MEMS设备和方法技术

本申请描述了具有一个膜和一个膜电极的MEMS换能器。该膜和膜电极形成两层结构。该膜电极是导电材料的晶格的形式。该晶格的节距和/或开口的尺寸从该膜电极的中心区域到该中心区域侧向外部的区域变化。

MEMS equipment and methods

This application describes a MEMS transducer with a membrane and a membrane electrode. The membrane and the membrane electrode form two layers of structure. The film electrode is a lattice form of conductive material. The pitch and/or opening size of the lattice varies from the central region of the membrane electrode to the lateral to external region of the central region.

【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制造方法所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所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，且将膜层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所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(在下文中称为声学孔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止位置略微变形。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换能器的柔性膜层通常包括一个薄介电材料层-诸如晶体材料层或多晶材料层。实际上，该膜层可以由几个材料子层形成，这些子层在相继的步骤中沉积以形成该膜层。柔性膜101可以例如由氮化硅Si3N4或多晶硅形成。晶体材料和多晶材料具有高强度和低塑性变形，这两者在膜结构中都是非常期望的。MEMS换能器的膜电极102通常是薄金属(例如，铝)层，该薄金属层通常位于膜101的中心，即该膜的移位最大的部分。本领域技术人员将理解，该膜电极可以例如由一种合金(诸如，铝-硅)形成。该膜电极通常可以覆盖例如该膜的面积的大约40％，通常在膜的中心区域中。因此，已知的换能器膜结构由两个不同的材料层，通常是介电层(例如，SiN)和导电层(例如，AlSi)，组成。通常，膜层101和膜电极102可以被制造成在静止位置是大体上平面的，即横跨该膜没有压力差，如图1a中例示的。该膜层可以被形成为在此静止位置大体上平行于背板层，以使得膜电极102平行于背板电极103。然而，随着时间的推移，膜结构可能变形(例如，由于相对高的移位或重复的移位)，以使得它将不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。特别是膜和膜电极在制造之后都会遭受固有的机械应力。由于膜和膜电极具有显著不同的热膨胀系数，所以在沉积之后在结构内产生机械应力，因为材料在从几百摄氏度的高沉积温度返回到室温时收缩不同的量。由于两个层紧密地机械联接在一起，所以通过独立的机械收缩防止应力消散，电极和膜的复合结构将倾向于变形。这类似于双金属条恒温器传感器的众所周知的操作。很长一段时间，尤其是当在使用中经受在麦克风膜中典型的重复机械运动时，金属电极层特别会在其退火时经受蠕变或塑性变形，以降低其储存的应力能量，该应力能量无法以任何其他方式释放。因此，包括膜和膜电极的膜结构的平衡位置或静止位置从一开始就对制造条件敏感，且还可以随时间的推移改变。图2例示了膜101/102的静止位置可能发生的永久变形。可以看出，膜的静止位置从而背板电极103和膜电极102之间的间隔进而从其一经制造之后所在的位置(由虚线示出)改变到变形的静止位置。这可能导致来自这样的换能器的测量信号中的DC偏移，因为在静止位置处的电容不相同。更重要地，对于交流音频信号，电容的改变导致用于给定声学激励的信号电荷(即，麦克风的声电灵敏度)的变化。另外，复合电极-膜结构101/102的弹性对电极层和膜层的机械应力敏感。制造条件的任何变化以及随后经由金属蠕变等引起的应力释放都将影响这些层的应力值。由于应力失配所引起的变形也将直接影响静止应力的值。因此，可以理解，膜结构和相关联的换能器可能遭受初始灵敏度的增大的制造变化，且此外随着时间的推移经历灵敏度的改变或漂移，这意味着换能器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS换能器，包括：一个膜层；以及，一个膜电极，该膜电极由一种导电材料形成在该膜层的一个表面上，该膜电极具有设置在其中的多个开口，其中该导电材料的面积相对于所述开口的面积的比率从位于该膜层的中心区域处或附近的第一区域中的第一所述比率减小到位于该第一区域侧向外部的第二区域中的第二所述比率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.30 GB 1611412.6;2016.06.30 GB PCT/GB2016/01.一种MEMS换能器，包括：一个膜层；以及，一个膜电极，该膜电极由一种导电材料形成在该膜层的一个表面上，该膜电极具有设置在其中的多个开口，其中该导电材料的面积相对于所述开口的面积的比率从位于该膜层的中心区域处或附近的第一区域中的第一所述比率减小到位于该第一区域侧向外部的第二区域中的第二所述比率。2.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中设置在该膜电极的该第一区域中的开口的尺寸不同于该膜电极的该第二区域中的开口的尺寸。3.根据权利要求2所述的MEMS换能器，其中设置在该第一区域中的开口小于设置在该第二区域中的开口。4.根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中该第一区域中的相邻的开口之间的节距距离不同于该膜电极的该第二区域中的相邻的开口之间的节距距离。5.根据权利要求4所述的MEMS换能器，其中该第一区域中的开口之间的节距距离大于该第二区域中的开口之间的节距距离。6.根据权利要求5所述的MEMS换能器，其中设置在该第一区域中的开口与设置在该第二区域中的开口的尺寸相同。7.根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，除了该第一区域之外，该膜电极还包括两个或更多个附加区域。8.根据权利要求7所述的MEMS换能器，其中所述附加区域中的每个围绕该第一区域同心地布置，且其中该导电材料的面积相对于所述开口的面积的比率从位于所述第一区域处的所述第一比率朝向该膜电极的周边减小。9.根据任一项前述要求所述的MEMS换能器，该换能器还包括一个基底，该基底具有一个设置在其中的腔，其中该膜层覆盖该腔，且其中该膜层的中心区域覆盖该基底腔的中心。10.根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，包括一个背板结构，其中该柔性膜相对于所述背板结构被支撑。11.根据权利要求10所述的MEMS换能器，其中所述背板结构包括穿过所述背板结构的多个孔，且其中在正交于该膜的方向上，该膜电极中的至少一个开口的面积的至少一部分对应于至少一个背板孔的面积。12.根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中所述开口的形状是圆形的。13.根据权利要求1至11中的任一项所述的MEMS换能器，其中所述开口表现出多边形形状。14.根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中该膜电极包括一个晶格结构。15.根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中该膜层和该...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·R·詹金斯，S·L·卡吉尔，C·R·格雷厄姆，
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