TW201813110A - 微機械壓力感測器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種微機械壓力感測器(100)，其包含：- 用於一感測器膜(20)之至少一個介質出入口(10；10a)；及- 至少一個保護裝置(11；12；13)，其係用於使外部微粒(1)及/或外部水分(2)對該感測器膜(20)的一影響最小化。

Description

微機械壓力感測器

本發明係關於微機械壓力感測器。此外，本發明係關於用於生產微機械壓力感測器的方法。

壓力差係依據感測器膜之變形來量測的微機械壓力感測器例如自德國專利第DE 10 2004 006 197 A1號為吾人所知。在已知的微機械壓力感測器操作期間，由於外部沈積物隨著時間推移在感測器膜上之出現，可出現問題，因此可削弱該等壓力感測器之操作特性。

因此，本發明的目標為提供一種具有經改善之操作行為的微機械壓力感測器。

該目標係根據微機械壓力感測器之第一態樣達成，該微機械壓力感測器包含：- 用於感測器膜之至少一個介質出入口；及- 至少一個保護裝置，其用於使外部微粒及/或外部水分對該感測器膜的影響最小化。

以此方式有利地實現該微機械壓力感測器之敏感感測器膜 的保護效應。以此方式可很大程度上避免錯誤信號，由此該壓力感測器之操作特性得以改善。

根據第二態樣，該目標係藉由一種用於生產微機械壓力感測器之方法達成，該方法包含以下步驟：- 提供至少一個介質出入口；- 提供感測器膜；及- 以一方式提供至少一個保護裝置，使得外部微粒及/或外部水分對該感測器膜的影響藉助於該保護裝置被最小化。

附屬請求項係關於該微機械壓力感測器之較佳實施方式。

該微機械壓力感測器之一較佳改進係藉由該保護裝置係體現為該介質出入口之虹吸管結構的事實而區分。以此方式，實現可以簡單方式提供且有效地起作用之保護裝置用於該微機械壓力感測器。

該微機械壓力感測器之另一有利改進係藉由該保護裝置包含配置於該介質出入口之經界定附近之一加熱元件的事實而區分。此有利地支援水分可被更快速地蒸發之情形。

該微機械壓力感測器之另一有利改進係藉由該加熱元件至少部分圍繞該虹吸管結構之經界定區域配置的事實而區分。

因此，已經滲透入該介質出入口中之水分可被更快速地蒸發。

該微機械壓力感測器之另一有利改進規定該保護裝置包含配置於該介質出入口之經界定附近的黏著層。以此方式，提供另一保護機構，藉助於該保護機構，外部微粒被黏附地接合或黏附在黏著層上，且藉 此防止外部微粒滲透入介質出入口中及/或防止外部微粒進一步在該介質出入口中前進。

該微機械壓力感測器之另一有利改進係藉由該黏著層至少部分配置於該虹吸管結構之經界定區域中的區段中之事實而區分。

該虹吸管結構之保護效應藉此可以高效方式增大。

該微機械壓力感測器之另一有利改進藉由滿足以下幾何條件的事實來區分：t_h>t_P

t_G t_P

該等幾何條件具有以下參數：t_h......該虹吸管結構之下部區段之淨寬度

t_P......該虹吸管結構之上部區段之淨寬度

t_G......該虹吸管結構之下部區段的上部平面與該虹吸管結構之上部區段之下部平面之間的位準差。

以此方式，實現有利幾何尺寸用於該虹吸管結構，該等尺寸使得有可能使有害水分及/或微粒至介質出入口中之滲透及/或微粒及水分在該介質出入口內之進一步前進最小化。

該微機械壓力感測器之另一有利改進係藉由該保護裝置包含配置於該介質出入口之經界定附近的至少一個電容器結構的事實區分。以此方式提供可束縛該等微粒之呈靜電力形式的替代保護機構。

微機械壓力感測器之另一有利改進係藉由保護裝置包含配置於該介質出入口上之介質可滲透層的事實而區分。以此方式提供用於保 護該感測器膜之替代可能性。

該微機械壓力感測器之另一有利改進係藉由如下事實區分：使該介質出入口在該壓力感測器之頂蓋晶圓中或ASIC晶圓中體現有該保護裝置。以此方式，該保護裝置可以各種方式有利地實現。

在下文參看若干圖式用進一步特徵及優點詳細描述本發明。相同或功能上相同之元件具有相同參考標識。詳言之，該等圖式意欲闡明本發明之基本原理且不必以真實比例繪製。出於更清晰起見，可規定並非全部圖式描繪全部參考標識。

圖1展示根據先前技術之微機械壓力感測器之橫截面圖；圖2展示微機械壓力感測器之一個實施方式之橫截面圖；圖3展示來自圖2之配置的細節視圖；圖4展示微機械壓力感測器之另一實施方式的基本細節視圖；圖5展示來自圖4之配置的細節視圖；且圖6展示用於生產微機械壓力感測器之方法之一個實施方式的基本序列。

本發明的中心概念係提供一種經改善之微機械壓力感測器，其較不敏感且因此對於外部環境影響更穩健。此藉助於保護裝置來達成，該保護裝置以有效方式很大程度上防止或最小化外部微粒及/或外部水分向敏感感測器膜的前進。

藉由具有可個別地或組合地實現之各種技術保護機構的所提出之壓力感測器，很大程度上防止微粒及水分前進至壓力感測器之膜區域、沈積於該膜區域上及隨著時間推移不利地聚集。

圖1展示根據先前技術之微機械壓力感測器的一個問題。壓力感測器100較佳為低壓力感測器，例如應用在用於量測在大致0.3巴至大致1.4巴範圍內之壓力的行動終端或氣壓高度計中的低壓力感測器。然而，亦可設想到，將該壓力感測器100體現為中壓或高壓感測器，從而例如用於汽車領域中。

圖示展示貫通包含介質出入口10之微機械壓力感測器100的橫截面圖，該介質出入口10在感測器膜20上方擴寬，以便使介質或空氣交換可發生。在感測器膜20以下可辨別空腔21。藉助於箭頭指示例如呈氣壓形式的外部作用之介質壓力P的影響。圖示展現微粒1(例如灰塵微粒)及水分2(例如呈水形式)之元素，其可通過介質出入口10並前進至敏感感測器膜20且以不利方式沈積在該敏感感測器膜上。因此，感測器膜20之不利影響隨著時間推移可發生，藉此產生微機械壓力感測器100之不合需要的錯誤信號或錯誤量測。

圖2展示貫通所提出之微機械壓力感測器100之一個實施方式的橫截面圖。包含虹吸管結構11之介質出入口10係顯而易見的。外部微粒1(未說明)在虹吸管結構11之深區段中可黏附於黏著層13上，且防止該等外部微粒前進至感測器膜20。

此外，加熱元件12該虹吸管結構11之深區段中可辨別，藉助於該加熱元件，已滲透入介質出入口10中之水分2可被蒸發，或已滲透 之水分2之蒸發過程可得以加速。替代地或另外，亦可設想到加熱元件12配置於虹吸管結構11之高部區段中(未說明)。呈加熱元件12之形式的整合式加熱器結構意欲藉助於如下操作來防止水分滲透：使水分藉助於加熱元件12之部分上的對應加熱而蒸發，或防止水分冷凝。

配置於虹吸管結構11之深區域中的黏著劑或黏著層13此外在圖2中顯而易見，微粒1黏附在該黏著劑或黏著層上，且防止該等微粒前進至感測器膜20。

黏著層13可替代地或另外建構或塗覆在介質出入口10附近。

因此，來自圖2之實施方式以虹吸管結構11、加熱元件12及黏著層13之形式實現各種保護效應。然而，亦可設想到，僅提供提及之元件中的單獨一個作為保護裝置。

此外，在圖2中可辨別具有加熱元件12a之第二介質出入口10a。在微機械壓力感測器100之替代變體(在圖式中未說明)中，亦可設想到，經界定數目個的兩個以上的介質出入口10、10a在每一情況下裝備有所描述之保護裝置中之至少一個，因此此有利地支援如下情形：在介質出入口10、10a中之一者由外部微粒1及/或外部水分2阻斷之後，仍然實現對感測器膜20之足夠保護。以此方式支援微機械壓力感測器100之長期有利操作行為。

圖3以更高詳述程度展示來自圖2之配置。顯而易見的是，微粒1及水分2黏附在黏著層13上，且藉此實現對感測器膜20之保護效應。所提出之虹吸管結構11的定性大小關係係可辨別的，其中尺寸t_h指明 虹吸管結構11之下部或深區段的淨寬度或淨高度。Z_G指明虹吸管結構11之下部區段的上部邊緣與虹吸管結構11之連接通道或高部區段之下部區段之間的位準差。尺寸t_P表示虹吸管結構11之上部或高部區段之淨寬度或淨高度。

虹吸管結構11提供深區域，該深區域具有足夠的容積，使得外部微粒1及/或外部水分2可被彙集在其中。此外，虹吸管結構11之深區段與虹吸管結構11之高部區段之間的距離應以一方式設定尺寸，使得可能的外部微粒1及/或外部水分2無法克服此阻障且因此無法通過至膜區域。

為了對感測器膜20之高效保護效應，應實現虹吸管結構11之以下幾何尺寸：t_h>t_P (1)

其具有以下參數：t_h......虹吸管結構之下部區段之淨寬度

t_P......虹吸管結構之上部區段之淨寬度

t_G......虹吸管結構之下部區段之上部平面與虹吸管結構之上部區段之下部平面之間的位準差。

加熱元件12可例如由載流管線構成及/或由高電阻擴散區域形成。

在圖式中未說明之微機械壓力感測器100的實施方式包含直接配置在介質出入口10之表面處的黏著層13，其中加熱元件12視情況 可亦被直接體現在介質出入口10之表面處。

替代地或另外，代替黏著層13，可應用靜電原理，因此加熱元件12不僅用於加熱，而且另外用作具有處於不同電勢之電極的電容器。以此方式，有利地有可能同時實現加熱元件12及電容器結構。對應擴散區域可形成電容器，該電容器可產生吸收或束縛外部微粒1之靜電力。

圖4展示微機械壓力感測器100之對應實施方式的細節視圖。可辨別具有兩個電極30、31之電容器，該電容器配置於介質出入口10之兩側上。具有對應靜電效應之電場在電極30與31之間起作用，使得外部微粒1(未說明)黏附在頂部電極30上。

可辨別兩個電容器結構30、31，但亦可設想到介質出入口10之區域中之不同數目個電容器結構。

圖5展示來自圖4之結構的平面圖。具有蛇形的電引線30a之頂部電極30為顯而易見。以此方式，可將具有合適的電壓幅值之電壓施加至頂部電極30。可辨別較佳處於接地電位的底部電極31，因此在頂部電極30與底部電極31之間形成具有自頂部電極30至底部電極31之電場線的電場。因此，靜電效應藉此可產生，藉助於此，外部微粒1被吸引且因此被固定在介質出入口10之入口的區域中，且因此對感測器膜20呈現為無害的。

在此狀況下，頂部電極30亦可提供為加熱元件。

在圖式中未說明之微機械壓力感測器100的實施方式提供在介質出入口10上方之保護層，該保護層充分保護感測器膜20免受外部微粒1滲透且仍然賦予將足夠壓力至供應感測器膜20的動力學特性。對於 保護裝置之此變體，可設想到介質可滲透或透氣之多孔材料或單層材料，前述材料係呈例如GORE^TM膜、石墨烯層或有機材料之形式。

上述保護裝置可實現於微機械壓力感測器100之頂蓋結構中或另外實現於ASIC頂蓋中，由此保護裝置之各種實現選項有利地有可能。

圖6展示用於生產微機械壓力感測器100之方法之基本序列。

在步驟200中，提供至少一個介質出入口10。

在步驟210中，提供感測器膜20。

在步驟220中，以一方式提供至少一個保護裝置11、12、13，以使得藉助於該保護裝置11、12、13使外部微粒1及/或外部水分2對該感測器膜20的影響最小化。

儘管上文已基於具體應用實例描述了本發明，但熟習此項技術者可實現上文尚未揭示或上文僅部分揭示的本發明之實施方式而不背離本發明之本質。

Claims (11)

1. 一種微機械壓力感測器(100)，其包含：用於一感測器膜(20)之至少一個介質出入口(10；10a)；及至少一個保護裝置(11；12；13)其用於使外部微粒(1)及/或外部水分(2)對該感測器膜(20)的一影響最小化。
2. 如申請專利範圍第1項之微機械壓力感測器(100)，其特徵在於該保護裝置體現為該介質出入口(10)之一虹吸管結構(11)。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機械壓力感測器(100)，其特徵在於該保護裝置包含配置於該介質出入口(10)之經界定附近的一加熱元件(12)。
4. 如申請專利範圍第3項之微機械壓力感測器(100)，其特徵在於該加熱元件(12)至少部分圍繞該虹吸管結構(11)之一經界定區域配置。
5. 如前述申請專利範圍中任一項之微機械壓力感測器(100)，其特徵在於該保護裝置包含配置於該介質出入口(10)之經界定附近之一黏著層(13)。
6. 如申請專利範圍第5項之微機械壓力感測器(100)，其特徵在於該黏著層(13)至少部分配置於該虹吸管結構(11)之一經界定區域中的區段中。
7. 如申請專利範圍第2項至第6項中任一項之微機械壓力感測器(100)，其特徵在於以下幾何條件被滿足：t _h>t _P t _G t _P 該等幾何條件具有以下參數：t _h......該虹吸管結構(11)之一下部區段之淨寬度t _P......該虹吸管結構(11)之一上部區段之淨寬度t _G......該虹吸管結構之該下部區段的一上部平面與該虹吸管結構之該上部區段之一下部平面之間的位準差。
8. 如前述申請專利範圍中任一項之微機械壓力感測器(100)，其特徵在於該保護裝置包含配置於該介質出入口(10)之經界定附近的至少一個電容器結構(30，31)。
9. 如前述申請專利範圍中任一項之微機械壓力感測器(100)，其特徵在於該保護裝置包含配置於該介質出入口(10)上之一介質可滲透層。
10. 如前述申請專利範圍中任一項之微機械壓力感測器(100)，其特徵在於使該介質出入口(10)在該壓力感測器(100)之一頂蓋晶圓中或一ASIC晶圓中體現有該保護裝置(11；12；13)。
11. 一種用於生產一微機械壓力感測器(100)之方法，其包含以下步驟：提供至少一個介質出入口(10)；提供一感測器膜(20)；及以一方式提供至少一個保護裝置(11；12；13)，使得外部微粒(1)及/或外部水分(2)對該感測器膜(20)的一影響藉助於該保護裝置(11；12；13)而可最小化。