CN107032287B - 用于差动梳形驱动mems的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于差动梳形驱动MEMS的系统和方法。根据实施例，一种MEMS装置包括：可偏转薄膜，包括第一多个静电梳齿；第一锚定结构，包括与第一多个静电梳齿的第一子集交错的第二多个静电梳齿；和第二锚定结构，包括与第一多个静电梳齿的第二子集交错的第三多个静电梳齿。第二多个静电梳齿相对于第一多个静电梳齿沿第一方向偏移，并且第三多个静电梳齿相对于第一多个静电梳齿沿第二方向偏移，其中第一方向不同于第二方向。

Description

用于差动梳形驱动MEMS的系统和方法
技术领域
本发明一般地涉及换能器，并且在特定实施例中涉及一种用于差动梳形驱动MEMS的系统和方法。
背景技术
换能器将信号从一个域转换到另一个域，并且经常被用在传感器中。一种日常生活中见到的用作传感器的常见换能器是麦克风，所述麦克风将声波转换(即，转化)成电信号。常见传感器的另一示例是温度计。存在通过将温度信号转化成电信号来用作温度计的各种换能器。
基于微机电系统(MEMS)的换能器包括使用微机械加工技术生产的传感器和致动器的家族。通过在换能器中测量物理状态的变化并且将转化的信号传送给连接到MEMS传感器的处理电子设备，MEMS传感器(诸如，MEMS麦克风)从环境搜集信息。可使用与用于集成电路的那些微机械加工制造技术类似的微机械加工制造技术来制造MEMS装置。
MEMS装置可被设计为用作例如振荡器、谐振器、加速度计、陀螺仪、压力传感器、麦克风和微镜。许多MEMS装置使用电容感测技术将物理现象转化成电信号。在这种应用中，使用接口电路将传感器中的电容变化转换成电压信号。
一个这种电容感测装置是MEMS麦克风。MEMS麦克风通常具有与刚性背板分离微小距离的可偏转薄膜。响应于入射在薄膜上的声压波，它朝着背板偏转或远离背板偏转，由此改变薄膜和背板之间的分离距离。通常，薄膜和背板由导电材料制成，并且形成电容器的“极板”。因此，当分离薄膜和背板的距离响应于入射声波而变化时，电容在“极板”之间变化，并且产生电信号。
作为平行板结构的结果，具有由可偏转薄膜和刚性背板形成的这种类型的平行板电容结构的MEMS麦克风可包括各种性能特性。例如，刚性背板经常被穿孔以便允许空气经过背板，以使得刚性背板在声学方面透明。然而，实际上，刚性背板经常并不完全在声学方面透明，并且产生一定量的声噪声。这经常导致机械坚固性(诸如，通过在刚性背板中包括较少并且较小的穿孔)和声噪声减小(诸如，通过在刚性背板中包括较多并且较大的穿孔)之间的折衷。
这种平行板结构的另一特性是称为“吸合”的现象。为了用作声换能器，偏置电压被施加在可偏转薄膜和刚性背板之间。因为施加在极板之间的电压，由可偏转薄膜的运动导致的极板之间的电容变化产生与入射声信号对应的可测量的电压信号。然而，由于施加的偏置电压，当可偏转薄膜和刚性背板之间的分离距离减小时，吸引静电力也增加。吸引静电力通常由可偏转薄膜中的恢复机械弹力平衡，吸引静电力在所述距离变小时非线性地增加，而恢复机械弹力仅线性地增加。当分离距离达到某个界限时，与分离距离相关的所述差异导致吸引静电力克服恢复机械弹力，这引起吸合或塌陷，因为可偏转薄膜一直移动以接触刚性背板并且可导致静摩擦。吸合的现象提出了对吸合的抵抗(源自可偏转薄膜的增加的刚性或较低的偏置电压)和较高的灵敏度(源自可偏转薄膜的减小的刚性或增加的偏置电压)之间的另一折衷。
作为另一示例，使用双背板MEMS麦克风以便产生差动信号。双背板MEMS麦克风包括可偏转薄膜(类似于标准平行板麦克风)，并且还包括分别位于可偏转薄膜上方和下方的顶背板和底背板两者。因此，当可偏转薄膜移动时，可偏转薄膜和两个背板中的一个背板之间的电容增加，而可偏转薄膜和两个背板中的另一个背板之间的电容减小。这种结构也表现出由刚性背板中的穿孔导致的噪声特性，并且容易受到如上所述的吸合现象的影响。
发明内容
根据实施例，一种MEMS装置包括：可偏转薄膜，包括第一多个静电梳齿；第一锚定结构，包括与第一多个静电梳齿的第一子集交错的第二多个静电梳齿；和第二锚定结构，包括与第一多个静电梳齿的第二子集交错的第三多个静电梳齿。第二多个静电梳齿相对于第一多个静电梳齿沿第一方向偏移，并且第三多个静电梳齿相对于第一多个静电梳齿沿第二方向偏移，其中第一方向不同于第二方向。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参照下面结合附图进行的描述，在所述附图中：
图1图示实施例换能器系统的方框图；
图2a、2b和2c图示实施例换能器的顶视图、第一剖视图和第二剖视图；
图3a和3b图示另外的实施例换能器的顶视图；
图4图示另一实施例换能器的顶视图；
图5图示实施例换能器的加工的实施例方法的流程图；
图6a、6b、6c、6d、6e和6f图示实施例换能器的各部分的剖视图；
图7图示又一实施例换能器的剖视图；和
图8图示实施例换能器的加工的另一实施例方法的流程图。
除非另外指示，否则不同附图中的对应数字和符号通常指代对应部分。附图被绘制以清楚地图示实施例的相关方面，并且未必按照比例绘制。
具体实施方式
以下详细地讨论各种实施例的实现和使用。然而，应该明白，在本文中描述的各种实施例在各种特定情况下适用。讨论的特定实施例仅说明了用于实现和使用各种实施例的特定方式，并且不应该在限制的范围中被解释。
在特定情况下针对各种实施例(也就是说，麦克风换能器，并且更具体地讲，MEMS麦克风)进行描述。在本文中描述的各种实施例中的一些实施例包括MEMS换能器系统、MEMS麦克风系统、产生差动信号的MEMS麦克风、和叉指型梳形驱动MEMS换能器。在其它实施例中，各方面也可根据如本领域所已知的任何方式被应用于涉及任何类型的换能器的其它应用。
如以上在背景技术中所述，具有平行板电容结构的各种MEMS换能器表现出由于平行板结构而导致的某些特性和折衷。根据在本文中描述的各种实施例，MEMS换能器包括具有用于感测或致动的梳形驱动结构的可偏转薄膜。在这种实施例中，MEMS换能器可包括没有任何感测背板的可偏转薄膜。沿着可偏转薄膜的一个或多个边缘，MEMS换能器具有一个梳形驱动器或多个梳形驱动器。
在各种实施例中，每个梳形驱动部分包括第一定子、第二定子和转子，第一定子、第二定子和转子中的每一个具有多个梳齿。在这种实施例中，第一定子连接到锚定器并且沿第一方向相对于可偏转薄膜在平面外偏移，并且第二定子连接到锚定器并且沿与第一方向相反的第二方向相对于可偏转薄膜在平面外偏移。转子连接到薄膜的边缘。
在这种各种实施例中，例如，通过形成具有内部或本征层应力的第一定子和第二定子的扩展或支撑部分，可引起沿第一和第二方向(诸如，向下和向上)的偏移。例如，梳齿和锚定结构之间的支撑部分的扩展可包括具有各种图案的不同材料层以产生沿不同方向(诸如，向上和向下)的第一和第二定子的静止和未偏置的偏转。在这种实施例中，通过具有以静电方式耦合到转子的两个定子的沿不同方向的偏移，实施例MEMS换能器基于作为可偏转薄膜的一部分的转子中的梳齿运动而产生差动转化信号。以下参照附图描述特定实施例的另外的细节。
图1图示实施例换能器系统100的方框图，所述实施例换能器系统100包括差动MEMS声换能器102、专用集成电路(ASIC) 104和声处理器106。根据各种实施例，差动MEMS声换能器102通过声音端口108耦合到外部环境。声信号通过声音端口108传送到差动MEMS声换能器102。在这种实施例中，差动MEMS声换能器102通过声音端口108以流体方式耦合到外部或周围环境。声信号因此在差动MEMS声换能器102被转化。在各种实施例中，声转化可包括从电信号产生声信号(诸如，通过MEMS微型扬声器中的致动)或从声信号产生电信号(诸如，通过MEMS麦克风中的感测)。
根据各种实施例，通过声音端口108入射在差动MEMS声换能器102上的声波被转化成差动信号。在特定实施例中，该差动信号是包括第一模拟信号SA+和第二模拟信号SA−的模拟信号，所述第一模拟信号SA+和第二模拟信号SA−被提供给ASIC 104以用于放大和模数转换。在这种实施例中，ASIC 104包括放大级和模数转换器(ADC)。基于第一模拟信号SA+和第二模拟信号SA−，ASIC 104产生数字信号SD，并且将数字信号SD提供给声处理器106。在各种其它实施例中，ASIC 104包括用于产生提供给声处理器106的差动信号的两个放大级。在另其它实施例中，ASIC 104包括用于产生提供给声处理器106的差动数字信号的两个放大级和两个模数转换器(ADC)。在又另外的实施例中，ASIC 104包括两个放大级和模拟180°组合器，所述两个放大级和模拟180°组合器一起产生提供给声处理器106的单端信号。
在各种其它实施例中，换能器系统100可用作微型扬声器，即相反地操作。在这种实施例中，声处理器106产生数字信号SD，并且将数字信号SD提供给ASIC 104，ASIC 104又产生第一模拟信号SA+和第二模拟信号SA−作为用于差动MEMS声换能器102的驱动信号。基于作为驱动信号的第一模拟信号SA+和第二模拟信号SA−，差动MEMS声换能器102产生声信号(例如，声波)，所述声信号通过声音端口108传播到外部或周围环境。
在各种实施例中，差动MEMS声换能器102包括MEMS装置结构，所述MEMS装置结构具有第一定子和第二定子，第一定子和第二定子以静电方式耦合到转子，转子附连到可偏转薄膜。第一定子和第二定子相对于转子具有不同位置以便基于可偏转薄膜的运动而产生差动信号。
在不同实施例中，换能器系统100可包括许多修改。例如，某些实施例包括单个集成电路(IC)，所述单个集成电路包括集成在单个管芯(诸如，半导体管芯)上的差动MEMS声换能器102和ASIC 104。在替代实施例中，差动MEMS声换能器102是产生数字信号而非模拟信号的数字MEMS麦克风。在一些实施例中，声处理器106被省略。在特定实施例中，声处理器106是定制音频处理器。例如，声处理器106可以是编码器/解码器(编解码器)。在各种实施例中，ASIC 104可以是全定制IC、部分定制IC或现有的IC。在一些实施例中，ASIC 104可为差动MEMS声换能器102提供一个偏置电压或多个偏置电压。在一些另外的实施例中，ASIC104可执行另外的功能(未示出)，诸如例如校准、自测试、诊断或修理功能。
在一些实施例中，换能器系统100可被封装在塑料、玻璃或金属封装中。差动MEMS声换能器102可被分开地封装在包括声音端口108的塑料、玻璃或金属麦克风封装中。在这种实施例中，ASIC 104可被包括在麦克风封装中或被分开地封装。例如，差动MEMS声换能器102、ASIC 104和声处理器106中的每一个可被分开地封装，并且附连到提供换能器系统100的部件之间的电耦合的印刷电路板(PCB)。在各种实施例中，换能器系统100可被包括在个人移动装置(诸如，平板计算机、智能电话、膝上型计算机、智能手表或其它可穿戴装置)中。在其它实施例中，换能器系统100可被包括在较大的移动系统(诸如，例如汽车或其它车辆系统)中。在另其它实施例中，换能器系统100可被包括在非移动系统(诸如，智能家庭或住宅环境)中或被包括在工业装置中。在又另外的实施例中，换能器系统100可被包括在机器人系统中。在其它实施例中，换能器系统100可被包括在任何类型的系统中。
图2a、2b和2c图示实施例换能器110a的顶视图、第一剖视图和第二剖视图，所述实施例换能器110a包括衬底112、薄膜114、负定子116和正定子118。图2a图示换能器110a的顶视图，图2b图示在横截面111a的剖视图，并且图2c图示在横截面111b的第二剖视图。根据各种实施例，薄膜114是可偏转矩形片状薄膜，所述可偏转矩形片状薄膜沿着一个边缘锚定到衬底112并且沿着相反边缘通过叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b以静电方式耦合到负定子116和正定子118，所述叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b用作静电梳形驱动器。在这种实施例中，如由图2b图示的横截面111a所示，正定子118沿向上方向在平面外(参照包括薄膜114的顶表面的平面)偏转，并且如由图2c图示的横截面111b所示，负定子116沿向下方向在平面外(参照包括薄膜114的顶表面的平面)偏转。
在各种实施例中，入射在薄膜114上的压力波(诸如，包括声波的流体信号)产生薄膜114的偏转。当薄膜114由于入射声波而偏转时，例如，所述偏转使叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b之间的平行板电容变化。例如，当入射声波使薄膜114向下移动时，叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b之间的平行板电容对于负定子116而言增加并且对于正定子118而言减小。在这种实施例中，当薄膜114向下移动时，在正定子118处的叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b之间的板交叠(如通过图2b的剖视图所观看)减小，导致正定子118的平行板电容的减小。类似地，当薄膜114向下移动时，在负定子116处的叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b之间的板交叠(如通过图2c的剖视图所观看)增加，导致负定子116的平行板电容的增加。
另外，当薄膜114向上移动时，在正定子118处的叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b之间的板交叠(如通过图2b的剖视图所观看)增加，导致正定子118的平行板电容的增加。类似地，当薄膜114向上移动时，在负定子116处的叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b之间的板交叠(如通过图2c的剖视图所观看)减小，导致负定子116的平行板电容的减小。
根据各种实施例，因为负定子116和正定子118的平行板电容表现出相反的变化，所以当薄膜114偏转时，由负定子116和正定子118产生差动信号。在这种实施例中，所述差动信号对应于压力信号(诸如，例如声信号)。在一些实施例中，所述差动信号可读出为来自负定子116和正定子118的差动电压信号。在一些实施例中，薄膜114可进一步偏转，直至叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b之间的板交叠(如通过图2b和2c的剖视图所观看)对于负定子116和正定子118而言都开始减小。
根据替代实施例，电压信号被施加于叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b以便在薄膜114上产生静电力并且引起偏转。在这种替代实施例中，薄膜114可被激发以产生压力波(诸如，声波)。通过用作静电梳形驱动器的叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b的相互作用来产生静电力。在这种替代实施例中，换能器110a可用作微型扬声器。
在各种实施例中，正定子118静止向上偏转，并且负定子116静止向下偏转。在这种实施例中，正定子118的叉指型梳齿120a由导电层132支撑并且以电气方式耦合到导电层132，所述导电层132在一端被固定在衬底112中。类似地，负定子116的叉指型梳齿120a由导电层132支撑并且以电气方式耦合到导电层132，所述导电层132在一端被固定在衬底112中。导电层132被夹在底应力层130和顶应力层134之间。在各种实施例中，底应力层130和顶应力层134每个包括朝着应力层之一拉或推导电层132的张或压缩层应力。在底应力层130和顶应力层134被包括在导电层132下方和上方(即，夹着导电层132)的区域中，拉或推导电层132的张应力或压缩应力沿两个方向相等地拉或推。在这种实施例中，偏转力得以平衡，并且导电层132不静止偏转。在底应力层130或顶应力层134被去除而另一应力层被包括的区域中，力不平衡，并且导电层132根据应力是压缩应力还是张应力朝着包括的相应应力层偏转或弯曲或者远离包括的相应应力层偏转或弯曲。以下的讨论将底应力层130和顶应力层134称为压缩应力层。
具体地讲，在一些实施例中，正定子118的底应力层130包括图案化的开口124。在图案化的开口124上方的区域中，导电层132朝着顶应力层134向上弯曲。类似地，顶应力层134包括图案化的开口122。在图案化的开口122下方的区域中，导电层132朝着底应力层130向下弯曲。在这种实施例中，由于底应力层130或顶应力层134的图案化，在没有电压偏置的情况下正定子118静止向上偏转。
在另外的特定实施例中，负定子116的底应力层130包括图案化的开口128。在图案化的开口128上方的区域中，导电层132朝着顶应力层134向上弯曲。类似地，顶应力层134包括图案化的开口126。在图案化的开口126下方的区域中，导电层132朝着底应力层130向下弯曲。在这种实施例中，由于底应力层130或顶应力层134的图案化，在没有电压偏置的情况下负定子116静止向下偏转。
在其它实施例中，底应力层130和顶应力层134可包括张应力。在这种实施例中，导电层132在图案化的开口中沿相反方向弯曲。例如，当底应力层130具有张应力时，导电层132在图案化的开口122向上弯曲并且在图案化的开口124向下弯曲(与示出的情况相反)。在各种实施例中，如本领域技术人员将会容易明白的，层应力的类型可以是张应力或压缩应力，并且取决于使用的材料和沉积或形成所述材料的方法。
在各种实施例中，绝缘层136和绝缘层138形成为与衬底112接触。在一些实施例中，绝缘层136和绝缘层138是氧化物层、氮化物层或氧氮化物层。在特定实施例中，绝缘层136是氧化硅并且绝缘层138是氮化硅。在其它实施例中，绝缘层136和绝缘层138可以是其它类型的介电材料。在各种实施例中，衬底112是形成在另一衬底(未示出；参见例如图7)上的支撑层。衬底112包括位于薄膜114下方的腔113。在衬底112是形成在另外的衬底上的支撑层的实施例中，腔113可延伸到另外的衬底(未示出；参见例如图7中的衬底174)中，在所述另外的衬底的顶部上形成衬底112。在这种实施例中，衬底112可以是硅酸乙酯(TEOS)氧化物层或另一绝缘结构层。在一些实施例中，衬底112或衬底174是半导体衬底，诸如例如硅、硅锗或碳。在另外的实施例中，衬底112可以是玻璃衬底或塑料衬底。
根据各种实施例，导电层132可包括半导体材料或金属。在特定实施例中，导电层132是多晶硅。在另一实施例中，导电层132是单晶硅。在替代实施例中，导电层132是铝。类似地，薄膜114可由与导电层132相同的材料形成并且与导电层132同时形成。例如，在用于形成导电层132的沉积步骤期间形成薄膜114。
在各种实施例中，底应力层130和顶应力层134每个包括绝缘材料。在一些实施例中，底应力层130和顶应力层134包括具有不同于导电层132的本征层应力的绝缘材料。在特定实施例中，底应力层130和顶应力层134是氮化硅。在其它实施例中，底应力层130和顶应力层134是另一类型的介电材料。例如，以下参照图5提供对加工实施例换能器的实施例材料和方法的进一步讨论。
在各种实施例中，正定子118以电气方式与负定子116隔离。金属化和过孔(未示出)可提供在与薄膜114的分开接触器(未示出)、正定子118的导电层132和负定子116的导电层132之间的电气连接。
在各种实施例中，换能器110a可与任何类型的流体介质一起操作。在特定实施例中，换能器110a(并且具体地讲，薄膜114)与空气和在空气中传播的压力波(例如，声波)相互作用。在其它实施例中，具有压力波的其它介质可与换能器110a相互作用。
如图2b和2c中所示，为了说明目的，横截面111a和111b包括不是直线的横截面。具体地讲，横截面111a和111b每个示出叉指型梳齿120b之一。由于叉指型梳齿的不同位置，直线横截面将不会既经过叉指型梳齿120a又经过叉指型梳齿120b。因此，呈现这种图示以便增进理解。另外，衬底112在图2a中被图示为顶层，但衬底112可包括位于它顶部上的绝缘层136和绝缘层138。衬底112被图示在图2a中以便描述支撑薄膜114、正定子118和负定子116的结构层。在各种实施例中，衬底112可在衬底112的顶表面上包括金属化、接触垫和其它绝缘层。
图3a图示另一实施例换能器110b的顶视图，所述另一实施例换能器110b包括衬底112、薄膜114、负定子116和正定子118。根据各种实施例，换能器110b类似于以上参照图2a、2b和2c描述的换能器110a，具有不同类型的薄膜114。在这种实施例中，薄膜114是由支撑梁140锚定在四个拐角中的每个拐角的正方形或矩形薄膜。薄膜114包括位于四个边中的每个边的叉指型梳齿120b。换能器110b还包括负定子116的四个实例(一个实例位于四个边中的每个边)和正定子118的四个实例(一个实例位于四个边中的每个边)，每个定子结构包括与薄膜114的叉指型梳齿120b交错的叉指型梳齿120a。
在各种实施例中，对换能器110a的元件的描述也适用于换能器110b的类似标号的元件，并且为了简洁而将不会被重复。支撑梁140可由与薄膜114相同的层形成。在其它实施例中，支撑梁140可比薄膜114的中心部分厚。根据各种实施例，在薄膜114的所有四个边使用叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b可增加换能器110b的灵敏度。
根据各种实施例，在本文中描述的实施例换能器(诸如，例如换能器110b)可在不同实施例中具有任何形状，所述任何形状具有任何配置的锚定器。具体地讲，换能器110b包括正方形薄膜。根据其它实施例，换能器可具有任何形状。在特定实施例中，换能器可具有圆形形状、椭圆形形状或多边形形状。图3b图示以上参照具有特定形状的图2a、2b、2c和3a中的换能器110a和换能器110b类似地描述的另一实施例换能器110c的顶视图。在这种实施例中，薄膜114是由支撑梁140锚定在八个顶点中的每个顶点的八边形。在其它实施例中，换能器110c(并且相应地，腔113和薄膜114)具有可以是任何类型多边形的形状，诸如三角性、正方形、五边形、六边形、七边形、八边形等等。在另外的实施例中，换能器110c可具有圆形形状。本领域技术人员将会容易明白，各种不同形状可包括各种配置的支撑梁140以及负定子116和正定子118的实例。
图4图示另一实施例换能器110d的顶视图，所述另一实施例换能器110d包括衬底112、薄膜114、负定子116和正定子118。根据各种实施例，换能器110d类似于以上参照图2a、2b和2c描述的换能器110a，具有不同类型的薄膜114。在这种实施例中，薄膜114是沿着两个相对侧锚定的正方形或矩形薄膜。薄膜114包括位于其它侧的叉指型梳齿120b。换能器110d还包括负定子116的六个实例(三个实例位于两个相对侧中的每一侧)和正定子118的六个实例(三个实例位于两个相对侧中的每一侧)，每个定子结构包括与薄膜114的叉指型梳齿120b交错的叉指型梳齿120a。在其它实施例中，可包括正定子118和负定子116的任何数量的实例。在各种实施例中，正定子118和负定子116每个可包括2、4、6、8、10、12、14、16、18或20个实例，一半实例位于两个相对侧中的每一侧。在其它特定实施例中，可包括正定子118和负定子116的超过20个实例。在其它特定实施例中，正定子118的一个实例覆盖一侧，并且负定子116的一个实例覆盖相对侧。
在各种实施例中，对换能器110a的元件的描述也适用于换能器110d的类似标号的元件，并且为了简洁而将不会被重复。根据各种实施例，在薄膜114的两侧使用叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b可增加换能器110d的灵敏度。换能器110d被示出为具有叉指型梳齿120a，并且相应地具有正定子118和负定子116，正定子118和负定子116被布置为靠近薄膜114被锚定到的边缘。在其它实施例中，叉指型梳齿120a(并且相应地，正定子118和负定子116)可被布置为比较靠近中心区域并且不在薄膜114被锚定到的边缘附近。
如图2a、2b、2c、3a、3b和4中所图示的换能器110a、换能器110b、换能器110c和换能器110d每个包括具有特定数量的叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b的正定子118、负定子116和薄膜114。在其它实施例中，可包括任何数量的叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b。在特定实施例中，叉指型梳齿120a的数量和叉指型梳齿120b的数量从3变化到100。通常，对于每个边缘，叉指型梳齿120a的数量比叉指型梳齿120b的数量多两个，反之亦然。
另外，在各种实施例中，叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b每个具有从1 µm变化到50 µm的长度。另外，叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b的层厚度可从1 µm变化到50µm。在各种实施例中，叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b的宽度从1 µm变化到10µm。
图5图示实施例换能器的加工的实施例方法200的流程图。加工的方法200包括步骤205、210、215、220、225、230、235、240、245和250。根据各种实施例，加工的方法200是例如形成换能器110a、换能器110b、换能器110c和换能器110d中的任何换能器的方法。在各种实施例中，步骤205包括：在衬底的第一主表面中形成沟槽。衬底可包括半导体材料(诸如，硅或锗)或化合物半导体(诸如，SiGe、GaAs、InP、GaN或SiC)。在替代实施例中，衬底可包括有机材料(诸如，玻璃或陶瓷)。衬底可以是晶片。
可在衬底的第一主表面中蚀刻沟槽。可通过应用湿法蚀刻化学或干法蚀刻化学来蚀刻沟槽。例如，可通过应用反应离子蚀刻(RIE)工艺来蚀刻沟槽。沟槽可交错以便形成梳形驱动器中的两组叉指型梳齿，诸如如以上参照图2a、2b、2c、3a、3b和4所述的叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b。定子相对于薄膜偏移。在衬底中蚀刻的沟槽之间，未蚀刻的材料的边缘或翅片分离沟槽。
在各种实施例中，在步骤210中，在步骤205中形成的沟槽的底表面和侧壁以及衬底的顶表面被绝缘层覆盖。具体地讲，步骤210包括：在沟槽中沉积绝缘层。绝缘层可包括氧化物层、氮化物层和/或氧氮化物层。例如，绝缘层可以是氧化硅或TEOS氧化物层。替代地，绝缘层可以是氮化硅层。在步骤210中，绝缘层可被沉积或生长为共形层。绝缘层可被沉积，从而绝缘层仅覆盖沟槽的底表面和侧壁，而不覆盖沟槽的中心部分。在一些实施例中，沟槽部分地被绝缘层填充。在一些实施例中，可通过应用衬底的化学气相沉积(CVD)工艺、物理气相沉积(PVD)工艺、原子层沉积(ALD)工艺或者湿式或干式氧化来沉积绝缘层的绝缘材料。
根据各种实施例，步骤215包括：沉积第一应力层。可使用参照步骤210描述的任何处理技术来沉积第一应力层。第一应力层可包括沉积有张应力或压缩应力的材料。在各种实施例中，第一应力层是高应力材料。在特定实施例中，第一应力层是具有大约1 GPa的张应力的氮化硅(SiN)。在另一特定实施例中，第一应力层是具有从大约400 MPa变化到大约800 MPa的张应力的氮氧化硅(SiON)。在其它实施例中，第一应力层是低应力材料。在特定实施例中，第一应力层是具有大约100 MPa的压缩应力的TEOS。在另一特定实施例中，第一应力层是具有从大约100 MPa变化到大约50 MPa的压缩应力的硅(Si)，所述压缩应力可例如取决于掺杂剂(诸如磷(P))注入。在各种实施例中，第一应力层和绝缘层可以是同一层。
在各种实施例中，步骤220包括：对在步骤215中形成的第一应力层进行图案化。对第一应力层进行图案化可包括：应用光致抗蚀剂，使用掩模图案将光致抗蚀剂显影，以及在暴露的区域中蚀刻第一应力层。蚀刻第一应力层可包括湿法化学蚀刻或干法化学蚀刻。可在沟槽中以及在衬底的表面上除定子齿和衬底之间之外的每个地方蚀刻第一应力层。例如，步骤220可包括：形成如以上参照图2b和2c所述的图案化的开口124和图案化的开口128。
步骤225包括：在沟槽中沉积导电材料。所述导电材料可以是用于叉指型梳齿的齿材料。在一些实施例中，所述导电材料可填充沟槽。所述导电材料可以是金属材料。所述金属材料可包括纯金属、合金和/或化合物。在一些实施例中，所述金属材料可例如包括从包括Al、Cu、Ni和Si的组中选择的一种或多种元素。特定实施例包括纯铝、铝合金、铝化合物、纯铜、铜合金、铜化合物、纯镍、镍合金和镍化合物。在一个特定实施例中，所述导电材料是AlSiCu。在其它实施例中，所述导电材料可包括导电聚合物。在另其它实施例中，所述导电材料包括掺杂半导体(诸如，掺杂硅)。掺杂硅可包括掺杂多晶硅和/或掺杂单晶硅。掺杂硅可被原位掺杂。
在各种实施例中，导电材料可被以不同方式(诸如，溅射、PVD、CVD或ALD)沉积。可作为单个步骤(例如，沟槽可被填充(例如，完全填充))或在两个或更多个步骤中沉积导电材料。当导电材料包括金属材料时，可能的是通过电流沉积来沉积导电材料。导电材料可被直接沉积在绝缘层和第一应力层上。除了沉积在沟槽中之外，导电层还可以被沉积以形成薄膜，诸如如以上参照图2a、2b、2c、3a、3b和4所述的薄膜114。
在各种实施例中，步骤230包括：对导电材料进行图案化。在步骤230中对导电材料进行图案化可包括：形成叉指型梳齿、薄膜、第一定子和第二定子(诸如，例如分别如以上参照图2a、2b、2c、3a、3b和4所述的正定子118和负定子116)以及接触器(诸如，例如接触垫)。在这种实施例中，步骤230包括：在导电材料上方沉积光致抗蚀剂，以及诸如通过使用掩模图案将光致抗蚀剂显影来结构化光致抗蚀剂。导电材料的露出部分随后被去除。基于图案化的光致抗蚀剂，导电材料可在某些区域中被向下蚀刻至绝缘层或第一应力层。在这种实施例中，形成在沟槽中的导电材料不被去除。沟槽中的导电材料可形成齿，诸如叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b。在各种实施例中，可通过应用湿法蚀刻或干法蚀刻化学来去除导电材料。例如，当导电材料包括半导体(例如，掺杂半导体，诸如掺杂硅)时，可利用KOH、或HNO3和HF的酸溶液来蚀刻导电材料。在另一实施例中，利用由SF6或Cl2递送的氯或氟的等离子体工艺可被用于去除导电材料。
在各种实施例中，当到达绝缘层或第一应力层的顶表面时，可停止导电材料的蚀刻工艺。在一些实施例中，通过终点检测或通过定时来停止蚀刻工艺(绝缘层的层厚度远小于沟槽中的齿的深度)。在各种实施例中，仅沟槽被利用导电材料填充，并且在第一导电材料和另外的导电材料被沉积以形成薄膜和一个或多个定子区域之后，沉积第一应力层。
步骤230还可包括：形成接触垫和薄膜。薄膜和接触垫可被形成在衬底中或形成在衬底上。接触垫和薄膜包括导电材料。在替代实施例中，接触垫可以在接触垫位置进行硅化。可通过在导电材料上形成金属材料来形成硅化垫。所述金属材料可包括来自包括Ni、Co和Ti的组的一种或多种元素。导电材料和金属材料可被退火以形成硅化物。在一些实施例中，接触垫被钝化。
在步骤230中形成叉指型梳齿和薄膜之后，步骤235包括：沉积第二应力层。在步骤235中沉积第二应力层可包括以上参照在步骤215中沉积第一应力层所描述的所有特征。在步骤235中沉积第二应力层之后，步骤240包括：对第二应力层进行图案化。可如以上参照步骤220所描述的那样执行在步骤240中对第二应力层进行图案化。在各种实施例中，第二应力层可被图案化以在沟槽中以及在衬底的表面上除定子齿和衬底之间之外的每个地方被去除。例如，步骤240可包括：形成如以上参照图2b和2c所述的图案化的开口122和图案化的开口126。
根据各种实施例，步骤245包括：从后表面或背面对衬底进行蚀刻。在这种实施例中，利用定向蚀刻对衬底进行蚀刻。例如，利用Bosch工艺蚀刻对衬底进行蚀刻。应用这种背面蚀刻，从而在步骤225和230中形成并且图案化的薄膜(诸如，如以上参照图2a、2b、2c、3a、3b和4所述的薄膜114)下方去除衬底，并且从而衬底保持在定子下方。在特定实施例中，通过步骤210的绝缘层来停止背面蚀刻。在这种实施例中，叉指型梳齿被嵌入在绝缘层中并且保持不动并且不被蚀刻。在各种实施例中，步骤245包括：在薄膜和叉指型梳齿下方形成腔，诸如以上参照图2a、2b、2c、3a、3b和4中的腔113描述的。
在替代实施例中，利用湿法蚀刻(包括例如KOH)蚀刻衬底背面。在另一实施例中，利用干法蚀刻至沟槽的平面和随后的湿法蚀刻（具有例如相对于绝缘层的蚀刻速度的较高衬底选择性，诸如较高硅选择性）的组合来蚀刻衬底背面。
根据各种实施例，步骤250包括：使用释放蚀刻来去除在步骤210中形成的绝缘层。在这种实施例中，利用湿法蚀刻或干法蚀刻来去除绝缘层。例如，通过应用基于HF的溶液或蒸汽来蚀刻绝缘层。在步骤250之后，换能器被释放，并且具有叉指型梳齿(例如，叉指型梳齿120b)的薄膜(例如，薄膜114)自由移动。另外，在释放蚀刻之后，如以上参照图2a、2b、2c、3a、3b和4所述的定子(诸如，正定子118和负定子116)可偏转至静止位置。在特定实施例中，在释放蚀刻之后，如上所述，叉指型梳齿120a可相对于叉指型梳齿120b偏转至偏移位置。在这种实施例中，定子中的一个或一些(例如，正定子118)可向上偏转，并且定子中的一个或一些(例如，负定子116)可向下偏转。在这种各种实施例中，定子齿可与薄膜中的薄膜齿互锁或交错。在步骤245中形成的腔位于薄膜下方，以使得薄膜能够相对于定子上下移动。
本领域技术人员将会容易明白加工的方法的另外修改(包括工艺步骤的添加或替换)。在2013年1月15日提交的标题为“Comb MEMS Device and Method of Making a CombMEMS Device”的共同未决美国专利申请中描述了参照叉指型梳齿换能器对处理步骤的另外描述，所述共同未决美国专利申请的全部内容通过引用包含在本文中。
图6a、6b、6c、6d、6e和6f图示实施例换能器的各部分的剖视图。根据各种实施例，图6a、6b、6c、6d、6e和6f描述从衬底延伸到定子的叉指型梳齿的扩展部分150a、150b、150c、150d、150e和150f。例如，扩展部分150a、150b、150c、150d、150e和150f可被视为从衬底112延伸到正定子118或负定子116的叉指型梳齿120a的部分的实施例实现方式，如以上参照图2a、2b、2c、3a、3b和4所述。另外，图6a、6b、6c、6d、6e和6f被图示以便关于以上参照图5描述的加工的方法200增进理解。
在各种实施例中，扩展部分150a、150b、150c、150d、150e和150f包括底结构层152、底应力层154、导电层156、顶应力层158和顶结构层160。在一些实施例中，底结构层152和顶结构层160是氧化硅或TEOS氧化物。在其它实施例中，底结构层152和顶结构层160是诸如以上参照图5中的衬底或步骤210的绝缘层描述的其它类型的介电材料或结构材料。底应力层154和顶应力层158包括如以上参照图5中的步骤215的第一应力层和步骤235的第二应力层所述的任何材料。例如，在特定实施例中，底应力层154和顶应力层158由氮化硅形成。在各种实施例中，导电层156包括如以上参照图5中的步骤225的导电材料所述的任何材料。例如，在特定实施例中，导电层156由多晶硅形成。
根据各种实施例，扩展部分150a包括平衡的底应力层154和顶应力层158。底应力层154的层应力由顶应力层158的层应力平衡。在这种实施例中，底应力层154和顶应力层158的层应力是张应力或压缩应力。另外，为了平衡层应力，底应力层154和顶应力层158大致相等。
在各种实施例中，扩展部分150b包括底应力层154中的图案化的开口164和顶应力层158中的图案化的开口162。例如，图案化的开口162和图案化的开口164可对应于图案化的开口122、图案化的开口124、图案化的开口126和图案化的开口128中的任何图案化的开口。另外，可如以上参照图5中的步骤220所述的那样形成图案化的开口162和图案化的开口164。如图所示，由于图案化的开口164，导电层156可在图案化的开口处包括弯曲或凸起。类似地，由于图案化的开口162，顶应力层158可在图案化的开口164上方包括弯曲或凸起。
在各种实施例中，为了去除导电层156和顶应力层158中的弯曲或凸起，扩展部分150c包括替代于图案化的开口164的填充材料168。填充材料168可具有与图案化的开口164相同的形状，并且可以相同的方式形成，但包括利用填充材料168填充图案化的开口的另一步骤。在这种实施例中，在诸如以上参照图5中的步骤250所述的释放蚀刻期间去除填充材料168。在各种实施例中，填充材料168可包括氧化物、氮化物或氧氮化物。在特定实施例中，填充材料168是TEOS氧化物。在包括填充材料168的各种实施例中，化学机械抛光(CMP)工艺可被应用以在中间加工步骤使所述表面平面化。例如，在形成具有图案化的开口的底应力层154并且沉积填充材料168之后，可应用CMP工艺。在各种实施例中，下沉部166是顶结构层160中的在顶应力层158中的图案化的开口上方的凹入部、弯曲或孔。
根据各种实施例，扩展部分150d、150e和150f对应于扩展部分150a、150b和150c，但每个扩展部分包括更厚的导电层156。在这种实施例中，以上参照扩展部分150a、150b和150c提供的描述适用于扩展部分150a、150b和150c的类似标号的元件，并且为了简洁而将不会被重复。在各种实施例中，导电层156的厚度可从100 nm变化到2 µm。在更具体的实施例中，导电层156的厚度从200 nm变化到800 nm。在诸如由扩展部分150a、150b和150c描述的特定实施例中，导电层156具有150 nm的厚度。在诸如由扩展部分150d、150e和150f描述的特定实施例中，导电层156具有660 nm的厚度。
在各种实施例中，顶应力层158和底应力层154的厚度可从50 nm变化到1 µm。在更具体的实施例中，顶应力层158和底应力层154的厚度从100 nm变化到500 nm。在诸如由扩展部分150a、150b、150c、150d、150e和150f描述的特定实施例中，顶应力层158和底应力层154具有140 nm的厚度。
图7图示又另一实施例换能器170的剖视图，所述另一实施例换能器170类似于如以上参照图2a、2b、2c、3a、3b和4所述的换能器110a、换能器110b、换能器110c和换能器110d，其中添加了导电或隔离层172和衬底174。虽然换能器170被示出为没有完整薄膜114、叉指型梳齿120a和叉指型梳齿120b，但这些元件被包括在换能器170中，并且被从附图省略以便简化图示。具体地讲，以上参照图2a、2b、2c、3a、3b和4中的换能器110a、换能器110b、换能器110c和换能器110d描述的每个元件也适用于图7中的类似标号的元件。
衬底174可以是半导体衬底，诸如硅。在各种实施例中，以上参照图5中的加工的方法200的衬底描述的任何材料也可被用于衬底174。在这种实施例中，衬底112是结构材料(诸如，TEOS氧化物)，所述结构材料被形成并且图案化以支撑正定子118、负定子116和薄膜114。另外，通过诸如以上参照图5中的步骤245描述的背面蚀刻工艺，腔113被形成在衬底174和衬底112两者中。
在各种实施例中，背面蚀刻工艺可在衬底174和衬底112中形成没有精确地控制的尺寸(诸如，直径)的粗糙侧壁。在这种实施例中，导电层172可被更精确地图案化以清楚地定义开口的尺寸(诸如，直径)，以便通过保护正定子118、负定子116和薄膜114免受衬底174和衬底112中的粗糙侧壁的影响来更清楚地控制加工的换能器的电气特性。在一些实施例中，导电层172是多晶硅。在其它实施例中，导电层172是金属，诸如例如铜、铝、金或铂。导电层172可包括以上参照图5中的步骤225的导电材料描述的任何材料。根据各种实施例，导电层172和衬底174可被包括于在本文中描述的任何实施例换能器(诸如，例如换能器110a、换能器110b、换能器110c和换能器110d)中。
图8图示实施例换能器的加工的另一实施例方法300的流程图。加工的方法300包括步骤305、310、315、320、325、330和335。根据各种实施例，加工的方法300是例如形成换能器110a、换能器110b、换能器110c和换能器110d中的任何换能器的方法。在各种实施例中，步骤305包括：在衬底中形成多个沟槽。步骤310包括：在所述多个沟槽中形成梳齿。在步骤310之后或与步骤310同时，步骤315包括：形成连接到梳齿的第一子集的薄膜。
在各种实施例中，步骤320包括：形成连接到梳齿的第二子集的第一扩展层，其中第一扩展层包括第一本征应力。步骤325包括：形成连接到梳齿的第三子集的第二扩展层，其中第二扩展层包括第二本征应力。第一本征应力和第二本征应力可以是压缩应力或张应力。另外，通过在第一扩展层和第二扩展层中进行图案化可影响第一本征应力和第二本征应力中的每个。例如，第一扩展层和第二扩展层每个可包括多个层，并且所述多个层可被图案化为具有不同图案以便产生引起第一扩展层和第二扩展层的不同静止偏转的层应力。
根据各种实施例，步骤330包括：在衬底中在梳齿、薄膜、第一扩展层和第二扩展层下方形成腔。步骤335包括：在释放蚀刻中释放薄膜、第一扩展层和第二扩展层。在这种实施例中，第一本征应力在释放蚀刻期间使第一扩展层沿第一方向偏转，并且第二本征应力在释放蚀刻期间使第二扩展层沿第二方向偏转。第二方向不同于第一方向。例如，第一方向可以是向上，并且第二方向可以是向下。
在各种实施例中，步骤305、310、315、320、325、330和335中的任何步骤可包括如以上参照图5中的加工的方法200所述的细节。另外，本领域技术人员将会容易明白，步骤305、310、315、320、325、330和335可基于不同实施例而被修改、替换和重新布置。另外的步骤也可被添加到加工的方法300。
根据实施例，一种MEMS装置包括：可偏转薄膜，包括第一多个静电梳齿；第一锚定结构，包括与第一多个静电梳齿的第一子集交错的第二多个静电梳齿；和第二锚定结构，包括与第一多个静电梳齿的第二子集交错的第三多个静电梳齿。第二多个静电梳齿相对于第一多个静电梳齿沿第一方向偏移，并且第三多个静电梳齿相对于第一多个静电梳齿沿第二方向偏移，其中第一方向不同于第二方向。这个方面的其它实施例包括对应的系统、设备和处理器，每个系统、设备和处理器被配置为执行实施例方法。
在各种实施例中，可偏转薄膜在第一平面上延伸，并且第一方向和第二方向两者都包括第一平面的平面外分量。在一些实施例中，可偏转薄膜包括多边形薄膜、圆形薄膜和椭圆形薄膜之一。具体地讲，可偏转薄膜可包括矩形薄膜。可偏转薄膜可包括八边形薄膜。
在各种实施例中，可偏转薄膜沿着可偏转薄膜的第一边缘被锚定到支撑结构。在这种实施例中，第一多个静电梳齿可连接到可偏转薄膜的第二边缘，其中第一边缘和第二边缘位于可偏转薄膜的相对侧。在其它实施例中，可偏转薄膜沿着可偏转薄膜的第一边缘被锚定到第一支撑结构，并且沿着可偏转薄膜的第二边缘被锚定到第二支撑结构。在另其它实施例中，可偏转薄膜分别在可偏转薄膜的四个拐角被锚定到第一支撑结构、第二支撑结构、第三支撑结构和第四支撑结构。
在各种实施例中，第一锚定结构还包括连接到第二多个静电梳齿的第一扩展部分，第一扩展部分具有第一内应力，第一内应力被配置为使第二多个静电梳齿相对于第一多个静电梳齿沿第一方向偏移，以及第二锚定结构还包括连接到第三多个静电梳齿的第二扩展部分，第二扩展部分具有第二内应力，第二内应力被配置为使第三多个静电梳齿相对于第一多个静电梳齿沿第二方向偏移。在这种实施例中，第一扩展部分包括被配置为产生第一内应力的两个材料层，以及第二扩展部分包括被配置为产生第二内应力的两个材料层。第一扩展部分和第二扩展部分可包括相同两种材料的两个材料层，其中所述相同两种材料中的第一材料包括多晶硅并且所述相同两种材料中的第二材料包括氮化硅。在其它实施例中，第一扩展部分和第二扩展部分可包括相同两种材料的两个材料层，其中所述相同两种材料中的第一材料包括金属并且所述相同两种材料中的第二材料包括绝缘体。
在各种实施例中，所述MEMS装置还包括：衬底，包括腔，其中所述腔位于可偏转薄膜下方。在这种实施例中，所述MEMS装置还包括：支撑层，形成在腔周围并且支撑可偏转薄膜、第一锚定结构和第二锚定结构。在这种实施例中，所述MEMS装置还包括：导电层，形成在位于腔周围的支撑层中并且延伸到腔中。
根据实施例，一种MEMS装置包括薄膜、第一锚定结构和第二锚定结构，所述薄膜包括膜片部分和第一梳齿部分。第一梳齿部分包括第一多个静电梳齿。第一锚定结构包括：第一锚定部分，固定到衬底；第一扩展部分，延伸远离第一锚定部分；和第二梳齿部分，包括与第一多个静电梳齿的第一子集交错的第二多个静电梳齿。第一扩展部分包括具有第一本征应力的第一材料，所述第一本征应力使第一扩展部分沿第一方向偏转。第二锚定结构包括：第二锚定部分，固定到衬底；第二扩展部分，延伸远离第二锚定部分；和第三梳齿部分，包括与第一多个静电梳齿的第二子集交错的第三多个静电梳齿。第二扩展部分包括具有第二本征应力的第二材料，所述第二本征应力使第二扩展部分沿第二方向偏转，其中第二方向与第一方向相反。这个方面的其它实施例包括对应的系统、设备和处理器，每个系统、设备和处理器被配置为执行实施例方法。
在各种实施例中，膜片部分包括多边形膜片、圆形膜片和椭圆形膜片之一。具体地讲，膜片部分包括八边形膜片。在另一特定实施例中，膜片部分包括矩形膜片。在这种实施例中，矩形膜片沿着矩形膜片的第一边缘被锚定到第三锚定结构，以及第一梳齿部分沿着矩形膜片的第二边缘连接到矩形膜片，其中第一边缘与第二边缘相对。
在各种实施例中，第一材料包括一起具有第一本征应力的第一多个材料层，所述第一多个材料层中的至少一个材料层被图案化，以及第二材料包括一起具有第二本征应力的第二多个材料层，所述第二多个材料层中的至少一个材料层被图案化。在这种实施例中，第一多个材料层包括顶绝缘层、中间导电层和底绝缘层，其中第一多个材料层中的顶绝缘层和底绝缘层根据不同掩模图案被图案化。另外，在这种实施例中，第二多个材料层包括顶绝缘层、中间导电层和底绝缘层，其中第二多个材料层中的顶绝缘层和底绝缘层根据不同掩模图案被图案化。
根据实施例，一种差动MEMS声换能器包括：第一锚定器；可偏转薄膜；和第一差动静电梳齿驱动器，连接到可偏转薄膜和并且连接到第一锚定器。第一差动静电梳齿驱动器包括多个叉指型静电梳齿，所述多个叉指型静电梳齿包括第一部分和第二部分，第一部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第一偏移，第二部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第二偏移。第一偏移处于与第二偏移不同的方向。这个方面的其它实施例包括对应的系统、设备和处理器，每个系统、设备和处理器被配置为执行实施例方法。
在各种实施例中，可偏转薄膜包括多边形薄膜、圆形薄膜和椭圆形薄膜之一。具体地讲，可偏转薄膜可包括矩形薄膜。在一些实施例中，矩形薄膜包括矩形片状薄膜，所述矩形片状薄膜在矩形片状薄膜的第一边缘被锚定到第二锚定器并且在矩形片状薄膜的第二边缘连接到第一差动静电梳齿驱动器。
在各种实施例中，差动MEMS声换能器还包括连接到可偏转薄膜并且连接到第二锚定器的第二差动静电梳齿驱动器。在这种实施例中，第二差动静电梳齿驱动器包括：多个叉指型静电梳齿，包括第一部分和第二部分，第一部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第一偏移，第二部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第二偏移，其中第一偏移处于与第二偏移不同的方向。矩形薄膜可在矩形薄膜的第一边缘锚定到第三锚定器，在矩形薄膜的第二边缘锚定到第四锚定器，在矩形薄膜的第三边缘连接到第一差动静电梳齿驱动器，以及在矩形薄膜的第四边缘连接到第二差动静电梳齿驱动器。在这种实施例中，第二边缘与第一边缘相对，并且第四边缘与第三边缘相对。
在各种实施例中，差动MEMS声换能器还包括：第二差动静电梳齿驱动器，连接到可偏转薄膜并且连接到第二锚定器，第二差动静电梳齿驱动器包括多个叉指型静电梳齿，所述多个叉指型静电梳齿包括第一部分和第二部分，第一部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第一偏移，第二部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第二偏移，其中第一偏移处于与第二偏移不同的方向。在这种实施例中，差动MEMS声换能器还包括：第三差动静电梳齿驱动器，连接到可偏转薄膜并且连接到第三锚定器，第三差动静电梳齿驱动器包括多个叉指型静电梳齿，所述多个叉指型静电梳齿包括第一部分和第二部分，第一部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第一偏移，第二部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第二偏移，其中第一偏移处于与第二偏移不同的方向。在这种实施例中，差动MEMS声换能器还包括：第四差动静电梳齿驱动器，连接到可偏转薄膜并且连接到第四锚定器，第四差动静电梳齿驱动器包括多个叉指型静电梳齿，所述多个叉指型静电梳齿包括第一部分和第二部分，第一部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第一偏移，第二部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第二偏移，其中第一偏移处于与第二偏移不同的方向。在这种实施例中，矩形薄膜在矩形薄膜的第一拐角锚定到第五锚定器，在矩形薄膜的第二拐角锚定到第六锚定器，在矩形薄膜的第三拐角锚定到第七锚定器，在矩形薄膜的第四拐角锚定到第八锚定器，在矩形薄膜的第一边缘连接到第一差动静电梳齿驱动器，在矩形薄膜的第二边缘连接到第二差动静电梳齿驱动器，在矩形薄膜的第三边缘连接到第三差动静电梳齿驱动器，以及在矩形薄膜的第四边缘连接到第四差动静电梳齿驱动器。
根据实施例，一种加工MEMS装置的方法包括：在衬底中形成多个沟槽；在所述多个沟槽中形成梳齿；形成连接到梳齿的第一子集的薄膜；形成连接到梳齿的第二子集的第一扩展层，其中第一扩展层包括第一本征应力；形成连接到梳齿的第三子集的第二扩展层，其中第二扩展层包括第二本征应力；在衬底中在梳齿、薄膜、第一扩展层和第二扩展层下方形成腔；以及在释放蚀刻中释放薄膜、第一扩展层和第二扩展层。第一本征应力在释放蚀刻期间使第一扩展层沿第一方向偏转，以及第二本征应力在释放蚀刻期间使第二扩展层沿第二方向偏转，其中第二方向不同于第一方向。这个方面的其它实施例包括对应的系统、设备和处理器，每个系统、设备和处理器被配置为执行实施例方法。
在各种实施例中，在所述多个沟槽中形成梳齿包括：在所述多个沟槽的侧壁和底部沉积绝缘层；以及在沟槽中沉积导电材料。在这种实施例中，形成连接到梳齿的第一子集的薄膜可包括：在与在沟槽中沉积导电材料相同的沉积步骤期间在衬底的平坦部分上沉积导电材料；以及对衬底的平坦部分上的导电材料进行图案化以形成薄膜。在一些实施例中，形成第一扩展层并且形成第二扩展层包括：沉积第一绝缘层；利用第一图案对第一绝缘层进行图案化；沉积第一导电层；沉积第二绝缘层；以及利用第二图案对第二绝缘层进行图案化，其中第二图案不同于第一图案。
根据在本文中描述的一些实施例，实施例换能器的优点可包括低声噪声、低吸合风险、差动转化输出信号、高灵敏度水平和大动态范围。
尽管已参照说明性实施例描述本发明，但这种描述不旨在以限制性意义被解释。在参照所述描述时，说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它实施例将会对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，所附权利要求应该包括任何这种修改或实施例。

Claims (32)

1.一种微机电系统(MEMS)装置，包括：
可偏转薄膜，包括第一多个静电梳齿；
第一锚定结构，包括与所述第一多个静电梳齿的第一子集交错的第二多个静电梳齿，所述第二多个静电梳齿相对于所述第一多个静电梳齿沿第一方向偏移；以及
第二锚定结构，包括与所述第一多个静电梳齿的第二子集交错的第三多个静电梳齿，所述第三多个静电梳齿相对于所述第一多个静电梳齿沿第二方向偏移，所述第一方向不同于所述第二方向。
2.如权利要求1所述的MEMS装置，其中所述可偏转薄膜在第一平面上延伸，并且所述第一方向和所述第二方向两者都包括第一平面的平面外分量。
3.如权利要求1所述的MEMS装置，其中所述可偏转薄膜包括多边形薄膜、圆形薄膜和椭圆形薄膜之一。
4.如权利要求3所述的MEMS装置，其中所述可偏转薄膜包括矩形薄膜。
5.如权利要求3所述的MEMS装置，其中所述可偏转薄膜包括八边形薄膜。
6.如权利要求1所述的MEMS装置，其中所述可偏转薄膜沿着可偏转薄膜的第一边缘被锚定到支撑结构。
7.如权利要求6所述的MEMS装置，其中所述第一多个静电梳齿连接到可偏转薄膜的第二边缘，其中第一边缘和第二边缘位于可偏转薄膜的相对侧。
8.如权利要求1所述的MEMS装置，其中所述可偏转薄膜沿着可偏转薄膜的第一边缘被锚定到第一支撑结构，并且沿着可偏转薄膜的第二边缘被锚定到第二支撑结构。
9.如权利要求1所述的MEMS装置，其中所述可偏转薄膜分别在可偏转薄膜的四个拐角被锚定到第一支撑结构、第二支撑结构、第三支撑结构和第四支撑结构。
10.如权利要求1所述的MEMS装置，其中
所述第一锚定结构还包括连接到第二多个静电梳齿的第一扩展部分，所述第一扩展部分具有第一内应力，所述第一内应力被配置为使第二多个静电梳齿相对于第一多个静电梳齿沿第一方向偏移，以及
第二锚定结构还包括连接到第三多个静电梳齿的第二扩展部分，所述第二扩展部分具有第二内应力，所述第二内应力被配置为使第三多个静电梳齿相对于第一多个静电梳齿沿第二方向偏移。
11.如权利要求10所述的MEMS装置，其中
所述第一扩展部分包括被配置为产生第一内应力的两个材料层，以及
所述第二扩展部分包括被配置为产生第二内应力的两个材料层。
12.如权利要求11所述的MEMS装置，其中所述第一扩展部分和所述第二扩展部分包括相同两种材料的两个材料层，所述相同两种材料中的第一材料包括多晶硅并且所述相同两种材料中的第二材料包括氮化硅。
13.如权利要求11所述的MEMS装置，其中所述第一扩展部分和所述第二扩展部分包括相同两种材料的两个材料层，所述相同两种材料中的第一材料包括金属并且所述相同两种材料中的第二材料包括绝缘体。
14.如权利要求1所述的MEMS装置，还包括：衬底，包括腔，所述腔位于可偏转薄膜下方。
15.如权利要求14所述的MEMS装置，还包括：
支撑层，形成在所述腔周围并且支撑可偏转薄膜、第一锚定结构和第二锚定结构；和
导电层，形成在位于所述腔周围的支撑层中并且延伸到腔中。
16.一种微机电系统(MEMS)装置，包括：
薄膜，包括膜片部分和第一梳齿部分，所述第一梳齿部分包括第一多个静电梳齿；
第一锚定结构，包括：
第一锚定部分，固定到衬底，
第一扩展部分，延伸远离所述第一锚定部分延伸，所述第一扩展部分包括具有第一本征应力的第一材料，所述第一本征应力使第一扩展部分沿第一方向偏转，以及
第二梳齿部分，连接到所述第一扩展部分并包括与所述第一多个静电梳齿的第一子集交错的第二多个静电梳齿；和
第二锚定结构，包括：
第二锚定部分，固定到衬底，
第二扩展部分，延伸远离所述第二锚定部分，所述第二扩展部分包括具有第二本征应力的第二材料，所述第二本征应力使第二扩展部分沿第二方向偏转，所述第二方向与所述第一方向相反，以及
第三梳齿部分，连接到所述第二扩展部分并包括与所述第一多个静电梳齿的第二子集交错的第三多个静电梳齿。
17.如权利要求16所述的MEMS装置，其中所述膜片部分包括多边形膜片、圆形膜片和椭圆形膜片之一。
18.如权利要求17所述的MEMS装置，其中所述膜片部分包括八边形膜片。
19.如权利要求17所述的MEMS装置，其中所述膜片部分包括矩形膜片。
20.如权利要求19所述的MEMS装置，其中
所述矩形膜片沿着矩形膜片的第一边缘被锚定到第三锚定结构，以及
第一梳齿部分沿着矩形膜片的第二边缘连接到矩形膜片，所述第一边缘与所述第二边缘相对。
21.如权利要求16所述的MEMS装置，其中
所述第一材料包括一起具有所述第一本征应力的第一多个材料层，所述第一多个材料层中的至少一个材料层被图案化，以及
所述第二材料包括一起具有所述第二本征应力的第二多个材料层，所述第二多个材料层中的至少一个材料层被图案化。
22.如权利要求21所述的MEMS装置，其中
所述第一多个材料层包括顶绝缘层、中间导电层和底绝缘层，所述第一多个材料层中的顶绝缘层和底绝缘层根据不同掩模图案被图案化，以及
所述第二多个材料层包括顶绝缘层、中间导电层和底绝缘层，所述第二多个材料层中的顶绝缘层和底绝缘层根据不同掩模图案被图案化。
23.一种差动微机电系统(MEMS)声换能器，包括：
第一锚定器；
可偏转薄膜；和
第一差动静电梳齿驱动器，连接到可偏转薄膜并且连接到第一锚定器，所述第一差动静电梳齿驱动器包括多个叉指型静电梳齿，所述多个叉指型静电梳齿包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第一偏移，所述第二部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第二偏移，其中所述第一偏移处于与所述第二偏移不同的方向。
24.如权利要求23所述的差动MEMS声换能器，其中所述可偏转薄膜包括多边形薄膜、圆形薄膜和椭圆形薄膜之一。
25.如权利要求23所述的差动MEMS声换能器，其中所述可偏转薄膜包括矩形薄膜。
26.如权利要求25所述的差动MEMS声换能器，其中所述矩形薄膜包括矩形片状薄膜，所述矩形片状薄膜在所述矩形片状薄膜的第一边缘被锚定到第二锚定器并且在所述矩形片状薄膜的第二边缘连接到所述第一差动静电梳齿驱动器。
27.如权利要求25所述的差动MEMS声换能器，还包括连接到可偏转薄膜和并且连接到第二锚定器的第二差动静电梳齿驱动器，所述第二差动静电梳齿驱动器包括：
多个叉指型静电梳齿，包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第一偏移，所述第二部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第二偏移，其中所述第一偏移处于与所述第二偏移不同的方向，以及
其中矩形薄膜
在所述矩形薄膜的第一边缘锚定到第三锚定器，
在所述矩形薄膜的第二边缘锚定到第四锚定器，所述第二边缘与所述第一边缘相对，
在所述矩形薄膜的第三边缘连接到所述第一差动静电梳齿驱动器，以及
在所述矩形薄膜的第四边缘连接到所述第二差动静电梳齿驱动器，所述第四边缘与所述第三边缘相对。
28.如权利要求25所述的差动MEMS声换能器，还包括：
第二差动静电梳齿驱动器，连接到可偏转薄膜并且连接到第二锚定器，所述第二差动静电梳齿驱动器包括多个叉指型静电梳齿，所述多个叉指型静电梳齿包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第一偏移，所述第二部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第二偏移，其中所述第一偏移处于与所述第二偏移不同的方向；
第三差动静电梳齿驱动器，连接到可偏转薄膜并且连接到第三锚定器，所述第三差动静电梳齿驱动器包括多个叉指型静电梳齿，所述多个叉指型静电梳齿包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第一偏移，所述第二部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第二偏移，其中所述第一偏移处于与所述第二偏移不同的方向；和
第四差动静电梳齿驱动器，连接到可偏转薄膜并且连接到第四锚定器，所述第四差动静电梳齿驱动器包括多个叉指型静电梳齿，所述多个叉指型静电梳齿包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第一偏移，所述第二部分具有所述多个叉指型静电梳齿之间的第二偏移，其中所述第一偏移处于与所述第二偏移不同的方向，以及
其中矩形薄膜
在所述矩形薄膜的第一拐角锚定到第五锚定器，
在所述矩形薄膜的第二拐角锚定到第六锚定器，
在所述矩形薄膜的第三拐角锚定到第七锚定器，
在所述矩形薄膜的第四拐角锚定到第八锚定器，
在所述矩形薄膜的第一边缘连接到第一差动静电梳齿驱动器，
在所述矩形薄膜的第二边缘连接到第二差动静电梳齿驱动器，
在所述矩形薄膜的第三边缘连接到第三差动静电梳齿驱动器，以及
在所述矩形薄膜的第四边缘连接到第四差动静电梳齿驱动器。
29.一种加工微机电系统(MEMS)装置的方法，所述方法包括：
在衬底中形成多个沟槽；
在所述多个沟槽中形成梳齿；
形成连接到梳齿的第一子集的薄膜；
形成连接到梳齿的第二子集的第一扩展层，所述第一扩展层包括第一本征应力；
形成连接到梳齿的第三子集的第二扩展层，所述第二扩展层包括第二本征应力；
在衬底中在梳齿、薄膜、第一扩展层和第二扩展层下方形成腔；以及
在释放蚀刻中释放薄膜、第一扩展层和第二扩展层，其中
所述第一本征应力在释放蚀刻期间使第一扩展层沿第一方向偏转，以及
所述第二本征应力在释放蚀刻期间使第二扩展层沿第二方向偏转，所述第二方向不同于所述第一方向。
30.如权利要求29所述的方法，其中在所述多个沟槽中形成梳齿包括：
在所述多个沟槽的侧壁和底部沉积绝缘层；以及
在沟槽中沉积导电材料。
31.如权利要求30所述的方法，其中形成连接到梳齿的第一子集的薄膜包括：
在与在沟槽中沉积导电材料相同的沉积步骤期间在衬底的平坦部分上沉积导电材料；以及
对衬底的平坦部分上的导电材料进行图案化以形成薄膜。
32.如权利要求29所述的方法，其中
形成第一扩展层并且形成第二扩展层包括：
沉积第一绝缘层；
利用第一图案对所述第一绝缘层进行图案化；
沉积第一导电层；
沉积第二绝缘层；以及
利用第二图案对所述第二绝缘层进行图案化，所述第二图案不同于所述第一图案。
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