MEMS设备和方法技术

本申请涉及一种MEMS换能器，包括：一个导电材料层，所述导电材料层设置在一个膜材料层的表面上。所述导电材料层包括第一区域和第二区域，其中所述/每个第一区域和所述/每个第二区域的厚度和/或电导率是不同的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】MEMS设备和方法本公开内容涉及微机电系统(MEMS)设备和方法，具体地，涉及与换能器有关的MEMS设备和方法，所述换能器例如是电容式麦克风。多种MEMS设备正变得越来越受欢迎。MEMS换能器，尤其是MEMS电容式麦克风，越来越多地用在便携式电子设备(诸如移动电话和便携式计算设备)中。使用MEMS制造方法形成的麦克风设备通常包括一个或多个膜，其中用于读出/驱动的电极被沉积在所述膜和/或基底上。在MEMS压力传感器和麦克风的情况下，通常通过测量一对电极之间的电容来实现读出，该电容将随着所述电极之间的距离响应于入射在膜表面上的声波改变而变化。图1a和图1b分别示出了已知的电容式MEMS麦克风设备100的示意图和立体视图。电容式麦克风设备100包括一个膜层101，该膜层101形成一个柔性膜，该柔性膜响应于由声波所生成的压力差而自由移动。第一电极102机械地联接至该柔性膜，且它们一起形成电容式麦克风设备的第一电容板。第二电极103机械地联接至大体刚性的结构层或背板(back-plate)104，它们一起形成电容式麦克风设备的第二电容板。在图1a示出的实施例中，第二电极103被嵌入在背板结构104中。该电容式麦克风被形成在基底105上，该基底105例如是硅晶片，该硅晶片可以具有在其上形成的上部氧化物层106和下部氧化物层107。该基底中以及任何覆盖层中的腔108(在下文中称为基底腔)被设置在膜下方，且可以使用“背部蚀刻(back-etch)”穿过基底105来形成。基底腔108连接到定位在膜正下方的第一腔109。这些腔108和109可以共同提供声学容积，从而允许膜响应于声学激励而移动。置于第一电极102和第二电极103之间的是第二腔110。可以在制造过程期间使用第一牺牲层来形成第一腔109，即，使用一种材料来限定随后可以被去除的第一腔，并将膜层101沉积在第一牺牲材料上方。使用牺牲层来形成第一腔109意味着对基底腔108的蚀刻对于限定膜的直径不起任何作用。相反，由第一腔109的直径(其进而由第一牺牲层的直径来限定)结合第二腔110的直径(其进而由第二牺牲层的直径来限定)来限定膜的直径。相较于使用湿蚀刻或干蚀刻执行的背部蚀刻过程所形成的第一腔109的直径，可以更精确地控制使用第一牺牲层所形成的第一腔109的直径。因此，蚀刻基底腔108将在膜101下面的基底的表面中限定一个开口。多个孔(在下文中称为排出孔(bleedhole)111)连接第一腔109和第二腔110。如所提到的，可以通过将至少一个膜层101沉积在第一牺牲材料上方来形成膜。以此方式，(一个或多个)膜层的材料可以延伸到支撑膜的支撑结构(即，侧壁)内。可以由彼此大体上相同的材料形成膜和背板层，例如膜和背板均可以通过沉积氮化硅层来形成。膜层可以被设定尺度以具有所需的柔性，而背板可以被沉积成更厚且因此更刚性的结构。此外，在形成背板104时可以使用多种其他材料层以控制背板的属性。使用氮化硅材料系统在许多方面是有利的，尽管可以使用其他材料，例如使用多晶硅膜的MEMS换能器是已知的。在一些应用中，麦克风可以在使用中被布置成使得经由背板接收入射声音。在这样的情况下，在背板104中布置另外的多个孔(下文称为声孔112)，以便允许空气分子自由移动，使得声波可以进入第二腔110。与基底腔108相关联的第一腔109和第二腔110允许膜101响应于通过背板104中的声孔112进入的声波而移动。在这样的情况下，基底腔108通常被称为“后容积(backvolume)”，且它可以基本上被密封。在其他应用中，麦克风可以被布置成使得可以在使用时经由基底腔108接收声音。在这样的应用中，背板104通常仍设置有多个孔，以允许空气在第二腔和背板上方的另一个容积之间自由移动。还应注意，虽然图1示出背板104被支撑在膜的、与基底105相对的一侧上，但是如下这样的布置是已知的，其中背板104被形成为距基底最近，其中膜层101被支撑在背板104上方。在使用时，响应于与入射在麦克风上的压力波对应的声波，膜从其平衡位置或静态位置略微变形。膜电极102和背板电极103之间的距离被对应地更改，从而引起这两个电极之间的电容的改变，所述电容的改变随后被电子电路系统(未示出)检测到。排出孔允许第一腔和第二腔中的压力在相对长的时段(就声学频率而言)内平衡，这减小了例如由温度变化等引起的低频压力变化的影响，但不会影响在期望的声学频率下的灵敏度。MEMS换能器的膜层且因此柔性膜大体包括薄介电材料层——诸如，晶体材料层或多晶材料层。该膜层实际上可以通过以相继的步骤沉积的若干个材料层形成。因此，柔性膜101可以例如是由氮化硅Si3N4或多晶硅形成的。晶体材料和多晶材料具有高强度和低塑性变形，在膜的构造中高强度和低塑性变形都是非常期望的。MEMS换能器的膜电极102通常是薄的金属(例如，铝)层，该金属层通常位于柔性膜101的中心，即，膜的位移最多的部分。本领域技术人员将理解，膜电极可以是通过沉积金属合金(诸如，铝硅合金)形成的。通常在膜的中心区域中，膜电极通常可以例如覆盖膜的区域的近似40％。因此，已知的换能器膜结构由两层不同的材料——通常是介电层(例如SiN)和导电层(例如AlSi)——组成。通常，柔性膜101和膜电极102可以被制造成在静态位置基本上是平面的，即在膜两侧没有压力差，如图1a中例示的。柔性膜层可以被形成为在此静态位置基本上平行于背板层，以使得膜电极102平行于背板电极103。然而，随着时间的推移，膜结构可能会变形——例如由于相对大的位移或重复的位移——以使得它不会返回到完全相同的起始位置。许多问题与先前考虑的换能器设计相关联。特别地，膜和膜电极两者都将在生产之后承受固有的机械应力，例如因为在几百摄氏度的相对高的温度下被沉积并且期望返回到室温以收缩不同的量，收缩的量不同是由于热膨胀系数大不相同但却紧密地机械联接在一起。由于应力导致不能立即使储存的能量消散，即不能够通过单独的机械收缩完全释放应力，电极和膜的复合结构将趋于变形，类似于公知的双金属片形恒温传感器的操作。在很长一段时间内，尤其是当作为典型使用中的麦克风膜遇到重复的机械运动时，金属电极层尤其在它退火时可能遭受蠕变变形或塑性变形，以减少其储存的应力能量——不能够以任何其他方式释放它。因此，包括柔性膜和膜电极的膜结构的平衡位置或静态位置从第一天起就对生产条件敏感并且也会随着时间的推移改变。图2例示了随着时间的推移可能发生在膜101/102的静态位置的永久变形。可以看出，膜的静态位置且因此背板电极103和膜电极102之间的间隔因此从其刚生产后的位置(由虚线示出)改变到变形的静态位置。这可以导致来自这样的换能器的测量信号的直流偏移，这是因为在静态位置处的电容是不相同的。更重要地，对于交流音频信号，电容的改变导致信号负荷对于给定声学刺激的变化，即麦克风的声电灵敏度。此外，复合电极-膜结构101/102的弹性对电极和膜层的机械应力敏感。生产条件的任何变化和经由金属蠕变等的后续应力释放将影响这些层的应力值。由于应力失配导致的变形也将直接影响静态应力值。因此，可以理解的是，膜结构和相关的换能器可经受增加的初始灵敏度的生产变化并且还经历灵敏度随着时间推移的改本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS换能器，包括：一个基底，所述基底具有一个腔；一个膜材料层，所述膜材料层相对于所述基底设置，其中所述膜材料在所述腔上方延伸；一个导电材料层，所述导电材料层设置在所述膜材料层的表面上；所述导电材料层包括至少一个第一区域和至少一个第二区域，所述第一区域具有第一厚度和第一电导率，所述第二区域具有第二厚度和第二电导率，其中所述/每个第一区域和所述/每个第二区域的厚度和/或电导率是不同的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.04 GB 1616862.7;2016.08.22 US 62/377,8751.一种MEMS换能器，包括：一个基底，所述基底具有一个腔；一个膜材料层，所述膜材料层相对于所述基底设置，其中所述膜材料在所述腔上方延伸；一个导电材料层，所述导电材料层设置在所述膜材料层的表面上；所述导电材料层包括至少一个第一区域和至少一个第二区域，所述第一区域具有第一厚度和第一电导率，所述第二区域具有第二厚度和第二电导率，其中所述/每个第一区域和所述/每个第二区域的厚度和/或电导率是不同的。2.根据权利要求2所述的MEMS换能器，其中所述导电材料的所述第一区域和所述第二区域表现出不同的厚度。3.根据权利要求1或2所述的MEMS换能器，其中所述第一区域和所述第二区域在所述膜的表面上形成电连续导电层。4.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS换能器，其中所述导电材料层的所述第二区域包括导电材料的第一子层和第二子层。5.根据权利要求4所述的MEMS换能器，其中所述子层中的至少一个包括一个具有至少一个开口的导电材料层。6.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS换能器，其中至少一个第一区域设置在所述膜的覆盖所述基底腔的区域上。7.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS换能器，其中形成所述第一区域的导电材料包括一个导电材料的连续片材。8.根据权利要求1至6中任一项所述的MEMS换能器，其中形成所述第一区域的导电材料包括一个具有至少一个开口的导电材料层。9.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS换能器，其中所述导电材料层形成所述换能器的膜电极。10.根据权利要求9所述的MEMS换能器，其中所述导电材料层形成一个导电线路，所述导电线路在所述膜电极和用于将所述膜电极电耦合到用于读出的电路系统的区域之间延伸。11.根据权利要求10所述的MEMS换能器，其中所述线路至少部分由至少一个第二区域形成。12.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS换能器，其中所述导电材料的至少一个第二区域设置在所述膜材料层的表面的一个区域上，该区域在所述膜材料层的覆盖所述腔的区域的横向外侧。13.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS换能器，其中所述膜材料层表现出至少一个在第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·杜菲，C·R·詹金斯，T·H·胡克斯特拉，
申请(专利权)人：思睿逻辑国际半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB