CN102984632B - 具有穿孔振膜的声换能器 - Google Patents

Abstract

一种MEMS器件(诸如麦克风)使用固定的穿孔板。所述固定板包括在所述板区域上的孔阵列。与所述外围相邻的至少一组的孔包括多行延长孔，所述行相距所述外围不同的距离。这种设计提高了所述振膜的机械鲁棒性并且可以额外地允许所述板的机械行为的调谐。

Description

具有穿孔振膜的声换能器

技术领域

本发明涉及具有穿孔振膜的声换能器。具体地，本发明涉及穿孔振膜的设计以承受张应力。

背景技术

电容式麦克风包括两个振膜：由声压激励的振膜和穿孔振振膜，所述穿孔振膜形成不响应于声压移动的反电极(“背板”)(backplate)，因为所述穿孔表现为声学透明。所述穿孔允许所述第一振膜在没有嵌入到振膜与背板之间的体积内的压力积累的情况下移动。

在存在机械振动的情况下，也被称作“本体噪声”(bodynoise)，两个板都被激励。由于两个板性质的差异，所述板被不同地激励，使得所述本体噪声造成所述板的相对运动。在麦克风传感器的情况下，这种相对运动被不希望地检测到并且因此降低了传感器性能。为了使所述传感器固有地对本体噪声不敏感，必须设计所述背板使得它对机械振动具有与所述振膜相同的响应。

可以将振膜和背板均典型地制造在张应力层中。由于在所述背板中的张力可能对所述振膜性质具有影响或者可能导致裂纹，因此需要一种方法来释放所述背板中的应力，使得减小对所述振膜不需要的影响。

可以通过将所述背板附着在诸如弹簧之类的弹性悬架上来实现应力释放和本体噪声补偿。弹簧悬置的(初始张应变的)板经历在锚点处的应力积累，因为所述板只沿所述板的周长附着至有限数量的位置处。这种应力积累降低了这些背板的鲁棒性。同样，当使用弹簧悬置板时，与中心相比，在所述板的边缘附近有更多的背板材料被去除。这可能导致与所述牺牲层刻蚀的结果不均匀性相关联的加工问题。

在传统的麦克风中，所述麦克风在所述两个振膜之间具有相对较大间隔，在刚性背板中的几个大孔足以减小空气阻尼的影响。然而，在硅技术中构建为微机电系统(MEMS)的微型麦克风中，所述背板不是刚性的并且应当在所有板上到处穿孔以防止空气流动阻力，而且这样还使它能够通过牺牲层刻蚀释放。

需要注意的是：这种穿孔还用在其他移动的或者静止的MEMS结构中，诸如MEMS开关或者MEMS可变电容器、MEMS电声换能器、用于气体或者液体的过滤器。

典型地，使用正方形孔或者圆形孔的周期性图案(pattern)，尽管在更复杂的图案中已经建议了矩形孔，例如在M.Goto等人“High-performancecondensermicrophonewithsingle-crystallineSidiaphragmandbackplate”，IEEESensorsJournal7，p.4(2007)中所报道的。平移周期样式的孔具有优势：沿所述振膜法线方向(垂直于所述振膜或者沿所述横截面的垂直方向)的应力梯度不会造成所述两个反电极朝向或者远离彼此地倾斜。所述背板的任何偏斜都会改变所述麦克风的平衡电容。

图1示出了通过(MEMS)电容式麦克风的顶视图和截面图。

所述Si衬底101具有开口，所述开口使所述可移动振膜103的一部分外露，所述可移动振膜对声压是敏感的。在(可选的)绝缘体102的上方形成所述可移动振膜。所述背板105(固定振膜)悬置于另一绝缘体104的上方并且用矩形样式孔形成穿孔。所述电极连接110和111连接至所述两个振膜并且用于测量所述电容。

在MEMS器件制造中的一个问题是所述应力梯度在加工中是难以控制的，而本发明是基于穿孔设计来减小应力梯度的影响。本发明还涉及能够控制对加速度和振动的敏感度的设计。

发明内容

根据本发明，提供了一种MEMS器件，包括由间隙隔开的固定振膜和可移动振膜，其中感测或者控制所述可移动振膜的移动以提供所述器件的操作，

其中所述固定振膜包括在所述振膜区域上的孔阵列，

其中与所述固定振膜外围相邻地设置的至少一组孔包括多行延长孔，所述行相距所述外围不同的距离。

这种设计使用延长孔(即狭缝)。这种设计提高了所述振膜的机械鲁棒性并且还可以附加地允许所述板的机械行为的调谐，诸如其谐振频率。优选地，一行中的孔相对于在另一行中的孔是交错的，使得能够避免与所述行(从所述振膜的一边到另一边)相交的直连接线。

可以通过改变所述孔的延长来调谐所述孔(穿孔)样式的弹簧常数，例如沿切线方向。

所述孔用作弹性悬架。适当的设计可以允许本体噪声补偿。所述孔的延长形状提高了所述板中的应力释放。对于切向延长的交错孔，在所述板中的最终应力小于对于常见的正方形孔或者圆形孔的均匀样式。

利用“固定的”(关于所述固定振膜)意味着所述振膜不会响应于所述音频输入的信号而移动以产生信号(在麦克风的情况下)或者移动以便产生输出信号(在输出设备的情况下)。然而，相对于所述器件衬底的某些移动是可能的，例如对于外部加速度的公差(所谓的“本体噪声补偿”)。

在一个示例中，每一个孔的延长方向通常都沿着外围的方向延伸。这垂直于典型的最大弯曲线，即沿着半径。在所述振膜弯曲不相同的情况下，所述延长方向可以是不同的，使得所述延长方向再次垂直于最大弯曲线。利用“通常沿着外围的方向延伸”意味着所述延长孔在切线方向上而非在径向上延伸。这不意味着所述振膜形状必须是圆形。相反，所述行的孔形成与所述外围匹配的形状，但是按比例缩小的版本。每一个孔均处在最接近所述外围的方向上。还应当理解的是，所述孔通常取向为沿切线方向，但是孔形状的一部分可以在不同的方向上延伸或者所述孔可以倾斜远离切线方向，但是应当基本上是切向的，以便实现最佳的应力释放。一些孔还可以沿径向方向与其他孔连接，使得可以形成弹簧状样式。

所述固定振膜优选地沿其全部周长夹住。因此所述应力积累不会集中在有限数量的锚点上，如通过弹簧悬置的情况。因此增加了鲁棒性。从而，所述设计以与使用弹簧锚点相同的方式提供了本体噪声抑制，但却避免了在分立的锚点处的应力积累。

一行中的孔可以是相邻行中的孔的缩放版本(在长度上以及可选地还在宽度上)。

所述孔阵列可以包括多个段(segment)，其中每一个段均具有相同的有效弯曲力矩，其中先前定义的一组孔(setofholes)包括最外侧段。这个有效弯曲力矩是所述弯曲刚度和所述有效释放应力梯度的乘积。所述有效应力梯度可以随样式改变。效果是：如果在边缘夹住，所述振膜不会弯曲变形(buckle)。忽略所述释放的应力梯度，将所述段设计为使其具有相同的弯曲刚度(或者在所述振膜一部分内的几个段上的平均弯曲刚度具有与所述振膜的其他部分相同的平均弯曲刚度)。因此，可以容忍弯曲刚度的局部变化，只要在所述振膜的一个重要区域(例如10％或者更多)上的平均弯曲强度与任何其他重要区域上的弯曲刚度是相同的。

这种设计提供了一种设计夹住的穿孔振膜的方式，使得它们对应力梯度是不敏感的。这样有利于高(平均)应力释放。

段的使用意味着所述固定振膜由具有不同穿孔样式的若干段构成。设计所述段使得它们具有相同的径向弯曲力矩，使得对于应力梯度不敏感。可以调整所述边界使得所述样式匹配最佳补偿。可以在段内使用按比例缩放以便保持所述设计工作较低。

所述固定振膜和所述可移动振膜可以是圆形的，并且所述组的孔的每一行均包括固定半径的圆。

在所述最外侧段内，每一行都具有与径向内侧上的相邻行相比更长的孔，使得所述孔长度与从到所述中心的径向距离成比例。这意味着相同数量的孔适合所述周长，并且相邻的行可以在所述行周围具有交错的孔。为了最均匀的按比例缩放，所述孔宽度也可以随半径缩放，但是还可以保持恒定。

在最靠近中心的最内侧段内，所述孔还可以包括多行的延长孔，所述行与所述边缘相距不同的距离，并且一行中的孔相对于在另一行中的孔是交错的。因此，所述振膜的设计可以包括许多按比例缩放的类似设计。

然后，所述最内侧段的最外侧行的孔比所述最外侧段的最内侧行的孔长。因此，在段之间的界限处(在朝向中心的方向上)，所述孔长度增加，使得所述孔维持延长，并且不会超过制造容限。

然而，在最内侧段内，所述孔可以替代地包括多个具有高宽比为1(unityaspectratio)(即圆形或者正方形)的开口。

所述器件可以包括麦克风。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的示例，其中：

图1示出了一种已知的麦克风设计；

图2示出了一种已知的用于麦克风背板的穿孔设计；

图3示出了各种可能的穿孔设计，包括用在本发明所述器件中的穿孔设计；

图4示出了根据本发明所述的固定振膜的第一设计；

图5示出了根据本发明所述的固定振膜的第二设计；

图6用于示出为什么特定的单段设计使用简单的按比例缩放不是切实可行的；

图7用于示出当应力梯度存在时为什么刚度变化可以造成振膜挠度；

图8示出了如何优化本发明的多段设计；

图9示出了根据本发明的固定振膜的六段设计；以及

图10示出了用在所述设计过程中的两段之间边界处的单位单元(unitcell)。

具体实施方式

本发明提供了一种诸如麦克风的MEMS器件，所述器件使用固定的穿孔板。所述固定板包括在所述板区域上的孔阵列。与所述外维相邻的至少一组的孔包括多行延长孔，所述行相距所述外围不同的距离。一行中的孔相对于另一行中的孔是交错的。

如上所述，在MEMS器件的弹性板中的穿孔图案典型地用于减小空气阻尼和/或在所述制造工艺期间允许牺牲层的去除。对于这些应用，典型地使用圆形孔或者正方形孔的周期性图案。通常，所述周期性图案使得将所述区域划分为单位单元，每一个单元均包含一个孔，如图2所示。

本发明的第一方面基于穿孔图案的使用，所述穿孔图案具有非圆形孔或者正方形的孔，而是具有偏离1∶1的高宽比。在一个示例中，通过对所述孔整形使其与所述板的边缘(所述外围)平行地延伸，可以在垂直于所述边缘的方向上实现更多的应力释放。

图3以顶视图的方式阐释了用于夹住-夹住梁(clamped-clampedbeam)结构的三种图案。所述顶部和底部的矩形表示夹住所述边缘的地方。示出了三种孔形状，具有不同的应力释放：图3(a)示出了在六边形图案中的圆形孔；图3(b)示出了稍微延长的孔，具有与图3(a)的圆形孔相同的面积，位于相同的六边形图案中；图3(c)示出了更加延长的孔，仍然具有相同的孔面积和单元图案。

圆形孔和延长孔的比较示出了具有与所述圆形孔相同面积的延长孔导致更有效的应力释放。有限元计算表示图3(a)的图案导致最终应力是初始应力的69％，作为沉积层应力。作为图3(b)的图案和图3(c)的图案的结果的最终应力分别是初始应力的66％和55％。

分析了在垂直于所述边缘方向上的应力，因为这是一种测量所述锚点必须承受的应力的方法(应力越低，鲁棒性越好)。

麦克风传感器典型地具有圆形穿孔板。在图4和图5中阐释了对于这种圆形板所建议的开槽(slotted)穿孔图案的示例，图中示出了在外围处夹住的圆形板的扇形块(pie-piece)(1/12)。

图4示出了一种板，其中所述图案只包含狭缝，而图5阐释了一种方案：只在更靠近所述板外围处具有狭缝而在中心处具有不同的图案。所述中心穿孔图案更少受到约束的限制并且例如可针对所述传感器的信噪比进行优化。

如图4所示，所述孔形成为圆形行。每一行具有延长的狭缝，所述狭缝相对于下一行是交错的(按照狭缝长度的一半交错)。这意味着在所述板上不存在直线连接。为了能够维持所述交错的(砖块状)图案，在更靠近所述中心所述狭缝长度减小。最终(在标记为40的行处)，所述形状近似为高宽比为1(即正方形)。然后是向更长孔形状的阶跃转变(steptransition)，如图所示。

因此，图4的设计具有多个段。所述最外侧段结束于所述振膜的外围，以及所述最内侧段结束于中心处。实际上，图4的设计具有三个段，在表示为41的行处具有转变。

在所述段内，每一行均是相邻段的按比例缩放版本(长度上)，因此它们始终都具有相同数量的狭缝，但是适应不同的半径。在向下一段转变时，在所述狭缝的长度上存在较大的阶跃变化，以及在沿整个行适应的所述狭缝数量上存在相应的阶跃变化。

在图5中，在所述板的外围附近存在一组延长孔的行，并且在更靠近所述板的中心存在圆形孔。这种设计只具有两个段，并且只有最外侧段具有延长的交错狭缝设计。

在图4的设计中，所述应力从所述中心放射状地向外增加。在图5中，所述应力在整个板上更均匀。

图4和图5所使用的孔，至少靠近所述外围的孔是交错延长的，并且这样除了减小空气阻尼之外还允许更有效的应力释放。更有效的应力释放为实现更鲁棒性的板和/或本体噪声补偿提供了可能性。

在图4和图5中，所述孔的图案设计成具有不同穿孔图案的多个段(在这些示例中为三个和两个)。

可以用不同的方式设计不同的分区，以便实现不同的可能目标。图4和图5的设计旨在提供鲁棒性的振膜并且能够调谐所述应力释放，使得为了有效的应力释放而设计所述段。替代的设计参数是用于待设计的分区，使其对应力梯度不敏感。

设计所述边界，使得所述图案匹配用于最佳补偿。如果需要，可以使用有限元(FEM)模拟来构建所述边界。整个板的模拟是不需要的，并且所述模拟可以基于成角度的段(angularsegment)，如图所示。在段内可以使用按比例缩放以便保持所述设计工作量较低。

在图4和图5中，保持所述行的高度相同，使得随着所述狭缝长度减小，所述高宽比趋于1∶1。所述狭缝宽度也可以随半径按比例缩放。

从实践的角度，多个的使用使得制造所述图案成为可能。例如，图6(示出了圆周的1/8)所示径向对称的图案随所述半径按比例缩放，所述狭缝长度和宽度都按比例缩放。所述按比例缩放保留了(平均)弯曲刚度。然而，不能够制造这种图案，因为所述图案在外缘处太大而不能通过所述牺牲层刻蚀释放或者对于工艺过程方案来说在所述背板的中心处太小。典型地，对于所述孔直径的最小尺寸是0.25至0.5μm以及在两个开口之间的最小尺寸是10至20μm。

在工艺处理过程期间，例如在从高温冷却之后，不可避免地引入了层中的机械应力。如果随着时间变化所述层沉积不是恒定的，如果所述衬底影响了所述振膜的层生长或者如果使用双层或者多层，应力梯度将会发生。

图7示意性地示出了应力梯度如何导致振膜(背板)的挠度(deflection)。所述背板层的上部与所述底部相比具有更高的应力(用实线箭头表示)。在这种情况下，它是一种张应力，意味着所述顶层想要收缩，而所述底部具有较小应力。如果如图7(a)所示夹住所述振膜，那么在所述背板层的顶部中的应力由所述夹住补偿。所产生的净弯曲力矩是0并且所述背板保持平坦。

在如图7(b)所示的自由层的情况下，所述内部应力由所述顶部的收缩补偿，直到变形产生的弹性应力补偿所述积累应力为止。所述背板变形。如果通过软弹簧(弹性悬挂)附着至所述衬底或者附着至所述背板的柔软部分，将会发生相同的情况。

为了保持所述背板(或者任何振膜)的零挠度，所述弯曲力矩在所述背板的各个部分应当都是相同的，至少是介观平均的。可以允许依赖于所述应用和所述应力梯度大小的局部缺陷(imperfection)。例如，所述应力应当在30％半径的距离上达到平均数，更优选地是20％甚至10％。因此，在30％(更优选地是20％甚至10％)半径的任何距离上，所述平均应力是大致相同的。然后所述设计补偿所述弯曲力矩并且所述背板维持平坦。

通过厚层的使用可以避免挠度，但是MEMS工艺过程所需要的薄层可以包含相当大的应力梯度。因此，大多数MEMS背板穿孔是平移周期性图案，以便在任何地方实现相同的弯曲刚度。

所有非周期性的或者不均匀的图案都需要对所述应力梯度的控制。在应用中可以补偿挠度，但是如果在生产期间从晶片到晶片或者在晶片上的不同位置的挠度变化较大，则难以提供补偿。这将大大降低产量并且增加成本。有时还可能由于大规模生产沉积工具的使用不能避免应力和应力梯度，优化所述工具用于高生产量而非良好的应力控制。如果所述层的平均应力被非常好地控制，那么这不意味着所述应力梯度也被很好地控制。本发明解决这两个问题。

对于麦克风有利的是：通过设计可以调谐所述背板应力，使得所述麦克风变得对加速度和振动不敏感。这也可以通过在沉积期间的应力调谐来完成，但是可能导致不稳定的生产工艺过程，因为需要低应力。使用传统的周期性图案，诸如蜂窝图案，可能导致非常脆弱的图案，所述图案具有薄的硅网格(silicongrid)。

在下面的测试中解释了一种用于设计所需图案的近似技术，所述测试从一维周期性狭缝或者位移的正方图案(图8(a))开始。这种图案在段之间具有转变，其中在段内的所述行具有相同数量的单元，但是在所述段边界处存在阶跃。

所述单位单元由301表示。然后沿轴拉伸所述单元至所需角度(在这种情况下，45度＝π/4)，以便产生如图8(b)所示的具有恒定角度的块(block)。然后变形为径向段，如图8(c)所示。

如果所述按比例缩放的单位单元变得太大(对于较大半径)，那么在环上增加更多的单位单元。例如可以通过固定的乘数f完成。图8(a)使用为2的乘数：所述单位单元的数量在每一个径向段边界处加倍。图8示出了一种具有四个段的设计。

对于每一个环形段，所述按比例缩放变形变为：

R₁＝ay(1)

和

$R=\frac{{\mathrm{nR}}_1^2+{\mathrm{fR}}_0^2}{R_0(1+f)},$

公式(1)是从图8(a)到图8(b)的阶跃以及公式2是到图8(c)的阶跃。f表示所述段内径与外径的比例，是所述图案的成角度的剖面(angularsection)，a是从y到R₁的任意半径缩放因子，以及R₀是段的起始半径(图8(b))。

用于所述阶跃因子f的整数的使用有利于所述图案在所述阶跃边界处彼此很好地适应。但是其他因子也是可以的，例如如果需要在所述单位单元尺寸上具有较小的变化。

图9是一个使用了较小阶跃(f≈1.5)的示例，并且所述结果是更多的段，在该示例中是六个段。f的数值也不一定在每一个段边界都是相同的。

需要指出的是，图8c和图9的设计将所述图案分为径向的具有相同弯曲刚度的段，并且使得能够实现应力调谐，无需非常薄的网格线。

所述技术是一种近似。在环形段与整个布局之间的边界可能需要精细调谐。可以使用有限元技术。如果使用f的整数部分，那么小段的模拟可能就足够了。

图10示出了单个边界段的示例。可以用参数表示所述梁“b”的宽度并且可以模拟对于应力梯度不敏感的最佳值。可以用相同的方式处理每个段的中心部分。

所述技术不限于环形段或者圆形振膜。例如可以组合对应力梯度敏感的若干段使得整体效果为0并且只发生局部的小挠度。另外，当优化所述图案时，可以考虑通过所述刻蚀工艺过程发生的所述孔在垂直方向上的锥形(tapering，具有逐渐变细的形状)。

所述孔图案是非平移周期性的或者非均匀的，并且给出了恒定的弯曲力矩。那么所述设计对应力梯度不敏感。

本发明可以用于本体噪声被补偿的麦克风或者机械优化的背板。本发明通过适当的穿孔提供了更鲁棒性的板和/或本体噪声补偿。

从上面可以清楚地看出，本发明对麦克风特别感兴趣。然而，它可被应用于其他类型的器件，诸如MEMS开关、MEMS变容二极管、MEMS声换能器、微型阀门或者微型滤波器。本发明将所述孔图案施加至所述固定振膜，并且这些孔可以是那些用于牺牲刻蚀释放的孔。

图1示出了一种在底部具有压力敏感振膜的麦克风，但是本发明可被等效地应用于所述压力敏感振膜在所述不敏感振膜上方的麦克风。

所述压力敏感振膜典型地由硅形成，但是也可以使用其他材料，诸如Al或者Au或者多层SiNx、SiOxNy、SiC或者SiO₂以及导体，诸如Si、Al、Ti、W、TiN、TiW、Au、ITO、Pt。

本发明被实现为所述孔图案的变化，但是这不需要用于形成所述器件的已知的沉积和构图工艺过程的任何变化，并且出于这个原因，没有详细地描述制造所述器件的方法。

如上所述，可以选择所述设计，以便提供应力释放(为了避免裂缝以及为了提供本体噪声补偿)或者通过设计具有相同有效弯曲力矩的段减小应力梯度(为了避免变形以及为了提高灵敏度)。另一个可能的设计目的是所述固定振膜和可移动振膜的平均应力，使得所述固定振膜和可移动振膜的谐振频率是相同的。

设计所述振膜以实现预期目标的最简单的方式是使用有限元模拟，尽管分析计算也是可以的。所述有限元模拟装置需要材料参数、应力和应力梯度作为模拟的输入参数。所述实际应力可以通过翘曲度实验(waferbowexperiment)测量。所述应力梯度可以用特殊的测试结构(例如悬臂梁或者通过一种已知的振膜设计的表面轮廓以及使所述模拟适应所述测量到的挠度)测量。然后所述设计可以在模拟装置中变化直至达到预期的性能。例如，如果所述背板的谐振频率太高，那么可以延长所述狭缝。

上面描述了实施方法的各种示例。应当明白，所述设计不一定是如上所述的理想径向，而是也可以是随机的或者任意分段的，只要释放或者控制所述应力或者应力梯度有利于所述器件的性能。

本领域普通技术人员应当理解各种修改。

Claims (13)

1.一种MEMS器件，包括由间隙间隔开的固定振膜(105)和可移动振膜(103)，其中感测或者控制所述可移动振膜(103)的移动以提供所述器件的操作，

其中所述固定振膜(105)包括在所述振膜区域上的孔阵列，

其中与所述固定振膜外围相邻地设置的至少一组孔包括多行的延长孔，所述行与所述外围相距不同的距离，

其中一行中的孔相对于另一行中的孔是交错的，

其中在所述组的孔内，每一行都具有与径向内侧上的相邻行相比更长的孔，使得孔长度与到中心的径向距离成比例。

2.根据权利要求1所述的器件，其中每一个孔的延长方向通常都沿着所述外围的方向延伸。

3.根据权利要求2所述的器件，其中一行中的孔与相邻行中的孔相比具有相同的宽度但是不同的长度。

4.根据权利要求1所述的器件，其中所述孔阵列包括多个段，其中每一个段均具有相同的有效弯曲力矩，其中所述组的孔被包含在最外侧的段中。

5.根据权利要求1所述的器件，其中所述固定振膜(105)和所述可移动振膜(103)是圆形的，并且所述组的孔的每一行均包括固定半径的圆。

6.根据权利要求1所述的器件，其中在最靠近中心的最内侧段内，所述孔还包括多行延长孔，所述行与所述外围相距不同的距离，并且一行中的孔相对于在另一行中的孔是交错的。

7.根据权利要求6所述的器件，其中在最内侧段中每一个孔的延长方向通常都沿着所述外围的方向延伸。

8.根据权利要求7所述的器件，其中所述最内侧段的最外侧行的孔比最外侧段的最内侧行的孔长。

9.根据权利要求6所述的器件，其中在最靠近中心的最内侧段内，所述孔包括多个具有高宽比为1的开口。

10.根据前述权利要求1-9中任一项所述的器件，包括麦克风。

11.根据前述权利要求1-9中任一项所述的器件，其中选择所述固定振膜和可移动振膜的平均应力，使得所述固定振膜和可移动振膜的谐振频率是相同的。

12.根据前述权利要求1-9中任一项所述的器件，其中所述孔具有逐渐变细的形状。

13.根据前述权利要求1-9中任一项所述的器件，其中沿全部周长夹住所述固定振膜。