一种可调节通风窗口的MEMS结构、其制作方法及气体传感器技术

本申请提供一种可调节通风窗口的MEMS结构、其制作方法及气体传感器，采用电极之间通过静电力平移驱动的方式驱使移动膜相对固定膜平移，实现通风窗口在关闭状态和通风状态之间切换。在关闭状态时，第一窗口与第二窗口相互错开，由于固定膜与移动膜之间的空隙很小，基本可以隔绝MEMS结构两侧气体交换，此时光声腔内部的声波以及外界的噪声会在固定膜和移动膜上被反射回去，提高了气体传感器的系统信噪比；在通风状态时，第一窗口与第二窗口至少部分重合，允许MEMS结构两侧气体流通。此外，通过标定施加的电压可以控制第一窗口与第二窗口重合的面积，能够形成不同的通气效果，例如控制气体交换速率，实现外界环境噪声测试和标定等功能。定等功能。定等功能。

【技术实现步骤摘要】
一种可调节通风窗口的MEMS结构、其制作方法及气体传感器


[0001]本申请涉及微机械
，特别涉及一种可调节通风窗口的MEMS结构、其制作方法及气体传感器。

技术介绍

[0002]微机电系统(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System，MEMS)是采用微电子技术和微机械加工技术，在半导体材料基础上制作的微型传感器或微型执行器。随着气体传感器的发展，越来越多的气体传感器被用在智能家居、汽车电子、工业制造、环境监测等领域中。在气体传感器中，光声腔的工作状况直接影响到探测的精度，如何提升探测精度来保证光声腔能正常工作且有较长的工作寿命就成为了亟待解决的问题。通过在光声腔上增加一个可调节的通风开口，在测量时关闭通风开口，可有效减少外界噪音对内部麦克风的影响。
[0003]现有的方案中，可调节的通风开口是通过膜层之间静电吸附的方式来调节通风开口的开闭，但是在静电吸附的过程中会出现如膜层碰撞损伤、膜层吸附后无法分离等问题，造成器件损坏或导致探测精度大幅降低，严重影响传感器的正常运行，缩短了使用寿命。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本申请提出一种可调节通风窗口的MEMS结构、其制作方法及气体传感器，利用静电力驱动来调节通风窗口，实现膜层无接触工作，可有效解决现有静电吸合制动导致膜层接触而产生膜层接触位置损伤，减少工作寿命，以及膜层之间发生黏附，使得器件失效等问题。
[0005]一方面，本申请提供一种可调节通风窗口的MEMS结构，包括：衬底，开设有贯穿所述衬底的厚度方向的背腔；固定膜，固定设置于所述衬底，且对应所述背腔的位置开设有第一窗口；移动膜，相对沿所述固定膜可平移地设置，且对应所述第一窗口开设有第二窗口，所述移动膜在所述平移方向的至少一侧固设有被动电极；至少一驱动电极，固定连接于所述衬底的正面，并可与所述被动电极之间产生沿所述平移方向的静电力，以驱使所述移动膜相对所述固定膜平移；其中，所述平移方向垂直于所述衬底的厚度方向，所述移动膜在所述第一窗口与所述第二窗口相互错开的位置以及所述第一窗口与所述第二窗口至少部分重合的位置之间平移。
[0006]在一实施例中，所述固定膜与所述衬底之间在所述厚度方向上具有第一空隙，所述移动膜与所述固定膜之间在所述厚度方向上具有第二空隙。
[0007]在一实施例中，所述衬底上设有第一电极和第二电极，所述第一电极与所述被动电极电连接，以为所述被动电极输入正电或负电，所述第二电极与所述驱动电极电连接，以为所述驱动电极输入正电或负电。
[0008]在一实施例中，所述移动膜的相对两侧均设有所述被动电极，所述驱动电极设置两个，分别设于两个所述被动电极的外侧，所述移动膜相对所述固定膜在两个所述驱动电极之间做平移运动。
[0009]在一实施例中，所述被动电极为第一梳齿，所述驱动电极包括电极主体及连接于所述电极主体一侧的第二梳齿，所述第一梳齿与所述第二梳齿相互交错排布。
[0010]在一实施例中，所述电极主体包括连接在所述衬底上的第一主体膜层、包覆于所述第一主体膜层外的第二主体膜层及连接于所述第二主体膜层上的第三主体膜层，所述第二梳齿与所述第三主体膜层连接。
[0011]在一实施例中，所述移动膜和所述固定膜位于对应空隙一侧的表面上最高点与最低点之间的差值小于等于该空隙间距的5％。
[0012]在一实施例中，所述第二空隙的间距为40nm～300nm。
[0013]在一实施例中，所述衬底上设有若干固定支点，所述移动膜通过若干悬臂梁分别连接于若干所述固定支点并可活动地悬置于所述固定膜上。
[0014]在一实施例中，所述固定支点包括连接在所述衬底上的第一膜层、包覆于所述第一膜层外的第二膜层及连接于所述第二膜层上的第三膜层，所述悬臂梁与所述第三膜层连接。
[0015]在一实施例中，其中一所述固定支点与所述第一电极连接。
[0016]在一实施例中，所述第一窗口和所述第二窗口均设置多个，且尺寸相同。
[0017]在一实施例中，所述移动膜和所述固定膜的尺寸相同，所述MEMS结构的通风窗口具有关闭状态和通风状态，在所述关闭状态时，所述移动膜与所述固定膜重合，所述第一窗口与所述第二窗口相互错开，在所述通风状态时，所述移动膜相对所述固定膜偏移，所述第一窗口与所述第二窗口重合。
[0018]另一方面，本申请还提供一种气体传感器，包括外壳、电路板及与所述电路板电连接的光发生元件、声感测元件、如上所述的可调节通风窗口的MEMS结构，所述电路板设于所述外壳，所述外壳内形成有光声腔，所述光发生元件、所述声感测元件和所述MEMS结构均设于所述光声腔内，所述外壳上设有与所述光声腔连通的气孔，所述MEMS结构盖设于所述气孔内侧，且所述背腔与所述气孔连通。
[0019]在一实施例中，所述外壳包括支撑结构和连接于所述支撑结构上的盖结构，所述电路板集成于所述支撑结构上，所述气孔开设于所述盖结构与所述支撑结构相对的侧壁上，所述光发生元件和所述声感测元件分别固定连接于所述支撑结构上，且所述声感测元件和所述MEMS结构均位于所述气孔的轴向上。
[0020]在一实施例中，所述声感测元件封装于一管壳中，所述管壳固定至所述支撑结构上并与所述光声腔连通。
[0021]在一实施例中，所述外壳包括支撑结构和连接于所述支撑结构上的盖结构，所述电路板集成于所述支撑结构上，所述气孔开设于所述盖结构与所述支撑结构相对的侧壁上，所述光发生元件固定连接于所述支撑结构上，所述MEMS结构封装于筒壳中，所述声感测元件封装于管壳中，所述筒壳固定连接于所述气孔周围的内壁上，所述管壳固定连接于所述筒壳背离所述气孔的一侧并与所述筒壳连通，且所述管壳与所述光声腔连通，所述声感测元件和所述MEMS结构均位于所述气孔的轴向上。
[0022]在一实施例中，所述外壳包括支撑结构和连接于所述支撑结构上的盖结构，所述电路板集成于所述支撑结构上，所述气孔开设于所述支撑结构上，所述光发生元件固定连接于所述支撑结构上，所述声感测元件封装于一管壳中，所述管壳固定至所述支撑结构上
并与所述光声腔连通。
[0023]在一实施例中，所述光发生元件包括发热器、滤光片和支撑壁，所述发热器固定连接于所述支撑结构上，所述支撑壁围设于所述发热器外并固定连接于所述支撑结构上，所述滤光片支撑固定在支撑壁上；所述声感测元件为麦克风。
[0024]另一方面，本申请还提供一种如上所述的可调节通风窗口的MEMS结构的制作方法，包括以下步骤：
[0025]S1：在衬底的正面上淀积第一牺牲层，通过刻蚀对所述第一牺牲层进行图形化，从而在所述衬底上形成第一牺牲部、第一膜层、第一主体膜层，其中所述第一牺牲部对应所述MEMS结构中的第一空隙；
[0026]S2：在所述第一牺牲层上淀积结构层，通过刻蚀对所述结构层进行图形化，从而在所述第一牺牲部上形成固定膜、在所述第一膜层上形成第二膜层、在所述第一主体膜层上形成第二主体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可调节通风窗口的MEMS结构，其特征在于，包括：衬底(1)，开设有贯穿所述衬底(1)的厚度方向的背腔(6)；固定膜(2)，固定设置于所述衬底(1)，且对应所述背腔(6)的位置开设有第一窗口(210)；移动膜(3)，相对沿所述固定膜(2)可平移地设置，且对应所述第一窗口(210)开设有第二窗口(310)，所述移动膜(3)在所述平移方向的至少一侧固设有被动电极(320)；至少一驱动电极(9)，固定连接于所述衬底(1)的正面，并可与所述被动电极(320)之间产生沿所述平移方向的静电力，以驱使所述移动膜(3)相对所述固定膜(2)平移；其中，所述平移方向垂直于所述衬底(1)的厚度方向，所述移动膜(3)在所述第一窗口(210)与所述第二窗口(310)相互错开的位置以及所述第一窗口(210)与所述第二窗口(310)至少部分重合的位置之间平移。2.如权利要求1所述的可调节通风窗口的MEMS结构，其特征在于，所述固定膜(2)与所述衬底(1)之间在所述厚度方向上具有第一空隙(4)，所述移动膜(3)与所述固定膜(2)之间在所述厚度方向上具有第二空隙(5)。3.如权利要求1所述的可调节通风窗口的MEMS结构，其特征在于，所述衬底(1)上设有第一电极(13)和第二电极(11)，所述第一电极(13)与所述被动电极(320)电连接，以为所述被动电极(320)输入正电或负电，所述第二电极(11)与所述驱动电极(9)电连接，以为所述驱动电极(9)输入正电或负电。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的可调节通风窗口的MEMS结构，其特征在于，所述移动膜(3)的相对两侧均设有所述被动电极(320)，所述驱动电极(9)设置两个，分别设于两个所述被动电极(320)的外侧，所述移动膜(3)相对所述固定膜(2)在两个所述驱动电极(9)之间做平移运动。5.如权利要求4所述的可调节通风窗口的MEMS结构，其特征在于，所述被动电极(320)为第一梳齿(321)，所述驱动电极(9)包括电极主体(90)及连接于所述电极主体(90)一侧的第二梳齿(931)，所述第一梳齿(321)与所述第二梳齿(931)相互交错排布。6.如权利要求5所述的可调节通风窗口的MEMS结构，其特征在于，所述电极主体(90)包括连接在所述衬底(1)上的第一主体膜层(910)、包覆于所述第一主体膜层(910)外的第二主体膜层(920)及连接于所述第二主体膜层(920)上的第三主体膜层(930)，所述第二梳齿(931)与所述第三主体膜层(930)连接。7.如权利要求2所述的可调节通风窗口的MEMS结构，其特征在于，所述移动膜(3)和所述固定膜(2)位于对应空隙一侧的表面上最高点与最低点之间的差值小于等于该空隙间距的5％。8.如权利要求7所述的可调节通风窗口的MEMS结构，其特征在于，所述第二空隙(5)的间距为40nm～300nm。9.如权利要求3所述的可调节通风窗口的MEMS结构，其特征在于，所述衬底(1)上设有若干固定支点(7)，所述移动膜(3)通过若干悬臂梁(8)分别连接于若干所述固定支点(7)并可活动地悬置于所述固定膜(2)上。10.如权利要求9所述的可调节通风窗口的MEMS结构，其特征在于，所述固定支点(7)包括连接在所述衬底(1)上的第一膜层(710)、包覆于所述第一膜层(710)外的第二膜层(720)
及连接于所述第二膜层(720)上的第三膜层(730)，所述悬臂梁(8)与所述第三膜层(730)连接。11.如权利要求9所述的可调节通风窗口的MEMS结构，其特征在于，其中一所述固定支点(7)与所述第一电极(13)连接。12.如权利要求1所述的可调节通风窗口的MEMS结构，其特征在于，所述第一窗口(210)和所述第二窗口(310)均设置多个，且尺寸相同。13.如权利要求1所述的可调节通风窗口的MEMS结构，其特征在于，所述移动膜(3)和所述固定膜(2)的尺寸相同，所述MEMS结构(21)的通风窗口具有关闭状态和通风状态，在所述关闭状态时，所述移动膜(3)与所述固定膜(2)重合，所述第一窗口(210)与所述第二窗口(310)相互错开，在所述通风状态时，所述移动膜(3)相对所述固定膜(2)偏移，所述第一窗口(210)与所述第二窗口(310)重合。14.一种气体传感器，其特征在于，包括外壳、电路板及与所述电路板电连接的光发生元件(39)、声感测元件(19)、如权利要求1
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13中任一项所述的可调节通风窗口的MEMS结构(21)，所述电路板设于所述外壳，所述外壳内形成有光声腔(18)，所述光发生元件(39)、所述声感测元件(19)和所述MEMS结构(21)均设于所述光声腔(18)内，所述外壳上设有与所述光声腔(18)连通的气孔(22)，所述MEMS结构(21)盖设于所述气孔(22)内侧，且所述背腔(6)与所述气孔(22)连通。15.如权利要求14所述的气体传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢非，谢双伟，王超，
申请(专利权)人：苏州睿新微系统技术有限公司，
类型：发明
国别省市：