CN107032291B - 形成在pcb支撑结构处的mems压电式换能器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种微机电系统MEMS器件(100)，该MEMS器件包括由印刷电路板PCB材料形成的支撑结构(110)，以及形成在该支撑结构(110)处的压电式换能器(120)。此外，描述了一种MEMS组件(390)，该MEMS组件包括安装在部件承载件(392)处的这种MEMS器件(100)。此外，描述了一种用于制造这种MEMS器件(100)的方法。

Description

形成在PCB支撑结构处的MEMS压电式换能器
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)的技术领域以及用于生产该微机电系统的方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)用于小型装置和组件群组，这些小型装置和组件群组在非常小的尺寸内实现并包括为了特定功能而彼此配合的部件。通常，MEMS包括均在一个共同的半导体基底上实现的一个或多个传感器或致动器以及电子控制电路。整个MEMS的大小通常约为数微米。MEMS可以用于在(a)机械部件如机械传感器或致动器以及与(b)连接至该机械部件的电子电路之间需要机械交互的任何类型的应用。
一般而言，MEMS是通过标准半导体工艺建造的机电结构。由于MEMS在许多应用中的重要性，已开发了MEMS专用设备和工艺，以优化MEMS器件的成本和性能。为此，现代MEMS器件的主基底为硅(Si)，因为Si是常见且容易加工的材料。然而，在广泛的MEMS领域中，已知还使用其他材料，诸如碳化硅(SiC)、金刚石或石英。适合材料的良好选择可取决于温度要求或本征材料性质。
发明内容
需要进一步优化建造MEMS器件的性能，尤其是优化建造MEMS器件的成本效率。
根据本发明的第一方面，提供了一种微机电系统(MEMS)器件，该MEMS器件包括(a)由印刷电路板(PCB)材料形成的支撑结构，以及(b)形成在该支撑结构处的压电式换能器。
所描述的MEMS器件基于下述构思：压电材料诸如锆钛酸铅(PZT)或氮化铝(AlN)可以直接沉积在典型的PCB材料诸如Cu和聚合物(如FR4)上。依靠PCB材料作为用于MEMS的支撑结构以制造多个MEMS器件，关于在一个批次内生产的MEMS器件的数量的输出可以非常高。与直径大约为例如150mm的半导体晶片相比，PCB可以具有大得多的尺寸。PCB生产工艺通常依靠并利用18英寸x 24英寸(＝45.72cm x 60.96cm)及更大尺寸的板操作。假设同时建造多个MEMS器件的加工时间相等，仅“生产形式”的对应改变就会造成输出增加15倍。
此外，典型的PCB基材料通常比硅(Si)晶片便宜得多。一方面，这允许便宜生产MEMS产品。另一方面，以大约相同的生产成本，可以生产更大的MEMS器件，更大的MEMS器件通常具有更高的灵敏度或效率。在数字方面，目前较高端的FR4板要花费约20US$或每mm2为7x10-5US$。与此相比，150mm的硅晶片要花费约200US$或每mm2为0.02US$。这意味着使用PCB材料FR4来实现压电式换能器的支撑结构比使用硅用于相同目的要便宜99.5％。
此外，通过已知的PCB制造工艺可以以简单的方式实现在一定面积内集成多个MEMS器件。例如，通过所谓的电镀通孔(Plated Through Holes,PTH)实现“前端至后端”互连比通过所谓的“硅穿孔(Through Silicon Vias,TSV)”实现对应的互连便宜得多。
此外，可以通过应用完善的表面安装技术(SMT)和/或通过嵌入简单地添加由一个或多个电子部件实现的额外电子电路。这简化了上述MEMS器件在一个或多个电子部件构成的电子环境内的集成。
为了实现产生例如后体积(back-volume)、腔、通道等的可能有必要的额外结构，可以对PCB支撑结构进行钻孔或铣削。对应结构不仅可以通过机械工具形成，还可以例如通过激光钻孔和/或激光烧蚀和/或等离子蚀刻形成。相比于通常用于在半导体材料上或在半导体材料处形成MEMS的相对昂贵且漫长的湿法或干法蚀刻工艺，这种完善的构造过程可以显著更便宜和/或显著更快地实现。
所述支撑结构可以是能够向压电式换能器提供必要的机械支撑的任何物理结构。根据本发明，这种支撑结构(至少部分)由PCB材料形成，其中，PCB材料是用于形成或建造印刷电路板的那些材料。
在本申请的上下文中，术语“印刷电路板”(PCB)可以具体地表示板状部件承载件，该板状部件承载件通过将若干导电层结构与若干电绝缘层结构层压在一起形成，例如通过施加压力，如有需要还伴随有热能供应。PCB使用导电迹线、焊盘和其他用导电或金属层(通常为铜层)蚀刻的特征机械支撑并电连接电子部件。PCB可以是单面的(一个金属层)、双面的(两个金属层)或多层的(外金属层和内金属层)。多层PCB允许显著增加电子组件的集成密度。不同层处的导体与金属化或电镀通孔或盲孔(均称为过孔)连接。
作为用于PCB技术的优选材料，导电层结构由铜制成，而电绝缘层可以包括树脂和/或玻璃纤维、所谓的预浸材料或FR4材料。通过形成穿过层压件的通孔，例如通过激光钻孔或机械钻孔，并用导电材料(尤其为铜)填充这些通孔，从而形成作为通孔或盲孔连接的过孔，各个导电层结构可以以期望的方式彼此连接。
除了可以嵌入印刷电路板的一个或多个电子部件，印刷电路板通常构造成在板状印刷电路板的一个表面或两个相对表面上容纳一个或多个电子部件。该至少一个电子部件可以通过焊接连接至相应的主表面。
在本文中，术语“换能器”可以表示将电能转换为机械能或者反过来将机械能转换为电能的任何机电器件。具体地，换能器可以是在电量诸如电压的影响下使MEMS的移动部移动的致动器。替代地，换能器可以是将机械能如MEMS的移动部的移动转化为电量(如，电压)的传感器。因此，机械能还可以是移动MEMS部与电参照部之间的相对位置产生的势能。在后者的情况下，电量通常是表示对应MEMS传感器的输出信号的电压。
“压电式换能器”具体可以是其中通过压电材料将机械能转化为电能或者将电能转化为机械能的换能器。压电材料可以是例如晶状石英材料、钛酸铅(PbTiO3)、磷酸镓(GaPO4)、钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PZT)或无铅压电陶瓷材料诸如铁酸铋(BiFeO3)。虽然目前未被视为最佳候选物，但半导体材料诸如GaN、InN、AlN和ZnO也可以用于形成压电式换能器。此外，可以使用例如聚合物材料聚偏二氟乙烯(PVDF)。
根据本发明的一种实施方案，PCB材料包括由以下组成的组中的至少一种：树脂尤其是双马来酰亚胺三嗪树脂、氰酸酯、玻璃尤其是玻璃纤维、预浸材料、液晶聚合物、环氧树脂基的积层膜(epoxy-basedBuild-UpFilm，环氧树脂基的叠层膜)、FR4材料、陶瓷以及金属氧化物。虽然优选的是预浸材料或FR4，但也可以使用其他提及的材料或另外的材料。
要说明的是，当然，适合材料的良好选择要考虑通常与所用压电材料的特性相比或相关的PCB材料的期望特性。这些特性可以是例如(a)热膨胀系数(CTE)，(b)弹性灵活度或弹性模量，(c)玻璃转换温度，以及/或者(d)电磁辐射的吸收系数，尤其是射频体制中电磁辐射的吸收系数。
根据本发明的另一种实施方案，PCB材料中的至少一种具有在20℃下处于下述范围的线性热膨胀系数(CTE)：在2.0x10-6/K至3.1x10-6/K之间，尤其(b)在2.2x10-6/K至2.9x10-6/K之间，还尤其(c)在2.4x10-6/K至2.7x10-6/K之间，甚至尤其(d)至少大约为2.56x10-6/K。这可以提供下述优点：至少一种采用的PCB材料大体上紧密匹配硅的CTE。因此，硅可以用于直接或间接地连接至压电式换能器的部件，同时可以避免或至少显著减少尤其是对于MEMS传感器应用的关于温度依赖性的问题。
使用具有特定CTE的PCB材料允许用PCB材料替换专门用于已知MEMS器件的半导体材料硅的至少一些。这可以提供下述优点：可以应用完善的PCB加工工艺形成期望的MEMS器件。优选地，不止一种或者甚至是所有采用的PCB材料均至少大体上满足这些要求。
根据本发明的另一种实施方案，PCB材料中的至少一种具有比硅的弹性模量小的弹性模量。
描述上来说，该至少一种采用的PCB材料以及优选地所有采用的PCB材料比如上所述可以至少用于MEMS器件的某些部件的半导体材料硅更软，所述MEMS器件的部件直接或间接地机械连接或耦接至压电式换能器。这允许缓冲和/或抑制所述MEMS器件的不同部件之间的机械应力。
根据本发明的另一种实施方案，压电式换能器至少部分地由氮化铝(AlN)制成。
将AlN用作压电式换能器的压电材料可以提供下述优点：与许多其他压电材料相比，该AlN材料可以以相对容易但可靠的方式沉积在许多类型的PCB材料上。特别地，AlN适合沉积在FR4材料上，如上所述，FR4材料是形成PCB的非常常见的材料。因此，可以在受益于完善的PCB制造工艺的同时生产将AlN用于压电式换能器的所述MEMS器件。
可以例如通过溅射过程实现AlN在FR4材料处或在FR4材料上的沉积。
根据本发明的另一种实施方案，MEMS器件还包括铜(Cu)层，其中，AlN形成在该Cu层处。这可以提供下述优点：可以以容易且高效的方式实现AlN在(整个MEMS器件的分层结构的)至少一种PCB材料处或上的沉积。在加工的方面，所述Cu层可以是(结构化)Cu箔，该Cu箔通常表示用于制造PCB的半成品。
在这方面，要指出的是本文描述的MEMS器件的发明人发现，出乎意料的是，压电材料AlN的特征在于与材料Cu的非常好的粘附力。由于如上所述，Cu层广泛用于制造PCB，将AlN用于压电式换能器允许在主要依靠于完善的PCB生产工艺的同时建造所述MEMS器件。
取决于所述MEMS器件的具体设计，从生产MEMS器件的角度来看，Cu层可以分配至支撑结构或者分配至压电式换能器。在两种情况下，Cu层均用作以机械可靠的方式将AlN与PCB材料中的至少一种——尤其是FR4——组合在一起的结合结构。
在将Cu层分配至压电式换能器的情况下，相应的Cu箔可以通过典型的PCB制造工艺(包括冲压和/或Cu蚀刻过程)结合至支撑结构的有机基体。
在本上下文中，要说明的是使用中间Cu层间接地将AlN层附接至FR4或在FR4处形成AlN层会减少FR4上的热负荷，该热负荷通常在用沉积AlN所需的相对高温加工AlN时出现。因此，可以在将Cu箔(与AlN一起)附接至FR4材料之前在Cu箔处形成AlN层。
根据本发明的另一种实施方案，已通过溅射过程在Cu层处形成AlN。这可提供下述优点：可以使用可靠且完善的过程将压电AlN材料沉积在Cu层上。此外，已证明溅射还在这些材料之间产生机械稳定连接。这些益处可能源自于下述事实：溅射允许在相对低温下在Cu处沉积AlN，相对低温会减少上述尤其作用于PCB材料FR4的热负荷。
根据本发明的另一种实施方案，压电式换能器是至少部分地嵌入在所述支撑结构内的层结构。这可以提供下述优点：可以通过所述支撑结构的PCB材料(至少部分地)保护压电式换能器的物理结构，所述压电式换能器可能是机械上非常敏感或易损的。
术语“层结构”可以具体指压电式换能器是平坦的结构，其厚度比其侧向尺寸(如，其长度和宽度)小得多。
在本文的上下文中，“嵌入”可以具体指压电式换能器包括固定部分，所述固定部分在两个相对侧或表面覆盖有至少一种PCB材料。再次，PCB材料可以优选为FR4。
描述上来说，根据本文所述的实施方案，压电式换能器的部分可以被PCB材料“夹紧”，尤其被两种不同的PCB材料层结构“夹紧”。优选地，在MEMS器件的截面图中，存在至少两个分立的固定部分，这两个分立的固定部分被两个PCB材料层部分直接或间接的夹紧，所述两个PCB材料层部分被分配至由PCB材料制成的支撑结构的不同层。为了允许压电式换能器与MEMS器件的外部环境之间的灵敏交互(在传感器应用中)或高效交互(在致动器应用中)，还可以对压电式换能器设置不与PCB材料(至少不从两个相对侧)机械接触的交互部分。
根据本发明的另一种实施方案，MEMS器件还包括开口，该开口形成在支撑结构内并设计成使得压电式换能器的交互部分暴露于MEMS器件的外部环境。这可以允许MEMS器件的压电式换能器与表征环境的实际状态的物理量之间的直接机械交互。
在这方面，术语“环境”必须以广义方式理解。取决于特定应用，环境可以只是MEMS器件的周围空气或周围大气(如，在MEMS器件是不使用膜的压力传感器或扬声器的情况下)。然而，环境也可以由微机械结构(诸如一个微杠杆或一组微杠杆)形成。
术语“开口”可以表示形成在支撑结构中或处的任何类型的凹部或腔。所述开口甚至可以是形成在支撑结构内的金属化(电镀)或非金属化过孔。开口可以例如通过钻孔或铣削形成在支撑结构的相应部分内，其中，钻孔和铣削均可以用机械工具和/或适当的激光辐射完成。替代地或结合地，可以使用等离子蚀刻过程。
根据本发明的另一种实施方案，MEMS器件还包括另一开口，该另一开口形成在支撑结构内并且设计成使得压电式换能器的另一交互部分暴露于MEMS器件的所述外部环境或另一外部环境。因此，相对于压电式换能器的层结构的主平面，该交互部分和该另一交互部分位于相对侧。这种设计可以提供下述优点：即使在相对较小开口(即，开口和另一开口)的情况下，MEMS器件的环境(即，MEMS器件的外部环境以及可能地另一外部环境)之间机械交互的效率或强度也可以相对较高。换言之，可以使机械上未保护的交互部分(即，交互部分和另一交互部分)的大小保持相对较小。因此，整个MEMS器件的机械强度将是高的，这增加了所述MEMS可以用于的应用的数量。
优选地，以相对于压电式换能器的层结构的主平面至少部分对称的设计实现MEMS器件。这种对称可以用形成两个面向彼此的开口(即，上述开口和上述另一开口)来实现。这意味着相对于主平面内的任何方向，所述开口和所述另一开口之间存在最大空间重叠。
根据本发明的另一种实施方案，MEMS器件还包括跨过开口的柔性膜，其中，该膜的至少一部分与压电式换能器机械地耦接或者能够耦接至压电式换能器。这可以提供下述优点：可以保护压电式换能器不受不想要的外部撞击影响。此外，由于所述膜的柔韧性，可以将表征环境的物理量传递至压电式换能器而没有较大的衰减或阻尼。在所述MEMS器件用于压力测量应用的情况下，使用这种柔性膜可以是特别有利的。
根据本发明的另一种实施方案，柔性膜包含硅树脂(silicone，硅酮)和/或多晶硅，所述多晶硅尤其为掺杂多晶硅。这可以提供下述优点：当然利用额外的加工步骤，柔性膜的生产可以与所述MEMS器件的其他部分的生产结合。
优选地，膜完全由多晶硅制成，尤其由掺杂多晶硅制成。这可以提供下述优点：可以采用PCB行业尤其是半导体行业中熟知的加工步骤。
根据本发明的另一种实施方案，所述MEMS器件还包括附接至压电式换能器的交互部分的惯性元件。
所述惯性元件可以是具有一定质量并且一在MEMS器件加速时就产生惯性力的任何物理结构。这意味着利用所述MEMS器件可以测量加速的强度，其中，如果加速的方向至少大体上垂直于压电式换能器的层结构的(主)平面，则可以最大化对应的MEMS加速传感器的灵敏度。
根据本发明的另一方面，提供了一种MEMS组件，该MEMS组件包括(a)部件承载件，以及(b)如上所述的MEMS器件，其中，所述MEMS器件安装在部件承载件处。
所述MEMS组件基于下述构思：利用熟知且完善的PCB制造过程可以容易地将上述MEMS器件附接至部件承载件，所述部件承载件可以用作电子部件的安装基座以建造电子电路。在致动器应用的情况下，电子电路可以用于驱动MEMS器件的压电式换能器，以引起耦接至压电式换能器的机械微部件的移动。在传感器应用的情况下，安装在部件承载件上或安装在部件承载件处的电子电路可以接收并处理响应于压电式换能器的机械移动而产生的电信号。再次，这种机械移动可以通过耦接至压电式换能器的机械微部件的移动产生。
所述部件承载件可以是PCB。优选地，PCB由与支撑结构相同的PCB材料制成。这可以提供下述优点：对于整个MEMS组件的加工，部件承载件和支撑结构可以用相同类型的PCB加工步骤形成。这允许非常高效地生产所述MEMS组件。
根据本发明的另一种实施方案，MEMS组件还包括电子电路，该电子电路安装在部件承载件处并与MEMS器件电连接。
该电子电路包括可以安装在部件承载件的表面处的一个或多个电子部件。替代地或结合地，这些部件中的至少一个可以嵌入部件承载件内。
关于该实施方案描述的MEMS组件可以形成代表MEMS致动器或MEMS传感器的一种封闭和/或自给式模块。
在致动器应用的情况下，MEMS组件可以例如是扬声器、微型泵、用于例如喷墨应用的液体或粘性介质敷料器、微悬臂器件、用于例如定位微镜和/或微透镜(自动聚焦应用)的定位器件、电气开关、可变电容器等的至少一部分。
在传感器应用的情况下，MEMS组件可以是例如传声器、加速度传感器、压力传感器、触觉传感器、磁场传感器、化学传感器、陀螺仪等的至少一部分。
虽然不是字面上的传感器应用，但微能量收集也可能是所述MEMS组件的有希望的“传感器”应用，因为此处利用MEMS器件也可以捕获机械能量并将其转换为电能。
要指出的是，上述给出的列举不是完全的，所述MEMS组件还可以用于其他目的。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造MEMS器件的方法。提供的方法包括：(a)通过使用PCB制造过程用PCB材料形成支撑结构；以及(b)在支撑结构处形成压电式换能器。
另外，所提供的方法基于下述构思：至少一些压电材料可以直接或间接地(如，经由中间金属层)沉积在典型PCB材料上或沉积在典型PCB材料处。与根据半导体工艺建造的MEMS器件相比，使用PCB材料形成所述支撑结构可以具有下述优点：利用一个单块PCB板，可以同时形成显著更高数量的MEMS器件。这显著降低了每个单个MEMS器件的生产成本。
根据本发明的另一种实施方案，该方法还包括形成部件承载件，尤其为PCB，其中，部件承载件和支撑结构用相同的PCB制造工艺形成，使得将支撑结构安装至部件承载件。这可以提供下述优点：可以主要利用完善的PCB制造工艺形成MEMS组件，该MEMS组件可以用作充当MEMS致动器或MEMS传感器的MEMS模块。
如上所述，这种模块可以包括适合的电子电路，该电子电路可以安装(例如表面安装)在部件承载件上和/或嵌入在部件承载件内。取决于具体应用，这种电子电路驱动MEMS器件，相应地驱动MEMS器件的压电式换能器(在类似致动器的应用中)，或者接收并且如适用还处理MEMS器件产生的测量信号(传感器应用)。
根据本发明的另一种实施方案，形成支撑结构以及形成压电式换能器包括将压电式换能器夹在支撑结构的下部与支撑结构的上部之间。这可以提供下述优点：可以以容易且高效的方式形成MEMS器件。
根据本发明的另一种实施方案，所述方法还包括：(a)在下部内形成开口，以暴露压电式换能器的交互部分，以及/或者(b)在上部内形成另一开口，以暴露压电式换能器的另一交互部分。
如上所述，利用开口，压电式换能器的相应交互部分可以与表征MEMS器件的环境的实际状态的物理量建立直接机械交互。
根据本发明的另一种实施方案，通过等离子蚀刻过程和/或激光处理过程尤其是激光烧蚀过程来形成开口和/或形成另一开口。这可以提供下述优点：可以实现精确地形成开口和/或另一开口。由于PCB材料的等离子蚀刻和激光烧蚀均是认可且熟知的过程，因此无需为了实现所述MEMS器件而开发特定的开口形成过程。
根据本发明的另一种实施方案，(a)在压电式换能器与支撑结构的下部之间设置有下释放层，并且/或者(b)在压电式换能器与支撑结构的上部之间设置有上释放层。这可以提供下述优点：可以通过激光切割过程形成开口和/或另一开口，其中，切割激光束被引导沿着开口的周界或周缘，使得切除支撑结构的相应部的一部分，该部分对应于相应开口。然后可以容易地将剩余的切除块从压电式换能器中移除。
下释放层和/或上释放层可以由PCB制造中已知的并且防止两层之间不想要的(强)粘附力的任何材料制成。下释放层和/或上释放层可以是例如蜡层。
优选地，下释放层和/或上释放层不会侧向延伸至包括支撑结构和压电式换能器的堆叠体的端部或边缘。唯一必要的是相应的释放层沿开口的整个宽度侧向延伸。这具有下述积极效果：在最终的MEMS器件中，压电式换能器将保持牢固地附接或粘附至剩余的支撑结构(在没有对应于开口的切除部分的情况下)。
根据本发明的另一种实施方案，压电式换能器是至少一个氮化铝(AlN)层和至少一个铜(Cu)层的堆叠体。
如上所述，AlN呈现出与Cu的非常好的粘附力，Cu是一种广泛使用的PCB材料。这可以提高压电式换能器与支撑结构的粘附力。对于AlN/Cu压电式换能器夹在支撑结构的两部分之间的上述实施方案，尤其如此。
要注意的是，参照不同主题描述了本发明的实施方案。然而，本领域技术人员根据上述和下文描述可以推断出，除非另有说明，则除了属于一种主题的特征的任何组合以外，涉及不同主题的特征之间的任意组合也视为被本文公开。
根据下文描述的实施方案的示例会明了上文限定的方面和本发明的其他方面，并且将参照实施方案的示例解释这些方面。下文将参照实施方案的示例更详细地介绍本发明，但本发明不限于这些示例。
附图说明
图1a示出了根据本发明的一种实施方案的MEMS器件的截面图。
图1b是图1a所示的MEMS器件的仰视图。
图2示出了MEMS器件的生产，其中，使用释放层以允许容易且高效地形成暴露MEMS器件的压电式换能器的开口。
图3示出了包括部件承载件和形成在其上的MEMS器件的MEMS装置。
具体实施方式
附图中的说明是示意性的。要注意的是，在不同的图中，对类似或相同的元件或特征提供相同的附图标记。为了避免不必要的重复，根据前述实施方案已经阐述的元件或特征不在说明书的后面部分再次阐述。
此外，空间相对的术语，诸如“前”和“后”、“上”和“下”、“左”和“右”等，用于描述如图中所示的元件与另外的元件的关系。因此，空间相对的术语在使用中可以适用于与图中所示定向不同的定向。明显地，所有这些空间相对的术语仅为了便于说明起见指的是图中所示定向，但并不一定是限制性的，因为根据本发明的一种实施方案的装置在使用时可以采取与图中所示定向不同的定向。
图1a示出了可以用作传声器或扬声器的MEMS器件100的截面图。MEMS器件100的应用取决于是将机械能或声能转换为电量，还是反过来将电量诸如驱动电压或电流转换为振动能或声能。
MEMS器件100包括支撑结构110，根据此处描述的实施方案，该支撑结构是两个FR4材料层112和114的堆叠体。为了避免MEMS器件100内的机械应力，FR4材料是低CTE FR4材料。层112和114也可以看作是PCB芯层。
在两个FR4层112、114之间形成有压电式换能器120。该压电式换能器120是包括压电材料层122和金属层124的分层结构。根据此处描述的示例性实施方案，压电材料层122由AlN制成，而金属层124由Cu制成。
为了使压电式换能器120暴露于MEMS器件100的环境，设置了两个开口。(上)开口152形成在FR4层114内，(下)另一开口154形成在FR4层112内。膜130跨过开口152，其中，膜130的中心部分机械连接至压电式换能器120。根据此处描述的示例性实施方案，膜130由硅树脂制成。替代地，可以使用具有特别类似的弹性性质的材料。在某些应用中，甚至可以使用多晶硅材料，然而，多晶硅可能较难加工。代表振动块的惯性元件140位于(下)另一开口154内，并附接至压电式换能器120的底侧。
描述上来说，MEMS器件100表示将FR4芯112、114用作(PCB)基底的理想化传声器/扬声器。由于将多晶硅材料用于膜130，因此MEMS器件100是基于硅的MEMS传声器或MEMS扬声器的典型组成。通过使用具有低热膨胀系数(CTE)的FR4材料，最小化了膜130与FR4芯114之间的热诱导机械应力。描绘的基于硅的MEMS器件100是一种压电式MEMS器件。这意味着与操作相关联的电量是电压，而不是电流。在传声器应用中，膜130的振动产生用于由未描绘的电子电路读出的电压信号。在扬声器应用中，电压信号驱动压电式换能器120。压电式换能器120所形成的振动机械地传递至膜130，膜本身产生声波。
压电式换能器120与惯性元件140一起表示弹簧-质量系统，该弹簧-质量系统的振动由压电式换能器检测或产生。要指出的是，取决于MEMS器件100的特定设计和/或应用，惯性元件140和/或膜130是可选部件。
另外，可以通过溅射过程将压电材料AlN 122直接应用至FR4材料上，在描述的实施方案中，在将MEMS器件100的FR4芯层114尤其是通过一次性工艺来按压到一起而彼此附接之前，AlN被应用至Cu层。
图1b是MEMS器件100的仰视图。根据此处描述的实施方案，AlN材料(在扬声器应用中表示致动器)在空间上由平面AlN层构造，使得形成AlN材料的两个弯曲臂。这两个弯曲臂中的一个分别经由电触点162和形成在FR4材料层112上的对应的导体迹线163电接触。根据此处描述的实施方案，电触点162和导体迹线163由适合的结构化Cu层制成，为清楚起见在图1a中未示出。
从图1b可以看出，根据此处描述的实施方案，另一开口154具有圆形形状。然而，要说明的是，所述MEMS器件还可以被实现为含有具有另一形状诸如矩形形状或方形形状的开口。这同样适用于仅在图1a中可见的开口152的形状。
图2示出了以高效方式生产MEMS器件100时的中间状态。具体地，采用了两个释放层270，其中，上释放层270形成在Cu层124与上FR4芯114之间，而下释放层270形成在AlN层122与下FR4芯114之间。从图2可以看出，这两个释放层270侧向地延伸超过限定两个开口152和154的大小的相应激光切割线270，所述两个开口在图1a中最佳地示出。为了形成这两个开口152和154，引导激光束沿着FR4芯114的相应表面上的圆形线。激光束的处理能力被选择使得当被引导沿着圆形线达预定次数时，相应圆形切割沿着竖向z方向能够从相应FR4芯114的外表面延伸至相应释放层270。因此，产生对应于相应开口的大小的圆柱形切除部分，该圆柱形切除部分可以容易地脱离剩余的MEMS器件100(两个释放层270防止粘附)。
图3示出了包括部件承载件392和形成在其上的MEMS器件100的MEMS装置390。根据此处描述的实施方案，部件承载件392是其上组装有电子电路394的PCB。在扬声器应用的情况下，电子电路394生成或转发的电信号被应用至MEMS器件100的压电式换能器120。在传声器应用中，膜130的振动产生被电子电路394接收的电信号。
要注意的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且冠词“一(a)”或“一(an)”的使用不排除复数。另外，可以结合关于不同实施方案描述的元件。
参考标记列表：
100 MEMS器件
110 支撑结构
112 PCB芯/(低CTE)FR4
114 PCB芯/(低CTE)FR4
120 压电式换能器
122 压电材料，AlN
124 金属层/Cu层
130 膜/掺杂多晶硅
140 惯性元件/质量
152 开口
154 另一开口
162 电触点
163 导体迹线
270 释放层
275 激光切割线
390 MEMS组件
392 部件承载件/PCB
394 电子电路

Claims (14)

1.一种微机电系统MEMS器件(100)，包括：
由印刷电路板PCB材料形成的支撑结构(110)；以及
形成在所述支撑结构(110)处的压电式换能器(120)；
其中，所述压电式换能器(120)是至少部分地嵌入所述支撑结构(110)内的层结构。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件(100)，其中，
所述PCB材料包括由以下组成的组中的至少一种：树脂、氰酸酯、玻璃、预浸材料、液晶聚合物、环氧树脂基的积层膜、FR4材料、陶瓷以及金属氧化物。
3.根据权利要求1所述的MEMS器件(100)，其中，
所述PCB材料中的至少一种具有在20℃下处于在2.0x10-6/K至3.1x10-6/K之间的线性热膨胀系数(CTE)。
4.根据权利要求1所述的MEMS器件(100)，其中，
所述PCB材料中的至少一种具有比硅的弹性模量小的弹性模量。
5.根据权利要求1所述的MEMS器件(100)，其中，
所述压电式换能器(120)至少部分地由氮化铝(AlN)(122)制成。
6.根据权利要求1所述的MEMS器件(100)，还包括：
开口(152)，所述开口形成在所述支撑结构(110)内并且被设计成使得所述压电式换能器(120)的交互部分暴露于所述MEMS器件(100)的外部环境。
7.根据权利要求6所述的MEMS器件(100)，还包括：
跨过所述开口(152)的柔性膜(130)，其中所述膜(130)的至少一部分与所述压电式换能器(120)机械地耦接或者能够与所述压电式换能器(120)耦接。
8.根据权利要求6所述的MEMS器件(100)，还包括：
附接至所述压电式换能器(120)的所述交互部分的惯性元件(140)。
9.一种微机电系统MEMS组件(390)，包括：
部件承载件(392)；以及
根据权利要求1所述的MEMS器件(100)，其中，所述MEMS器件(100)安装在所述部件承载件(392)处，
其中，所述MEMS组件(390)还包括：
电子电路(394)，所述电子电路安装在所述部件承载件(392)处并与所述MEMS器件(100)电连接。
10.一种用于制造微机电系统MEMS器件(100)的方法，所述方法包括：
通过使用印刷电路板PCB制造过程用PCB材料形成支撑结构(110)；以及
在所述支撑结构(110)处形成压电式换能器(120)；
其中，所述压电式换能器(120)是至少部分地嵌入所述支撑结构(110)内的层结构。
11.根据前述权利要求10所述的方法，还包括：
形成部件承载件(392)；
其中，所述部件承载件(392)和所述支撑结构(110)用相同的PCB制造工艺形成，使得所述支撑结构(110)安装至所述部件承载件(392)。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，
形成所述支撑结构(110)以及形成所述压电式换能器(120)包括：
将所述压电式换能器(120)夹在所述支撑结构(110)的下部(112)与所述支撑结构(110)的上部(114)之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，
在所述压电式换能器(120)与所述支撑结构(110)的所述下部(112)之间设置有下释放层(270)，以及/或者
在所述压电式换能器(120)与所述支撑结构(110)的所述上部(114)之间设置有上释放层(270)。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，
所述压电式换能器(120)是至少一个氮化铝(AlN)层(122)和至少一个铜(Cu)层(124)的堆叠体。
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