CN103121657B - 微机电系统及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微机电系统及其制造方法。微机电系统包括膜结构和背板结构。背板结构包括背板材料以及机械地连接到背板材料的至少一个预张紧元件。所述至少一个预张紧元件在背板材料上形成机械张力以便使背板结构沿着远离膜结构的方向弯曲偏转。

Description

微机电系统及其制造方法
技术领域
本发明的实施方式涉及一种微机电系统（MEMS），该微机电系统包括膜（membrane）结构和背板结构。本发明的一些实施方式涉及用于制造微机电系统的方法。
背景技术
在转换器（transducer）的技术领域中微型化是主要研究兴趣中之一。与此同时，转换器的典型性能数字（诸如信噪比或者动态范围）应该保持在合理水平。已经将微机电系统（MEMS）设定为目标用于这些应用，因为它们潜在地尺寸很小，在几十微米的级别上，并且因为它们与半导体类的处理具有兼容性。这导致潜在的高容量制造。可以利用MEMS制造过程实现的装置为例如压力传感器、超声波转换器、扬声器和麦克风等。通常，这些装置包括一个或多个膜，具有用于读出/驱动沉积在膜和/或基板上的电极。在静电MEMS压力传感器和麦克风的情形中，通常通过测量电极之间的电容来实现读出。在转换器用作致动器（诸如扬声器）的情形中，通过施加横跨电势差来驱动装置。
通常地，MEMS转换器的膜利用例如氧化硅SiO2的牺牲层制造。在使用中，因为在制造过程期间在（部分地）移除牺牲层之前形成在牺牲层上的结构（因此留下所形成的结构），所以膜移动的幅度通常地由牺牲层的厚度大致地限制。
发明内容
本发明的实施方式提供一种微机电系统，该微机电系统包括膜结构和背板结构。背板结构包括背板材料以及机械地连接到背板材料的至少一个预张紧元件。所述至少一个预张紧元件在背板材料上形成机械张力以便使背板结构沿着远离膜结构的方向弯曲偏转。
本发明的其它实施方式提供一种微机电系统，该微机电系统包括支撑结构、膜结构和背板结构。膜结构在膜结构连接位置处机械地连接到支撑结构。背板结构在背板结构连接位置处也机械地连接到支撑结构。背板结构连接位置与膜结构连接位置隔开。背板结构包括背板材料和机械地连接到背板材料的至少一个预张紧元件。所述至少一个预张紧元件构造为展开背板结构，使得背板结构与膜之间的距离在背板结构之上变化，并且最小距离在背板结构连接位置处。
本发明的实施方式提供了一种用于制造微电子机械系统的方法。该方法包括：形成用于膜结构的层、形成牺牲层、沉积背板材料的层、形成至少一个预张紧元件、以及蚀刻牺牲层。牺牲层形成在用于膜结构的层上。背板材料的层沉积在牺牲层的表面上。所述至少一个预张紧元件形成在背板材料的表面上。作为可替换实施例，所述至少一个预张紧元件嵌入在背板材料中。通过蚀刻牺牲层释放背板材料的层以及所述至少一个预张紧元件。由于由预张紧元件在背板材料上施加的机械张力，使得背板材料的层和所述至少一个预张紧元件沿着远离膜结构的方向弯曲。
本发明的其它实施方式提供了一种用于制造微机电系统的方法。该方法包括：在基层的表面上形成至少一个预张紧元件。沉积背板材料的层。沉积牺牲层和限定膜结构的层。然后蚀刻牺牲层。所述背板材料的层沉积在基层的表面以及所述至少一个预张紧元件上。牺牲层沉积在背板材料的层的表面上。限定膜结构的层沉积在牺牲层的表面上。通过蚀刻牺牲层以及基层的至少一部分，背板材料的层和所述至少一个预张紧元件被释放，这使得由于由所述至少一个预张紧元件施加在背板材料上的机械张力而使背板材料的层以及所述至少一个预张紧元件沿着远离膜结构的方向弯曲。
附图说明
本文参照附图描述了本发明的实施方式。
图1a和图1b示出了可以在两层结构处观察到的弯曲偏转的基本原理；
图2a和图2b示出了呈现压应力的层与呈现张应力的两件材料之间的相互作用；
图3示出了通过根据本文公开的教导的第一实施方式的微机电系统的横截面；
图4示出了通过根据本文公开的教导的第二实施方式的微机电系统的横截面；
图5示出了通过背板结构的构造性细节的横截面，该背板结构已被用于计算地仿真背板结构的偏转；
图6示出了利用图5的构造细节的仿真的结果，特别地示出了作为多个褶皱的函数的背板结构的中心偏转；
图7示出了使用图5中示出的构造细节的另一个仿真结果，特别地示出了作为背板结构上的位置的函数的背板结构的偏转；
图8A-图8F（共同作为图8）示出了在根据本文公开的教导的实施方式的制造过程期间，多个中间状态的微机电系统的细节的横截面视图；
图9示出了根据本文公开的教导的实施方式的微机电系统的横截面的细节；
图10示出了在根据本文公开的教导的制造过程的中间状态期间，根据本文公开的教导的实施方式的微机电系统的立体图和局部横截面视图；
图11A至图11K示出了根据本文公开的教导的制造过程的多个中间状态的横截面视图；
图12示出了根据本文公开的教导的实施方式的背板结构的结构性细节；
图13示出了根据本文公开的教导的实施方式的背板结构的另一个结构性细节的横截面；
图14示出了根据本文公开的教导的实施方式的背板结构的俯视图；
图15示出了根据本文公开的教导的另一个实施方式的微机电系统的俯视图；
图16示出了通过图15中示出的微机电系统的横截面；
图17示出了根据本文公开的教导的另一个实施方式的微机电系统的俯视图；
图18示意性示出了通过图17中示出的微机电系统的横截面；
图19示出了图17和图18中示出的微机电系统的膜结构的俯视图；
图20示出了利用多个预张紧元件和多个铰接元件呈现弯曲偏转的结构的一般原理；
图21示出了图20中示出的结构的变型；以及
图22示出了图20中示出的结构的另一个变型。
在下面的描述中，具有相同或等同功能性的相同或等同的元件以相同的附图标记或类似的附图标记表示。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了多个细节以提供对本发明的实施方式的更透彻的说明。然而，对于本领域中的技术人员显而易见的是，本发明的实施方式可以在没有这些特定细节的情况下实施。在其它情况中，以示意性横截面视图或俯视图中而以细节的形式示出了公知的结构和装置，以避免对本发明的实施方式造成不清楚。此外，除非特别地另有指明，下文描述的不同实施方式的特征可以与其它特征和其它实施方式组合。
本文公开的教导的可能应用是用于传感器（例如麦克风）以及用于致动器（例如微型扬声器）。特别地，本文公开的教导可以以接触模式（膜机械地接触背板以及在推-挽（推-拉，push-pull）模式中的低吸合（pull-in）电压）与数字扬声器操作相关联地应用。因此，麦克风或者扬声器可以包括微机电系统，该微机电系统进而包括以下元件：膜结构和背板结构。背板结构包括背板材料以及机械地连接到背板材料的至少一个预张紧元件。该至少一个预张紧元件构造成使得在背板材料上产生机械张力以便背板结构沿着远离膜结构的方向弯曲偏转。背板结构可以用作麦克风或者扬声器的定子。膜结构可以用作麦克风或者扬声器的隔膜。
用于将声音信号转换为电信号或者将电信号转换为声音信号的转换器可以利用微机电系统实施。扬声器是将电信号转换成声音信号的转换器。麦克风是将声音信号转换成电信号的转换器。
为了满意地实现该目的，扬声器需要提供大体积位移以产生足够的声压水平。至于麦克风，麦克风通常需要位于膜与背板之间的大空气间隙，以便提供高动态范围和/或高信噪比（SNR）。
扬声器通常通过诸如空气的流体的位移产生体积流动。在多种扬声器类型中，通过相对于声音传播方向的平行移动获得所述位移。在宏观和微观实施中，对于许多类型的动态、压电、铁电或静电扬声器来说，这是适用的。因此，需要大位移，但这特别是在微观等级的实施中是困难的。
具有较宽的膜的运行范围的麦克风通常具有由较厚的牺牲层（例如几微米的氧化硅）产生的相对较大的空气间隙。厚层的设置增加了成本，并且特别地由于机械应力（晶片弯曲）具有限制，并且由于应力而具有破裂的风险。同时，这种结构仍可受到由于膜（气球类型）抵靠平坦背板的非平行移动而造成的非线性感应。相反，通常期望的是膜相对于背板的活塞式的平行移动。
本文公开的教导揭示了宽的空气间隙如何可以通过较薄的牺牲层形成。这种构造可以用于宽范围MEMS致动器或传感器中，其中术语“宽范围”表示驱动范围。驱动范围与膜的可能的位移和/或与转换器的动态范围相对应。为了形成宽空气间隙的目的，可以以双压电晶片层结构构造复合背板。基层（或主层）具有低的张应力，并且具有高的张应力的弯曲层覆盖基层的选定部分、或者在选定位置处嵌入到基层中。在已执行释放蚀刻之后，复合背板将沿着由弯曲层存在的位置控制的方向弯曲，与基层和弯曲层中的张应力/压应力、和/或其它参数相关。通过构造弯曲层，使得其施加在基层的选定位置处，能够以相对精确的方式控制背板的弯曲。因此，可以预先确定在所述释放蚀刻之后以及在完成弯曲过程之后的背板的最终形状。根据背板的设计，背板可以具有几微米的中心背板偏转或者位移，该中心背板偏转或者位移远大于通常的牺牲层厚度。例如，当在背板结构内使用具有43MPa张应力的330nm厚的多晶硅基层以及具有1GPa的张应力的280nm厚的硅硝酸盐弯曲层，具有1mm的直径和600nm高的15个同心波纹（concentriccorrugation）的背板具有20μm的中心弯曲。背板的中心弯曲与牺牲层的厚度之间的比率可以大到5、10、15、20、25、或者甚至30。
根据本文公开的教导，使用双压电晶片结构（双层结构）或者多层结构来形成用于致动器或者传感器元件的允许特别高的驱动范围的翘曲（buckling）背板结构。该双层结构可以布置在弯曲表面上或者其自身形成弯曲表面。本文公开的教导的一个可能的应用是用在宽范围MEMS致动器或者传感器内。
图1a和图1b示出了获得双层结构6的弯曲偏转的基本概念。双层结构6布置在牺牲层32的剩余部分的表面上，牺牲层进而布置在基板10的表面上。因此，该双层结构6经由牺牲层32以间接的方式机械地连接到基板10。腔体22形成在基板10和牺牲层32中，使得该双层结构6包括悬置部分。图1a和图1b中示出的双层结构6形成悬臂布置，该悬臂布置的左端基本上被夹持于牺牲层32。在图1a示出了当其右端相对于基板10固定时的双层结构6，使得该双层结构6具有大致平直的或平面形状。该双层结构6包括第一层64和第二层62。第一层64包含第一材料，并且第二层62包含第二材料。第一材料和第二材料呈现了不同的张应力，使得第二层区域趋向于减小其空间延伸，即其趋于收缩以便达到较小的能量级别。另一个方面，第一层64呈现了比第二层62更小的张应力。由于第二层62布置在第一层64的上表面上，第二层62在第一层64的上表面上施加力，该力通过在图1a中的两个相反的箭头指示。在可替换构造中，该双层可以呈现不同的压应力，或者一个层可以呈现张应力并且另一层呈现压应力。然后这些可替换构造可能导致双压电晶片结构沿着相反方向的弯曲和/或具有不同的弯曲量。
图1b示出了一种情形，其中双层结构6的右端已经被释放。由于通过第二层62在第一层64的上表面上施加的作用力，该双层结构6弯曲，使得第一层64的上表面（即，第一层64与第二层62之间的界面）可以减小其长度。当在双层结构6内作用的多个力达到平衡时，便获得了该双层结构6的最终弯曲状态。例如第一层64的下表面相对于图1a中示出的状态被伸长。这形成了与在第二层62内作用的收缩力相反的作用力。
本文公开的教导利用了双压电晶片结构趋于弯曲的事实。可以应用多种结构来形成翘曲背板。根据本文公开的教导的一些实施方式，即使仅使用一个较薄的牺牲层或者多个较薄的牺牲层时，也可出现背板的大中心偏转。
图2a示出了根据本文公开的教导的一些实施方式的背板结构的横截面。背板结构16包括背板材料164以及机械地连接到背板材料164的两个预张紧元件162。预张紧元件162由具有比背板材料164更高的张应力的材料制成、或者包括具有比背板材料164更高的张应力的材料。在图2a中示出的构造中，背板材料164具有大致平面的形状，即，背板材料164可以视为背板材料层。背板材料164在左端或者在右端处固定或者机械地连接到基板10。在基板10内的腔体22的区域中，背板结构16包括悬置部分，该悬置部分由背板结构16的左端和右端支撑，其中背板结构在所述左端和所述右端机械地连接到基板10。预张紧元件162中的第一个在背板结构16的左端与背板结构16的中心之间布置在背板材料164的上表面上。第一预张紧元件162不是沿着横向方向一直延伸到基板10，而是在基板10与第一预张紧元件162之间设有小的间隙。第一预张紧元件162不是一直延伸到横向地位于第一预张紧元件162的右侧的背板结构16的中心。而是，较大的距离将第一预张紧元件162与背板结构16的中心隔开。第二预张紧元件162相对于第一预张紧元件以大致对称的方式布置。因此，第二预张紧元件162靠近背板结构16的右端。应注意的是，在图2a中示出的两个预张紧元件162可以实际上是具有诸如环形、正方形、长方形、椭圆形的闭合形状或者诸如U形的开口形状的单个预张紧元件162的两个不同部分。
通过在选定的位置处在背板材料164的表面上或者嵌入背板材料164的表面中设置预张紧元件162，可以控制背板结构16将会弯曲的方式，从而导致背板结构16的期望的弯曲偏转。在图2a中示出的构造中，预张紧元件162致使背板材料164与张紧元件162之间的界面的收缩，从而使得在设置预张紧元件162的区域中，背板材料164向上弯曲，因而使背板结构16的中间部分沿着与背板结构16所延伸的平面大致正交的方向升高。在图2a中画出的箭头代表不同的应力，这些应力可以分别在预张紧元件162和背板材料164中观察到。正如可以通过指向彼此的两个箭头可看到的，预张紧元件162受到相对较大的张紧应力。对比之下，如通过远离彼此指向的两个箭头所指示的，背板材料164受到压应力。应该指出的是，不必使用于预张紧元件162和背板材料164的层的材料中的一个材料受到压应力而另一材料受到张应力，即，不必使两个材料中的应力具有相反的符号或类型。相反，如果应力的数量等级是不同的，则两种材料都可受到张应力或者都受到压应力。在预张紧元件受到压应力的构造中，预张紧元件通常地布置在背板材料164的与受到张应力的预张紧元件不同的相对表面上，以便获得相同的偏转方向。
图2b示出了微机电系统的示意性横截面，该微机电系统包括上背板结构16、下背板结构12、以及布置在上背板结构16与下背板结构12之间的膜结构14。图2b示出了处于偏转状态的背板结构12、16，其是在背板结构16、12通过蚀刻牺牲层已从牺牲层（图2a和图2b中未示出）释放之后获得的。下背板结构12包括背板材料124和预张紧元件122。由于预张紧元件122布置在背板材料124的下表面，因此下背板结构12向下弯曲。在其中心部分中，第一空气间隙13由此形成在下背板结构12与膜14之间。第二空气间隙15形成在膜14与上背板结构16之间。两个空气间隙13、15均具有拱状或弓形的形状，同时它们分别通过下背板结构12或上背板结构16在它们的其中一个表面处被界定。如短线-点-点的线条所示，膜14可以以较大的幅度振动。
在图2b中示出的微机电系统可以具有围绕中心轴一的轴对称性，所述中心轴线定位在背板结构12、16的左端与右端之间的半程处并且大致与膜14的平面正交地延伸。因此，下背板结构12、上背板结构16以及膜14可以在微机电系统的俯视图中或者仰视图中具有圆形的形状。也可以想象具有其它形状，诸如长方形、正方形、椭圆形、六角形、八角形等。
图3示出了根据本文公开的教导的实施方式的微机电系统的示意性横截面。特别地，图3示出了本文公开的教导如何可以被应用到单个背板结构。微机电系统包括膜结构14和背板结构16。背板结构16包括背板材料164以及机械地连接到背板材料164的至少一个预张紧元件162。在图3中示出的实施方式中，背板结构16包括五个预张紧元件162。如针对图2a和图2b所解释的，所示预张紧元件162中的一些可以例如以环形的方式实际上相互连接。预张紧元件162形成背板材料164上的机械张力，以便背板结构16沿着远离膜结构14的方向弯曲偏转。由预张紧元件162造成的背板材料164上的机械张力空间地分布到背板材料164的多个位置处。背板材料164包括多个凸起结构161和多个凹入结构165。凸起结构161与凹入结构165交替。在背板结构16的圆形构造中，凸起结构161和凹入结构165可以相应地是环形的脊部与环形的凹槽。预张紧元件162在局部凸起结构161下方布置在背板材料164的下表面处。预张紧元件162的收缩动作致使局部凸起结构161的下部的凹入表面矫直到一定的程度。更加详细地研究最左侧的局部地凸起结构161，可以看出，局部凸起结构161相对刚性地在局部凸起结构161的左侧连接到基板10。由于预张紧元件162布置在局部凸起结构161的下方，这致使其被矫直到一定程度，局部凸起结构的右手部分升高，即远离膜结构14偏转。对于另一局部凸起结构161来说，该原理自身重复，以使背板结构16在其中心处显著地偏转。该较大的中心偏转是由于由以空间分布的方式布置在背板材料164的下表面上的各个预张紧元件162造成的效果的组合。预张紧元件构造为将背板结构从固定状态折展开到释放状态。在释放状态中（或者展开状态）膜结构与背板结构之间的距离根据位置而变化，即膜结构和背板结构彼此不平行。膜结构与背板结构之间的最小距离通常在膜结构连接到支撑结构的地方（即，“膜结构连接位置”）与背板结构连接到支撑结构的地方（即，“背板结构连接位置”）之间。在背板结构展开到展开状态之前，背板结构处于固定的状态中。该固定状态通过一些固定机构保持，通常地，在将牺牲材料通过例如蚀刻移除之前将背板结构粘附在牺牲材料处。
背板结构16还包括多个孔163，所述多个孔在图3中示出的构造中定位在局部凹入结构165的位置处。孔163可以具有双功能。在微机电系统的制造过程期间，孔163允许蚀刻剂在制造过程的这个阶段到达位于膜结构14与背板结构16之间的牺牲层。在微机电系统的操作过程中，孔163允许声波进入膜结构14与背板结构16之间的空气间隙，或者允许声波从该空气间隙出现。
根据本文公开的教导的翘曲背板可以是用于需要宽驱动范围的传感器/致动器的不同应用中的一部分。例如，如图3中示出的单个背板结构可以用于在较大位移处由高声压等级（SPL）产生的具有高线性要求的麦克风。相对于微型扬声器来说，如图3中示出的单个背板构造可以用于高致动，特别是以数字驱动模式的高致动。
图4示出了本文公开的教导如何可以被应用到双背板结构。图4示出了根据本文公开的教导的另一个实施方式的微机电系统。膜结构14和上背板结构16以与图3中示出的微机电系统的相应元件大致相同的方式构造。此外，提供下背板结构12，该下背板结构至少部分地由基板10支撑。膜结构14进而至少部分地由下背板结构12支撑。上背板结构16至少部分地由膜结构14支撑。腔体22形成在基板10中。上背板结构16、膜结构14、以及下背板结构12都由基板10支撑在腔体22的径向外部的区域中。在腔体22外部的区域处可以看到，在大致延长下背板材料124的上表面与上背板材料164的下表面之间的腔体22的区域中，膜结构14一度嵌入在已被蚀刻掉的两个牺牲层32之间。
下背板结构12包括局部凸起结构121以及局部凹入结构125。它们的作用和功能大致与上背板结构16的局部凸起结构161和局部凹入结构165相同。下背板结构12和上背板结构16关于膜结构14的平面大致相互镜像。
关于图4中示出的构造的应用，双背板麦克风可以用于力反馈或者差异读出。在微型扬声器方面，双背板可以用于模拟推-挽操作或者用于具有甚至更高的吸合致动的数字操作。
图5示出了仿真背板结构12或16的一部分的横截面。图5中示出的部分是弯曲部分151与波纹部分155的组合。预张紧元件152布置在弯曲部分151的下表面处。弯曲部分151具有W_bending的宽度并且波纹部分具有W_corru的宽度。在弯曲部分151内，背板材料154沿着与背板材料154的平面正交的方向偏移距离h。位于弯曲部分151与波纹部分155之间的过渡部分相对于背板材料154的平面大致为45°的角度。
图6示出了背板结构的仿真的结果。图6中示出的图的纵坐标以μm表示仿真背板的中心偏转。图的横坐标表示在背板结构内的波纹的数量。下面的值被用于仿真的目的：W_corru=10μm；W_bending=10μm；H=600nm；背板直径=880μm。可以看出的是，即使具有较低数量的五个波纹也可以获得几乎6μm的中心偏转，该中心偏转已经是通常牺牲层厚度的多倍。对于在880μm直径的背板上的19个波纹，中心偏转增加到超过20μm。
背板材料154大致是（或者包括）具有330nm厚度与100MPa应力的多晶硅（PolySi）。预张紧元件152大部分包括硅亚硝酸盐（SiN），具有280nm的厚度以及1GPa的应力。
图7示出了在包括图5中示出的构造性细节的背板上执行的仿真的另一结果。图的纵坐标以μm表示偏转，并且图的横坐标表示x坐标，其中x=0μm与背板结构的中心相应，并且x=442μm与背板结构的夹持边缘相应。图7中的图示出了具有20个波纹的翘曲背板的弯曲曲线。可以看出，该弯曲曲线包括在两个弯曲过渡部分之间的大致线性部分。应用到圆形背板，这意味着背板结构具有大致锥形或截锥形状。
在图8A至图8F中示出了产生“翘曲背板”的工艺流程。图8A示出了可以例如由硅（Si）制成的基板10。例如，基板10由例如可以已从LOCOS（硅的局部氧化）工艺获得的圆形井结构限定。LOCOS工艺在基板10上形成多个局部凸起结构61。
在图8B中，牺牲层32已经沉积在基板10上并且还已经沉积在局部凸起结构61上。牺牲层可以例如是原硅酸四乙酯（TEOS）、湿式氧化物、碳或者其它适当的材料。
在随后步骤期间，在图8C中示出了其结果，具有高张应力的弯曲层已经沉积并且构造成抵靠牺牲层32，使得再现基板10的局部凸起结构61的牺牲层32的仅局部凸起表面被覆盖。这导致预张紧元件162的形成。弯曲层可以是氮化硅（SiN）。
图8D示出了工艺流程的一状态，在状态下具有低应力的背板层164已经沉积在沉积层32上并且还已经沉积在预张紧元件162上。背板层164可以是多晶硅。基板10的局部凸起结构61也通过牺牲层32和背板层164再现。
在图8C和图8D中，预张紧元件162示出为与牺牲层32接触。作为替换实施例，预张紧元件162可以（完全地）嵌入背板材料164中。如图8D中所示，在弯曲层的沉积之前的可选步骤期间，背板材料164的第一部分层可以沉积在第一牺牲层32上。在形成预张紧元件162之后，基板材料164的第二部分层沉积在牺牲层32和预张紧元件162上。通过这种方式，预张紧元件162（完全地）嵌入背板材料或层164中。通常地，背板材料164的第一部分层将被选择为比背板材料164的第二部分层薄，使得预张紧元件162距离背板材料164的下表面比距离背板材料164的下表面近。
如图8E中可见，然后在背板层164中构造蚀刻释放孔163。
图8F示出了执行背板层164的内部的释放的结果。预张紧元件162的大张应力（其由弯曲层产生）被释放，并且使得背板结构弯曲。特别地当与牺牲层32的厚度相比时，可以形成背板的显著地更大的偏转。
图9示出了图8F中示出的微机电系统的详细横截面。图9示出了预张紧元件162内的应力、背板结构16的应变和弯曲的相互作用。应力通常地被限定为所施加的作用力F与横截面A的比率，因此“单位面积的力”。应变被限定为“固体由于应力的变形”。应变通过材料-特定的杨氏模量E而与应力关联。
图10示出了在将蚀刻背板结构从基板10释放之前的背板结构16的立体局部横截面。因此，图10大致与图8E中示出的状态相应。示出了多个预张紧元件162，其中外面的两个预张紧元件具有环形构造（当以旋转对称方式完成时）。预张紧元件162还可以被描述为第二背板材料的补片。第二背板材料具有与（第一）厚板材料164相比不同的张应力或者压应力。补片162被施加到背板材料164的与邻近牺牲层32的表面相对的表面上。作为替换实施例，补片162可以通过背板材料164的两步沉积工艺以及上述的补片162的中间沉积和构造而嵌入在背板材料164中。补片162施加在背板材料164的选定位置处。特别地，在图10中示出的实施方式中，补片162布置在牺牲层32的局部地凸起结构上。补片162在局部凸起结构上的布置“放大”了背板结构16的偏转。应该指出的是，根据期望的偏转类型，补片162还可以布置在牺牲层32的局部凹入结构中或者布置在牺牲层32的局部凹入结构处。此外，存在于背板材料164与补片162内的应力的关系（张应力在补片162中比在背板材料164中更高，或者反之亦然；压应力在补片162中比在背板材料164中更高，或者反之亦然；等）还影响背板结构16的偏转的方向和数量。
图11A至图11K示出了制造具有带波纹的膜（或膜结构）的双背板系统的方法。图11A示出了用作用于随后的工艺步骤的基层的基板10的示意性横截面。基板10以波纹预成型件61限定。存在多个用于获得图11A中示出的结构的选择。第一个选择是在基板10上执行LOCOS（硅的局部氧化）工艺，接着是蚀刻步骤。第二个选择可以是在波纹预成型件61的期望位置处用掩模遮掩基板10。然后可以执行各向同性基板蚀刻，以在波纹预成型件61之间形成大致半球形腔体。随后，执行掩模的移除。根据第三个选择在基板上形成一个或多个氧化物环。然后执行氧化物沉积以围绕该结构。在过去使用第三个选择来形成波纹。除了所建议的三个选择以外，还可以存在其它选择以制造波纹预成型件61。
图11B示出了在蚀刻止挡层102被沉积在基板10的带波纹的表面上之后的基板10的示意性横截面。蚀刻止挡层可以包括氧化硅（SiO）。
如图11C中示出的，下背板材料124沉积在蚀刻止挡层102上。下背板材料124也特别地构造成用于在背板材料124中提供蚀刻释放孔123。
图11D示出了一种状态，在该状态中弯曲层已被限定，形成预张紧元件122。弯曲层可以包括氮化硅（SiN）。弯曲层限定可以包括弯曲层的沉积和构造，该构造可能地进一步再分割为用掩模遮掩和蚀刻弯曲层。在图11D中示出的工艺阶段处，预张紧元件122沉积在基板10、蚀刻止挡层102、和下背板材料124的局部凹入结构内。
图11E以示意性横截面视图示出了在牺牲层32已沉积在背板材料124的背离基板10的表面上之后基板10和多个沉积层和/或构造层。牺牲层可以包括氧化硅作为材料。
如图11F中示出的，然后膜或膜结构14沉积在牺牲层32的表面上，该表面仍是背离基板10的表面，由于其为牺牲层32的暴露的表面。
图11G示出了在第二牺牲层32的沉积之后具有带波纹的膜的双背板系统的制造过程的一种状态。作为第一牺牲层，第二牺牲层32可以包括SiO或由SiO组成。第二牺牲层32沉积在膜或膜结构14的背离基板10的表面上。
图11H示出了限定形成预张紧元件162的上弯曲层。通过构造上弯曲层而形成的上弯曲层和预张紧元件162可以包括SiN或由SiN组成。预张紧元件162布置在第二牺牲层32的局部凹入结构之中或之上。
上背板材料164然后沉积在第二牺牲层32和预张紧元件162上。可以在图11I中看到上背板材料沉积之后的状态。蚀刻释放孔163也构造在上背板材料164中。
在限定上背板材料164之后，执行后侧腔体蚀刻，其结果可以在图11J中看到。使用的蚀刻方法可以是相对于硅高度地选择性的并且仅在氧化硅上仅具有小的蚀刻作用。因此，基板10从后侧被蚀刻，直到该蚀刻步骤达到蚀刻止挡层102。后侧腔体22可以通过在后侧用掩模遮掩基板10而限定。然后，利用可选择用于氧化硅的第二蚀刻工艺来移除蚀刻止挡层102，以便暴露下背板材料124的背离膜结构14的表面。
图11K示出了释放蚀刻的结果。该释放蚀刻经由释放蚀刻孔123、163将蚀刻剂引入到由牺牲层32的占据的空间中。应该注意的是，根据本发明的用于制造图11A至图11K中示出的微机电系统的方法的实施方式，用于牺牲层的材料是氧化硅，即，用于牺牲层的材料是与已经用于蚀刻止挡层102相同的材料。因此，移除蚀刻止挡层102和执行释放蚀刻以溶解牺牲层32的步骤可以在单个步骤期间执行。由于预张紧元件122和162的作用，该释放蚀刻导致上/下背板结构16、12的向上/向下弯曲。
因此，在上背板结构和下背板结构16、12之间形成了较大的空间，在该空间中膜结构14可以以较大的幅度振动。当位于上/下外部位置中时，上背板结构和下背板结构16、12的形状大致与膜结构14的形状类似。因此，膜结构14和上/下背板结构16、12的至少局部的形状相对地相互平行，从而减小了非线性作用。对于该局部平行的第一个原因是膜结构14已经在与上/下背板结构16、12相同的工艺期间制造，从而特别地膜结构的上/下波纹与背板结构16、12的上/下波纹相对应。换句话说，膜结构14的波纹大致地与上/下背板结构16、12的波纹对齐。另一个原因是膜结构14和上/下背板结构16、12以类似的方式弯曲，因为它们具有大致相同的横向尺寸并且悬置在大致相同的位置处。尽管上/下背板结构16、12的弯曲偏转是静态的，但是膜结构14的弯曲偏转是动态的，因为膜结构14通常显著地比上/下背板结构16、12更薄和/或更柔性。
膜结构14在膜结构连接位置149处机械地连接到支撑结构。在图11K中示出的构造中，该支撑结构包括基板10、蚀刻止挡层102的剩余部分、牺牲层32的剩余部分、以及下背板结构12和膜结构14的周边部分。
下背板结构12还机械地连接到支撑结构。与膜结构14对比之下，下背板结构在与膜结构连接位置149隔开的背板结构连接位置129处机械地连接到支撑结构。以类似的方式，上背板结构16在上背板结构连接位置169处机械地连接到支撑结构。背板结构12、16与膜结构14之间的距离在背板结构12、16之上变化，特别地该距离根据下背板结构12、16的横向延伸而变化。膜结构14与下背板结构12之间的最小距离在背板结构连接位置129处。该距离应表示膜结构14与上/下背板结构16、12之间的间隔。在微机电系统的操作的过程中，该距离例如平行于膜结构的移动的主要方向。这意味着膜结构14与上/下背板结构16、12之间的间隙在背板结构连接位置169、129和膜结构连接位置149处相对较窄。随着从支撑结构增加横向距离，空气间隙加宽，直到在相对远离任何背板结构连接位置129、169或膜结构连接位置149的位置处（或者在其附近）达到最大值。由于制造原因，在膜结构连接位置/背板结构连接位置129、149、169处的空气间隙的宽度被限制成大致为牺牲层的厚度。由于背板结构12、16的弯曲偏转，在更远离膜结构连接位置/背板结构连接位置129、149、169的位置处能够获得较大的空气间隙宽度。
应该注意的是，膜结构连接位置/背板结构连接位置129、149、169可以根据膜结构14和/或背板结构12、16的形状而具有诸如直线、圆形、或者正方形的多种形状。此外可能的是，膜/背板结构连接位置129、149、169空间地分布，即，膜结构和/或背板结构在多个单独的位置处机械地连接到支撑结构。
图12示出了通过背板结构的局部凸起结构的示意性横截面。预张紧元件152布置在背板材料154的凸起表面上。背板材料154具有厚度t1，并且预张紧元件152具有厚度t2。背板材料154的厚度t1例如可以在300nm至1μm之间，或者在400nm与900nm之间，或者在500nm与800nm之间。在图12中示出的构造中，在100MPa的张应力下，背板材料具有厚度t1=660nm的多晶硅。预张紧元件152的厚度t2可以在100nm与500nm之间，或者在200nm与400nm之间，或者在250nm与300nm之间。在图12中示出的构造中，预张紧元件152具有t2=280nm的厚度，并且该材料主要是具有1GPa的张应力的氮化硅。局部凸起结构从背板材料154的主平面突出高度h，该高度可以采取1μm与3μm之间的值、或1.5μm与2.5μm之间的值、或1.6μm与2.2μm之间的值。局部凸起结构包括多个弯曲的过渡部分。这些过渡部分的外表面相对于弯曲具有半径R，该半径可以在800nm与1200nm之间，或者在900nm与1100nm之间。在图12中示出的构造中，半径R=1μm。
图13示出了根据至少一些可能的实施方式的包括背板材料154和两个预张紧元件152的背板结构的局部横截面。预张紧元件152布置在背板材料154的凸起表面上。背板材料154实际上包括在制造工艺期间将一个沉积在另一个的顶部上的两个构造的层。在图13的横截面视图中可以看到，背板材料154的两个层在多个位置处结合，使得形成的背板材料154的横截面具有曲折的形状。
图14示出了在释放蚀刻步骤之前的工艺步骤下的背板材料164的俯视图（与在图11I中示出的大致相同的状态）。背板材料164包括三个同心波纹或者局部凸起结构161。中心波纹或局部凸起结构161具有大致圆形的形状，而两个外部的波纹161具有大致环形的形状。腔体22的位置由图14中的虚线指示，以便提供空间参照。在背板材料164中形成多个蚀刻释放孔163。波纹或者局部凸起/凹入结构161、121的数量不限于2个或3个，而是可以更多，例如3个与20个波纹之间、或者5个与18个波纹之间、或者7个与15个波纹之间。
图15示出了根据本文公开的教导的另一个实施方式的背板结构716的示意性俯视图。背板结构716包括背板材料764和四个预张紧元件762。背板材料764包括正方形悬置部分以及布置为支撑背板材料764的悬置部分的四个支撑臂768。支撑臂768包括内端和外端。支撑臂768的内端机械地连接到背板材料764的悬置部分。支撑臂768的外端机械地连接到背板材料764的外部或周边部分，背板材料764的外部或周边部分进而机械地连接到支撑结构。
预张紧元件762布置在支撑臂768的表面上。四个细长的孔769形成在背板材料764的悬置部分中，这可以减小主要地在支撑臂768的区域中发生的由背板结构716的弯曲偏转造成的切口效应（notcheffect）。
图16示出了背板结构716沿着在图15中指出的剖切平面的示意性横截面。此外，图16还示出了下背板结构712，其相对于平行于上和下背板结构716、712的悬置部分的平面延伸部分的对称平面而与上背板结构716大致对称。上和下背板结构716、712以释放的状态示出，即由于预张紧元件762、722而主要在支撑臂768、728的区域中已发生弯曲偏转。图15和图16中示出的实施方式将来自于较薄牺牲层32的位于膜结构14与上/下背板结构716、712之间的较宽空气间隙与背板材料764、724的用作用于膜结构14放的对电极的悬置部分的大致平面构造相组合。膜结构14包括较靠近膜结构连接位置（即，膜结构14的边缘）的少量波纹，从而在膜结构14的中心部留有较大的平面或平坦区域。在诸如例如微型扬声器或麦克风的机电系统的操作过程中，膜结构14的波纹方便膜结构14的动态弯曲偏转。
图17至图19涉及根据本文公开的教导的微型机电系统的源于图15与图16中示出的实施方式的又一实施方式。
图17示出了包括背板材料964和预张紧元件962的背板结构916的俯视图。背板材料964包括四个支撑臂968。预张紧元件962布置在支撑臂968的表面上。在替换实施例中，预张紧元件962可以嵌入在支撑臂968中。与图15中示出的实施方式的不同在于，支撑臂968平行于背板材料964的悬置部分的邻近边缘，即，支撑臂968沿着悬置部分的邻近边缘延伸。因此，支撑臂968可以相对较长，使得即使具有较浅的弯曲角度也能够在支撑臂968的机械地连接到背板材料964的悬置部分的端部处获得大的弯曲偏转。为了减小在支撑臂968与背板材料964的悬置部分之间的机械连接处的切口效应，在支撑臂968与悬置部分之间设置弯曲过渡部分。预张紧元件962致使支撑臂968向上弯曲，即沿着垂直于图17的俯视图的绘制平面的方向弯曲。这使背板材料964的悬置部分沿着远离膜结构（未示出）的方向移动。
图18示出了微机电系统的示意性横截面，图17中示出的背板结构属于该微机电系统。在图17中通过点划线指示该横截面。在图18中的横截面中示出的微机电系统包括上背板结构916和下背板结构912。下背板结构912与上背板结构916类似。特别地，下背板结构912包括具有悬置部分和支撑臂928的背板材料924。预张紧元件922布置在支撑臂928的表面上，特别地布置在支撑臂928的背离膜结构14的表面上。图18中示出的微机电系统包括支撑结构或者机械地连接到支撑结构。
图19示出了在图17和图18中示出的实施方式内使用的膜结构14的示意性俯视图。膜结构14包括可以视为膜结构14的主动部分的中心部分145，即，中心部分145经历较大的幅度。中心部分145由波纹141围绕，波纹141被布置为使中心部分145能够具有较大幅度。膜结构14还包括靠近膜结构14的周边部分定位的四个压力均衡孔143。膜结构14在可以视为膜结构连接位置的周边部分处机械地连接到支撑结构910。
图20示出了一种结构一般原理，该结构利用多个预张紧元件和多个铰接元件呈现弯曲偏转。该结构包括多个预张紧元件/复合材料T以及多个铰接元件H。该结构的包括预张紧元件T的部分与铰接元件H交替。该结构在其左端以及在其右端被夹持于支撑结构。铰接元件H构造为承担由预张紧元件T产生的应变。由于预张紧元件T与铰接元件H之间的相互作用，整个结构沿着一个方向弯曲，例如朝向图20的底部弯曲。
图21示出了图20中示出的结构的变型，其较简单并且比其他构造较不有效。在图21的上部图中，该构造被固定，并且在图21的下部图中该结构被释放。预张紧复合材料T包括布置在背板材料124的表面上的预张紧元件122。铰接元件H大致是背板材料124的将预张紧元件分开的一部分。在释放状态中，该结构沿着背板材料124的与布置有预张紧元件122的表面的面向方向相对的方向弯曲。
图22示出了图20中示出的结构的另一个变型。图22中示出的变型包括附加的波纹，并且比图21中示出的变型有效。所述波纹是铰接元件H的一部分。图22的上部图示出了该结构的固定状态，并且图22的下部图示出了该结构的释放状态，其中该结构由于预张紧复合材料T（其包括预张紧元件122）和铰接元件H的作用而在中心处向下弯曲。
尽管已经在装置的背景下描述了一些方面，但明显的是，这些方面也代表相应方法的描述，其中模块或器件对应于方法步骤或者方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的背景中描述的方面也代表了相应模块或相应装置的项目或特征。
尽管已经根据几个实施方式描述了本发明，但是存在落在本发明的范围内的可替换实施例、代替物以及等同物。还应该指出的是，存在执行本发明的方法和器件的多个可替换方式。因此目的在于，所附的权利要求解释为包括落在本发明范围内的所有这些可替换实施例、代替物、和等同物。上述实施方式对于本发明的原理来说仅是描述性的。应该理解的是，对本文描述的这些布置与细节的修改和变型对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。因此，旨在本发明通过所附的专利权利要求的范围限定，而不是通过对本文对实施方式的描述和说明而提出的具体细节限定。

Claims (27)

1.一种微机电系统，包括：
膜结构；以及
背板结构，包括波纹背板材料以及在所述波纹背板材料的不同弯曲部分处机械地连接到所述波纹背板材料的结构分离的多个预张紧元件，所述多个预张紧元件构造为在所述波纹背板材料上形成机械张力以用于在所述背板结构被释放时使所述波纹背板结构沿着远离所述膜结构的方向弯曲偏转。
2.根据权利要求1所述的微机电系统，其中，所述多个预张紧元件中的至少一个预张紧元件包括位于所述波纹背板材料的表面上的或者嵌入所述波纹背板材料中的补片。
3.根据权利要求1所述的微机电系统，其中，所述波纹背板材料包括至少一个局部凸起结构，并且其中，所述多个预张紧元件中的至少一个预张紧元件布置在所述至少一个局部凸起结构上。
4.根据权利要求1所述的微机电系统，其中，所述波纹背板材料包括至少一个局部凹入结构，并且其中，所述多个预张紧元件中的至少一个预张紧元件布置在所述至少一个局部凹入结构上。
5.根据权利要求1所述的微机电系统，其中，所述多个预张紧元件中的每个预张紧元件包括具有的内在应力高于所述波纹背板材料的内在应力的预张紧元件材料。
6.根据权利要求5所述的微机电系统，其中，所述波纹背板材料的内在应力在从30MPa到200MPa的范围中，并且其中，所述预张紧元件材料的内在应力在从500MPa到3GPa的范围中。
7.根据权利要求1所述的微机电系统，其中，所述波纹背板材料包括波纹，并且其中，所述多个预张紧元件中的至少一个预张紧元件布置在所述波纹处。
8.根据权利要求7所述的微机电系统，其中，所述波纹背板材料包括至少两个同心的波纹。
9.根据权利要求7所述的微机电系统，其中，所述膜结构包括在基本上垂直于电极材料的表面的方向上与所述波纹背板材料的所述波纹对齐的波纹。
10.根据权利要求1所述的微机电系统，其中，所述波纹背板材料包括多晶硅，并且所述多个预张紧元件中的至少一个预张紧元件包括氮化硅。
11.根据权利要求1所述的微机电系统，其中，所述背板结构在所述背板结构的周边部分处固定于支撑件。
12.根据权利要求1所述的微机电系统，其中，所述背板结构包括所述波纹背板材料的至少一个支撑臂以及由所述至少一个支撑臂支撑的悬置部分，并且其中，所述多个预张紧元件中的至少一个预张紧元件机械地连接到所述至少一个支撑臂。
13.根据权利要求1所述的微机电系统，进一步包括相对于所述背板结构布置在所述膜结构的相对侧处的其它背板结构，所述其它背板结构包括背板材料或其它背板材料的层以及至少一个其它预张紧元件，所述至少一个其它预张紧元件构造为在所述其它背板结构的所述背板材料上形成机械张力以用于使所述其它背板结构沿着远离所述膜结构的方向弯曲偏转。
14.根据权利要求1所述的微机电系统，其中，所述背板结构包括构造为与所述膜结构静电地相互作用的电极。
15.根据权利要求1所述的微机电系统，其中，所述膜结构和所述背板结构界定具有拱顶状形状的间隙。
16.一种微机电系统，包括：
支撑结构；
膜结构，在膜结构连接位置处机械地连接到所述支撑结构；以及
背板结构，在与所述膜结构连接位置隔开的背板结构连接位置处也机械地连接到所述支撑结构，所述背板结构包括背板材料和多个预张紧元件，所述多个预张紧元件机械地连接到所述背板材料并且由所述背板结构的没有预张紧元件的部分结构地分开，所述多个预张紧元件构造为在所述背板结构被释放时展开所述背板结构，使得所述背板结构与所述膜之间的距离在所述背板结构之上变化，并且最小距离在所述背板结构连接位置处。
17.一种用于制造微机电系统的方法，所述方法包括：
形成用于膜结构的层；
在用于所述膜结构的层上形成牺牲层；
在所述牺牲层的表面上沉积波纹背板材料的层；
在所述波纹背板材料的不同弯曲部分处形成位于所述波纹背板材料的表面处的或者嵌入所述波纹背板材料中的多个预张紧元件；以及
蚀刻所述牺牲层，从而释放所述波纹背板材料的层以及所述多个预张紧元件，使得所述背板材料的层以及所述多个预张紧元件沿着远离所述膜结构的方向弯曲。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
在用于所述膜结构的层和用于所述牺牲层的层中的至少一个层上形成至少一个局部凸起结构或至少一个局部凹入结构或者形成所述至少一个局部凸起结构和所述至少一个局部凹入结构两者；
其中，在所述至少一个局部凸起结构或所述至少一个局部凹入结构上沉积所述多个预张紧元件。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，形成所述至少一个局部凸起结构或所述至少一个局部凹入结构或者形成所述至少一个局部凸起结构和所述至少一个局部凹入结构两者的步骤包括对所述膜结构或者所述牺牲层的局部氧化。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，形成位于嵌入所述波纹背板材料中的所述多个预张紧元件的步骤包括：
在所述波纹背板材料的层的表面上沉积预张紧元件材料的层；
构造所沉积的所述预张紧元件材料以获得所述多个预张紧元件；以及
在所构造的沉积的所述预张紧元件材料以及所述波纹背板材料的先前沉积的层的暴露部分上沉积所述波纹背板材料的其它层，以在所述波纹背板材料中嵌入所述多个预张紧元件。
21.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
在所述波纹背板材料的层中或者在所述波纹背板材料的层上形成至少一个波纹，其中，所述多个预张紧元件沉积在所述至少一个波纹中或者沉积在所述至少一个波纹上。
22.根据权利要求17所述的方法，其中，所述波纹背板材料的内在应力在从30MPa到200MPa的范围中，并且其中，所述多个预张紧元件的材料的内在应力在从500MPa到3GPa的范围中。
23.根据权利要求17所述的方法，其中，所述背板材料包括多晶硅，并且所述多个预张紧元件包括氮化硅。
24.根据权利要求17所述的方法，其中，形成所述波纹背板材料的层包括将所述波纹背板材料在所述波纹背板材料的周边部分处固定到支撑件；并且
其中，蚀刻所述牺牲层形成所述波纹背板材料的被所述周边部分和所述支撑件支撑的悬置部分。
25.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
构造所述波纹背板材料以形成至少一个支撑臂以及由所述至少一个支撑臂支撑的悬置部分；
其中，在所述至少一个支撑臂的表面处沉积所述多个预张紧元件，使得所述至少一个支撑臂在通过蚀刻所述牺牲层而释放所述波纹背板材料时弯曲。
26.根据权利要求17所述的方法，在形成所述牺牲层之前进一步包括：
在基层的表面上方形成至少一个另外的预张紧元件；
在所述基层的所述表面以及所述至少一个另外的预张紧元件上沉积背板材料的另一层；
在所述背板材料的所述另一层的表面上沉积另一牺牲层；以及
沉积限定所述膜结构的层。
27.一种用于制造微机电系统的方法，所述方法包括：
在基层的表面上形成结构分离的多个预张紧元件；
在所述基层的所述表面以及所述多个预张紧元件上沉积波纹背板材料的层，使得所述多个预张紧元件在所述波纹背板材料的不同的弯曲部分处；
在所述波纹背板材料的层的表面上沉积牺牲层；
在所述牺牲层的表面上沉积限定膜结构的层；以及
蚀刻所述牺牲层，由此释放所述波纹背板材料的层以及所述多个预张紧元件，这使得由于由所述多个预张紧元件施加在所述波纹背板材料上的机械张力而使所述波纹背板材料的层以及所述多个预张紧元件沿着远离所述膜结构的方向弯曲。
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Families Citing this family (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8503699B2 (en) 2011-06-01 2013-08-06 Infineon Technologies Ag Plate, transducer and methods for making and operating a transducer
DE102012206858B4 (de) * 2012-04-25 2021-05-20 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Herstellen einer optischen Fenstervorrichtung für eine MEMS-Vorrichtung
US9516428B2 (en) 2013-03-14 2016-12-06 Infineon Technologies Ag MEMS acoustic transducer, MEMS microphone, MEMS microspeaker, array of speakers and method for manufacturing an acoustic transducer
GB2515098B (en) * 2013-06-14 2016-02-03 Jaguar Land Rover Ltd Speaker device
DE102014109908A1 (de) * 2013-07-18 2015-01-22 Infineon Technologies Ag MEMS-Vorrichtungen, Schnittstellenschaltungen und Verfahren zu deren Herstellen
DE102013224718A1 (de) * 2013-12-03 2015-06-03 Robert Bosch Gmbh MEMS-Mikrofonbauelement und Vorrichtung mit einem solchen MEMS-Mikrofonbauelement
CN104796831B (zh) * 2014-01-22 2018-10-09 无锡华润上华科技有限公司 一种电容式麦克风及其制造方法
US9448126B2 (en) * 2014-03-06 2016-09-20 Infineon Technologies Ag Single diaphragm transducer structure
US9752944B2 (en) * 2014-03-12 2017-09-05 Stmicroelectronics S.R.L. Microelectromechanical sensing structure for a pressure sensor including a deformable test structure
US9584886B2 (en) * 2014-07-16 2017-02-28 Htc Corporation Micro-speaker
US10081533B2 (en) * 2014-07-31 2018-09-25 Infineon Technologies Ag Micromechanical structure and method for fabricating the same
CN105338458B (zh) * 2014-08-01 2019-06-07 无锡华润上华科技有限公司 Mems麦克风
CN105635865B (zh) * 2014-10-30 2019-04-05 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种麦克风器件及其制作方法
RU2590219C1 (ru) * 2015-05-12 2016-07-10 Ювеналий Александрович Крутяков Способ увеличения чувствительности конденсаторных микрофонов
US9540226B2 (en) * 2015-05-20 2017-01-10 Infineon Technologies Ag System and method for a MEMS transducer
DE102015213774A1 (de) * 2015-07-22 2017-01-26 Robert Bosch Gmbh MEMS-Bauelement mit schalldruckempfindlichem Membranelement und piezosensitiver Signalerfassung
EP3128305B1 (en) * 2015-08-07 2019-07-31 Sensata Technologies, Inc. A hermetic pressure sensor
CA3021078C (en) 2016-04-11 2024-02-13 The Alfred E. Mann Foundation For Scientific Research Pressure sensors with tensioned membranes
US10516943B2 (en) 2016-05-04 2019-12-24 Infineon Technologies Ag Microelectromechanical device, an array of microelectromechanical devices, a method of manufacturing a microelectromechanical device, and a method of operating a microelectromechanical device
US10466174B2 (en) 2016-12-13 2019-11-05 Infineon Technologies Ag Gas analyzer including a radiation source comprising a black-body radiator with at least one through-hole and a collimator
DE102016125082B3 (de) 2016-12-21 2018-05-09 Infineon Technologies Ag Halbleitervorrichtung, mikrofon und verfahren zum herstellen einer halbleitervorrichtung
DE102017101195B3 (de) 2017-01-23 2018-06-21 Infineon Technologies Ag Mikroelektromechanisches Mikrofon
DE102017204006B3 (de) * 2017-03-10 2018-08-02 Infineon Technologies Ag MEMS-Schallwandler, MEMS-Mikrophon und Verfahren zum Bereitstellen eines MEMS-Schallwandlers
GB2565375A (en) * 2017-08-11 2019-02-13 Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd MEMS devices and processes
DE102017216835B9 (de) * 2017-09-22 2022-06-30 Infineon Technologies Ag MEMS-Bauelement und Herstellungsverfahren für ein MEMS-Bauelement
DE102017223869B4 (de) * 2017-12-29 2021-09-02 Infineon Technologies Ag MEMS-Bauelement und mobiles Gerät mit dem MEMS-Bauelement
US10962424B2 (en) 2018-09-27 2021-03-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Micro-electro-mechanical system (MEMS) thermal sensor
EP3867191A1 (de) * 2018-10-16 2021-08-25 FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Biegewandler als aktor, biegewandler als sensor, biegewandlersystem
EP3653567B1 (en) * 2018-11-19 2024-01-10 Sciosense B.V. Method for manufacturing an integrated mems transducer device and integrated mems transducer device
DE112019005997T5 (de) * 2018-12-01 2021-09-16 Knowles Electronics, Llc Verbundmembran mit ausgeglichener Spannung
WO2021017971A1 (en) * 2019-07-26 2021-02-04 Goertek Inc. Transducer module and electronics device
CN111644362B (zh) * 2020-06-12 2021-03-16 西安交通大学 一种内嵌拱形薄膜驱动的pmut单元及其制备方法
CN111757227A (zh) * 2020-07-06 2020-10-09 瑞声科技（南京）有限公司 一种mems麦克风
CN111866686A (zh) * 2020-08-19 2020-10-30 杭州士兰微电子股份有限公司 Mems麦克风
CN112235697B (zh) * 2020-10-13 2022-01-14 歌尔微电子有限公司 敏感膜、mems麦克风及其制作方法
KR102350898B1 (ko) * 2020-10-19 2022-01-14 (주)다빛센스 멤스 전극 형성 방법
CN112584283B (zh) * 2020-11-30 2022-02-18 瑞声新能源发展(常州)有限公司科教城分公司 压电mems麦克风及其阵列和制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1285034A (zh) * 1997-12-29 2001-02-21 核心科技公司 微机电调谐共焦垂直腔面发射激光器与法布里－珀罗滤光器
CN101427592A (zh) * 2006-02-24 2009-05-06 雅马哈株式会社 电容式传声器
CN101427591A (zh) * 2006-02-24 2009-05-06 雅马哈株式会社 电容式传声器
CN101471203A (zh) * 2004-04-23 2009-07-01 研究三角协会 柔性静电激励器

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5146435A (en) 1989-12-04 1992-09-08 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Acoustic transducer
DE102004011144B4 (de) 2004-03-08 2013-07-04 Infineon Technologies Ag Drucksensor und Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors
US7164520B2 (en) * 2004-05-12 2007-01-16 Idc, Llc Packaging for an interferometric modulator
US7573547B2 (en) * 2004-09-27 2009-08-11 Idc, Llc System and method for protecting micro-structure of display array using spacers in gap within display device
US7405924B2 (en) 2004-09-27 2008-07-29 Idc, Llc System and method for protecting microelectromechanical systems array using structurally reinforced back-plate
JP4737535B2 (ja) 2006-01-19 2011-08-03 ヤマハ株式会社 コンデンサマイクロホン
GB2443756B (en) 2006-02-24 2010-03-17 Wolfson Microelectronics Plc MEMS device
TW200746868A (en) 2006-02-24 2007-12-16 Yamaha Corp Condenser microphone
US8962447B2 (en) * 2006-08-03 2015-02-24 Micron Technology, Inc. Bonded strained semiconductor with a desired surface orientation and conductance direction
DE102006055147B4 (de) 2006-11-03 2011-01-27 Infineon Technologies Ag Schallwandlerstruktur und Verfahren zur Herstellung einer Schallwandlerstruktur
GB2467776A (en) 2009-02-13 2010-08-18 Wolfson Microelectronics Plc Integrated MEMS transducer and circuitry
DE102009043214A1 (de) * 2009-07-27 2011-02-17 Siemens Aktiengesellschaft Piezoelektrischer Energiewandler zum Umwandeln mechanischer Energie in elektrische Energie mit Hilfe von Druckschwankungen, Verfahren zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung des Energiewandlers und Verwendung des Verfahrens
WO2011025939A1 (en) * 2009-08-28 2011-03-03 Analog Devices, Inc. Dual single-crystal backplate microphone system and method of fabricating same
US20130057558A1 (en) * 2011-09-07 2013-03-07 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Mechanical layer and methods of making the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1285034A (zh) * 1997-12-29 2001-02-21 核心科技公司 微机电调谐共焦垂直腔面发射激光器与法布里－珀罗滤光器
CN101471203A (zh) * 2004-04-23 2009-07-01 研究三角协会 柔性静电激励器
CN101427592A (zh) * 2006-02-24 2009-05-06 雅马哈株式会社 电容式传声器
CN101427591A (zh) * 2006-02-24 2009-05-06 雅马哈株式会社 电容式传声器

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