CN109691133B - Mems换能器、电子设备和集成电路 - Google Patents

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Abstract

本申请描述了MEMS换能器，包括：一个柔性膜层，所述柔性膜层沿着至少一个支撑边缘以相对于基底固定的关系被支撑，其中穿过所述膜层设置多个缝。所述缝限定多个梁。每个梁限定一个路径，所述路径位于所述梁的第一端点和第二端点之间，所述路径包括至少一个方向改变。还描述了换能器，其中所述膜层沿着多个支撑边缘以相对于基底固定的关系被支撑，所述多个支撑边缘限定一个大体上由所述支撑边缘定界的膜区域。

Description

MEMS换能器、电子设备和集成电路
技术领域
本发明涉及微机电系统(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或扬声器。
背景技术
各种MEMS设备正变得越来越受欢迎。MEMS换能器(包括 MEMS电容式传感器(诸如，麦克风)和电容式输出换能器(诸如，扬声器))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制造方法所形成的换能器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，例如，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所生成的压力差而自由移动。第一电极102机械地联接至该柔性膜，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机械地联接至大体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所示出的实施例中，第二电极103被嵌入在背板结构104中。
在使用中，响应于对应于入射在麦克风上的压力波的声波，该膜从其平衡位置略微变形。下部电极103和上部电极102之间的距离对应地更改，引起这两个电极之间的电容的改变，该改变随后由电子电路系统 (未示出)检测。
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所形成的上部氧化物层106和下部氧化物层 107。该基底中以及任何覆盖层中的腔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连接到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，从而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。
可以在制造过程期间使用第一牺牲层来形成第一腔109，即，使用一种材料来限定随后可以被去除的第一腔，且将膜层101沉积在第一牺牲材料上方。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。相反，由第一腔109的直径(其进而由第一牺牲层的直径来限定)结合第二腔110的直径(其进而可以由第二牺牲层的直径来限定)来限定膜的直径。相较于使用湿蚀刻或干蚀刻所执行的背部蚀刻过程所形成的第一腔109的直径，可以更精确地控制使用第一牺牲层所形成的第一腔109的直径。因此，蚀刻基底腔108将在膜101下面的基底的表面中限定一个开口。
用来限定第一腔和第二腔的牺牲材料被设定尺度，以便在膜层101 和基底105之间以及也在膜层101和背板104之间提供期望的平衡分离，以便在使用中提供良好的灵敏度和动态范围。在正常操作中，膜可以在由第一腔和第二腔限定的容积内变形而不接触背板和/或基底105。
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。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，这减小例如由温度变化等引起的低频压力变化的影响，但不会显著影响在期望的声学频率下的灵敏度。
如所提到的，可以通过将至少一个膜层101沉积在第一牺牲材料上方来形成膜。以此方式，(一个或多个)膜层的材料可以延伸到支撑膜的支撑结构(即，侧壁)内。可以由彼此大体上相同的材料形成膜和背板层，例如膜和背板均可以通过沉积氮化硅层来形成。膜层可以被设定尺度以具有所需的弹性，而背板可以被沉积成更厚，从而具有更刚性的结构。此外，在形成背板104时可以使用多种其他材料层，以控制背板的属性。使用氮化硅材料系统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成使得经由背板接收入射声音。在这样的情况下，在背板104中布置另外的多个孔(在下文中称为声学孔112)，以便允许空气分子自由移动，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通常被称为“后容积(back volume)”，且它可以基本上被密封。
在其他应用中，麦克风可以被布置成使得可以在使用时经由基底腔 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，该另一容积可以大体上被密封以提供后容积。在这样的情况下，基底腔108通常被称为“前容积”。
还应注意，虽然图1示出背板104被支撑在膜的、与基底105相对的一侧上，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，而膜层101被支撑在背板104上方。
本领域技术人员将理解，MEMS换能器通常被形成在晶片上，之后被单独分开(singulate)。越来越多地提出，至少某个电子电路系统 (例如，用于换能器的驱动和/或读出)也被设置为具有换能器的集成电路的一部分。例如，MEMS麦克风可以被形成为具有至少某个放大器电路系统和/或用于使麦克风偏置的某个电路系统的集成电路。换能器和任何电路系统所需的区域的占地面积将确定在一个给定的晶片上可以形成多少个设备，从而影响MEMS设备的成本。因此，一般期望减少在晶片上制造MEMS设备所需的占地面积。
已经提出许多膜设计，所述膜设计更有效率地使用大致正方形膜区域或矩形膜区域而不是圆形区域。这有益地导致在制造期间硅晶片的更有效率的使用。
另外，为了适合于用在便携式电子设备中，电容式换能器应优选地能够耐受对便携式设备的预期处置和使用，对所述便携式设备的预期处置和使用可以包括该设备被意外掉落。如果设备(诸如，移动电话)经受坠落，这不仅会导致由于撞击而产生的机械冲击，而且还会导致入射在MEMS换能器上的高压力脉冲。例如，移动电话可能在设备的一个面上具有用于MEMS麦克风的声音端口。如果该设备在该面上坠落，则一些空气可以被坠落中的设备压缩，且被迫进入声音端口中。这会导致入射在换能器上的高压力脉冲。已经发现，在常规MEMS换能器中，高压力脉冲可以潜在地导致换能器损坏。
此外，甚至在处于平衡时，应力可以在膜层中出现，例如在制造时在沉积期间由于热效应和化学效应。特定量的应力在增强膜的弹性方面从而在增强麦克风机械灵敏度方面是有益的。然而，附加的应力可以遍布该膜发生或特别是遍布多个区域发生，例如由于以相对于基底固定的关系支撑该膜的方式，其也可以导致膜故障或损坏。根据本发明的 MEMS换能器意在对声学压力波做出响应，所述声学压力波显现为膜表面上的瞬态应力波，所述瞬态应力波尤其在高压力脉冲期间也提供附加的应力分量。因此，将理解，在处于平衡时在膜层内表现出的任何应力可以潜在地有害地影响换能器的性能或稳健性。
发明内容
本发明的实施方案总体上涉及改进换能器结构的效率和/或性能。本发明的多个方面还涉及减小膜层内的应力和/或重新分布膜层内的应力，以改进换能器的恢复力和/或稳健性。附加地或替代地，本发明的多个方面涉及改进晶片制造技术的空间效率。
根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS换能器，包括：一个柔性膜层，所述柔性膜层沿着至少一个支撑边缘以相对于基底固定的关系被支撑，其中多个缝被设置为在所述支撑边缘和所述膜层的中心区域之间穿过所述膜层，所述缝限定多个梁，每个梁限定一个路径，所述路径位于所述梁的第一端点和第二端点之间，所述路径包括至少一个方向改变。
优选地，所述缝被设置在所述膜层的位于所述支撑边缘和所述膜的中心区域之间的一个区域(一个应力释放区域)中。因此，所述缝可以被认为设置在所述膜的所述支撑边缘的侧向内部，或可以被认为设置在所述膜的每个支撑边缘的侧向内部。优选地，所述缝被设置在一个接近或邻近所述支撑边缘的区域中。此缝区域可以位于膜的覆盖所述基底的腔的区域的侧向外部。因此，所述缝可以被形成在膜的覆盖换能器基底的区域中。所述缝可以通过蚀刻穿过所述膜层的工艺来形成。
根据本发明的第一方面的实施方案，所述多个缝有效地限定膜材料的“梁”。所述梁的侧边因此大体上由延伸穿过所述膜材料的缝限定或定界。应理解，所述缝可以包括能够互连的多个缝部分。
根据本发明的第一方面的多个实施方案，所述梁可以被认为限定一个在梁的第一端点和第二端点之间延伸的路径，其中所述路径包括至少一个“弯曲部”或方向改变。因此，由所述梁所限定的路径不是笔直的。所述梁的路径方向可以被认为包括x方向和/或y方向的改变，其中膜的平面被限定在xy平面内。
膜材料的梁可以被认为充当应力缓解结构。优选地，所述梁允许通过所述梁的变形来释放膜材料内出现的应力。实际上，仿真示出了沿着由邻近的一对缝所限定的膜材料的梁出现的一系列应力集中区域，以及恰在膜材料的梁外部的一系列应力减小区域。因此，穿过所述膜层设置的缝有利地用于以受控的方式改变在所述膜层中出现的局部应力分布。以此方式控制应力有利地改善了对弹性的控制，从而改善了膜的灵敏度，因为根据一些实施例，应力被示出为在膜的中心区域处更均匀地分布。膜的顺应性和/或弹性从而可以被有益地增强。
设置限定具有至少一个方向改变的路径的梁也可以增强梁的柔性，即，它们挠曲以缓解应力的能力。应理解，所述梁的弯曲部或路径方向改变有利地允许所述梁的长度增加，而不产生延伸到膜的覆盖所述基底的腔的区域内的缝。所述梁的较长的有效长度也有助于使膜与由于制造工艺或机械冲击所造成的基底的机械扭曲在机械上断开联系。
根据本发明的优选实施方案，由所述缝限定的膜材料的多个梁有利地用于改善膜材料在支撑边缘附近的顺应性和/或弹性。
根据一个实施方案，所述梁限定一个路径，所述路径包括第一部分和第二部分，所述第一部分在大致横向于支撑边缘的方向上延伸，所述第二部分在大体上平行于支撑边缘的方向上延伸。根据一个实施方案，所述梁可以被认为由至少三个部分组成，所述至少三个部分接合在一起，以形成大致S形梁或Z形梁。根据另一实施方案，所述梁可以形成V 形状或倒转的V形状(人字形)。
因此，所述梁可以由多个大致笔直的部分组成，或可以由一个或多个大致弯曲的部分组成。所述梁的第一部分和第二部分可以彼此间隔，并且可以在相对于支撑边缘的横向方向上延伸。所述第一部分和第二部分可以通过连接部分接合，该连接部分可以在所述第一部分和第二部分之间正交地延伸或在所述第一部分和第二部分之间以一角度延伸(例如，以给出“Z”形状)。所述第一部分和第二部分延伸的总横向距离可以被认为限定所述梁的长度L。可以大体上相同的多个梁能够沿着可以大体上平行于支撑边缘限定的线以规则间隔P定位。
虽然缝有效地将所述膜的一部分与所述膜的其余部分分离，但是所述缝优选地被设定尺度，以使得所述膜的由所述缝限定的所述部分不充当一个由于横跨所述膜的压力差而变形的折板(flap)。
支撑边缘可以被认为包括一个线区段，膜层沿着所述线区段以相对于基底固定的关系被钉住、安装或锚固。优选地，所述支撑边缘通过一个或多个安装结构(诸如，多个柱形物)以相对于基底固定的关系被保持，所述一个或多个安装结构有效地将膜直接地或间接地固定或钉住到基底。所述安装结构从而优选地被配置为限定一支撑边缘。
所述支撑边缘的位置从而在膜层内有效地限定边界。此边界将变成所述换能器的一个主膜区域的边界。所述主膜区域可以被认为是所述换能器的“有效(active)”膜区域，即换能器膜层的被用于感测和/或是动态的区域。例如，在包括根据本发明的一方面的一个实施方案的 MEMS换能器的麦克风设备的情况下，所述有效膜区域是膜层的能够响应于声学激励而做出响应(即，偏转)的区域。
因此，所述膜区域的形状可以通过由支撑边缘或固定边缘形成的边界而被至少部分地限定。因此设想到，所述主膜区域/有效膜区域可以被限定在较大的沉积膜层的占地面积内。
所述膜区域也可以由一个或多个另外的边缘定界，所述一个或多个另外的边缘未被支撑，从而可以被认为是膜的“自由”边缘或“未固定”边缘。所述未固定边缘潜在地能够在柔性膜响应于横跨膜的声学压力差而偏转时相对于基底移动。所述未固定边缘可以例如由沉积膜层的边缘限定。附加地或替代地，一个未固定部分可以被设置在邻近的支撑边缘之间。
根据本发明的多个实施方案，所述多个缝优选地不与所述膜区域的任何边缘相交，从而被完整地设置在所述膜区域内。
所述主膜区域或有效膜区域的形状可以是大致圆形的。所述支撑边缘或所述支撑边缘中的每个可以限定形状为大致圆形的膜区域。圆形的膜区域可以由单个支撑边缘限定，使得围绕所述膜区域的大体上整个周界，所述膜区域被紧固而没有任何未固定部分。多个缝/梁的设置有利地用来重新分布和/或释放在膜区域的周界附近出现在膜层内的应力和/ 或改善这样的圆形设计的柔性和/或弹性从而改善这样的圆形设计的稳健性，这也提供良好的性能特性。
替代地，圆形膜区域可以由多个支撑边缘限定，所述多个支撑边缘具有置于邻近的支撑边缘之间的至少一个未固定部分。一个或多个未固定区域的范围可以是相对小的，使得膜仍然几乎/大体上围绕整个周界被紧固。此布置的益处是膜区域仍然围绕大体上整个周界保持就位，这使得膜层内的应力能够均匀地分布，从而意味着所得到的换能器表现出良好水平的稳健性，同时未固定部分进一步增强柔性，从而增强膜承受应力的能力。
支撑边缘形成膜区域的边界边缘，所述边界边缘的形状可以是大致正方形或矩形。因此，膜层沿着所述边界边缘的大体上整个长度固定到基底。因此，膜区域的几乎整个边界被固定到基底。然而，膜层的一个或多个未固定部分可以沿着边界设置。因此，膜层可以包括设置在邻近的支撑边缘之间的至少一个未固定部分。
包括具有大致正方形或矩形形状的膜的根据本发明的第一方面的换能器配置将受益于硅晶片在制造期间的更有效率的使用。此外，膜区域的边界边缘被固定的特征有利地用于均匀地分布在膜层中出现的应力，而限定多个弯曲弯曲部的多个缝产生了一个具有膜的增强的弹性和 /或顺应性的实施方案。
根据本发明的第二方面，提供了一种MEMS换能器，包括：一个柔性膜层和一个基底，其中所述膜层沿着多个支撑边缘以相对于所述基底固定的关系被支撑，所述多个支撑边缘限定一个大体上由所述支撑边缘定界的膜区域。
所述膜层还可以包括至少一个未固定部分，所述至少一个未固定部分设置在邻近的支撑边缘之间。所述邻近的支撑边缘彼此大体上正交或至少横向于彼此设置，使得可以绘制与一个所述邻近的支撑边缘重合的线，所述线将在一顶点处与绘制的与另一所述邻近的支撑边缘重合的线相交，其中所述未固定部分被设置在所述顶点处或附近。
因此，尽管膜区域由支撑边缘大体上定界，但是应理解，支撑边缘不需要围绕该膜区域形成完整的未断开的边界。更确切地，膜层可以在设置于邻近的支撑边缘之间的一个或多个未固定部分处相对于基底未固定。优选地，未固定部分是相对小的，使得膜区域的整个边界的长度的至少75％、优选地至少85％且甚至更优选地至少90％以相对于基底固定的关系被支撑。
此布置的优点是膜区域围绕区域的大体上整个周界保持就位，这使得膜层内的应力能够沿着支撑边缘更均匀地分布，从而意味着所得到的换能器表现出良好水平的稳健性。设置一个或多个相对小的未固定部分用于允许膜更自由地移动。结果，根据设置一个或多个未固定部分的优选实施方案，可以实现对于一个给定的压力差，由换能器表现出的电容改变的增加。
未固定部分还允许原本可能出现在膜区域的顶点附近的膜应力集中被缓解，因为膜周界的未固定部分甚至比该周界的由梁进行柔性支撑的部分更自由地扭曲。
优选地，所述膜层包括四个支撑边缘和四个顶点，所述支撑边缘限定一个具有大致正方形或矩形形状的膜区域，且其中在所述顶点中的每个处设置一个未固定部分。
优选地，在膜区域中设置多个缝，所述缝限定多个梁。优选地，所述缝被设置在膜的位于支撑边缘和膜层的中心区域之间的区域中。优选地，所述缝被设置在靠近或邻近支撑边缘的区域中。此缝区域可以位于膜的覆盖基底腔的区域的侧向外部。因此，所述缝可以被形成在膜的覆盖换能器基底的区域中。
再次，所述缝有效地限定在一对缝(或由多个互连缝形成的一对通道)之间延伸的膜材料“梁”。根据本发明的第二方面的实施方案，所述梁可以限定笔直的路径。因此，所述梁可以限定仅在第一方向(例如，横向于支撑边缘的方向)上延伸的路径。限定笔直的梁的缝的形式可以是弯曲的或弓形的。因此，所述缝可以是C形的或U形的，且可以弯曲至少180度，以在所述缝的端部之间限定嘴部或开口。因此，笔直的梁被形成在邻近的U形缝的邻近的叉状部(prong)之间。优选地，弯曲缝的嘴部背离由支撑边缘限定的边界，且弯曲缝的嘴部通过缝与安装结构的区域分离。
虽然缝有效地将膜的一部分与膜的其余部分分离，但是所述缝优选地被设定尺度，以使得膜的由缝限定的部分不充当由于横跨膜的压力差而变形的折板。因此，缝的定界曲线内的部分可以响应于横跨膜的压力差而表现出远离膜的平面的最小偏转。
替代地，所述梁可以限定一个路径，所述路径在所述梁的第一端点和第二端点之间延伸，其中所述路径包括至少一个“弯曲部”或方向改变。因此，根据第二方面的一个实施方案，由所述梁限定的路径不是笔直的。所述梁的路径方向可以被认为包括x方向和/或y方向的改变，其中膜的平面被限定在xy平面内。
因此，根据本发明的第二方面的实施方案，膜区域(其可以是有效膜区域)的总体形状由多个支撑边缘或固定边缘定界/限定。因此，每个支撑边缘表示一个线，膜层沿着该线相对于基底固定，从而形成膜区域的边界。
大致正方形或矩形形状的膜区域例如从而将由至少四个纵向支撑边缘形成。一个支撑边缘可以被认为包括一个线区段，膜层沿着该线区段以相对于基底固定的关系被钉住、安装或锚固。
正方形/矩形膜区域也可以包括不同于四个纵向边缘的边界边缘。例如，考虑已经在拐角中的一个或多个处被截头以代替顶点而提供小平面(facet)的正方形膜区域。一个完全截头的正方形将具有8个边缘。膜可以表现出所谓的浅截头，使得4个较长边缘在较短截头边缘之间延伸。优选地，较长边缘是本发明的支撑边缘，从而以相对于基底固定的关系被支撑。截头边缘可以包括未固定边缘，特别是如果截头是相对浅的。替代地，截头边缘也可以相对于基底被钉住。
包括具有大致正方形或矩形形状的膜的根据本发明的第二方面的实施方案的换能器配置将受益于硅晶片在制造期间的更有效率的使用。
所述换能器可以包括背板结构，其中柔性膜层相对于所述背板结构被支撑。所述背板结构可以包括延伸穿过所述背板结构的多个孔。
所述换能器可以是诸如麦克风的电容式传感器，或可以是扬声器。因此，所述MEMS换能器还可以包括耦合到主膜区域/有效膜区域的电极。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声音端口(声学端口)的封装件内。所述换能器可以被实施在电子设备中，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。
根据另一方面，提供了一种晶片，所述晶片包括至少一个体现本发明的任何方面的换能器。优选地，所述晶片是硅晶片，且包括在所述晶片上设置换能器的换能器区域。通常硅晶片的换能器区域的形状是正方形或矩形。因此，当制造具有一个或多个MEMS换能器的硅晶片时，提供具有大致正方形或矩形形状的膜区域的本发明的实施方案是特别有利的，因为应理解，对于给定的换能器灵敏度，这样的设计相较于等效圆形设计需要较小面积。
任何给定方面的特征可以与任何其他方面的特征组合，且在本文中描述的多种特征可以以任何组合实施在一个给定的实施方案中。
为以上方面中的每个提供了相关联的制造MEMS换能器的方法。
附图说明
为了更好地理解本发明，且为了示出如何有效地实施本发明，现在将仅通过实施例的方式参考附图，在附图中：
图1a和图1b例示已知的MEMS麦克风结构的截面视图和立体视图；
图2例示根据第一示例实施方案的换能器结构的膜；
图3a至图3d例示形成膜材料的多个梁的多种缝配置；
图4例示先前考虑的换能器结构的膜；
图5例示根据第二实施方案的换能器结构的膜；
图6例示根据第三示例实施方案的膜的截面；
图7例示在一个晶片上形成多个换能器。
贯穿本说明书中，任何类似于其他图中的特征的特征已经被给予相同的附图标记。
具体实施方式
应理解，MEMS换能器的膜层经受应力。当材料的原子由于力的作用而从它们的平衡位置移位时，该材料被认为处于应力下。因此，增加或减小膜层的原子之间的原子间距离的力在膜内引起应力。例如，当处于平衡时(即，当横跨膜未出现差压或出现可忽略差压时)，膜层表现出内在的或固有的残余应力。此外，附加应力可能出现在膜层中，例如由于膜以相对于基底固定的关系被支撑的方式或由于入射在膜上的声学压力波。
图2例示本发明的第一方面的一个实施方案。如图2中示出的，柔性膜层301通过多个安装结构306以相对于基底固定的关系被支撑。安装结构的布置有效地限定圆形膜区域310，该圆形膜区域310可以被认为由多个支撑边缘303定界。多个未定界的部分307被设置在邻近的支撑边缘303之间。在此具体实施例中，该圆形膜区域被限定在较大的膜层内。然而，可以使用钉在周界处的圆形膜层来提供具有类似配置的膜区域。
根据本发明的一个实施方案，在支撑边缘和膜层的中心区域之间穿过膜层提供多个缝311(未示出)。缝区域也称为应力释放区域，在图 2中由区域308表示。应理解，区域308将类似地邻近支撑边缘303中的每个设置。因此，缝可以被认为在靠近或邻近支撑边缘的区域中，设置于膜的支撑边缘的侧向内部。此缝区域可以优选地位于膜的覆盖基底腔309的区域的侧向外部。因此，缝可以被形成在膜的覆盖换能器基底的区域中。可以通过蚀刻穿过膜层的工艺来形成缝。在膜的覆盖换能器基底的区域中设置缝产生一个相对窄的通道，该相对窄的通道横跨第一腔的一部分从基底腔侧向地延伸到每个缝的至少大部分。此相对曲折的路径提供声学阻抗，该声学阻抗使原本可能穿过缝发生的任何泄漏气流衰减，从而绕开膜的主区域且使灵敏度降级。此外，使梁结构本身有利地与原本可能倾向于损坏它们的高压力脉冲物理地屏蔽。
在图3b至图3d中例示了缝311的若干配置，每个图示出膜层的一部分的展开视图。穿过膜设置多个缝311形成在一对缝(或由多个互连的缝形成的一对通道)之间延伸的膜材料的多个“梁”312。缝通常小于1μm宽。可以认为梁形成应力释放结构，该应力释放结构整体形成在膜层内。
图3a示出大致U形的缝结构。
图3b示出根据本发明的一个优选示例实施方案的缝形态。多个缝 311形成膜材料的多个梁312，每个梁限定第一端点E1和第二端点E2 之间的路径且包括两个“弯曲部”或方向改变。
根据图3b的实施例，梁312限定并非笔直的路径，从而包括至少一个“弯曲部”。如图3b中示出的，梁限定一个路径，该路径包括在横向于支撑边缘的方向T1上延伸的第一横向部分、在大体上平行于第一横向部分的方向T2上延伸的第二横向部分、以及在大体上平行于支撑边缘或正交于第一横向部分和第二横向部分的方向O上延伸的第三连接部分。根据一个替代实施方案，该连接部分可以在第一部分和第二部分之间以一角度延伸(例如，以给出“Z”形状)。应理解，梁的不同部分之间的方向上的弯曲部或方向改变可以是大致圆形的，和/或梁可以包括S形状，其中路径是弯曲的且路径方向在梁的整个长度上改变。
可以认为，第一部分和第二部分延伸的总横向距离限定梁的长度L。在此实施方案中大体上相同的多个梁沿着可以大体上平行于支撑边缘 303限定的线以规则间隔定位。间隔距离P在邻近的梁的对应部分之间延伸。
穿过膜层设置的缝有利地用于以受控的方式改变和/或释放在膜层内出现的局部应力分布。以此方式控制应力有利地改善对膜的灵敏度的控制，根据一些实施例，应力被示出为更均匀地分布在膜的中心区域处。因此，可以有益地增强膜的顺应性和/或弹性。
应理解，在本发明的范围内设想许多缝布置，所述缝布置导致形成多个梁，所述梁限定具有至少一个方向改变的路径。图3c和图3d示出根据本发明的示例实施方案的另外的缝形态。
图3c例示多个缝的另一布置，所述多个缝在缝区域或应力释放区域处被蚀刻到柔性膜层中，以形成多个V形或“人字形”梁。梁限定一个路径，该路径具有如由箭头指示的想象方向且包括端点E1和E2之间的方向改变。每个梁被形成在一对邻近的缝之间，而梁的端点与膜的其余部分直接连接。因此，此实施例提供与梁的长度相比相对浅的弯曲部。(暗线指示膜层内的蚀刻。)
应理解，梁内的每个弯曲部或方向改变可以有利地增加梁结构的柔性。图3d示出一个梁结构，该梁结构可以被认为遵循如由箭头指示的直线路径方向。可以看出，该直线路径包括四个弯曲部B或方向改变。
在诸如上文关于图1a和图1b所描述的换能器中，膜层由诸如氮化硅的材料形成，且可以被沉积为在平衡时在膜中具有内在残余应力。膜被形成，以便大体上围绕整个其周界被支撑。因此，可以认为膜处于张力下，类似于在框架之上拉伸的鼓皮。为了提供一致的行为和均匀的应力分布，膜从而通常被形成为大致圆形的结构。
由于各种原因，在大致矩形的方块区域中处理硅区域是最常见和/ 或成本有效的。因此，为每个MEMS换能器指定的硅晶片上的区域的形状通常是大致正方形的或矩形的。此区域需要足够大，以包围大致圆形的换能器结构。这在硅晶片的使用方面倾向于是效率低的，因为此指定的换能器区域的拐角区域实际上未被使用。这限制了可以在一个给定晶片上所制造的换能器结构和电路的数目。当然，将可以通过减小换能器的尺寸而在晶片上适配更多的换能器，但是这将对所得到的灵敏度产生任何影响，因此是不期望的。
虽然大体上圆形的膜常常表现出良好的设备属性，但是圆形膜的使用趋向于导致硅晶片的使用的效率低。
因此，已经提出基于具有大致矩形或正方形的区域的膜的换能器设计。图4示出先前考虑的具有膜层300的换能器，该膜层表现出截头正方形形状。该膜层被设置有通道302，所述通道302限定主膜区域301。该主膜区域由沿着膜层的截头边缘设置的四个支撑边缘303定界。沿着这些边缘，一系列安装件306以相对于下面的基底的固定的关系支撑膜层301。膜区域301也通过由通道301所形成的未固定边缘定界。基底被设置有腔310，该腔310位于膜区域301的中心部分下面。膜区域301 从而形成膜的被用于感测的有效区域。
尽管图4的设计在制造期间在更有效率地使用硅晶片方面提供了明显的益处，但是仍然期望改善换能器的总体稳健性和/或性能。
图5示出了根据本发明的第二示例实施方案的换能器的膜。大致正方形形状的膜层301通过多个安装结构306以相对于下面的基底固定的关系被支撑。所述安装结构沿着该膜层的每个侧边的大体上整个长度设置。因此，在此实施例中，该膜层包括四个支撑边缘303。该膜层被设置有多个缝401，所述多个缝401被设置在邻近的每个支撑边缘设置的区域308中。通过蚀刻穿过膜层的工艺来形成缝图案。缝区域308位于膜的覆盖基底腔309的区域的侧向外部。因此，缝被形成在膜的覆盖换能器基底的区域中。
根据此实施方案，该膜层沿着多个支撑边缘303以相对于基底固定的关系被支撑，所述多个支撑边缘303限定大体上由支撑边缘定界的膜区域310。成对的邻近的支撑边缘在一个顶点处重合，在该意义上来说，可以绘制与每个支撑边缘重合的一条线，当被外推时，该线将与所绘制的与一个邻近的支撑边缘重合的类似外推的线相交。
在此实施例中，膜层在顶点区域处不以相对于基底固定的关系被支撑。因此，膜层包括四个未固定部分307，所述未固定部分307被设置在邻近的支撑边缘之间。沿着膜区域的侧边的长度以一间隔M规则地设置安装结构。可以看出，一个支撑边缘上的端部安装结构与一个邻近的支撑边缘上的端部安装结构之间的间隔距离大于M。因此，间隔M 在膜的拐角处断开，且间隙被设置在邻近的安装结构之间，该间隙在拐角处邻近的安装结构之间产生一间隔G，其中G可以例如在M的1.5 倍和10倍之间(G＝1.5M-10M)。因此，与支撑边缘的长度相比，间隙是相对小的。
因此，膜沿着主膜区域的几乎整个周界被钉住。在本发明的上下文中，“大体上定界”应被解释为要求沿着膜区域的周界的至少75％，以相对于基底固定的关系支撑该膜区域。这由该周界上未定界的部分的范围决定。
因此，尽管膜区域由支撑边缘大体上定界，但是应理解，支撑边缘不需要围绕该膜区域形成完整的未断开的边界。更确切地，膜层可以在邻近的支撑边缘之间所设置的一个或多个未固定部分处相对于基底未固定。优选地，未固定部分是相对小的，使得膜的整个边界的长度的至少75％、优选地至少85％且甚至更优选地至少90％以相对于基底固定的关系被支撑。
此布置的优点是膜区域围绕大体上整个周界保持就位，这使得膜层内的应力能够被更均匀地分布，而不是集中在特定区域中。因此，由于压力波或脉冲或机械冲击而叠加在此静态应力上的任何应力不太可能在任何特定区域处产生破坏性的应力水平，因此意味着所得到的换能器表现出良好的稳健性水平。在结构的拐角附近不存在支撑边缘可以避免拐角处的“钉-垫(pin-cushion)”应力集中。因此，提供一个或多个相对小的未固定部分用于进一步增强换能器膜的稳健性。
图5中示出的膜层被设置有多个缝401，所述缝401被设置在与支撑边缘中的每个相邻设置的区域308中。设想了限定笔直的梁或不笔直的梁的多种缝图案。因此，缝的图案可以采用图3a中所示出的布置的形式。替代地，缝的图案可以采用先前上文所讨论的图3b、图3c和图 3d中所示出的布置的形式。
图6示出根据本发明的另一示例实施方案的膜层的截面。在此实施例中，该膜层包括截头正方形。安装件306沿着该正方形的主边缘以及沿着截头边缘设置。取决于截头的程度，从而取决于截头边缘的长度，在本发明的上下文中还设想截头边缘可以是未固定边缘。
应理解，安装件306可以采用多种形式。例如，安装件可以包括换能器结构的侧壁，且膜层可以延伸到该侧壁中。然而，在一些实施例中，安装件可以是膜材料与基底接触的区域或膜材料与从基底升高的支撑结构接触的区域。安装件还可以包括一个区域，在该区域中背板是支撑结构，用于背板与膜接触。因此，膜在安装件处被有效地保持就位，且被防止相对于基底和/或背板的任何实质性移动。
图7示出晶片400的至少一部分，在晶片400上制造有多个换能器 300。晶片400可以是已经被处理以产生多个设备以及在单独分开之前的晶片。在此实施例中，每个换能器具有相关联的电路系统区域。电路系统区域可以包括用于换能器的操作和/或读出的电路系统。例如，电路系统可以包括电压偏置电路，诸如电荷泵。附加地或替代地，读出电路系统可以包括放大器电路系统，诸如低噪声放大器或其他读出或信号处理电路系统。换能器300将通过导电路径402连接到电路系统，所述导电路径402通常可以至少部分地埋在多个其他层(诸如，钝化层)下面。电路系统区域可以包括用于在使用中形成电连接的接触区域。
可以看出，换能器300和电路系统适配到矩形制造区域403中，从而有效地利用制造区域。因此，可以更有效率地使用晶片的面积，即，以产生比原本使用圆形换能器设计的情况更大数目的换能器，而有效膜面积没有任何显著损失，从而所得到的换能器的灵敏度没有减小。
应理解，所提供的方向不应以任何方式被解释为限制到换能器在任何制造步骤期间的任何特定定向和/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。相关的术语“上部”、“下部”、“上方”、“下方”、“下侧”、“下面”等应被相应地解释。
第一腔和基底腔可以以任何已知的方式形成。有利地，腔可以具有朝向基底的下部侧增加的横截面面积。因此，紧邻换能器下面的第一腔可以具有第一横截面面积，以使得准确地限定膜的面积。朝向管芯基底的下侧，基底腔的横截面面积可以更大，以便最大化由基底腔所提供的后容积的部分。在一些实施方案中，基底腔的壁的斜坡轮廓可能存在阶跃改变。这样的腔轮廓可以通过诸如专利GB2451909中所描述的多级蚀刻工艺来实现。
本发明的实施方案特别适用于MEMS传感器换能器，尤其是诸如 MEMS麦克风和MEMS扬声器的电容式换能器。还应理解，可以实施其他类型的MEMS电容式传感器，例如加速度计、压力传感器、接近度传感器或流量计。
实施方案可以被实施在主机设备(尤其是便携式主机设备和/或电池供电主机设备，例如移动电话以及音频播放器、视频播放器、PDA、移动计算平台(诸如，膝上型计算机或平板计算机)和/或游戏设备) 中，或被实施在设计用于与这样的主机设备有线连接或无线连接(可能地经由多线缆线、多极插座或光纤和连接器)的附件设备(诸如，头戴式送受话器、耳塞(可能地噪声消除)或麦克风组件)中。
应注意，上文提及的实施方案例示而非限制本发明，且在不脱离所附权利要求的范围的前提下，本领域技术人员将能够设计许多替代实施方案。“包括”一词不排除权利要求中所列出的元件或步骤之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记载的若干单元的功能。权利要求中的任何附图标记或标注不应被解释为限制其范围。

Claims (31)

1.一种MEMS换能器，包括：
一个柔性膜层和一个基底，其中所述柔性膜层沿着多个支撑边缘以相对于所述基底固定的关系被支撑，所述多个支撑边缘限定一个大体上由所述支撑边缘定界的膜区域，所述柔性膜层还包括设置在第一支撑边缘和第二邻近的支撑边缘之间的至少一个未固定部分，其中邻近的支撑边缘被设置成使得能够绘制与所述第一支撑边缘重合的线，所述线将在顶点处与所绘制的与所述第二邻近的支撑边缘重合的线相交，所述未固定部分被设置在所述顶点处或所述顶点附近；其中“一个大体上由所述支撑边缘定界的膜区域”被解释为要求所述支撑边缘沿着膜区域的周界的至少75％，以相对于基底固定的关系支撑该膜区域。
2.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述柔性膜层包括四个支撑边缘和四个顶点，所述支撑边缘限定一个具有正方形或矩形形状的膜区域，且其中在所述顶点中的每个处设置一个未固定部分。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS换能器，其中在所述膜区域中设置多个缝，所述缝限定多个梁。
4.根据权利要求3所述的MEMS换能器，其中所述多个缝被设置在一个应力释放区域中，所述应力释放区域位于膜的覆盖所述基底的腔的区域的侧向外部。
5.根据权利要求3所述的MEMS换能器，其中每个梁限定一个在横向于所述支撑边缘的方向上延伸的笔直的路径。
6.根据权利要求3所述的MEMS换能器，其中每个梁限定一个位于所述梁的第一端点和第二端点之间的路径，所述路径包括至少一个方向改变。
7.根据权利要求6所述的MEMS换能器，其中每个梁包括第一横向部分、第二横向部分以及连接部分，所述第一横向部分在横向于支撑边缘的第一方向上延伸，所述第二横向部分在平行于所述第一方向的方向上延伸，所述连接部分在所述第一横向部分和第二横向部分之间延伸。
8.根据权利要求7所述的MEMS换能器，其中所述连接部分在所述第一横向部分和第二横向部分之间正交地延伸。
9.根据权利要求3所述的MEMS换能器，其中弯曲梁是S形的或Z形的。
10.根据权利要求3所述的MEMS换能器，其中所述多个梁沿着能够平行于所述支撑边缘所限定的线以规则间隔定位。
11.根据权利要求3所述的MEMS换能器，其中所述多个梁是相同的。
12.根据权利要求1或2所述的MEMS换能器，其中所述柔性膜层包括晶体材料或多晶材料。
13.根据权利要求12所述的MEMS换能器，其中所述柔性膜层包括氮化硅。
14.根据权利要求1或2所述的MEMS换能器，包括一个背板结构，其中所述柔性膜层相对于所述背板结构被支撑。
15.根据权利要求14所述的MEMS换能器，其中所述背板结构包括穿过所述背板结构的多个孔。
16.根据权利要求1或2所述的MEMS换能器，其中所述换能器包括电容式传感器。
17.根据权利要求1或2所述的MEMS换能器，其中所述换能器包括麦克风。
18.根据权利要求16所述的MEMS换能器，还包括读出电路系统。
19.根据权利要求18所述的MEMS换能器，其中所述读出电路系统能够包括模拟电路系统和/或数字电路系统。
20.根据权利要求1或2所述的MEMS换能器，其中所述换能器被定位在具有声音端口的封装件内。
21.一种电子设备，包括根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器。
22.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述设备是便携式设备。
23.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述设备是电池供电设备。
24.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述设备是音频设备。
25.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述设备是计算设备。
26.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述设备是通信设备。
27.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述设备是个人媒体播放器。
28.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述设备是移动电话。
29.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述设备是游戏设备。
30.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述设备是语音控制设备。
31.一种集成电路，包括读出电路系统和根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器。
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