CN105051909A - 带有集成背空腔的mems声传感器 - Google Patents

带有集成背空腔的mems声传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN105051909A
CN105051909A CN201480011805.4A CN201480011805A CN105051909A CN 105051909 A CN105051909 A CN 105051909A CN 201480011805 A CN201480011805 A CN 201480011805A CN 105051909 A CN105051909 A CN 105051909A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pole plate
mems
substrate
electrode
forms
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201480011805.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105051909B (zh
Inventor
艾尔翰·波拉特卡恩·阿塔
马丁·利姆
李想
斯蒂芬·劳埃德
迈克尔·朱利安·达内曼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Legg company
Original Assignee
InvenSense Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by InvenSense Inc filed Critical InvenSense Inc
Publication of CN105051909A publication Critical patent/CN105051909A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105051909B publication Critical patent/CN105051909B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0032—Packages or encapsulation
    • B81B7/0061—Packages or encapsulation suitable for fluid transfer from the MEMS out of the package or vice versa, e.g. transfer of liquid, gas, sound
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0002—Arrangements for avoiding sticking of the flexible or moving parts
    • B81B3/001—Structures having a reduced contact area, e.g. with bumps or with a textured surface
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0257—Microphones or microspeakers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/053—Translation according to an axis perpendicular to the substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/058—Rotation out of a plane parallel to the substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2207/00—Microstructural systems or auxiliary parts thereof
    • B81B2207/01—Microstructural systems or auxiliary parts thereof comprising a micromechanical device connected to control or processing electronics, i.e. Smart-MEMS
    • B81B2207/012—Microstructural systems or auxiliary parts thereof comprising a micromechanical device connected to control or processing electronics, i.e. Smart-MEMS the micromechanical device and the control or processing electronics being separate parts in the same package

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

Abstract

在此披露了一种MEMS器件。该MEMS器件包括：一个带有一个第一表面和一个第二表面的第一极板；以及一个附接到一个第一衬底上的锚点。该MEMS器件进一步包括一个带有一个第三表面和一个第四表面的附接到该第一极板上的第二极板。一个连接机构将该锚点连接到该第一极板上，其中，在该第一极板的该第一和第二表面之间存在一个声压差的情况下，该第一极板和第二极板移位。该第一极板、第二极板、连接机构和锚点全都包含在由该第一衬底和一个第二衬底形成的一个围隔内，其中，该第一和第二衬底其中之一包含一个通口以使该第一极板的该第一表面暴露在环境下。

Description

带有集成背空腔的MEMS声传感器
技术领域
本发明总体上涉及MEMS器件，并且更具体地涉及一种MEMS传声器。
背景
大多数可商购的MEMS传声器或硅传声器由两个芯片组成：专用集成电路(ASIC)芯片和附接到衬底的MEMS芯片。通常通过导电封盖或盖子封闭这些芯片。可以从传声器的顶面上的开口或从衬底上的开口提供声输入。典型地，在声输入来自顶部的商业应用中，声背空腔主要由MEMS芯片和衬底下面的体积形成。相比之下，声输入来自底部的商业应用中，声空腔通常由衬底和封盖封闭的体积形成。
令人期望的是向MEMS传声器提供改进，这些改进允许在更低成本下更容易地制造MEMS传声器。对MEMS传声器的改进必须是容易实施的、成本有效的且可适应现有制造工艺。
本发明解决了这种需要。
发明概述
在此披露了一种MEMS器件。该MEMS器件包括：一个带有一个第一表面和一个第二表面的第一极板；以及一个附接到一个第一衬底上的锚点。该MEMS器件进一步包括一个带有一个第三表面和一个第四表面的附接到该第一极板上的第二极板。一个连接机构将该锚点连接到该第一极板上，其中，在该第一极板的该第一和第二表面之间存在一个声压差的情况下，该第一极板和第二极板移位。该第一极板、第二极板、连接机构和锚点全都位于由该第一衬底和一个第二衬底形成的一个围隔内，其中，该第一和第二衬底其中之一包含一个通口以使该第一极板的该第一表面暴露在环境下。
附图简要描述
附图和说明书一起展示了本发明的若干个实施例，并且这些附图用于解释本发明的原理。本领域的普通技术人员容易地认识到图中所示的具体实施例仅是示例性的，而并不旨在限制本发明的范围。
图1A和图1B示出了扭转传声器的器件层的顶视图的不同实施例。
图2A示出了沿着图1A中的2A-2A带有集成背空腔的扭转传声器的横截面。
图2B示出了沿着图1B中的2B-2B带有集成背空腔的扭转传声器的横截面。
图3A和图3B使用具有扭转柔度的连接机构的符号表示示出了该扭转传声器的操作。
图4示出了活塞式传声器的器件层的顶视图的实施例。
图5示出了沿着图4中的5-5带有集成背空腔的活塞式传声器的横截面。
图6A和图6B使用具有弯曲柔度的连接机构的符号表示示出了该活塞式传声器的操作。
图7示出了扭转传声器的替代性制造选项。
图8示出了活塞式传声器的替代性制造选项。
图9A、9B和图9C示出了本发明的封装方案。
图10示出了MEMS传声器与其他MEMS器件的集成的示例。
详细描述
本发明总体上涉及MEMS器件，并且更具体地涉及一种MEMS声传感器，如传声器。呈现以下描述以使得本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明，并且以下描述是在专利申请及其要求的背景下提供的。对所描述的实施例和通用原理以及在此描述的特征作出的各种修改对本领域的技术人员而言是很明显的。因此，本发明并非旨在限定于所示实施例，而是要符合与在此描述的原理和特征相一致的最广泛范围。
在所描述的实施例中，微电子机械系统(MEMS)是指使用类似半导体的工艺制造的并且展示出机械特征(如移动或变形的能力)的结构或器件的类别。MEMS器件经常但不总是与电信号交互。MEMS器件包括但不限于陀螺仪、加速度计、磁强计、压力传感器、麦克风和射频部件。包含MEMS结构的硅晶圆被称为MEMS晶圆。
在所描述的实施例中，该MEMS器件可以指被实现为微机电系统的半导体器件。MEMS结构可以指可以是更大的MEMS器件的一部分的任何特征。带有机械活跃MEMS结构的半导体层被称为器件层。工程化绝缘体上硅(ESOI)晶片可以指代在硅器件层或衬底下方具有多个空腔的一种SOI晶片。操作晶片典型地指代用作载体的一个较厚衬底，该载体用于绝缘体上硅晶片中的较薄硅器件衬底。操作衬底和操作晶圆可以互换。
在所描述的实施例中，空腔可以指衬底晶圆中的开口或凹处，并且围隔可以指完全封闭的空间。立柱可以是MEMS器件的空腔内的竖直结构，用于机械支撑。压铆螺母柱是提供电接触的一个竖直结构。
在所描述的实施例中，背空腔可以指通过压力均衡通道(PEC)与环境压力均衡的部分封闭空腔。在一些实施例中，背空腔还被称为后室。CMOS-MEMS器件内形成的背空腔可以被称为集成背空腔。还被称为通风或泄漏通道/通路的压力均衡通道是用于实现背空腔的低频率或静压力与环境压力的均衡的声通道。
在所描述的实施例中，MEMS器件内的当受到力时移动的刚性结构可以被称为极板。虽然刚性板对于所描述的实施例是优选的，但是半刚性板或可变形薄膜可以代替刚性板。极板可以包括硅、含硅材料(例如，多晶硅、氧化硅、氮化硅)、金属以及用于半导体工艺中的材料(例如，氮化铝、锗)。背板可以是包括至少一个电极的实心板或穿孔板。该电极可以包括适于半导体工艺的导电材料(例如，多晶硅、硅、铝、铜、镍、钛、铬、金)。这些电极可以在一个或多个表面上具有绝缘膜。
在所描述的实施例中，穿孔是指用于减少移动极板中的空气阻尼的声开口。声端口可以是用于对声压进行感测的开口。声屏障可以是一种防止声压到达该器件的某些部分的结构。连接机构是一种通过锚点向衬底提供导电性和柔度附接的结构。可以通过立柱的阶段性蚀刻和在PEC上创建部分立柱重叠创建扩大的声间隙。如果极板比所期望的移动更大(例如，在机械冲击下)，则面内缓冲块限制极板的平面内的移动范围。类似地，转动缓冲块是极板的延伸来对由于出平面转动引起的垂直于该平面的位移进行限制。
在所描述的实施例中，CMOS衬底上形成的MEMS器件的结构(极板)和电极形成传感器电容器。电性地偏置传感器电容器用于检测由于声压引起的电容的变化。
为了更加详细地描述本发明的特征，现在结合附图参照以下描述。
图1A和图1B示出了扭转传声器的器件层100A和100B的顶视图的不同实施例。图1A和图1B展示了一个对其第一表面上的声压进行感测的第一极板140、142和一个带有多个穿孔160的第二极板150以及附接到锚点240、242上的连接机构250、252。在一个实施例中，第一极板140、142和第二极板150是刚性的。图1A和图1B之间的不同点在于连接机构250、252的位置。一个不同实施例可以包括引起四个连接机构的连接机构250和252的组合，从而向图1A和图1B添加中央切断部分。第一极板140、142被压力均衡通道(PEC)230、232部分地包围着，并且器件层100A、100B被密封层260包围着以保证到该器件的声输入将仅通过(图2A和图2B中的)声端口190。
当在第一极板140、142的第一表面上施加力(声压变化)时，第一极板140、142绕着穿过连接机构250、252的轴转动地移位，因此，该第二极板150在相反方向上移位(绕着同一轴的转动位移)。连接机构250、252形成针对移动起作用的扭转恢复力并且一旦外部施加的声力为零时将会将这些极板带到其初始位置。可以通过在不期望的移动/转动具有高振幅的位置处(例如，离连接机构250、252最远)引入面内缓冲块340来限制不期望的面内移动。可以在第二极板150或器件层100A、100B或第一极板140、142或这些的任何组合上限定和制造面内缓冲块340。
在一个实施例中，提供形成转动缓冲块350的突出接头片来限制第一极板140、142和第二极板150的转动。通过适当设计，转动缓冲块350可以消除对减小或关闭第一和第二极板140、142和150与图2A和图2B中所示的电极170之间的电位差的需要，用于从提示进或提示出范围条件(tip-inoroutofrangecondition)恢复。
图2A和图2B示出了分别沿着图1A和图1B中的2A-2A和2B-2B带有集成背空腔130的扭转传声器200A和200B的横截面。在一个实施例中，集成背空腔130通过第二衬底120与器件层100A和100B之间的熔融粘合剂220形成，该器件层通过如共同拥有的题为“晶圆封装环境下的Al/Ge粘合的制造方法以及从其生产的产品(MethodofFabricationofaAl/GeBondinginaWaferPackingEnvironmentandaProductProducedTherefrom)”美国专利号7,442,570中所述的工艺通过导电合金(共熔合金)粘合剂200进一步粘合到第一衬底110上。
环境压力经气流通过PEC230和232使背空腔130内的静压力均衡。理想上，PEC230和232在相关频率范围(例如，100Hz及以上)内向气流提供高阻抗，并且在较低频率下向静压力变化提供低阻抗。连接机构250机械地和电性地两者附接到压铆螺母柱180上。在一个实施例中，压铆螺母柱180为器件层的平版印刷限定的突出构件，这些构件通过合金或共熔合金粘合机械地和电性地连接到第一衬底110的顶部导电层上。在一个实施例中，器件层100A和100B具有平版印刷图案以在活跃器件周围形成第一极板140、第二极板150，带有多个穿孔160、PEC230、232以及声密封层260。
带有穿孔160的第二极板150形成一个第一电极并且电性地连接到在第一衬底110上制造的集成电路(IC)上，而一个第二电极170沉积在第一衬底110上。第二电极170与该第一电极或第二极板150对准。第二极板150的第一表面和第二电极170形成一个可变电容器，该可变电容器的值由于施加在第一极板140、142的第一表面上的压力而变化。在一个实施例中，附加材料(如氮化硅或氧化硅)沉积在第二电极170上。该附加材料可以具有平版印刷图案以形成缓冲块270以便通过减小第一和/或第二极板140、142和150与第一衬底110接触的不期望事件中的接触面积来减小静摩擦力。
图3A和图3B展示了对图2A或图2B的扭转传声器的操作进行描述的概念设计，带有符号锚点183和符号扭转连接机构253。
现在参照图3A，声端口193为第一衬底110内的允许声压到达第一极板143的第一表面的通道。在所施加的声压下，取决于声压的极性，第一极板143或者顺时针或者逆时针稍微地转动。在图3B中，描绘了第一极板143绕着与类似连接机构的结构253一致的转动轴在顺时针方向上转动的情况。
耦联到穿孔第二极板153上的转动移动引起第二极板153的第一表面与一个第二电极173之间的间隙减小，因此，这些两个表面限定的电容增加。在第一衬底110上制造的IC电性地连接到第二极板153上，并且第二电极173对与声压成比例的电容的变化进行检测。
图4示出了活塞式传声器的器件层400的顶视图，该刚性活塞式传声器带有对其第一表面上的声压进行感测的刚性第一极板144、一个具有多个穿孔164的刚性第二极板154、和附接到锚点244上的连接机构254。该器件内所示的连接机构254的数量为四个，但连接机构的数量可以是任何数量并且其将在本发明的精神和范围内。可以通过在不期望的移动/转动具有高振幅的位置处(例如，离连接机构254最远)引入面内缓冲块344来限制不期望的面内移动。可以在第二极板154或器件层104或第一极板144或这些的任何组合上限定面内缓冲块344。
图5示出了沿着图4中的5-5带有集成背空腔134的活塞式传声器500的横截面。在一个实施例中，器件层104为图4中的器件层400。集成背空腔134通过一个第二衬底124与器件层104之间的熔融(氧化物)粘合剂224形成，该器件层通过如共同拥有的题为“晶圆封装环境下的Al/Ge粘合的制造方法以及从其生产的产品(MethodofFabricationofaAl/GeBondinginaWaferPackingEnvironmentandaProductProducedTherefrom)”美国专利号7,442,570中所述的工艺通过导电合金(共熔合金)粘合剂204进一步粘合到第一衬底114上。环境压力经气流通过PEC234使背空腔134内的静压力均衡。连接机构254机械地和电性地两者附接到压铆螺母柱184上。
在适用于需要低频响应增强的任何地方引入声屏障364。
第一极板144被PEC234部分地包围。整个结构被密封层264包围以保证到空腔134的声输入仅通过声端口194。当在第一极板144的第一表面上施加声力时，取决于压力的极性，第一极板144向上或向下移位。第二极板154在与第一极板144相同的方向上移位。极板144和154两者通过连接机构254附接到锚点244上，这些连接机构向第一和第二极板144和154施加相反的恢复力。当声力降低至零时，恢复力将第一和第二极板144和154带至其初始操作位置。
压铆螺母柱184为器件层的平版印刷限定突出构件，这些构件通过合金(共熔合金)粘合到第一衬底114的金属层上来机械地和电性地连接到第一衬底114上。器件层104是平版印刷图案化的以在活跃器件周围形成第一极板144、第二极板154以及带有穿孔164、PEC234以及声密封层的极板。第二极板154形成一个第一电极并且电性地连接到在第一衬底114上制造的集成电路(IC)上，而在第一衬底114上制造的第二电极174被设计成与第一电极174对准。第二极板154的第一(底)表面和第二电极174形成一个可变电容器，该可变电容器的值取决于施加在第一极板144的第一表面上的压力。在一个实施例中，第二电极174被掩埋在氮化硅和氧化硅堆下面，该氮化硅和氧化硅可以进一步是平版印刷图案化的以形成缓冲块274以便通过减小第一和/或第二极板144和154与第一衬底114接触的不期望事件中的接触面积来减小静摩擦力。
图6A和图6B展示了示出图5的活塞式传声器的操作的概念设计。图5中的连接机构254现在通过符号弹簧256表示并且其支持第一极板146、第二极板156，声端口196是一个第一衬底116内的一条通道，用于声压到达第一极板146的第一表面。在所施加的声压下，取决于声压的极性，第一极板146或者向上或者向下稍微移动。在图6B中，描绘了第一极板146向上移动的情况。第一极板146的此向上移动耦联到一个带有穿孔166的第二极板156上，这进而引起第二极板156的第一表面与第二电极176之间的间隙增大；因此，这些两个表面限定的电容减小。在第一衬底116上制造的IC电性地连接到电极156和176两者上；因此，其用来对与声压成比例的电容的变化进行检测。
图7示出了扭转传声器700的替代性制造选项。在一个替代性方案中，可以将立柱210做得更宽以在PEC230上重叠，同时形成浅凹陷阶以形成一个控制良好且浅延伸的PEC280用于改进传声器的低频响应。通道的深度和长度是可控制的，以便提供一种适当设计用于合适的频率响应的压力均衡通道的手段。类似地，对第二衬底120在第二极板150的外部外围上的部分重叠进行限定创造一个对出平面(第一和第二极板140和150的向上移动)进行限制的缓冲块310。通过缓冲块310的适当设计，可以显著降低第一极板140触碰第一衬底110的潜在风险。类似地，延伸PEC300在该第一极板的外边缘(离转动轴最远)上的长度的适当设计将对第一和第二极板140和150的转动移动进行限制并且可以用于显著降低第一或第二极板触140、150触碰第一衬底110的潜在风险。对出平面移动进行限制提高了器件可靠性，尤其是针对静摩擦力、振动和冲击。
在另一个实施例中，可以选择性地向下打薄第一和第二极板140和150，以便具有较厚的部分和较薄的部分，从而创造阶梯式器件层290，用于增加器件的共振频率和减少穿孔160的声阻抗。在一个实施例中，连接机构250可以与第一极板140或第二极板150的较厚部分具有相同的厚度。在另一个实施例中，连接机构250可以与第一极板140或第二极板150的较薄部分具有相同的厚度。在另一个实施例中，连接机构250可以具有独立于该第一和第二极板的任何厚度。通过第一和第二极板140和150的阶梯式轮廓的适当设计，第一和第二极板可以被制造成坚硬度足够表现为传声器极板。
在另一个实施例中，提供带有多个穿孔320的背极板330用作该第一衬底上的盖住声端口190的刚性电极，该声端口面向第一极板140的第一表面侧。在一个实施例中，刚性背极板330可以部分地或完全地盖住声端口190。通过带有多个穿孔320的极板330的适当设计，通过声端口190的声压输入将到达第一极板140的第一表面而没有显著的衰减，同时由此背极板330和第一极板140形成的平行极板电容将增加电感测电容。
在声输入的影响下，背极板330和第一极板140之间的电容将在与第二极板150与第二电极170之间形成的电容相反的相位上发生变化。感测电容之间的相位差能够实现差分感测。差分结构的附加益处在于从静摩擦恢复的可能性。在或者第一极板140或者第二极板150与第一衬底110接触和被卡住的情况下，可以在不与第一衬底110接触的极板与相应电极(第二电极170或背极板330)之间施加电偏压用于从静摩擦恢复。还可以对极板的倾斜进行感测并动态地调整跨极板的偏压以保证它们不与第一衬底110接触。
图8示出了活塞式传声器的替代性制造实施例。在一个实施例中，可以将立柱214做得更宽以在PEC234上重叠，同时形成浅凹陷阶以形成一个控制良好且浅延伸的PEC284以便改进传声器的低频响应。以类似的方式，第二衬底124的缓冲块314在第二极板154的外部外围上的部分重叠对第一和第二极板144、154的出平面(向上)移动进行限制。对出平面移动进行限制提高了器件可靠性，尤其是针对振动和冲击。
在另一个替代性方案中，可以选择性地向下打薄第一和第二极板144、154，从而创造阶梯式的器件层294以增加结构的共振频率和减少穿孔的声阻抗。
在另一个实施例中，提供带有多个穿孔324的背极板334用作该第一衬底上的盖住声端口194的电极，该声端口面向第一极板144的第一表面侧。在一个实施例中，刚性背极板334可以部分地或完全地盖住该声端口。通过带有多个穿孔324的极板334的适当设计，通过开口(声端口194)的声压输入将到达第一极板144的第一表面而没有显著的衰减，同时由此背极板334和第一极板144形成的平行极板电容将增加电感测电容。
在声输入的影响下，此电容将在与第二极板154与第二电极174之间形成的电容相同的相位上发生变化。因此，总感测电容将增加。
图9A、图9B和图9C示出了可以应用于传声器的所描述的实施例中的任一实施例上的封装方案。图9A展示了带有集成器件914的封盖封装900A。背空腔916自含于集成器件914内。图9B示出了模制封装900B，其中在集成器件922上对塑料或类似封装材料924进行模制或成形。图9C展示了一个封盖封装900C，其通过在集成器件918的顶面上开放的声端口926形成一个延伸背空腔927。
图10示出了一个实施例，该实施例使MEMS传声器370和在该第一和第二衬底上的一个或多个其他MEMS器件380集成。其他MEMS器件包括但不限于陀螺仪、加速计、压力传感器和罗盘。MEMS传声器370可以是如图1、图2、图4、图5、图7和图8中所描述的活塞式传声器或扭转传声器。
较常规设计而言，传声器的扭转和活塞式设计两者提供了改进。在第一和第二衬底以及来自CMOS-MEMS构造的集成电子器件限定围隔情况下的集成背空腔能够比在常规两芯片解决方案中实现显著更小的封装足迹。当MEMS管芯和封装一起形成背空腔时，集成背空腔还减轻了封装考虑。
与类似尺寸或更大的传声器相比，内在地预期扭转设计在操作过程中对加速没有那么敏感。就极板的电子拾取和移动而言，活塞式设计与现有的MEMS和电容式传声器类似，但不像其他传感器基于实心极板的移动，没有隔膜。并且，不像其他设计，可以分开调整压力感测区域和电极区域，从而在区域/质量的成本下给予额外的设计灵活性。
虽然已经根据所示的实施例中描述了本发明，在本技术领域的普通技术人员将容易地认识到这些实施例可存在变化并且这些变化将在本发明的精神和范围之内。因此，本技术领域的普通技术人员可以做出许多修改而不脱离所附的权利要求书的精神和范围。

Claims (30)

1.一种MEMS器件，包括：
一个附接到一个第一衬底上的锚点；
一个带有一个第一表面和一个第二表面的第一极板；
一个带有一个第三表面和一个第四表面的附接到该第一极板上的第二极板；以及
一个将该锚点连接到该第一极板上的连接结构，其中，在该第一极板的该第一和第二表面之间存在一个声压差的情况下，该第一极板和第二极板移位；
其中，该第一极板、该第二极板、该连接机构和该锚点包含在由该第一衬底和一个第二衬底形成的一个围隔内；
其中，该第一和第二衬底其中之一包含一个声端口以将该第一表面暴露在环境下；
其中，在该第一衬底上形成至少一个电极。
2.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该第一和第二极板中的每个极板由一种含有硅的材料组成。
3.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该第二极板是有穿孔的。
4.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该第二极板在与该第一极板的相反方向上移动。
5.如权利要求0所述的MEMS器件，其中，第一和第二极板围绕一个转动轴是扭矩平衡的。
6.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该第二极板在与该第一极板的相同的方向上移动。
7.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该MEMS器件包括一个传声器。
8.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该围隔形成一个声空腔。
9.如权利要求1所述的MEMS器件，进一步包括对该第一和第二极板的横向移动进行限制的面内缓冲块。
10.如权利要求1所述的MEMS器件，进一步包括一个电容器，其中，该第二极板形成一个第一电极，并且该第一衬底上的一个导电层形成一个第二电极。
11.如权利要求1所述的MEMS器件，进一步包括一个沉积在该第一极板下方并且盖住该声端口的至少一部分的穿孔极板。
12.如权利要求0所述的MEMS器件，其中，该第二电极由铝组成。
13.如权利要求0所述的MEMS器件，其中，该第二电极连接到该第一衬底上的一个集成电路上。
14.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，一个蚀刻进该第二衬底内的压铆螺母柱限定一个间隙。
15.如权利要求1所述的MEMS器件，进一步包括一种沉积在该第二衬底上的附加绝缘材料。
16.如权利要求15所述的MEMS器件，该附加绝缘材料在多个选定部分内延伸以形成多个缓冲块。
17.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，从一个陷进去的立柱形成至少一个缓冲块。
18.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该第一和第二极板具有均匀的厚度。
19.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该连接机构具有一个基本上与该第一极板或该第二极板的厚度相同的厚度。
20.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，该第一极板具有一个较薄的部分和一个较厚的部分。
21.如权利要求20所述的MEMS器件，其中，该连接机构具有一个等于该第一极板的最薄部分的厚度。
22.如权利要求20所述的MEMS器件，该连接机构具有一个大于该第一极板的最薄部分的厚度。
23.如权利要求1所述的MEMS器件，其中，从该第一表面到该第二表面提供一条气流通路。
24.一种声传感器件，包括：
一个带有一个第一表面和一个第二表面的附接到一个第一衬底上的结构；
其中，在该结构的该第一和第二表面之间存在一个声压差的情况下，该结构移位；
其中，该结构包含在一个由该第一衬底和一个第二衬底形成的一个围隔内；
其中，该第一或第二衬底中的仅一个衬底包含一个开口以将该结构暴露在环境下。
25.如权利要求24所述的器件，进一步包括一个电容器，其中，该第二极板形成一个第一电极，并且该第一衬底上的一个导电层形成一个第二电极。
26.如权利要求25所述的器件，其中，该第二电极连接到该第一衬底上的一个集成电路上。
27.如权利要求24所述的器件，其中，该第一或第二衬底中的仅一个衬底包含一个开口以将该结构暴露在一个第二围隔下。
28.一种声传感器件，包括：
一个带有一个第一表面和一个第二表面的附接到一个第一衬底上的结构；
其中，在该结构的该第一和第二表面之间存在一个声压差的情况下，该结构移位；
其中，该结构位于该第一衬底和一个第二衬底之间；
其中，该第一和第二衬底各自包含一个开口。
29.如权利要求0所述的器件，进一步包括一个电容器，其中，该第二极板形成一个第一电极，并且该第一衬底上的一个导电层形成一个第二电极。
30.如权利要求29所述的器件，其中，该第二电极连接到该第一衬底上的一个集成电路上。
CN201480011805.4A 2013-03-13 2014-02-28 带有集成背空腔的mems声传感器 Active CN105051909B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/800,061 2013-03-13
US13/800,061 US8692340B1 (en) 2013-03-13 2013-03-13 MEMS acoustic sensor with integrated back cavity
PCT/US2014/019685 WO2014163989A1 (en) 2013-03-13 2014-02-28 Mems acoustic sensor with integrated back cavity

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105051909A true CN105051909A (zh) 2015-11-11
CN105051909B CN105051909B (zh) 2018-01-05

Family

ID=50391806

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480011805.4A Active CN105051909B (zh) 2013-03-13 2014-02-28 带有集成背空腔的mems声传感器

Country Status (6)

Country Link
US (2) US8692340B1 (zh)
EP (1) EP2973727B1 (zh)
KR (1) KR101729430B1 (zh)
CN (1) CN105051909B (zh)
TW (1) TWI504281B (zh)
WO (1) WO2014163989A1 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018010065A1 (en) * 2016-07-11 2018-01-18 Goertek.Inc Condenser mems microphone and electronic apparatus
CN107690116A (zh) * 2016-08-05 2018-02-13 因克斯实验室有限公司 Mems麦克风组件
CN109218870A (zh) * 2018-08-06 2019-01-15 歌尔股份有限公司 一种麦克风
CN114501266A (zh) * 2022-01-20 2022-05-13 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 单支点差分结构抗振动干扰芯片及具有该芯片的麦克风

Families Citing this family (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9084048B1 (en) * 2010-06-17 2015-07-14 Shindig, Inc. Audio systems and methods employing an array of transducers optimized for particular sound frequencies
US9200973B2 (en) 2012-06-28 2015-12-01 Intel Corporation Semiconductor package with air pressure sensor
US8692340B1 (en) * 2013-03-13 2014-04-08 Invensense, Inc. MEMS acoustic sensor with integrated back cavity
US9327965B2 (en) 2013-03-15 2016-05-03 Versana Micro Inc Transportation device having a monolithically integrated multi-sensor device on a semiconductor substrate and method therefor
US9136165B2 (en) * 2013-06-04 2015-09-15 Invensense, Inc. Methods for stiction reduction in MEMS sensors
US9254997B2 (en) * 2013-08-29 2016-02-09 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. CMOS-MEMS integrated flow for making a pressure sensitive transducer
KR101813905B1 (ko) * 2013-09-27 2018-01-02 인텔 코포레이션 반도체 패키지의 쓰루홀 구조의 향상된 배열
US9628929B2 (en) * 2014-01-07 2017-04-18 Invensense, Inc. Back cavity leakage test for acoustic sensor
DE102014200500A1 (de) * 2014-01-14 2015-07-16 Robert Bosch Gmbh Mikromechanische Drucksensorvorrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren
US9344808B2 (en) * 2014-03-18 2016-05-17 Invensense, Inc. Differential sensing acoustic sensor
US9617144B2 (en) 2014-05-09 2017-04-11 Invensense, Inc. Integrated package containing MEMS acoustic sensor and environmental sensor and methodology for fabricating same
KR20160025754A (ko) * 2014-08-28 2016-03-09 삼성전기주식회사 음향변환장치
US20160090300A1 (en) * 2014-09-30 2016-03-31 Invensense, Inc. Piezoelectric microphone with integrated cmos
US9621975B2 (en) 2014-12-03 2017-04-11 Invensense, Inc. Systems and apparatus having top port integrated back cavity micro electro-mechanical system microphones and methods of fabrication of the same
US9664660B2 (en) * 2015-01-13 2017-05-30 Invensense, Inc. Air sensor with air flow control
CN105848074B (zh) 2015-01-15 2020-07-28 联华电子股份有限公司 微机电麦克风
US9676618B2 (en) * 2015-02-20 2017-06-13 Continental Automotive Systems, Inc. Embedded structures for high glass strength and robust packaging
US10375482B2 (en) 2015-03-12 2019-08-06 Omron Corporation Capacitance type transducer and acoustic sensor
US9969614B2 (en) * 2015-05-29 2018-05-15 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. MEMS packages and methods of manufacture thereof
US9815685B2 (en) * 2015-06-15 2017-11-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. Semiconductor sensing structure and manufacturing method thereof
US9681243B2 (en) * 2015-06-17 2017-06-13 Robert Bosch Gmbh In-plane overtravel stops for MEMS microphone
WO2017015514A1 (en) * 2015-07-23 2017-01-26 Knowles Electronics, Llc Microphone with pressure sensor
US10737931B2 (en) * 2015-07-31 2020-08-11 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. Semiconductor structure and manufacturing method thereof
JP7016799B2 (ja) * 2015-09-29 2022-02-07 ヘモネティクス・コーポレーション 回転する物体を撮像するためのシステム及び方法
US9878899B2 (en) 2015-10-02 2018-01-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Method and apparatus for reducing in-process and in-use stiction for MEMS devices
US9900677B2 (en) * 2015-12-18 2018-02-20 International Business Machines Corporation System for continuous monitoring of body sounds
CN105783995B (zh) * 2016-03-24 2017-12-19 北京航空航天大学 Mems传感器、基于mems传感器的热力参数测量方法
DE102016208925A1 (de) * 2016-05-24 2017-11-30 Robert Bosch Gmbh Mikromechanischer Sensor und Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors
US10554153B2 (en) * 2016-06-17 2020-02-04 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. MEMS device for harvesting sound energy and methods for fabricating same
US20190217129A1 (en) * 2018-01-16 2019-07-18 Circuit Therapeutics, Inc. System and method for sonogenetic therapy
US10892772B2 (en) 2018-08-17 2021-01-12 Invensense, Inc. Low power always-on microphone using power reduction techniques
FR3108462B1 (fr) * 2020-03-23 2022-08-26 Commissariat Energie Atomique Microphone microelectromecanique a encombrement reduit
US11611835B2 (en) * 2020-06-09 2023-03-21 Infineon Technologies Ag Combined corrugated piezoelectric microphone and corrugated piezoelectric vibration sensor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101437188A (zh) * 2007-10-01 2009-05-20 财团法人工业技术研究院 声音换能器以及使用声音换能器的麦克风
CN102067433A (zh) * 2008-06-25 2011-05-18 松下电工株式会社 可动结构体及使用它的光扫描反射镜
US8045734B2 (en) * 2004-10-29 2011-10-25 Shandong Gettop Acoustic Co., Ltd. Backplateless silicon microphone

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4495385A (en) 1982-12-02 1985-01-22 Honeywell Inc. Acoustic microphone
US4558184A (en) 1983-02-24 1985-12-10 At&T Bell Laboratories Integrated capacitive transducer
US4533795A (en) 1983-07-07 1985-08-06 American Telephone And Telegraph Integrated electroacoustic transducer
US4524247A (en) 1983-07-07 1985-06-18 At&T Bell Laboratories Integrated electroacoustic transducer with built-in bias
JPS60111129A (ja) * 1983-11-21 1985-06-17 Yokogawa Hokushin Electric Corp 圧力センサ
US6136630A (en) 1998-06-04 2000-10-24 The Regents Of The University Of Michigan Method of making a micromechanical device from a single crystal semiconductor substrate and monolithic sensor formed thereby
US7434305B2 (en) * 2000-11-28 2008-10-14 Knowles Electronics, Llc. Method of manufacturing a microphone
US7166910B2 (en) 2000-11-28 2007-01-23 Knowles Electronics Llc Miniature silicon condenser microphone
DE10160830A1 (de) 2001-12-11 2003-06-26 Infineon Technologies Ag Mikromechanische Sensoren und Verfahren zur Herstellung derselben
JP3969228B2 (ja) * 2002-07-19 2007-09-05 松下電工株式会社 機械的変形量検出センサ及びそれを用いた加速度センサ、圧力センサ
US7795695B2 (en) 2005-01-27 2010-09-14 Analog Devices, Inc. Integrated microphone
DE102005008511B4 (de) 2005-02-24 2019-09-12 Tdk Corporation MEMS-Mikrofon
US7885423B2 (en) 2005-04-25 2011-02-08 Analog Devices, Inc. Support apparatus for microphone diaphragm
US7449356B2 (en) 2005-04-25 2008-11-11 Analog Devices, Inc. Process of forming a microphone using support member
US7961897B2 (en) 2005-08-23 2011-06-14 Analog Devices, Inc. Microphone with irregular diaphragm
WO2007024909A1 (en) 2005-08-23 2007-03-01 Analog Devices, Inc. Multi-microphone system
DE102006001493B4 (de) 2006-01-11 2007-10-18 Austriamicrosystems Ag MEMS-Sensor und Verfahren zur Herstellung
GB0605576D0 (en) 2006-03-20 2006-04-26 Oligon Ltd MEMS device
EP2103173B1 (en) 2007-01-17 2013-05-29 Analog Devices, Inc. Microphone with pressure relief
US7795063B2 (en) 2007-12-31 2010-09-14 Solid State System Co., Ltd. Micro-electro-mechanical systems (MEMS) device and process for fabricating the same
US8258591B2 (en) 2008-01-16 2012-09-04 Solid State System Co., Ltd. Micro-electro-mechanical systems (MEMS) device
US8173471B2 (en) 2008-04-29 2012-05-08 Solid State System Co., Ltd. Method for fabricating micro-electro-mechanical system (MEMS) device
US20090285419A1 (en) 2008-05-13 2009-11-19 United Microelectronics Corp. Microelectromechanical system microphone
WO2009143434A2 (en) 2008-05-23 2009-11-26 Analog Devices, Inc. Wide dynamic range microphone
US20110108933A1 (en) * 2008-07-11 2011-05-12 Rohm Co., Ltd. Mems device
US8193596B2 (en) 2008-09-03 2012-06-05 Solid State System Co., Ltd. Micro-electro-mechanical systems (MEMS) package
US8208662B2 (en) 2008-09-16 2012-06-26 United Microelectronics Corp. Microelectromechanical system microphone structure and microelectromechanical system microphone package structure
US7951636B2 (en) 2008-09-22 2011-05-31 Solid State System Co. Ltd. Method for fabricating micro-electro-mechanical system (MEMS) device
WO2010045107A2 (en) 2008-10-14 2010-04-22 Knowles Electronics, Llc Microphone having multiple transducer elements
IT1392742B1 (it) 2008-12-23 2012-03-16 St Microelectronics Rousset Trasduttore acustico integrato in tecnologia mems e relativo processo di fabbricazione
IT1395550B1 (it) 2008-12-23 2012-09-28 St Microelectronics Rousset Trasduttore acustico integrato in tecnologia mems e relativo processo di fabbricazione
EP2242288A1 (en) 2009-04-15 2010-10-20 Nxp B.V. Microphone with adjustable characteristics
US8094839B2 (en) 2009-04-30 2012-01-10 Solid State System Co., Ltd. Microelectromechanical system (MEMS) device with senstivity trimming circuit and trimming process
JP4505035B1 (ja) 2009-06-02 2010-07-14 パナソニック株式会社 ステレオマイクロホン装置
US8093119B2 (en) * 2009-06-24 2012-01-10 Solid State System Co., Ltd. CMOS microelectromechanical system (MEMS) device and fabrication method thereof
DE102009029095B4 (de) * 2009-09-02 2017-05-18 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauelement
KR101150186B1 (ko) 2009-12-04 2012-05-25 주식회사 비에스이 멤스 마이크로폰 및 그 제조방법
US8865500B2 (en) 2010-02-03 2014-10-21 United Microelectronics Corp. Method of fabricating a MEMS microphone with trenches serving as vent pattern
JP4947220B2 (ja) 2010-05-13 2012-06-06 オムロン株式会社 音響センサ及びマイクロフォン
US8692340B1 (en) * 2013-03-13 2014-04-08 Invensense, Inc. MEMS acoustic sensor with integrated back cavity

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8045734B2 (en) * 2004-10-29 2011-10-25 Shandong Gettop Acoustic Co., Ltd. Backplateless silicon microphone
CN101437188A (zh) * 2007-10-01 2009-05-20 财团法人工业技术研究院 声音换能器以及使用声音换能器的麦克风
CN102067433A (zh) * 2008-06-25 2011-05-18 松下电工株式会社 可动结构体及使用它的光扫描反射镜

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018010065A1 (en) * 2016-07-11 2018-01-18 Goertek.Inc Condenser mems microphone and electronic apparatus
CN109691135A (zh) * 2016-07-11 2019-04-26 歌尔股份有限公司 电容式mems麦克风以及电子设备
US10715923B2 (en) 2016-07-11 2020-07-14 Goertek Inc. Condenser MEMS microphone and electronic apparatus
CN107690116A (zh) * 2016-08-05 2018-02-13 因克斯实验室有限公司 Mems麦克风组件
CN107690116B (zh) * 2016-08-05 2021-07-27 因克斯实验室有限公司 Mems麦克风组件
CN109218870A (zh) * 2018-08-06 2019-01-15 歌尔股份有限公司 一种麦克风
CN109218870B (zh) * 2018-08-06 2020-05-12 歌尔股份有限公司 一种麦克风
CN114501266A (zh) * 2022-01-20 2022-05-13 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 单支点差分结构抗振动干扰芯片及具有该芯片的麦克风
CN114501266B (zh) * 2022-01-20 2024-03-15 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 单支点差分结构抗振动干扰芯片及具有该芯片的麦克风

Also Published As

Publication number Publication date
US20140264656A1 (en) 2014-09-18
US9428379B2 (en) 2016-08-30
US8692340B1 (en) 2014-04-08
EP2973727A1 (en) 2016-01-20
KR20160007491A (ko) 2016-01-20
EP2973727B1 (en) 2020-08-26
WO2014163989A1 (en) 2014-10-09
EP2973727A4 (en) 2017-02-15
CN105051909B (zh) 2018-01-05
TWI504281B (zh) 2015-10-11
KR101729430B1 (ko) 2017-04-21
TW201448608A (zh) 2014-12-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105051909A (zh) 带有集成背空腔的mems声传感器
US9809448B2 (en) Systems and apparatus having MEMS acoustic sensors and other MEMS sensors and methods of fabrication of the same
US7258011B2 (en) Multiple axis accelerometer
US9344808B2 (en) Differential sensing acoustic sensor
JP5557336B2 (ja) 微小電気機械システム（ｍｅｍｓ）センサを備える装置およびそのセンサの製造方法
US8372677B2 (en) Three-axis accelerometers and fabrication methods
JP4044919B2 (ja) ３−ウェーハ構造を有するｍｅｍｓ
EP2810915B1 (en) Capacitive sensing structure with embedded acoustic channels
JP5357166B2 (ja) Ｍｅｍｓセンサ及び検出装置
EP2346083B1 (en) Mems sensor
JP2001099855A (ja) マイクロマシニング型の回転角加速度センサ
CN110169085B (zh) 与mems传声器组合的非声学传感器的系统
US9383382B2 (en) Microelectromechanical sensor with out-of-plane sensing and process for manufacturing a microelectromechanical sensor
TWI355750B (en) Capacitive sensor for dynamical quantity
JP5175152B2 (ja) Ｍｅｍｓセンサ
JP6258977B2 (ja) センサおよびその製造方法
EP1932803B1 (en) MEMS device with Z-axis asymetry
WO2006137230A1 (ja) 容量検出型加速度センサ
JPWO2008143191A1 (ja) Ｍｅｍｓセンサおよびその製造方法
JP2010169401A (ja) 検出素子、微小電気機械装置および電子機器
JP5771921B2 (ja) 封止型デバイス及びその製造方法
WO2015008422A1 (ja) センサ
JP2001349731A (ja) マイクロマシンデバイスおよび角加速度センサおよび加速度センサ
JP2013217844A (ja) Ｍｅｍｓデバイス
CN115931185A (zh) 一种电容式微机电传感器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: American California

Patentee after: Legg company

Address before: American California

Patentee before: Invensense Inc.

CP01 Change in the name or title of a patent holder