具有膜片的MEMS传感器以及用于制造MEMS传感器的方法

技术领域

本发明涉及一种具有膜片的MEMS传感器。

本发明还涉及一种用于制造MEMS传感器的方法。

虽然本发明通常可以应用于任意的具有膜片的MEMS传感器，但本发明参照具有能偏移布置的膜片的MEMS压力传感器进行说明。

背景技术

现今MEMS压力传感器使用在多个领域中，例如使用在汽车技术的领域中，在那里必须快速并且准确地感测压力，例如使用在电子稳定性控制器的区域中或者使用在车辆的抽吸空气管理装置或类似物中。

由DE 10 2016 107 275 A1已知一种在使用MEMS装置的情况下用于实施测量的方法，实施MEMS装置具有不同的谐振频率。所述方法包括将激励信号这样施加到MEMS装置的第一端口上，使得多个MEMS传感器中的每个MEMS传感器通过激励信号刺激。所述方法还包括测量在MEMS装置的第二端口处的信号并且基于信号的测量确定所测量的值。MEMS装置包括多个具有来自所谓的“大面(Festland)”的壁的压力单元，在所述壁上布置有压力敏感的矩形的膜片。

此外，由EP 2 994 733 B1已知一种微机电压力传感器结构，该微机电压力传感器结构包括壳体结构和膜片板，其中，壳体结构包括平面的基底和侧壁，其中，第一表面基本上沿着平面的基底走向，其中，侧壁远离平面的基底地作为周边延伸，其中，膜片板沿着在侧壁上的第二表面走向，其中，平面的基底、侧壁和膜片板这样彼此相叠地安置，使得第一表面、第二表面和侧壁的内面形成在处于参考压力下的严密封闭的间隙，其中，侧壁的内面的上边缘形成膜片的周边，该周边具有长度和朝着第二表面的方向的宽度，其中，所述长度沿膜片的纵向延展的方向走向并且宽度在垂直于长度方向的方向上朝着第二表面的方向走向，其中，压力传感器结构包括在第一表面上的固定电极和在第二表面上的膜片电极，以便感测在间隙上的电容的变化，其中，膜片的长度至少使膜片宽度的三倍，并且压力传感器结构包括一个或多个凹陷部，所述凹陷部从第一表面开始延伸到平面的基底中，其中，凹陷部设置在第一表面上的一个或多个凹陷区域中，其中，当连接这些位置的线垂直于第一表面的平面时，在凹陷区域中的位置相应于在第二表面中的位置，其中，膜片这样设计，使得所述膜片具有最大的偏移，所述偏移相应于膜片在运行中的最大可允许的挤压，其中，凹陷区域设置在以下位置上，在那里膜片在相应位置处的偏移小于最大偏移的三分之二。

发明内容

在实施方式中，本发明提供一种具有膜片的MEMS传感器，其中，膜片的基面借助于环绕的壁结构限界，其中，基面具有至少两个部分区域，其中所述部分区域中的至少一个部分区域能偏移地布置，其中，所述至少两个部分区域借助于至少一个分隔结构彼此分隔开或者通过该分隔结构限界，其中，分隔结构具有用于使流体通过的至少一个流体通道。

在另外的实施方式中，本发明提供一种用于制造MEMS传感器的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供在基础结构上的膜片，其中，膜片通过壁结构与基础结构间隔开，

-提供膜片的具有至少两个部分区域的基面，其中，所述部分区域的至少一个部分区域能偏移地布置，

-借助于至少一个分隔结构使所述至少两个部分区域分开和/或限界，并且

-在分隔结构中提供用于使流体通过的至少一个流体通道。

在权利要求中、优选在说明书中，概念“流体”尤其理解为液体和/或气体混合物、尤其是一种气体。

由此实现的优点中的一个优点是，由此显著地提升在制造不同膜片形状时的灵活性。另外的优点是在简单制造的、大的、规则成形的膜片面上的不同膜片形状的简单的和成本有利的制造。另外的优点是，通过所述至少一个流体通道原则上可以使用更大的返回容积(Rückvolumen)、即严密包围的容积，这在所包围的压力的稳定性方面明显改善，例如关于排气和针对温度变化的稳定性或类似物明显改善。

下面描述或者由此可公开本发明的另外的特征、优点和其他实施方式。

根据有利的扩展方案，所述至少两个部分区域彼此对称地布置在基面上并且尤其相同地构造。这能够实现所述至少两个部分区域的简单的制造和布置。

根据另外的有利的扩展方案，分隔结构包括至少一个柱。借助于所述至少一个柱能够在提供流体通道的同时简单地制造分隔结构。

根据另外的有利的扩展方案，分隔结构包括多个柱，所述柱以均匀的间距、尤其分别相对彼此以相同的间距布置。由此同样可以在所述至少两个部分区域充分分隔的同时实现简单的和成本有利的制造。

根据另外的有利的扩展方案，所述至少一个柱在横截面中至少部分圆形地和/或角形地构造，优选梯形地、三角形地、方形地和/或椭圆形地构造。由此能够以灵活的并且同时简单的方式制造柱。

根据另外的有利的扩展方案，所述至少一个柱具有至少两个区段，所述区段不同地构造。由此柱例如在z方向/竖直方向也可以具有不同的厚度和/或形状。柱尤其可以具有一个或多个梯级或类似物，或者在z方向上逐渐缩窄地或类似地构造。

根据另外的有利的扩展方案，所述柱的至少两个柱具有不同的直径。由此进一步改善分隔结构的灵活性。这样柱例如可以在壁或壁结构附近更薄地实施，因为壁在该区域用作为附加的支撑部，而所述壁在中间区域可以更牢固地、即更厚地实施。此外，也可以通过所述柱的改变在一定的程度上影响特性，尤其在能偏移的膜片中影响所述膜片的振动特性。

根据另外的有利的扩展方案，所述至少两个部分区域矩形地构造。由此能够以简单的方式由一个方形的基面提供多个部分膜片。

根据另外的有利的扩展方案，壁结构和/或分隔结构由连个不同的材料制造。这能够实现对于不同标准、例如稳定性或类似物的灵活适配。

根据另外的有利的扩展方案，分隔结构和/或壁结构由膜片材料和/或绝缘材料和/或导电材料制造。由此能够以简单的方式使用MEMS制造方法来制造分隔结构和壁结构。

根据另外的有利的扩展方案，在至少一个部分区域中布置有用于形成第一电容的第一电极结构和用于形成第二电容的第二电极结构，其中，两个电极结构借助于分隔结构彼此间隔开。由此例如能够提供环绕的电容和内部的电容，这些电容具有不同的偏移特性，因为膜片的外部区域尤其通常比膜片中间的区域更少地弯曲，所述外部区域与壁结构或者尤其大面连接。因此能够以简单的方式提供参考电容。

根据另外的有利的扩展方案，所述至少两个部分区域中的至少一个部分区域构造为参考电容。由此能够以简单的方式通过两个不同的部分区域提供参考电容。

本发明的另外的重要特征和优点由从属权利要求、附图和参照附图的相对应的附图描述得出。

当然，前面提到的和后面还要阐释的特征不仅能够以相应说明的组合、而且也能够以另外的组合或单独地使用，而不偏移本发明的框架。

本发明的优选实施方案和实施方式在附图中示出并且在下面的说明书中详细阐释，其中，相同的附图标记表明相同的或类似的或功能相同的构件或元件。

附图说明

在此，以示意性方式示出：

图1根据本发明的实施方式的MEMS传感器的横截面；

图2根据本发明的实施方式的MEMS传感器的俯视图；

图3根据本发明的实施方式的MEMS传感器的一部分的俯视图和横截面；

图4根据本发明的实施方式的MEMS传感器；和

图5根据本发明的实施方式的方法。

具体实施方式

图1以横截面示出根据本发明的实施方式的MEMS传感器。

在图1中详细示出MEMS传感器1，该MEMS传感器例如以如下方式制造：首先在第一步骤中在硅晶片2上施加氧化层3。在此，能够可选地掺杂衬底2，以便改善电屏蔽效应。然后由富含硅的氮化物(SiRiN)沉积层4、尤其是膜片层，并且随后所述层与氧化层3一起结构化，使得能够实现衬底接触部。然后通过沉积多晶硅来制造下电极5，该多晶硅随后被结构化。在此，衬底接触部填充以导电多晶硅。然后沉积呈氧化层6的形式的下面的第一牺牲层并且随后结构化，并且尤其附加地通过化学机械抛光进行平面化。然后沉积并且结构化第二氧化层7，以便设置止挡结构。然后沉积多晶硅8并且随后结构化，以便制造上电极8。然后沉积第三氧化层9并且进行平面化。然后完成用于杆(Posts)、即呈柱(Stelen)22的形式的支撑元件和用于壁23的结构化。然后沉积呈富含硅的氮化物(SiRiN)的形式的膜片材料10。然后沉积第四氧化层11并且通过化学机械抛光进行平面化，以便完成在杆或者说柱22和壁23中的氧化物填充。然后沉积最后的膜片材料12并且连同上电极层8结构化，以便得到通向牺牲层6、7、9的一个或多个蚀刻进口。然后通过气相蚀刻或借助于无静摩擦的湿释放过程(Stiction-free Nassrelease-Prozess)去除牺牲层6、7、9并且露出膜片10、12。有利地，当通过露出过程不必加载金属表面时，只要不使用金垫或类似物，那么避免不期望的效应，例如在气相蚀刻时在金属垫上的覆膜形成(Belagsbildung)或者金属垫在湿释放过程中的腐蚀。然后在相应预给定的过程压力中沉积应力适配的SiN层13。该SiN层随后为了接触垫结构化。可选地，随后可以将另外的薄的、具有约100nm的薄膜厚度的多晶硅层沉积在SiN层13的上侧上并且结构化。该多晶硅层能够可选地提供类似于衬底2的电屏蔽。然后沉积金属平面并且随后结构化以用于制造接触垫14。由此具有能偏移的膜片的MEMS传感器1的制造基本上结束。

在这里，通过附图标记20表明止挡结构，通过附图标记21a、21b、21c分别表明在各个部分区域A、B、C中的具有下电极和上电极的电极对，通过附图标记22表明相应的连接元件或者说柱，并且通过附图标记23表明通过除去牺牲层所制造的空腔30的壁。电接触部通过壁23的引出在图1中仅针对下电极5向右示出。在膜片8、10右边的区域24中通过接触垫14能够实现衬底2的触点接通。

总体上，例如可以在用于膜片40的350x350μm的基面41中提供基面41的部分区域和/或部分形状的以下划分。基面41的另外的尺寸同样是可能的。

1.具有直至350x350μm的侧边长的方形的大膜片40

2.具有直至约160x160μm的侧边长的多个方形的部分膜片。

在这里，可用于膜片40的面积关于方形的基面41缩小约30μm，因为在部分膜片之间的附加的连接耗费和分隔减小了可用于膜片40的面积。

3.具有直至350μm的直径的圆形膜片40

4.具有直至约160μm的直径的多个圆形部分膜片

5.具有直至约320μm的侧边长和大于2：1的侧边长比例的多个矩形的部分膜片。

图2示出根据本发明的实施方式的MEMS传感器的俯视图。

在图2中示出具有膜片40的MEMS传感器1，所述膜片具有方形的基面41。此外，示出膜片40的四个部分区域A、B、C、D，这些部分区域分别矩形地并且能偏移地构造。矩形区域A、B、C、D布置在方形的基面41内部并且相对彼此在基面41内部通过点形的、成行布置的柱22分开。方形的基面41的限界通过延展的环绕的壁23实现，该壁尤其也可以如点形的柱22那样由氧化物填充的膜片材料组成。在此，点形的柱22在横截面中可以是圆形的、有角的和/或方形的并且相对于矩形区域A、B、C、D的纵侧分别以在10μm和50μm之间的距离平行地布置。借助于柱22能够在部分区域A、B、C、D之间形成开口或流体通道80，使得能够实现在各个部分区域A、B、C、D下方的空间之间的流体连接。在部分区域A、B、C、D内部分别布置有电极对21。

图3示出根据本发明的实施方式的MEMS传感器的一部分的俯视图和横截面。

具体地，在图3中在上方区域示出膜片40的部分区域A的俯视图，在图3的下方区域示出横截面。膜片40通过壁结构23与基础结构2’间隔开。在此，基础结构2’、壁结构23和膜片40围成空腔30。在基础结构2’的上侧上并且在膜片40的下侧上布置有用于形成第一电容50的电极对21a。在此，电极对21a基本上布置在壁结构23的左部分和右部分的中间。在第一电极对21a和壁结构23的左部分或右部分之间分别布置有侧面垂直的支持结构22。在两个支持结构22和相应的壁结构23的左部分或右部分之间，在基础结构2’的上侧上并且在膜片40的下侧上分别布置有第二电极对21b。由此形成第二电容60，例如参考电容。在这里，部分区域A的尺寸71、72为长度72约320微米并且宽度71约70-80微米。

图4示出根据本发明的实施方式的MEMS传感器。

在图4中，在图4的中间示出不同的MEMS传感器1，所述MEMS传感器分别具有带方形的基面41的膜片40，其中，每个膜片40分别具有四个部分膜片区域A、B、C、D。在这里，分别在膜片40的下侧上并且在基础结构2’的上侧上布置有电极对，如在图4的左侧上的剖面图示出的那样。四个部分膜片区域A、B、C、D分别具有320μm x 72μm的尺寸并且在部分区域A、B、C、D之间的距离为10μm。通过四个部分膜片区域A、B、C、D使作为上电极的电极101、102和作为下电极的电极103、104根据在图4的右侧上示出的简图相互连接。尤其地，在不同的部分区域A、B、C、D中的下电极103、104和/或在不同的部分区域A、B、C、D中的上电极101、102可以相互连接以用于形成电容和/或参考电容。在图4的实施方式中，形成两个参考电容和两个可变电容，其中，两个可变电容(分别通过倾斜走向的箭头示出)通过在膜片40中间的两个区域B和C形成。

同样可能的是，上电极区域101、102和下电极区域103、104仅部分地重叠。因此，在这种实施方式中，这些电极区域也可以相对彼此在几何上不对称地实施。另外，这样示出的连接的优点中的一个是压力敏感的测量电容和压力敏感的参考电容的电对称(elektrische Symmetrisierung)。在压力敏感的测量电容和压力敏感的参考电容的非电对称的设计中，所述压力敏感的测量电容和压力敏感的参考电容可以适配于评估电路。此外，由此也能够实现在电散射场或寄生电容(elektrischer Parasiten)方面的几何优化。

图5示出根据本发明的实施方式的方法。

在图5中示出用于制造MEMS传感器的方法，该MEMS传感器具有图1的附图标记。

在此，在第一步骤S1中提供在基础结构2、3、4上的膜片40，其中，膜片40通过壁结构23与基础结构2、3、4间隔开。

然后在第二步骤S2中提供地膜片40的基面41，所述基面具有至少两个部分区域A、B、C、D，其中，部分区域A、B、C、D中的至少一个部分区域能偏移地布置。

然后在第三步骤S3a和/或S3b中借助于至少一个分隔结构22实现所述至少两个部分区域的分隔和/或限界。

然后在第四步骤S4中在分隔结构22中提供至少一个流体通道80以用于流体的通过。

总体上，本发明的实施方式中的至少一个实施方式能够实现下列特征和/或下列优点：

·在方形膜片面内部的近似矩形的单个膜片的相互连接(Verkettung)，其中，尤其能够实现在基础电容C

·在方形的基面内部的多边形的单个膜片的相互连接。

·在方形的膜片面内部的近似矩形的单个膜片的相互连接，例如梯形、多边形、具有关于棱边长度相对于宽度的大于/等于2：1的长宽比的椭圆形

·通过膜片材料中的由氧化物填充的壁分隔开单个膜片。

·通过膜片材料中的由氧化物填充的点形的柱分隔开单个膜片，所述柱例如呈圆形、角形、三角形、多边形或类似形状。

·压力敏感的参考电容通过在膜片的内部电活性区域中的柱的机械加固

·压力敏感的测量电容通过柱或壁的可变的机械加固。

·膜片通过呈圆形、多边形、方形或三角形的几何形状的柱的可变的机械支持。

·膜片通过具有2μm至20μm的可变直径的柱和壁的可变的机械支持。

·在内部并且通过支持结构的分隔的具有另外的可用电容的环绕的电容。

虽然参照优选实施例描述本发明，但本发明不限于此，而是能够以多种方式改变。