专利名称：用于微机电系统传感器的微机电系统应力集中结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于应力集中结构的设计和制造方法，所述应力集中结构适用于 微机电系统(MEMQ传感器，尤其是麦克风和压力传感器，这种微机电系统传感器涉及将器 件功能的所有电子和机械元件全部或部分地集成在硅基底或任何其它材料上。
背景技术：
使得每项功能(所涉及的部件)的尺寸更小、性能更好并且成本更低是现代电子 工业发展的主要推动力。为了实现这些目的，工业上试图将更多功能，包括机械传感器和它 们的传感电子器件，集成到小型化的芯片上。用于在MEMS麦克风和压力传感器中进行转换的最常见的方法是以电容量感测方 法为基础的。这种方法依赖于在电容结构的一个电极中测量的引发比例位移的量。这种电 容量的变化然后可以被转换成等效电信号。下面通过图1和图2中的电容式MEMS麦克风来解释并说明现有技术的技术方案 的缺陷和困难，所述技术方案是以电容量感测结构为基础的用于麦克风的独立传感器或单 芯片传感器、压力传感器或者惯性传感器(但不限于上述器件)。图1和图2示出了现有技术的电容式MEMS麦克风10的构造。该麦克风包括薄底 板电极12或者形成在基座13上的膜，所述薄底板电极或者膜通常由硅制成。在底板12的 顶部上通过支柱14支承有顶板电极11，该顶板电极11通常具有较大的侧向尺寸、比较厚并 且是穿孔的。贯穿基座13蚀刻有空心柱状孔15，该空心柱状孔15具有与底板12相同的 尺寸。当声波16通过孔15或者从顶部通过穿孔的顶部电极11冲击到底板12上时，压力 (P，ImPa至IOPa)引起底板12变形，并且改变顶部电极11与底部电极12之间的距离。这 使得所述电极11、12之间的电容量改变。电路拾取该电容量的改变，并且将该改变转换成 电信号。图2示出图1中的麦克风的横截面视图。所述底部电极12是柔性的，并且当受到 声波16的冲击时改变它与顶部电极11之间的距离。电容量是电极间距离d的反函数。d 的初始值确定该电容器的静态电容量(C = ε//d)，该初始值可以在顶板和底板中存在内 部应力时显著地改变。d随压力的变化表现为麦克风的灵敏度，该变化是一个复变函数，该 复变函数取决于底部电极12的尺寸和形状、该底部电极的厚度以及该电极12的材料常数。 这些参数经常是制造技术中不太容易控制的函数。在电子产品中，硅MEMS麦克风日益取代了驻极体麦克风(ECM)，因为硅MEMS麦克 风的尺寸较小并且在SMT组装中具有粗放性。几乎所有的MEMS麦克风的商业实施方案都 使用一种两芯片方法。它包括连接到前置放大器芯片的基于硅MEMS的电容膜芯片。这两 种芯片组装到适当的基底上，例如FR-4PCB板，并且另外通过包装罩保护。
硅MEMS麦克风的典型电参数为灵敏度-42dBV/Pasca I信噪比60dBHV 发生器10-12V+/"O. 25V放大器输出噪声(OOdB增益)< 10 μ V电流消耗150 μ A电源电压范围1.5V-4. 5VMEMS麦克风膜基于压敏电容器的原理工作，其中，一个板(柔性板)制成在声波 16的压力下弯曲。这改变了电容器的电容量，该电容量可以在横跨施加电压时被感测到。 这种功能在图1中示出。电容式MEMS麦克风膜的典型物理参数如下电极间距离d 1. 5-2 μ m固定电极厚度 5-20 μ m柔性电极厚度 0. 4-0. 7 μ mX-Y 尺寸< 80 μ m芯片尺寸< 1. 2mmX 1. 2mm对于单芯片集成，几乎所有尝试都基于将电容式MEMS膜用作传感器，但在将电容 式MEMS膜集成到电路芯片的实施过程中存在许多困难和缺点，其原因将在下面说明。出于 这些原因，单芯片MEMS麦克风的成本保持很高，并且无法与两芯片式MEMS麦克风或者ECM 麦克风相比。在MEMS麦克风的电容式膜中，电容器具有两个彼此隔开的板，这两个板是通过空 气以及位于所述板上并且支承在绝缘材料上的绝缘体隔开的。为了获得预定的电容量，并 由此获得相对于麦克风的电压敏感度的声压的重要传感器参数，这两个板之间的距离必须 以精确的技术规格形成。这具有两重含义固定电极和柔性电极受到的应力必须小，以便它 们不会弯曲并且不会改变它们之间的电极间距；主要通过这两个板之间的绝缘柱确定的电 极间空气间隙，以及由氧化/氮化硅构成的介电层的厚度必须是恒定并且可重复的。必须 控制这两个瑕疵，并且这两个瑕疵造成设计的复杂性，并且影响电容式MEMS麦克风的生产 率。在所有通过化学或物理沉积方法形成的多晶薄膜中都会产生内应力。值得注意的 材料通常是多晶硅、二氧化硅或者氮化硅。所述应力可以是拉伸力或者压缩力。所述力的 形成和大小取决于厚度、沉积方法和沉积参数。应力的大小非常难以控制，并且应力的变动 可能很大，高达士 100%。与多晶硅和二氧化硅相比，氮化硅具有较大的应力。富含氮的硅 具有较小的应力，但是，由于所述富含氮的硅的氧化会导致难以蚀刻的氮氧化硅，所以这种 硅在IC生产工艺中的使用不是主流的，并且是经常避免的。氧化物和氮化物不是导体，多 晶硅经常作为用于与氧化物或者氮化物相结合的导电板的材料，因为多晶硅必须被保护以 免受环境的影响，这是因为其富含晶界，而这会在材料暴露于蚀刻剂时形成削弱点。来自这 种合成物的应力甚至更难控制。因此，在早期的电容式MEMS麦克风传感器的研发中，对于可导致应力减少或者形成应力耐受结构的构造和设计给予了许多关注。热生长薄膜的厚度可以以很大的精度进行控制。然而，这种生长是在较高的温度 (通常> 900°C)下发生的，并且如随后可以看出的，可能不是电容式传感器形成工艺的期 望部分，除非传感器板是作为IC工艺本身的一部分形成的。如果确实这样，则这将会�：� 基本IC工艺并且对该工艺带来变动，这显著增加了已经很复杂的IC工艺的成本和复杂性。 因此，极间控制倾向于通过低温下的低温等离子增强的化学蒸气沉积工艺、溅射、物理蒸发 或者甚至在聚合体或无机物基底上旋涂例如在氧化物上旋涂来实现。这些方法的厚度控制 可能很好也可能很差。在MEMS电容式传感结构的制造中，水或者清洁流体的表面张力起着特殊的作用。 在湿法蚀刻以及清洁之后的干燥过程中会出现附着，所述附着是指两个相对的亲水表面通 过来自水的表面张力粘附在一起。小水滴中的表面张力会在干燥期间将两个表面拉在一 起，表面原子力可以使表面保持贴附，由此破坏了传感器的功能。由于水处理是MEMS制造 的主要部分以及是用以去除硅颗粒污染物的切割工艺，所以粘附对于电容式传感结构的实 现以及后处理制造步骤造成严重的限制。可以通过使用牺牲氧化物间隔件的HF蒸气蚀刻 或者水清洁中的超临界干燥来避免粘附。但在晶片切割期间不可能使用后者(即超临界干 燥)，从而进一步增加了制造工艺的复杂性。在考虑MEMS硅电容式传感结构以用于单芯片集成时，高温和低温材料处理的特 定次序、不同材料的化学和物理处理的彼此兼容性以及处基本集成电路工艺之外引入的工 艺步骤的数量使得增加了机械元件。通常，机械元件是随着最后的步骤、随着所谓的后CMOS 工艺而添加到IC工艺中的。为了避免金属铝互连的熔融，处理温度必须保持低于450°C。 这对可用于机械结构的导电或不导电材料的选择、它们的特性以及沉积方法造成了限制。在单芯片MEMS麦克风中，集成电路(IC)的其余部分在氮化物和氧化物PECVD下 密封。在膜区域中形成一开口。为了实现电容式膜，在该两板式电容器膜的形成中涉及大 约五个材料层，其中包括蚀刻以及五个光刻步骤。即使这些层和步骤中的一些可以与基本 IC工艺分享，但该工艺仍然比较复杂且费力。控制下部电极的厚度是关键。这决定了圆形 /矩形板的弯曲(度)，弯曲度决定灵敏度。此外，控制极间间隔的间距也是关键的。材料 必须与释放工艺兼容。氧化物和多晶硅晶界受到HF蒸气、干法释放化学的攻击或者削弱。 这样，必须精心选择极间牺牲间隔材料，以便适应沉积温度、厚度控制以及与周围材料的蚀 刻兼容性。可以用作解决方案的材料组合很少。它们经常非常复杂。电容式MEMS麦克风的电路包括低噪声精确电荷泵，具有绝缘栅输入的低噪声放 大器，以及用于对放大器加偏压以及控制MEMS传感器-放大器组合的噪声的精确控制型电 阻。该电路采用VLSI标准因而较�。某叽缦喽杂诩际跸�-宽收缩不是成线性比例的。 通常，电容式MEMS麦克风的噪声通过kT/C噪声限制，其中，C是MEMS传感器的电容量以及 寄生电容量。对于C = IpF,噪声电压(从IOOHz到IOkHz)高于10微伏。它随着C的减小 而增大，是电容值的二分之一的1.4倍。因此存在MEMS电容膜的基本尺寸，超过该基本尺 寸，传感器将不能被缩�。蛭衅鞯男旁氡然岜洳睢５缛菔铰罂朔绲纳杓浦械囊桓龀＜� 谬误是认为，随着C的减�。梢酝ü谷嵝园灞浔±椿指戳槊舳�。但这种行为将由于静电 引力的吸合电压减小而减小传感器可以运行的最大电压，由此抵消了通过使电容器更薄而 带来的任何改进。MEMS电容式麦克风的SNR经常以dB给出，并且它是麦克风在1帕声压下的电压信号输出与麦克风在无输入A权音情况下的噪声输出的比值。该A权音消除了低频 下的大部分放大器噪声。这种SNR的主流是60dB。对于电容式MEMS麦克风来说，A权音使 得SNR提高约2-4dB。这种特征也取决于放大器的低频特性。转换的一种替代性方法是基于单个硅板中的压阻感测。这种方法已经应用于MEMS 压力传感器的板，其中，压电晶体管嵌入正方形或圆形硅板的边缘。所施加的压力在边缘处 引起应力，应力这取决于板的长度/厚度，并且该应力可以通过压电晶体管转换。板/压阻结构的缺点是，在蚀刻工艺中极其难以控制大的板的均勻性和厚度。板 的非均勻性导致压电晶体管的读数中的误差。压力传感器的灵敏度由板的厚度确定。如果 该厚度限制于最大值，则检测的灵敏度下降。出于这个原因，该结构不适用于任何MEMS麦 克风的商业实现方案或者超灵敏的压力传感器。它进一步限制了压力传感器的尺寸，因为 必须通过板的区域创建最小的力，以便创建可检测的应力。出于这些原因，所述板/压阻结 构较少地有利于电容感测结构。
发明内容
本发明是一种MEMS应力集中结构，它适用于MEMS麦克风以及压力传感器的设计。 该结构使用桥板一也称为应力集中器桥，该应力集中器桥将机械压力或机械力集中到一由 内区域和外区域构成的结构的较窄区域，所述内区域和外区域通过窄狭缝分开并且通过应 力集中器桥接合在一起。该内区域可以位于板的中部。作用在该内区域上的压力或力则被 集中，并且它的效果以受控的方式作为应力集中器桥中的应力而被放大。该应力集中器可 以具有应力感测器件，该应力感测器件基于压电效应建立以用于检测放大的应力。在不检 测放大的应力时，它简单地用作内区域和外区域之间的支撑和连接构件。通过应力集中器结构，有可能在用于麦克风以及压力传感器的MEMS技术中以比 较简单的加工步骤构建不同的机械传感器。在第一方面中，提供了一种具有预定形状的、由单体材料或者具有不同层的合成 材料构成的板。该板通过狭缝描绘成内区域和外区域，所述狭缝具有预定形状并且切割在 该板中。外区域支撑在基座上，并且它能作为整体的一部分接合到基座上或者通过薄的材 料膜与该基座分开。所述外区域和内区域通过多个应力集中器桥接合，所述应力集中器桥 是在进行切割时形成的。每个应力集中器桥都用于集中或者放大该应力集中器桥中的由作 用在内区域或者内区域的一部分上的点式或者分布式力引起的应力。所述应力集中器桥可 以具有，但不是必须具有，与内区域相同的材料层成分。在第二方面中，提供了位于应力集中器桥中的任何一个或者每一个的边界中(或 横跨该边界)的由电阻器、双极型或者单极型的二极管/晶体管构成的一个或多个压电元 件。通过施加适当的电子刺激例如电流或者电压，压电元件将所集中或者放大的应力转换 为电压或者电流。在第三方面中，提供了 一种在单个单体硅基底上的MEMS麦克风的设计。该麦克风 通过使用正方形/矩形、多边形或者圆形/卵形的内区域以及具有压电感测元件的应力集 中器桥而形成，所述压电感测元件安放在一个或多个应力集中器桥上的最大应力的点处或 者靠近该点安放。所述狭缝以及内/外区域的一部分可以覆盖有适当厚度的第三材料，所 述材料的杨氏模量远小于应力集中器桥。
在第四方面中，提供了一种在硅基底上的MEMS压力传感器的设计。该压力传感器 通过使用具有正方形/矩形、多边形或者圆形/卵形形状的内区域以及具有压电感测元件 的应力集中器桥而形成，所述压电感测元件安放在一个或者多个应力集中器桥上的最大应 力的点处或者靠近该点安放。所述狭缝以及内/外区域的一部分必须覆盖有适当厚度的第 三材料，所述材料的杨氏模量远小于应力集中器桥。从下面给出的详细说明中将显见本发明的更多适用范围。然而，应该理解，所述详 细说明和具体示例，尽管是本发明的优选实施例，但仅是作为示例给出的，因为从该详细说 明中本领域技术人员将显而易见地在本发明的精神和范围内作出各种改变和修改。
从下面给出的详细说明以及附图将更全面地理解本发明，所述附图仅作为示例给 出，并且因此不构成对本发明的限制，在附图中图1是常规电容式MEMS麦克风的侧面俯视图；图2是图1中的常规麦克风的侧剖视图；图3是根据本发明的一个实施例的应力集中器结构的顶部视图；图4是用于图3中应力集中器结构的板的材料的侧剖视图；图5是根据本发明的一个实施例的、具有覆盖狭缝的软材料薄层的应力集中器结 构的顶部视图；图6是沿着图3中的线B-B’的应力集中器结构的侧剖视图；图7是沿着图3中的线A-A’的应力集中器结构的侧剖视图；图8是应力集中器结构的应力集中器桥的放大的侧视图；图9是应力集中器桥的侧剖视图，其中沿着其在图8中的长度A-A’没有收缩部；图10是应力集中器桥的侧剖视图，其中沿着其在图8中的长度A-A’具有顶部收 缩部；图11是应力集中器桥的侧剖视图，其中沿着其在图8中的长度A-A’具有底部收 缩部；图12是应力集中器桥的侧剖视图，其中沿着其在图8中的长度A-A’具有顶部和 底部收缩部；图13是应力集中器的放大的侧面视图，其中示出在应力集中器桥上的应力传感器；图14是应力集中器结构的顶部视图，其中应力集中器桥以及狭缝旋转对称；图15是从对称中心看去的、图14的应力集中器结构的侧剖视图；图16是应力集中器桥的剖开的透视图；图17是在板的中心施加力的情况下应力集中器结构的应力分布图；图18是使用所述应力集中器结构的MEMS麦克风的一个示例的顶部视图；图19是图18的MEMS麦克风的剖开的透视图；以及图20是基于图18的MEMS麦克风的MEMS压力传感器的剖开的透视图。
具体实施例方式图3示出了 MEMS应力集中器结构20的构造。该结构20包括板33，该板33通常具有矩形外边界。所述板33可以通过单个单体材料或者不同材料的多个层形成，如图4所 示。所述板33具有外区域22以及内区域21，该内区域21通过狭缝32限定，所述狭缝32 通过光刻蚀构图以及蚀刻而形成在板33中。狭缝32可以是任何预定形状，以便匹配MEMS 传感器设计并且适应内区域21中的内应力以及来自外部力的应力。惯常侧向尺寸为约数 十至数百微米。内区域21的宽度可以在从一毫米的若干分之几到数毫米的范围内。内区 域21是板32的一部分。但是，内区域21不必具有与外区域22相同的厚度或者垂直成分。 内区域21的垂直成分可以通过蚀刻或者沉积改变。内区域21和外区域22通过窄的桥状 构件连接在一起，所述窄的桥状构件称为应力集中器桥31。该应力集中器桥31是原始板 33的一部分。但是，与内区域21—样，应力集中器桥31可以通过MEMS加工技术中随后的 工艺步骤改变其垂直成分以及尺寸。应力集中器桥31在板33的平面以及在横截面中通常 为矩形。但该形状可以根据MEMS加工技术中的瑕疵或者设计中的需要改变为不同的形状。 应力集中器桥31的长度、宽度和厚度以及不同材料层的弹性常数确定应力集中器桥31中 的应力集中或者放大。不同的应力集中器桥31可以具有不同的长度以及宽度。应力集中 器桥31的数量通常是偶数。一个应力集中器桥31可以具有一个对应的应力传感器40，但 不是总这样。外区域22支承在基座35上，该基座35通常由硅形成，但也可以是兼容或者 顺从MEMS加工技术的任何其他材料。内区域21以及应力集中器桥31的部分或者全部和/ 或板33的外区域22的一部分通过基座35中的孔36从底部暴露出。孔36的尺寸和形状 设计成匹配应用场合中的MEMS传感器的需要。图4示出，MEMS应力集中器结构20的板33可以由单层材料50或者多层材料51、 52制成。所述材料根据机械支承、内应力状况、电特性、耐腐蚀性以及工艺兼容性选择。单体 材料可以是硅或者其它半导体材料。多层材料51、52的组合是各种各样的，并且不能一一 列举。例如，该材料可以是二氧化硅膜上的单体或者多晶硅，或者嵌入在氮化硅/ 二氧化硅 中的单体硅。图5示出具有软材料的薄层60的应力集中器结构20，该软材料的薄层60覆盖狭 缝并且局部地或者完全地覆盖内区域。软材料60的杨氏弹性模量比形成板33的材料的杨 氏弹性模量小很多。这种构造用于静态压力感测应用场合。软材料60密封狭缝32，并且在 板33的内区域21处将该板33的顶部部分和底部部分划分成两个空间。这两个空间可以 具有不同的压力，并且力的差异是作为差压施加在内区域21上的。软材料60不显著改变 应力集中器桥31上的应力，因为该软材料具有低的弹性常数。图6示出应力集中器结构沿着图3中的线B-B’的截面视图。该图中示出外区域 22、应力集中器桥31以及内区域21。作为示例，该板33示出为由两种材料形成。内区域 21和应力集中器桥31示出为一致的并且薄于外区域22。这不总是必须的，并且取决于应 用场合。内区域21可以构图或者蚀刻成具有不同厚度的子区域，例如蜂窝结构，以便有助 于增强其刚度并且减小其重量。应力集中器桥31可以沿着它的长度在顶部表面或者底部 表面或者全部二者上具有收缩部，以便进一步增大它的集中或者应力放大能力。基座35内 的中空的孔36通常通过深反应离子蚀刻形成，在这种深反应离子蚀刻中，侧壁通常是垂直 的。在孔36通过湿法蚀刻形成的情况下，所述侧壁可以是斜面或者倾斜的。图7示出应力集中器结构20的沿着图3中的线A-A’的横截面视图。该图中示出 狭缝32。每个狭缝32都是通过蚀刻板33而形成的。狭缝32可以具有任何宽度，并且主要由应用场合的性质确定。在其中应力集中器结构20不密封的正常情况下，例如在麦克风的 应用场合，例如，狭缝32的尺寸设计成，使得外区域21和内区域22分开最小的量，以便允 许空气在板33的顶部区域与基座35中的中空孔32之间以确定的阻力交换。在这种情况 下，狭缝32的尺寸范围可以在一微米的若干分之几到数微米之间。图8示出应力集中器桥31的侧视图。该应力集中器桥31是在蚀刻狭缝32时形 成的。该应力集中器桥31在其中长度和横截面中通常为矩形，除非由于光刻蚀以及蚀刻而 变动。这用以确保均勻的应力分布，以用于位于应力集中器桥31上的压电应力传感器40。 在应力集中器桥31锚定到外区域22或者内区域21上的情况下，形状可能改变，并且由此 消除角部和弯曲部处的不希望的应力集中。应力集中器桥31的用途在于利用基座35支承 板33的内区域，使施加在板33的内区域21上的力或者压力集中到其自身，以及以受控的 方式放大所述应力的幅度。图9至12示出应力集中器桥31可能具有的、沿着图8中的长度A_A’的不同横截 面。图9示出无收缩部90的矩形截面。图10示出在顶部具有收缩部90的截面。该收缩 部90增大了应力集中器桥31的顶部表面以及底部表面二者上的应力。图11示出应力集 中器桥31的底部上的收缩部90，其具有相同的效果。图12示出在应力集中器桥31的顶部 和底部二者上的收缩部90。图13示出具有压电应力传感器40的应力集中器桥31的侧视图。该压电传感器 40将应力集中器桥31中的应力转变成电信号。该信号可以是电压或者电流的形式。应力 传感器40可以构造在应力集中器桥31的顶部表面41上，嵌入应力集中器桥31的底部表 面43上的内侧42或者该底部表面43上。这可以通过在形成板33的材料的不同层上进行 处理来实现。例如，在应力集中器桥31由二氧化硅上的一个单体硅层形成的情况下，压电 电阻或者压电结晶体管可以通过在应力集中器桥31上的不同区域选择性地植入不同离子 来形成。在压电传感器需要表面保护的情况下，可以在应力传感器40的顶部沉积由二氧化 硅、氮化硅或者任何其它适当材料构成的防护层，由此将应力传感器40嵌入应力集中器桥 31中。图14示出应力集中器结构20，其中应力集中器桥31以及狭缝32旋转对称。旋转 对称不是开发利用应力集中原理所必须的，但是简化了应力集中工作原理的分析。假设在 该结构中在对称中心处、垂直于板33的表面作用有力F，并且存在Nsc个应力集中器桥31。 在静态平衡中，在每个应力集中器桥31中都存在Nsc个相等并且相反的力，其值Fsc = F/Nsc。 F是在无应力集中器桥31的情况下在内区域21的边缘处的总应力。图15示出图14中的应力集中器结构从对称中心看去的横截面。通过对称以及静 态平衡，力F分成Nsc个部分，并且它的效果作为剪切力Fsc以及弯矩从该中心传递到应力集 中器桥31的边缘37。弯矩的值为M = RFSC = RF/NSC。如果F是内区域21上的均勻压力的 结果，则同等效果可以表示为力F’ = kAP(l，其中，k是接近等于1/3的常数，A是内区域21 的面积，Po是压力。在从对称中心向应力集中器桥31的边缘37传递时，该机械结构具有不 同的惯性矩。这不影响弯矩或者剪切力。图16示出应力集中器桥31的边缘附近以及该应力集中器桥31内侧的应力分布。 内区域21以切开的视图示出，应力集中器桥31以横截面视图示出。R是应力集中器结构 20的“半径”，它代表从对称中心到应力集中器桥31的外边缘的距离。等于Fsc的剪切力以及等于RF/NSC的弯矩M沿着具有不同惯性矩的截面传递到应力集中器桥31上，其中应力集 中器桥31的长度等于1，宽度等于w，高度等于h。剪切力从内区域21传递。此外，示出了 沿着应力集中器桥31的长度的应力分布。该应力分布由弯矩引起。剪切力引起沿着横截 面平面的剪切应力，并且在本分析中忽略不计，因为它不影响应力传感器40在表面附近的 输出。表面处的最大应力为omax = Mh/21，其中1是矩形应力集中器桥31的惯性矩，其等 于wh3/12。由力F引起的最大应力因此等于6RF/ (NscWh2)，或者改写为等于6 (F/Nsc) (R/w) (l/h2)。根据该结果可以断定，最大应力可以通过近似等于R/w的参数控制，该参数是远大 于1的数值。R/V是内区域21的尺寸与应力集中器桥31的宽度的比值。该参数称为应力 集中因数或者应力放大因数，该因数代表应力相对于板33中的应力被放大的量。图17示出在受到均勻压力的板33的均勻厚度的内区域21中的应力分布。较浅 的阴影示出应力较高的区域。在板33的中心处施加有一力。图18示出使用应力集中器结构20的MEMS麦克风的一个示例的顶部俯视图。板 33的厚度在0. 5微米至1. 5微米之间。板33的顶层通常为可形成压电传感器元件40的 材料。当使用硅来实施时，所述硅可以是多晶硅或者单晶硅。压电传感器40可以是压电电 阻或者是通过在顶层硅中选择性地植入或扩散而形成的压电结双极晶体管。板33的第二 层，如果存在的话，可以是二氧化硅或者氮化硅层。它用于支承并且隔离第一层与基座，所 述基座可以是单晶硅厚板，其厚度范围在约300微米至500微米之间。内区域21是正方形 的，但也可以同等地为矩形、圆形或者卵形。存在四个应力集中器桥31，每个应力集中器桥 都处于板33的正方形内区域21的角部。所述应力集中器桥31中的两个示出为具有压电 传感器40。实际数量通常由所应用的电路以及应用场合的要求决定。狭缝32在正方形内 区域21的四个边上。所述狭缝32的宽度范围在一微米的若干分之几到数微米之间。在其 中需要来自麦克风的低频响应的特定应用场合中，狭缝32可以由软的介电胶层60覆盖。图19示出图18的MEMS麦克风的剖开的透视图。该图中示出板33以及基座35。图20示出以图18的MEMS麦克风为基础的MEMS压力传感器的剖开的透视图。压 力传感器通常检测比麦克风的压力高很多的压力(一个是数千帕，一个是一到十帕)。板 33通常比较厚，应力集中器31的横向结构尺寸小于MEMS麦克风的尺寸。具有低杨氏模量 的软材料膜91覆盖所述狭缝32。上面描述了本发明，很明显，所述的方式可以变型为多种方式。这种变型不应认为 脱离本发明的精神和范围，所有这种改变对本领域技术人员来说都是显而易见的，并且包 括在下面的权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于微机电系统(MEMS)传感器的应力集中装置，该装置包括板，该板具有内区域和外区域，所述内区域通过限定在该板中的狭缝与所述外区域分开；应力集中器桥，该应力集中器桥构造成连接所述内区域和所述外区域，并且构造成机 械地放大施加在所述板的所述内区域上的应力；以及至少一个应力传感器，该应力传感器操作性地连接到所述应力集中器桥上；其特征在于，所述至少一个应力传感器将被机械放大的、施加在所述内区域上的应力 转换为电信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述狭缝是蚀刻在所述板中的。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个应力传感器建造在所述应 力集中器桥中，附装到所述应力集中器桥的任何表面上或者嵌入所述应力集中器桥内。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内区域薄于所述外区域。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述板为单个硅板。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述应力集中器桥沿着该应力集中器桥 的长度具有恒定的横截面。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述应力集中器桥的横截面为矩形或者 卵形。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述应力集中器桥具有至少一个压电结 晶体管或者压电阻抗元件，所述压电结晶体管或者压电阻抗元件具有低能耗和最佳噪声。
9.一种用于的微机电系统(MEMQ传感器的使应力集中的方法，该方法包括机械地放大施加在应力感测器件的内区域上的应力；以及将被机械地放大的、施加在所述内区域上的应力转换为电信号。
10.一种用于制造根据权利要求1所述的应力集中装置的方法，该方法包括使所述板的内区域变�。辉谒龉璋逯惺纯滔练欤员憬瞿谇蛴胨鐾馇蚍挚灰约巴ü辽僖桓鲇α衅髑帕铀瞿谇蛴胨鐾馇�。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过在所述板中蚀刻狭缝以便形成应 力集中器桥的横向侧面来形成所述应力集中器桥。
12.根据权利要求10所述的方法，该方法还包括沿着所述应力集中器桥的长度形成具 有基本相同或者不同厚度的横截面，以便进一步集中应力。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，如果应力感测器件是压力传感器，则该 方法还包括用一种物质或者化合物再填充所述狭缝，以便将所述板的上面区域和下面区域 分成两个气密的区域，以用于感测压力。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过湿法化学蚀刻或者干反应离子蚀 刻来使所述硅板的所述内区域变薄。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述应力集中器桥具有至少一个应力 传感器，所述至少一个应力传感器为压电电阻、压电结晶体管或者压电场效应晶体管。
全文摘要
本发明提供了一种用于微机电系统(MEMS)传感器的应力集中装置和方法。该装置包括具有内区域和外区域的板，该内区域与该外区域通过限定在该板中的狭缝分开。应力集中器桥将该内区域与该外区域相连接，并且机械地放大施加到该板的内区域上的应力。至少一个应力传感器操作性地联接到该应力集中器桥，由此所述至少一个应力传感器将被机械地放大的施加到所述内区域上的应力转换为电信号。
文档编号G01L9/06GK102089638SQ201080001885
公开日2011年6月8日 申请日期2010年9月1日 优先权日2009年9月2日
发明者李秉纬 申请人:康达尔芯片设计有限公司
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