[发明专利]MEMS传感器，尤其是压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于被测变量的计量记录的MEMS传感器，该传感器包括彼此上下布置的多个层，尤其是硅层，其中，这些层包括至少一个内层，该至少一个内层布置在第一层与第二层之间，并且在内层中，设置有垂直于内层的平面延伸通过内层的至少一个空腔，内层的与第一层和第二层连接的区域至少部分地与该至少一个空腔从外部接界并且形成连接元件。

背景技术

MEMS传感器是微机电系统，其应用于被测变量——例如，压力、质量流量或者体积流量、密度、黏度、温度、pH值或者电导率——的计量记录。

MEMS传感器由彼此上下布置的层——尤其是硅层——并且通过应用半导体技术中的常用方法——诸如，蚀刻工艺、氧化方法、注入方法、键合方法和/或涂覆方法——规则地构成。在这种情况下，单独的层，以及在给定情况下，设置在邻接层之间的连接层——例如，绝缘层——被制备并且被构造成与在传感器中分配给它们的功能对应。

MEMS传感器通常包括可暴露于机械负载的部件。在这种情况下，示例是集成在MEMS传感器中的机电换能器的功能元件。根据待记录的被测变量来使这些功能元件暴露于机械负载。换能器根据被测变量来将机械负载转换成电变量。

机械负载引起不可避免的应力，这种应力会对单独的传感器部件和/或与单独的传感器部件连接的部件产生机械影响。只要负载不超过传感器的预定负载极限——通常被称为抗过载性，这就不是问题。然而，实际上，传感器持续地暴露于过载。

在压力差传感器的情况下，过载的危险尤其大，压力差传感器用于测量两个压力p₁、p₂之间的压力差Δp，与压力差Δp相比较，p₁、p₂较大。由于这些传感器必须在计量上对记录叠加在与这两个压力中较小的压力对应的系统压力上的压力差Δp足够敏感，因此，出现了问题，首要的是，在单向过载的情况下，当向压力差传感器的测量膜的仅一侧施加高压时，且不存在作用于测量膜的位于相反侧的反压力。

在这种情况下，具有发展良好的边缘的区域的传感器对机械负载尤其敏感，因为突起的边缘会导致应力集中，在过载的情况下，应力集中会引起应力裂缝或者甚至应力断裂。

该方面的示例涉及压阻式压力传感器，该压阻式压力传感器具有可受载待被测量的压力的测量膜。规则地产生这些压力传感器，在这种情况下，通过各向异性蚀刻方法，例如利用氢氧化钾(KOH)执行的各向异性蚀刻方法，来将空腔蚀刻到硅片中。在这种情况下，围绕空腔的传感器芯片的边缘形成一个载体，该载体围绕被空腔暴露出来的测量膜。然而，各向异性蚀刻方法在测量膜与载体之间的过渡处产生突起边缘，在该突起边缘处，发生应力集中。

为了解决该问题，DE 10 2008 035 017 A1描述了通过各向异性和各向同性蚀刻方法的组合来产生测量膜暴露空腔。在这种情况下，利用各向异性蚀刻法产生空腔，该空腔成圆锥形地逐渐变细以增加测量膜方向上的机械稳定性。然后，在接下来的各向同性蚀刻过程中，在具有测量膜的过渡处使在各向异性蚀刻中产生的突起边缘进行倒圆。倒圆的边缘降低了应力集中。

DE 10 2007 010 913 A1中描述了压阻式压力传感器的实施例的替选形式。该替选形式具有两层硅，该两层硅经由布置在这两层之间的连接层——即，氧化物层——彼此连接。在该压力传感器的情况下，在其中一个层上设置压阻元件，并且第二层具有空腔，经由该空腔使第一层的形成测量膜的区域和与其连接的氧化物层暴露出来。为了能够以较小的线性误差来计量地记录较小的压力，在测量膜的与压阻元件相反的一侧上的氧化物层中设置有凹槽，并且该凹槽用于集中由作用在压电元件所在位置处的测量膜上的压力产生的应力。为了增加传感器的强度，凹槽具有倒圆的横截面几何形状，并且优选地，第二层中的空腔具有在氧化物层方向上成圆锥形地逐渐变细的侧表面。

然而，增加稳定性的成圆锥形变细的空腔与例如由倒圆的凹槽或者倒圆的边缘实现的倒圆的过渡的组合假设有足够的空间可用于成圆锥形变细，且由此在其开放侧上不可避免地变大的空腔；以及，倒圆的边缘在足以使用各向同性蚀刻方法的情况下是可触及的。

当空腔位于外层中时，因此可从MEMS传感器的外部触及外层，这两种假设都是可以实现的。