CN100578174C - 压阻应变集中器 - Google Patents

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Abstract

提供一种将机械移动转换为电输出的压阻应变集中器和用于生产该集中器的过程。该装置包括应变检测结构，该结构具有跨过基板中的间隙的压阻应变元件。该应变检测结构支承在同样跨过该间隙的应变集中结构上，该间隙具有延伸至间隙基部处的横截面的垂直壁，两个结构都由基板蚀刻而成。用于应变感应元件的应变集中支承结构通过深活性离子蚀刻(DRIE)制造。与先前的应变计量结构相比，该应变检测结构具有增强的敏感度、低计量因数并且更加能抵抗起皱和破碎。多个应变检测结构可在电桥电路中顺序连接。

Description

压阻应变集中器
背景技术
在压力和加速传感器中，希望通过从介质吸收的相对少量的能量产生相对大的信号能量。这一目标是为了最小化产生理想输出信号所需的机械能。在压力传感器中，随着压力使隔膜偏转，能量从介质吸入。一般地，设置一杆穿过隔膜，该杆的中心和其端部具有深的凹口。计量器设置在与凹口底部相对的平面上。弯折杆的应变集中在凹口的底部。在加速传感器中，随着地震波相对于其参考框架偏转，能量从加速区域吸入。例如，所使用的结构的特征在于在弹性铰链上从基板蚀刻的无标记计量器(gages that are etched freefrom the substrate over an elastic hinge)，所谓的“无标记计量器”(freed-gage)。当铰链承载横向负载并且计量器比铰链的外表更远离弯折中性轴时，计量器变为最大程度的应变材料。在加速和压力传感器二者中，经由小物理尺寸带来高敏感度，即具有效率。
传感器生产商采取的通用方法是形成大区域的应变表面并且将适当尺寸的应变计量器设置到更多的应变区域上。可选择地，已经使用结构性装置将应变集中在压敏电阻中。在压阻传感器中，通过改变由电流激发的一个或多个应变-敏感电阻器的电阻来产生信号。因此，在具有嵌入计量器的简单平面隔膜压力传感器中，中心的外周和宽展面积的大部分形成提供计量器中的信号所需的应变状态。虽然计量器位于最大应变的区域中，但是大部分应变能量在缺少应变计量器的外周和中心区域被消耗掉。
在无标记计量器结构中，只有压阻材料可检测到完整程度的应变；铰链和力集中结构产生的应变更少。虽然无标记计量器是对先前应变计量器进行的改进，但是它还不是检测应变的优化结构。制造公差会在无标记计量器上产生最小的横截面；因此，对于所需的信号能量来说，一些最少量的材料必须产生应变。制造过程也会在无标记计量器中的电阻上施加上限，这样将限制计量器因数以及因此的计量器敏感度。另外，热量消耗会限制该装置的长度，使得计量器必须在铰链上跨过间隙来回移动，直到具有足够完整的长度形成所需的电阻。因此，仍然需要应力集中结构来克服无标记计量器结构的这些缺点。
发明内容
本发明涉及一种用于检测机械输入并且将至少两个相对可移动部件的机械移动转换为电输出的装置。该装置包括由硅晶体材料组成的基板。该基板包括延伸跨过基板的限定相对可移动部件的一部分的间隙以及在其间延伸的弹性截面体。至少一个应变感应元件设置在硅基板表面上，具有两个端部和延伸跨过该间隙的颈部。该应变感应元件的颈部支承在同样延伸跨过该间隙的应变集中结构上。该应变集中具有延伸至间隙基部处的截面体的垂直壁，并且采用与基板相同的材料制成。电极装置电性连接至端部，用于检测端部之间的电阻的变化，此时颈部经受沿穿过应变感应元件的电流的方向的、由各基板部件的相对移动产生的应力。在一项实施例中，硅基板在(110)平面中定向，并且包括n型杂质，应变感应元件沿[111]方向对齐并且包括p型杂质。在另一实施例中，硅基板在(100)平面中定向，并且包括p型杂质，应变感应元件沿[001]方向对齐并且包括n型杂质。
在本发明的另一方面中，串联连接的至少两个应变感应元件设置在硅基板表面上，并且由检测至少两个相对可移动部件的机械移动并且将该移动转换为电输出的装置的对应应变集中结构支承。在另一实施例中，串联连接的六个应变感应元件设置在硅基板表面上并且由对应的应变集中结构支承。该应变感应元件包括深搀杂的硼并且具有小的截面体宽度。
在另一实施例中，本发明的装置由在(110)平面中定向的n型半导体材料获得的硅基板制成。基板的一个表面包括三凸台隔膜。该基板的另一表面包括延伸跨过基板的限定柔性截面体和相对可移动部件的基板的一部分的四个间隙。四个应变感应元件对设置在硅基板表面上的该间隙附近，每个应变感应元件包括由延伸跨过该间隙的中间颈部相互连接的两个端部。每个颈部支承在延伸跨过该间隙的对应应变集中结构上，并且具有延伸至间隙基部处的截面体的垂直壁，并且由与基板相同的材料制成。四个应变感应元件由p型半导体材料形成并且沿[111]方向定向，并且连接为电桥电路。在一项优选实施例中，电桥电路是惠司通电桥电路。电性连接至应变感应元件的端部的电极装置用于检测端部之间的电阻的变化，此时颈部经受沿穿过应变感应元件的电流的方向的、由各基板部件的相对移动产生的应力。基板上处于计量器高度的绝缘跨接桥，使得应变感应元件以电桥电路的顺序连接至边缘的角部处的端部，使得电桥的邻近腿检测到相反的应变。
在另一实施例中，该装置包括保持参考压力的参考凹槽适于在测量流体压力的导管上的沉积物。
本发明也涉及一种制造用于检测机械输入并且将至少两个相对可移动部件的机械移动转换为电输出的装置的方法。该方法包括：制造传感器薄片和支承薄片；将制造隔膜和应变感应元件所采用的传感器薄片对齐用于保证传感器机械刚度和其电连接的支承薄片；粘和所对齐的支承薄片和传感器薄片；以及深活性粒子蚀刻(DRIE)隔膜和应变感应元件区域。在本发明的一项实施例中，传感器薄片是包括n型杂质的单硅晶体，其主平面采用(110)定向并且沿[111]方向，两个平的抛光侧具有在两个平面上热形成的氧化层。
一种制造传感器薄片包括：使p型硼深扩散入传感器表面上的传导区域；对该表面进行光照形成图案并且连接至应变感应元件；通过在该表面上敞开的区域将p型硼浅扩散至应变感应元件上；对光照图案区域进行深活性粒子蚀刻从而形成支承应变感应元件的结构和隔膜。
附图说明
本发明的上述和其他目的、特征和优势将通过参照本发明的优选实施例的详细说明并且如附图所示而变得清楚明了，其中，在所有的不同的视图中，类似的附图标记表示相同的部件。这些附图并非为了准确地表示尺寸，重点在于示出本发明的原理。
图1A是根据本发明的压阻装置的透视图，其中在基板上示出单应变感应元件和应变集中支承结构。
图1B是图1的实施例的透视图，在该装置的固定侧上具有两个电连接。
图2是本发明第二实施例的透视图，其中串联的两个应变感应元件和它们对应的应变集中支承结构如图所示处于该基板上。
图3A是本发明第三实施例的透视图，其中四对应变敏感元件和它们对应的应变集中支承结构分别延伸跨过四个间隙，这些间隙跨过基板形成并且以电桥电路的形式连接。
图3B是图3A的实施例沿3B线的侧剖视图。
图3C是图3A的实施例沿3C线的侧剖视图。
图4A-4F是示出制造传感器薄片的顺序过程的透视图。
图5A是具有测量流体压力的压力传感器的导管的本发明的第四实施例的剖视图。
图5B是图5A中的实施例的后端的视图。
图6是本发明一项实施例的剖视图，其中串联的六个应变感应元件和它们对应的应变集中支承结构如图所示处于该基板上。
具体实施方式
下面将说明本发明的优选实施例。参照图1A，示出本发明的压阻装置10，并且具有硅基板1，该硅基板中的间隙2将相对可移动的基板端部12和13分离开。限定在间隙2中的是跨过间隙2的弹性截面体3。如图1A所示，应变感应元件14的颈部4在间隙2上方延伸，并且支承在应变集中结构5上。应变感应元件14通过p-n结与基板的主体隔离开。应变感应元件14可以轻微地搀杂例如硼，并且到达适当的深度，诸如大约2微米。应变感应元件14的颈部4在其每个端部连接至电衬垫6和9。可选择地，在图1B中，两个电连接形成在该装置的固定端上，基板端12。电阻触头7和11分别接近基板端12和13附近，在它们之间的基板具有传导性。在基板的可移动端上，基板端13，压敏电阻14连接至邻近的电阻触头8。然后，基板端13上的电阻触头11和8功能性地连接至压敏电阻14。
应该理解，弹性铰链15具有柔性横截面3，其平行于基板1并且确定可移动基板端12和13的弹性的方向。施加至基板1平面的力使得基板端12和13围绕具有横截面3的铰链15彼此相对地倾斜，在应变集中结构5上产生应变，并传送至应变感应元件14的颈部4并且经由电衬垫6和9电性感应。尤其，当颈部经受沿穿过应变感应元件的电流的方向、导致各部件的相对移动的应力时，检测到电阻中产生变化。
参照图2，压阻装置16如图所示具有以与上述方式类似的方式布置的两个应变感应元件23。基板17具有间隙20，应变感应元件23跨过该间隙并且由垂直于柔性横截面21的应变集中结构24支承，该横截面21限定弹性铰链25。两个应变感应元件23可轻微地搀杂达到大约2微米的深度。双应变感应元件23在基板端18上具有独立电子衬垫26，在基板端19上具有电子衬垫29。电子衬垫26具有位于其上的电子触头端27，电子衬垫29包含电子触头端28。电子触头端28和27可包括金属。
图6示出压阻装置73的横截面，其如图所示具有六个应变感应元件75。每个应变感应元件支承在对应的应变集中结构74上。在该实施例中，应变感应元件75优选地大程度地搀杂硼，达到大概0.3微米的深度，允许应变感应元件具有例如大约4微米的宽度为C2的非常小的横截面。
在压阻装置10、16和73中，硅基板可在(110)平面中定向并且包括n型杂质，应变感应元件沿[111]方向对齐并且包括p型杂质。可选择地，该装置的硅基板可在(100)平面中定向并且包括平p型杂质，应变感应元件沿[001]方向对齐并且包括n型杂质。
现在参照图3A-3C，图中示出压阻应力集中器30，该装置由硅基板31制成。在功能上，应力集中器30包括四个图2所示类型的应力集中器，它们结合入一个压力传感器。如图3B所示，基板31的一侧上刻有三凸台的隔膜50，包括中心凸台33和两个外部凸台34和35。四个间隙跨过基板31的一部分延伸，使得外间隙36位于外凸台35的外部，内间隙37位于外凸台35与中心凸台33之间，内间隙38位于中心凸台33与外凸台34之间，外间隙39位于外凸台34的外部。扭力杆式传导路径48沿着外凸台34和35延伸，到达延伸跨过隔膜50的边缘32上的端子47。响应于施加至一个表面的压力，隔膜50会偏转，中心凸台33的移动平面平行于边缘32，外凸台34和35相对于边缘32翻转。参见图3A，柔性截面40限定在每个间隙中。四个应变感应元件对41、42、43设置在基板31的外表面上并且分别在间隙36、37、38和39周围，每个应变感应元件处于支承在应变集中结构45上的感应元件对中。每个应变感应元件可搀杂硼，优选地达到大概3×1018/立方厘米的程度。应变感应元件对采用电桥电路顺序连接，诸如惠斯特电桥，内应变感应元件42和43经由扭杆式传导路径48连接至基板31角部处的端子47，使得电桥的邻近腿可相反地检测应变和电阻的变化。绝缘跨线桥46适应该装置的物理尺寸，其涉及于电桥电路的形成。如图3A所示，沟槽49在传导路径的任一侧上切割形成并且达到一深度，留下厚度T1，如图3C所示。应力集中器可粘结至支承件并且连接至电路，或者支承和连接功能可通过应用至端子表面的单个复杂结构提供。
当压力施加至平面上时，隔膜的凸台的偏转如上所述产生，使得外应变感应元件41和44受压并且内应变感应元件42和43受应力，压阻应变感应元件检测的机械移动作为电阻的变化。在平衡的电桥电路中，由于偏转产生的电阻变化使电桥不平衡，从而提供电输出信号。
现在参照图4A-4F，示出制造压阻应力集中器30的传感器薄片部分的步骤的顺序。如图4A所示，单个的晶体n型硅基板51具有方向(110)的主表面，沿[111]方向的两个平抛光侧54，并且已经在上表面形成热氧化层52和在底表面形成氧化层53。在一项实施例中，传感器薄片的总厚度误差为大约2微米。如图4B所示，p型硼的初步深扩散形成入区域53，其将用做传感器表面上的导体。图4C示出对该表面光照形成图案并且在氧化层上形成开口，用于将硼浅扩散至应变感应元件56上。在一项实施例中，应变感应元件56可采用至少3×1018的硼进行浅扩散，到达大约1.1微米的深度以及265欧姆/平方。在图4D中，基板51的表面采用喷射铝60形成掩膜，以进行深活性离子蚀刻(DRIE)，在铝中开口以形成DRIE图案从而形成隔膜，应力集中结构57在传导路径55的任一侧上支承应变感应元件56、柔性横截面58和沟槽59。基板51采用DRIE蚀刻的最终深度为大约原始薄片厚度的28％。如图4E所示，图4D的喷射铝60被卸下，薄氧化层61形成在该表面上。传导路径62由光照形成图案，穿过该氧化层开口形成触头孔。在图4F中，铝63沉积在基板51的表面上，深度到达大约0.7微米，该表面经过光照形成图案从而限定电性沟槽65和热压缩粘和处64。
同样制造为了机械刚度和电连接所必须的支承薄片。该支承薄片包括n型杂质的单个硅晶体。为了形成完整的压阻装置，传感器薄片与支承薄片对齐并且两个薄片热压粘和。
参照图5A和5B，本发明的一项实施例示出采用压阻压力传感器72的导管66。参考压力管71环氧树脂密封至压力传感器72。硅弹性体69也将压力传感器72密封至参考管71。镀铝的铜线70连接至压力传感器72的端子。压力传感器72的表面68可采用钽薄膜涂敷。支承薄片可粘和至压力传感器72，其提供用于电子的电路径(vias)和用于参考管71的铅管装置路径。导管可用于测量流体压力。
从上面的说明可知，本发明提供一种装置和过程，用于制造检测机械移动并且将该移动通过支承应变感应元件的应变集中结构转换为电输出的装置。本发明采用多种方式在先前的计量器结构上进行改进。例如，将应变感应元件支承在应变集中支承结构上会消除电阻上的程序约束，允许电阻仅仅由应变感应元件的可接受热行为约束。受支承的应变感应元件可采用十分之一或者小于无标记计量器结构中的程度的硼搀杂，得到对应变的更高的敏感度。不同于无标记计量器结构，受支承应变感应元件上的材料不需要耐得住蚀刻，因此可选择更理想的属性，类似高计量器因数和电阻与计量器因数的匹配的温度系数。因此，受支承的应变感应元件通过其支撑件散热；在该元件中产生的电阻热不仅沿着该元件的长度散去，而且向下进入该支撑件。最后，应变感应元件的应变集中结构比无标记计量器结构更加抵抗压缩负载下的扭转，使其不太易碎。
虽然本发明已经参照其优选实施例具体示出并且进行描述，但是，本领域技术人员应该理解可在不脱离由所附的权利要求概括的发明范围的情况下进行形式和细节的多种改变。

Claims (24)

1、一种用于检测机械输入并且将至少两个相对可移动部件的机械移动转换为电输出的装置，包括：
单一硅基板；
延伸跨过基板的限定相对可移动部件的一部分的间隙以及在其间延伸的弹性截面体，该截面体采用与该单一基板相同的材料制成；
设置在硅基板表面上的至少一个应变感应元件，所述应变感应元件具有由中间颈部相互连接的两个端部，该颈部支承在使应变集中的结构上，该结构延伸跨过该间隙并且具有延伸至间隙中截面体的垂直壁，该结构采用与该单一基板相同的材料利用深活性离子蚀刻制成；以及
电性连接至端部的电极装置，用于检测端部之间的电阻的变化，此时颈部经受沿穿过应变感应元件的电流的方向的、由各基板部件的相对移动产生的应力。
2、根据权利要求1所述的装置，其中，硅基板在(110)平面中定向，并且包括n型杂质，应变感应元件沿[111]方向对齐并且包括p型杂质。
3、根据权利要求1所述的装置，其中，硅基板在(100)平面中定向，并且包括p型杂质，应变感应元件沿[001]方向对齐并且包括n型杂质。
4、根据权利要求1所述的装置，其中，该截面体限定平行于基板的弹性铰链。
5、根据权利要求1所述的装置，其中，至少两个相对可移动的部件围绕该截面体的弹性铰链部分彼此相对地翻转。
6、根据权利要求1所述的装置，其中，应变感应元件包括轻微搀杂的硼，达到2微米的深度。
7、一种用于检测机械输入并且将至少两个相对可移动部件的机械移动转换为电输出的装置，包括：
单一硅基板；
延伸跨过基板的限定相对可移动部件的一部分的间隙以及在其间延伸的弹性截面体，该截面体采用与该单一基板相同的材料制成；
设置在硅基板表面上的并且串联连接的至少两个应变感应元件，每个应变感应元件具有由中间颈部相互连接的两个端部，每个颈部支承在使应变集中的对应结构上，该结构延伸跨过该间隙并且具有延伸至间隙中截面体的垂直壁，该结构采用与该单一基板相同的材料利用深活性离子蚀刻制成；以及
电性连接至端部的电极装置，用于检测端部之间的电阻的变化，此时颈部经受沿穿过应变感应元件的电流的方向的、由各基板部件的相对移动产生的应力。
8、根据权利要求7所述的装置，其中，硅基板在(110)平面中定向，并且包括n型杂质，应变感应元件沿[111]方向对齐并且包括p型杂质。
9、根据权利要求7所述的装置，其中，硅基板在(100)平面中定向，并且包括p型杂质，应变感应元件沿[001]方向对齐并且包括n型杂质。
10、根据权利要求7所述的装置，其中，该截面体限定平行于基板的弹性铰链。
11、根据权利要求7所述的装置，其中，至少两个相对可移动的部件围绕该截面体的弹性铰链部分彼此相对地翻转。
12、根据权利要求7所述的装置，其中，每个应变感应元件包括轻微搀杂的硼，达到2微米的深度。
13、根据权利要求7所述的装置，其中，六个应变感应元件设置在硅基板表面上并且串联连接。
14、根据权利要求13所述的装置，其中，每个应变感应元件包括深搀杂的硼，达到0.3微米的深度。
15、根据权利要求13所述的装置，其中，每个应变感应元件具有4微米的小宽度。
16、一种用于检测机械输入并且将至少两个相对可移动部件的机械移动转换为电输出的装置，包括：
由在(110)平面中定向的n型半导体材料获得的单一硅基板；
利用深活性离子蚀刻在基板一侧上刻成的三凸台隔膜，三凸台隔膜包括边缘、一个中心凸台以及两个外凸台，所述外凸台在该边缘内部，且在该中心凸台两侧分别有一个所述外凸台；
延伸跨过基板的限定相对可移动部件的一部分的四个间隙以及在对应间隙之间延伸的柔性截面体，使得其中两个间隙位于外凸台的外部，其中两个间隙位于中心凸台的任一侧上以及任意外凸台的内部；
设置在硅基板表面上的所述四个间隙附近的四对应变感应元件，每对应变感应元件包括串联连接的两个应变感应元件，每个应变感应元件具有由中间颈部相互连接的两个端部，颈部支承在使应变集中的对应结构上，该结构延伸跨过该对应间隙并且具有延伸至对应间隙中的截面体的垂直壁，应变感应元件由p型半导体材料形成并且沿[111]方向定向，四个应变感应元件对连接为电桥电路；以及
电性连接至应变感应元件的端部的电极装置，用于检测端部之间的电阻的变化，此时颈部经受沿穿过应变感应元件的电流的方向的、由各基板部件的相对移动产生的应力。
17、根据权利要求16所述的装置，其中，该截面体限定平行于基板的弹性铰链。
18、根据权利要求16所述的装置，其中，至少两个相对可移动的部件彼此相对地在该截面体的弹性铰链部分附近偏转。
19、根据权利要求16所述的装置，还包括基板上处于计量器高度的绝缘跨接桥，使得应变感应元件以电桥电路的顺序连接至边缘的角部处的端部，使得电桥的邻近腿检测到相反的应变。
20、根据权利要求16所述的装置，还包括从偏转凸台到边缘上的端子的扭力杆式传导路径。
21、根据权利要求16所述的装置，还包括通过热压缩粘和进行密封以保持参考压力的端子块中的参考凹槽。
22、根据权利要求16所述的装置，其中，应变感应元件通过热压缩粘和而密封至表面安装端子。
23、根据权利要求16所述的装置，其中，每个应变感应元件包括掺杂的硼，掺杂程度为3×1018/立方厘米。
24、根据权利要求16所述的装置，适于被使用在用于测量流体压力的导管中。
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