用于MEMS换能器的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及用于MEMS换能器的系统和方法。根据实施例，一种微机电系统(MEMS)换能器包括具有第一腔体的衬底，第一腔体从衬底后侧穿过衬底。MEMS换能器还包括：在衬底的上侧覆盖第一腔体的穿孔的第一电极板；在衬底的上侧覆盖第一腔体的穿孔并且通过间隔区域与穿孔的第一电极板间隔开的第二电极板；以及在穿孔的第一电极板与第二电极板之间的间隔区域中的气敏材料。气敏材料具有取决于目标气体的浓度的电气性质。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及微加工结构，并且在特别的实施例中涉及用于微机电系统(MEMS)换能器的系统和方法。
技术介绍
换能器将信号从一个域变换到另一域，并且通常用作传感器。用作传感器并且在日常生活中可见的一个普通的换能器是麦克风，其将声波变换成电信号。普通的传感器的另一示例是温度计。存在各种通过将温度信号转换成电信号来用作温度计的换能器。基于微机电系统(MEMS)的传感器包括使用微加工技术产生的多个换能器。诸如MEMS麦克风等MEMS通过测量换能器中的物理状态的变化并且将换能信号传输给连接到MEMS传感器的处理电子设备来从环境收集信息。MEMS设备可以使用类似于用于集成电路的微加工制造技术来制造。MEMS设备可以被设计为用作例如振荡器、谐振器、加速度计、陀螺仪、温度计、压力传感器、麦克风、微扬声器和微镜。作为示例，很多MEMS设备使用电容感测技术用于将物理现象转换成电信号。在这样的应用中，使用接口电路将传感器中的电容变化变换成电压信号。一个这样的电容感测设备是MEMS麦克风。MEMS麦克风通常具有以小的距离与刚性背板分离的可偏转隔膜。响应于在隔膜上入射的声音压力波，其朝着或者远离背板偏转，从而改变隔膜与背板之间的分离距离。通常，隔膜和背板由传导性材料制成并且形成电容器的“板”。因此，当分离隔膜和背板的距离响应于入射声波而变化时，“板”与电信号之间产生电容变化。诸如例如电容MEMS的MEMS通常用在诸如平板电脑或移动电话等移动电子设备中。在一些应用中，可能理想的是，提供具有新的或者增加的功能的传感器以便向例如诸如平板电脑或移动电话等电子系统提供另外的或者改进的功能。
技术实现思路
根据实施例，一种微机电系统(MEMS)换能器包括具有第一腔体的衬底，第一腔体从衬底后侧穿过衬底。MEMS换能器还包括：在衬底的上侧覆盖第一腔体的穿孔的第一电极板；在衬底的上侧覆盖第一腔体并且通过间隔区域与穿孔的第一电极板间隔开的第二电极板；以及在穿孔的第一电极板与第二电极板之间的间隔区域中的气敏材料。气敏材料具有取决于目标气体的浓度的电气性质。附图说明为了更完整地理解本专利技术及其附图，现在参考结合附图给出的以下描述，在附图中：图1图示实施例MEMS换能器系统的系统框图；图2a和2b图示实施例MEMS气体传感器的示意性横截面视图；图3a和3b图示实施例集成MEMS换能器的俯视图和横截面视图；图4a和4b图示另一实施例集成MEMS换能器的俯视图和横截面视图；图5a和5b图示另外的实施例集成MEMS换能器的俯视图和横截面视图；图6a和6b图示另一实施例MEMS气体传感器的俯视图和横截面视图；图7图示用于形成MEMS换能器的实施例制造过程的框图；以及图8图示形成MEMS换能器的另一实施例方法的框图。不同附图中的对应的附图标记通常指代对应的部分，除非另外指出。附图被绘制以清楚地图示实施例的相关方面，而不一定按比例绘制。具体实施方式下面详细讨论各种实施例的制作和使用。然而，应当理解，本文中所描述的各种实施例适用于各种具体的上下文。所讨论的具体的实施例仅说明做出和使用各种实施例的方式，而不应当在限制意义上来理解。参考具体的上下文(即气体换能器以及更特别地MEMS湿度传感器)中的各种实施例来做出描述。本文中所描述的各种实施例中的一些包括MEMS换能器、MEMS麦克风、MEMS气体传感器、MEMS湿度传感器、集成的MEMS麦克风和湿度感测系统、用于MEMS换能器系统的接口电路、以及集成的多个换能器系统。在其他实施例中，各个方面还可以应用于涉及根据现有技术中已知的任何方式的任何类型的传感器或换能器的其他应用。随着日常使用中连接设备的数目通过技术的快速小型化、移动连接性的进步以及能量管理和效率方面的改进而增加，对于另外的功能的需求也增加。另外的功能的一个领域通过另外的传感器的集成来提供。移动设备或者一般而言的设备可以包括多个传感器，诸如麦克风、图像传感器、加速度计和陀螺仪。添加另外的传感器类型在一些应用中可以是有利的。然而，在各种应用中，诸如例如移动设备，可用于另外的传感器的空间可能受到设备的物理大小以及另外的传感器的附加成本二者的限制。因此，另外的传感器的集成提出了创新的机会。根据本文中描述的各种实施例，提供了适合集成的电容MEMS气体传感器。用于形成例如MEMS麦克风的过程包括在衬底中的腔体上方形成穿孔的背板和与穿孔的背板间隔开的可偏转隔膜。根据各种实施例，形成具有类似结构的MEMS气体传感器的类似过程包括在衬底中的腔体上方形成穿孔的第一电极和与穿孔的电极间隔开的第二电极。在这样的实施例中，第一电极与第二电极之间的间隔填充有气敏介电材料。在特定实施例中，介电材料对湿度敏感并且产生电容MEMS湿度传感器。在各种实施例中，电容MEMS湿度传感器与MEMS麦克风集成在相同的衬底中。用于麦克风的背板和隔膜的层可以与用于湿度传感器的第一电极和第二电极同时形成。因此，各种实施例包括集成的电容MEMS气体传感器，例如湿度传感器，其可以增加各种设备的功能。图1图示包括MEMS换能器102、专用集成电路(ASIC)104和处理器106的实施例MEMS换能器系统100的系统框图。根据各种实施例，MEMS换能器102包括气体传感器，气体传感器将来自与MEMS换能器102接触的气体的物理信号转换成能够由ASIC104读取并且由处理器106处理的电信号。在具体的实施例中，MEMS换能器102的气体传感器包括湿度传感器，湿度传感器生成与MEMS换能器102的周围环境的湿度相关的电信号。根据各种实施例，MEMS换能器102可以包括集成在同一半导体裸片上的多个传感器。具体地，MEMS换能器102包括声学换能器，即麦克风或扬声器，并且在一些实施例中包括气体传感器，并且在另外的实施例中还可以包括温度传感器(如图所示)。在一些实施例中，MEMS换能器102包括电容MEMS湿度传感器和电容MEMS麦克风，这二者均包括由半导体结构中相同的相应第一和第二层形成的第一和第二感测电极。因此，在特定实施例中，集成导致了小的器件大小和简单的制造。在各种实施例中，MEMS换能器102通过环境耦合108耦合到周围环境。例如，在包括MEMS换能器系统100的器件封装件(未示出)中可以设置有诸如声学端口等开口或端口。在这样的实施例中，端口提供到包括MEMS换能器系统100的器件封装件的周围环境的环境耦合108。根据各种实施例，ASIC104包括用于对接MEMS换能器102的放大器和偏置电路。ASIC104在一些实施例中还可以包括模数转换器(ADC)。在各种实施例中，ASIC104还可以包括执行与例如对接、偏置或处理电信号相关的各种附加功能的附加电路。另外，MEMS换能器102在一些实施例中包括诸如扬声器等致动器，并且ASIC104包括驱动致动器的驱动电路。在一些实施例中，ASIC104与MEMS换能器102形成在相同的半导体裸片上。在其他实施例中，ASIC104与MEMS换能器102形成在单独的半导体裸片上并且与MEMS换能器102封装在一起。替选地，ASIC104和MEMS换能器102可以形成在单独的半导体裸片上并且封装在单独的封装件中。在各种实施例中，处理器106基于来自MEMS换能器102的换能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机电系统(MEMS)换能器，包括：衬底，包括从所述衬底的后侧穿过所述衬底的第一腔体；穿孔的第一电极板，在所述衬底的上侧覆盖所述第一腔体；第二电极板，在所述衬底的上侧覆盖所述第一腔体并且通过间隔区域与所述穿孔的第一电极板间隔开；以及在所述穿孔的第一电极板与所述第二电极板之间的所述间隔区域中的气敏材料，其中所述气敏材料具有取决于目标气体的浓度的电气性质。

【技术特征摘要】
2015.06.24 US 14/749,1021.一种微机电系统(MEMS)换能器，包括：衬底，包括从所述衬底的后侧穿过所述衬底的第一腔体；穿孔的第一电极板，在所述衬底的上侧覆盖所述第一腔体；第二电极板，在所述衬底的上侧覆盖所述第一腔体并且通过间隔区域与所述穿孔的第一电极板间隔开；以及在所述穿孔的第一电极板与所述第二电极板之间的所述间隔区域中的气敏材料，其中所述气敏材料具有取决于目标气体的浓度的电气性质。2.根据权利要求1所述的MEMS换能器，还包括集成在所述衬底上的MEMS声学换能器，其中所述MEMS声学换能器包括：在所述衬底中覆盖第二腔体的穿孔的背板；以及覆盖所述第二腔体并且与所述穿孔的背板间隔开的可偏转隔膜。3.根据权利要求2所述的MEMS换能器，其中所述穿孔的背板与所述穿孔的第一电极板由相同的半导体层形成；以及所述可偏转隔膜与所述第二电极板由相同的半导体层形成。4.根据权利要求3所述的MEMS换能器，其中所述第一腔体和所述第二腔体是从所述衬底的后侧穿过所述衬底的相同的腔体。5.根据权利要求4所述的MEMS换能器，其中所述穿孔的第一电极板包括所述穿孔的背板的中央部分，并且所述第二电极板包括所述可偏转隔膜的中央部分。6.根据权利要求4所述的MEMS换能器，其中所述穿孔的第一电极板包括所述穿孔的背板的外围部分，并且所述第二电极板包括所述可偏转隔膜的外围部分。7.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述目标气体是水蒸气，并且所述气敏材料是湿度敏感材料。8.根据权利要求7所述的MEMS换能器，其中所述湿度敏感材料是聚酰亚胺。9.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述目标气体是二氧化碳。10.根据权利要求1所述的MEMS换能器，还包括：在所述衬底的上侧覆盖所述第一腔体并且通过另外的间隔区域与所述第二电极板间隔开的穿孔的第三电极板；以及在所述穿孔的第三电极板与所述第二电极板之间的所述另外的间隔区域中的所述气敏材料。11.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述穿孔的第一电极板通过所述第一腔体和包含所述MEMS换能器的封装件中的端口耦合到周围环境。12.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述穿孔的第一电极板覆盖所述第二电极板并且通过包含所述MEMS换能器的封装件中的顶部端口耦合到周围环境。13.根据权利要求1所述的MEMS换能器，还包括集成在所述衬底上的温度感测元件。14.根据权利要求1所述的MEMS换能器，还包括与所述气敏材料物理接触的加热元件。15.根据权利要求1所述的MEMS换能器，还包括旁路所述穿孔的第一电极板和所述第二电极板并且在所述第一腔体和所述衬底的上侧之间提供通风路径的通风开口。16.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述气敏材料包括介电常数取决于所述目标气体的浓度的气敏介电材料。17.一种制造微机电系统(MEMS)传感器的方法，所述方法包括：在衬底上形成第一电极板；形成与所述第一电极板间隔开的第二电极板；通过在所述衬底的后侧中蚀刻腔体来暴露所述第一电极板的底表面；释放所述第一电极板和所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·K·拉贾拉曼，Y·阿纳恩蒂古，A·德厄，S·科尔布，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE