專利名稱：用于微機電系統(tǒng)傳感器的微機電系統(tǒng)應力集中結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用于應力集中結(jié)構(gòu)的設計和制造方法，所述應力集中結(jié)構(gòu)適用于 微機電系統(tǒng)(MEMQ傳感器，尤其是麥克風和壓力傳感器，這種微機電系統(tǒng)傳感器涉及將器 件功能的所有電子和機械元件全部或部分地集成在硅基底或任何其它材料上。
背景技術(shù)：
使得每項功能(所涉及的部件)的尺寸更小、性能更好并且成本更低是現(xiàn)代電子 工業(yè)發(fā)展的主要推動力。為了實現(xiàn)這些目的，工業(yè)上試圖將更多功能，包括機械傳感器和它 們的傳感電子器件，集成到小型化的芯片上。用于在MEMS麥克風和壓力傳感器中進行轉(zhuǎn)換的最常見的方法是以電容量感測方 法為基礎的。這種方法依賴于在電容結(jié)構(gòu)的一個電極中測量的引發(fā)比例位移的量。這種電 容量的變化然后可以被轉(zhuǎn)換成等效電信號。下面通過圖1和圖2中的電容式MEMS麥克風來解釋并說明現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案 的缺陷和困難，所述技術(shù)方案是以電容量感測結(jié)構(gòu)為基礎的用于麥克風的獨立傳感器或單 芯片傳感器、壓力傳感器或者慣性傳感器(但不限于上述器件)。圖1和圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的電容式MEMS麥克風10的構(gòu)造。該麥克風包括薄底 板電極12或者形成在基座13上的膜，所述薄底板電極或者膜通常由硅制成。在底板12的 頂部上通過支柱14支承有頂板電極11，該頂板電極11通常具有較大的側(cè)向尺寸、比較厚并 且是穿孔的。貫穿基座13蝕刻有空心柱狀孔15，該空心柱狀孔15具有與底板12相同的 尺寸。當聲波16通過孔15或者從頂部通過穿孔的頂部電極11沖擊到底板12上時，壓力 (P，ImPa至IOPa)引起底板12變形，并且改變頂部電極11與底部電極12之間的距離。這 使得所述電極11、12之間的電容量改變。電路拾取該電容量的改變，并且將該改變轉(zhuǎn)換成 電信號。圖2示出圖1中的麥克風的橫截面視圖。所述底部電極12是柔性的，并且當受到 聲波16的沖擊時改變它與頂部電極11之間的距離。電容量是電極間距離d的反函數(shù)。d 的初始值確定該電容器的靜態(tài)電容量(C = ε//d)，該初始值可以在頂板和底板中存在內(nèi) 部應力時顯著地改變。d隨壓力的變化表現(xiàn)為麥克風的靈敏度，該變化是一個復變函數(shù)，該 復變函數(shù)取決于底部電極12的尺寸和形狀、該底部電極的厚度以及該電極12的材料常數(shù)。 這些參數(shù)經(jīng)常是制造技術(shù)中不太容易控制的函數(shù)。在電子產(chǎn)品中，硅MEMS麥克風日益取代了駐極體麥克風(ECM)，因為硅MEMS麥克 風的尺寸較小并且在SMT組裝中具有粗放性。幾乎所有的MEMS麥克風的商業(yè)實施方案都 使用一種兩芯片方法。它包括連接到前置放大器芯片的基于硅MEMS的電容膜芯片。這兩 種芯片組裝到適當?shù)幕咨?，例如FR-4PCB板，并且另外通過包裝罩保護。
硅MEMS麥克風的典型電參數(shù)為靈敏度-42dBV/Pasca I信噪比60dBHV 發(fā)生器10-12V+/"O. 25V放大器輸出噪聲(OOdB增益)< 10 μ V電流消耗150 μ A電源電壓范圍1.5V-4. 5VMEMS麥克風膜基于壓敏電容器的原理工作，其中，一個板(柔性板)制成在聲波 16的壓力下彎曲。這改變了電容器的電容量，該電容量可以在橫跨施加電壓時被感測到。 這種功能在圖1中示出。電容式MEMS麥克風膜的典型物理參數(shù)如下電極間距離d 1. 5-2 μ m固定電極厚度 5-20 μ m柔性電極厚度 0. 4-0. 7 μ mX-Y 尺寸< 80 μ m芯片尺寸< 1. 2mmX 1. 2mm對于單芯片集成，幾乎所有嘗試都基于將電容式MEMS膜用作傳感器，但在將電容 式MEMS膜集成到電路芯片的實施過程中存在許多困難和缺點，其原因?qū)⒃谙旅嬲f明。出于 這些原因，單芯片MEMS麥克風的成本保持很高，并且無法與兩芯片式MEMS麥克風或者ECM 麥克風相比。在MEMS麥克風的電容式膜中，電容器具有兩個彼此隔開的板，這兩個板是通過空 氣以及位于所述板上并且支承在絕緣材料上的絕緣體隔開的。為了獲得預定的電容量，并 由此獲得相對于麥克風的電壓敏感度的聲壓的重要傳感器參數(shù)，這兩個板之間的距離必須 以精確的技術(shù)規(guī)格形成。這具有兩重含義固定電極和柔性電極受到的應力必須小，以便它 們不會彎曲并且不會改變它們之間的電極間距；主要通過這兩個板之間的絕緣柱確定的電 極間空氣間隙，以及由氧化/氮化硅構(gòu)成的介電層的厚度必須是恒定并且可重復的。必須 控制這兩個瑕疵，并且這兩個瑕疵造成設計的復雜性，并且影響電容式MEMS麥克風的生產(chǎn) 率。在所有通過化學或物理沉積方法形成的多晶薄膜中都會產(chǎn)生內(nèi)應力。值得注意的 材料通常是多晶硅、二氧化硅或者氮化硅。所述應力可以是拉伸力或者壓縮力。所述力的 形成和大小取決于厚度、沉積方法和沉積參數(shù)。應力的大小非常難以控制，并且應力的變動 可能很大，高達士 100%。與多晶硅和二氧化硅相比，氮化硅具有較大的應力。富含氮的硅 具有較小的應力，但是，由于所述富含氮的硅的氧化會導致難以蝕刻的氮氧化硅，所以這種 硅在IC生產(chǎn)工藝中的使用不是主流的，并且是經(jīng)常避免的。氧化物和氮化物不是導體，多 晶硅經(jīng)常作為用于與氧化物或者氮化物相結(jié)合的導電板的材料，因為多晶硅必須被保護以 免受環(huán)境的影響，這是因為其富含晶界，而這會在材料暴露于蝕刻劑時形成削弱點。來自這 種合成物的應力甚至更難控制。因此，在早期的電容式MEMS麥克風傳感器的研發(fā)中，對于可導致應力減少或者形成應力耐受結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和設計給予了許多關(guān)注。熱生長薄膜的厚度可以以很大的精度進行控制。然而，這種生長是在較高的溫度 (通常> 900°C)下發(fā)生的，并且如隨后可以看出的，可能不是電容式傳感器形成工藝的期 望部分，除非傳感器板是作為IC工藝本身的一部分形成的。如果確實這樣，則這將會危害 基本IC工藝并且對該工藝帶來變動，這顯著增加了已經(jīng)很復雜的IC工藝的成本和復雜性。 因此，極間控制傾向于通過低溫下的低溫等離子增強的化學蒸氣沉積工藝、濺射、物理蒸發(fā) 或者甚至在聚合體或無機物基底上旋涂例如在氧化物上旋涂來實現(xiàn)。這些方法的厚度控制 可能很好也可能很差。在MEMS電容式傳感結(jié)構(gòu)的制造中，水或者清潔流體的表面張力起著特殊的作用。 在濕法蝕刻以及清潔之后的干燥過程中會出現(xiàn)附著，所述附著是指兩個相對的親水表面通 過來自水的表面張力粘附在一起。小水滴中的表面張力會在干燥期間將兩個表面拉在一 起，表面原子力可以使表面保持貼附，由此破壞了傳感器的功能。由于水處理是MEMS制造 的主要部分以及是用以去除硅顆粒污染物的切割工藝，所以粘附對于電容式傳感結(jié)構(gòu)的實 現(xiàn)以及后處理制造步驟造成嚴重的限制?？梢酝ㄟ^使用犧牲氧化物間隔件的HF蒸氣蝕刻 或者水清潔中的超臨界干燥來避免粘附。但在晶片切割期間不可能使用后者(即超臨界干 燥)，從而進一步增加了制造工藝的復雜性。在考慮MEMS硅電容式傳感結(jié)構(gòu)以用于單芯片集成時，高溫和低溫材料處理的特 定次序、不同材料的化學和物理處理的彼此兼容性以及處基本集成電路工藝之外引入的工 藝步驟的數(shù)量使得增加了機械元件。通常，機械元件是隨著最后的步驟、隨著所謂的后CMOS 工藝而添加到IC工藝中的。為了避免金屬鋁互連的熔融，處理溫度必須保持低于450°C。 這對可用于機械結(jié)構(gòu)的導電或不導電材料的選擇、它們的特性以及沉積方法造成了限制。在單芯片MEMS麥克風中，集成電路(IC)的其余部分在氮化物和氧化物PECVD下 密封。在膜區(qū)域中形成一開口。為了實現(xiàn)電容式膜，在該兩板式電容器膜的形成中涉及大 約五個材料層，其中包括蝕刻以及五個光刻步驟。即使這些層和步驟中的一些可以與基本 IC工藝分享，但該工藝仍然比較復雜且費力?？刂葡虏侩姌O的厚度是關(guān)鍵。這決定了圓形 /矩形板的彎曲(度)，彎曲度決定靈敏度。此外，控制極間間隔的間距也是關(guān)鍵的。材料 必須與釋放工藝兼容。氧化物和多晶硅晶界受到HF蒸氣、干法釋放化學的攻擊或者削弱。 這樣，必須精心選擇極間犧牲間隔材料，以便適應沉積溫度、厚度控制以及與周圍材料的蝕 刻兼容性。可以用作解決方案的材料組合很少。它們經(jīng)常非常復雜。電容式MEMS麥克風的電路包括低噪聲精確電荷泵，具有絕緣柵輸入的低噪聲放 大器，以及用于對放大器加偏壓以及控制MEMS傳感器-放大器組合的噪聲的精確控制型電 阻。該電路采用VLSI標準因而較小，但它的尺寸相對于技術(shù)線-寬收縮不是成線性比例的。 通常，電容式MEMS麥克風的噪聲通過kT/C噪聲限制，其中，C是MEMS傳感器的電容量以及 寄生電容量。對于C = IpF,噪聲電壓(從IOOHz到IOkHz)高于10微伏。它隨著C的減小 而增大，是電容值的二分之一的1.4倍。因此存在MEMS電容膜的基本尺寸，超過該基本尺 寸，傳感器將不能被縮小，因為傳感器的信噪比會變差。電容式麥克風的設計中的一個常見 謬誤是認為，隨著C的減小，可以通過使柔性板變薄來恢復靈敏度。但這種行為將由于靜電 引力的吸合電壓減小而減小傳感器可以運行的最大電壓，由此抵消了通過使電容器更薄而 帶來的任何改進。MEMS電容式麥克風的SNR經(jīng)常以dB給出，并且它是麥克風在1帕聲壓下的電壓信號輸出與麥克風在無輸入A權(quán)音情況下的噪聲輸出的比值。該A權(quán)音消除了低頻 下的大部分放大器噪聲。這種SNR的主流是60dB。對于電容式MEMS麥克風來說，A權(quán)音使 得SNR提高約2-4dB。這種特征也取決于放大器的低頻特性。轉(zhuǎn)換的一種替代性方法是基于單個硅板中的壓阻感測。這種方法已經(jīng)應用于MEMS 壓力傳感器的板，其中，壓電晶體管嵌入正方形或圓形硅板的邊緣。所施加的壓力在邊緣處 引起應力，應力這取決于板的長度/厚度，并且該應力可以通過壓電晶體管轉(zhuǎn)換。板/壓阻結(jié)構(gòu)的缺點是，在蝕刻工藝中極其難以控制大的板的均勻性和厚度。板 的非均勻性導致壓電晶體管的讀數(shù)中的誤差。壓力傳感器的靈敏度由板的厚度確定。如果 該厚度限制于最大值，則檢測的靈敏度下降。出于這個原因，該結(jié)構(gòu)不適用于任何MEMS麥 克風的商業(yè)實現(xiàn)方案或者超靈敏的壓力傳感器。它進一步限制了壓力傳感器的尺寸，因為 必須通過板的區(qū)域創(chuàng)建最小的力，以便創(chuàng)建可檢測的應力。出于這些原因，所述板/壓阻結(jié) 構(gòu)較少地有利于電容感測結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種MEMS應力集中結(jié)構(gòu)，它適用于MEMS麥克風以及壓力傳感器的設計。 該結(jié)構(gòu)使用橋板一也稱為應力集中器橋，該應力集中器橋?qū)C械壓力或機械力集中到一由 內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域構(gòu)成的結(jié)構(gòu)的較窄區(qū)域，所述內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域通過窄狹縫分開并且通過應 力集中器橋接合在一起。該內(nèi)區(qū)域可以位于板的中部。作用在該內(nèi)區(qū)域上的壓力或力則被 集中，并且它的效果以受控的方式作為應力集中器橋中的應力而被放大。該應力集中器可 以具有應力感測器件，該應力感測器件基于壓電效應建立以用于檢測放大的應力。在不檢 測放大的應力時，它簡單地用作內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域之間的支撐和連接構(gòu)件。通過應力集中器結(jié)構(gòu)，有可能在用于麥克風以及壓力傳感器的MEMS技術(shù)中以比 較簡單的加工步驟構(gòu)建不同的機械傳感器。在第一方面中，提供了一種具有預定形狀的、由單體材料或者具有不同層的合成 材料構(gòu)成的板。該板通過狹縫描繪成內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域，所述狹縫具有預定形狀并且切割在 該板中。外區(qū)域支撐在基座上，并且它能作為整體的一部分接合到基座上或者通過薄的材 料膜與該基座分開。所述外區(qū)域和內(nèi)區(qū)域通過多個應力集中器橋接合，所述應力集中器橋 是在進行切割時形成的。每個應力集中器橋都用于集中或者放大該應力集中器橋中的由作 用在內(nèi)區(qū)域或者內(nèi)區(qū)域的一部分上的點式或者分布式力引起的應力。所述應力集中器橋可 以具有，但不是必須具有，與內(nèi)區(qū)域相同的材料層成分。在第二方面中，提供了位于應力集中器橋中的任何一個或者每一個的邊界中(或 橫跨該邊界)的由電阻器、雙極型或者單極型的二極管/晶體管構(gòu)成的一個或多個壓電元 件。通過施加適當?shù)碾娮哟碳だ珉娏骰蛘唠妷?，壓電元件將所集中或者放大的應力轉(zhuǎn)換 為電壓或者電流。在第三方面中，提供了 一種在單個單體硅基底上的MEMS麥克風的設計。該麥克風 通過使用正方形/矩形、多邊形或者圓形/卵形的內(nèi)區(qū)域以及具有壓電感測元件的應力集 中器橋而形成，所述壓電感測元件安放在一個或多個應力集中器橋上的最大應力的點處或 者靠近該點安放。所述狹縫以及內(nèi)/外區(qū)域的一部分可以覆蓋有適當厚度的第三材料，所 述材料的楊氏模量遠小于應力集中器橋。
在第四方面中，提供了一種在硅基底上的MEMS壓力傳感器的設計。該壓力傳感器 通過使用具有正方形/矩形、多邊形或者圓形/卵形形狀的內(nèi)區(qū)域以及具有壓電感測元件 的應力集中器橋而形成，所述壓電感測元件安放在一個或者多個應力集中器橋上的最大應 力的點處或者靠近該點安放。所述狹縫以及內(nèi)/外區(qū)域的一部分必須覆蓋有適當厚度的第 三材料，所述材料的楊氏模量遠小于應力集中器橋。從下面給出的詳細說明中將顯見本發(fā)明的更多適用范圍。然而，應該理解，所述詳 細說明和具體示例，盡管是本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但僅是作為示例給出的，因為從該詳細說 明中本領域技術(shù)人員將顯而易見地在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)作出各種改變和修改。


從下面給出的詳細說明以及附圖將更全面地理解本發(fā)明，所述附圖僅作為示例給 出，并且因此不構(gòu)成對本發(fā)明的限制，在附圖中圖1是常規(guī)電容式MEMS麥克風的側(cè)面俯視圖；圖2是圖1中的常規(guī)麥克風的側(cè)剖視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的應力集中器結(jié)構(gòu)的頂部視圖；圖4是用于圖3中應力集中器結(jié)構(gòu)的板的材料的側(cè)剖視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、具有覆蓋狹縫的軟材料薄層的應力集中器結(jié) 構(gòu)的頂部視圖；圖6是沿著圖3中的線B-B’的應力集中器結(jié)構(gòu)的側(cè)剖視圖；圖7是沿著圖3中的線A-A’的應力集中器結(jié)構(gòu)的側(cè)剖視圖；圖8是應力集中器結(jié)構(gòu)的應力集中器橋的放大的側(cè)視圖；圖9是應力集中器橋的側(cè)剖視圖，其中沿著其在圖8中的長度A-A’沒有收縮部；圖10是應力集中器橋的側(cè)剖視圖，其中沿著其在圖8中的長度A-A’具有頂部收 縮部；圖11是應力集中器橋的側(cè)剖視圖，其中沿著其在圖8中的長度A-A’具有底部收 縮部；圖12是應力集中器橋的側(cè)剖視圖，其中沿著其在圖8中的長度A-A’具有頂部和 底部收縮部；圖13是應力集中器的放大的側(cè)面視圖，其中示出在應力集中器橋上的應力傳感器；圖14是應力集中器結(jié)構(gòu)的頂部視圖，其中應力集中器橋以及狹縫旋轉(zhuǎn)對稱；圖15是從對稱中心看去的、圖14的應力集中器結(jié)構(gòu)的側(cè)剖視圖；圖16是應力集中器橋的剖開的透視圖；圖17是在板的中心施加力的情況下應力集中器結(jié)構(gòu)的應力分布圖；圖18是使用所述應力集中器結(jié)構(gòu)的MEMS麥克風的一個示例的頂部視圖；圖19是圖18的MEMS麥克風的剖開的透視圖；以及圖20是基于圖18的MEMS麥克風的MEMS壓力傳感器的剖開的透視圖。
具體實施例方式圖3示出了 MEMS應力集中器結(jié)構(gòu)20的構(gòu)造。該結(jié)構(gòu)20包括板33，該板33通常具有矩形外邊界。所述板33可以通過單個單體材料或者不同材料的多個層形成，如圖4所 示。所述板33具有外區(qū)域22以及內(nèi)區(qū)域21，該內(nèi)區(qū)域21通過狹縫32限定，所述狹縫32 通過光刻蝕構(gòu)圖以及蝕刻而形成在板33中。狹縫32可以是任何預定形狀，以便匹配MEMS 傳感器設計并且適應內(nèi)區(qū)域21中的內(nèi)應力以及來自外部力的應力。慣常側(cè)向尺寸為約數(shù) 十至數(shù)百微米。內(nèi)區(qū)域21的寬度可以在從一毫米的若干分之幾到數(shù)毫米的范圍內(nèi)。內(nèi)區(qū) 域21是板32的一部分。但是，內(nèi)區(qū)域21不必具有與外區(qū)域22相同的厚度或者垂直成分。 內(nèi)區(qū)域21的垂直成分可以通過蝕刻或者沉積改變。內(nèi)區(qū)域21和外區(qū)域22通過窄的橋狀 構(gòu)件連接在一起，所述窄的橋狀構(gòu)件稱為應力集中器橋31。該應力集中器橋31是原始板 33的一部分。但是，與內(nèi)區(qū)域21—樣，應力集中器橋31可以通過MEMS加工技術(shù)中隨后的 工藝步驟改變其垂直成分以及尺寸。應力集中器橋31在板33的平面以及在橫截面中通常 為矩形。但該形狀可以根據(jù)MEMS加工技術(shù)中的瑕疵或者設計中的需要改變?yōu)椴煌男螤睢?應力集中器橋31的長度、寬度和厚度以及不同材料層的彈性常數(shù)確定應力集中器橋31中 的應力集中或者放大。不同的應力集中器橋31可以具有不同的長度以及寬度。應力集中 器橋31的數(shù)量通常是偶數(shù)。一個應力集中器橋31可以具有一個對應的應力傳感器40，但 不是總這樣。外區(qū)域22支承在基座35上，該基座35通常由硅形成，但也可以是兼容或者 順從MEMS加工技術(shù)的任何其他材料。內(nèi)區(qū)域21以及應力集中器橋31的部分或者全部和/ 或板33的外區(qū)域22的一部分通過基座35中的孔36從底部暴露出?？?6的尺寸和形狀 設計成匹配應用場合中的MEMS傳感器的需要。圖4示出，MEMS應力集中器結(jié)構(gòu)20的板33可以由單層材料50或者多層材料51、 52制成。所述材料根據(jù)機械支承、內(nèi)應力狀況、電特性、耐腐蝕性以及工藝兼容性選擇。單體 材料可以是硅或者其它半導體材料。多層材料51、52的組合是各種各樣的，并且不能一一 列舉。例如，該材料可以是二氧化硅膜上的單體或者多晶硅，或者嵌入在氮化硅/ 二氧化硅 中的單體硅。圖5示出具有軟材料的薄層60的應力集中器結(jié)構(gòu)20，該軟材料的薄層60覆蓋狹 縫并且局部地或者完全地覆蓋內(nèi)區(qū)域。軟材料60的楊氏彈性模量比形成板33的材料的楊 氏彈性模量小很多。這種構(gòu)造用于靜態(tài)壓力感測應用場合。軟材料60密封狹縫32，并且在 板33的內(nèi)區(qū)域21處將該板33的頂部部分和底部部分劃分成兩個空間。這兩個空間可以 具有不同的壓力，并且力的差異是作為差壓施加在內(nèi)區(qū)域21上的。軟材料60不顯著改變 應力集中器橋31上的應力，因為該軟材料具有低的彈性常數(shù)。圖6示出應力集中器結(jié)構(gòu)沿著圖3中的線B-B’的截面視圖。該圖中示出外區(qū)域 22、應力集中器橋31以及內(nèi)區(qū)域21。作為示例，該板33示出為由兩種材料形成。內(nèi)區(qū)域 21和應力集中器橋31示出為一致的并且薄于外區(qū)域22。這不總是必須的，并且取決于應 用場合。內(nèi)區(qū)域21可以構(gòu)圖或者蝕刻成具有不同厚度的子區(qū)域，例如蜂窩結(jié)構(gòu)，以便有助 于增強其剛度并且減小其重量。應力集中器橋31可以沿著它的長度在頂部表面或者底部 表面或者全部二者上具有收縮部，以便進一步增大它的集中或者應力放大能力?；?5內(nèi) 的中空的孔36通常通過深反應離子蝕刻形成，在這種深反應離子蝕刻中，側(cè)壁通常是垂直 的。在孔36通過濕法蝕刻形成的情況下，所述側(cè)壁可以是斜面或者傾斜的。圖7示出應力集中器結(jié)構(gòu)20的沿著圖3中的線A-A’的橫截面視圖。該圖中示出 狹縫32。每個狹縫32都是通過蝕刻板33而形成的。狹縫32可以具有任何寬度，并且主要由應用場合的性質(zhì)確定。在其中應力集中器結(jié)構(gòu)20不密封的正常情況下，例如在麥克風的 應用場合，例如，狹縫32的尺寸設計成，使得外區(qū)域21和內(nèi)區(qū)域22分開最小的量，以便允 許空氣在板33的頂部區(qū)域與基座35中的中空孔32之間以確定的阻力交換。在這種情況 下，狹縫32的尺寸范圍可以在一微米的若干分之幾到數(shù)微米之間。圖8示出應力集中器橋31的側(cè)視圖。該應力集中器橋31是在蝕刻狹縫32時形 成的。該應力集中器橋31在其中長度和橫截面中通常為矩形，除非由于光刻蝕以及蝕刻而 變動。這用以確保均勻的應力分布，以用于位于應力集中器橋31上的壓電應力傳感器40。 在應力集中器橋31錨定到外區(qū)域22或者內(nèi)區(qū)域21上的情況下，形狀可能改變，并且由此 消除角部和彎曲部處的不希望的應力集中。應力集中器橋31的用途在于利用基座35支承 板33的內(nèi)區(qū)域，使施加在板33的內(nèi)區(qū)域21上的力或者壓力集中到其自身，以及以受控的 方式放大所述應力的幅度。圖9至12示出應力集中器橋31可能具有的、沿著圖8中的長度A_A’的不同橫截 面。圖9示出無收縮部90的矩形截面。圖10示出在頂部具有收縮部90的截面。該收縮 部90增大了應力集中器橋31的頂部表面以及底部表面二者上的應力。圖11示出應力集 中器橋31的底部上的收縮部90，其具有相同的效果。圖12示出在應力集中器橋31的頂部 和底部二者上的收縮部90。圖13示出具有壓電應力傳感器40的應力集中器橋31的側(cè)視圖。該壓電傳感器 40將應力集中器橋31中的應力轉(zhuǎn)變成電信號。該信號可以是電壓或者電流的形式。應力 傳感器40可以構(gòu)造在應力集中器橋31的頂部表面41上，嵌入應力集中器橋31的底部表 面43上的內(nèi)側(cè)42或者該底部表面43上。這可以通過在形成板33的材料的不同層上進行 處理來實現(xiàn)。例如，在應力集中器橋31由二氧化硅上的一個單體硅層形成的情況下，壓電 電阻或者壓電結(jié)晶體管可以通過在應力集中器橋31上的不同區(qū)域選擇性地植入不同離子 來形成。在壓電傳感器需要表面保護的情況下，可以在應力傳感器40的頂部沉積由二氧化 硅、氮化硅或者任何其它適當材料構(gòu)成的防護層，由此將應力傳感器40嵌入應力集中器橋 31中。圖14示出應力集中器結(jié)構(gòu)20，其中應力集中器橋31以及狹縫32旋轉(zhuǎn)對稱。旋轉(zhuǎn) 對稱不是開發(fā)利用應力集中原理所必須的，但是簡化了應力集中工作原理的分析。假設在 該結(jié)構(gòu)中在對稱中心處、垂直于板33的表面作用有力F，并且存在Nsc個應力集中器橋31。 在靜態(tài)平衡中，在每個應力集中器橋31中都存在Nsc個相等并且相反的力，其值Fsc = F/Nsc。 F是在無應力集中器橋31的情況下在內(nèi)區(qū)域21的邊緣處的總應力。圖15示出圖14中的應力集中器結(jié)構(gòu)從對稱中心看去的橫截面。通過對稱以及靜 態(tài)平衡，力F分成Nsc個部分，并且它的效果作為剪切力Fsc以及彎矩從該中心傳遞到應力集 中器橋31的邊緣37。彎矩的值為M = RFSC = RF/NSC。如果F是內(nèi)區(qū)域21上的均勻壓力的 結(jié)果，則同等效果可以表示為力F’ = kAP(l，其中，k是接近等于1/3的常數(shù)，A是內(nèi)區(qū)域21 的面積，Po是壓力。在從對稱中心向應力集中器橋31的邊緣37傳遞時，該機械結(jié)構(gòu)具有不 同的慣性矩。這不影響彎矩或者剪切力。圖16示出應力集中器橋31的邊緣附近以及該應力集中器橋31內(nèi)側(cè)的應力分布。 內(nèi)區(qū)域21以切開的視圖示出，應力集中器橋31以橫截面視圖示出。R是應力集中器結(jié)構(gòu) 20的“半徑”，它代表從對稱中心到應力集中器橋31的外邊緣的距離。等于Fsc的剪切力以及等于RF/NSC的彎矩M沿著具有不同慣性矩的截面?zhèn)鬟f到應力集中器橋31上，其中應力集 中器橋31的長度等于1，寬度等于w，高度等于h。剪切力從內(nèi)區(qū)域21傳遞。此外，示出了 沿著應力集中器橋31的長度的應力分布。該應力分布由彎矩引起。剪切力引起沿著橫截 面平面的剪切應力，并且在本分析中忽略不計，因為它不影響應力傳感器40在表面附近的 輸出。表面處的最大應力為omax = Mh/21，其中1是矩形應力集中器橋31的慣性矩，其等 于wh3/12。由力F引起的最大應力因此等于6RF/ (NscWh2)，或者改寫為等于6 (F/Nsc) (R/w) (l/h2)。根據(jù)該結(jié)果可以斷定，最大應力可以通過近似等于R/w的參數(shù)控制，該參數(shù)是遠大 于1的數(shù)值。R/V是內(nèi)區(qū)域21的尺寸與應力集中器橋31的寬度的比值。該參數(shù)稱為應力 集中因數(shù)或者應力放大因數(shù)，該因數(shù)代表應力相對于板33中的應力被放大的量。圖17示出在受到均勻壓力的板33的均勻厚度的內(nèi)區(qū)域21中的應力分布。較淺 的陰影示出應力較高的區(qū)域。在板33的中心處施加有一力。圖18示出使用應力集中器結(jié)構(gòu)20的MEMS麥克風的一個示例的頂部俯視圖。板 33的厚度在0. 5微米至1. 5微米之間。板33的頂層通常為可形成壓電傳感器元件40的 材料。當使用硅來實施時，所述硅可以是多晶硅或者單晶硅。壓電傳感器40可以是壓電電 阻或者是通過在頂層硅中選擇性地植入或擴散而形成的壓電結(jié)雙極晶體管。板33的第二 層，如果存在的話，可以是二氧化硅或者氮化硅層。它用于支承并且隔離第一層與基座，所 述基座可以是單晶硅厚板，其厚度范圍在約300微米至500微米之間。內(nèi)區(qū)域21是正方形 的，但也可以同等地為矩形、圓形或者卵形。存在四個應力集中器橋31，每個應力集中器橋 都處于板33的正方形內(nèi)區(qū)域21的角部。所述應力集中器橋31中的兩個示出為具有壓電 傳感器40。實際數(shù)量通常由所應用的電路以及應用場合的要求決定。狹縫32在正方形內(nèi) 區(qū)域21的四個邊上。所述狹縫32的寬度范圍在一微米的若干分之幾到數(shù)微米之間。在其 中需要來自麥克風的低頻響應的特定應用場合中，狹縫32可以由軟的介電膠層60覆蓋。圖19示出圖18的MEMS麥克風的剖開的透視圖。該圖中示出板33以及基座35。圖20示出以圖18的MEMS麥克風為基礎的MEMS壓力傳感器的剖開的透視圖。壓 力傳感器通常檢測比麥克風的壓力高很多的壓力(一個是數(shù)千帕，一個是一到十帕)。板 33通常比較厚，應力集中器31的橫向結(jié)構(gòu)尺寸小于MEMS麥克風的尺寸。具有低楊氏模量 的軟材料膜91覆蓋所述狹縫32。上面描述了本發(fā)明，很明顯，所述的方式可以變型為多種方式。這種變型不應認為 脫離本發(fā)明的精神和范圍，所有這種改變對本領域技術(shù)人員來說都是顯而易見的，并且包 括在下面的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的應力集中裝置，該裝置包括板，該板具有內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域，所述內(nèi)區(qū)域通過限定在該板中的狹縫與所述外區(qū)域分開；應力集中器橋，該應力集中器橋構(gòu)造成連接所述內(nèi)區(qū)域和所述外區(qū)域，并且構(gòu)造成機 械地放大施加在所述板的所述內(nèi)區(qū)域上的應力；以及至少一個應力傳感器，該應力傳感器操作性地連接到所述應力集中器橋上；其特征在于，所述至少一個應力傳感器將被機械放大的、施加在所述內(nèi)區(qū)域上的應力 轉(zhuǎn)換為電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述狹縫是蝕刻在所述板中的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個應力傳感器建造在所述應 力集中器橋中，附裝到所述應力集中器橋的任何表面上或者嵌入所述應力集中器橋內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述內(nèi)區(qū)域薄于所述外區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述板為單個硅板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述應力集中器橋沿著該應力集中器橋 的長度具有恒定的橫截面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述應力集中器橋的橫截面為矩形或者 卵形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述應力集中器橋具有至少一個壓電結(jié) 晶體管或者壓電阻抗元件，所述壓電結(jié)晶體管或者壓電阻抗元件具有低能耗和最佳噪聲。
9.一種用于的微機電系統(tǒng)(MEMQ傳感器的使應力集中的方法，該方法包括機械地放大施加在應力感測器件的內(nèi)區(qū)域上的應力；以及將被機械地放大的、施加在所述內(nèi)區(qū)域上的應力轉(zhuǎn)換為電信號。
10.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1所述的應力集中裝置的方法，該方法包括使所述板的內(nèi)區(qū)域變?。辉谒龉璋逯形g刻狹縫，以便將所述內(nèi)區(qū)域與所述外區(qū)域分開；以及通過至少一個應力集中器橋連接所述內(nèi)區(qū)域與所述外區(qū)域。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，通過在所述板中蝕刻狹縫以便形成應 力集中器橋的橫向側(cè)面來形成所述應力集中器橋。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，該方法還包括沿著所述應力集中器橋的長度形成具 有基本相同或者不同厚度的橫截面，以便進一步集中應力。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，如果應力感測器件是壓力傳感器，則該 方法還包括用一種物質(zhì)或者化合物再填充所述狹縫，以便將所述板的上面區(qū)域和下面區(qū)域 分成兩個氣密的區(qū)域，以用于感測壓力。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，通過濕法化學蝕刻或者干反應離子蝕 刻來使所述硅板的所述內(nèi)區(qū)域變薄。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述應力集中器橋具有至少一個應力 傳感器，所述至少一個應力傳感器為壓電電阻、壓電結(jié)晶體管或者壓電場效應晶體管。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的應力集中裝置和方法。該裝置包括具有內(nèi)區(qū)域和外區(qū)域的板，該內(nèi)區(qū)域與該外區(qū)域通過限定在該板中的狹縫分開。應力集中器橋?qū)⒃搩?nèi)區(qū)域與該外區(qū)域相連接，并且機械地放大施加到該板的內(nèi)區(qū)域上的應力。至少一個應力傳感器操作性地聯(lián)接到該應力集中器橋，由此所述至少一個應力傳感器將被機械地放大的施加到所述內(nèi)區(qū)域上的應力轉(zhuǎn)換為電信號。
文檔編號G01L9/06GK102089638SQ201080001885
公開日2011年6月8日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月2日
發(fā)明者李秉緯 申請人:康達爾芯片設計有限公司