具有可變形膜片和阻抗較強(qiáng)變形的保護(hù)部的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于測量或者探測機(jī)械量或者動態(tài)量的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其包括能夠變形的膜片(20)和支撐基板(10),所述膜片(20)包括第一部分(20a)和由所述第一部分(20a)包圍的第二部分(20b),所述第二部分(20b)的厚度小于所述第一部分(20a)的厚度,所述膜片(20)懸置在所述支撐基板(10)之上,并且因此限定了自由空間(30),所述微機(jī)械機(jī)構(gòu)還另外包括下鄰接支座(21),所述下鄰接支座(21)用于限制所述膜片(20)的變形,所述下鄰接支座(21)布置在所述支撐基板(10)之上并且從所述支撐基板(10)朝著所述膜片(20)延伸到所述自由空間(30)中,其特征在于,所述下鄰接支座(21)包括島狀體(101–108),所述島狀體(101–108)從所述下鄰接支座(21)的平坦表面朝著膜片(20)延伸到所述自由空間(30)中,所述島狀體(101–108)以這樣的方式形成浮雕結(jié)構(gòu),從而在所述島狀體(101–108)和膜片(20)的精細(xì)部分(20b)接觸的情況下,所述島狀體(101–108)和膜片(20)的精細(xì)部分(20b)之間的接觸表面相對于膜片(20)的精細(xì)部分(20b)的尺寸是較小的。
【專利說明】具有可變形膜片和阻抗較強(qiáng)變形的保護(hù)部的微機(jī)械結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機(jī)械結(jié)構(gòu),該微機(jī)械結(jié)構(gòu)旨在測量或探測機(jī)械量或者動態(tài)量。
[0002]并且更具體地,本發(fā)明涉及一種用于壓力的絕對測量、相對測量、或者差壓測量的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0003]一種用于測量例如壓力的機(jī)械量或者動態(tài)量的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其通常包括可變形的膜片和支撐基板,該膜片懸置在支撐基板之上并且限定了自由空間。
[0004]這些懸置的膜片的使用是已知的。
[0005]在觀察膜片與變形有關(guān)的物理性質(zhì)的改變時(例如電容或內(nèi)部應(yīng)力的變化),由膜片支撐的電容傳感器或應(yīng)變儀能夠測量由經(jīng)受外部能量的作用的膜片所承受的變形(例如垂直施加至膜片的主平面的壓力)。
[0006]施加至膜片的能量或者施加到膜片上的力的改變能夠例如通過這種方式而測得,并且因此能夠監(jiān)測到在一些介質(zhì)中的物理量(這些為動態(tài)類型的量,即,加速類型或者減速類型、和/或機(jī)械類型)。
[0007]這些經(jīng)受較強(qiáng)能量的膜片會變得易損壞,它們的固有特性會被改變,并且它們的結(jié)構(gòu)可能會裂開或甚至破損。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明克服了至少一個上述缺點(diǎn)。
[0009]為此,本發(fā)明提出了一種用于測量或者探測機(jī)械量或者動態(tài)量的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其包括可變形的膜片和支撐基板,所述膜片包括第一部分和由所述第一部分包圍的第二部分,所述第二部分的厚度小于所述第一部分的厚度,所述膜片懸置在所述支撐基板之上,所述支撐基板限定了自由空間,所述微機(jī)械機(jī)構(gòu)還包括下鄰接支座,所述下鄰接支座適于限制所述膜片的變形,所述下鄰接支座布置在所述支撐基板之上并且從所述支撐基板朝著所述膜片延伸到所述自由空間中,其特征在于,所述下鄰接支座包括島狀體,所述島狀體從所述下鄰接支座的平坦表面朝著膜片延伸到所述自由空間中,所述島狀體形成浮雕結(jié)構(gòu),從而使得在所述島狀體與膜片的精細(xì)部分接觸的情況下,所述島狀體與膜片的精細(xì)部分之間的接觸表面相對于膜片的精細(xì)部分的尺寸來說是微小的。
[0010]本發(fā)明有利地通過以下特征單獨(dú)或者以技術(shù)可行的任何組合來實(shí)現(xiàn):
[0011]-島狀體包括傾斜面,所述傾斜面根據(jù)相對于所述下鄰接支座的平坦表面的大于0°的銳角而定向;
[0012]-島狀體為臺面(m6sa)形式;
[0013]-所述支撐基板還具有中央貫穿凹部;
[0014]-所述下鄰接支座包括椎體形式的中央貫穿凹部;
[0015]-其還包括布置在膜片之上的上鄰接支座;[0016]-所述上鄰接支座包括圍繞其中心分布的凹部;
[0017]-支撐底座和所述下鄰接支座分別由彼此不同的兩種材料形成;
[0018]-所述支撐基板由玻璃制成,并且其中所述下鄰接支座和由玻璃制成的所述支撐基板由陽極封閉或通過具有或沒有中間層的分子鍵或原子鍵、或者通過燒結(jié)或釬焊而連接;
[0019]-所述支撐底座和所述下鄰接支座由同一種材料形成;
[0020]-支撐底座和鄰接支座中的每個選自以下的材料制成:合金、玻璃、石英、氧化鋁、陶瓷、硅、碳化硅、藍(lán)寶石;
[0021]-膜片的精細(xì)部分的厚度在20μ m至100 μ m之間;
[0022]-所述島狀體的高度在10μ m至50 μ m之間,并且最大寬度在20 μ m至200 μ m之間。
[0023]此外,本發(fā)明提出一種差壓傳感器,所述差壓傳感器包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。
[0024]本發(fā)明具有很多優(yōu)點(diǎn)。
[0025]下鄰接支座保護(hù)膜片免受過度壓力。
[0026]提供鄰接支座作為用于阻抗過度壓力的獨(dú)立元件的事實(shí)可以將鄰接支座加到所有現(xiàn)有的微機(jī)械結(jié)構(gòu)上,而不需對可變形的膜片進(jìn)行任何尺寸改變,也不需對該結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能或者熱性能進(jìn)行改變。
[0027]以這種方式,所述微機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗力得以改進(jìn),而不改變懸置的膜片的結(jié)構(gòu)和其幾何形狀。同樣,其既不改變安裝在膜片上的測量元件的結(jié)構(gòu),也不改變安裝在膜片上的測量元件的清晰度,并且也不會妨礙膜片暴露部分。
[0028]同樣,島狀物將由于存在于膜片與鄰接支座之間的空間中的油或者其他流體(液體或者氣體)的熱膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力最小化。這些島狀體還使得流體進(jìn)行良好的循環(huán),并且在用作差壓傳感器的情況下改進(jìn)了該結(jié)構(gòu)的填充度。這在粘性流體的情況下非常重要,一旦該結(jié)構(gòu)充滿所述流體,例如在作為差壓傳感器使用的情況下,島狀體可以避免該流體中出現(xiàn)氣泡,并且減少由于流體不良循環(huán)而可能出現(xiàn)的錯誤。
[0029]因此,該微機(jī)械機(jī)構(gòu)在無需改變懸置膜片就實(shí)現(xiàn)阻抗外部應(yīng)力,該微機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠例如起到標(biāo)準(zhǔn)膜片的作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將從隨后的描述中呈現(xiàn),隨后的描述僅為示意性的而非限制性的,并且必須結(jié)合所附附圖來考慮,其中:
[0031]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的微機(jī)械結(jié)構(gòu);
[0032]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的微機(jī)械結(jié)構(gòu);
[0033]圖3示出了本發(fā)明的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的底部平視圖;
[0034]圖4示出了包括根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械機(jī)構(gòu)的差壓傳感器;
[0035]圖5示出了本發(fā)明的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的一部分的詳細(xì)視圖;
[0036]圖6a和6b示出了本發(fā)明的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的下鄰接支座的兩個視圖。
[0037] 在所有的視圖中,相似的元件具有相同的附圖標(biāo)記?!揪唧w實(shí)施方式】
[0038]微機(jī)械機(jī)構(gòu)旨在測量或者探測例如壓力的機(jī)械量或者動態(tài)量,所述微機(jī)械機(jī)構(gòu)包括可變形的膜片20和支撐基板10。
[0039]如在圖1、圖2和圖4中所示,該膜片布置在支撐基板10之上以限定自由空間30。在用于差壓測量的微機(jī)械機(jī)構(gòu)的情況下,該自由空間30旨在被流體填充。在該情況下,壓力Pl來自于該結(jié)構(gòu)之上,而壓力P2來自于該結(jié)構(gòu)之下(見圖1、圖2和圖4)。
[0040]膜片20 旨在支撐壓力測量元件 22、23a、23b、24a、24b、25a、25b、26a、26b。
[0041]自由空間30—般通過微加工而形成在初始的基板中。用以形成這種自由空間的微加工技術(shù)例如可以為化學(xué)蝕刻,例如為在預(yù)定溫度下的KOH蝕刻。
[0042]類似地,膜片由兩個不同部分構(gòu)成:第一部分20a,該第一部分20a的厚度大于細(xì)小的第二部分20b,該第一部分20a充當(dāng)主動構(gòu)件。第二部分20b被第一部分20a包圍。該部分20a接觸支撐基板10,然而精細(xì)部分20b懸置在自由空間30之上。
[0043]膜片20的第二部分20b的厚度小于膜片的第一部分20a的厚度。
[0044]第二部分20b的厚 度典型地在20至100 μ m之間,該厚度值根據(jù)要測量的機(jī)械量或者動態(tài)量的范圍而界定。
[0045]以這種方式,膜片20 (尤其是它的精細(xì)部分20b)在施加到精細(xì)部分20b的壓力Pl的作用下會變形。
[0046]支撐基板10可以由基于玻璃、硅石英、Pyrex(TM)、藍(lán)寶石、氧化鋁、硅、碳化硅的材料制成。
[0047]支撐基板10的厚度典型地在500 μ m至2000 μ m之間。
[0048]膜片20通過陽極封閉或通過具有或不具有中間層的分子鍵或原子鍵、或通過燒結(jié)或通過釬焊而連接至支撐基板10。
[0049]膜片20典型地由這樣的基板形成,該基板例如包括單晶硅和藍(lán)寶石,該單晶硅例如SOI ( “絕緣體上硅結(jié)構(gòu)”)和PSOI ( “絕緣體上多晶硅結(jié)構(gòu)”),該藍(lán)寶石例如SOS ( “藍(lán)寶石上硅”),或者其他材料(例如SiCOI ( “絕緣體上碳化硅”)或者碳化硅)。
[0050]在膜片20由SOI或PSOI制成的情況下,膜片20包括例如Si02層的電絕緣層22,該電絕緣層22沉積在膜片20的與自由空間30相對的外表面上。不同的材料例如氮化物、氧化物、金屬層、單晶或者多晶硅設(shè)置在該絕緣層22上,從而形成微結(jié)構(gòu)23a、23b、24a、24b、25a、25b、26a、26b。該微結(jié)構(gòu)能夠形成應(yīng)變儀并且用作用于測量物理量(例如壓力)的元件。
[0051]為了確保連接,電接觸區(qū)域25a、25b也布置在膜片20上。這些電接觸區(qū)域25a、25b例如包括鋁、金、鉬、鈦和鎢。
[0052]為了防止膜片20變形,在來自該結(jié)構(gòu)頂部過度壓力的情況下,微機(jī)械結(jié)構(gòu)包括限制膜片20變形的下鄰接支座21。下鄰接支座21布置在支撐基板10之上,并且從支撐基板10朝著膜片20而延伸到自由空間30中。
[0053]下鄰接支座21優(yōu)選包括與膜片20相同的材料,或者由合金、藍(lán)寶石、氧化鋁、陶瓷、石英、或玻璃制成。下鄰接支座21還可包括與支撐基板10相同的材料。
[0054]下鄰接支座21具有通常的梯形形狀,較大的基部布置在支撐基板10上,而較小的基部直接布置在膜片20之下,具體布置在膜片20的精細(xì)部分20b之下,該較小的基部限定了下鄰接支座21的平坦表面。
[0055]為了提升下鄰接支座21的性能,下鄰接支座21在平坦表面上包括(參見圖5、圖6a和圖6b)(尤其是通過下鄰接支座的較小的基部而限定的)從下鄰接支座21的平坦表面延伸的島狀體101、102、103、104、105、106、107、108,所述平坦表面對應(yīng)于這些島狀體的基部。
[0056]島狀體101-108形成了浮雕結(jié)構(gòu),從而在島狀體101-108與膜片20的精細(xì)部分20b之間接觸的情況下,島狀體101-108與膜片20的精細(xì)部分20b之間的接觸表面相對于膜片20的精細(xì)部分20b的尺寸是微小的。
[0057]島狀體101-108有利地包括傾斜面,該傾斜面根據(jù)相對于下鄰接支座的平坦表面的大于0°的銳角而定向。島狀體101-108尤其為臺面的形式。
[0058]形成的島狀體使得流體能夠在膜片20和下鄰接支座21之間的空間中進(jìn)行最優(yōu)循環(huán)。
[0059]另一個優(yōu)點(diǎn)在于,島狀體還將由于位于下鄰接支座21和膜片20之間的空間中的流體的密度變化(在使用微機(jī)械結(jié)構(gòu)期間溫度變化的情況下,例如溫度從-50°C變化到180°c )導(dǎo)致的錯誤最小化。
[0060]島狀體的高度優(yōu)選在10μL?至50μπι之間,基部的寬度在20 μ m至200 μ m之間。
[0061]另外,島狀體的尺寸形成為使得膜片的精細(xì)部分與島狀體間隔5至30 μ m的距離,優(yōu)選地為10 μ m。
[0062]島狀體例如可以通過微加工工藝而得到,該微加工工藝包括應(yīng)用到下鄰接支座21的上表面的光刻和蝕刻。所應(yīng)用的蝕刻類型限定了島狀體的形式(用于KOH蝕刻種類的濕式各向異性刻蝕的臺面形式和TMAH形式,該TMAH形式帶有用于干式刻蝕類型RIE( “反應(yīng)離子刻蝕”)的豎直壁)。
[0063]優(yōu)選地,包括島狀體的下鄰接支座從由硅制成的基板而得到,其中島狀體和凹部(見下文)通過蝕刻而形成。島狀體的預(yù)形成區(qū)域被護(hù)罩保護(hù),該護(hù)罩優(yōu)選地由Si02+Si3N4制成,第二護(hù)罩Si02+Si3N4在下鄰接支座21與支撐基板10結(jié)合之后制成,該結(jié)合優(yōu)選地通過陽極封閉而制成,支撐基板10由玻璃制成。
[0064]如上所述,在下鄰接支座21和膜片20之間有距離。該距離表示膜片20的最大變形距離。以這種方式,比該距離更大的變形抵住下鄰接支座21而支撐膜片20,其防止與過度壓力相關(guān)聯(lián)的過度變形。在來自該結(jié)構(gòu)的頂部的過度壓力Pl的情況下,具體來說是膜片20抵住所述島狀體而支撐的。
[0065]通過有利的方式,該距離的值可選擇成隨著阻抗膜片20的變形的參數(shù)(尤其是根據(jù)膜片20的厚度和包括膜片20的材料)而變化,該參數(shù)具有膜片遭受惡化風(fēng)險的距離閥值。
[0066]這就是如何能夠隨著計(jì)劃應(yīng)用的變化來調(diào)整所述下鄰接支座21的參數(shù)。
[0067]對于差壓測量,支撐基板10因此包括貫穿凹部40,該貫穿凹部40根據(jù)下鄰接支座21中的凹部40’而延伸。支撐基板10的凹部40和下鄰接支座21中的凹部40’優(yōu)選地為圓形。
[0068]鄰接支座的凹部40’的直徑可以與支撐基板10的凹部的直徑相同,或者小于支撐基板10的凹部的直徑。然而,凹部優(yōu)選地為椎體形式,例如該錐體較大的直徑位于支撐基板10的側(cè)部上并且在該凹部的厚度從下鄰接支座21漸進(jìn)的同時而減小。
[0069]應(yīng)注意的是,不帶有凹部40,微機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行絕對壓力測量。
[0070]凹部40具有經(jīng)由支撐基板10而接近壓力的幾何形狀。凹部40可以采用簡單圓柱的形式,其直徑通常在500 μ m至1500 μ m之間,凹部40或者采用例如雙圓柱的更復(fù)雜的形式,該雙圓柱的上部直徑小于所述簡單圓柱的直徑。
[0071]支撐基板10的凹部40和下鄰接支座21中的凹部40’使得流體(氣體或者液體)通過,因此在差壓傳感器或相對壓力傳感器的情況下需要將壓力P2傳遞到膜片20的下面部分。
[0072]支撐基板10的凹部40和下鄰接支座21中的凹部40’通過蝕刻制成,蝕刻是通過各向異性蝕刻(Κ0Η、ΤΜΑΗ,。。。)的堿性溶液的方式,優(yōu)選地通過兩個步驟來進(jìn)行:第一預(yù)先蝕刻步驟,然后在下鄰接支座21結(jié)合到支撐基板10上之后進(jìn)行最終蝕刻,該結(jié)合優(yōu)選地通過陽極封閉而進(jìn)行,該支撐基板10由玻璃制成。應(yīng)注意的是,蝕刻后剩余的區(qū)域被3D光刻工藝保護(hù),該3D光刻工藝為基于厚樹脂(厚度在10 μ m至50 μ m之間)的已知類型。
[0073]為了改進(jìn)用于差壓測量的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的阻抗,該微機(jī)械結(jié)構(gòu)還包括布置在膜片20之上的上鄰接支座60 (見圖2和圖4)。
[0074]上鄰接支座60的作用是當(dāng)來自該結(jié)構(gòu)下方的過度壓力(圖2和圖4中的壓力P2)的情況下機(jī)械保護(hù)膜片20。
[0075]上鄰接支座60 在它的中心處還具有一個或者多個凹部70 (典型地為4個),上鄰接支座60通過如下方式連接至該結(jié)構(gòu)的剩余部分:通過陽極封閉或者通過具有或不具有中間層的分子鍵或者原子鍵、或者通過燒結(jié)或釬焊。
[0076]凹部70在上鄰接支座60中穿透用以減少在充滿流體后的溫度下的毛細(xì)作用或者膨脹作用,并且使得壓力Pl更容易地傳遞。凹部在上鄰接支座60的4個拐角處形成,從而能夠連接至機(jī)械外殼。
[0077]事實(shí)上,如圖4所示,上述的結(jié)構(gòu)旨在被放置在外殼B中并且浸沒到流體中(圖4中的陰影區(qū))。
[0078]上鄰接支座60優(yōu)選地從穿透的硼硅玻璃的基板得到。
[0079]上鄰接支座60具有過蝕刻區(qū)域,該過蝕刻區(qū)域位于金屬軌道的水平處和上鄰接支座60的4個拐角處,從而允許電連接并且更容易地使流體充滿。同樣,如前所述,過蝕刻所剩余的區(qū)域被3D光刻工藝保護(hù),該3D光刻工藝為基于厚樹脂的已知類型。
【權(quán)利要求】
1.一種旨在測量或者探測機(jī)械量或者動態(tài)量的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其包括能夠變形的膜片(20)和支撐基板(10),所述膜片(20)包括第一部分(20a)和由所述第一部分(20a)包圍的第二部分(20b),所述第二部分(20b)的厚度小于所述第一部分(20a)的厚度,所述膜片(20)懸置在所述支撐基板(10)之上,并且因此限定了自由空間(30),所述微機(jī)械機(jī)構(gòu)還包括下鄰接支座(21),所述下鄰接支座(21)適于限制所述膜片(20)的變形,所述下鄰接支座(21)布置在所述支撐基板(10)之上并且從所述支撐基板(10)朝著所述膜片(20)延伸到所述自由空間(30)中,其特征在于,所述下鄰接支座(21)包括島狀體(101 - 108),所述島狀體(101 - 108)從所述下鄰接支座(21)的平坦表面朝著膜片(20)延伸到所述自由空間(30)中,所述島狀體(101 - 108)形成浮雕結(jié)構(gòu),從而使得在所述島狀體(101 - 108)與所述膜片(20)的精細(xì)部分(20b)接觸的情況下,所述島狀體(101 - 108)與所述膜片(20)的所述精細(xì)部分(20b)之間的接觸表面相對于所述膜片(20)的所述精細(xì)部分(20b)的尺寸是微小的。
2.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其中所述島狀體(101- 108)包括傾斜面,所述傾斜面根據(jù)相對于所述下鄰接支座(21)的平坦表面的大于0°的銳角而定向。
3.如權(quán)利要求1至2的任一項(xiàng)所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其中所述島狀體為臺面形式。
4.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其中所述膜片(20)的所述精細(xì)部分(20b)的厚度在20 μ m至100 μ m之間。
5.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其中所述島狀體的尺寸形成為能夠使得所述膜片的 所述精細(xì)部分與所述島狀體由5至30 μ m的距離隔開,所述距離優(yōu)選為10 μ m0
6.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其中所述島狀體(101-108)的高度在10 μ m至50 μ m之間,并且在基部處具有20 μ m至200 μ m之間的最大寬度。
7.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其中所述支撐基板(10)還具有中心貫穿凹部(40)。
8.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其中所述下鄰接支座(21)包括椎體形式的中心貫穿凹部(40’)。
9.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu),還包括上鄰接支座(60),所述上鄰接支座(60)布置在所述膜片之上。
10.如前一權(quán)利要求所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其中所述上鄰接支座(60)包括圍繞其中心分布的凹部。
11.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其中所述支撐底座(10)和所述下鄰接支座(21)由不同材料形成。
12.如前一權(quán)利要求所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其中所述支撐基板由玻璃制成,并且其中所述鄰接支座和由玻璃制成的所述支撐基板通過陽極封閉或通過具有或沒有中間層的分子鍵或原子鍵、或者通過燒結(jié)或通過釬焊來連接。
13.如權(quán)利要求1-10中的任一項(xiàng)所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其中所述支撐底座和所述下鄰接支座(21)由同一種材料形成。
14.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu),其特征在于,所述支撐底座和所述鄰接支座的每一個由選自以下材料的材料制成:玻璃、石英、氧化鋁、陶瓷、合金、硅、碳化硅、藍(lán)寶石。
15.—種差壓傳感器, 其包括根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的微機(jī)械機(jī)構(gòu)。
【文檔編號】G01L9/00GK104024816SQ201280052198
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月26日
【發(fā)明者】S·布里達(dá) 申請人:奧謝陶爾公司