CN110015633A - 微机电系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种微机电系统。该微机电系统包括具有进入开口的壳体以及具有隔膜和背板结构的声音转换器结构，其中声音转换器结构与进入开口耦合。该微机电系统包括过滤结构，该过滤结构布置在进入开口和声音转换器结构之间，并且包括过滤材料和至少一个预应力元件，该预应力元件与过滤材料机械连接，其中至少一个预应力元件被构造为在过滤材料中产生机械应力，以提供过滤结构朝着背向背板结构的方向的弯曲变形。

Description

微机电系统
技术领域
本公开涉及一种微机电系统，尤其涉及一种具有声音转换器结构的微机电系统。本公开还涉及具有集成过滤结构的微机电系统。
背景技术
微机电系统(MEMS)可以通过半导体技术制造和/或包括半导体材料。这些包括例如层或晶片，该层或晶片包括硅材料、砷化镓材料和/或其他半导体材料。MEMS结构可以包括层序列，该层序列包括导电的、半导电的和/或导电性差的或绝缘的层，以便提供相应的MEMS功能。一些MEMS结构可以包括声音转换器结构，该声音转换器结构可以包括例如可偏移或可移动的膜片。基于电信号，膜片可以偏移以提供声信号。替代地或附加地，可以基于声信号而实现膜片的偏移，由此可以提供电信号。
发明内容
期望MEMS具有能够可靠地操作的声音转换器结构。
实施例提供了一种微机电系统，该微机电系统包括具有进入开口的壳体。该微机电系统还包括具有膜片结构和背板结构的声音转换器结构。该声音转换器结构与进入开口耦合，例如，声学地耦合。该微机电系统包括过滤结构，该过滤结构被布置在进入开口与声音转换器结构之间，并且该过滤结构包括过滤材料和至少一个预应力元件，该预应力元件与过滤材料机械连接，其中至少一个的该预应力元件被构造为，在过滤材料中产生机械应力，使得提供过滤结构朝着背向所述背板结构的方向的弯曲变形。该过滤结构能够阻碍水、异物和/或颗粒，使得来自进入开口的水、异物和/或颗粒以较小程度或不接近声音转换器结构，同时能够通过预应力元件隔开过滤结构，而获得较低的声阻尼，使得总体上能够获得声音转换器结构的可靠操作。
附图说明
下面将参考附图说明实施例。在图中：
图1是根据实施例的微机电系统的示意性框图；
图2a是根据实施例的MEMS的示意性侧剖视图，其中壳体由壳体盖和壳体板构成；
图2b是图2a的MEMS的示意性侧剖视图，其中预应力元件是有效得使过滤结构偏移；
图3a是根据实施例的MEMS的示意性侧剖视图，与图2a的MEMS相比具有改变的声音转换器结构；
图3b是根据实施例的图3a的过滤结构的偏移状态；
图4a-h是根据实施例的不同配置的过滤结构的示意性侧剖视图；
图5a是根据实施例的MEMS的示意性侧剖视图，该MEMS包括具有进入开口的壳体盖；
图5b是处于偏移状态的过滤结构的图5a的MEMS的示意性侧剖视图；
图6是根据实施例的MEMS的截面的示意性侧剖视图；
图7a-b是根据实施例的MEMS的示意性侧剖视图，其中根据实施例，蚀刻工艺导致不同的结果；
图8是根据实施例的MEMS的示意性侧剖视图，其中背板结构具有防粘元件；
图9是根据实施例的MEMS的示意性侧剖视图，其中过滤结构具有皱褶；
图10是根据实施例的MEMS的一部分的示意性侧剖视图，其被构造成单个背板配置；
图11是根据实施例的MEMS的一部分的示意性侧剖视图，该实施例与图10的MEMS相比在膜片结构上具有防粘元件；
图12是根据实施例的MEMS的示意性侧剖视图，该实施例与图11的MEMS相比被修改，使得在防粘元件对面的区域布置有绝缘元件；
图13a是根据实施例的背板结构和过滤结构的示意图；
图13b是图13a的背板结构和过滤结构在叠加实施布置的示意性平面图；
图13c是图13b的过滤结构的孔结构的详细视图；
图13d是图13b的过滤材料的截面的示意性平面图；和
图14a-c是根据实施例的不同配置的制造工艺的过滤材料的示例性偏移的示意性过程。
具体实施方式
在参考附图更详细地解释下面实施例之前，要指出的是，不同附图中相同的、功能相同的或等同的元件、物体和/或结构具有相同的附图标记，从而在不同实施例中这些元件的描述是可互换的或可以相互应用。
随后的实施例涉及包括声音转换器结构的微机电系统或结构(MEMS)。例如，MEMS声音转换器可以构成为扬声器和/或麦克风，并被配置为基于电驱动信号引起可移动元件(即，膜片)的移动，从而使得流体通过膜片的移动而运动，从而在流体中产生声压级。与上述扬声器配置相比，在麦克风配置中，流体的运动可导致膜片偏移，该偏移可以通过可变电势和/或可变电容检测到，使得基于流体运动可以获得电信号。
MEMS声音转换器可以通过半导体技术制造和/或包括半导体材料。在下面描述的实施例中，声音转换器结构的背板电极或背板结构通过相对于背板结构可偏移的膜片形成堆叠，其中背板电极和膜片例如通过基座保持在相应的边缘区域。基座可以是例如非晶、多晶或晶体半导体材料，例如硅。
图1示出了根据实施例的微机电系统10的示意性框图。微机电系统(MEMS)10包括壳体12，该壳体具有进入开口14。进入开口可以用作空气入口或声音入口或空气出口或声音出口。MEMS10包括声音转换器结构16，该声音转换器包括膜片结构18和背板结构22。壳体12可以是不完全闭合的结构，该壳体可以被配置为例如妨碍或阻止流体的进入和/或与MEMS10的环境的声学短路。壳体12可以由半导体材料、塑料和/或金属构成，并且可以全部或部分地由灌封料形成。
膜片结构18和/或背板结构22可以包括导电材料，使得例如基于对膜片结构18和背板结构22的电容评估，能够检测膜片结构18相对于背板结构22的移动。导电材料可以例如是诸如金、铜、银、铝等和/或掺杂的半导体材料的部分材料。
声音转换器结构16与进入开口14耦合，使得流体24(该流体可以被理解为在流体压力或声压级下静态、准静态或动态变化)可以通过进入开口14到达声音转换器结构16。流体24可以与膜片结构18的偏移有因果关系，特别是在声音转换器结构16的操作中作为麦克风和/或扬声器。
MEMS10包括过滤结构26，该过滤结构布置在进入开口14和声音转换器结构16之间。过滤结构26包括过滤材料28和至少一个预应力元件32，该预应力元件与过滤材料28机械连接。预应力元件32被构造成，在过滤材料28中产生机械应力，以提供过滤结构26朝着背向背板结构22的方向的弯曲变形。过滤材料28和预应力元件32之间的机械连接可以例如通过机械粘合(例如通过使用粘合剂)获得，但也可以通过在过滤材料的层上生成预应力元件的材料层获得，反之亦然。
过滤材料28可以被构造为表示针对部分流体流24的屏障，例如颗粒和/或液体。为此目的，过滤结构26或过滤材料28可以具有孔结构，该孔具有相应较小的开口尺寸，例如直径。这能够使流体流24通过并且阻止流动流24的相应分量。
过滤材料28的弯曲变形能够获得基于过滤材料28的非偏移状态的距离34。距离34可以指在过滤结构26的中央区域所得到的过滤材料28的偏移，而过滤材料28在边缘区域例如被夹紧，并且在那里具有材料的伸长率，但在某些情况下至少局部无偏移。通过距离34使得相对于声音转换器结构16，过滤结构26的声阻尼较小，并达到良好的过滤性能，同时可以获得过滤结构26和声音转换器结构16的空间上的接近，例如，通过使包含膜片结构18、背板结构22和/或过滤材料28的一些、部分或全部的层由同一个堆叠形成。
尽管图1示出了背板结构22布置在过滤材料28和膜片结构18之间，但是在本文所述的实施例中没有限制可以将膜片结构18布置在背板结构22和过滤材料28之间。
换句话说，过滤结构28保护传感器元件、例如声音转换器结构16免受环境影响，例如颗粒和/或水。
实施例能够通过集成过滤结构保护传感器结构。由此使总成本、加工成本和/或空间可以保持较低或被降低。保护结构(即过滤结构28)可以实现为网格状层。它们的孔越小，过滤结构28对颗粒和/或水的过滤效果越好或更高。然而，同时也可以获得对干扰特性的影响，例如通过降低麦克风的信噪比(SNR)，这可以通过背板结构22(例如通过增加孔的大小)至少部分地补偿。
图2a示出了MEMS 201的示意性侧剖视图，其中壳体12由壳体盖12a和壳体板12b构成。壳体板12b可以是例如用于电线的载体基座或包括这些线，例如通过壳体板12b构成电路板或类似。
进入开口14可以布置在例如壳体板12b中。除了声音转换器结构161之外，声音转换器结构161例如可以实现为具有双背板的声音转换器结构，其中膜片结构18可以布置在两个膜片结构22a和22b之间，其他元件可以布置在壳体12内。例如，在壳体12内，基座42将声音转换器结构161与进入开口14隔开，即，该基座布置在声音转换器结构161与进入开口14之间。替代地或附加地，驱动电路44也可以布置在壳体12内，该驱动电路与声音转换器结构161电耦合并且被构造成，提供相同的功能。驱动电路44可以包括放大器，该放大器电放大从声音转换器结构161接收的电信号和/或要传递到该放大器上的信号。
过滤结构26可以被理解为相对于MEMS 201的集成过滤元件。如图2a所示，过滤结构26的预应力元件在很小的程度上有效或无效，即，图2a示出处于过滤材料未偏移状态的MEMS 201。
图2b示出了MEMS 201的示意性侧剖视图，其中预应力元件是有效的，使得过滤结构26或过滤材料偏移，以表示(与图2a相比)到背板结构22b、背板结构22a和/或膜片结构18的增大的距离。
图3a示出MEMS 202的示意性侧剖视图，该MEMS 202与MEMS201相比具有修改的声音转换器结构162。该声音转换器结构162包括单一背板配置(单背板)，其中，所述膜片结构18相对单个背板结构22可以被偏移。例如该背板结构22可以这样布置，使得膜片结构18布置在背板结构22和过滤结构26之间。可替代地，也可以布置背板结构22在膜片结构18和过滤结构26之间。在本文所述的实施例中没有词语“顶部”，“底部”，“左侧”，“右侧”，“前侧”和“后侧”的限制效果，MEMS 202可被描述为，声音转换器结构162布置在进入开口14上方，使得膜片结构18通过进入开口14流体耦合到MEMS 202的环境。
虽然图3a类似于图2a示出了过滤结构26的未偏移状态，但图3b示出了过滤结构26的偏移状态，其中过滤结构26如此偏移，使得该过滤结构与图3a相比，具有相距膜片结构18和/或背板结构22更大的距离。过滤材料的偏移状态可以通过有效的预应力元件获得。
参考图4a至图4h，现在将参考过滤结构26或过滤材料28的偏移，该过滤材料可以悬挂或夹紧在基座46(例如半导体基座)上。
图4a示出了过滤结构的第一种配置26a的示意性侧剖视图，其中过滤材料28具有多个孔36i，流体流可以通过这些孔移动。例如两个预应力元件321和322与过滤材料28固定连接，其中也可以使用任何其他数量的预应力元件，例如一个、三个或更多、四个或更多、五个或更多、十个或更多，例如十五个。例如，过滤材料28可以是环形与基座固定连接的结构，使得单个预应力元件32也可以作为环形元件布置。替代地也可以使用更高数目的预应力元件。
预应力元件321和322可以与过滤材料28机械地固定连接，并且被构造为在过滤材料28中产生机械应力。这可以例如通过不同的热膨胀系数来提供。替代地或附加地，预应力元件321和/或322中的至少一个可以以其他方式配置，使得在过滤材料28中产生机械应力。例如，过滤材料28的主延伸方向可以平行于x方向，其中过滤材料28的表面法线可以与该过滤材料28的主延伸方向垂直并且平行于y方向布置。例如，预应力元件321和/或322可以被构造为相对于过滤材料28沿x方向膨胀，使得在过滤材料28中产生机械应力。例如，预应力元件321和322可以与过滤材料28同时生成或处理，使得两者具有相同的温度，而在过滤材料28与预应力元件321和322之间基本上存在无应力的状态。通过将堆叠加热和/或冷却到不同的温度，过滤材料28与预应力元件321和/或322的材料可以不同地膨胀，使得例如预应力元件321和322相对于过滤材料28增大，并且由于机械连接而相对于过滤材料28产生机械应力。
例如，过滤材料28可以是硅材料，并且预应力元件321和/或322的材料可以包括氮化硅材料，例如氮化硅(SiN)或氮氧化硅(SiON)。例如，过滤材料可以包括多晶硅材料，预应力元件321和/或322可以包括氮化物材料。
图4b示出了过滤结构26a的偏移状态的示意性侧剖视图，其中基于机械应力而获得过滤材料28的偏移，从而获得过滤材料到背板结构(未示出)的距离34。距离34可以理解为过滤材料28相对于未偏移状态的偏移，该未偏移状态例如由虚线38表示。
图4c示出了过滤结构的第二种配置26b的示意性侧剖视图，其中与第一种配置26a相比，预应力元件321和322被构造成相对于过滤材料28收缩，使得基于预应力元件321和322的收缩而获得应力。
虽然预应力元件321和/或322的布置位置与图4a相比可以相同或相当，但是预应力元件321和/或322的收缩能够使过滤材料28和距离34沿正y方向偏移，而图4b可以沿负y方向发生偏移。
例如，通过以下方式可以获得配置26b：将参考状态或无应力状态基于温度(该温度低于获得偏移状态的温度)，也就是说，加热过滤材料28和预应力元件321和/或322以提供偏移。
虽然配置26a和26b被描述为预应力元件321和/或322布置在过滤材料28的边缘区域中，但是其他位置也是可能的。在这种情况下，这些位置提供了最大的材料膨胀，因为它们可以引起过滤材料28较大的偏移。如果过滤材料28被牢固地夹紧在例如边缘区域中，则可以在过滤材料附近布置具有很大机械应变的位置。配置26a和26b示出，获得过滤材料28的可能的单个振动结构，该振动结构可以布置在过滤结构28的中央区域。应当理解，例如通过更多数量的偏移最大值可以产生其他弯曲线。这还导致过滤材料28中较大或最大应变的位置的更多数量，这可能影响预应力元件321和/或322或其他预应力元件的位置的选择。
作为较大或最大应变的位置的替代，也可以选择具有其他属性的位置，例如具有距离34的较大或最大振幅的位置。
图4d示出了过滤结构26b的偏移状态的示意性侧剖视图，其中根据机械应力可以获得过滤材料28的偏移。
图4e示出了过滤结构的第三种配置26c的示意性侧剖视图，其中可能的单个预应力元件32布置在过滤材料28的中心区域中并且被配置为相对过滤材料膨胀，如结合图4a所描述的。可以使用TEOS(原硅酸四乙酯)获得可能的预应力元件，但是也可以使用其他相容的材料，特别是采用蚀刻工艺如HF蚀刻工艺(HF＝氟化氢、氢氟酸)。
图4f示出了处于偏移状态的配置26c的示意性侧剖视图，其中距离34相对参考状态获得。
图4g示出了过滤结构的第四种配置26d的示意性侧剖视图，其中与配置26c相比，预应力元件32被构造为相对过滤材料28收缩以提供应力。
图4h示出了图4g中过滤结构的第四种配置26d的示意性侧剖视图，其中过滤材料28基于所获得的机械应力而偏移，以提供(相对于线38所示的参考状态)距离34。
图4a至图4h示出了通过不同数量和/或不同位置布置的至少一个机械预应力元件，可以获得过滤材料28的偏移。机械偏置可以通过相对于共同参考状态的不同热膨胀系数来获得，该参考状态可以但不一定描述制造过程中的温度范围。作为该方案的替代，也可以使用激励来获得应力，例如通过施加温度，通过驱动器产生的力等。
图5a示出了MEMS 203的示意性侧剖视图，与MEMS 201和202相比，该MEMS 203在壳体盖12a中具有进入开口14，这意味着，流体流24可以从指定为上侧的方向到达例如声音转换器结构163。声音转换器结构163可以形成为单背板或双背板配置。在单背板配置的情况下，声音转换器结构163包括背板结构22，该背板结构相对于膜片结构18更靠近进入开口14或更靠近壳体板12b。图5a示出了过滤结构26处于未偏移状态的MEMS 203。
图5b示出了过滤结构26处于偏移状态的MEMS 203的示意性侧剖视图。该过滤结构26被偏移，使得过滤结构到背板结构22和/或膜片结构18的距离增加。
结合MEMS 201、202和203所描述的特征是可任意组合的。特别地，壳体的配置、进入开口14的位置、关于单背板和双背板的声音转换器结构的配置以及在单背板配置的情况下的背板结构的定向是可以任意互换的。
图6示出了根据实施例的MEMS 50的截面的示意性侧剖视图。例如，仅示出了MEMS50的横向部分，这意味着所示结构可以延伸到图像的右边缘。此外，MEMS 50例如被构造为，膜片结构18布置在两个背板结构22a和22b之间。
MEMS 50可以例如由层堆叠构成，该层堆叠具有多个层并且背板结构22a和22b以及膜片结构18暴露在该层堆叠的中央区域，稍微通过化学或机械蚀刻工艺来实现MEMS 50的功能。例如，背板结构22a和22b以及膜片结构18可以固定在半导体基座46的边缘区域中，即固定地夹在基座上，其中半导体基座46可以包括多个层461至464。替代地，半导体基座被构成为具有单层、两层或更多层、三层或更多层、五层或更多层，例如十层、二十层或甚至更多层。
例如，基座材料46可以包括半导体材料，例如硅。半导体材料例如可以通过使用TEOS(原硅酸四乙酯)获得。这样得到的半导体基座层46至46i的材料可以是电绝缘的，并且可以包括例如氧化硅材料并由其构成。使用氮化物作为层521至524的绝缘材料能够释放应力点741和/或742，该应力点在相应结构移动时可能在层28或48的半导体材料中造成破坏。换句话说，热点(应力点)74由抗拉强度的SiN保护。绝缘材料可以布置为SiN锥形，其中使用氮化硅材料能够使得过滤材料28较大地偏移，因为硅材料可以提供较高的拉应力。
背板结构22a和22b以及膜片结构18可以是导电的，使得膜片结构18相对于背板结构22a和/或22b的移动可通过评估电势或电容值检测，通过施加电势或电荷载流子，可以获得膜片18的运动。与膜片结构18相比，背板结构22a和/或22b可以在很小程度上偏移。例如，响应作用在膜片结构18和背板结构上的相对大的力，背板结构的偏移的路径长度可以小于系数0.1、小于系数0.05或小于系数0.01。
例如，背板结构22a和22b本身可以被构成为多层元件，并且包括例如导电层48，该导电层的一个或两个主侧被一个或多个绝缘层521和/或522覆盖，为了避免与其他电活性结构机械接触的情况下发生短路。同样地，背板结构22b可以包括导电层482，该导电层例如在两侧覆盖有电绝缘层523或524。
导电层481和/或482可以包括掺杂的半导体材料和/或金属材料。绝缘层521至524可以包括例如氧化物材料或氮化物材料，例如氮化硅或氮氧化硅。
膜片结构18例如可以构成为导电层483。可选地，膜片结构18的一侧或两侧也可以至少局部地被电绝缘层覆盖，其中背板结构的电绝缘优选地布置在背板结构本身上以获得小质量的膜片结构18。
层堆叠或MEMS 50可以包括过滤结构26，该过滤结构例如构成为双晶结构。也就是说，在偏置区域54中(该偏置区域例如布置在MEMS 50的边缘区域中)，过滤材料28至少局部地或完全地被预应力元件32覆盖。在这种情况下，过滤材料28可以构成为导电的，并且包括这样的材料，该材料例如与导电层481和/或482和/或膜片结构18的膜片材料(即层483)相同。预应力元件32可以布置在过滤材料28的背向背板结构22b的一侧上。
例如，MEMS 50被配置为，背板结构22b布置在进入开口14和膜片结构之间。这样的配置可能会导致流体24的颗粒561和/或562接近背板结构22b，而在较小程度上或不具有颗粒的程度施加在背板结构22a上。现在可以使用过滤结构26来阻挡颗粒561和/或562远离背板结构22b。这允许背板结构的开口或孔58构造得相对较大，因为它们至少部分地免于阻挡颗粒的功能要求。该功能可以由过滤结构26提供，使得过滤结构26的开口或孔62可以被构成为比孔58更小的尺寸。因此可以看出，过滤结构28影响声音转换器装置的声学特性。同时，可以保持已知的工艺参数，特别是基座46的层厚度。
根据实施例，开口62的直径或相当的尺寸(该尺寸确定了过滤结构26在机械上不可通过的颗粒大小)小于距离34的尺寸，从而通过过滤结构26的颗粒足够小，以防止过滤结构26和背板结构22b同时接触。孔62的尺寸可以这样选择，使得当该颗粒进入背板22b和膜片结构18之间的区域时，穿过孔62的颗粒不会导致显著的干扰。
例如，背板结构22b和过滤结构26之间的基座层463的层厚度64与背板结构22b和过滤结构26之间相对应的距离在边缘区域中可以较小，例如，至少0.5μm并且至多3μm、至少1μm并且至多2.5μm、或者至少1.5μm并且至多2.2μm，例如2μm。根据预应力元件32，距离34可以是至少6μm、至少8μm或至少10μm。距离34可以被理解为由层厚度64提供的增大的距离，例如，可以至少是层厚度64的两倍，至少2.5倍、至少3倍或甚至更大的值，例如5倍。预应力元件的偏移能够获得较高的距离34，同时避免在边缘处沉积相应较高的层厚度。换句话说，在背板结构22b的边缘区域68中，背板结构22b与过滤结构26隔开距离64，并且在中心区域66处隔开距离34。距离34可以是至少双倍值、至少三倍值、至少四倍值、但也可以是至少五倍的值，例如至少6μm，至少8μm或至少10μm。
中心区域66可以被理解为膜片结构18的区域，该区域被配置用于膜片结构18的偏移。边缘区域68可以被理解为夹紧区域或保持区域，在该夹紧区域或保持区域中可以实现各个层的锚固和/或该相应的层保持暴露于各个子结构22a、18、22b和26。
层堆叠的基层72例如可以是硅层，例如硅晶片的其余部分，在该其余部分上已经生产或布置了其他层。例如与蚀刻相比，基层72的硅材料相对比较敏感，当半导体基座46的蚀刻灵敏度被比较使用时。例如，各个层的暴露可以通过进入开口14布置的方向来进行，使得层461、462、463和464可以以所述顺序在蚀刻材料中具有越来越长的停留时间。因此，这些层能够按照上述顺序经历越来越多的侵蚀，使得在背板结构22b和过滤结构26之间的边缘区域68布置的基座46的绝缘材料在过滤结构26的区域中更大程度地被侵蚀，使得过滤结构与背板结构22b相比，在更大的区域暴露于半导体基座46的绝缘材料。这意味着与背向背板结构22b的过滤结构26侧面相比，绝缘体材料在面积方面更大程度地覆盖面向背板结构22b的过滤结构26的侧面。如果改变层序列的配置，例如，过滤结构26邻近背板结构22a布置，则与背向背板结构的过滤结构侧面相比，绝缘材料能够较小程度地覆盖面向背板结构的过滤结构的侧面。这可以简化地理解为，层46的保持氧化物可以相应更高程度地在两侧侵蚀。
过滤结构26可以构成为，具有特定颗粒直径及以上的颗粒56机械上不可通过。例如，过滤结构26可以构成为，对于具有至少6.5μm、至少6μm或至少5.5μm直径的颗粒是机械不可通过的。
如参考图7a和7b所示，间隙34的幅度可以至少部分地由过滤材料28以半导体基座463的绝缘材料的覆盖程度或范围确定，其中可以考虑过滤材料背向预应力元件32的一侧。例如，这可以通过层463满足MEMS 50。在区域76中(其中与预应力元件32相对的过滤结构被半导体基座46覆盖)，过滤材料28的偏移能够通过预应力元件32减少或阻止。区域76以外朝向中心区域，预应力元件32可以造成过滤材料28的偏移，使得在中心区域产生到背板结构22a的距离34。这允许暴露的双压电晶片区域的宽度(这意味着，区域78的扩展，在该区域中过滤结构能够变形并且变形元件布置在该区域中)能够独立于波士值腔(Bosch-的位置，例如，它可以表示去除基层72的那些区域。在第一循环中制造的MEMS 50a与在第二循环中制造的MEMS 50b之间去除基层72的差异82，或两个同时制造的MEMS 50a和50b之间的差异可以有高达±20μm的值，从而提供较低精度。实施例能够至少部分地独立于该参数，因为过滤结构26的偏移是通过去除半导体材料46来确定的，半导体材料46能够以较高的精度地去除，例如通过蚀刻工艺。这能够精确地调节距离34并因此具有高再现性。
图8是根据本文描述的实施例的MEMS 70的示意性侧剖视图。其中背板结构22a和22b具有防粘元件84。背板结构22a的防粘元件841和842可以指向膜片结构18。防粘元件843和844可以指向过滤结构26。替代地，膜片结构18还可以包括防粘元件845和/或846，上述防粘元件突出到膜片结构18和背板结构22b之间的区域。防粘元件84能够在两个相邻元件机械撞击时避免这些元件的平面接触，取而代之，接触主要在防粘元件84的区域中进行，从而防止粘附。例如，膜片结构18可沿y方向移动，并可配置成在制造和/或操作过程中与背板结构22a和22机械接触。防粘元件84可以减少或防止粘附。如MEMS 70所示，防粘元件能够伸入到元件22a和18、18和22b以及22b和26之间的所有中间区域中。防粘元件的安装位置至少可以受到例如制造MEMS的层序列的影响。例如，类似于钟乳石的防粘元件84可以如此构造，使得防粘元件插入到稍后或顶部沉积的层中并且指向下(至少在制造期间)。也就是说，防粘构件843和844可以布置在背板结构22b和/或过滤结构26上。替代地或附加地，防粘元件可以布置在任何结构上。
过滤结构26能够具有与背板结构22b相同的电位。这能够减少或防止寄生效应，据此过滤结构26与膜片结构18电容性地相互作用。无论如何，电隔离可以布置在背板结构22b和过滤结构26之间，并且可以例如通过绝缘层522和524来实现，该绝缘层也形成在防粘元件84上。绝缘层能够避免短路，虽然非故意但具有相同的电势。虽然过滤材料也可以实现为非电接触(浮动)，但是它也可以位于相同或相似的电势，例如膜片结构18。
尽管结构22a、18和22b仅示出了两个防粘元件，但是应该理解的是，防粘元件能够大量的布置，例如，分别超过2个、超过5个，超过10个、超过50个或超过100个。
图9示出了根据实施例的MEMS 80的示意性侧剖视图，其可以类似于MEMS 70构造，其中防粘元件84的布置是可选的并且也可以省略。过滤结构包括皱褶或卷曲86，该皱褶或卷曲可以包括一个或多个行程扩展881和/或882，该皱褶或卷曲构成为，在过滤结构26沿y方向偏移的过程中，提供与y方向垂直的行程扩展(大致沿x轴方向)。在这种情况下可以设定行程延长的范围，使得它至少提供通过过滤结构26的偏移而要求的额外扩展，其中在这种情况下使用±50％，±30％或±10％的公差范围。例如当膜片半径为400μm以及偏移为8μm时，附加的偏移作为新膜片半径，可以从下列式子得到：
因此，可以提供0.08微米的附加行程长度，其中该额外的行程长度可以通过上述公差设置。设置标准可以是皱褶使过滤层更柔软并因此更具弹性。在随后的操作中能够或应该提供的位移越多，则皱褶可以提供更大的长度/范围。基于过滤结构26的几何形状并且基于过滤材料的偏移为了生成距离34，皱褶可以提供例如至少0.1μm，或至少0.2μm、或至少1μm、或至少2μm或其他几何相关的值的行程扩展。
皱褶86因而可以用作长度补偿，该长度补偿提供过滤结构的偏移未使用的路径长度。皱褶86可以像弹簧一样起作用，该皱褶86沿垂直于偏移方向的x方向是柔软的。
换句话说，皱褶可以像弹簧一样起作用，该皱褶的弹性较高并且刚度至少沿x方向较低，以增加或允许过滤材料28的偏移。
图10示出了根据实施例的MEMS 90的一部分的示意性侧剖视图，该MEMS 90被构造成单背板配置，其中过滤结构26如此布置，使得膜片结构18布置在背板结构22和过滤结构26之间。例如，这可以是根据MEMS 202的配置。背板结构22可包括一个或多个防粘元件84。膜片结构18和/或过滤结构26可以例如在没有防粘元件的情况下构成。
图11示出了MEMS100的一部分的示意性侧剖视图，该MEMS100相对于MEMS 90在膜片结构18上还具有防粘元件842和843，该防粘元件突出在膜片结构18和过滤结构26之间的区域。关于MEMS90和100，壳体的进入开口可以例如布置在过滤结构26附近。替代实施例规定背板结构22布置在膜片结构18和过滤结构26之间。替代地或附加地，可以设想，过滤结构26布置在过滤结构22的背向膜片结构18的一侧上。例如，过滤结构可以布置在图方向的顶部，并且替代地具有例如防粘元件。
图12示出了根据实施例的MEMS110的示意性侧剖视图，该MEMS110是从MEMS100修改的，绝缘元件921和922布置在过滤结构26上的区域中，该区域与膜片结构18特别是防粘元件842和843机械接触，例如，上述绝缘材料类似预应力元件32具有相同或相似的材料。也就是说，绝缘元件92的绝缘材料可以包括氮化硅材料。例如结合MEMS 70所描述的，背板结构22b或膜片结构18的防粘元件定义了过滤结构26的接触区域，在接触区域中实现背板结构或者膜片结构的机械接触。至少绝缘材料可以布置在上述接触区域中，例如可以通过绝缘元件92或通过具有层52的防粘元件的涂层。绝缘元件92也可以理解为着陆垫，该着陆垫占据过滤结构至多2％、至多1.5％或至多1％的总面积。
图13a示出了根据实施例的背板结构和过滤结构的示意图。背板结构22和过滤结构28各自都可以被构成为具有多个孔62和58的孔结构。根据实施例，孔62和/或58可以构成为六边形，其中其它形状也是可实现的，如三角形、四边形、五边形、七边形、任何其他正角和/或不规则的多边形，直到圆形或椭圆形的开口。在这种情况下，孔58可以具有开口94，该开口94例如确定颗粒能够具有的尺寸，在该尺寸下颗粒可以穿过过滤结构28。类似地，背板结构22的孔62可以具有开口96或孔62的尺寸，该开口或尺寸限定了可以通过背板结构22的相应颗粒的尺寸。在相邻的孔58之间可以布置隔片98，隔片98可以具有轴向延伸长度并且具有横向延伸，其可以简称为宽度。可以根据开口94的尺寸选择隔片98的轴向长度。隔片98的宽度可以是至少1μm且至多7μm、至少1.7μm且至多5μm或至少1.2μm且至多2μm，例如1.4μm的值。开口94(可以理解为过滤孔)可以小于开口62(可以理解为背板孔)。根据实施例，过滤结构包括针对通过接入开口发送或接收的声音的声阻尼，该声阻尼最大为2dB、最大为1.6dB、最大为1.2dB、例如1.0dB。换句话说，背板结构22的背板材料可以具有背板孔62，该背板孔的尺寸96大于过滤孔58的尺寸94。背板结构的隔片102可以被构成为与过滤结构的隔片98相同或至少类似。
图13b示出了背板结构22和过滤结构28的叠加实施布置的示意性平面图。根据实施例，过滤结构26的背板结构22和/或过滤材料28构成为孔结构。孔结构的孔可以具有任何所需的几何形状，例如椭圆形、圆形、多边形或者根据自由形状的表面。尽管背板结构22和过滤结构26示出为具有六边形孔，但是两个结构中的至少一个可以是不同的。除了相互不同的开口尺寸之外，背板结构22和过滤结构22相互不同的几何形状也可以实现。
背板结构例如可以从过滤结构28沿y正方向布置，使得首先通过过滤结构28并随后到达背板结构22的流体流的颗粒被清理，该颗粒不能通过过滤孔58。与已知的背板结构相比，这使得背板孔62更大并且因此具有更低的声阻尼，这可以抵消过滤结构28对所谓的附加的声阻尼的补偿。例如，开口96可以是至少10μm、至少12μm、至少14μm、甚至更大。这允许背板透明度，即，总面积上开口的面积比例为至少50％、至少60％、甚至至少70％或更多。
根据实施例，背板结构22和过滤结构28相对于彼此错开地布置，使得隔片98和隔片98的连接点以及隔片102和隔片102的连接点在背板结构22和/或过滤结构28的错开处如此，两个结构之间发生接触，最多在很小程度上彼此平行或一致，以避免大面积接触。在较大的或完全的范围内，背板结构22和过滤结构28之间的接触发生在隔片98和102的区域中，而在连接点或交叉点的区域中避免接触。
如参考图13c进一步描述的那样，隔片98具有相应的连接点104，在连接点处相应数量的隔片(例如三个隔片98)汇合。类似地，隔片102可以在连接点106处汇合。根据实施例，过滤结构28和背板结构22彼此错开布置，使得在接触的情况下至多10％、至多8％或至多5％的现有隔片104与连接点106相对布置并且彼此接触。
根据实施例，交叉点和连接点104和106都相互不接触。这能够避免防粘元件，因为通过交叉点相互错开而只有不同的隔片彼此相交。
过滤结构28沿y方向的尺寸可以是例如至少0.5μm且至多5μm、至少1μm且至多4μm或至少1.5μm且至多2.5μm，例如2μm。例如，过滤结构沿x方向或z方向的尺寸可以是至少10μm且至多2000μm、至少100μm且至多1800μm或至少600μm且至多1500μm，例如700μm，但也可能是任何其他特别高的值。
图13d示出了过滤材料28的一部分的示意性平面图，其具有开口62，开口62具有尺寸96。过滤材料28具有隔片98，其具有横向尺寸，即隔片宽度108，隔片宽度为至少1μm且至多7μm、至少1.7μm且至多5μm或至少1.2μm且至多2μm，例如1.4μm。
图14a至图14c示出了过滤材料的示例性偏移具有不同配置的制造工艺和/或预应力元件的设计的示意性过程。图14a示出了过滤材料中产生的应力的影响。曲线1121示出了参考状态，其中例如产生拉应力，即预应力元件在预应力元件和过滤材料之间的边界层中产生拉应力。曲线1122、1123、1124和1125示出了所产生的应力的变化，其中曲线1122产生0MPa的压缩应力，曲线1123表示较低的压缩应力例如10MPa，曲线1124表示压缩应力为50MPa和曲线1125表示压缩应力为100MPa。可以看出，随着过滤材料中产生的压缩应力的增加，可以获得过滤结构不断增加的偏移。图14b和14c中示出了曲线1125的其他参数的变化。图14b示出了尺寸L的变化，该尺寸例如也在图6中示出，并且表示预应力元件32在过滤结构28的边缘区域前面向过滤结构的中心区域延伸多远，即预应力元件从边缘的收缩。曲线1141、1142、和1143示出了沿着方向y的偏移随着尺寸L的变化而相应变化，其中例如曲线1141示出尺寸L为30μm，曲线1142示出尺寸L为10μm并且曲线1143的尺寸L为3μm。可以看出，随着尺寸L的增加，获得沿y方向减小的偏移。此外，随着尺寸L的增加，弯曲曲线可以变得更陡峭，这在曲线1141几乎弯折的变化上显示得很清晰。尽管曲线1143能够沿y方向偏移最大，但是通过较小的尺寸L可以将尽可能少的力引入到过滤材料中，这会导致所谓的软变形，从而在一些操作条件下通过该操作条件(较小的尺寸L)实现过滤结构的反弹。因此，可以如此折衷，例如，选择小于最大值的偏移而获得稳定的偏移，同时可以在弯曲过程中避免弯折，例如可以通过尺寸L为10微米实现。
图14c示出了结合曲线1125的预应力元件的层厚度沿y方向的变化。曲线1161，1162和1163示例性示出了针对预应力元件沿y方向的不同层厚度，偏移沿y方向的变化，其中曲线1161的尺寸D为140nm，曲线1162的尺寸D为70nm，并且曲线1163的尺寸/厚度D为30nm。可以看出，随着预应力元件厚度的减小，可以获得沿y方向的不断增加的偏移。较小的材料厚度可以提供较低的刚度，而不断增加的材料厚度可以提供额外的稳定性，使得此处可以获得妥协。
可以基于所产生的声学影响来选择结构之间的总距离，即尽可能小的距离并且同时施加恰当的并且可接受的声学影响。在此基础上，可以选择过滤结构的尺寸，以便获得尽可能高的稳定性和尽可能简单的加工过程。
本文所描述的实施例的一方面包括传感器的过滤层通过双压电晶片层结构相对于所述绝缘层(层46)的层厚度显著偏移。该概念可用于各种半导体传感器。提高或优化过滤的效果可以通过过滤层与传感器较大的距离获得。为了这个目的，可以提高过滤层和传感器之间的绝缘层的厚度，例如图6的层463。替代地或附加地，可使用的过滤层较高的偏移，例如，通过过滤材料和预应力元件之间的双压电晶片层结构，以获得10μm及以上偏移(即距离34)。双压电晶片结构可以使用具有不同应力的层序列，例如，SiN/Si层序列，其中SiN具有1.2GPa的拉伸强度以及Si具有大约100MPa的拉伸强度至大约100MPa的压缩强度。
通过相对于背板结构布置附加过滤结构，可以减小过滤层中的孔尺寸，然而，可以获得对声学特性以及对传感器特性的额外影响，例如SNR降低。尽管过滤结构的布置与制造传感器的额外费用相关联，例如通过双晶层过滤层的沉积及结构化、通过过滤层结构化之后的表面平面化、通过在过滤层和传感器层之间沉积绝缘层、通过增加时间来释放层和/或通过为过滤层生产防粘元件，例如在下对电极的底部，提供了显着的优点，因为可以使颗粒远离声音转换器。半导体基材料能够用作过滤材料的材料，例如硅、氧化硅、氮化硅和/或氮氧化硅。过滤层对下对电极的绝缘例如在双背板配置中由对电极的SiN给出。没有过滤层，则下对电极在制造过程中用作颗粒过滤器。因此，通过使用过滤层消除了这种要求，利用这些实施例，可以制造具有更大孔直径并且因此具有更好信噪比的对电极。例如，将孔直径从7μm增加到10μm能够提供+0.4dB的SNR增益。
在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列，FPGA)可用于执行本文所述方法的一些或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以执行本文描述的任一种方法。通常，在一些实施例中，该方法由任一种硬件设备执行。这可以是普遍适用的硬件，例如计算机处理器(CPU)或针对该方法的特定硬件，例如ASIC。
上述实施例仅用于说明本发明的原理，应当理解，本文所述的布置和细节的修改以及变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。因此，意图是本发明仅受所附权利要求的范围限制，而不受本文实施例的描述和解释所呈现的具体细节的限制。

Claims (23)

1.一种微机电系统(10；20；50；70；80；100；110)，包括：
壳体(12)，所述壳体具有进入开口(14)；
声音转换器结构(16)，所述声音转换器结构具有膜片结构和背板结构(22；22a，22b)，其中所述声音转换器结构(16)与所述进入开口(14)耦合；
过滤结构(26)，所述过滤结构布置在所述进入开口(14)和所述声音转换器结构(16)之间，并且包括过滤材料(28)和至少一个预应力元件(32)，所述预应力元件与所述过滤材料(28)机械连接，其中所述至少一个预应力元件(32)被构造为，在所述过滤材料(28)中产生机械应力，以提供所述过滤结构(26)朝着背向所述背板结构(22；22a，22b)的方向的弯曲变形。
2.根据权利要求1所述的微机电系统，其中所述过滤结构(26)布置在所述进入开口(14)和所述背板结构(22；22a，22b)之间。
3.根据权利要求2所述的微机电系统，其中所述背板结构(22；22a，22b)布置在所述膜片结构(18)和所述过滤结构(26)之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述过滤材料(28)和所述背板结构(22；22a，22b)的背板材料是相同的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述过滤材料(28)包括具有第一孔尺寸(96)的过滤孔(62)，并且其中所述背板结构(22；22a，22b)的背板材料包括具有第二孔尺寸(94)的背板孔(58)，所述第二孔尺寸大于所述第一孔尺寸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述过滤结构(26)是具有多个孔(62)的第一孔结构，所述多个孔(62)由多个第一隔片(98)隔开，并且其中所述背板结构(22；22a，22b)是具有多个第二孔(58)的第二孔结构，所述多个第二孔由多个第二隔片(102)隔开，其中所述第一孔结构和所述第二孔结构相对并且布置成，使得所述多个第一隔片(98)之间的第一连接点(104)中的至多10％与所述多个第二隔片(102)之间的第二连接点(106)彼此相对。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述过滤结构(26)是具有所述多个孔(62)的孔结构，所述多个孔(62)由多个隔片(98)隔开，其中所述隔片(98)的隔片宽度(108)是至少1μm并且至多7μm。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述过滤结构(26)对于颗粒直径为至少6.5μm的颗粒(56)是机械不可通过的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述背板结构(22；22a，22b)在所述背板结构的边缘区域具有距所述过滤结构(26)的第一距离(64)，并且在中心区域具有距所述过滤结构(26)的第二距离(34)，所述第二距离(34)至少是所述第一距离(64)的两倍。
10.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述背板结构(22；22a，22b)在所述背板结构的边缘区域距所述过滤结构(26)的距离(64)为至多3μm，并且在中心区域距所述过滤结构(26)的距离(34)为至少6μm。
11.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述背板结构(22；22a，22b)和所述过滤结构(26)在边缘区域被固定地夹紧，并且在所述背板结构(22；22a，22b)和所述过滤结构(26)之间布置有绝缘材料(46)。
12.根据权利要求11所述的微机电系统，其中所述过滤结构(26)在面积上暴露于所述绝缘体材料(46)的程度大于所述背板结构(22；22a，22b)暴露于所述绝缘体材料(46)的程度。
13.根据权利要求11或12所述的微机电系统，其中所述绝缘材料(46)在面积上覆盖所述过滤结构(26)面向所述背板结构(22；22a，22b)的一侧的程度小于覆盖所述过滤结构(26)背向所述背板结构(22；22a，22b)的一侧的程度。
14.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述预应力元件(32)布置在所述过滤结构(26)的过滤边缘区域内。
15.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述过滤材料(28)包括多晶硅材料，并且其中所述预应力元件(32)包括氮化物材料并且布置在所述过滤材料背向所述背板结构(22；22a，22b)的一侧。
16.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述背板结构(22；22a，22b)或所述过滤结构(26)具有防粘元件(84)，所述防粘元件突出到所述背板结构(22；22a，22b)和所述过滤结构(26)之间的区域中。
17.根据权利要求16所述的微机电系统，其中所述背板结构(22；22a，22b)具有所述防粘元件(84)，其中在与所述防粘元件相对的区域中，绝缘材料(92)被布置在所述过滤结构(26)处。
18.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述过滤结构(26)包括皱褶(86)。
19.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述背板结构是第一背板结构(22a)，并且所述微机电系统包括第二背板结构(22b)，其中所述膜片结构(18)布置在所述第一背板结构(22a)和所述第二背板结构(22b)之间。
20.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述过滤结构(26)包括接触区域，所述接触区域被构造为，与所述背板结构(22；22a，22b)接触，其中在所述背板结构(22；22a，22b)与所述过滤结构(26)之间的所述接触区域中布置有绝缘材料(92)。
21.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述过滤结构(26)被构造为，减少颗粒(56)和/或液体朝向所述背板结构(22；22a，22b)的通过。
22.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，所述微机电系统被构造为麦克风或扬声器。
23.根据前述权利要求中任一项所述的微机电系统，其中所述过滤结构(26)针对通过所述进入开口(14)发送或接收的声音的声阻尼为至多2dB。
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