一种微机电压力传感器以及电子设备论文和设计-E·杜奇

全文摘要

本公开涉及一种微机电压力传感器以及电子设备。微机电压力传感器包括具有前表面的半导体材料的单片主体。感测结构被集成在单片主体中，并且具有在前表面处被完全地包含在单片主体内的埋入腔。感测膜被悬置在埋入腔上方，并且由单片主体的表面部分形成。压阻类型的感测元件被布置在感测膜中，以检测由于压力引起的感测膜的变形。压力传感器进一步被设置有被集成在单片主体内的自测试结构，以引起感测膜的测试变形的应用，以便验证感测结构的正确操作。

主设计要求

1.一种微机电压力传感器，其特征在于，所述微机电压力传感器包括：半导体材料的单片主体，具有前表面；感测结构，被集成在所述单片主体中，并且所述感测结构包括：第一埋入腔，在所述前表面处被完全地包含在所述单片主体内；感测膜，在所述单片主体的表面部分中被悬置在所述埋入腔上方；以及压阻类型的感测元件，被布置在所述感测膜中，并且所述感测元件被配置为检测所述感测膜响应于压力的变形；以及自测试结构，被集成在所述单片主体内，并且所述自测试结构被配置为引起所述感测膜的测试变形。

设计方案

1.一种微机电压力传感器，其特征在于，所述微机电压力传感器包括：

半导体材料的单片主体，具有前表面；

感测结构，被集成在所述单片主体中，并且所述感测结构包括：

第一埋入腔，在所述前表面处被完全地包含在所述单片主体内；

感测膜，在所述单片主体的表面部分中被悬置在所述埋入腔上方；以及

压阻类型的感测元件，被布置在所述感测膜中，并且所述感测元件被配置为检测所述感测膜响应于压力的变形；以及

自测试结构，被集成在所述单片主体内，并且所述自测试结构被配置为引起所述感测膜的测试变形。

2.根据权利要求1所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述自测试结构还包括：

第二埋入腔，在所述前表面处被完全地包含在所述单片主体内；

致动膜，被悬置在所述第二埋入腔上方；以及

致动组件，被耦合到所述致动膜，并且所述致动组件被配置为引起所述致动膜的变形；以及

连接通道，被埋入并且被包含在所述单片主体内，所述连接通道流体地连接所述感测结构的所述第一埋入腔与所述自测试结构的所述第二埋入腔，所述连接通道被配置为响应于所述致动膜的所述变形来实现所述感测膜的所述测试变形。

3.根据权利要求2所述的微机电压力传感器，其特征在于，埋入空间包括所述连接通道、以及所述第一埋入腔和所述第二埋入腔，所述埋入空间被完全地包含并且被隔离在所述单片主体内，并且所述埋入空间包含处于受控压力的气氛。

4.根据权利要求3所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述受控压力被包括在0.1mbar至100mbar之间。

5.根据权利要求3所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述连接通道与所述感测结构的所述第一埋入腔和所述自测试结构的所述第二埋入腔相对于所述单片主体的所述前表面被布置在相同的深度处。

6.根据权利要求2所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述致动组件包括被布置在所述致动膜上的压电区域。

7.根据权利要求6所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述压电区域包括锆钛酸铅(PZT)。

8.根据权利要求6所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述致动膜具有在水平平面中的主延伸部，并且所述压电区域相对于所述致动膜居中地被布置在所述水平平面中；并且其中所述水平平面中的所述压电区域的长度与所述水平平面中的所述致动膜的对应的长度之间的比率是在0.4至0.8之间。

9.根据权利要求6所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述致动组件还包括：

下电极，被布置在所述单片主体的所述前表面上的所述致动膜上方；以及

上电极，被布置在所述压电区域上，其中所述压电区域被布置在所述下电极上。

10.根据权利要求1所述的微机电压力传感器，其特征在于，所述感测元件包括在所述感测膜内的掺杂表面区域。

11.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

压力传感器，包括：

半导体材料的主体，具有前表面；

感测结构，在所述主体中，所述感测结构包括：

第一埋入腔，在所述主体中；

感测膜，在从所述前表面延伸的所述主体的表面部分中被悬置在所述第一埋入腔上方；以及

压阻感测元件，在所述感测膜中，所述压阻感测元件在操作中检测所述感测膜响应于压力的变形、并且生成基于检测到的所述变形的电信号；以及

自测试结构，在所述主体中，并且所述自测试结构通过所述第一埋入腔被耦合到所述感测膜，所述自测试结构在操作中响应于致动刺激来使所述感测膜变形，以测试所述感测结构的操作；以及

处理单元，被耦合到所述压力传感器以接收所述电信号，并且所述处理单元在操作中将致动刺激施加到所述自测试结构，以用于引起测试变形。

12.根据权利要求11所述的电子设备，其特征在于，所述自测试结构包括：

第二埋入腔，在所述主体中，所述第二埋入腔被流体地耦合到所述第一埋入腔；

致动膜，在所述主体中，并且所述致动膜被悬置在所述第二埋入腔上方，所述致动膜具有外周边；以及

致动组件，在所述前表面上，所述致动组件在所述致动膜上方，所述致动组件包括框架形压电区域，所述框架形压电区域具有在内边缘与外边缘之间延伸的宽度，所述框架形压电区域的所述宽度在所述致动膜的所述外周边上方延伸。

设计说明书

技术领域

本公开涉及具有自测试能力的MEMS(微机电系统)压力传感器。

背景技术

半导体集成压力传感器是已知的，其由MEMS的典型微制造技术制成。

例如，这种传感器被用于便携式或可穿戴电子装置中，或者被用于汽车领域中，被用于气压和液压应用；例如，具有高满量程(高达350bar)的压力传感器被用于与车辆的制动踏板相关联的制动系统应用。

特别地，压阻式压力传感器是已知的，其他们的操作基于压阻率，即，一些材料随着他们所经受的机械应力变化而修改他们的电阻率的能力。例如，当施加压缩应力时电阻率减小，而当施加拉伸应力时电阻率增大。

压阻式压力传感器一般地包括膜(或隔膜)，膜被悬置于被设置在半导体材料的主体中的腔上方，并且在存在来自外部环境的入射压力波时遭受变形。

压阻式元件(一般地由被注入或被扩散的掺杂区域构成)被设置在膜的表面区域中，并且例如经由惠斯通(Wheatstone)电桥被电连接在一起。膜的变形使得惠斯通电桥不平衡，这可以由(被耦合到传感器的微机械结构的)专门提供的电子电路(所谓的ASIC(专用集成电路))来检测，这由该不平衡导出作用于膜上的压力的值。

即使这些压阻式压力传感器被广泛且成功地使用，但是至少对于某些应用而言，它们也具有一些缺点。

特别地，这些压阻式压力传感器无法使能容易地实现自测试程序，该自测试程序用于在制造方法结束时或者在操作期间测试其他们的正确操作。

在该方面，众所周知，在某些应用的领域中，特别是在汽车领域中，明确需要电子系统的自测试能力，以便避免错误并且防止故障。

电容型的压力传感器一般地通过将合适的测试刺激施加到对应的电容器板并且读取所产生的电容性变化来实现这些自测试程序。然而，这些传感器存在某些缺点，其中包括响应的更大非线性度、对于电容器板之间可能形成的湿度的依赖性、以及达不到高满量程值的可能性，至少在给定的应用领域中，这可能不适于它们的使用。

实用新型内容

本公开的目的是提供一种解决方案，该解决方案实现克服现有技术中的至少一些缺点。

在一个实施例中，微机电压力传感器包括具有前表面的半导体材料的单片主体。感测结构被集成在该单片主体中、并且包括第一埋入腔，该第一埋入腔在前表面处被完全地包含在单片主体内。感测膜在单片主体的表面部分中被悬置在埋入腔上方，并且压阻类型的感测元件被布置在感测膜中，并且该感测元件被配置为检测感测膜响应于压力的变形。自测试结构被集成在单片主体内、并且被配置为引起感测膜的测试变形。该测试变形实现验证感测结构的正确操作。在本公开中还阐述了制造这种压力传感器的方法的实施例以及包括这种压力传感器的电子设备。

根据各种实施例，涉及一种微机电压力传感器，该微机电压力传感器包括：半导体材料的单片主体，具有前表面；感测结构，被集成在上述单片主体中，并且上述感测结构包括：第一埋入腔，在上述前表面处被完全地包含在上述单片主体内；感测膜，在上述单片主体的表面部分中被悬置在上述埋入腔上方；以及压阻类型的感测元件，被布置在上述感测膜中，并且上述感测元件被配置为检测上述感测膜响应于压力的变形；以及自测试结构，被集成在上述单片主体内，并且上述自测试结构被配置为引起上述感测膜的测试变形。

根据各种实施例所涉及的微机电压力传感器，其中上述自测试结构还包括：第二埋入腔，在上述前表面处被完全地包含在上述单片主体内；致动膜，被悬置在上述第二埋入腔上方；以及致动组件，被耦合到上述致动膜，并且上述致动组件被配置为引起上述致动膜的变形；以及连接通道，被埋入并且被包含在上述单片主体内，上述连接通道流体地连接上述感测结构的上述第一埋入腔与上述自测试结构的上述第二埋入腔，上述连接通道被配置为响应于上述致动膜的上述变形来实现上述感测膜的上述测试变形。

根据各种实施例所涉及的微机电压力传感器，其中埋入空间包括上述连接通道、以及上述第一埋入腔和上述第二埋入腔，上述埋入空间被完全地包含并且被隔离在上述单片主体内，并且上述埋入空间包含处于受控压力的气氛。

根据各种实施例所涉及的微机电压力传感器，其中上述受控压力被包括在0.1mbar至100mbar之间。

根据各种实施例所涉及的微机电压力传感器，其中上述连接通道与上述感测结构的上述第一埋入腔和上述自测试结构的上述第二埋入腔相对于上述单片主体的上述前表面被布置在相同的深度处。

根据各种实施例所涉及的微机电压力传感器，其中上述致动组件包括被布置在上述致动膜上的压电区域。

根据各种实施例所涉及的微机电压力传感器，其中上述压电区域包括锆钛酸铅(PZT)。

根据各种实施例所涉及的微机电压力传感器，其中上述致动膜具有在水平平面中的主延伸部，并且上述压电区域相对于上述致动膜居中地被布置在上述水平平面中；并且其中上述水平平面中的上述压电区域的长度与上述水平平面中的上述致动膜的对应的长度之间的比率是在0.4至0.8之间。

根据各种实施例所涉及的微机电压力传感器，其中上述致动组件还包括：下电极，被布置在上述单片主体的上述前表面上的上述致动膜上方；以及上电极，被布置在上述压电区域上，其中上述压电区域被布置在上述下电极上。

根据各种实施例所涉及的微机电压力传感器，其中上述感测元件包括在上述感测膜内的掺杂表面区域。

根据各种实施例，涉及一种电子设备，该电子设备包括：压力传感器，该压力传感器包括：半导体材料的主体，具有前表面；感测结构，在上述主体中，上述感测结构包括：第一埋入腔，在上述主体中；感测膜，在从上述前表面延伸的上述主体的表面部分中被悬置在上述第一埋入腔上方；以及压阻感测元件，在上述感测膜中，上述压阻感测元件在操作中检测上述感测膜响应于压力的变形、并且生成基于检测到的上述变形的电信号；以及自测试结构，在上述主体中，并且上述自测试结构通过上述第一埋入腔被耦合到上述感测膜，上述自测试结构在操作中响应于致动刺激来使上述感测膜变形，以测试上述感测结构的操作；以及处理单元，被耦合到上述压力传感器以接收上述电信号，并且上述处理单元在操作中将致动刺激施加到上述自测试结构，以用于引起上述测试变形。

根据各种实施例所涉及的电子设备，其中上述自测试结构包括：第二埋入腔，在上述主体中，上述第二埋入腔被流体地耦合到上述第一埋入腔；致动膜，在上述主体中，并且上述致动膜被悬置在上述第二埋入腔上方，上述致动膜具有外周边；以及致动组件，在上述前表面上，上述致动组件在上述致动膜上方，上述致动组件包括框架形压电区域，上述框架形压电区域具有在内边缘与外边缘之间延伸的宽度，上述框架形压电区域的上述宽度在上述致动膜的上述外周边上方延伸。

附图说明

为了更好地理解本公开，现在参照附图，纯粹通过非限制性示例的方式，描述本公开的优选的实施例，其中：

图1是根据本解决方案的一个实施例的微机电压阻式压力传感器的示意性俯视平面图；

图2是沿着图1的截面线II-II取的图1的压力传感器的示意性横截面图；

图3A至图3B分别地示出图1的压力传感器的致动膜的一部分、以及经受由压电效应引起的变形的致动膜的相同的部分；

图4示出关于图3A至图3B的压力传感器的致动膜的一部分的变形的曲线；

图5A是在图1的压力传感器的制造方法的初始步骤中半导体材料的晶片的示意性横截面图；

图5B是图5A的晶片的示意性俯视平面图；

图5C示出在制造方法中所使用的光刻掩模的一部分的放大细节；

图5D至图5H是在制造方法的连续步骤中半导体材料的晶片的示意性横截面图；

图6是根据本公开的一个实施例的图1的压力传感器被集成在其中的电子设备的总体框图；以及

图7是根据本公开的可能的实施例的压力传感器的一部分的示意性俯视平面图。

具体实施方式

如下文中将详细阐述的，本解决方案的一个方面设想了在微机电压阻式压力传感器中提供自测试结构，该自测试结构被设计为与相同的压力传感器的感测结构可操作地协作，以便实施对相同的感测结构的操作的自测试的程序。

首先参照图1和图2，现在描述根据本解决方案的一个实施例的、作为整体由1指定的微机电压阻式压力传感器。

压力传感器1包括单片主体2，该单片主体2由半导体材料(特别是硅)的紧凑且均一的区域构成，该单片主体2具有前表面2a和后表面2b，前表面2a和后表面2b两者都具有在由第一水平轴x和第二水平轴y限定的水平平面xy中的平坦延伸部，并且前表面2a和后表面2b沿着竖直轴z分离开一定厚度，竖直轴z与第一水平轴x和第二水平轴y限定一组的三个笛卡尔轴。

压力传感器1包括感测结构4，感测结构4被集成在单片主体2中，并且感测结构4包括埋入腔5和感测膜6，埋入腔5在前表面2a处被完全地包含在单片主体2内，而感测膜6被悬置在相同的埋入腔5上方。

特别地，埋入腔5通过感测膜6来与单片主体2的前表面2a分离，感测膜6由相同的单片主体2的表面部分2’形成，并且埋入腔5通过相同的单片主体2的块状区域7来与单片主体2的后表面2b分离，块状区域7为紧凑、均匀、并且均一。

埋入腔5和感测膜6在水平平面xy中具有一般多边形形状；在所图示的示例中(特别地，参见图2)，该形状是基本上方形的。

压力传感器1的感测结构4还包括在感测膜6内所形成的压阻类型的感测元件8，该感测元件8邻近单片主体2的前表面2a。感测元件8由被设置在感测膜6内的被掺杂、被注入或被扩散的表面区域构成。

在所图示的示例中，存在四个感测元件8，每个感测元件8被布置在感测膜6的相应侧处，并且相对于同一侧被居中地定位。

被布置在单片主体2的前表面2a上的、由导电线(例如金属导电线)构成的电连接元件9以合适的方式将感测元件8电连接在一起，并且进一步将感测元件8连接到电接触焊盘10，电接触焊盘10也被布置在单片主体2的前表面2a上，以便可从外部接近，以用于例如通过电导线或其他电连接元件连接到例如ASIC类型的处理电路。

在一个实施例中，电连接元件9将感测元件8连接在一起，以便形成惠斯通电桥电路，并且电接触焊盘10因此成对地限定惠斯通电桥电路的输入端子(被设计为从外部接收电气供电信号)和输出端子(被设计为输出电输出信号)。

优选地，电连接元件9被布置在相对于感测膜6的外部，以便在压力感测期间不妨碍感测膜6的变形。

在操作期间，以本身已知的方式，来自外部环境(例如，来自单片主体2的外部)的入射压力波引起感测膜6的变形，并且因此引起感测元件8的变形。通过压阻效应，感测元件8的电阻相对于休止处值而变化，引起合适地电气供电的惠斯通电桥的不平衡，并且引起生成可以从外部检测到的、表示作用于感测膜6上的压力的值的电输出信号。

根据本解决方案的特定方面，压力传感器1还包括自测试结构12，该自测试结构12被集成在相同的单片主体2内，感测结构4也被集成在其中。

自测试结构12包括相应的埋入腔15和致动膜16，埋入腔15在前表面2a处被完全地包含在单片主体2内，致动膜16被悬置在相同的埋入腔15上方。

特别地，埋入腔15通过致动膜16来与单片主体2的前表面2a分离，致动膜16由单片主体2的表面部分2’形成，并且埋入腔15通过相同的单片主体2的块状区域7来与单片主体2的后表面2b分离。

埋入腔15和致动膜16在水平平面xy中也具有一般多边形形状；在所图示的示例中(特别地，参见图2)，该形状是基本上方形的。

特别地，自测试结构12的埋入腔15被布置在单片主体2内在感测结构4的埋入腔5旁边，在相对于相同的单片主体2的前表面2a的相同的深度处。

此外，自测试结构12包括被包含在单片主体2内的埋入连接通道18，埋入连接通道18流体地连接感测结构4的埋入腔5和自测试结构12的埋入腔15。在所图示的示例中，前述连接通道18沿着平行于单片主体2的前表面2a的第一水平轴x延伸，并且在埋入腔5、15对应的转角部分处连接埋入腔5、15。

连接通道18被设置在与自测试结构12的埋入腔15和感测结构4的埋入腔5距单片主体2的前表面2a的相同的深度处。

因此，前述埋入腔5、15和连接通道18作为整体形成埋入空间19，埋入空间19被完全地包含并且被隔离在单片主体2内，不能从相同的单片主体2的外部接近。

根据本解决方案的一方面，该埋入空间19包含受控压力气氛，例如，包括在0.1mbar至100mbar之间，例如，等于20mbar；埋入空间19包含残余气体(源自制造方法，如下文中详细描述)，例如，包含氢和硅烷。

自测试结构12还包括被耦合到致动膜16的致动组件20，致动组件20包括压电区域21，压电区域21可以被操作以用于引起由压电效应导致的致动膜16的变形；压电区域21由合适的压电材料(诸如PZT(锆钛酸铅))构成。

前述致动组件20还包括：下电极22a，下电极22a被布置在致动膜16上，在单片主体2的前表面2a上(下电极22a可能通过介电材料的分离层(本文中未图示)来与前表面2a分离)；以及上电极22b，上电极22b被布置在压电区域21上，压电区域21反过来被布置在下电极22a上。基本上，压电区域21被布置在致动膜16上的下电极22a与上电极22b之间。

在所图示的示例中，下电极22a具有与压电区域21的构造部和延伸部基本上相对应(稍微更大，例如，大一微米或几微米)的构造部和延伸部，该构造部和延伸部相对于致动膜16居中地布置，并且还具有一般多边形构造，例如，基本上方形的，该一般多边形构造具有比致动膜16的尺寸更小的尺寸(如下文中更详细地讨论)；上电极22b也具有一般多边形构造，例如，基本上方形的，该一般多边形构造具有与下面的压电区域21相对应的相应延伸部。

由导电路径或线(例如，金属线)构成的电连接元件23以合适的方式将下电极22a和上电极22b电连接到相应的电接触焊盘24，电接触焊盘24被布置在单片主体2的前表面2a上，以便可从外部接近，以用于例如通过电导线或其他电连接元件连接到ASIC处理电路。

在操作期间，经由自测试结构12的致动组件20的下电极22a与上电极22b之间的合适的电势ΔV来应用致动刺激引起由于压电效应所导致的致动膜16的变形，特别地，其沿着竖直轴z的偏斜；该变形构成测试变形，用于感测结构4的自测试。

实际上，上面的测试变形由处于受控压力的在埋入空间19内存在的残余气体，通过连接通道18从自测试结构12的埋入腔15到感测结构4的埋入腔5，被传送到感测结构4的感测膜6。

因此，感测膜6遭受变形，引起感测元件8的对应的变形，并且生成电输出信号，该电输出信号表示致动刺激。根据致动刺激的已知特性，该电输出信号的处理实现验证感测结构4的正确操作。

本申请已经通过测试和试验模拟验证了自测试结构12的操作。

在该方面，图3A示出了自测试结构12的一部分的模型，特别地，其表示致动膜16和上覆的压电区域21(为清楚起见，未在图3A中图示下电极22a和上电极22b)的四分之一。致动膜16的几何中心由O指定，并且在该情况中，还与压电区域21的几何中心对应。

特别地，由L1指示的是在图3A的表示中沿着水平平面xy的第一水平轴x的致动膜16的侧的长度，而由L2(＜L1)指示的是压电区域21的对应侧的长度(因此，应当注意，在图3A中所图示的是长度L1和L2的一半；还应当注意，在其中致动膜16和压电区域21具有方形构造的假设下，这些长度L1和L2还与沿着第二水平轴y的延伸部的对应)。

图3B示出了致动膜16的所产生的变形，归因于在致动组件20的下电极22a与上电极22b之间的电势ΔV的应用，该变形引起压电区域21沿着竖直轴z的偏斜，并且因此引起致动膜16沿着竖直轴z的偏斜；该变形在中心O处具有较大振幅，并且随着与中心O的距离增大而逐渐减小。

图4示出了作为压电区域21的长度L2的函数的沿着竖直轴z的偏斜的最大值的曲线，出于优化其尺度的目的，假设压电区域21的长度L2是可变化的，对于致动膜16给定了固定长度L1；特别地，对于在致动组件20的下电极22a与上电极22b之间所施加的电势ΔV的两个值，图示了两条曲线。

从图4的曲线的检查可以看出，相对于致动膜16的长度L1(也在图4中图示)，压电区域21的长度L2的值确定所产生的偏斜的最大量；特别地，可以注意到，对于满足以下关系的长度L2的值，获得针对上述偏斜的优化模式：

0.4·L1<L2<0.8·L1

即，对于长度L2与L1之间的比率为以下：

0.4<L2\/L1<0.8

例如，压电区域21的长度L2的值可以有利地是致动膜16的长度L1的值的0.6倍。

根据本解决方案的一个实施例，现在呈现了用于制造压力传感器1的制造方法的描述。

在制造方法的初始步骤中，如图5A中所图示的，提供了例如由单晶硅制成的半导体材料的晶片30，晶片30包括衬底32，衬底32例如具有n型(或者等效地，p型)的掺杂，衬底32具有前表面32a和后表面32b。

制造方法继续埋入腔的形成，该埋入腔被完全地包含在晶片30内，由相应的膜覆盖，其中例如在以本申请人的名义所提交的EP1324382B1中详细描述了该技术，特别是分别对于感测膜6的感测结构4的埋入腔5以及致动膜16的自测试结构12的埋入腔15的形成。

还如图5B中所图示(其与剩余附图类似，未按比例绘制)，在衬底32的前表面32a上设置有刻蚀掩模33，刻蚀掩模33例如由光敏材料(所谓的“光阻剂”)制成。

对于获得每个压力传感器1，刻蚀掩模33包括：第一掩模元件33a(在示例中，其具有近似方形形状)，限定第一刻蚀区，该第一刻蚀区对应于将被感测结构4的埋入腔5占据的区，并且第一掩模元件33a具有与将在埋入腔5上方所形成的感测膜6的延伸部相对应的延伸部；第二掩模元件33b(在示例中，其也具有近似方形形状)，限定第二刻蚀区，该第二刻蚀区对应于将被自测试结构12的埋入腔15占据的区，并且第二掩模元件33b具有与将在埋入腔15上方所形成的致动膜16的延伸部相对应的延伸部；以及此外的第三掩模元件33c，第三掩模元件33c限定第三刻蚀区，该第三刻蚀区对应于将被自测试结构12的连接通道18占据的区。

如图5C的放大详图中所图示的，每个掩模元件33a、33b、33c包括多个掩模部分34(例如，六边形部分)，多个掩模部分34限定晶格(例如蜂窝晶格)。

然后(参见图5D(类似于图5C)，为清楚起见，其仅表示晶片30的放大部分)，使用刻蚀掩模33，执行衬底32的各向异性化学刻蚀，随后形成沟槽36，沟槽36彼此连通并且界定多个柱37。

在实践中，沟槽36形成具有复杂形状(对应于刻蚀掩模33的晶格)的开放区域，在其中延伸的为柱37(其具有与掩模部分34相对应的形状)。

接下来，去除刻蚀掩模33，并且在脱氧环境中(通常，在具有高氢浓度的气氛中，优选地具有三氯甲硅烷-SiHCl_{3<\/sub>)，执行外延生长。因此，外延层在柱37上生长，并且在顶部封闭由沟槽36形成的前述开放区域。}

接着是热退火步骤，例如在1190℃下达到30min，优选地在还原气氛中(通常是氢气氛)。退火步骤引起硅原子的迁移，硅原子倾向于移动到更低能量的位置中。因此，并且还由于柱37之间的短距离，硅原子从在由沟槽36形成的前述的开放区域内存在的柱37的一部分完全迁移，并且从所述区域开始，形成了埋入区域，如图5E所图示(其示出了与图5D中出现的相对应的晶片30的一部分)。

特别地，还如图5F所图示(其示出了晶片30的更宽的部分)，该埋入区域限定埋入空间19，埋入空间19包括感测结构4的埋入腔5、自测试结构12的埋入腔15、以及连接通道18，连接通道18使相同的埋入腔5和埋入腔15流体连通(并且被设置在相对于衬底32的前表面32a的相同的深度处)。有利地，作为所描述的方法步骤的结果，在前述埋入空间19内产生具有受控气氛的环境，其包含在期望的压力下的残余气体(在示例中，为氢和硅烷)，如先前所提及的，例如，被包括在0.1mbar至100mbar之间，例如，近似20mbar。

薄硅层保持在埋入区域上方，薄硅层部分地由外延生长的硅原子、并且部分地由所迁移的硅原子构成，薄硅层形成膜区域，该膜区域是柔性的并且可以在外部应力存在时弯曲。

特别地，该膜区域限定感测结构4的感测膜6，并且还限定自测试结构12的致动膜16。

有利地，通过相同的处理步骤，然后形成了连接通道18、埋入腔5、埋入腔15、以及相应的感测膜6和致动膜16。

如图5G中所图示，制造方法继续经由掺杂剂原子的扩散和注入形成感测结构4的感测膜6内的压阻类型的感测元件8。

然后，在衬底32的前表面32a上(图5H)，然后形成(例如通过沉积)并且适当地成形(例如通过光刻刻蚀)以下元件：第一导电层(例如由金属材料制成)，以用于形成自测试结构12的下电极22a以及(以在图5H中未图示的方式)还形成电连接元件9、形成接触下电极22a的电连接元件23、以及形成对应的电接触焊盘10、24；压电材料的层(例如PZT)，以用于在致动膜16上的下电极22a上形成自测试结构12的压电区域21；以及第二导电层(例如由相应的金属材料制成)，以用于形成自测试结构12的上电极22b以及(以在本文中未说明的方式)还形成接触上电极22b的电连接元件23以及对应的电接触焊盘24。

未以详细说明的方式，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，制造方法可以进一步设想形成和成形具有绝缘或保护功能的介电材料的适当分离层或缓冲层。

然后，制造方法以锯削或切割晶片30的步骤结束，以获得多个裸片，每个裸片集成由相应的单片主体2构成的相应的压力传感器1，相应的单片主体2因此由衬底32的一部分形成，该部分源自切割的晶片30，感测结构4和自测试结构12被集成在该部分中(如先前的图1中所图示)。

从前面的描述中清楚地显现本解决方案的优点。

在任何情况中，再次强调，所描述的解决方案允许以简单且有效的方式提供具有自测能力的压力传感器1，压力传感器1具有压阻类型的感测结构4，以便实现在制造方法结束时和压力传感器1的正常操作期间测试其正确操作。如先前所指出，该特性是特别有利的，例如，用于汽车领域中的应用。

特别地，除了压力传感器1的感测结构4之外，自测试结构12不会导致成本和制造复杂性的显著增加，因为针对其制造，方法步骤与已经设想用于制造压力传感器1的感测结构4的那些步骤相同。

一般而言，上述特征使得压力传感器1的使用在电子设备40中特别有利，例如，用于汽车领域中的气压应用，如图6中示意性图示的。

特别地，在图6中，集成包括先前所描述的感测结构4和自测结构12的MEMS结构的压力传感器被再次用1指定。压力传感器1还包括ASIC43，ASIC43提供对应的读取接口(并且其可以被设置在相同的裸片中或不同的裸片中，其可以在任何情况被容纳在同一封装中)。

电子设备40一般地能够处理、存储和\/或传送以及接收信号和信息，并且包括：处理单元44，处理单元44接收由压力传感器1检测到的信号，并且处理单元44进一步被配置为控制在自测试结构12的致动组件20的下电极22a与上电极22b之间的致动刺激的应用，以便实现测试相同的压力传感器的感测结构4的操作；输入\/输出接口45，被连接到处理单元，处理单元可以是微处理器44；以及非易失性类型的内部存储器46。

在汽车领域中所使用的电子设备40可以例如具有用于发动机中的空气\/燃料混合物燃烧的控制功能，或者用于基于所检测到的压力值来打开气囊的控制功能，或者其他用于制动系统的控制功能。

最后，清楚的是，可以对本文中所描述和所说明的内容进行修改和变化，而不脱离如所附权利要求中所限定的本公开的范围。

特别地，可以设想自测试结构12的压电区域21的不同的构造和\/或布置。

例如，如图7中示意性所图示的，压电区域21可以被成形为类似框架(例如，基本上类似方形环)，并且被布置在下面的致动膜16(在该情况中，其在水平平面xy中具有比以前述框架的延伸部更小的延伸部)的周边侧处。框架在内部限定不具有压电材料的空区域；在前述框架的内边缘与致动膜16的周边之间、在图7中由D指定的、沿着第一水平轴x或第二水平轴y的尺寸可以例如在10μm至50μm之间。

可以设想对被用于制造压力传感器1的材料进行修改；例如，可以使用不同的金属或介电材料和\/或不同的压电材料。

此外，显而易见的是，压力传感器1还可以有利地被用于不同的应用，其中期望获得具有自测试特性的压力感测，例如，在便携式或可穿戴设备(诸如智能电话、平板电脑、智能手表等)，或者在工业应用中。

由于所使用的制造方法的一般兼容性，压力传感器1可能与另外的惯性MEMS传感器和\/或麦克风传感器集成在一起。

根据各种实施例，涉及一种用于制造微机电压力传感器的方法，该方法包括：形成第一埋入腔，上述第一埋入腔被完全地包含在具有前表面的衬底内；形成被悬置在上述埋入腔上方的感测膜；在上述感测膜中形成压阻类型的感测元件，上述感测元件被配置为检测由于压力所导致的上述感测膜的变形；形成被集成在上述衬底内的自测试结构，以实现应用上述感测膜的测试变形，来验证上述感测结构的正确操作。

根据各种实施例所涉及的方法，其中形成上述自测试结构包括：形成第二埋入腔，上述第二埋入腔在上述前表面处被完全地包含在上述衬底内；形成被悬置在上述第二埋入腔上方的致动膜；形成致动组件，上述致动组件被耦合到上述致动膜、并且被配置为引起上述致动膜的变形；以及流体地连接上述衬底内的上述第一埋入腔和上述第二埋入腔，以响应于上述致动膜的变形来实现上述感测膜的上述测试变形。

根据各种实施例所涉及的方法，其中流体地连接上述第一埋入腔和上述第二埋入腔包括：在上述衬底内形成埋入连接通道。

根据各种实施例所涉及的方法，其中同时地执行：形成上述感测结构的上述第一埋入腔、形成上述自测试结构的上述第二埋入腔、以及形成上述连接通道。

根据各种实施例所涉及的方法，其中形成上述感测结构的上述第一埋入腔、形成上述自测试结构的上述第二埋入腔、以及形成上述连接通道，包括：共同地形成埋入空间，上述埋入空间被完全地包含并且被隔离在上述衬底内，并且上述埋入空间包含处于受控压力的气氛。

根据各种实施例所涉及的方法，其中形成上述感测结构的上述第一埋入腔、形成上述自测试结构的上述第二埋入腔、以及形成上述连接通道，包括：在上述衬底内从上述前表面开始的相应区中形成沟槽，上述沟槽在上述沟槽之间界定半导体材料的柱；从上述柱开始，外延地生长半导体材料的封闭层，上述封闭层在上述前表面处在上述沟槽的顶部处封闭上述沟槽；以及执行热处理，以引起上述柱的上述半导体材料朝向上述封闭层的迁移，以形成上述感测结构和上述自测试结构的上述埋入腔，并且同时地以形成被悬置在上述埋入腔以及在上述埋入腔之间的上述连接通道上方的上述感测膜和上述致动膜。

根据各种实施例所涉及的方法，其中形成上述致动组件包括：形成被布置在上述致动膜上的压电区域。

根据各种实施例所涉及的方法，其中形成上述压电区域包括：形成锆钛酸铅(PZT)的层。

根据各种实施例所涉及的方法，其中形成上述压电区域包括：相对于上述致动膜居中地形成上述压电区域，其中上述致动膜具有在水平平面中的主延伸部，并且上述水平平面的方向上的上述压电区域的长度与上述致动膜的对应的长度之间的比率被包括在0.4至0.8之间。

根据各种实施例所涉及的方法，其中形成上述致动组件还包括：在上述衬底的上述前表面上形成被布置在上述致动膜上方的下电极；以及形成被布置在上述压电区域上的上电极，其中上述压电区域被布置在上述下电极上。

可以组合上文所描述的各种实施例以提供另外的实施例。根据以上文详细的描述，可以对实施例进行这些和其他改变。一般地，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于本说明书和权利要求中所公开的特定实施例，而应该被解释为包括所有可能的实施例以及这种权利要求被赋予的等同物的全部范围。对应地，权利要求不限于本公开。

设计图

一种微机电压力传感器以及电子设备论文和设计

一种微机电压力传感器以及电子设备论文和设计-E·杜奇

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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