MEMS设备和方法技术

技术编号:17618699 阅读:55 留言:0更新日期:2018-04-04 09:09
本申请描述了一种MEMS换能器,包括:一个基底;一个初级膜,所述初级膜以相对于所述基底固定的关系被支撑;一个次级膜,所述次级膜被设置在一个覆盖所述初级膜的平面中。所述次级膜通过一个基本刚性的联接结构机械地联接到所述初级膜。一个刚性的支撑板可以置于所述初级膜和所述次级膜之间。

MEMS equipment and methods

This application describes a MEMS transducer, including a substrate, a primary membrane, and a primary membrane that is supported by a relation fixed to the substrate. A secondary membrane is set in a plane covering the primary membrane. The secondary membrane is mechanically connected to the primary membrane through a basic rigid connection structure. A rigid support plate can be placed between the primary membrane and the secondary membrane.

【技术实现步骤摘要】
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的改变而变化。图1a和图1b分别示出已知的电容式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生成的压力差而自由移动。第一电极102机械地联接至所述柔性膜,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机械地联接至基本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。该基底中和任何覆盖层中的腔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,因此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。可以在制造方法期间使用第一牺牲层(即,使用一种随后可以被移除的材料来限定第一腔)且将膜层101沉积在第一牺牲材料之方来形成第一腔109。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。替代地,膜的直径由第一腔109的直径(这转而由第一牺牲层的直径来限定)结合第二腔110的直径(这转而可以由第二牺牲层的直径来限定)来限定。相比于使用湿蚀刻或干蚀刻执行的背部蚀刻方法所形成的第一腔109的直径,使用第一牺牲层所形成的第一腔109的直径可以受到更加精确地控制。因此,对基底腔108的蚀刻将限定膜101下面的基底的表面中的开口。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。如所提及的,可以通过将至少一个膜层101沉积在第一牺牲材料之上来形成所述膜。以此方式,(一个或多个)膜的材料可以延伸到支撑所述膜的支撑结构(即,侧壁)中。膜和背板层可以由彼此基本上相同的材料形成,例如膜和背板均可以通过沉积氮化硅层来形成。膜层可以被定尺寸为具有所需的柔性,然而背板可以被沉积为一种更厚且因此更刚性的结构。另外,在形成背板104时可以使用多种其他材料层,以控制背板104的性质。使用氮化硅材料体系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为使得经由背板接收入射声。在这样的情况下,另外的多个孔(在下文中称为声学孔112)被布置在背板104中,以便允许空气分子的自由移动,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响应于经由背板104中的声学孔112进入的声波而移动。在这样的情况下,基底腔108常规地称作“后容积(backvolume)”,且它可以基本上被密封。在另一些应用中,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。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容积之间自由移动。还应注意,尽管图1示出背板104被支撑在膜的与基底105相对一侧上,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,且膜层101被支撑在背板104上方。在使用中,响应于与入射在麦克风上的压力波对应的声波,所述膜从其平衡位置或静止位置略微变形。对应地改变了膜电极102和背板电极103之间的距离,导致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所产生的低频压力变化的影响,而在期望的声学频率处未影响灵敏性。MEMS换能器的柔性膜层大体包括薄的介电材料层——诸如,薄的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。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,膜电极可以是由合金(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%。消费电子设备正不断变得越来越小,并且随着技术的进步,正获得了越来越多的性能和功能。这在消费电子产品且尤其(但不排他地)在便携式产品使用的技术中非常明显,所述便携式产品诸如是移动电话、音频播放器、视频播放器、PDA、移动计算平台(诸如,膝上型计算机或平板电脑)和/或游戏设备。移动电话行业的要求例如正驱使部件变得更小,同时功能更高、成本降低。因此,期望的是,将电子电路的功能集成在一起并且将它们与换能器设备(诸如,麦克风和扬声器)组合。微机电系统(MEMS)换能器(诸如,MEMS麦克风)正在许多这些设备中获得应用。因此,还不断驱使减小MEMS设备的尺寸以及降低成本。此外,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)。换能器和任何相关联的电路系统所需的焊垫(footprint)区域将决定可以在一个给定晶片上形成多少个设备,因此影响MEMS设备的成本。因此,通常期望减小在晶片上制造MEMS设备所需的焊垫。然而,随着MEMS换能器变得更小,传感器电容被减小。这导致信号电荷较少,且因此导致电子噪声相对较高,导致性能(例如,信噪比)退化以及其他效应。本公开内容涉及寻求减少(特别是通过提供表现出增大的电容且没有使设备的焊垫大小对应地增加的MEMS换能器来减少)前面提及的缺点中的一些的MEMS换能器和方法。根据第一方面,提供了一种换能器,包括:一个基底,所述基底具有一个腔;一个初级膜,所述初级膜相对于所述基底被支撑;一个次级膜,所述次级膜被设置在一个覆盖所述初级膜的平面中,其中所述次级膜被联接到所述初级膜。根据此布置,经由基底腔接收的声波可以入射在所述初级膜上。所述初级膜优选地相对于所述基底以固定的关系悬置,例如通过其周缘被附接到所述基底和/或附接到所述换能器的侧壁和/或附接到所述换能器的另一个结构层。因此,响应于由于入射声波而在所述初级膜两侧产生的压力差,所述初级膜可以屈曲(flex)以使得所述初级膜的远离所述初级膜被附接的位置的区域从其平衡位置或静止位置移位。一个次级膜被设置在一个覆本文档来自技高网...
MEMS设备和方法

【技术保护点】
一种MEMS换能器,包括:一个基底;一个初级膜,所述初级膜以相对于所述基底固定的关系被支撑;至少一个次级膜,所述次级膜被设置在一个覆盖所述初级膜的平面中,其中所述次级膜被机械地联接到所述初级膜。

【技术特征摘要】
2016.10.31 GB 1618354.3;2016.09.26 US 62/3995591.一种MEMS换能器,包括:一个基底;一个初级膜,所述初级膜以相对于所述基底固定的关系被支撑;至少一个次级膜,所述次级膜被设置在一个覆盖所述初级膜的平面中,其中所述次级膜被机械地联接到所述初级膜。2.根据权利要求1所述的MEMS换能器,其中所述次级膜通过一个基本刚性的联接结构联接到所述初级膜。3.根据权利要求1所述的MEMS换能器,其中所述次级膜通过在所述次级膜和所述初级膜之间延伸的一个或多个联接结构联接到所述初级膜。4.根据权利要求1所述的MEMS换能器,还包括一个置于所述初级膜和所述次级膜之间的支撑结构。5.根据权利要求4所述的MEMS换能器,其中所述支撑结构被穿孔以包括从所述支撑结构的上部表面延伸到所述支撑结构的下部表面的多个孔。6.根据权利要求4所述的MEMS换能器,其中所述支撑结构包括形成至少一个支撑板电极的一个或多个导电元件,每个支撑板电极与所述初级膜或所述次级膜的一个膜电极形成一个电容器。7.根据权利要求1所述的MEMS换能器,其中第一支撑板电极与所述初级膜的至少一个电极形成一个底部电容器,并且其中第二支撑板电极与所述次级膜的至少一个电极形成一个顶部电容器。8.根据权利要求7所述的MEMS换能器,其中所述第一支撑板电极和所述第二支撑板电极是电分离的,并且其中初级膜电极被电连接至次级膜电极。9.根据权利要求8所述的MEMS换能器,其中所述第一支撑板电极的电压被保持在+Vs,所述第二支撑板电极的电压被保持在-Vs,并且其中所述初级膜电极和所述次级膜电极的电压Vm被偏置在0V。10.根据权利要求6所述的MEMS换能器,其中第一支撑板电极和第二支撑板电极被电连接至彼此,并且其中所述初级膜的膜电极和所述次级膜的膜电极是电分离的。11.根据权利要求10所述的MEMS换能器,其中所述支撑板电极的电压被偏置在0V,并且...

【专利技术属性】
技术研发人员:A·S·亨金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

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