MEMS换能器制造技术

本申请描述了具有柔性膜的MEMS换能器，并且寻求减轻和/或重分布膜层内的应力。描述了具有第一/活性区域和第二/非活性区域的膜。

MEMS device and method

The present application describes a MEMS transducer having a flexible membrane and seeks to mitigate and / or re distribute stress within the film. A membrane having a first / active region and second / inactive region is described.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】MEMS设备和方法本专利技术涉及微机电系统(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，通常通过测量所述电极之间的电容来实现读出。在输出换能器的情况下，通过静电力来移动所述膜，所述静电力是通过使跨所述电极施加的电位差变化生成的。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103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102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102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连接至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103和第二电极102之间的是第二腔110。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。又一些多个孔(在下文中称为声学孔112)被布置在背板104中，以便允许空气分子自由移动穿过该背板，使得第二腔110与该背板的另一侧上的空间一起形成声学容积的一部分。膜101因此被支撑在两个容积之间，一个容积包括腔109和基底腔108，另一个容积包括腔110和该背板上方的任何空间。这些容积被定尺寸使得该膜可以响应于经由这些容积中的一个进入的声波而移动。通常，入射声波到达该膜所穿过的容积称为“前容积(frontvolume)”，而另一个容积称为“后容积(backvolume)”，所述另一个容积可以是基本上密封的。在一些应用中，该背板可以被布置在前容积中，以使得入射声音经由背板104中的声学孔112到达该膜。在这样的情况下，基底腔108可以被定尺寸为提供至少一个合适的后容积的相当大一部分。在其他应用中，该麦克风可以被布置为使得，在使用时可以经由基底腔108接收声音，即该基底腔形成一个到膜的声学通道的一部分和前容积的一部分。在这样的应用中，背板104形成通常由某个其他结构(诸如合适的封装件)封闭的后容积的一部分。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，该膜从其平衡位置略微变形。下部电极103和上部电极102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通过电子电路系统(未示出)检测。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，但不会在期望的声学频率下影响灵敏度。本领域技术人员将理解，MEMS换能器通常被形成在晶片上，之后被单切(singulated)。正越来越多地提出，至少某个电子电路系统(例如用于换能器的读出和/或驱动)也被提供作为具有换能器的集成电路的一部分。例如，MEMS麦克风可以被形成为具有至少某个放大器电路系统和/或某个用于使麦克风偏置的电路系统的集成电路。换能器和任何电路系统所期望的区域的占地面积(footprint)将决定可以在一个给定的晶片上形成多少个设备，从而影响MEMS设备的成本。因此，通常期望减少在晶片上制造MEMS设备所期望的占地面积。除了适合于在便携式电子设备中使用之外，这样的换能器应能够耐受对便携式设备的预期处置和使用，所述便携式设备的预期处置和使用可以包括该设备被意外掉落。如果设备(诸如移动电话)遭受坠落，这不仅会导致由于撞击而产生的机械冲击，而且还会导致入射在MEMS换能器上的高压力脉冲。例如，移动电话可能在该设备的一个面上具有用于MEMS麦克风的声音端口。如果该设备坠落到该面上，则一些空气可以被坠落中的设备压缩，且被迫进入声音端口中。此压缩可以导致入射在换能器上的高压力脉冲。已经发现，在常规MEMS换能器中，高压力脉冲可以潜在地导致换能器的损坏。为了帮助防止可能由这些高压力脉冲所导致的任何损坏，已经提出，MEMS换能器可以被设置有可变通气部(vent)，所述可变通气部可以在前容积和后容积之间提供流动路径，该流动路径具有在使用时可以变化的尺寸。在高压力情形下，所述可变通气部在所述容积之间提供相对大的流动路径，以便在所述容积之间提供相对迅速的均衡，从而减小膜上的高压力事件的程度和/或持续时间。然而，在换能器的预期正常操作范围以内的较低压力下，该流动路径的尺寸(如果有的话)则较小。因此，可变通气部结构(ventstructure)用作一种类型的压力释放阀，以在相对高的压力差下减小作用在膜上的压力差。然而，与在具有固定面积从而具有固定尺寸的流动路径的膜中可能存在的排出孔不同，可变通气部具有响应于压力差而变化的流动路径尺寸。因此，可变通气部允许通气的程度取决于作用在通气部上的压力差，所述压力差显然取决于第一容积和第二容积中的至少一个的压力。该可变通气部因此提供可变的声学阻抗。一种所提出的可变通气部结构具有一个可移动部分，该可移动部分可移动，以便打开在膜的任一侧上的容积之间延伸的孔。图2a和图2b例示这样已知的可变通气部结构。图2a例示诸如上文关于图1a和图1b描述的换能器的柔性膜101(为了清楚起见，省略了换能器结构的其余部分)。该膜被支撑在包括腔109的第一容积和包括腔110的第二容积之间。如上文描述的，该膜通常将具有多个排出孔111，所述排出孔111被定尺度并且被布置为在换能器上产生调谐效应并且减小低频压力变化的影响。然而，这样的排出孔被设计为在感兴趣的声学频率下对动态压力变化具有有限的影响，从而提供对突然高压力事件的非常有限的响应。因此，图2a的换能器结构还包括由可移动部分202形成的可变通气部结构201，如由图2b例示的，该可移动部分202相对于一个孔可移动，所述孔在此情况下是穿过膜101的孔。可移动部分202被布置为在平衡压力下(即当第一容积和第二容积处于大体上相同的压力时)占据该孔的区域的至少一些，且可能占据该孔的区域的大部分。该可移动部分响应于该孔两侧(即在前容积和后容积之间从而膜两侧)的局部压力差而可移动，以便使该孔的尺寸变化，该孔被打开以提供流动路径，从而使通气部允许所述容积之间的压力均衡的程度变化。换句话说，在平衡时，该可移动部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS换能器，包括一个膜和至少一个安装结构，所述至少一个安装结构用于相对于一个基底支撑所述膜以提供一个柔性膜，且所述MEMS换能器还包括一个或多个应力扩散结构，所述一个或多个应力扩散结构设置在所述膜中，以便使所述安装结构的区域中的应力扩散。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.26 US 62/107,8981.一种MEMS换能器，包括一个膜和至少一个安装结构，所述至少一个安装结构用于相对于一个基底支撑所述膜以提供一个柔性膜，且所述MEMS换能器还包括一个或多个应力扩散结构，所述一个或多个应力扩散结构设置在所述膜中，以便使所述安装结构的区域中的应力扩散。2.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述应力扩散结构包括一个延伸穿过所述膜的缝。3.根据权利要求2所述的MEMS换能器，其中所述缝的形态是弯曲的或弓形的。4.根据权利要求2或3所述的MEMS换能器，其中所述缝是C形的或U形的。5.根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，所述膜包括一个中心区域和多个应力分布臂，所述多个应力分布臂从所述中心区域横向延伸。6.根据权利要求5所述的MEMS换能器，其中每个应力分布臂包括所述至少一个安装结构中的至少一个。7.根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中多个所述安装结构被设置在所述膜的周界处或附近。8.根据权利要求5至7中任一项所述的MEMS换能器，其中所述应力分布臂相对于所述膜的所述中心区域布置为使得所述膜内的应力以受控的方式变化。9.根据权利要求5至8中任一项所述的MEMS换能器，其中所述应力分布臂围绕所述膜的所述中心区域被均匀地间隔开。10.根据权利要求5至9中任一项所述的MEMS换能器，其中所述中心区域和所述多个应力分布臂形成所述膜的第一区域，且其中所述膜还包括第二区域。11.根据权利要求10所述的MEMS换能器，其中所述换能器包括一个电极，所述电极被联接到所述膜的所述第一区域。12.根据权利要求10或11所述的MEMS换能器，还包括设置在所述膜的所述第二区域中的至少一个通气部结构。13.根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中所述膜的形状是大体上正方形的或矩形的。14.根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中所述膜包括：一个活性膜区域，活性区域包括多个臂，用于支撑所述活性膜区域；和多个非活性膜区域，所述多个非活性膜区域未被直接连接到所述活性膜区域。15.根据权利要求14所述的MEMS换能器，其中所述臂能够围绕所述活性膜的周界基本上均匀地散布。16.根据权利要求14或15所述的MEMS换能器，其中所述活性膜区域的所述臂包括一个或多个安装件。17.根据权利要求16所述的MEMS换能器，其中每个臂的所述安装件与所述活性膜的中心基本上等距。18.根据权利要求16所述的MEMS换能器，其中具有由所述安装件限定的周界的形状的基本上所有区域都包括膜材料。19.根据权利要求14至18中任一项所述的MEMS换能器，其中所述活性膜处于内在应力下。20.根据权利要求14至19中任一项所述的MEMS换能器，其中至少一个可变通气部结构被形成在一个非活性膜区域中。21.根据权利要求20所述的MEMS换能器，其中所述至少一个可变通气部被定位成使得所述通气部的、响应于压力差而打开的一部分覆盖一个基底腔的开口。22.根据权利要求14至21中任一项所述的MEMS换能器，其中所述换能器包括形成在膜层中的至少一个可变通气部结构，其中所述活性膜区域不包括任何可变通气部结构。23.根据权利要求14至22中任一项所述的MEMS换能器，其中用于低频压力均衡...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·L·卡吉尔，C·R·詹金斯，E·J·博伊德，R·I·拉明，
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