MEMS感测设备和电子系统技术方案

本公开的各实施例涉及MEMS感测设备和电子系统。MEMS感测设备包括半导体本体，该半导体本体集成传感器和泵单元，传感器包括传感器腔、被悬置在传感器腔上方的膜、以及压电元件，该压电元件位于膜上方，并且被配置为当感测电信号在MEMS感测设备的第一操作阶段期间被施加到压电元件时，使膜以对应共振频率围绕平衡位置振荡，该共振频率取决于位于膜上的微粒的数量，膜具有多个通孔，用于在传感器腔与环境之间建立流体连通；泵被配置为在第一操作阶段期间使传感器腔中的空气压力相对于环境的空气压力降低，使得微粒由通过多个通孔的吸力粘附到膜上。本实用新型专利技术的MEMS感测设备，适用于其中必须执行频繁感测操作的应用，并适用于“现场”应用。应用。应用。

【技术实现步骤摘要】
MEMS感测设备和电子系统


[0001]本公开涉及MEMS感测设备和电子系统。本公开的多个实施例中的一个实施例涉及一种用于感测微粒的MEMS设备。

技术介绍

[0002]几个应用提供了感测微粒的能力。例如，可以方便地采用能够感测在空气中悬置的颗粒物的设备来监测环境的污染水平。
[0003]在能够感测诸如颗粒物之类的微粒的可用感测设备中，由MEMS(微机电系统)设备实现的感测设备已知。
[0004]通常，MEMS设备是一种包括借助于微加工技术(例如，光刻、沉积、蚀刻、沉积、生长)被集成在同一相同半导体衬底(例如，硅)中的微型化机械、电气和/或电子部件的设备。
[0005]用于感测微粒的已知MEMS设备(以下也称为“MEMS微粒感测设备”或为了简明起见简称为“MEMS感测设备”)具有一个或多个悬臂构件，该一个或多个悬臂构件由包括机械压电陶瓷、静电、压电和电热部件的驱动元件共振激发。在悬臂构件的一个或多个感测表面上提供粘性涂层，以捕获微粒。粘在粘性涂层上的微粒依据微粒的数量引起共振变化。

技术实现思路

[0006]申请人发现，由于以下缺点中的一个或多个缺点，所以已知MEMS微粒感测设备效率不高。
[0007]已知MEMS微粒感测设备设有用于捕获微粒的粘性涂层，并且每次使用之后，需要进行清洁操作，旨在移除粘性涂层以及粘在其上的微粒，然后施加新粘性涂层，以便将MEMS感测设备重置为其原始条件。
[0008]因此，已知MEMS微粒感测设备不适用于其中必须执行频繁感测操作的应用。此外，由于清洁操作可能需要使用特定仪器和/或物质来移除粘性涂层并且施加新粘性涂层，所以已知MEMS微粒感测设备也不是特别适合于“现场”应用。
[0009]在本公开的第一方面，提出了一种MEMS感测设备，用于感测MEMS感测设备外部环境中的微粒，MEMS感测设备包括：半导体本体，集成传感器和泵；其中传感器包括传感器腔、被悬置在传感器腔上方的膜、以及压电元件，压电元件位于膜上方，并且被配置为当感测电信号在MEMS感测设备的第一操作阶段期间被施加到压电元件时，使膜围绕平衡位置并且以共振频率振荡，共振频率取决于位于膜上的微粒的数量；其中膜包括多个通孔，多个通孔被配置为在传感器腔与环境之间建立流体连通；以及其中泵与传感器相邻，通过在半导体本体中延伸的管道被连接到传感器，并且被配置为在第一操作阶段期间使传感器腔中的空气压力相对于环境的空气压力被降低，使得该微粒由通过多个通孔的吸力粘附到膜上。
[0010]在一些实施例中，泵被配置为在第二操作阶段期间使传感器腔中的空气压力相对于环境的空气压力被增加，使得该微粒由通过多个通孔的吹力被吹离膜。
[0011]在一些实施例中，压电元件包括压电层，压电层位于顶部导电层与底部导电层之
间，顶部导电层和底部导电层的至少一部分形成用于接收感测电信号的电极。
[0012]在一些实施例中，多个通孔位于压电层的中心部分处。
[0013]在一些实施例中，压电元件包括压电元件开口，压电元件开口在膜的中心部分处，其中多个通孔位于膜的中心部分处。
[0014]在一些实施例中，MEMS感测设备还包括非粘性涂层，非粘性涂层覆盖压电元件和膜的中心部分。
[0015]在一些实施例中，非粘性涂层包括疏水涂层。
[0016]在一些实施例中，顶部导电层包括第一顶板和第二顶板，第一顶板环绕膜的中心部分，第二顶板环绕第一顶板，第一顶板和第二顶板彼此电绝缘，并且底部导电层包括第一底板和第二底板，第一底板环绕膜的中心部分，第二底板环绕第一底板，第一底板和第二底板彼此电绝缘，其中第二顶板和第二底板被配置为在第一操作阶段期间接收感测电信号，其中第一顶板和第一底板被配置为在第一操作阶段期间被偏置，使得跨第一顶板和第一底板产生电压差，电压差的值使膜具有向上凹入形状，以及其中第二顶板和第二底板被配置为在第二操作阶段期间被偏置，使得跨第二顶板和第二底板产生电压差，电压差的值使膜具有向下凹入形状。
[0017]在一些实施例中，MEMS感测设备还包括膜上和传感器腔之上的阻抗测量结构。
[0018]在一些实施例中，阻抗测量结构包括多个第一电极部分和多个第二电极部分，多个第一电极部分与多个第二电极部分电隔离并相互交叉。
[0019]在一些实施例中，阻抗测量结构由压电元件环绕或者被布置在压电元件的中心部分上。
[0020]在本公开的第二方面，提出了一种电子系统，电子系统包括多个MEMS感测设备，每个MEMS感测设备包括：半导体衬底，集成传感器和泵；传感器包括传感器腔、被悬置在传感器腔上方的膜、以及压电元件，压电元件位于膜上方，并且被配置为当感测电信号在MEMS感测设备的第一操作阶段期间被施加到压电元件时，使膜以共振频率围绕平衡位置振荡，共振频率取决于位于膜上的微粒的数量；膜包括多个通孔，多个通孔使传感器腔与环境流体连通；以及其中泵被配置为在第一操作阶段期间使传感器腔中的空气压力相对于环境的空气压力被降低，使得微粒由通过通孔集合的吸力粘附到膜上。
[0021]在一些实施例中，每个MEMS感测设备的泵被配置为在第二操作阶段期间使相应传感器腔中的空气压力相对于环境的空气压力被增加，使得微粒由通过相应多个通孔的吹力被吹离相应膜。
[0022]在一些实施例中，相应多个通孔位于相应膜的中心部分处。
[0023]在一些实施例中，电子系统还包括非粘性涂层，非粘性涂层覆盖压电元件和膜的中心部分。
[0024]在一些实施例中，多个MEMS感测设备中的至少一个MEMS感测设备包括半导体衬底，半导体衬底集成多个泵，多个泵中的每个泵与传感器腔流体连通。
[0025]在一些实施例中，多个泵是两个或四个泵。
[0026]有鉴于此，本技术的目的在于提供一种不受上述缺陷影响的MEMS微粒感测设备，以适用于其中必须执行频繁感测操作的应用，并适用于“现场”应用。
附图说明
[0027]根据以下要结合附图读取的仅通过非限制性示例提供的其实施例的具体实施方式，将会更好地理解本公开的特征和优点。在这点上，明确意图在于附图不一定按比例绘制(其中其一些细节可能被夸大和/或简化)并且除非另有说明，否则它们仅用于以概念性方式说明所描述的结构和过程。
[0028]图1A和图1B图示了根据本公开的实施例的MEMS微粒感测设备的传感器(的一部分)；
[0029]图2A和图2B图示了根据本公开的实施例的MEMS微粒感测设备在感测阶段期间和清洁阶段期间的简化视图；
[0030]图3A至图3C图示了根据本公开的实施例的MEMS微粒感测设备的另一版本；
[0031]图4A至图4H图示了根据本公开的实施例的用于制造MEMS微粒感测设备的过程的步骤；
[0032]图5A至图5D图示了根据本公开的另一实施例的用于制造MEMS微粒感测设备的过程的步骤；
[0033]图6是MEMS微粒感测设备的不同实施例的顶视平面图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS感测设备，其特征在于，用于感测所述MEMS感测设备外部环境中的微粒，所述MEMS感测设备包括：半导体本体，集成传感器和泵；其中所述传感器包括传感器腔、被悬置在所述传感器腔上方的膜、以及压电元件，所述压电元件位于所述膜上方，并且被配置为当感测电信号在所述MEMS感测设备的第一操作阶段期间被施加到所述压电元件时，使所述膜围绕平衡位置并且以共振频率振荡，所述共振频率取决于位于所述膜上的微粒的数量；其中所述膜包括多个通孔，所述多个通孔被配置为在所述传感器腔与所述环境之间建立流体连通；以及其中所述泵与所述传感器相邻，通过在所述半导体本体中延伸的管道被连接到所述传感器，并且被配置为在所述第一操作阶段期间使所述传感器腔中的空气压力相对于所述环境的所述空气压力被降低，使得该微粒由通过所述多个通孔的吸力粘附到所述膜上。2.根据权利要求1所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述泵被配置为在第二操作阶段期间使所述传感器腔中的空气压力相对于所述环境的所述空气压力被增加，使得该微粒由通过所述多个通孔的吹力被吹离所述膜。3.根据权利要求1所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述压电元件包括压电层，所述压电层位于顶部导电层与底部导电层之间，所述顶部导电层和所述底部导电层的至少一部分形成用于接收所述感测电信号的电极。4.根据权利要求3所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述多个通孔位于所述压电层的中心部分处。5.根据权利要求3所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述压电元件包括压电元件开口，所述压电元件开口在所述膜的中心部分处，其中所述多个通孔位于所述膜的所述中心部分处。6.根据权利要求5所述的MEMS感测设备，其特征在于，还包括非粘性涂层，所述非粘性涂层覆盖所述压电元件和所述膜的所述中心部分。7.根据权利要求6所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述非粘性涂层包括疏水涂层。8.根据权利要求5所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述顶部导电层包括第一顶板和第二顶板，所述第一顶板环绕所述膜的所述中心部分，所述第二顶板环绕所述第一顶板，所述第一顶板和所述第二顶板彼此电绝缘，并且所述底部导电层包括第一底板和第二底板，所述第一底板环绕所述膜的所述中心部分，所述第二底板环绕所述第一底板，所述第一底板和所述第二底板彼此电绝缘，其中所述第二顶板和所述第二底板被配置为在所述第一操作阶段期间接收所述感测电信号，其中所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
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：