CN107872760A - Mems设备和方法 - Google Patents

Abstract

本申请描述了一种MEMS换能器，包括：一个基底；一个初级膜，所述初级膜以相对于所述基底固定的关系被支撑；一个次级膜，所述次级膜被设置在一个覆盖所述初级膜的平面中。所述次级膜通过一个基本刚性的联接结构机械地联接到所述初级膜。一个刚性的支撑板可以置于所述初级膜和所述次级膜之间。

Description

MEMS设备和方法

本公开内容涉及微机电系统(MEMS)设备和方法，具体地，涉及与换能器有关的MEMS设备和方法，所述换能器例如是电容式麦克风。

多种MEMS设备正变得越来越受欢迎。MEMS换能器，尤其是MEMS电容式麦克风，越来越多地用在便携式电子设备(诸如，移动电话和便携式计算设备)中。

使用MEMS制造方法形成的麦克风设备通常包括一个或多个膜，其中用于读出/驱动的电极被沉积在所述膜和/或基底上。在MEMS压力传感器和麦克风的情况下，通常通过测量一对电极之间的电容来实现读出，该电容将随着所述电极之间的距离响应于入射在膜表面上的声波的改变而变化。

图1a和图1b分别示出已知的电容式MEMS麦克风设备100的示意图和立体视图。电容式麦克风设备100包括一个膜层101，该膜层101形成一个柔性膜，该柔性膜响应于由声波生成的压力差而自由移动。第一电极102机械地联接至所述柔性膜，且它们一起形成电容式麦克风设备的第一电容板。第二电极103机械地联接至基本刚性的结构层或背板(back-plate)104，它们一起形成电容式麦克风设备的第二电容板。在图1a示出的实施例中，第二电极103被嵌入在背板结构104中。

该电容式麦克风被形成在基底105上，该基底105例如是硅晶片，该硅晶片可以具有在其上形成的上部氧化物层106和下部氧化物层107。该基底中和任何覆盖层中的腔108(在下文中称为基底腔)被设置在膜下方，且可以使用“背部蚀刻(back-etch)”穿过基底105来形成。基底腔108连接至定位在膜正下方的第一腔109。这些腔108和109可以共同提供声学容积，因此允许膜响应于声学激励而移动。置于第一电极102和第二电极103之间的是第二腔110。

可以在制造方法期间使用第一牺牲层(即，使用一种随后可以被移除的材料来限定第一腔)且将膜层101沉积在第一牺牲材料之方来形成第一腔109。使用牺牲层来形成第一腔109意味着，对基底腔108的蚀刻对于限定膜的直径不起任何作用。替代地，膜的直径由第一腔109的直径(这转而由第一牺牲层的直径来限定)结合第二腔110的直径(这转而可以由第二牺牲层的直径来限定)来限定。相比于使用湿蚀刻或干蚀刻执行的背部蚀刻方法所形成的第一腔109的直径，使用第一牺牲层所形成的第一腔109的直径可以受到更加精确地控制。因此，对基底腔108的蚀刻将限定膜101下面的基底的表面中的开口。

多个孔(在下文中称为排出孔(bleed hole)111)连接第一腔109和第二腔110。

如所提及的，可以通过将至少一个膜层101沉积在第一牺牲材料之上来形成所述膜。以此方式，(一个或多个)膜的材料可以延伸到支撑所述膜的支撑结构(即，侧壁)中。膜和背板层可以由彼此基本上相同的材料形成，例如膜和背板均可以通过沉积氮化硅层来形成。膜层可以被定尺寸为具有所需的柔性，然而背板可以被沉积为一种更厚且因此更刚性的结构。另外，在形成背板104时可以使用多种其他材料层，以控制背板104的性质。使用氮化硅材料体系在许多方面是有利的，尽管可以使用其他材料，例如使用多晶硅膜的MEMS换能器是已知的。

在一些应用中，麦克风可以在使用中被布置为使得经由背板接收入射声。在这样的情况下，另外的多个孔(在下文中称为声学孔112)被布置在背板104中，以便允许空气分子的自由移动，使得声波可以进入第二腔110。与基底腔108相关联的第一腔109和第二腔110允许膜101响应于经由背板104中的声学孔112进入的声波而移动。在这样的情况下，基底腔108常规地称作“后容积(back volume)”，且它可以基本上被密封。

在另一些应用中，麦克风可以被布置为使得在使用时可以经由基底腔108接收声音。在这样的应用中，背板104通常仍设置有多个孔，以允许空气在第二腔和背板上方的另一容积之间自由移动。

还应注意，尽管图1示出背板104被支撑在膜的与基底105相对一侧上，但是如下这样的布置是已知的，其中背板104被形成为距基底最近，且膜层101被支撑在背板104上方。

在使用中，响应于与入射在麦克风上的压力波对应的声波，所述膜从其平衡位置或静止位置略微变形。对应地改变了膜电极102和背板电极103之间的距离，导致这两个电极之间的电容的改变，所述电容的改变随后被电子电路系统(未示出)检测到。排出孔允许第一腔和第二腔中的压力在相对长的时段(就声学频率而言)内平衡，这减小了例如由温度变化等所产生的低频压力变化的影响，而在期望的声学频率处未影响灵敏性。

MEMS换能器的柔性膜层大体包括薄的介电材料层——诸如，薄的晶体材料层或多晶材料层。该膜层实际上可以通过以相继的步骤沉积的若干个材料层形成。柔性膜101可以例如是由氮化硅Si₃N₄或多晶硅形成的。晶体材料和多晶材料具有高强度和低塑性变形，在膜的构造中高强度和低塑性变形都是非常期望的。MEMS换能器的膜电极102通常是薄的金属(例如，铝)层，该金属层通常位于膜101的中心，即，膜的位移最多的部分。本领域技术人员将理解，膜电极可以是由合金(诸如，铝硅合金)形成的。通常在膜的中心区域中，膜电极通常可以例如覆盖膜的区域的近似40％。

消费电子设备正不断变得越来越小，并且随着技术的进步，正获得了越来越多的性能和功能。这在消费电子产品且尤其(但不排他地)在便携式产品使用的技术中非常明显，所述便携式产品诸如是移动电话、音频播放器、视频播放器、PDA、移动计算平台(诸如，膝上型计算机或平板电脑)和/或游戏设备。移动电话行业的要求例如正驱使部件变得更小，同时功能更高、成本降低。因此，期望的是，将电子电路的功能集成在一起并且将它们与换能器设备(诸如，麦克风和扬声器)组合。

微机电系统(MEMS)换能器(诸如，MEMS麦克风)正在许多这些设备中获得应用。因此，还不断驱使减小MEMS设备的尺寸以及降低成本。此外，本领域技术人员将理解，MEMS换能器通常被形成在晶片上，之后被单切(singulated)。换能器和任何相关联的电路系统所需的焊垫(footprint)区域将决定可以在一个给定晶片上形成多少个设备，因此影响MEMS设备的成本。因此，通常期望减小在晶片上制造MEMS设备所需的焊垫。

然而，随着MEMS换能器变得更小，传感器电容被减小。这导致信号电荷较少，且因此导致电子噪声相对较高，导致性能(例如，信噪比)退化以及其他效应。

本公开内容涉及寻求减少(特别是通过提供表现出增大的电容且没有使设备的焊垫大小对应地增加的MEMS换能器来减少)前面提及的缺点中的一些的MEMS换能器和方法。

根据第一方面，提供了一种换能器，包括：

一个基底，所述基底具有一个腔；

一个初级膜，所述初级膜相对于所述基底被支撑；

一个次级膜，所述次级膜被设置在一个覆盖所述初级膜的平面中，其中所述次级膜被联接到所述初级膜。

根据此布置，经由基底腔接收的声波可以入射在所述初级膜上。所述初级膜优选地相对于所述基底以固定的关系悬置，例如通过其周缘被附接到所述基底和/或附接到所述换能器的侧壁和/或附接到所述换能器的另一个结构层。因此，响应于由于入射声波而在所述初级膜两侧产生的压力差，所述初级膜可以屈曲(flex)以使得所述初级膜的远离所述初级膜被附接的位置的区域从其平衡位置或静止位置移位。

一个次级膜被设置在一个覆盖所述初级膜的平面中。替代地，可以以相继距所述初级膜更大的距离设置多个次级膜。

所述或每个次级膜(直接地或间接地)联接到所述初级膜。因此，根据其中设置多个次级膜的实施例，一个“较高的”次级膜可以直接地联接到所述初级膜和/或一个“较低的”次级膜(且因此间接地联接到所述初级膜)不是直接地联接到所述初级膜。

优选地，所述初级膜和所述次级膜之间的联接是足够刚性的，以确保整个多膜结构的最低谐振频率比麦克风感兴趣的最高频率(例如，20kHz)高至少一个数量级。

优选地，所述次级膜通过一个基本刚性的联接结构联接到所述初级膜。优选地，所述次级膜通过在所述次级膜和所述初级膜之间延伸的一个或多个平面间(inter-planar)联接结构联接到所述初级膜。一个基本刚性的联接结构可以有利地在所述初级膜和所述/每个次级膜之间提供一个基本固定的距离，因此允许所述次级膜的移动跟随所述初级膜的移动。与所述初级膜相反，所述次级膜优选地自身相对于所述基底(或者所述换能器的其他结构层)不悬置，而是仅经由所述初级膜机械地联接到所述基底。所述次级膜可以被认为是“寄生(drone)膜”，这是因为所述次级膜发生移动基本上是由于所述初级膜，而不是由于所述次级膜对声波的任何响应。有利地，由于所述次级膜仅经由所述初级膜被机械地联接，因此所述寄生膜不显著地改变膜结构的安装的劲度或柔韧性。换句话说，所述换能器的对入射压力波的机械响应没有由于所述次级膜而明显受影响，因此有利地所述设备的灵敏度未受损。

所述联接结构可以例如包括一种导电材料，诸如，用来形成换能器电极的材料。替代地或附加地，所述联接结构可以包括一种非导电材料，诸如，用来形成所述初级膜和/或所述次级膜的材料或聚酰亚胺。

根据一个实施例，一个基本刚性的支撑板被设置在一个置于所述初级膜和所述次级膜之间的平面中。

为了形成电容式传感设备，所述刚性的支撑板通常设有形成至少一个支撑板电极的一个或多个导电元件，所述支撑板电极是与设置在所述初级膜和/或所述次级膜上的另一个电极——膜电极——结合的电容式电极对中的一个电极。因此，所述初级膜可以设置有和与所述刚性的支撑板相关联的一个或多个导电元件一起形成一个电容器的一个或多个导电元件。

根据包括多个次级膜的实施例，可以在所述初级膜和第一次级膜之间以及在相邻的次级膜之间设置一个刚性的支撑板。

已知的具有单个膜的MEMS换能器通常包括一个刚性的结构层或所谓的“背板”，所述刚性的结构层或背板支撑一个固定电极并且形成换能器设备的电容板中的一个。因此，所述基本刚性的支撑板可以被认为形成与已知的MEMS换能器设备的背板类似的功能。然而，由于提供了两个或更多个膜，根据优选实施例，所述刚性的支撑板被置于所述初级膜和所述次级膜之间。此布置的优点在于，基本刚性的支撑板104还充当一个将限制所述初级膜和所述次级膜二者的移动的机械止挡件。由于所述支撑板被置于所述初级膜和所述次级膜之间，该设计允许在两个方向上限制膜挠曲(deflection)，从而在例如高压力事件期间保护换能器。

将理解，在一个覆盖所述初级膜的平面中设置一个次级膜显著增大了换能器设备每单位面积的电容。此外，由于所述(或每个)次级膜仅经由所述初级膜机械地联接且优选地不以相对于所述基底固定的关系被支撑，例如，所述次级膜在其周缘处不存在到例如所述换能器的侧壁的附接，因此设置一个次级膜未显著改变换能器设备的劲度/顺从性。此布置的一个优点是，尽管设置了多个膜，但是优选地未改变设备的灵敏度。将理解，所述设备的移动或致动优选地大体上仅由所述初级膜对声学信号的机械响应决定。

根据又一方面，提供了一种制造MEMS换能器的方法，该MEMS换能器包括：

一个基底；

一个初级膜，所述初级膜相对于所述基底被支撑；以及

一个次级膜，所述次级膜被设置在一个覆盖所述初级膜的平面中，其中所述次级膜被联接到所述初级膜。

例如，在电容式麦克风的情况下，可以在所述基底中形成一个腔并且形成所述初级膜以覆盖基底腔。

根据又一方面，提供了一种形成具有一个基底的MEMS换能器的方法，所述方法包括：

i)在所述基底的一个上部表面中形成一个腔；

ii)将一个聚酰亚胺层施加到所述基底的所述上部表面以填充所述腔；

iii)使所述聚酰亚胺层平面化以给出一个平面表面；以及

iv)在所述平面表面的顶部上形成第一膜材料层。

所述的方法还可以包括以下步骤：

v)将第二聚酰亚胺层施加到所述膜材料层；

vi)使所述第二聚酰亚胺层平面化；

vii)在所述平面表面的顶部上形成一个基本刚性的支撑板。

在此阶段释放蚀刻移除了所述聚酰亚胺层，并且形成具有一个刚性背板的单个平面膜结构，所述单个平面膜结构可以有效地用在若干MEMS换能器设计中。由于所述膜被形成为与基底的上部表面一致，而不是如通常已知的换能器结构的那样通过多个柱状物从下方支撑所述膜，所得到结构受益于稳健性增强，特别是对于高压力事件或高震动事件。

为了制造具有联接在一起的初级膜和次级膜的MEMS换能器，所述方法还可以包括：

viii)施加第三聚酰亚胺层以覆盖所述刚性的支撑板；

ix)使所述第三聚酰亚胺层平面化；

x)蚀刻穿过聚酰亚胺以形成延伸到所述膜材料层的上部表面的多个平面间腔；

xi)沉积膜材料以在所述平面间腔内形成侧壁；

xii)用聚酰亚胺填充所述平面间腔并且平面化；以及

xiii)在所述平面表面的顶部上形成第二膜材料层。

所述换能器可以是电容式传感器，诸如，麦克风。所述换能器可以包括读出(即，放大)电路系统。所述换能器可以被定位在具有一个声音端口(即，声学端口)的封装件内。所述换能器可以被实施在一个电子设备中，所述电子设备可以是以下中的至少一个：便携式设备；电池供电设备；音频设备；计算设备；通信设备；个人媒体播放器；移动电话；平板设备；游戏设备；以及语音控制设备。

任何给定的方面的特征可以与任何其他方面的特征组合，且本文描述的多种特征可以在一个给定的实施例中以任何组合的方式实施。

为以上方面中的每个方面提供了相关联的制造MEMS换能器的方法。

为了更好地理解本发明，且为了示出如何实施本发明，现在将通过实施例的方式参考附图，在附图中：

图1a和图1b以截面视图和立体视图例示了已知的电容式MEMS换能器；

图2a示出了第一示例结构的横截面视图；

图2b示出了第二示例结构的立体正视图；

图3a和图3b示出了穿过又一些示例结构的局部横截面；

图3c示出了其中换能器设置有N个膜的一个实施例的示意性例示；

图4a示出了第一电气配置的物理布局；

图4b示出了图4a中示出的电气配置的电气原理图；

图5a示出了第二电气配置的物理布局；

图5b示出了图5a中示出的电气配置的电气原理图；

图6a示出了第三电气配置的物理布局；

图6b示出了图6a中示出的电气配置的电气原理图；

图7a至图7g例示了形成单膜换能器的一系列步骤；

图7h至图7n例示了形成双膜换能器的又一系列步骤；

图8例示了换能器结构的又一个实施例；以及

图9示出了图8中的换能器结构的挠曲。

在整个此说明书中，与其他图中的特征类似的任何特征都被赋予相同的附图标记。

将关于呈MEMS电容式麦克风形式的MEMS换能器描述实施例，在所述MEMS电容式麦克风中，初级膜相对于设置在基底中的腔以固定的关系被支撑。然而，将理解，本发明同样适用于包括其他电容型换能器的其他类型的MEMS换能器。

图2示出穿过一个示例结构的横截面，该示例结构包括一个初级膜101，该初级膜101在其周缘处相对于基底105被支撑，该基底105在此实施例中具有形成在其中的腔108。因此，该初级膜相对于该基底悬置并且覆盖基底腔108。该初级膜通过多个联接结构103联接到次级膜202。次级膜202设置在大体平行于初级膜的平面中。腔108因此形成第一声学容积，该第一声学容积可以通过例如排出孔连接至该初级膜上方的第二声学容积。

该换能器通常可以被布置成在使用中经由该基底腔在该初级膜的下表面上接收入射声波。然而，在一些应用中，该换能器可以被布置成在该次级膜上接收入射声波。在任一种情况下，入射声波可以导致该初级膜和该次级膜中的一个或二者两侧的压力差。例如，初级膜101上的向上的力可以由(P1-P2)Ax给出，其中P1是施加在该初级膜的下侧上的压强，P2是施加在该初级膜的上侧上的压强，并且Ax是该初级膜的面积。类似地，次级膜202上的向上的力可以由(P3-P4)Ay给出，其中P3是施加在该次级膜的下侧上的压强，P4是施加在该次级膜的上侧上的压强，并且Ay是该次级膜的面积。在该次级膜上产生的任何净力将经由联接结构203传递到该初级膜并且被叠加在该初级膜上产生的任何净力上。因此，假设Ax＝Ay＝A并且P2＝P3(即，该初级膜和该次级膜之间的间隙是声学透明的)，则总净向上的力将是(P1-P2+P3-P4)A＝(P1-P4)A。

将理解，与该初级膜不同，该次级膜自身不相对于换能器结构悬置。因此，该次级膜没有在由于在其周缘处以固定的关系被顺从地支撑所导致的张力下。在该次级膜上产生的净力将经由联接结构203传递到该初级膜，且因此双膜结构的实际挠曲将取决于该初级膜相对于换能器结构的基底的安装顺从性(compliance)。

图2b示出了根据一个实施例的双膜结构的正视图，该双膜结构包括一个初级膜，该初级膜通过多个联接结构203联接到次级膜202。为了简单起见，未示出基底，该基底相对于该初级膜以固定的关系支撑该初级膜。

图3a示出了穿过一个示例结构的局部横截面，该示例结构包括一个初级膜101，该初级膜101在其周缘处相对于基底105被支撑。因此，该初级膜可以被认为相对于换能器结构的侧壁悬置以便覆盖该基底中的腔108。该初级膜通过多个联接结构203联接到次级膜202。次级膜202被设置在大体平行于该初级膜的平面中。设置了一个置于该初级膜和该次级膜之间的支撑板104。仅出于例示的目的，图3a未示出该结构的中心区域，仅示出了该结构的、该初级膜和该支撑板相对于该基底被支撑的周缘(periphery)。

支撑板104优选地是基本刚性的结构。该支撑板的关键功能之一是支撑固定电极，该固定电极将与设置在该初级膜或该次级膜上的电极形成一个电容对。将理解，该固定电极——其通常由导电材料层形成——可以被沉积在该支撑板上或被嵌入在该支撑板内。在一个相对简单的配置中，该支撑板可以包括形成单个固定电极的单个导电元件或一组导电元件，所述单个固定电极既与设置在该初级膜上的电极又与设置在该次级膜上的电极形成电容器。该支撑板优选地可以是声学透明的(例如，通过在该支撑板中设置多个穿孔)，以确保该支撑板上方和下方的压力基本上相等。

替代地，如图3a中示出的，该支撑板可以设置有多个导电元件103t、103b，以提供第一电极和第二电极。因此，设置在较靠近该次级膜的平面中的一个或多个导电元件103t与设置在该次级膜上的一个或多个导电元件102t形成电容器Ct。此外，在该支撑板上、设置在较靠近该初级膜的平面中的一个或多个导电元件103b与设置在该初级膜上的一个或多个导电元件102b形成电容器Cb。

响应于入射在该初级膜上的声学压力波，并且由于顺从地/柔性地附接到换能器结构的初级膜101两侧的压力差，该初级膜将从其平衡位置或静止位置移位。因此，联接到该初级膜的次级膜202将以类似的方式移位。因此，该初级膜的向上挠曲将导致导电元件102b和103b之间的距离减小，因此导致电容Cb增加。该初级膜的向上挠曲将导致该次级膜的对应挠曲，这将导致导电元件102t和103t之间的距离增加，因此导致电容Ct减小。

图3b示出了穿过又一个示例结构的局部横截面，该又一个示例结构包括一个初级膜101，该初级膜101在其周缘处相对于基底105被支撑。在此实施例中，该初级膜通过多个联接结构203联接到两个次级膜202a和202b。每个所述次级膜设置在一个大体平行于该初级膜的平面中，其中第一次级膜被设置成最靠近该初级膜。所述次级膜中的每个可以被穿孔。设置了一个置于该初级膜和该次级膜之间的第一支撑板104。设置了一个置于相邻的次级膜202a和202b之间的第二背板。

将理解，在换能器结构具有多个次级膜的情况下，其中相邻的次级膜可以被认为形成一对次级膜，一个刚性的支撑板将优选地设置在每对的相邻的次级膜之间。因此，设想了设置一个具有N个膜的换能器的实施例，所述N个膜中的一个膜是初级膜M1并且N-1个膜是次级膜。该换能器还将包括N-1个支撑板，每个支撑板被布置在一对相邻的膜之间。因此，该换能器可以被认为以所谓的梳齿驱动致动器(comb drive actuator)的方式运作，其中多个刚性的支撑板提供多个固定电极，这些固定电极在多个可移动的膜电极之间间隔开。以此方式，对于一个给定的焊垫区域，可由该换能器实现的电容被大大增大并且将随着膜的数量N增大。此外，由于每个次级膜经由该初级膜仅联接到换能器结构，因此该设备的总体柔韧性以及由此灵敏度未显著受损。此概念被示意性地例示在图3c中。

将理解，具有初级膜和次级膜的换能器结构的电极可以以许多方式电连接，以提供来自两个电容器Ct和Cb的输出，例如如图3a和图3b中例示的。

图4a示出了第一电气配置的物理布局。如所例示的，电极103t被设置在支撑板104的顶部，电极103b被设置在支撑板104的底部。支撑板电极与次级膜的电极102t形成顶部电容器Ct，并且与初级膜的电极102b形成底部电容器Cb。

在此实施例中，支撑板电极103t和103b是电分离的，而膜电极102t和102b被电连接。

如在图4b中示出的相关联的电气原理图中例示的，在一些实施方案中，支撑板电极103t可以被维持在+VS，支撑板电极103b可以被维持在-VS，并且两个膜电极102t和102b的电压Vm被偏置在0V处。

读出电路具有Ct/Cb节点且因此具有连同一个高值偏置电阻器Rbias连接至其输入的Vm，该高值偏置电阻器Rbias被带到接地。通过Ct、Cb和Rbias实现的大的时间常数允许Vm在音频频率下调制，同时建立0V的直流偏置条件。

膜的向上挠曲增大了次级膜-到-支撑板的距离，这减小了顶部电容Ct。同时，向上挠曲减小了初级膜-到-支撑板的距离，这增大了底部电容Cb。为了维持恒定的电荷Q，需要增大Ct两侧的电压，同时需要减小Cb两侧的电压。净效应是产生电压Vm的下降。

图5a示出了第二电气配置的物理布局，其中相关联的电气原理图示出在图5b中。

此布置与图4a和图4b中示出的配置的不同之处在于，支撑板的顶部和底部现在被电连接，使得第一支撑板电极和第二支撑板电极被电连接，同时初级膜电极102b和次级膜电极102t现在是电分离的。

如在图5b中示出的相关联的电气原理图中例示的，在一些实施方案中，支撑板电极103t和103b被电连接并且在Vsp＝0V处，膜电极102b在Vmt＝+VS处，膜电极102t在Vmb＝-VS处。

此结构的功能类似于配置1的功能，其中的变化是仍需要Ct和Cb两侧的电压在挠曲增大Ct且减小Cb时支持恒定电荷。

读出电路现在从Ct/Cb节点接收Vsp。

图6a示出了第三电气配置的物理布局，其中相关联的电气原理图示出在图6b中。

根据此示例配置，支撑板电极被电连接，但是在此情况下，Ct和Cb的接合点被保持在Vsp＝+VS处。Ct的另一侧，在Vmt处，被馈送到差分放大器的非反相端子，而Cb的另一侧，在Vmb处，转到差分放大器的反相端子。偏置电阻器被连接以将差分放大器的非反相端子和反相端子偏置到接地或某个其他方便的参考电压。

在操作中，膜的挠曲和相关联的电极102和103挠曲将导致Vmt和Vmb改变，这构成了一个将被差分放大器放大的差分信号。可能被馈送到感应线中的共模信号和噪声将通过差分放大器的作用被衰减或抑制，这取决于放大器的共模抑制比(CMRR)。

此结构允许使用差分放大器作为读出电路，该读出电路受益于其衰减或抑制共模噪声的能力。如将理解的，差分系统的优点在于，它们允许通过例如共模抑制移除源(诸如，换能器电源)生成的电噪声或从外部电干扰拾取的噪声，由此由电容的相应改变生成的两个输出信号被施加到差分放大器的两个输入并被相减。

根据其他方面，提供了用于制造MEMS换能器的方法。图7a至图7g例示了用于形成具有刚性的支撑板的单膜换能器的一系列步骤。

如图7a中示出的，提供了一个硅晶片701，该硅晶片701将形成预期的换能器设备的基底。执行硅蚀刻以在该基底中形成腔702，如图7b中示出的。施加聚酰亚胺的牺牲层703，然后使该结构平面化以给出如图7c中示出的具有期望的平面表面的结构。将理解，与通常通过蚀刻穿过腔的下侧来形成基底腔的先前考虑的技术相反，根据此方法，基底腔已经从硅晶片的上侧被限定。此技术降低了考虑穿过腔下侧的蚀刻孔与预期的覆盖膜层对准的需要。

然后氮化硅层704被沉积在该平面表面上并且被蚀刻到所需的厚度以给出如图7d中示出的结构。该氮化硅层将形成初级膜101或最终MEMS换能器的单个膜。

在图7e中，又一个聚酰亚胺涂层705已经被施加并且上部表面被再次平面化。若干氮化硅层被沉积在平面化的表面上且根据需要被图案化以形成基本刚性的支撑板或背板706，如图7f中示出的。图7g示出了施加以封装SiN支撑板的又一个聚酰亚胺层707。在此阶段用来移除聚酰亚胺层的释放蚀刻将形成具有刚性背板的单个平面膜结构，该单个平面膜结构可以在许多MEMS换能器设计中有效地被采用。由于所述膜被形成为与基底的上部表面一致，而不是如已知的换能器结构通常的那样通过多个柱状物从下方支撑所述膜，因此形成的结构受益于稳健性增强，特别是对于高压力或震动事件。

为了制造具有联接在一起的初级膜和次级膜的MEMS换能器，图7g中示出的结构被进一步处理。如图7h中示出的，聚酰亚胺涂层被向下蚀刻到膜层——其将形成初级膜——的上部表面，以形成多个具有侧壁的平面间通道708。所述平面间通道最后将有助于用于联接换能器的最终的初级膜和次级膜的联接结构的形成。

氮化硅709被沉积在所述通道内，形成图7i中示出的结构，并且又一个聚酰亚胺涂层710被沉积以填充施加的通道。该聚酰亚胺涂层的上部表面被平面化以给出与所述平面间通道的顶部一致的平面表面，如图7j中示出的。然后，次级膜层711/202被沉积在该平面表面上以给出如图7k中示出的结构。

如图7l中示出的并且为了在随后于膜的下侧上进行处理期间保护该结构，施加了又一个聚酰亚胺涂层712。然后，如图7m中示出的，背侧蚀刻穿过硅晶片进行到聚酰亚胺层。最后，执行聚酰亚胺蚀刻以释放图7n中示出的具有初级膜101和次级膜202的结构，该初级膜101相对于基底悬置，该次级膜202通过联接结构203刚性地联接到该初级膜。基本刚性的支撑板104纳入一个或多个导电层(为了简单，被从该系列方法步骤忽略)，所述一个或多个导电层形成支撑板电极103a和103b，如图8中示出的。填充在所述平面间通道内的聚酰亚胺可以被留下以为联接结构203提供增强的结构支撑和/或刚性，或根据需要被移除。

基本刚性的支撑板104还充当一个机械止挡件，以限制初级膜和次级膜二者的移动。由于支撑板置于该初级膜和该次级膜之间，该设计允许在两个方向上限制膜挠曲，从而在例如高压力事件期间保护换能器。这被例示在图9中。

该初级膜和该次级膜可以例如由氮化硅Si₃N₄或多晶硅形成。晶体材料和多晶材料具有高强度和低塑性变形，在膜的构造中是非常期望高强度和低塑性变形的。支撑板的和/或膜的导电电极可以由导电性电介质(诸如，氮化钛、多晶硅、碳化硅、非晶硅或氮化钽)或金属(诸如，铝)或金属合金(铝硅合金)形成。

为了给予所需的结构刚性，刚性的支撑板通常可以由与膜相同的材料形成，尽管被设置为一个较厚的层或者被沉积多个层。因此刚性的支撑板可以由氮化硅Si₃N₄或多晶硅形成。本领域技术人员将理解，多晶硅可以被局部地或全局地掺杂以形成导电区域。因此，设想了其中膜和/或支撑板由多晶硅形成并且其中多晶硅的一个区域被掺杂以形成一个导电电极区域的实施方案。因此，在这样的实施例中，在膜的表面上和/或在支撑板上或在支撑板内不存在特定的电极材料层。而是，电极由形成膜和/或支撑板的多晶硅的一个掺杂区域形成。

根据在此描述的实施例的MEMS换能器可以包括一个电容式传感器，例如麦克风。

根据在此描述的实施例的MEMS换能器还可以包括读出电路系统，例如，其中该读出电路系统可以包括模拟电路系统和/或数字电路系统，诸如，低噪声放大器、电压参考和电荷泵，用于提供较高电压偏置、模拟数字转换或输出数字接口或更复杂的模拟信号处理或数字信号处理。因此可以设置一个包括如本文的任何一个实施例中描述的MEMS换能器的集成电路。

根据在此描述的实施例的一个或多个MEMS换能器可以被定位在一个封装件内。此封装件可以具有一个或多个声音端口。根据在此描述的实施例的MEMS换能器可以与一个包括读出电路系统的单独的集成电路一起被定位在一个封装件内，该读出电路系统可以包括模拟电路系统和/或数字电路系统，诸如，低噪声放大器、电压参考和电荷泵，用于提供较高电压偏置、模拟数字转换或输出数字接口或更复杂的模拟或数字信号处理。

根据在此描述的实施例的MEMS换能器可以被定位在具有一个声音端口的封装件内。

根据另一方面，提供了一种电子设备，其包括根据本文描述的任何一个实施例的MEMS换能器。电子设备可以包括例如以下中的至少一个：便携式设备；电池供电设备；音频设备；计算设备；通信设备；个人媒体播放器；移动电话；游戏设备；以及语音控制设备。

根据另一方面，提供了一种制造如本文的任何一个实施例中描述的MEMS换能器的方法。

虽然多个实施例描述了MEMS电容式麦克风，但是本文描述的实施例也适用于除麦克风之外的任何形式的MEMS换能器，例如，压力传感器或超声波发射器/接收器。

可以在一系列不同材料体系中有效地实施各实施例，然而，本文描述的实施例对于具有包括氮化硅的膜层的MEMS换能器是特别有利的。

在上文描述的实施例中，注意，对换能器元件的引用可以包括多种形式的换能器元件。例如，一个换能器元件可以包括单个膜和背板组合。在另一个实施例中，一个换能器元件包括多个个体换能器，例如，多个膜/背板组合。一个换能器元件的个体换能器可以是类似的，或可以被不同地配置为使得它们对声学信号有不同的响应，例如，所述元件可以具有不同的灵敏度。一个换能器元件也可以包括被定位成从不同的声学通道接收声学信号的多个不同的个体换能器。

注意，本文描述的实施例中，一个换能器元件可以包括例如一个麦克风设备，该麦克风设备包括一个或多个膜，其中用于读出/驱动的电极被沉积在所述膜和/或基底或背板上。在MEMS压力传感器和麦克风的情况下，可以通过测量与所述电极之间的电容有关的信号来获得电输出信号。然而，注意，所述实施例还意在包含通过监测压阻元件或压电元件或实际上光源来导出输出信号。所述实施例还意在包括换能器元件是电容式输出换能器，其中通过静电力来移动所述膜，所述静电力是通过使跨所述电极施加的电位差变化生成的。

注意，上文描述的实施例可以被用在一系列设备中，所述设备包括但不限于：模拟麦克风、数字麦克风、压力传感器或超声换能器。本发明也可以被用在多种应用中，所述应用包括但不限于：消费者应用、医疗应用、工业应用和汽车应用。例如，典型的消费者应用包括便携式音频播放器、可穿戴设备、膝上型计算机、移动电话、PDA和个人电脑。实施例还可以被用在语音激活设备或语音控制设备中。典型的医疗应用包括助听器。典型的工业应用包括有源噪声消除。典型的汽车应用包括免提套件、声学碰撞传感器和有源噪声消除。

应理解，在本说明书中使用的多种相对术语“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”、“下侧”、“覆盖”、“在下方”等不应以任何方式被解释为限于在任何制造步骤期间换能器的任何特定定向和/或它在任何封装件中的定向或实际上封装件在任何装置中的定向。因此，所述相对术语应被相应地解释。

应注意，上文提及的实施例例示而非限制本发明，在不偏离随附的权利要求的范围的前提下，本领域普通技术人员将能够设计许多替代实施例。词语“包括”不排除除了权利要求中所列出的元件或步骤以外的元件或步骤的存在，“一”或“一个”不排除多个，且单个特征或其他单元可以实现权利要求中所限定的多个单元的功能。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制它们的范围。

Claims (22)

1.一种MEMS换能器，包括：

一个基底；

一个初级膜，所述初级膜以相对于所述基底固定的关系被支撑；

至少一个次级膜，所述次级膜被设置在一个覆盖所述初级膜的平面中，其中所述次级膜被机械地联接到所述初级膜。

2.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述次级膜通过一个基本刚性的联接结构联接到所述初级膜。

3.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述次级膜通过在所述次级膜和所述初级膜之间延伸的一个或多个联接结构联接到所述初级膜。

4.根据权利要求1所述的MEMS换能器，还包括一个置于所述初级膜和所述次级膜之间的支撑结构。

5.根据权利要求4所述的MEMS换能器，其中所述支撑结构被穿孔以包括从所述支撑结构的上部表面延伸到所述支撑结构的下部表面的多个孔。

6.根据权利要求4所述的MEMS换能器，其中所述支撑结构包括形成至少一个支撑板电极的一个或多个导电元件，每个支撑板电极与所述初级膜或所述次级膜的一个膜电极形成一个电容器。

7.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中第一支撑板电极与所述初级膜的至少一个电极形成一个底部电容器，并且其中第二支撑板电极与所述次级膜的至少一个电极形成一个顶部电容器。

8.根据权利要求7所述的MEMS换能器，其中所述第一支撑板电极和所述第二支撑板电极是电分离的，并且其中初级膜电极被电连接至次级膜电极。

9.根据权利要求8所述的MEMS换能器，其中所述第一支撑板电极的电压被保持在+Vs，所述第二支撑板电极的电压被保持在-Vs，并且其中所述初级膜电极和所述次级膜电极的电压Vm被偏置在0V。

10.根据权利要求6所述的MEMS换能器，其中第一支撑板电极和第二支撑板电极被电连接至彼此，并且其中所述初级膜的膜电极和所述次级膜的膜电极是电分离的。

11.根据权利要求10所述的MEMS换能器，其中所述支撑板电极的电压被偏置在0V，并且所述初级膜的电压被保持在+Vs，所述次级膜的电压被保持在-Vs。

12.根据权利要求10所述的MEMS换能器，其中所述初级膜的膜电极和所述次级膜的膜电极被连接至一个差分放大器的相应的正输入和负输入。

13.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述初级膜和/或所述次级膜包括晶体材料或多晶材料，诸如，氮化硅。

14.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述电极由铝和/或铝硅合金和/或氮化钛形成。

15.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述次级膜被穿孔。

16.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述次级膜不以相对于所述基底固定的关系被支撑。

17.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述次级电极仅经由所述初级膜机械联接到所述基底。

18.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述换能器包括一个电容式传感器，诸如，电容式麦克风。

19.一种电子设备，其包括一个根据权利要求1所述MEMS换能器，其中所述设备是以下中的至少一个：便携式设备；电池供电设备；音频设备；计算设备；通信设备；个人媒体播放器；移动电话；游戏设备；以及语音控制设备。

20.一种形成具有一个基底的MEMS换能器的方法，所述方法包括：

i)在所述基底的一个上部表面中形成一个腔；

ii)将一个聚酰亚胺层施加到所述基底的所述上部表面以填充所述腔；

iii)使所述聚酰亚胺层平面化以给出一个平面表面；以及

iv)在所述平面表面的顶部上形成第一膜材料层。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：

v)将第二聚酰亚胺层施加到所述膜材料层；

vi)使所述第二聚酰亚胺层平面化；

vii)在所述平面表面的顶部上形成一个基本刚性的支撑板。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括：

viii)施加第三聚酰亚胺层以覆盖所述刚性的支撑板；

ix)使所述第三聚酰亚胺层平面化；

x)蚀刻穿过聚酰亚胺以形成延伸到所述膜材料层的上部表面的多个平面间腔；

xi)沉积膜材料以在所述平面间腔内形成侧壁；

xii)用聚酰亚胺填充所述平面间腔并且平面化；以及

xiii)在所述平面表面的顶部上形成第二膜材料层。