CN108017036A - 具有改进灵敏度的压电mems传感器，诸如力、压力、变形传感器或麦克风 - Google Patents

具有改进灵敏度的压电mems传感器，诸如力、压力、变形传感器或麦克风 Download PDF

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Abstract

一种压电型MEMS传感器、具体地麦克风(50)，形成于采用半导体材料的容纳柔顺部分(54)的膜(52)中，该柔顺部分从该膜的第一表面(52a)延伸至第二表面(52b)。该柔顺部分(54)具有低于该膜(52)的其余部分的杨氏模量。具有半导体材料的敏感区域(57)在该柔顺部分(54)上方在该第一表面(52a)上延伸，并且在其端部在所述柔顺部分(54)的相反侧上固定至所述膜(52)上。所述膜的安排在所述柔顺部分(54)与所述第二表面(52b)之间的第三区域(55)形成铰链元件。

Description

具有改进灵敏度的压电MEMS传感器，诸如力、压力、变形传感 器或麦克风
本发明涉及一种具有改进灵敏度的压电型MEMS(微机电系统)传感器，如力传感器、压力传感器、变形传感器或麦克风。在下文中，将具体参考麦克风，而不失一般性。
众所周知，微加工半导体器件的MEMS技术使得能够在半导体材料层内形成微机电结构，这些微机电结构在牺牲层(例如，多晶硅层)上沉积或生长(例如，外延层)，这些牺牲层经由化学蚀刻而被去除。
例如，如图1所示，MEMS麦克风(也称为电声换能器)包括集成在半导体材料的芯片中或芯片上的柔性膜。这里，麦克风1包括由衬底3承载并悬挂在空腔4上方的膜2。如用虚线所表示的，膜2暴露于声波(Patm)下并且由于这些声波所施加的力而偏转。
对膜的偏转的测量可以属于不同的类型，例如，属于压阻类型，并且为此，将压敏电阻器集成在膜中或膜上；属于电容型，并且为此，将膜电容耦合至裸片的另一导电区域；属于电磁型，并且为此，将线圈耦合至磁性区域。在所有情况下，对由于膜的偏转而引起的电信号的变化进行测量。近几年来，还提出了压电型麦克风，其中，利用了压电性，即，某些材料在经受变形时产生电压的能力。
具体地，在压电型麦克风中，采用压电材料(如，AlN和PZT(锆钛酸铅))的敏感区域形成在膜上，在中心位置，受到最大变形并因此受到最大应力。在引起膜的偏转以及因此敏感区域的偏转的声波存在的情况下，这些引起了与所检测到的声波的强度相关的电压变化。连接至MEMS麦克风的接口电路放大所产生的电荷并处理由此产生的信号，从而输出模拟信号或数字信号，该模拟信号或数字信号然后可以由相关联的电子器件的微控制器来处理。
例如在US 8,896,184中描述了并且在图2-4中表示了压电型MEMS麦克风。
图2示出了在上述美国专利中所描述的悬臂梁型的MEMS麦克风5的实施例。麦克风5包括具有空腔7的硅衬底6以及在空腔上方延伸的两个梁8A、8B。每个梁8A、8B在对应侧(右手侧和左手侧)上锚定到衬底6并且由层堆叠形成，该层堆叠例如包括多个压电层10(例如，采用钼)，与多个电极层11(例如采用氮化铝)相交替。电介质层12使梁8A、8B与衬底6电绝缘。
在不同的实施例中，同样是在上述美国专利中所描述并且在图3和图4所示出的，麦克风15包括外围固定至衬底17并悬挂在空腔18上方的膜16。膜16由AlN制成，并且钼电极19、20在膜16的上方和下方均有形成，从而形成两个敏感元件。
这些压电型麦克风通常通过偏转进行工作。这使得位于膜的中心的压电部分比安排在外围的压电部分偏转得更多。实际上，只是压电区域的中心部分以有效的方式工作，而实际上不使用外围部分。
因此，本发明的目的是提供一种以与现有技术解决方案相比更有效的方式运行的压电型传感器。
根据本发明，如在所附权利要求书中所限定的，提供了一种压电MEMS传感器、一种感测方法以及一种制造工艺。
为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
-图1示出了压电型力传感器的简化图；
-图2是已知压电MEMS麦克风的横截面；
-图3是不同的已知压电MEMS麦克风的横截面；
-图4是图3的MEMS麦克风的顶视平面图；
-图5是展示出本发明传感器的工作原理的简化图；
-图6示出了使用图5所示的工作原理的MEMS传感器的可能实现方式；
-图7是使用图5所示的工作原理的麦克风的横截面；
-图8是图7的麦克风的一部分的俯视透视图；
-图9示出了图8的麦克风的放大细节；
-图10-15是图7的麦克风的连续制造步骤中的硅晶片的横截面；
-图16示出了连接至图7的麦克风的前置放大器的简化电路图；
-图17示出了声换能器的框图，该声换能器包括图7的麦克风及图17的前置放大器；
-图18示出了配置有本发明麦克风的电子装置的简化框图；以及
-图19示出了图7的麦克风的不同实施例的细节。
本MEMS传感器基于将作用于其上的横向力转换成纵向拉伸力的原理，所述纵向拉伸力作用于敏感压电材料区域。以均匀的方式将如此转换的力施加于敏感区域的整个或基本上整个体积上，其从而以更有效的方式工作。
这可以采用图5所示的方式来获得。这里，传感器30包括采用压电材料(例如，PZT)的敏感区域31，该敏感区域形成在铰链元件32的上方，该铰链元件在这里通过在其第一端处在O中铰接在一起并在其第二端处固定至敏感区域31的两个臂33来表示。敏感区域31在此被例示为条带，该条带具有与图5中可见的宽度相对应的纵向方向，平行于二维参考系XZ的轴线X。
如图5所示，在垂直于敏感区域31的纵向方向的方向上(平行于Z轴)作用于传感器30上的横向力FT产生了作用在臂32上并且作用用于使臂32的第二端远离彼此的扭矩M。因此，臂32的第二端在敏感区域31上在固定区域中施加纵向力偶FL，该纵向力偶相对于敏感区域30在相反方向上被纵向引导，并且在其纵向方向上“拉”敏感区域30。以这种方式，铰链元件32将横向力FT转换成以均匀的方式施加在敏感区域30的整个体积上的纵向力FL。
上述参考图5描述的原理可以以图6所示的方式在采用半导体材料的MEMS器件中实现。
这里，半导体材料(例如硅)的本体40(具有彼此相反的第一表面40a和第二表面40b)具有从第一表面40a延伸直至接近第二表面40b的柔顺区域41。
柔顺区域41可以是空腔，该空腔可以是空的或填充有具有比本体40的半导体材料更大的弹性系数的材料，例如，氧化硅。
本体40的被安排在柔顺区域41下面在后者的底部与本体40的第二表面40b之间的部分具有比本体40小的厚度以及与空腔41的体积相比较低的顺应性，并形成类似于图5中的铰链元件32的铰链区域45。
敏感区域42(采用压电材料)在柔顺区域41处在第一表面40a上方延伸，并且在其两个相反端处被固定至本体40，在本体40的两部分上相对于柔顺区域41被安排在相反侧上。
因此，类似于针对图5已经描述的，垂直于第一表面40a地作用于本体40上的横向力FT(例如，声波)引起垂直于第一表面40a并在相反的方向上被引导的纵向力偶FL。这些纵向力FL作用用于使本体40的安排在空腔41相反侧上的两个部分以及因此敏感区域42的端部相互远离，从而造成敏感区域42的拉伸变形。由于压电效应，产生可以被测量的电压。
应注意的是，通过适当的调整空腔41和敏感区域42的尺寸，即使空腔41是空的，也可以防止由于纵向力FL而导致的敏感区域42的任何向下挠曲。在这种情况下，例如，空腔41(在平行于X轴的方向上)的宽度可以小于敏感区域42(在平行于Z轴的方向上)的厚度。以这种方式，即，获得了性能增益，因为敏感区域42的电容降低，并且所产生的电荷以及因此电压增大，如下文所讨论的。
图7示出了实施上述参考图5及图6的原理的MEMS传感器(例如麦克风50)的实施例。
详细地，麦克风50包括半导体材料(例如，单晶或多晶硅)的本体51。本体51具有第一表面51a和第二表面51b。
第一表面51a是平面并且平行于笛卡尔参考系统XYZ的平面XY而延伸。第二表面51b不是平面或者在背面存在凹部60。因此，本体50在中心区域(这里形成膜52)中具有较小的深度(在Z方向上)，并且在膜52的外部的区域中具有较大的深度。
例如，膜52可以具有包括在2μm与50μm之间的深度，例如，3μm。本体51的其余部分可以具有硅晶片的典型深度，例如在400μm与720μm之间。
膜52具有从第一表面51a延伸直至接近第二表面51b的多个空腔53。空腔53彼此并排安排，通常彼此间隔均匀的距离，并且可以具有直接横向于所绘制平面的闭合形状(例如，圆形、正方形或多边形)，或者具有细长的形状(例如，直线形，或者是S形或C形)。空腔53在此填充有氧化硅54。
由于硅和氧化硅的不同的弹性特性(氧化硅的杨氏模量EOx＝70GPa，硅的杨氏模量ESi＝160GPa)，膜52在空腔53下面的部分形成类似于图6中的铰链区域45的铰链部分55。这同样受益于以下事实：铰链部分55通常具有比空腔53小、并因此比氧化硅区域54小的深度(在Z方向上)。例如，铰链部分55可以具有包括在0.2μm至10μm之间的深度。在上述的膜(52)具有包括在2μm与50μm之间的深度的假设下，空腔53因此具有包括在0.8μm与49μm之间的深度。
薄的绝缘层56(例如，采用厚度包括在0.1μm与1μm之间的氧化硅)在本体51的第一表面51a上延伸，并且多个敏感区域57在该绝缘层56上延伸。每个敏感区域57在横向方向上安排在对应的空腔53上方，并且具有比相应的空腔53更大的宽度(在X方向上，在所表示的横截面中)。因此，每个敏感区域57(在X方向上，横向于空腔53)的端部在对应的空腔53的相反侧上固定至本体51的第一表面51a上。应注意的是，如果空腔53具有圆形或多边形形状，则敏感区域57可以具有相应的圆形或多边形形状，从而在平面XY中平行于空腔53而延伸。例如，图8以简化方式示出了在具有圆形形状(仅针对四分之一进行了表示)的膜52中的敏感区域57的形状，并且图9示出了图8的放大细节。在这种情况下，空腔53与敏感区域57彼此之间以均匀的距离成形为同心环。
在实施例中，空腔53可以具有大约2μm的宽度(在图7-9的X方向上)，并且敏感区域57可以具有包括在3μm与10μm之间的宽度，例如，4μm。
敏感区域57由包括底部电极61、压电材料区域60(例如，采用PZT(Pb，Zr，TiO3)、AlN、ZnO等等)、以及顶部电极62的堆叠构成。详细地，每个底部电极61直接在绝缘层56上方延伸，并且具有比压电材料区域60更大的面积，这里为在X方向上为更大的长度。每个顶部电极62在对应的压电材料区域60上延伸，并且经由仅示意性表示的导线65而电连接至这两个相邻的敏感区域57之一的底部电极61，这里敏感区域57被安排在右边，从而形成串联连接。该串联的第一敏感区域57(在此该敏感区域57安排在离左边最远)的顶部电极62连接至端子67，该端子进而耦合至仅在本体51的外部或集成在本体中测量元件或器件68(仅示意性的示出)。该串联的最后一个敏感区域57的底部电极61接地，这里敏感区域57安排在离右边最远。
以这种方式，在外部力垂直作用于本体51的第一表面51a的情况下(例如，声波)，由于作用于端子67上的应力而在该端子上产生电压，该电压是在串联连接的所有敏感区域57上产生的电压的总和。
在图10-16中示出并在下文描述了用于制造图7中的MEMS麦克风50的工艺的示例。
详细地，首先，图10，空腔53在硅晶片70中以已知的方式通过化学蚀刻形成，直到达到期望深度(如上所述，包括在例如1μm与49μm之间)。然后，用绝缘材料填充空腔53，例如通过沉积氧化物或热生长以及随后的平坦化(如，化学机械抛光(CMP))。
接下来，图11，绝缘层56被沉积或生长，并且依次沉积：第一导电材料层71，例如，钛(Ti)或铂(Pt)，其厚度包括在大约20nm与100nm之间；压电材料层72，例如，PZT(Pb，Zr，TiO3)，其厚度包括在1.5μm与2.5μm之间，具体地为2μm；以及第二导电材料层73，例如，钌，其厚度包括在大约20nm与100nm之间。
接下来，图12，使用抗蚀剂掩模(未示出)，蚀刻并选择性地去除第二导电材料层73和压电材料层72从而形成顶部电极61和压电材料区域60。
然后，图13，使用抗蚀剂掩模(未示出)，选择性地蚀刻并去除第一导电材料层71从而形成底部电极62。
接下来，图14，沉积并限定钝化层75。钝化层75可以由例如利用PECVD技术沉积的氧化硅SiO2制成，其厚度包括在大约15nm与495nm之间，例如大约300nm。钝化层75在顶部电极61的中心部分处被选择性地去除以形成开口76，并且在底部电极61的突出部分处被选择性地去除以形成开口77。
然后，图15，沉积并限定采用导电材料(例如金属，具体地是钛或金)的连接层78，其厚度包括在大约20nm与500nm之间，例如大约400nm。限定之后，连接层78形成导线65，每条导线的第一端在开口76处与对应的顶部电极61直接接触，并且第二端在开口77处与相邻的底部电极61直接接触。
接下来，如图7所示，从背面蚀刻晶片70从而形成凹部60，并且对其进行划片从而形成多个器件50。
这里所描述的传感器以及相应的制造工艺具有多种优势。
首先，该传感器使得能够以均匀的方式并且在压电材料的敏感区域57的整个体积上施加待测量的力，因此使得能够改进检测效率。
形成各种串联连接的敏感区域57的可能性使得提供了极好的检测灵敏度。
可以使用用于制造MEMS的通用步骤和机器并因此以低成本且可靠的方式来获得传感器。
各个敏感区域的尺寸可以适应于感测需求。例如，通过形成具有非常小面积的敏感区域，可以检测到更小的变形(以及因此小的力或具有低强度的压力和声音)，因为它们是电容元件，并且需要低电荷来充电。
如图16所示，图7的麦克风50可以连接至读前置放大器。这里，该读前置放大器(整体由80指定)基本上由具有反相输入端连接至麦克风50的电荷放大器形成。利用所示的配置，读前置放大器80的输出电压VO与麦克风50的电荷变化ΔQ成比例
VO＝-ΔQ/CF。
如例如图17所示，读前置放大器80输出模拟信号，该模拟信号可以直接用于或可以形成具有数字输出的接口电路85的一部分。在此，接口电路(由85来指定并且被制成为ASIC(专用集成电路))其包括读前置放大器80；模数转换器86(例如，Sigma-Delta类型)被配置为用于接收时钟信号CK以及通过读前置放大器80所放大的信号；参考信号发生器电路87；以及驱动器88，该驱动器被设计成用作模数转换器86与外部系统之间的接口，例如，相关联的电子器件的微控制器。
进一步，接口电路85可以包括(易失性或非易失性)存储器90，例如，从外部可编程的。麦克风50及接口电路85共同形成声换能器90。
有利地，两个不同的芯片集成麦克风50和接口电路85；它们可以借助适当的安排(例如，堆叠或并排安排)而被容置在单个封装体中。
如图18所示，麦克风50、读放大器80、和/或接口电路85可以用于电子器件100中。
电子器件100是例如便携式移动通信设备(诸如手机、PDA、笔记本)、还有语音记录器、具有语音记录能力的音频文件的读取器等等。替代性地，电子器件100可以是声学装置，如，耳机系统、水听器(其能够在水下工作)、或者是助听器设备。
图19中的电子器件100包括微处理器101以及连接至该微处理器101的输入/输出单元103(例如，其具有键盘和显示器)。声换能器90经由信号处理块105(其可以对声换能器90的模拟或数字输出信号执行进一步的处理操作)与微处理器101通信。进一步，电子器件100可以包括扬声器106(用于在音频输出(未示出)上产生声音)以及内部存储器107。
最终，清楚的是，可以对本文中所描述和展示的MEMS传感器及相应的制造工艺进行修改和改变，而不会由此脱离如在所附权利要求书中所限定的本发明的范围。
例如，MEMS传感器可以用于检测不同类型的负载和/或变形。
区域60可以采用根据需要从具有压电属性的材料中所选择的材料。
该一个或多个空腔53可以是空的，如所描述的。在这种情况下，如果有必要，则支撑结构(桥状物)可以设置在本体51的表面上方，以支撑敏感区域57。
柔顺部分54可以采用与氧化硅不同的材料，例如不同的半导体材料或绝缘材料(例如，诸如环氧树脂的聚合物)；替代性地，其还可以由以特定方式处理的硅(如多孔硅)制成，该硅的杨氏模量比单晶/多晶硅的杨氏模量低的多。
如果制造工艺这样允许，则可以在形成敏感区域57之前制成膜52背面上的凹部60。替代性地，代替设置凹部60，可以以均匀的方式来将硅晶片70薄化到期望的厚度。
进一步地，铰链部分55可以采用与膜52的其余部分不同的材料，例如采用TiW，该材料具有非常高的杨氏模量。在这种情况下，作为如图10所示方案的替代方案，在形成空腔53(其具有比在图7-15中所示的更大的深度)之后，这些最初在底部填充以TiW或其他具有高杨氏模量的材料(因此形成铰链区域55’)，并且然后完全填充以柔顺区域54的材料。如图19的放大细节中所示，在已经形成敏感区域52和导线65之后，这里进行回蚀刻直到达到铰链区域55’。

Claims (19)

1.一种压电MEMS传感器(50)，包括：
半导体材料的膜(52)，所述膜具有第一和第二表面(52a，52b)；
在所述膜内的柔顺部分(54)，所述柔顺部分从所述膜的所述第一表面(52a)延伸到所述第二表面(52b)，并且将所述膜的第一区域与第二区域分离开，所述第一和第二区域安排在所述柔顺部分的不同侧上，所述柔顺部分(54)具有低于所述膜(52)的所述第一和第二区域的杨氏模量；以及
包括压电材料的敏感区域(57)，所述敏感区域在所述柔顺部分(54)上方在所述第一表面(52a)上延伸，并且具有固定至所述膜(52)的所述第一区域的至少一个第一部分以及固定至所述膜的所述第二区域的一个第二部分，
其中，所述膜的安排在所述柔顺部分(54)与所述第二表面(52b)之间的第三区域(55；55’)形成铰链元件。
2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述柔顺部分(54)包括在所述膜(52)中的空腔(53)。
3.根据权利要求2所述的MEMS传感器，其中，所述空腔(53)填充有具有低于所述半导体材料的杨氏模量的柔顺材料(54)。
4.根据权利要求3所述的MEMS传感器，其中，所述柔顺材料选自诸如氧化物或环氧树脂等介电材料、与所述膜的所述半导体材料不同的半导体材料、以及多孔半导体材料。
5.根据以上权利要求中任一项所述的MEMS传感器，包括在所述膜(52)中彼此相邻安排的多个另外的柔顺部分(54)、以及在对应的另外的柔顺部分(54)上方在所述第一表面(52a)上延伸的相应多个另外的敏感区域(57)，所述另外的敏感区域各自在所述对应的另外的柔顺部分的相反侧上固定至所述膜(52)。
6.根据权利要求5所述的MEMS传感器，其中，所述敏感区域(57)以及所述多个另外的敏感区域(57)串联连接在一起。
7.根据权利要求5或6所述的MEMS传感器，其中，每个敏感区域(57)包括层堆叠，所述层堆叠包括第一电极(61)、压电材料区域(60)和第二电极(62)，所述多个另外的敏感区域中的敏感区域(57)的所述第一电极(61)连接至所述多个另外的敏感区域的相邻敏感区域(57)的所述第二电极(62)。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的MEMS传感器，其中，所述柔顺部分(54)、所述另外的柔顺部分(54)、所述敏感区域(57)以及所述另外的敏感区域(57)沿闭合线延伸。
9.根据权利要求8所述的MEMS传感器，其中，所述柔顺部分(54)、所述另外的柔顺部分(54)、所述敏感区域(57)以及所述另外的敏感区域(57)沿同心圆延伸。
10.如以上权利要求中任一项所述的MEMS传感器，形成在包括以下各项的组中所选择的传感器：压力传感器、力传感器、麦克风、负载传感器以及变形传感器。
11.如以上权利要求中任一项所述的MEMS传感器，其中，所述铰链元件(55’)采用与所述膜(52)的所述第一和第二区域的所述材料不同并且具有比所述柔顺区域(54)更大的杨氏模量的材料。
12.一种声换能器(90)，包括根据以上权利要求中任一项所述的MEMS传感器(50)。
13.一种电子器件(100)，包括微处理器控制单元(101)，包括根据权利要求10所述的声换能器(90)，所述声换能器连接至所述微处理器控制单元。
14.一种用于根据压电原理来检测力或变形的方法，所述方法包括检测横向于MEMS传感器(50)起作用的力，所述MEMS传感器包括：半导体材料的膜(52)，所述膜具有第一和第二表面(52a，52b)；在所述膜内的柔顺部分(54)，所述柔顺部分从所述膜(52)的所述第一表面(52a)延伸到所述第二表面(52b)，并且将所述膜的第一区域与第二区域分离开，所述第一和第二区域安排在所述柔顺部分(54)的不同侧上，所述柔顺部分具有低于所述膜的所述第一和第二区域的杨氏模量；以及包括压电材料的敏感区域(57)，所述敏感区域在所述柔顺部分(54)上方在所述第一表面(52a)上延伸，并且具有固定至所述膜的所述第一区域的至少一个第一部分以及固定至所述膜的所述第二区域的一个第二部分，所述膜(52)的安排在所述柔顺部分(54)与所述第二表面(52b)之间的第三区域(55)形成铰链元件，所述力在横向于所述第一表面的方向上起作用，
其中，检测包括：
将所述横向力转换成在相反方向上分别在所述敏感区域(57)的所述第一和第二部分上起作用的拉伸力；以及
在所述敏感区域上测量可随着所述横向力变化的电力量。
15.一种用于制造MEMS传感器的工艺，所述工艺包括：
形成半导体材料的膜，所述膜具有第一和第二表面；
形成在所述膜内的柔顺部分，所述柔顺部分从所述膜的所述第一表面延伸到所述第二表面，并且将所述膜的第一区域与第二区域彼此分离开，所述第一和第二区域安排在所述柔顺部分的不同侧上，所述柔顺部分具有低于所述膜的所述第一和第二区域的杨氏模量；
形成包括压电材料的敏感区域，所述敏感区域在所述柔顺部分上方在所述第一表面上延伸，并且所述敏感区域具有固定至所述膜的所述第一区域的至少一个第一部分以及固定至所述膜的所述第二区域的一个第二部分；以及
在所述膜的安排在所述柔顺部分与所述第二表面之间的第三区域中形成铰链元件。
16.根据权利要求15所述的工艺，其中，形成柔顺部分(54)包括在所述膜(52)中形成空腔(53)。
17.根据权利要求16所述的工艺，包括：在所述膜(52)中形成空腔(53)的步骤之后，用具有低于所述半导体材料的杨氏模量的柔顺材料来填充所述空腔。
18.根据权利要求17所述的工艺，包括：在所述膜(52)中形成空腔(53)之后且在用柔顺材料填充所述空腔之前，形成采用具有大于所述柔顺材料的杨氏模量的材料的所述铰链元件(55’)。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的工艺，其中，形成膜(52)包括：至少局部地薄化半导体材料的晶片(70)以及形成敏感区域(57)，薄化在形成柔顺部分(54)之前或之后进行。
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