CN104968599B - 具有膜片结构的微机械构件 - Google Patents
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Abstract
提出一种用于实现具有尽可能无应力的膜片结构的微机械构件的方案，所述膜片结构具有边缘锚固部，所述方案可以成本有利地借助半导体工艺的标准方法实现。因此，以层结构在衬底(1)上实现所述微机械构件(100)的膜片结构，其中，所述膜片结构包括膜片(11)，所述膜片通过至少一个弹性元件(12)集成到所述层结构中，其中所述膜片(11)跨越空穴(16)，使得所述膜片边缘的至少一个区段延伸到所述空穴(16)的边缘区域上，其中在膜片(11)和空穴边缘区域之间的重叠区域中构造至少一个锚固结构。根据本发明，锚固结构包括至少一个锚固元件(21)和用于所述锚固元件(21)的贯通开口(20)，其中所述锚固元件(21)由层结构在空穴边缘区域上结构化出，而用于所述锚固元件(21)的贯通开口(20)构造在所述膜片(11)的边缘区域中，使得在锚固元件(21)和贯通开口(20)之间存在空隙，所述空隙能够实现所述膜片(11)的机械应力松弛。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有膜片结构的微机械构件，所述膜片结构以层结构实现在衬底上。膜片结构包括膜片，所述膜片通过至少一个弹性元件集成(eingebunden)到层结构中并且跨越空穴，使得膜片边缘的至少一个区段延伸到空穴的边缘区域上。在膜片和空穴边缘区域之间的重叠区域中构造至少一个锚固结构部。
背景技术
微机械构件的膜片结构可以设计用于不同的应用，例如作为用于压力检测的膜片、作为麦克风膜片或者扬声器膜片也或者作为微机械阀的封闭件。因为膜片的机械应力状态大多作用于构件的功能方式，所以膜片在所述应用中应当具有尽可能准确限定的机械应力状态。在材料选择时和/或在实际实现的应力状态时，这可能需要折中。在膜片层中无论如何已经制造决定地出现机械应力状态，所述机械应力状态通常不最优地适于相应的构件功能。
用于在此所讨论的具有膜片结构的微机械构件的重要应用是作为麦克风构件的应用。麦克风膜片应当是尽可能无应力的并且同时环绕地尽可能空气密封地封闭，使得膜片边缘尽可能少地环流。
在US 2006/0280319 A1中描述了一种开始时所述类型的麦克风构件。所述微机械构件的麦克风结构以层结构实现在半导体衬底上并且跨越衬底背侧中的空穴。麦克风结构包括膜片和具有贯通开口的固定的透声的相对元件。在此，所述相对元件构造在膜片下方、即在衬底和膜片之间。所述相对元件起固定电极的载体的作用，所述固定电极连同可偏转膜片上的电极构成用于信号检测的电容器装置。膜片仅仅通过一个或多个弯曲梁集成到层结构中，以便可以好地消除膜片内的制造决定的机械应力。膜片延伸到空穴的边缘区域上，在那里以层结构构造在膜片边缘处环绕的凹槽。所述凹槽首先用于膜片的声学密封，但也起锚固结构和过载保护的作用。
发明内容
借助本发明提出一种用于实现具有尽可能无应力的膜片结构的微机械构件的替代方案，所述膜片结构具有边缘锚固部，所述替代方案可以成本有利地借助半导体工艺的标准方法实现。
因此，用于根据本发明的构件的膜片的锚固结构包括至少一个锚固元件和用于所述锚固元件的贯通开口。锚固元件由层结构在空穴边缘区域上结构化出，而用于所述锚固元件的贯通开口构造在膜片的边缘区域中，使得在锚固元件和贯通开口之间存在空隙。所述空隙能够实现膜片的机械应力松弛。
因此，根据本发明的构件的锚固结构如此设计，使得膜片至少侧向固定，但是可以消除膜片内的机械应力，所述机械应力例如制造决定地或者温度决定地出现。因此，根据本发明的锚固方案能够实现膜片的非常灵活的设计，即不仅这涉及布局而且也关于材料选择。
原则上，存在用于实现根据本发明的构件或者其组件、尤其锚固结构或者膜片悬挂部和膜片结构的不同可能性。
因此，锚固结构可以根据膜片的大小、形状和功能包括仅仅一个具有相应的贯通开口的锚固元件或者多个锚固元件和贯通开口，它们分布地布置在空穴或膜片的边缘区域上。
锚固元件可以简单地涉及栓塞状的隆起部，所述隆起部从空穴边缘区域突出并且伸入到膜片的边缘区域中的相应的贯通开口中，但是没有从膜片表面露出来。在这种情形中，锚固元件具有对膜片的“平面外(out of plane)”运动的影响。
在本发明的一种优选实施方式中，锚固元件的底部与膜片下方的空穴边缘区域固定连接，而锚固元件的头部由膜片上方的至少一层结构化出并且至少在一个区段中延伸到膜片中的贯通开口的边缘区域上。如果锚固头部和膜片之间的机械空隙相应小地设计，则在这种情形中锚固结构可以也用于膜片的垂直固定。
但是，具有锚固头部的锚固元件也可以设计为用于膜片的“平面外”运动的止挡部。在这种情形中，锚固头部和膜片之间的机械空隙确定膜片的最大的垂直偏转。所述止挡部例如可以用作用于膜片的过载保护。
在一些应用中，具有锚固头部的锚固元件但也可以用于限定膜片的应用特定的期望位置，例如用于实施功能测试或者也用于改善构件性能。因此，具有锚固头部的锚固元件可以在根据本发明的麦克风构件的情形中用作止挡部，膜片借助适合的可控制的电路模块抵抗所述止挡部地运动。在麦克风运行期间，膜片则保持在所述位置并且因此借助所限定的机械预应力施加，以便提高麦克风敏感度。
根据本发明的构件的膜片通过至少一个弯曲梁集成到构件的层结构中，而膜片边缘否则由层结构分离出这种类型的膜片悬挂能够实现膜片内的机械应力的几乎完全的消除。在基于垂直于层平面的膜片偏转的应用中，弯曲梁应当至少在所述方向上、即“平面外”具有适合的弹性。弯曲梁但也可以以不仅“平面外”而且“平面内(in-plane)”弹性的弹性元件的形式实现。在这种情形中，通过膜片悬挂不仅可以消除膜片内的机械应力而且可以消除整个构件结构的固有机械应力。
多种应用、例如压力测量、麦克风功能和扬声器功能要求根据本发明的构件的膜片结构的或多或少尽可能的边缘密封。所述边缘密封可以简单地以至少一个密封唇的形式实现，所述密封唇构造在膜片和空穴边缘区域之间的重叠区域中。所述密封唇可以不仅构造在空穴边缘区域上而且构造在膜片的朝向空穴边缘区域的下侧上。有利地，锚固结构如此布置在密封唇和膜片的外边缘之间，使得膜片的中间区域通过密封唇密封并且构件功能不由锚固结构的不密封性损害。
对于一些应用而言，“帽形的”膜片证实为有利，所述膜片具有中间区域，所述中间区域通过侧壁区域与膜片的边缘区域连接，使得中间区域基本上与边缘区域平面平行但错位地构造。所述膜片结构可以简单地借助侧壁区域中的皱纹稳定。所述膜片结构优选在麦克风构件的范畴中使用，其中检测膜片的“平面外”偏转作为麦克风信号。
在根据本发明的麦克风构件的一种优选实施变型方案中，容性地实现信号检测。为此所需要的电容器装置的电极布置在膜片上并且在声作用下连同膜片一起偏转。所述电容器装置的固定的相对电极位于具有贯通开口的透声的相对元件上，所述相对元件构造在膜片上方和/或下方的层结构中。
附图说明
如以上所阐述的那样，存在用于以有利的方式构型并且扩展本发明的多种可能性。为此，一方面参照上述对优选实施方式的说明，而另一方面参照本发明的多个实施例根据附图的随后描述。附图示出：
图1a：具有背板的根据本发明的第一麦克风构件100的示意性剖面图；以及
图1b：麦克风构件100的层结构的示意性俯视图；
图2：具有背板的根据本发明的第二麦克风构件200的层结构的示意性俯视图；
图3：具有前板的根据本发明的第三麦克风构件300的示意性剖面图；以及
图4：同样具有前板的根据本发明的第四麦克风构件400的示意性剖面图。
具体实施方式
在图1a、b中示出的根据本发明的构件涉及容性的麦克风构件100，其麦克风结构以层结构实现在半导体衬底1上并且跨越衬底1的背侧上的空穴16。麦克风结构包括声压敏感的膜片11，在所述膜片上布置膜片电极13；包括固定的透声的相对元件14，所述相对元件具有栅状布置的贯通开口15，所述相对元件设置有在此没有进一步示出的相对电极。可以借助膜片11偏转的膜片电极13和固定的相对电极共同构成用于信号检测的电容器装置。
在此示出的实施例中，具有相对电极的相对元件14构造在衬底1和用于的膜片11的功能层4之间的导电层2中，其中所述导电层2分别通过至少一个介质的中间层3一方面相对于衬底1而另一方面相对于功能层4不导电。由于其在膜片11下方的布置也称作背板的相对元件14的电接通通过背板接通部30实现，所述背板接通部布置在膜片区域旁在构件表面上并且以通过层结构直至导电层2的贯通接通的形式实现。
膜片11涉及弯曲梁膜片，所述弯曲梁膜片仅仅通过弯曲梁状的弹性元件12集成到构件结构中，否则但完全由层结构分离出。在此示出的实施例中，圆形膜片11包括三个彼此同心构造的区域、即中间区域113、侧壁区域112和边缘区域113，它们构成“帽状的”膜片11的各个区段。边缘区域111与相对元件14的层2平行地定向并且以与所述层2的相对小的间距延伸到空穴16的边缘区域上。相对于空穴16中心地布置并且同样与相对元件14平行地定向的中间区域113通过侧壁区域112与边缘区域111连接，使得中间区域113和相对元件14之间的间距明显大于边缘区域111和相对元件14的层2之间的间距。
膜片电极13基本上延伸通过膜片11的整个中间区域113。所述膜片电极通过引导经过弯曲梁12的连接线32与膜片接通部31电连接，所述膜片接通部布置在膜片区域旁在构件表面上。
在膜片11和空穴16的边缘区域之间的重叠区域中构造锚固结构，所述锚固结构以弯曲梁12的形式补充膜片悬挂。根据本发明，所述锚固结构包括锚固元件21和用于所述锚固元件21的贯通开口20。锚固元件21由层结构在空穴16的边缘区域上结构化出，而贯通开口20构造在膜片11的边缘区域111中。在此，锚固结构的锚固元件21和贯通开口20如此设计，使得在锚固元件21和相应的贯通开口20之间的机械空隙能够实现膜片11内的机械应力的消除。
在此示出的实施例中，锚固元件21以栓塞状隆起部的形式实现，所述锚固元件从相对元件14的层2通过介质的中间层3和膜片层4延伸到功能层4上的金属层5中。在所述金属层5中，分别构造用于每一个锚固元件21的锚固头部22，所述锚固头部至少逐区段地延伸到膜片11中的相应贯通开口20的边缘区域上，其中在此在边缘区域11中在锚固头部22和膜片平面之间存在间距。所述间距确定膜片11的最大的“平面外”偏转。在此，锚固头部22构成止挡部，所述止挡部在过载情况中限制膜片11的偏转。
此外，在膜片11和空穴16的边缘区域之间的重叠区域中构造用于声学密封麦克风结构的密封唇17、即在膜片11的下侧上。所述圆形封闭的密封唇17布置在膜片11的边缘区域111中，使得锚固结构的贯通开口20位于密封唇17和膜片11的外边缘之间并且因此对麦克风结构的声学特性没有产生不利影响。
通过图1a特别好地示出根据本发明的具有锚固元件21和相应的贯通开口20的麦克风构件100的层结构以及膜片11的结构和“帽形状”，而图1b示出构件布局以及尤其锚固元件21和相应的贯通开口20的设计和布置。
在图2中示出麦克风构件200的俯视图，所述麦克风构件的结构基本上相应于以上所描述的麦克风构件100。麦克风构件100和200之间的唯一本质的区别在于膜片的侧壁区域的构型。在麦克风构件100的情形中，所述侧壁区域112简单地截锥形地形成并且因此将膜片11的边缘区域111与中间区域113连接，而在麦克风构件200的情形中侧壁区域112附加地具有径向皱纹2112，通过所述径向皱纹使膜片结构稳定。
图3的剖面图示出用于根据本发明的具有容性的信号检测的麦克风构件300的一种替代的实施方式。如在麦克风构件100的情形中的那样，麦克风构件300的麦克风结构也以层结构在半导体衬底1上实现并且跨越衬底1的背侧中的空穴316。麦克风结构包括声压敏感的膜片311和具有栅状布置的贯通开口315的固定的透声的相对元件314。
与麦克风构件100不同地，膜片311在此由衬底1和用于相对元件314的功能层4之间的导电层2结构化出，其中所述导电层2分别通过至少一个介质的中间层3一方面相对于衬底1而另一方面相对于功能层4电绝缘。在此，膜片311自身起用于信号检测的电容器装置的可偏转电极的作用。电容器装置的属于此的固定的相对电极313布置在相对元件314上，所述相对元件在此也称作前板。膜片的电接通通过膜片接通部331实现，所述膜片接通部在图3的示图中布置在膜片区域左侧旁在构件表面上并且以到膜片层2的贯通接通部的形式实现。同样，在构件表面上、当然在膜片区域右侧旁布置前板接通部330，通过所述前板接通部接通相对电极313。
膜片311也仅仅单侧地通过弯曲梁312集成到构件300的层结构中。否则，所述膜片完全由层结构分离出，即膜片311的边缘区域延伸到空穴316的边缘区域上。在膜片311和空穴316的边缘区域之间的重叠区域中构造锚固结构，所述锚固结构根据本发明包括锚固元件321和用于所述锚固元件321的贯通开口320。锚固元件321由层结构在空穴316的边缘区域上结构化出而所述贯通开口320构造在膜片311的边缘区域中，使得锚固元件321和相应的贯通开口320之间的机械空隙能够实现膜片311内的机械应力的消除
锚固元件321以栓塞状隆起部的形式实现，所述隆起部从衬底1延伸经过膜片层2和两个介质的中间层3。在膜片层2上的层5中分别构造用于每一个锚固元件321的锚固头部322，所述锚固头部至少逐区段地延伸到膜片311中的相应贯通开口320的边缘区域上。在锚固头部322和膜片平面之间存在间距，使得膜片311整体可以从膜片平面偏转。在此，锚固头部322用作止挡部，抵抗所述止挡部地拉动膜片311，以便以所限定的机械应力施加膜片311并且因此提高麦克风敏感度。为此所需要的电路模块在图3中没有详细示出。
此外，在膜片311和空穴316的边缘区域之间的重叠区域中构造用于声学地密封麦克风结构的密封唇317，即在膜片311的下侧上。在此，所述圆形封闭的密封唇317与麦克风构件100不同地布置在锚固结构和膜片311的外边缘之间。
在麦克风构件300的情形中，相对元件314如已经阐述的那样以层结构布置在麦克风膜片311上。“帽形地”构造所述相对元件，使得相对元件314的相对于空穴316中心地布置的、平面平行的中间区域与相对元件314的固定地集成到层结构中的边缘区域相比具有与膜片平面显著更大的间距，在所述中间区域中也构造贯通开口315。相对电极313基本上延伸经过相对元件314的整个中间区域并且通过连接线332与前板接通部330电连接。
在所有三个前述的容性麦克风构件中应当注意的是，具有膜片电极的膜片和具有固定的相对电极的相对元件相对彼此并且相对于衬底电绝缘。这也必须在实现根据本发明的锚固结构时考虑，尤其当锚固元件起用于膜片的止挡部的作用。麦克风结构中的短路例如可以通过介质材料在锚固元件和膜片之间的接触区域中的使用并且通过衬底和锚固元件之间的至少一个介质的中间层避免。
在图4中示出的麦克风构件400与上述麦克风构件300的区别基本上仅仅在于锚固结构的实现和麦克风结构的声学密封的实现。因此，随后的阐述局限于构件结构的所述方面。其余参照图3的描述。
麦克风构件400的锚固结构如在麦克风构件300的情形中的那样构造在膜片311和空穴316的边缘区域之间的重叠区域中并且根据本发明包括锚固元件421和用于所述锚固元件421的贯通开口420。锚固元件421由层结构在空穴316的边缘区域上结构化出。所述锚固元件从衬底1延伸经过介质的中间层3和膜片层2直到相对元件的功能层4中，从而锚固元件421实际上集成到相对元件314的边缘区域中。相应的贯通开口420构造在膜片311的边缘区域中，使得锚固元件421和相应的贯通开口420之间的机械空隙能够实现膜片311内的机械应力的消除。在麦克风构件400的情形中，膜片311的“平面外”运动没有通过锚固元件421限制或者限定。
与麦克风构件300不同地，圆形封闭的密封唇417布置在膜片311的下侧上在锚固结构内，即在空穴边缘和锚固结构之间。
Claims (10)
1.一种微机械构件(100)，其具有膜片结构，所述膜片结构以层结构实现在衬底(1)上，
其中，所述膜片结构包括膜片(11)，所述膜片通过至少一个弹性元件(12)集成到所述层结构中；
其中，所述膜片(11)跨越空穴(16)，以便所述膜片边缘的至少一个区段延伸到所述空穴(16)的边缘区域上；
其中，在膜片(11)和空穴边缘区域之间的重叠区域中构造至少一个锚固结构，
其特征在于，所述锚固结构包括至少一个锚固元件(21)和用于所述锚固元件(21)的贯通开口(20)，其中，所述锚固元件(21)由层结构在所述空穴边缘区域上结构化出，而用于所述锚固元件(21)的贯通开口(20)构造在所述膜片(11)的边缘区域中，使得在锚固元件(21)和贯通开口(20)之间存在空隙，所述空隙能够实现所述膜片(11)的机械应力松弛。
2.根据权利要求1所述的构件(100)，其特征在于，所述锚固元件(21)的底部与所述膜片(11)下方的空穴边缘区域固定地连接，而所述锚固元件(21)的头部(22)由所述膜片(11)上方的至少一层结构化出并且至少在一个区段中延伸到所述贯通开口(20)的边缘区域上。
3.根据权利要求2所述的构件(100)，其特征在于，具有所述锚固头部(22)的锚固元件(21)设计为用于所述膜片(11)的“平面外”运动的止挡部。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的构件，其特征在于，设置有可控制的电路模块，所述膜片能够借助所述电路模块运动到所限定的位置并且保持在那里。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的构件，其特征在于，用于膜片悬挂的所述至少一个弹性元件以不仅“平面外”而且“平面内”弹性的弹性元件的形式实现。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的构件(100)，其特征在于，在膜片(11)和空穴边缘区域之间的重叠区域中构造至少一个密封唇(17)。
7.根据权利要求6所述的构件(100)，其特征在于，所述锚固结构布置在所述密封唇(17)和所述膜片(11)的外边缘之间。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的构件(100)，其特征在于，所述膜片(11)包括中间区域(113)，所述中间区域通过侧壁区域(112)与所述膜片(11)的边缘区域(111)连接，使得所述中间区域(113)基本上与所述边缘区域(111)平面平行地但错位地构造。
9.根据权利要求8所述的构件(200)，其特征在于，在所述膜片(11)的侧壁区域(112)中构造用于稳定所述膜片结构的皱纹(2112)。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的构件，其中，检测所述膜片(11)的“平面外”偏转作为麦克风信号，其特征在于，所述膜片(11)装配有用于信号检测的电容器装置的至少一个电极(13)，在所述层结构中在所述膜片(11)上方和/或下方构造具有贯通开口(15)的固定的、透声的相对元件(14)，所述相对元件起用于所述电容器装置的至少一个相对电极的载体的作用。
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