Mems設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)設(shè)備和方法，且具體地，涉及一種與換能器有關(guān)的MEMS設(shè)備和方法，所述換能器例如為電容式麥克風(fēng)。
【背景技術(shù)】
[0002]各種MEMS設(shè)備變得越來(lái)越普及。MEMS換能器，尤其是MEMS電容式麥克風(fēng)，越來(lái)越多地用在便攜式電子設(shè)備(例如移動(dòng)電話和便攜式計(jì)算設(shè)備)中。
[0003]使用MEMS制造方法所形成的麥克風(fēng)設(shè)備通常包括一個(gè)或多個(gè)膜，用于讀出/驅(qū)動(dòng)的電極沉積在所述膜和/或一個(gè)基底上。在MEMS壓力傳感器和麥克風(fēng)的情形中，通常通過(guò)測(cè)量所述電極之間的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)所述讀出。在輸出換能器的情形中，通過(guò)靜電力來(lái)移動(dòng)膜，所述靜電力是通過(guò)改變跨所述電極施加的電位差來(lái)生成的。
[0004]圖1a和圖1b分別示出了一種已知的電容式MEMS麥克風(fēng)設(shè)備100的示意圖和立體圖。電容式麥克風(fēng)設(shè)備100包括一個(gè)膜層101，膜層101形成一個(gè)柔性膜，該柔性膜響應(yīng)于由聲波所生成的壓力差而自由移動(dòng)。第一電極102機(jī)械地聯(lián)接至所述柔性膜，它們共同形成電容式麥克風(fēng)設(shè)備的第一電容板。第二電極103機(jī)械地聯(lián)接至大體剛性的結(jié)構(gòu)層或背板104，它們共同形成電容式麥克風(fēng)設(shè)備的第二電容板。在圖1a示出的實(shí)施例中，第二電極103被嵌入在背板結(jié)構(gòu)104中。
[0005]電容式麥克風(fēng)被形成在基底105上，所述基底105例如為硅晶片，所述硅晶片可具有在其上形成的上部氧化物層106和下部氧化物層107?；字泻腿魏胃采w層中的腔108 (下文中稱作基底腔)被設(shè)置在膜下方，且可使用“背部蝕刻(back-etch) ”穿過(guò)基底105來(lái)形成?；浊?08連接至位于膜正下方的第一腔109。這些腔108和109可共同提供聲學(xué)容積，從而允許膜響應(yīng)于聲學(xué)激勵(lì)而移動(dòng)。置于第一電極102和第二電極103之間的是第二腔110。
[0006]可在制造方法期間使用第一犧牲層(即，使用一種隨后可被移除的材料來(lái)限定第一腔)且將膜層101沉積在第一犧牲材料上方來(lái)形成第一腔109。使用犧牲層來(lái)形成第一腔109意味著，對(duì)基底腔108的蝕刻對(duì)于限定膜的直徑不起任何作用。替代地，膜的直徑由第一腔109的直徑(這轉(zhuǎn)而由第一犧牲層的直徑來(lái)限定)結(jié)合第二腔110的直徑(這轉(zhuǎn)而可由第二犧牲層的直徑來(lái)限定)來(lái)限定。相比于使用濕蝕刻或干蝕刻執(zhí)行的背部蝕刻工藝所形成的第一腔109的直徑，使用第一犧牲層所形成的第一腔109的直徑可受到更加精確地控制。從而，對(duì)基底腔108的蝕刻將限定膜101下面的基底的表面中的開(kāi)口。
[0007]多個(gè)孔(下文中稱作排出孔111)連接第一腔109和第二腔110。
[0008]如所提及的，可通過(guò)將至少一個(gè)膜層101沉積在第一犧牲材料上方來(lái)形成所述膜。這樣，(一個(gè)或多個(gè))膜層的材料可延伸到支撐所述膜的支撐結(jié)構(gòu)(即側(cè)壁)中。膜和背板層可由彼此基本上相同的材料形成，例如膜和背板均可通過(guò)沉積氮化硅層來(lái)形成。膜層可被定尺寸為具有所要求的柔性，然而背板可被沉積為一種更厚從而更剛性的結(jié)構(gòu)。另夕卜，在形成背板104時(shí)可使用各種其他材料層，以控制背板104的性質(zhì)。使用氮化硅材料體系在許多方面都是有利的，盡管可使用其他材料，例如使用多晶硅膜的MEMS換能器是已知的。
[0009]在一些應(yīng)用中，麥克風(fēng)可在使用中被布置為使得經(jīng)由背板接收入射聲。在這種情況下，另外的多個(gè)孔(下文中稱作聲學(xué)孔112)被布置在背板104中，從而允許空氣分子的自由移動(dòng)，使得聲波可進(jìn)入第二腔110。與基底腔108相關(guān)聯(lián)的第一腔109和第二腔110允許膜101響應(yīng)于經(jīng)由背板104中的聲學(xué)孔112進(jìn)入的聲波而移動(dòng)。在這種情況下，基底腔108常規(guī)地稱作“后容積(back volume)”，且它可基本上被密封。
[0010]在另一些應(yīng)用中，麥克風(fēng)可被布置為使得在使用時(shí)可經(jīng)由基底腔108接收聲音。在這樣的應(yīng)用中，背板104通常仍設(shè)有多個(gè)孔，以允許空氣在第二腔和背板上方的另一容積之間自由移動(dòng)。
[0011]還應(yīng)當(dāng)注意，盡管圖1示出了背板104被支撐在膜的與基底105相對(duì)一側(cè)上，但是如下這樣的布置是已知的，其中背板104被形成為距基底最近，且膜層101被支撐在背板104上方。
[0012]在使用時(shí)，響應(yīng)于與入射在麥克風(fēng)上的壓力波相應(yīng)的聲波，所述膜從其平衡位置略微變形。相應(yīng)地改變了下部電極102和上部電極103之間的距離，導(dǎo)致這兩個(gè)電極之間的電容的改變，所述電容的改變隨后被電子電路系統(tǒng)(未示出)檢測(cè)到。排出孔允許第一腔和第二腔中的壓力在相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)段(就聲學(xué)頻率而言)內(nèi)平衡，這減小了例如由溫度變化等所產(chǎn)生的低頻壓力變化的影響，而在期望的聲學(xué)頻率處未影響靈敏性。
[0013]圖1中示出的換能器被示為基本豎直的側(cè)壁以與背板104間隔開(kāi)的關(guān)系支撐膜層101。考慮到沉積工藝的性質(zhì)，這可在形成所述膜的材料層中所形成的拐角處導(dǎo)致高應(yīng)力集中。斜向或傾斜的側(cè)壁可用于減小應(yīng)力集中。附加地或替代地，已知的是包括若干支撐結(jié)構(gòu)(例如，柱)以有助于以一種減小應(yīng)力集中的方式來(lái)支撐膜，如圖2a和圖2b中所示出的。圖2a和圖2b以立體圖和橫截面圖分別示出了 MEMS麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)的周界，其中類似的部件由與圖1中所使用的相同的數(shù)字來(lái)標(biāo)識(shí)。
[0014]在該實(shí)施例中，MEMS設(shè)備200被形成為具有布置在所述膜的周界周圍的多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)201，在該實(shí)施例中所述多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)201被形成為支撐柱。所述柱是通過(guò)如下方式形成的:對(duì)用于限定第一腔109的第一犧牲材料圖案化，使得在若干個(gè)區(qū)域中暴露基底105之后，沉積形成膜層101的材料(圖2b示出了直接沉積在基底上的一個(gè)膜層，但是應(yīng)理解，在基底上可能存在各種中間層，并且可通過(guò)沉積多個(gè)膜層來(lái)形成所述膜)。同樣地，用于限定第二腔110的第二犧牲材料被圖案化，使得膜層101在相同的區(qū)域中被暴露之后，沉積背板層的材料。這導(dǎo)致多個(gè)柱圍繞所述膜的周界形成，提供了對(duì)所述膜的支撐，但是與圖1中所示出的布置相比，具有減小的應(yīng)力集中。所述柱優(yōu)選地被形成為具有階梯式輪廓和/或傾斜側(cè)壁，以使得應(yīng)力最小化。該工藝可導(dǎo)致在所述柱的區(qū)域中、所述背板層的上表面中的微凹。
[0015]MEMS換能器，例如圖1和圖2中所示出的那些，可有利地用在多種設(shè)備中，包括便攜式設(shè)備。尤其是當(dāng)用于便攜式設(shè)備時(shí)，期望的是，MEMS換能器足夠堅(jiān)固，從而經(jīng)受住對(duì)該設(shè)備的期望處置和使用。因而，總體期望提高M(jìn)EMS設(shè)備的適應(yīng)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]因而，本發(fā)明涉及提高M(jìn)EMS設(shè)備的耐久性和/或適應(yīng)性。
[0017]因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種MEMS換能器，包括:一個(gè)柔性膜，以及至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)，其中所述可變通氣部結(jié)構(gòu)提供一個(gè)流動(dòng)路徑，該流動(dòng)路徑具有隨著所述膜兩側(cè)的壓力差而變化的尺寸。
[0018]所述可變通氣部結(jié)構(gòu)可包括至少一個(gè)可移動(dòng)部，所述至少一個(gè)可移動(dòng)部響應(yīng)于所述可移動(dòng)部?jī)蓚?cè)的壓力差而可移動(dòng)，從而改變穿過(guò)所述通氣部結(jié)構(gòu)的流動(dòng)路徑的尺寸。
[0019]所述至少一個(gè)可移動(dòng)部的平衡位置可對(duì)應(yīng)于流動(dòng)路徑的最小尺寸。所述平衡位置可相應(yīng)于所述流動(dòng)路徑被基本上閉合。
[0020]所述柔性膜可被支撐在第一容積和第二容積之間，并且所述流動(dòng)路徑可在所述第一容積和第二容積之間。至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)可被形成在所述柔性膜中，并且所述流動(dòng)路徑是一個(gè)穿過(guò)所述膜的路徑。所述至少一個(gè)可移動(dòng)部可以是可移動(dòng)的，以暴露所述膜中的一個(gè)孔，并且可包括所述膜的一部分，該部分能夠被偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離所述膜的其余部分的表面。所述膜的可移動(dòng)部可由貫穿所述膜的一個(gè)或多個(gè)通道限定。至少一個(gè)所述可移動(dòng)部可以是大體三角形形狀、圓形形狀或矩形形狀。在一些情形中，所述可移動(dòng)部可經(jīng)由一個(gè)梁結(jié)構(gòu)被連接至所述膜的其余部分。所述梁結(jié)構(gòu)可以能夠扭曲，以允許所述可移動(dòng)部被偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離所述膜的其余部分的表面。
[0021]所述梁結(jié)構(gòu)可具有一個(gè)非直線性路徑，即曲折路徑，例如所述梁結(jié)構(gòu)的至少一部分可具有一個(gè)蛇狀路徑，或者所述梁結(jié)構(gòu)可包括所述梁的平面內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)彎曲部，例如成直角的彎曲部。所述梁結(jié)構(gòu)可包括至少一個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧，所述至少一個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧位于所述可移動(dòng)部和所述膜的其余部分之間。因而，所述可移動(dòng)部可經(jīng)由一個(gè)彈簧(即阻尼)結(jié)構(gòu)被連接至所述膜的其余部分，并且所述彈簧結(jié)構(gòu)可以能夠扭曲，以允許所述可移動(dòng)部被偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離所述膜的其余部分的表面。
[0022]所述梁結(jié)構(gòu)可附加地或替代地能夠彎曲，以允許所述可移動(dòng)部被偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離所述膜的其余部分的表面，例如在基本上垂直于所述膜的方向上。所述梁結(jié)構(gòu)可包括一個(gè)葉片彈簧和/或具有一個(gè)蛇狀路徑。
[0023]至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)可包括至少兩個(gè)可移動(dòng)部，所述至少兩個(gè)可移動(dòng)部能夠被偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離所述膜的其余部分的表面，以暴露所述膜中的一個(gè)孔。
[0024]在一些實(shí)施方案中，所述可移動(dòng)部可包括所述膜的、在所述膜中具有所述孔的部分，所述膜相對(duì)于一個(gè)固定的柱塞部可移動(dòng)。所述固定的柱塞部可在其平衡位置位于所述膜的平面中，且可以相對(duì)于一個(gè)換能器結(jié)構(gòu)被支撐。所述柱塞部可從所述基底被支撐，所述基底可在用于所述柱塞區(qū)段的支撐部的附近具有一個(gè)穿過(guò)所述基底的通道，或者所述柱塞部可從所述背板被支撐。所述柱塞部可由與所述膜相同的材料形成和/或可比所述膜更厚。
[0025]至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)可形成有繞開(kāi)所述膜的一個(gè)流動(dòng)路徑。所述流動(dòng)路徑可貫穿所述換能器結(jié)構(gòu)的一個(gè)側(cè)壁的至少一部分。
[0026]至少一個(gè)可變通氣部可具有從所述第一容積和/或第二容積中的一個(gè)至所述第一容積和/或第二容積外側(cè)的流動(dòng)路徑。
[0027]所述可變通氣部可被配置為使得，在低于第一閾值的壓力差時(shí)，所述可移動(dòng)部未被完全偏轉(zhuǎn)出膜的其余部分的表面。在低于第一閾值的壓力差時(shí)，基本上不存在所述可移動(dòng)部從平衡位置的任何移動(dòng)。所述第一閾值可以大于150Pa，并且可以大于lkPa。對(duì)于范圍為0Pa_200Pa的壓力差，所述可變通氣部可以基本上不提供流動(dòng)路徑尺寸中的任何顯著變化。
[0028]所述可變通氣部可提供與所述可移動(dòng)部?jī)蓚?cè)的壓力差為非線性關(guān)系的穿過(guò)所述通氣部的流動(dòng)路徑的尺寸。
[0029]所述至少一個(gè)可移動(dòng)部可被配置為使得，在壓力差大于第二閾值時(shí)，存在所述可移動(dòng)部從平衡位置的顯著移動(dòng)。所述第二閾值可低于lOOkPa。對(duì)于范圍為100kPa_200kPa的壓力差，與在平衡時(shí)的所述流動(dòng)路徑尺寸相比，所述可變通氣部可基本上提供流動(dòng)路徑尺寸的顯著增大。所述至少一個(gè)可移動(dòng)部可響應(yīng)于所述可移動(dòng)部?jī)啥说闹辽?0kPa的壓力差而可移動(dòng)。
[0030]所述換能器可包括一個(gè)背板結(jié)構(gòu)，其中所述柔性膜層相對(duì)于所述背板結(jié)構(gòu)被支撐。所述背板結(jié)構(gòu)可包括穿過(guò)所述背板結(jié)構(gòu)的多個(gè)孔。當(dāng)至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)被形成在柔性膜層中時(shí)，穿過(guò)所述背板結(jié)構(gòu)的孔中的至少一個(gè)在相應(yīng)于所述柔性膜層中的可變通氣部結(jié)構(gòu)的位置的一個(gè)位置中可包括一個(gè)通氣孔。所述背板中的所述通氣孔的區(qū)域可在所述柔性膜中的所述可變通氣部首先打開(kāi)的位置處，橫向遠(yuǎn)離所述柔性膜中的所述通氣部的開(kāi)口區(qū)域而延伸。當(dāng)至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)被形成在所述柔性膜層中并且包括一個(gè)可移動(dòng)部，所述可移動(dòng)部經(jīng)由一個(gè)梁結(jié)構(gòu)被連接至所述膜的其余部分，所述可移動(dòng)部和梁結(jié)構(gòu)由貫穿所述柔性膜的通道限定；接著，所述膜中的所述通道的位置可被布置為使得基本上不與所述背板結(jié)構(gòu)中的所述多個(gè)孔中的任何一個(gè)的位置交疊，在使用時(shí)，所述膜中的所述通道不形成穿過(guò)所述膜的可變流動(dòng)路徑的一部分。
[0031]所述換能器可以是電容式傳感器例如麥克風(fēng)。所述換能器可包括讀出電路系統(tǒng)，即放大電路系統(tǒng)。所述換能器可位于一個(gè)封裝件內(nèi)，所述封裝件具有一個(gè)聲音端口，即聲學(xué)端口。所述換能器可被實(shí)施在一個(gè)電子設(shè)備中，所述電子設(shè)備可以是下列中的至少一個(gè):便攜式設(shè)備；由電池供電的設(shè)備；音頻設(shè)備；計(jì)算設(shè)備；通信設(shè)備；個(gè)人媒體播放器；移動(dòng)電話；平板設(shè)備；游戲設(shè)備；以及語(yǔ)音控制設(shè)備。
[0032]在另一方面中，本發(fā)明提供了一種制造MEMS換能器的方法，所述MEMS換能器具有一個(gè)柔性膜，所述方法包括:
[0033]形成一個(gè)具有柔性膜的結(jié)構(gòu)，所述柔性膜被支撐在第一容積和第二容積之間；以及
[0034]形成至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)，所述至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)與所述第一容積和第二容積中的至少一個(gè)連通；
[0035]所述可變通氣部結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)可移動(dòng)部，所述至少一個(gè)可移動(dòng)部響應(yīng)于所述可移動(dòng)部?jī)蓚?cè)的壓力差而可移動(dòng)，從而改變穿過(guò)所述通氣部結(jié)構(gòu)的流動(dòng)路徑的尺寸。
[0036]所述方法可用于形成根據(jù)上面所討論的任一實(shí)施方案的換能器。具體地，所述方法可包括形成一個(gè)膜層以形成所述柔性膜的至少一部分，以及在所述膜層中形成至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)。形成所述可變通氣部結(jié)構(gòu)可包括形成穿過(guò)所述膜的一個(gè)或多個(gè)通道，使得所述膜的一部分可響應(yīng)于一個(gè)壓力差而被偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離所述膜的其余部分的表面。
[0037]在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種MEMS換能器，包括:
[0038]一個(gè)換能器結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)柔性膜，所述柔性膜被支撐在第一容積和第二容積之間；其中
[0039]所述換能器結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)；
[0040]所述可變通氣部結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)可移動(dòng)部，所述至少一個(gè)可移動(dòng)部響應(yīng)于所述可移動(dòng)部?jī)蓚?cè)的高壓力差而可移動(dòng)，從而提供一個(gè)流動(dòng)路徑，用于排放來(lái)自所述第一容積和第二容積中的至少一個(gè)的氣體。
[0041]在另一方面中,提供了一種MEMS換能器,包括:
[0042]一個(gè)柔性膜；以及
[0043]至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)，在第一范圍的壓力差時(shí)，所述至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)基本上被閉合，在第二更高范圍的壓力差時(shí)，所述至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)打開(kāi)，以減小所述膜兩側(cè)的壓力差。
[0044]在另一方面中，本發(fā)明提供了一種MEMS換能器，包括:
[0045]一個(gè)柔性膜，所述柔性膜被支撐在第一容積和第二容積之間；
[0046]—個(gè)通氣部結(jié)構(gòu)，所述通氣部結(jié)構(gòu)連接所述第一容積和第二容積；
[0047]其中所述通氣部提供一個(gè)流動(dòng)路徑，所述流動(dòng)路徑具有隨所述膜兩側(cè)的壓力差而改變的尺寸。
[0048]在另一方面中，提供了一種MEMS換能器,包括:
[0049]—個(gè)柔性膜，所述柔性膜被支撐在第一容積和第二容積之間；以及
[0050]一個(gè)通氣部，所述通氣部連接所述第一容積和第二容積，其中所述通氣部被配置為使得穿過(guò)所述通氣部的流動(dòng)速率相對(duì)于壓力差是非線性的。
[0051]在另一方面中，提供了一種MEMS換能器，所述換能器具有被支撐在第一容積和第二容積之間的膜，其中所述第一容積和第二容積之間的聲學(xué)阻抗隨所述容積之間的壓力差是可變的。
[0052]本發(fā)明的實(shí)施方案涉及一種MEMS換能器，包括:
[0053]一種換能器結(jié)構(gòu)，其包括一個(gè)柔性膜，所述柔性膜被支撐在第一容積和第