CN106375919A - 具有通过弹簧结构连接到构件层结构上的膜片元件的mems构件 - Google Patents

Abstract

提出一些措施，通过这些措施能够符合目的地减小MEMS构件的膜片结构内的机械应力，此外这些措施还使得膜片元件能具有与芯片面积相比较大的膜片面积。该膜片元件构造在MEMS构件的层结构中。该膜片元件覆盖该层结构中的开口并且通过弹簧结构连接到该层结构上。该弹簧结构包括至少一个第一弹簧部件，其基本上平行于该膜片元件取向并且构造在该膜片元件下方的层平面中。该弹簧结构还包括至少一个第二弹簧部件，其基本上垂直于该膜片元件取向。该弹簧结构这样设计，使得该膜片元件的面积大于该膜片元件覆盖的开口的面积。

Description

具有通过弹簧结构连接到构件层结构上的膜片元件的MEMS 构件

技术领域

本发明一般性地涉及在其层结构中构造有至少一个膜片元件的MEMS构件，所述膜片元件覆盖所述层结构中的开口并且通过弹簧结构连接到该层结构上。

背景技术

在膜片元件相应地设计并且在配备有用于信号感测的压敏式(piezosensitiv)电路元件时，能够将这种构件例如用作压力传感器或者将其用作麦克风。

压敏式MEMS麦克风构件的特别的优点是：与电容式MEMS麦克风构件不同，压敏式MEMS麦克风构件能够非常简单地装备“唤醒(wake-up)”功能。即压敏式MEMS麦克风构件能够非常简单地这样设计，使得仅在需要的情况下、即例如仅当超过确定的声级时，压敏式MEMS麦克风构件才耗电。由此，压敏式MEMS麦克风构件在“常开(always on)”运行模式下的耗电量明显小于电容式MEMS麦克风构件。

麦克风敏感度主要取决于麦克风膜片的尺寸，即膜片面积越大，则麦克风敏感度也越高。然而，随着膜片面积的增大，在膜片内也出现增强的机械应力，其使测量信号出错。这种本征机械应力可能由制造造成或者也可能由使用位置的温度波动所导致。

发明内容

本发明提出一些措施，通过这些措施能够符合目的地降低所述膜片结构内的机械应力，此外这些措施使得能实现具有与芯片面积相比较大的膜片面积的膜片元件。

根据本发明，这以下述方式实现：所述弹簧结构包括至少一个第一弹簧部件，所述第一弹簧部件基本上平行于所述膜片元件地取向并且构造在膜片元件下方的层平面中；所述弹簧结构包括至少一个第二弹簧部件，所述第二弹簧部件基本上垂直于所述膜片元件地取向；并且所述弹簧结构这样设计，使得所述膜片元件的面积大于膜片元件所覆盖的开口的面积。

因而，所述弹簧结构并非二维地构造在膜片平面中，而是三维地构造，使得所述膜片元件的本征机械应力通过垂直于所述膜片平面地取向的第二弹簧部件被传导到平行于所述膜片平面地取向的第一弹簧部件中。即所述膜片元件的松弛在此在全部的三个空间方向上进行。此外，与膜片平面中的二维弹簧结构不同，根据本发明的三维弹簧结构不需要附加的芯片面。三维弹簧结构是想要实现的、比所覆盖的开口大的膜片元件的前提。

原则上存在用于实现根据本发明的MEMS构件的不同可能性，这既涉及所述膜片元件的设计，也涉及所述弹簧结构的设计。在此，所述MEMS构件的功能始终是主要影响因素。

在用于绝对压力感测或相对压力感测的传感器应用中，所述膜片元件以及所述弹簧结构有利地构造成基本上封闭。

与此不同，例如在用作麦克风构件时有利的是：在所述弹簧结构中和/或在所述膜片元件的邻接该弹簧结构的边缘区域中构造有开口，所述开口使得能够实现所述膜片元件两侧之间的缓慢的压力平衡。通过这些开口实现的压力平衡也不会由于构件结构中的机械应力而受影响。

在MEMS构件的层结构中实现所述膜片元件和所述弹簧结构不仅在各个结构元素的形状方面而且也在结构厚度方面提供多个自由度。因此，能够非常简单地将膜片元件和从位于其下的层结构化出来的第一弹簧部件实施成不同的厚度，例如以便有利于符合目的地将应力传导到所述弹簧结构中。也可以改变每个单个结构元素的结构厚度。例如，所述膜片元件的中间区域可以构造得比其边缘区域厚。

常常也被证明为有利的是：相对于所述弹簧结构的第一弹簧部件加强垂直于膜片平面取向的第二弹簧部件。为此，可以简单地将第二弹簧部件构造得比第一弹簧部件厚。但是，也可以在所述弹簧结构中设置附加的片状加强元件，该加强元件构造成平行于第二弹簧部件。

在本发明的一种有利的构型中，在所述弹簧结构的区域中构造有用于所述膜片元件的止挡部。这在以下情况下被证明为尤其有意义：为了提高敏感度而将膜片边缘和/或所述弹簧结构构造得这样薄，使得所述膜片边缘和/或所述弹簧结构不能承受住预计的压力负荷。

有利的是，所述膜片元件与所述弹簧结构之间的、所述弹簧结构的各个部件之间的以及所述弹簧结构与所述层结构之间的连接区域是倒圆角的，以避免在有角的三维构件结构中形成本征机械应力。

如已提到的那样，要求保护的构件方案尤其也适用于实现具有至少一个声压敏感膜片元件的压敏式MEMS麦克风构件。用于感测膜片偏移的压敏式电路元件在此有利地布置在所述弹簧结构的区域中和/或所述膜片元件的邻接该弹簧结构的边缘区域中，在那里预计会出现最大的机械应力。比较大的麦克风膜片和将该麦克风膜片连接到所述层结构上的三维弹簧结构通过提高麦克风灵敏度、改善信噪比而导致麦克风性能的改善。同时，这种MEMS麦克风构件对本征应力和环境温度波动不敏感。

附图说明

如之前已说明的那样，存在以有利的方式构型和扩展本发明的教导的不同可能性。为此，一方面参见后面的权利要求，而另一方面参见在后面对本发明的多个实施例的描述。附图示出：

图1a示出根据本发明的第一MEMS构件10在膜片元件与层结构之间的弹簧结构区域中的截面图；

图1b示出该MEMS构件10的膜片元件的立体局部图；

图2至6分别示出根据本发明的其他MEMS构件20，30，40，50，60在膜片元件与层结构之间的弹簧结构区域中的截面图。

具体实施方式

图1a和1b直观示出根据本发明的构件方案，根据所述构件方案，MEMS构件10包括膜片元件11，该膜片元件11覆盖构件基底1背侧中的开口12。在这里示出的实施例中，膜片元件11是圆的，见图1b；而背侧开口是柱形的，见图1a。膜片元件11在构件基底1上的层结构中实现并且通过弹簧结构13连接到所述层结构上或构件基底1上。该弹簧结构13也从所述层结构结构化出来。

根据本发明，弹簧结构13包括第一弹簧部件131，该第一弹簧部件131基本上平行于膜片元件11地取向并且构造在膜片元件11下方的层平面中。“基本上平行”在此表示：第一弹簧部件131平行于膜片元件11地取向或者除了微小偏差外平行于膜片元件11地取向。在这里示出的实施例中，第一弹簧部件131为圆环形并且通过环绕的刚性支座14与背侧开口12的上边缘连接。所述第一弹簧部件131从支座14延伸直至MEMS芯片10的外边缘。

根据本发明，弹簧结构13还包括第二弹簧部件132，该第二弹簧部件132基本上垂直于膜片元件11地取向。“基本上”在此表示：例如由制造技术引起的微小垂直偏差不值得注意。在此示出的实施例中，第二弹簧部件132建立第一弹簧部件131的外边缘与膜片元件11的外边缘之间的连接，该膜片元件11也延伸直至MEMS芯片10的外边缘。相应地，膜片元件11的面积大于背侧开口12的横截面面积，这可通过弹簧结构13的根据本发明的设计来实现。此外，膜片元件11中的本征应力能够非常好地通过这种三维弹簧结构13被减小。

因为在图1a和1b中示出的MEMS构件10的膜片元件11和弹簧结构13都完全封闭，所以本发明的该实施方式特别适用于压力感测。视MEMS构件10的装配而定，能够或者在两侧以两个不同的测量压力加载膜片元件11，以便获知相对压力，或者仅在一侧以一个测量压力加载膜片元件11，用于测量绝对压力。在测量绝对压力时，测量压力反作用于在膜片元件11的另一侧上的限定的参考压力。在这两种情况下感测膜片元件11的偏移，更确切地说优选借助压敏式电路元件来感测，所述压敏式电路元件布置在弹簧结构13的区域中和/或布置在膜片元件11的邻接该弹簧结构的边缘区域中，其中，在压力作用时在那里出现最大的机械应力。

与MEMS构件10不同，在图2中示出的MEMS构件20中不仅在弹簧结构23中(更确切地说在第一弹簧部件231中)，而且也在膜片元件21的与该弹簧结构23邻接的边缘区域中构造有通气开口25，这些通气开口25使得能够实现为麦克风应用所需的、膜片元件21两侧之间的缓慢的压力平衡。压力平衡发生的有多快主要取决于通气开口25的数量、尺寸和布置并且能够通过这些参数来符合目的地进行影响。在这一点上还应注意的是：附加地，第二弹簧部件232也可能设有通气开口25；或者仅仅膜片元件21的边缘区域设有通气开口；或者仅仅第一弹簧部件231设有通气开口。在每种情况下，通气开口25都相对于膜片元件21的封闭的中间区域提高了所涉及的结构区域的可弯曲性，并从而有利于所涉及的结构区域的变形。这最终有利于信号感测，所述信号感测在此也优选借助位于弹簧结构23的区域中和/或膜片元件21的邻接该弹簧结构的边缘区域中的压敏式电路元件进行。

根据本发明的MEMS构件的在图3中示出的实施方式30包括用于膜片元件31的过载保护装置。该过载保护装置以截面为T形的结构元素36的形式实现，该截面为T形的结构元素36以背侧开口12的上边缘处的刚性支座14为出发点，并且穿过膜片元件31的边缘区域中的引导开口37突出，使得结构元素36的平行于膜片元件31地取向的T形梁位于膜片元件31上方。因为引导开口37小于该T形梁，所以该T形梁形成用于膜片元件31的上止挡部。向下则通过芯片边缘处的基底表面限界膜片元件31的偏移，所述基底表面形成用于弹簧结构33的止挡部。

根据本发明的MEMS构件的弹簧结构的机械特性能够通过所述弹簧结构的布局符合目的地进行影响。用于此的三种不同措施通过图4至6直观示出。

根据本发明的MEMS构件的在图4中示出的实施方式40就以下方面而言基本上相应于在图1a中示出的变型：膜片元件41以及弹簧结构43完全封闭并且弹簧结构43包括平行于膜片元件41取向的第一弹簧部件431和基本上垂直于膜片元件41取向的第二弹簧部件432。然而该MEMS构件40的背侧开口42构造成具有两个不同开口半径的通道形式。背侧开口横截面大于膜片侧的开口横截面，这通过侧面的开口壁中的台阶实现。如在MEMS构件10的情况下那样，第一弹簧部件431从位于背侧开口12上边缘处的环绕的刚性支座14延伸直至MEMS芯片40的外边缘。相应地，MEMS构件40的第一弹簧部件431大于MEMS构件10的第一弹簧部件131，使得在结构厚度相同时预计会表现出不同的弹簧性能。

图5示出一种根据本发明的MEMS构件50，该MEMS构件50的弹簧结构53双重折叠，使得该弹簧结构53包括两个平行于膜片元件51取向的弹簧部件531和533和两个基本上垂直于膜片元件51取向的弹簧部件532和534。通过弹簧结构53的双重折叠能够增大测量区域和/或增强传感器结构的敏感度，因为由压力造成的变形在此分布到四个弹簧部件上。基于所述折叠，所述弹簧结构的增大不会导致膜片面或芯片面的负荷。

在根据本发明的MEMS构件的在图6中示出的实施方式60中，弹簧结构63的第二弹簧部件632已通过附加的加强元件64加强，使得仅仅弹簧结构63的平行于膜片元件61取向的第一弹簧部件631可变形。该实施例直观示出：根据本发明的MEMS构件的弹簧结构的弹簧特性或刚度也能够借助加强元件来符合目的地进行影响。

Claims (9)

1.一种MEMS构件(10)，在其层结构中构造有至少一个膜片元件(11)，所述至少一个膜片元件覆盖所述层结构中的开口(12)并且通过弹簧结构(13)连接到该层结构上，

其特征在于，该弹簧结构(13)包括至少一个第一弹簧部件(131)，所述至少一个第一弹簧部件基本上平行于所述膜片元件(11)地取向并且构造在所述膜片元件(11)下方的层平面中，该弹簧结构(13)包括至少一个第二弹簧部件(132)，所述至少一个第二弹簧部件基本上垂直于所述膜片元件(11)地取向，并且，所述弹簧结构(13)这样设计，使得所述膜片元件(11)的面积大于该膜片元件所覆盖的开口(12)的面积。

2.根据权利要求1所述的MEMS构件(10)，其特征在于，所述膜片元件基本上封闭。

3.根据权利要求1或2所述的MEMS构件(10)，其特征在于，所述第一弹簧部件(131)基本上封闭。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS构件(20)，其特征在于，在所述弹簧结构(23)中和/或在所述膜片元件(21)的邻接的边缘区域中构造有开口(25)，所述开口(25)使得能够实现所述膜片元件(21)两侧之间的缓慢的压力平衡。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的MEMS构件，其特征在于，所述膜片元件的厚度与所述第一弹簧部件的厚度相互独立地选择并且选择得不同。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的MEMS构件(60)，其特征在于，所述第二弹簧部件(632)相对于所述第一弹簧部件(631)是加强的。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的MEMS构件(30)，其特征在于，在所述弹簧结构(33)的区域中构造有用于所述膜片元件(31)的过载保护装置(36)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的MEMS构件，其特征在于，所述膜片元件与所述弹簧结构之间的连接区域、所述弹簧结构的各个部件之间的连接区域以及所述弹簧结构与所述层结构之间的连接区域是倒圆角的，使得构件结构尽可能不包括有角的结构。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的MEMS麦克风构件，其具有至少一个声压敏感的膜片元件，其特征在于，至少一个用于感测膜片偏移的压敏式电路元件布置在所述弹簧结构的区域中和/或布置在所述膜片元件的邻接的边缘区域中。