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)備變得越來越普及。MEMS換能器，尤其是MEMS電容式麥克風(fēng)，越來越多地用在便攜式電子設(shè)備(例如移動電話和便攜式計(jì)算設(shè)備)中。
[0003]使用MEMS制造方法所形成的麥克風(fēng)設(shè)備通常包括一個或多個膜，用于讀出/驅(qū)動的電極沉積在所述膜和/或一個基底上。在MEMS壓力傳感器和麥克風(fēng)的情形中，通常通過測量所述電極之間的電容來實(shí)現(xiàn)所述讀出。在輸出換能器的情形中，通過靜電力來移動膜，所述靜電力是通過改變跨所述電極施加的電位差來生成的。
[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包括一個膜層101，膜層101形成一個柔性膜，該柔性膜響應(yīng)于由聲波所生成的壓力差而自由移動。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。基底中和任何覆蓋層中的腔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) ”穿過基底105來形成。基底腔108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)激勵而移動。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限定第一腔)且將膜層101沉積在第一犧牲材料上方來形成第一腔109。使用犧牲層來形成第一腔109意味著，對基底腔108的蝕刻對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限定)來限定。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，對基底腔108的蝕刻將限定膜101下面的基底的表面中的開口。
[0007]多個孔(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，可通過將至少一個膜層101沉積在第一犧牲材料上方來形成所述膜。這樣，(一個或多個)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沉積氮化硅層來形成。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，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。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。
[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，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)檢測到。排出孔允許第一腔和第二腔中的壓力在相對長的時段(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)字來標(biāo)識。
[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支撐結(jié)構(gòu)201，在該實(shí)施例中所述多個支撐結(jié)構(gòu)201被形成為支撐柱。所述柱是通過如下方式形成的:對用于限定第一腔109的第一犧牲材料圖案化，使得在若干個區(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，并且可通過沉積多個膜層來形成所述膜)。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)致多個柱圍繞所述膜的周界形成，提供了對所述膜的支撐，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，期望的是，MEMS換能器足夠堅(jiān)固，從而經(jīng)受住對該設(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)明的一個方面，提供了一種MEMS換能器，包括:一個柔性膜，以及至少一個可變通氣部結(jié)構(gòu)，其中所述可變通氣部結(jié)構(gòu)提供一個流動路徑，該流動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)可包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應(yīng)于所述可移動部兩側(cè)的壓力差而可移動，從而改變穿過所述通氣部結(jié)構(gòu)的流動路徑的尺寸。
[0019]所述至少一個可移動部的平衡位置可對應(yīng)于流動路徑的最小尺寸。所述平衡位置可相應(yīng)于所述流動路徑被基本上閉合。
[0020]所述柔性膜可被支撐在第一容積和第二容積之間，并且所述流動路徑可在所述第一容積和第二容積之間。至少一個可變通氣部結(jié)構(gòu)可被形成在所述柔性膜中，并且所述流動路徑是一個穿過所述膜的路徑。所述至少一個可移動部可以是可移動的，以暴露所述膜中的一個孔，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。所述膜的可移動部可由貫穿所述膜的一個或多個通道限定。至少一個所述可移動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，所述可移動部可經(jīng)由一個梁結(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)的一個或多個彎曲部，例如成直角的彎曲部。所述梁結(jié)構(gòu)可包括至少一個扭轉(zhuǎn)彈簧，所述至少一個扭轉(zhuǎn)彈簧位于所述可移動部和所述膜的其余部分之間。因而，所述可移動部可經(jīng)由一個彈簧(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)可包括一個葉片彈簧和/或具有一個蛇狀路徑。
[0023]至少一個可變通氣部結(jié)構(gòu)可包括至少兩個可移動部，所述至少兩個可移動部能夠被偏轉(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孔。
[0024]在一些實(shí)施方案中，所述可移動部可包括所述膜的、在所述膜中具有所述孔的部分，所述膜相對于一個固定的柱塞部可移動。所述固定的柱塞部可在其平衡位置位于所述膜的平面中，且可以相對于一個換能器結(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穿過所述基底的通道，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]至少一個可變通氣部結(jié)構(gòu)可形成有繞開所述膜的一個流動路徑。所述流動路徑可貫穿所述換能器結(jié)構(gòu)的一個側(cè)壁的至少一部分。
[0026]至少一個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至所述第一容積和/或第二容積外側(cè)的流動路徑。
[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，所述可移動部未被完全偏轉(zhuǎn)出膜的其余部分的表面。在低于第一閾值的壓力差時，基本上不存在所述可移動部從平衡位置的任何移動。所述第一閾值可以大于150Pa，并且可以大于lkPa。對于范圍為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部兩側(cè)的壓力差為非線性關(guān)系的穿過所述通氣部的流動路徑的尺寸。
[0029]所述至少一個可移動部可被配置為使得，在壓力差大于第二閾值時，存在所述可移動部從平衡位置的顯著移動。所述第二閾值可低于lOOkPa。對于范圍為100kPa_200kPa的壓力差，與在平衡時的所述流動路徑尺寸相比，所述可變通氣部可基本上提供流動路徑尺寸的顯著增大。所述至少一個可移動部可響應(yīng)于所述可移動部兩端的至少10kPa的壓力差而可移動。
[0030]所述換能器可包括一個背板結(jié)構(gòu)，其中所述柔性膜層相對于所述背板結(jié)構(gòu)被支撐。所述背板結(jié)構(gòu)可包括穿過所述背板結(jié)構(gòu)的多個孔。當(dāng)至少一個可變通氣部結(jié)構(gòu)被形成在柔性膜層中時，穿過所述背板結(jié)構(gòu)的孔中的至少一個在相應(yīng)于所述柔性膜層中的可變通氣部結(jié)構(gòu)的位置的一個位置中可包括一個通氣孔。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的位置處，橫向遠(yuǎn)離所述柔性膜中的所述通氣部的開口區(qū)域而延伸。當(dāng)至少一個可變通氣部結(jié)構(gòu)被形成在所述柔性膜層中并且包括一個可移動部，所述可移動部經(jīng)由一個梁結(jié)構(gòu)被連接至所述膜的其余部分，所述可移動部和梁結(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)中的所述多個孔中的任何一個的位置交疊，在使用時，所述膜中的所述通道不形成穿過所述膜的可變流動路徑的一部分。
[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封裝件內(nèi)，所述封裝件具有一個聲音端口，即聲學(xué)端口。所述換能器可被實(shí)施在一個電子設(shè)備中，所述電子設(shè)備可以是下列中的至少一個: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；個人媒體播放器；移動電話；平板設(shè)備；游戲設(shè)備；以及語音控制設(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換能器具有一個柔性膜，所述方法包括:
[0033]形成一個具有柔性膜的結(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]形成至少一個可變通氣部結(jié)構(gòu)，所述至少一個可變通氣部結(jié)構(gòu)與所述第一容積和第二容積中的至少一個連通；
[0035]所述可變通氣部結(jié)構(gòu)包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應(yīng)于所述可移動部兩側(cè)的壓力差而可移動，從而改變穿過所述通氣部結(jié)構(gòu)的流動路徑的尺寸。
[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)可包括形成穿過所述膜的一個或多個通道，使得所述膜的一部分可響應(yīng)于一個壓力差而被偏轉(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]一個換能器結(jié)構(gòu)，包括一個柔性膜，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)包括至少一個可移動部，所述至少一個可移動部響應(yīng)于所述可移動部兩側(cè)的高壓力差而可移動，從而提供一個流動路徑，用于排放來自所述第一容積和第二容積中的至少一個的氣體。
[0041]在另一方面中,提供了一種MEMS換能器,包括:
[0042]一個柔性膜；以及
[0043]至少一個可變通氣部結(jié)構(gòu)，在第一范圍的壓力差時，所述至少一個可變通氣部結(jié)構(gòu)基本上被閉合，在第二更高范圍的壓力差時，所述至少一個可變通氣部結(jié)構(gòu)打開，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流動路徑，所述流動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所述通氣部的流動速率相對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)，其包括一個柔性膜，所述柔性膜被支撐在第一容積和第