压电MEMS传感器、声换能器和电子器件制造技术

一种压电型MEMS传感器、具体地麦克风(50)，形成于采用半导体材料的容纳柔顺部分(54)的膜(52)中，该柔顺部分从该膜的第一表面(52a)延伸至第二表面(52b)。该柔顺部分(54)具有低于该膜(52)的其余部分的杨氏模量。具有半导体材料的敏感区域(57)在该柔顺部分(54)上方在该第一表面(52a)上延伸，并且在其端部在所述柔顺部分(54)的相反侧上固定至所述膜(52)上。所述膜的安排在所述柔顺部分(54)与所述第二表面(52b)之间的第三区域(55)形成铰链元件。

【技术实现步骤摘要】
压电MEMS传感器、声换能器和电子器件
本技术涉及一种具有改进灵敏度的压电型MEMS(微机电系统)传感器，如力传感器、压力传感器、变形传感器或麦克风。在下文中，将具体参考麦克风，而不失一般性。
技术介绍
众所周知，微加工半导体器件的MEMS技术使得能够在半导体材料层内形成微机电结构，这些微机电结构在牺牲层(例如，多晶硅层)上沉积或生长(例如，外延层)，这些牺牲层经由化学蚀刻而被去除。例如，如图1所示，MEMS麦克风(也称为电声换能器)包括集成在半导体材料的芯片中或芯片上的柔性膜。这里，麦克风1包括由衬底3承载并悬挂在空腔4上方的膜2。如用虚线所表示的，膜2暴露于声波(Patm)下并且由于这些声波所施加的力而偏转。对膜的偏转的测量可以属于不同的类型，例如，属于压阻类型，并且为此，将压敏电阻器集成在膜中或膜上；属于电容型，并且为此，将膜电容耦合至裸片的另一导电区域；属于电磁型，并且为此，将线圈耦合至磁性区域。在所有情况下，对由于膜的偏转而引起的电信号的变化进行测量。近几年来，还提出了压电型麦克风，其中，利用了压电性，即，某些材料在经受变形时产生电压的能力。具体地，在压电型麦克风中，采用压电材料(如，AlN和PZT(锆钛酸铅))的敏感区域形成在膜上，在中心位置，受到最大变形并因此受到最大应力。在引起膜的偏转以及因此敏感区域的偏转的声波存在的情况下，这些引起了与所检测到的声波的强度相关的电压变化。连接至MEMS麦克风的接口电路放大所产生的电荷并处理由此产生的信号，从而输出模拟信号或数字信号，该模拟信号或数字信号然后可以由相关联的电子器件的微控制器来处理。例如在US8,896,184中描述了并且在图2-4中表示了压电型MEMS麦克风。图2示出了在上述美国专利中所描述的悬臂梁型的MEMS麦克风5的实施例。麦克风5包括具有空腔7的硅衬底6以及在空腔上方延伸的两个梁8A、8B。每个梁8A、8B在对应侧(右手侧和左手侧)上锚定到衬底6并且由层堆叠形成，该层堆叠例如包括多个压电层10(例如，采用钼)，与多个电极层11(例如采用氮化铝)相交替。电介质层12使梁8A、8B与衬底6电绝缘。在不同的实施例中，同样是在上述美国专利中所描述并且在图3和图4所示出的，麦克风15包括外围固定至衬底17并悬挂在空腔18上方的膜16。膜16由AlN制成，并且钼电极19、20在膜16的上方和下方均有形成，从而形成两个敏感元件。这些压电型麦克风通常通过偏转进行工作。这使得位于膜的中心的压电部分比安排在外围的压电部分偏转得更多。实际上，只是压电区域的中心部分以有效的方式工作，而实际上不使用外围部分。
技术实现思路
因此，本技术的目的是提供一种以与现有技术解决方案相比更有效的方式运行的压电型传感器。根据本技术，提供一种压电MEMS传感器，包括：半导体材料的膜，所述膜具有第一和第二表面；在所述膜内的柔顺部分，所述柔顺部分从所述膜的所述第一表面延伸到所述第二表面，并且将所述膜的第一区域与第二区域分离开，所述第一和第二区域安排在所述柔顺部分的不同侧上，所述柔顺部分具有低于所述膜的所述第一和第二区域的杨氏模量；以及包括压电材料的敏感区域，所述敏感区域在所述柔顺部分上方在所述第一表面上延伸，并且具有固定至所述膜的所述第一区域的至少一个第一部分以及固定至所述膜的所述第二区域的一个第二部分，其中，所述膜的安排在所述柔顺部分与所述第二表面之间的第三区域形成铰链元件。附图说明为了更好地理解本技术，现在仅通过非限制性示例的方式参照附图描述本技术的优选实施例，在附图中：-图1示出了压电型力传感器的简化图；-图2是已知压电MEMS麦克风的横截面；-图3是不同的已知压电MEMS麦克风的横截面；-图4是图3的MEMS麦克风的顶视平面图；-图5是展示出本技术传感器的工作原理的简化图；-图6示出了使用图5所示的工作原理的MEMS传感器的可能实现方式；-图7是使用图5所示的工作原理的麦克风的横截面；-图8是图7的麦克风的一部分的俯视透视图；-图9示出了图8的麦克风的放大细节；-图10-15是图7的麦克风的连续制造步骤中的硅晶片的横截面；-图16示出了连接至图7的麦克风的前置放大器的简化电路图；-图17示出了声换能器的框图，该声换能器包括图7的麦克风及图17的前置放大器；-图18示出了配置有本技术麦克风的电子装置的简化框图；以及-图19示出了图7的麦克风的不同实施例的细节。具体实施方式本MEMS传感器基于将作用于其上的横向力转换成纵向拉伸力的原理，所述纵向拉伸力作用于敏感压电材料区域。以均匀的方式将如此转换的力施加于敏感区域的整个或基本上整个体积上，其从而以更有效的方式工作。这可以采用图5所示的方式来获得。这里，传感器30包括采用压电材料(例如，PZT)的敏感区域31，该敏感区域形成在铰链元件32的上方，该铰链元件在这里通过在其第一端处在O中铰接在一起并在其第二端处固定至敏感区域31的两个臂33来表示。敏感区域31在此被例示为条带，该条带具有与图5中可见的宽度相对应的纵向方向，平行于二维参考系XZ的轴线X。如图5所示，在垂直于敏感区域31的纵向方向的方向上(平行于Z轴)作用于传感器30上的横向力FT产生了作用在臂32上并且作用用于使臂32的第二端远离彼此的扭矩M。因此，臂32的第二端在敏感区域31上在固定区域中施加纵向力偶FL，该纵向力偶相对于敏感区域30在相反方向上被纵向引导，并且在其纵向方向上“拉”敏感区域30。以这种方式，铰链元件32将横向力FT转换成以均匀的方式施加在敏感区域30的整个体积上的纵向力FL。上述参考图5描述的原理可以以图6所示的方式在采用半导体材料的MEMS器件中实现。这里，半导体材料(例如硅)的本体40(具有彼此相反的第一表面40a和第二表面40b)具有从第一表面40a延伸直至接近第二表面40b的柔顺区域41。柔顺区域41可以是空腔，该空腔可以是空的或填充有具有比本体40的半导体材料更大的弹性系数的材料，例如，氧化硅。本体40的被安排在柔顺区域41下面在后者的底部与本体40的第二表面40b之间的部分具有比本体40小的厚度以及与空腔41的体积相比较低的顺应性，并形成类似于图5中的铰链元件32的铰链区域45。敏感区域42(采用压电材料)在柔顺区域41处在第一表面40a上方延伸，并且在其两个相反端处被固定至本体40，在本体40的两部分上相对于柔顺区域41被安排在相反侧上。因此，类似于针对图5已经描述的，垂直于第一表面40a地作用于本体40上的横向力FT(例如，声波)引起垂直于第一表面40a并在相反的方向上被引导的纵向力偶FL。这些纵向力FL作用用于使本体40的安排在空腔41相反侧上的两个部分以及因此敏感区域42的端部相互远离，从而造成敏感区域42的拉伸变形。由于压电效应，产生可以被测量的电压。应注意的是，通过适当的调整空腔41和敏感区域42的尺寸，即使空腔41是空的，也可以防止由于纵向力FL而导致的敏感区域42的任何向下挠曲。在这种情况下，例如，空腔41(在平行于X轴的方向上)的宽度可以小于敏感区域42(在平行于Z轴的方向上)的厚度。以这种方式，即，获得了性能增益，因为敏感区域42的电容降低，并且所产生的电荷以及因此电压增大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电MEMS传感器(50)，其特征在于，包括：半导体材料的膜(52)，所述膜具有第一和第二表面(52a，52b)；在所述膜内的柔顺部分(54)，所述柔顺部分从所述膜的所述第一表面(52a)延伸到所述第二表面(52b)，并且将所述膜的第一区域与第二区域分离开，所述第一和第二区域安排在所述柔顺部分的不同侧上，所述柔顺部分(54)具有低于所述膜(52)的所述第一和第二区域的杨氏模量；以及包括压电材料的敏感区域(57)，所述敏感区域在所述柔顺部分(54)上方在所述第一表面(52a)上延伸，并且具有固定至所述膜(52)的所述第一区域的至少一个第一部分以及固定至所述膜的所述第二区域的一个第二部分，其中，所述膜的安排在所述柔顺部分(54)与所述第二表面(52b)之间的第三区域(55；55’)形成铰链元件。

【技术特征摘要】
2016.10.31 IT 1020160001097641.一种压电MEMS传感器(50)，其特征在于，包括：半导体材料的膜(52)，所述膜具有第一和第二表面(52a，52b)；在所述膜内的柔顺部分(54)，所述柔顺部分从所述膜的所述第一表面(52a)延伸到所述第二表面(52b)，并且将所述膜的第一区域与第二区域分离开，所述第一和第二区域安排在所述柔顺部分的不同侧上，所述柔顺部分(54)具有低于所述膜(52)的所述第一和第二区域的杨氏模量；以及包括压电材料的敏感区域(57)，所述敏感区域在所述柔顺部分(54)上方在所述第一表面(52a)上延伸，并且具有固定至所述膜(52)的所述第一区域的至少一个第一部分以及固定至所述膜的所述第二区域的一个第二部分，其中，所述膜的安排在所述柔顺部分(54)与所述第二表面(52b)之间的第三区域(55；55’)形成铰链元件。2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于，所述柔顺部分(54)包括在所述膜(52)中的空腔(53)。3.根据权利要求2所述的MEMS传感器，其特征在于，所述空腔(53)填充有具有低于所述半导体材料的杨氏模量的柔顺材料。4.根据权利要求3所述的MEMS传感器，其特征在于，所述柔顺材料选自介电材料、与所述膜的所述半导体材料不同的半导体材料、以及多孔半导体材料。5.根据权利要求1或2所述的MEMS传感器，其特征在于，包括在所述膜(52)中彼此相邻安排的多个另外的柔顺部分(54)、以及在对应的另外的柔顺部分(54)上方在所述第一表面(52a)上延伸的相应多个另外的敏感区域(57)，所述另外的敏感区域各自在所述对应的另外的柔顺部分...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·朱斯蒂，S·康蒂，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：新型
国别省市：意大利,IT