MEMS换能器及包括MEMS换能器的电容式麦克风制造技术

本申请涉及MEMS换能器及包括MEMS换能器的电容式麦克风。本申请描述的换能器结构具有被支撑在第一容积和第二容积之间的柔性膜。该换能器结构包括与所述第一容积和第二容积中的至少一个连通的至少一个可变通气部结构，所述可变通气部结构包括至少一个可移动部，所述可移动部响应于该可移动部两侧的压力差而可移动，从而改变穿过所述通气部结构的流动路径的尺寸。该可变通气部可被形成为穿过该膜，且该可移动部可以是该膜的一部分，该部分由一个或多个通道限定，可被偏转远离所述膜的表面。该可变通气部优选地在正常压力差范围内闭合，而在高压力差下打开以提供该膜之上和之下的空气容积的更快速平衡。

【技术实现步骤摘要】
MEMS换能器及包括MEMS换能器的电容式麦克风本申请是申请日为2013年9月19日、申请号为201380060978.0、名称为“MEMS设备和方法”的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及一种微机电系统(MEMS)设备和方法，且具体地，涉及一种与换能器有关的MEMS设备和方法，所述换能器例如为电容式麦克风。
技术介绍
各种MEMS设备变得越来越普及。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(例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，用于读出/驱动的电极沉积在所述膜和/或一个基底上。在MEMS压力传感器和麦克风的情形中，通常通过测量所述电极之间的电容来实现所述读出。在输出换能器的情形中，通过静电力来移动膜，所述静电力是通过改变跨所述电极施加的电位差来生成的。图1a和图1b分别示出了一种已知的电容式MEMS麦克风设备100的示意图和立体图。电容式麦克风设备100包括一个膜层101，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机械地联接至所述柔性膜，它们共同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104，它们共同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。电容式麦克风被形成在基底105上，所述基底105例如为硅晶片，所述硅晶片可具有在其上形成的上部氧化物层106和下部氧化物层107。基底中和任何覆盖层中的腔108(下文中称作基底腔)被设置在膜下方，且可使用“背部蚀刻(back-etch)”穿过基底105来形成。基底腔108连接至位于膜正下方的第一腔109。这些腔108和109可共同提供声学容积，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。可在制造方法期间使用第一牺牲层(即，使用一种随后可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上方来形成第一腔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工艺所形成的第一腔109的直径，使用第一牺牲层所形成的第一腔109的直径可受到更加精确地控制。从而，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(下文中称作排出孔111)连接第一腔109和第二腔110。如所提及的，可通过将至少一个膜层101沉积在第一牺牲材料上方来形成所述膜。这样，(一个或多个)膜层的材料可延伸到支撑所述膜的支撑结构(即侧壁)中。膜和背板层可由彼此基本上相同的材料形成，例如膜和背板均可通过沉积氮化硅层来形成。膜层可被定尺寸为具有所要求的柔性，然而背板可被沉积为一种更厚从而更刚性的结构。另外，在形成背板104时可使用各种其他材料层，以控制背板104的性质。使用氮化硅材料体系在许多方面都是有利的，尽管可使用其他材料，例如使用多晶硅膜的MEMS换能器是已知的。在一些应用中，麦克风可在使用中被布置为使得经由背板接收入射声。在这种情况下，另外的多个孔(下文中称作声学孔112)被布置在背板104中，从而允许空气分子的自由移动，使得声波可进入第二腔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。在这种情况下，基底腔108常规地称作“后容积(backvolume)”，且它可基本上被密封。在另一些应用中，麦克风可被布置为使得在使用时可经由基底腔108接收声音。在这样的应用中，背板104通常仍设有多个孔，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。还应当注意，尽管图1示出了背板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。在使用时，响应于与入射在麦克风上的压力波相应的声波，所述膜从其平衡位置略微变形。相应地改变了下部电极102和上部电极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。图1中示出的换能器被示为基本竖直的侧壁以与背板104间隔开的关系支撑膜层101。考虑到沉积工艺的性质，这可在形成所述膜的材料层中所形成的拐角处导致高应力集中。斜向或倾斜的侧壁可用于减小应力集中。附加地或替代地，已知的是包括若干支撑结构(例如，柱)以有助于以一种减小应力集中的方式来支撑膜，如图2a和图2b中所示出的。图2a和图2b以立体图和横截面图分别示出了MEMS麦克风结构的周界，其中类似的部件由与图1中所使用的相同的数字来标识。在该实施例中，MEMS设备200被形成为具有布置在所述膜的周界周围的多个支撑结构201，在该实施例中所述多个支撑结构201被形成为支撑柱。所述柱是通过如下方式形成的：对用于限定第一腔109的第一牺牲材料图案化，使得在若干个区域中暴露基底105之后，沉积形成膜层101的材料(图2b示出了直接沉积在基底上的一个膜层，但是应理解，在基底上可能存在各种中间层，并且可通过沉积多个膜层来形成所述膜)。同样地，用于限定第二腔110的第二牺牲材料被图案化，使得膜层101在相同的区域中被暴露之后，沉积背板层的材料。这导致多个柱围绕所述膜的周界形成，提供了对所述膜的支撑，但是与图1中所示出的布置相比，具有减小的应力集中。所述柱优选地被形成为具有阶梯式轮廓和/或倾斜侧壁，以使得应力最小化。该工艺可导致在所述柱的区域中、所述背板层的上表面中的微凹。MEMS换能器，例如图1和图2中所示出的那些，可有利地用在多种设备中，包括便携式设备。尤其是当用于便携式设备时，期望的是，MEMS换能器足够坚固，从而经受住对该设备的期望处置和使用。因而，总体期望提高MEMS设备的适应性。
技术实现思路
因而，本专利技术涉及提高MEMS设备的耐久性和/或适应性。因此，根据本专利技术的一个方面，提供了一种MEMS换能器，包括：一个柔性膜，以及至少一个可变通气部结构，其中所述可变通气部结构提供一个流动路径，该流动路径具有随着所述膜两侧的压力差而变化的尺寸。所述可变通气部结构可包括至少一个可移动部，所述至少一个可移动部响应于所述可移动部两侧的压力差而可移动，从而改变穿过所述通气部结构的流动路径的尺寸。所述至少一个可移动部的平衡位置可对应于流动路径的最小尺寸。所述平衡位置可相应于所述流动路径被基本上闭合。所述柔性膜可被支撑在第一容积和第二容积之间，并且所述流动路径可在所述第一容积和第二容积之间。至少一个可变通气部结构可被形成在所述柔性膜中，并且所述流动路径是一个穿过所述膜的路径。所述至少一个可移动部可以是可移动的，以暴露所述膜中的一个孔，并且可包括所述膜的一部分，该部分能够被偏转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS换能器，所述MEMS换能器包括一个柔性膜和至少一个可变通气部结构，其中所述可变通气部结构包括至少两个可移动部，所述至少两个可移动部响应于所述膜两侧的压力差能够被偏转远离所述膜的其余部分的表面，以暴露所述膜中的一个孔。

【技术特征摘要】
2012.09.24 GB 1217011.4;2012.11.12 GB 1220361.8;201.一种MEMS换能器，所述MEMS换能器包括一个柔性膜和至少一个可变通气部结构，其中所述可变通气部结构包括至少两个可移动部，所述至少两个可移动部响应于所述膜两侧的压力差能够被偏转远离所述膜的其余部分的表面，以暴露所述膜中的一个孔。2.如权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述可移动部各自由延伸穿过所述膜的一个通道限定，所述通道包括一个共同的通道部，该共同的通道部限定第一可移动部和第二可移动部的相邻边缘。3.如权利要求1或2所述的MEMS换能器，其中可变通气部结构包括两个可移动部，所述两个可移动部能够被偏转远离所述膜的其余部分的表面，以暴露所述膜中的单个孔。4.如任一前述权利要求所述的MEMS换能器，其中流动路径在垂直于所述膜的方向上的尺寸响应于所述膜两侧的压力差而由两个可移动部之间所打开的间隙限定。5.一种MEMS换能器，所述MEMS换能器包括一个柔性膜和至少一个可变通气部结构，其中所述可变通气部结构提供一个流动路径，所述流动路径具有随着所述膜两侧的压力差而变化的尺寸，其中所述可变通气部结构包括两个可移动部，所述两个可移动部能够被偏转远离所述膜的其余部分的表面，以暴露所述膜中的单个孔，其中所述可移动部各自由延伸穿过所述膜的至少一个通道限定，所述通道包括一个共同的通道部，该共同的通道部限定第一可移动部和第二可移动部的相邻边缘。6.如任一前述权利要求所述的MEMS换能器，其中所述可移动部是下列形状中的一个：三角形形状、圆形形状、椭圆形形状、长方形形状或梯形形状。7.如任一前述权利要求所述的MEMS换能器，其中所述可移动部中的每个通过一个梁结构被连接至所述膜的其余部分。8.如任一前述权利要求所述的MEMS换能器，其中所述可移动部各自由延伸穿过所述膜的至少一个通道限定，所述通道包括一个共同的通道部，该共同的通道部限定第一可移动部和第二可移动部的相邻边缘。9.如权利要求8所述的MEMS换能器，其中所述可移动部从所述梁结构至所述共同的通道部各自具有基本上相同的尺度。10.如任一前述权利要求所述的MEMS换能器，其中所述MEMS换能器还包括一个背板结构，其中所述柔性膜相对于所述背板结构被支撑，且其中所述背板结构包括穿过所述背板结构的多个孔。11.如权利要求10所述的MEMS换能器，其中穿过所述背板结构的所述多个孔中的至少一个在相应于所述可变通气部结构的位置的一个位置中包括一个通气孔。12.如权利要求10或11所述的MEMS换能器，其中穿过所述背板结构的所述多个孔中的至少一个覆在所述柔性膜中的所述通气部结构上。13.如权利要求10至12中任一项所述的MEMS换能器，其中所述背板中的所述孔/每个孔覆在所述通气部结构上的区域在所述柔性膜中的所述通气部结构首先打开的位置处，横向远离所述柔性膜中的所述通气部结构的打开区域而延伸。14.如权利要求10至13中任一项所述的MEMS换能器，其中：所述可移动部中的每个通过一个梁结构被连接至所述膜的其余部分；所述可移动部和对应的梁结构由贯穿所述柔性膜的通道限定；以及所述柔性膜中限定所述梁结构的所述通道的位置基本上不与所述背板结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·R·詹金斯，T·胡克斯特拉，E·博伊德，
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