场屏蔽件28上的区域中，如图所示，但是在本发明的范围内的是，应力调整器32k可以位于场屏蔽件28的其他区域上。
[0029]
图9-10示出了本发明的另一实施例，其中，相同的附图标记表示相同的元件。场屏蔽件28包括若干个应力调整器32a1、32a2、32a3、32a4，所述应力调整器在图9-10所示的实施例中是材料去除区域、或其中已经从场屏蔽件28去除了材料的区域。在图9中，示出了场屏蔽件28以及应力调整器32a1、32a2、32a3、32a4。在图10中，为了清楚起见，未示出场屏蔽件28，然而，仍然示出了应力调整器32a1、32a2、32a3、32a4的位置。图9-10所示的应力调整器32a1、32a2、32a3、32a4是拐角切口，并且是“l形的”，其向下偏移热滞后。
[0030]
如图9-10所示（其中在图10中示出应力的方向），邻近第一压电电阻器22a的两个应力调整器32a1、32a4显著地增大了第一压电电阻器22a上的切向应力，所述切向应力是第一压电电阻器22a上的横向应力。应力调整器32a1、32a4也稍微减小了径向应力，该径向应力是第一压电电阻器22a上的纵向应力。两个应力调整器32a1、32a4的尺寸、位置和形状使得切向应力高于径向应力并影响它们的量值。邻近第二压电电阻器22b的两个应力调整器32a1、32a2显著地增大了第二压电电阻器22b上的切向应力，但其是第二压电电阻器22b上的纵向应力。应力调整器32a1、32a2也稍微减小了第二压电电阻器22b上的径向应力，但其是第二压电电阻器22b上的横向应力。与第一压电电阻器22a类似地，邻近第三压电电阻器22c的两个应力调整器32a2、32a3引起了第三压电电阻器22c上的应力变化。与第二压电电阻器22b类似，邻近第四压电电阻器22d的两个应力调整器32a3、32a4引起了第四压电电阻器22d上的更高的切向应力和更低的径向应力。
[0031]
与前面的实施例一样，在图1所示的冷却和加热循环期间，压电电阻器22a、22b、22c、22d上的应力分量变化引起了中点m和终点f处的更低的输出电压，这更负向地移动热滞后电压并且因此向下偏移热滞后。
[0032]
图11-12示出了mems压力传感元件10的另一实施例的俯视图，其中该mems压力传感元件在外表面上具有电场屏蔽件28，并且该电场屏蔽件28具有应力调整器32c。在图11中，示出了场屏蔽件28以及应力调整器32c。在图12中，为了清楚起见，未示出场屏蔽件28，然而，仍然示出了应力调整器32c的位置。在该实施例中，应力调整器32c是位于膜片20中心的十字形或x形切口形式的材料去除区域，其向上偏移热滞后。如图12所示，与具有四个矩形压电电阻器附近应力调整器32b1、32b2、32b3、32b4的第一实施例（图7a-7c所示）具有类似的效果，图11-12所示的在膜片20的中心具有应力调整器32c的实施例也显著地增大了每个压电电阻器22a、22b、22c、22d上的每个对应的径向应力，并略微地减小了每个压电电阻器22a、22b、22c、22d上的每个对应的切向应力。
[0033]
在图1所示的冷却和加热循环期间，压电电阻器22a、22b、22c、22d上的应力分量变化引起了在中点m和终点f处的输出电压更高，这更正向地移动了热滞后电压，并且因此向上偏移热滞后。应力调整器32c的尺寸和形状可用于调整径向应力和切向应力，并改变热滞后偏移的量值。
[0034]
参考图13，示出了应力调整器32a1、32a2、32a3、32a4和32b1、32b2、32b3、32b4以及32c的位置对电场屏蔽件28的影响的概况。图13描绘了应力调整器32a1、32a2、32a3、32a4、32b1、32b2、32b3、32b4、32c的位置如何实现热滞后向上或向下的偏移以最小化热滞后。
[0035]
图14a-14c所示的mems压力传感元件10的实施例是其中应力调整器32a1、32a2、32a3、32a4、32d、32e、32f的位置负向地实现了热滞后的偏移以最小化热滞后的实施例。
[0036]
在图15a-15c中示出了mems压力传感元件10的其他实施例，其中，应力调整器
32b1、32b2、32b3、32b4、32g、32h的位置正向地实现了热滞后的偏移以最小化热滞后。
[0037]
在图16a-16c中示出了mems压力传感元件10的其他实施例，其中，应力调整器32c、32i、32j的位置正向地实现了热滞后的偏移以最小化热滞后。
[0038]
在图17a-17b中示出了mems压力传感元件10的其他实施例，其中，应力调整器32b1、32b2、32b3、32b4、32c、32i的位置正向地实现了热滞后的更高偏移以最小化热滞后。图17a所示的mems压力传感元件10包括图15a和图16a所示的应力调整器32b1、32b2、32b3、32b4、32c的组合。图17b所示的mems压力传感元件10包括图15a和图16b所示的应力调整器32b1、32b2、32b3、32b4、32i的组合。
[0039]
在图17c-17d中示出了mems压力传感元件10的其他实施例，其中，应力调整器32g、32h、32i、32j的位置正向地实现了热滞后的更高偏移以最小化热滞后。图17c所示的mems压力传感元件10包括图15b和图16c所示的应力调整器32g、32j的组合。图17d所示的mems压力传感元件10包括图15c和图16b所示的应力调整器32h、32i的组合。
[0040]
在图14a-17d所示的实施例中，为了清楚起见，未示出场屏蔽件28，然而，仍然示出了这些实施例中的每一个中的应力调整器的位置，如附图标记所示。
[0041]
在图18a-22中示出了mems压力传感元件10的其他实施例，其中，mems压力传感元件10是差分压力传感器。在图18a-18b和20b-20c中，示出了具有场屏蔽件28的差分压力传感器，并且为了清楚起见，在图19、20a和21-22中未示出场屏蔽件28，其中在图19-22中示出了应力调整器的各种示例。
[0042]
在图18a-19中，mems压力传感元件10是背面蚀刻的，并具有四个象限，总地以41示出，并且顶侧也被蚀刻以形成薄的膜片40，其中，膜片40也包括十字加强件44。该实施例包括器件层52和基板48，其中，器件层52包括生长在基板48的顶表面上的硅层52a和至少一个电绝缘层52b，如图18b所示。硅层52a和基板48整体地形成在一起。电场屏蔽件28施加在除了四个象限41的区域之外的压力传感元件10的器件层52的外表面46上。在图18b中总体上以42示出的空腔从基板48的底侧被蚀刻。还包括在硅层52a的顶侧上靠近膜片40的边缘掺杂的若干压电电阻器50，并且还在硅层52a的顶侧上掺杂若干导体30。导体30连接到器件层52的顶侧上的对应接合焊盘34。
[0043]
如前所述，电场屏蔽件28被施加在除了四个象限41的区域之外的压力传感元件10的器件层52的外表面46上。然而，在本发明的范围内的是，在其他实施例中，电场屏蔽件28也可以被施加到器件层52，使得电场屏蔽件28可以位于象限41中。
[0044]
在图19中，mems压力传感元件10包括多个应力调整器32e、32f，在该实施例中，它们是切口，这负向地实现了热滞后的偏移以最小化热滞后。在图19中，为了清楚起见，未示出场屏蔽件28，然而，仍然示出了应力调整器32e、32f的位置。图19所示的应力调整器32e、32f类似于图14c所示的应力调整器32e、32f，但是以不同的l形配置进行布置。
[0045]
在图20a-20b中，mems压力传感元件10包括若干个应力调整器32b1、32b2、32b3、32b4，在该实施例中它们是切口，这正向地实现了热滞后的偏移以最小化热滞后。
[0046]
现在参考图20c，示出了压力传感元件10的替选实施例。该实施例类似于图20a-20b所示的实施例，然而，不存在切口，因此场屏蔽件28不具有材料去除区域。图20c所示的场屏蔽件28具有应力调整器32k，在该实施例中，其是以沉积在场屏蔽件28的区域上的薄膜的形式，以最小化热滞后。在图20c所示的实施例中，应力调整器32k位于场屏蔽件28上的区
域中，如图所示，但是在本发明的范围内的是，应力调整器32k可以位于场屏蔽件28的其他区域上。
[0047]
在图21中，mems压力传感元件10包括应力调整器32c，其在该实施例中是切口，这正向地实现了热滞后的偏移以最小化热滞后。
[0048]
现在参考图22所示的mems压力传感元件10，应力调整器是图20所示的应力调整器32b1、32b2、32b3、32b4、32i和图21所示的应力调整器32c的组合。mems压力传感元件10正向地实现了热滞后的偏移，以最小化热滞后。
[0049]
在替选实施例中，图18a-18b、19-20b和21-22中使用的应力调整器也可以是沉积在外表面上的薄膜（类似于应力调整器32k），使得薄膜在电场屏蔽件28的顶部上，其中，薄膜施加在多个压电电阻器上的残余应力在热循环期间调整压电电阻器上的纵向和横向应力，以最小化热滞后。
[0050]
本发明的描述本质上仅仅是示例性的，因此不偏离本发明要旨的变化都旨在处于本发明的范围内。这样的变化不应被认为是偏离了本发明的精神和范围。