CN110198913B - 用于压力和声学感测的mems换能器系统 - Google Patents

Abstract

MEMS换能器系统包括MEMS换能器设备，以用于感测压力信号或声信号中的至少一个。MEMS换能器设备包括第一膜片和第二膜片。在膜片之间形成间隔物、平板电容器元件和电极元件。平板电容器元件经由隔板耦合到膜片。可选的构件可以设置在间隔物内。电极元件的远端耦合到诸如绝缘体元件之类的结构。可以在平板电容器元件内形成可选的氧化物。在膜片之间形成的压力感测电极可以耦合到绝缘体元件。

Description

用于压力和声学感测的MEMS换能器系统

技术领域

本公开一般涉及微机电系统（MEMS）设备，并且更特别地涉及用于压力和声学感测的MEMS换能器（transducer）系统。

发明内容

下面阐述了本文中公开的某些实施例的概述。应当理解的是，呈现这些方面仅是为了向读者提供这些某些实施例的简要概述，并且这些方面并不意图限制本公开的范围。实际上，本公开可以涵盖没有在下面阐述的各种各样的方面。

涉及MEMS换能器系统的本公开的实施例包括：第一膜片和与第一膜片间隔开的第二膜片，其限定了间隙。MEMS换能器系统进一步包括形成在间隙内的压力感测电极和具有高度的间隔物，该间隔物将第一膜片耦合到第二膜片，其中压力感测电极位于第一膜片或第二膜片中的至少一个附近。在间隔物内形成通孔。MEMS感测换能器系统进一步包括顶部基板和底部基板，以及将顶部基板耦合到底部基板的壁结构，其中压力感测电极位于耦合到壁结构的第一膜片或第二膜片中的至少一个附近。一个或多个柱形成在间隙内并且将第一膜片耦合到第二膜片。第一膜片和第二膜片中的每一个包括外表面，屏障被应用于第一膜片和第二膜片的外表面。在间隙内形成平板电极，该平板电极包括耦合到间隔物的第一端。至少一个电极结构形成在压力感测电极与平板电极之间。电极结构包括一个或多个开口以用于容纳柱。

根据本公开的另一方面，一种用于压力和声学感测的换能器系统包括：基板；设置在基板上的膜片组装件，该膜片组装件具有第一膜片、第二膜片和形成在它们之间的间隙；包围间隙的壁结构；以及形成在间隙内的压力感测电极，其中压力感测电极位于第一膜片和第二膜片附近。压力感测电极耦合到壁结构。换能器系统进一步包括：形成在间隙内的一个或多个柱，该一个或多个柱将第一膜片耦合到第二膜片。在至少一个柱内形成至少一个通孔。位于压力感测电极的相反方向的是平板电容器，该平板电容器耦合到至少一个柱。在膜片组装件上形成屏障。

附图说明

在参照附图阅读某些示例性实施例的以下详细描述时，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中相同的符号遍及各图表示相同的技术，其中：

图1是根据本公开所描述的实施例的封装中的MEMS换能器系统的透视图；

图2A是根据本公开所描述的实施例的图1的封装中的MEMS换能器系统的横截面图；

图2B是根据本发明所描述的实施例的具有底部端口的图1的另一封装中的MEMS换能器系统的横截面图；

图2C是根据本发明所描述的实施例的具有侧端口的图1的另一封装中的MEMS换能器系统的横截面图；

图3A是根据本发明所描述的实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图3B是根据本公开的另一示例性实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图3C是根据本公开的另一示例性实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图3D是根据本公开的另一示例性实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图4A是根据本公开的另一示例性实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图4B是根据本公开的另一示例性实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图4C是根据本公开的另一示例性实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图5A是根据本公开的另一示例性实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图5B是根据本公开的另一示例性实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图6A是根据本公开的另一示例性实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图6B是根据本公开的另一示例性实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图6C是根据本公开的另一示例性实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图7A是根据本公开的另一示例性实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图7B是根据本公开的另一示例性实施例的MEMS换能器设备的横截面图；

图8是根据本公开的示例性实施例的电极元件结构的顶视图；以及

图9是根据本公开的示例性实施例的对电极结构的顶视图。

具体实施方式

呈现以下描述以使得本领域技术人员能够制造和使用所描述的实施例，并且在特定应用及其要求的背景下提供以下描述。对于本领域技术人员来说，对所描述的实施例的各种修改是显而易见的，并且在不偏离所描述的实施例的精神或范围的情况下，可以将本文中定义的一般原理应用于其它实施例和应用。因此，所描述的实施例不限于所示的实施例，而是要符合与本文中公开的原理和特征一致的最广范围。

本公开是用于客户端机器的MEMS换能器系统。在客户端机器内的是若干个其他电子组件，诸如传感器设备、扬声器、图形处理器单元、计算机处理器单元、主机系统、MEMS传声器、以及直接或间接耦合到传声器系统的任何合适的计算机实现的设备。客户端机器可以是个人计算机或台式计算机、膝上型计算机、蜂窝或智能电话、平板设备、个人数字助理（PDA）、游戏控制台、音频设备、视频设备、娱乐设备（诸如电视、车辆信息娱乐系统）、可穿戴设备、娱乐或信息娱乐遥控器、瘦客户端系统、胖客户端系统等等。可以提出不论大小、移动性或配置的其他合适的客户端机器来包括任何数量的MEMS换能器系统。

MEMS换能器系统包括：封装壳体或外壳，以用于容纳任何数量的传感器设备/管芯、内部部件或其组合。传感器设备/管芯可以是：诸如MEMS换能器、扬声器、接收器、传声器、压力传感器、热传感器、光学传感器、成像传感器、化学传感器、陀螺仪、惯性传感器、湿度传感器、加速度计、气体传感器、环境传感器、运动传感器、导航传感器、生命传感器、隧道磁阻（TMR）传感器、接近传感器、辐射热测量计或其组合。传声器可以是驻极体传声器、电容式传声器、石墨烯传声器、压电传声器、硅传声器、光学传声器或任何合适的声学传声器。

图1是根据本公开的实施例的MEMS换能器系统10的透视图。MEMS换能器系统10包括：封装壳体20，该封装壳体20具有盖子12、间隔物14和通过任何合适的附接方法附接到间隔物14的基板16。可以在MEMS换能器系统10内安装多于一个传感器设备/管芯。传感器设备/管芯可以是MEMS换能器、扬声器、接收器、传声器、压力传感器、热传感器、光学传感器、成像传感器、化学传感器、陀螺仪、湿度传感器、惯性传感器、生命传感器、TMR传感器、加速度计、气体传感器、环境传感器、运动传感器、导航传感器、接近传感器、辐射热测量计或其组合。诸如ASIC、集成电路、处理器、控制器、能量存储设备、致动器、传感器电路或任何合适的电路之类的可选组件可以安装在传声器系统10内。取决于应用，可以通过蚀刻、穿孔、钻孔、冲孔或任何合适的方法，在封装壳体20的任何位置上形成任何数量的开口22，诸如用于接收来自环境的属性的端口或通道。例如，开口22可以形成在盖子12、基板16或间隔物14上。在一些实施例中，开口22可以形成在封装壳体20的多个位置上。该属性可以是声学信号、压力信号、光学信号、气体信号和任何合适的信号。可选的屏障可以在开口22内形成。该屏障被配置为过滤器并且作为过滤器起作用以去除碎屑、污染物、颗粒、蒸汽、流体等等。在一些实施例中，屏障可以在壳体20的外表面上形成以覆盖开口22，使得碎屑、污染物、颗粒等等不能渗透到壳体中。在又另一实施例中，屏障可以形成在开口22下方，其中屏障的一部分附接到壳体20的内表面，以用于过滤或去除碎屑、污染物、颗粒等等。在其他实施例中，屏障可以被直接制造在可移动构件（诸如，膜片）上。在又另一实施例中，屏障被形成为分层薄膜或分层材料，并且可以在制造期间集成到壳体20中，或者被设置在壳体20的外表面或内表面上。尽管描述了一个屏障，但是取决于应用，可以在MEMS封装上实现多层屏障或任何合适数量的屏障。屏障不仅在经由开口22暴露于环境时起到颗粒去除的作用，屏障还可以用于其他目的，诸如减震器、或振动阻尼器或其组合。尽管如所描绘的MEMS换能器系统10包括多结构封装壳体20，但是在单个结构封装壳体、两件式结构封装壳体或多结构封装壳体中的各种方面和配置可以被用来密封至少一个内部组件。作为示例，盖子12和间隔物14可以被形成为单个结构、限定了盖或帽。可以通过任何合适的方法在基板18、盖子12、间隔物14或封装壳体20的多个位置上形成一个或多个焊盘18。一旦引入了焊盘18，MEMS换能器系统10就可以容易地安装到客户端机器的外部印刷电路板或另一个支撑构件上。在一些实施例中，封装壳体进一步包括将盖12耦合到间隔物14或基板16的插入件。

图2A-2C图示了根据本公开所描述的实施例的图1的MEMS换能器系统10的横截面图，该MEMS换能器系统10具有形成在封装壳体20的各种位置上的至少一个开口22。该MEMS换能器系统10包括传感器设备/管芯30以及安装在封装壳体20的任何位置内的组件26。形成在封装壳体20的任何位置上的开口22与传感器设备30或组件26中的至少一个邻近，提供传感器设备30或组件26以接收来自外部环境的属性或刺激。可以引入连接链路24来将传感器设备30通信地耦合到组件26。连接链路24可以是引线接合、焊料凸起、焊料微凸起、焊料球或任何合适的连接器。在一些实施例中，连接链路24可以是无线通信链路，并且传感器设备30通信地耦合到组件26，其中内置接口形成在传感器设备30和组件26两者中。无线通信链路例如可以是WiFi、近场通信（NFC）、Zigbee、智能WiFi、蓝牙（BT）Qi无线通信、超宽带（UWB）、蜂窝协议频率、射频或任何合适的通讯链路。取决于应用，可以使用任何数量的传感器设备30、组件26或该传感器设备与该组件之间的连接链路24。尽管在图1中图示了组件26和传感器设备30的并排配置，但是任何合适的配置都是可能的。例如，传感器设备30可以被放置或安装在组件26的顶部上以形成堆叠配置。在另一个示例中，传感器设备30可以被安装在形成在组件26内的孔中，该孔被配置成容纳传感器设备以形成围绕的配置。

图3A-3D图示了根据本公开的示例性实施例的安装在图1的MEMS换能器系统10内的MEMS换能器设备130、130’、130”、130”’的各种实施例的横截面图。如图3A所示，MEMS换能器设备130包括第一膜片元件38、与第一膜片元件38间隔开的第二膜片元件40，以及将第一膜片元件38连接到第二膜片元件40的间隔物48。从间隔物48的圆周部分延伸并且径向向外延伸的是平板电容器元件，图示了两个平板电容器元件42a、42b。在一个实施例中，膜片元件38、40、间隔物48和平板电容器元件42a、42b可以形成为具有相同材料的整体结构。在另一个实施例中，间隔物48和平板电容器元件42a、42b可以整体地形成。然后通过任何合适的连接方法将间隔物48的两端附接到膜片元件38、40。在又另一实施例中，间隔物48和膜片元件38、40可以整体地形成，并且如图示的，被形成为两个子平板电容器元件的平板状电容器元件42a、42b通过任何合适的附接方法而附接到间隔物48的主体部分或外表面上。在另外的另一个实施例中，第一间隔物和第一膜片元件38可以形成整体结构。类似地，第二间隔物和第二膜片元件40可以形成整体结构。第一间隔物的端部附接到平板电容器元件42a或42b的第一表面。同样地，第二间隔物的端部附接到平板电容器元件42a或42b的第二表面。在一些实施例中，可以单独地提供两个平板电容器元件42a，42b，并且每个平板电容器元件包括在其中整体形成的间隔物。在两个平板电容器元件被附接或层压以形成单个平板电容器元件42之后，可以将与平板电容器元件相对的间隔物的端部附接到第一和第二膜片元件38、40。可以在膜片元件38、40的圆周部分的周围形成结构43。结构43可以由下述材料形成，该材料包括绝缘材料、非绝缘材料、交替的绝缘和非绝缘材料的组合、导电材料、非导电材料、交替的导电和非导电材料的组合。可选的过孔（vias）72可以形成在绝缘体结构43内。在一个实施例中，可选的膜片隔离件可以附接到膜片元件38、40。

可以在膜片元件38、40或平板电容器元件42a、42b中的至少一个之间提供第一和第二电极元件44、46。如图3A中图示的，位于平板电容器元件42a下方的第一电极元件44通过任何合适的附接方法附接到绝缘体结构43的至少一部分。类似地，位于平板电容器元件42b上方的第二电极元件46通过任何合适的附接方法附接到绝缘体结构43的至少一部分。在一个实施例中，第一电极元件44偏离第二电极元件46。在另一个实施例中，电极元件44、46在同一平面上彼此平行，如图3B中描绘的。

现在参考图3B，MEMS换能器设备130’类似于图3A中图示的MEMS换能器设备130，除了MEMS换能器设备130’包括第一电极元件结构144和在第一电极元件结构144下方的第二元件结构146之外。每个电极元件结构144、146包括：形成在其间以接收间隔物48的开口88。与电极元件44、46一样，电极元件结构144、146的端部通过任何合适的附接件附接到绝缘体结构43的一部分。

现在参考图3C，MEMS换能器设备130”类似于图3B的MEMS换能器设备130’，除了MEMS换能器设备130”包括形成在间隔物48内的构件91并且将间隔物48分成顶部和底部部分之外。构件91可以由下述材料形成，该材料包括绝缘材料、交替的绝缘和非绝缘材料的组合、非导电材料、交替的导电和非导电材料的组合。

现在参考图3D，MEMS换能器设备130”’类似于图3C的MEMS换能器设备130，除了MEMS换能器设备130”’包括埋在平板电容器元件42a、42b中的氧化物93之外，该平板电容器元件42a、42b由诸如多晶硅之类的任何合适的材料制成。形成其中埋有氧化物93的平板电容器元件42a、42b不仅减小了由于应力梯度所致的平板电容器元件42a、42b的曲率，埋在平板电容器元件42a、42b中的氧化物93被抵消。可以使用适合于引起受控应力贡献或梯度的任何类型的材料。例如，材料可以是氮化物、Al₂O₃、SiC和任何合适的材料。取决于曲率方向，掩埋氧化物93的位置可以朝向平板电容器元件42a、42b的上表面或下表面偏移。在一些实施例中，可以调节氧化物的厚度以减小曲率。

当声压撞击在图3A-3D的第二膜片元件40上时，第二膜片元件40响应于该声压而振荡或变形。第二膜片元件40的这种振荡运动进而使得具有耦合到第二膜片元件40的一端的间隔物48在相同的方向上振荡。具有耦合到第一膜片元件38的第二端的间隔物48也在与第二膜片元件40相同的方向上振荡。膜片元件38、40的振荡运动通过间隔物48平移到平板电容器元件42a、42b。当膜片40向上移动时，电极元件46或146与平板电容器元件42b之间的间隙G2变得更小，而电极元件44或144与平板电容器元件42a之间的间隙G1变得更大或大于G1。因此，G2处的电容增加并且差分信号变得更大而G1减小。机械差动换能器的这样的配置不仅降低了MEMS换能器设备130、130’、130”、130”’的整体寄生电容，而且还增加了MEMS换能器设备130、130’、130”、130”’的灵敏度和线性度的动态范围。

图4A-4C图示了本公开的MEMS换能器设备230、230’、230”的各种实施例。MEMS换能器设备230、230’、230”类似于图3A-3C中图示的MEMS换能器设备130、130’、130”，除了MEMS换能器设备230、230’、230”的膜片38、40之间的封闭间隙G被抽空之外。为了机械地稳定膜片38、40，形成多于一个柱49。如可以看到的，每个柱49的端部通过任何合适的连接方法附接到膜片38、40。每个柱49被基本上间隔开。虽然柱49以管状形式示出，但是取决于应用，可以使用其他几何形状、配置、大小或因此组合，而不限制本公开的范围。在一个实施例中，与邻近绝缘体结构43的柱相比，与间隔物48相邻的柱更细。此外，取决于应用，柱的弹性可以变化。过孔或开口89形成在电极元件44、46、244、246内以容纳柱49。通过任何合适的方法在电极元件44、46、244、246内形成开口或通孔89以接收柱49。通孔89的数量基本上等于柱49的相同数量。

图5A和5B图示了本公开的MEMS换能器设备330、330’的各种实施例。MEMS换能器设备330、330’类似于图4A-4B中图示的MEMS换能器设备230、230’，除了MEMS换能器设备330、330’包括施加或沉积在膜片38、40的外表面上的薄膜或涂层74之外。该薄膜或涂层74定义为屏障，其增强化学稳定性和液体阻力，诸如水。尽管屏障74形成在膜片38、40的外表面上，但是屏障74可以覆盖整个膜片38、40而不偏离本公开的教导。在一些实施例中，膜片38、40由下述材料形成，该材料包括疏水材料、绝缘材料或具有屏障的导电材料。因此不再需要屏障。在另一个实施例中，遭受过程引起压缩应力的材料被用来形成膜片38、40，可以沉积或施加具有拉伸应力的调整材料来减少缺陷。电极44和46附接到隔离部分343，以进一步减小寄生电容。

图6A-6C图示了本公开的MEMS换能器设备430、430’的另一个各种实施例。MEMS换能器设备430、430’类似于图6A和6B中图示的MEMS换能器设备330、330’，除了MEMS换能器设备430、430’包括泄漏孔或形成在间隔物48内并继续形成到两个膜片38、40中直到露出泄漏孔为止的开口90。屏障74被应用于膜片38、40的表面和泄漏孔90的表面。在一些实施例中，如图6C中描绘的，可以通过任何合适的方法，在柱49中形成一个或多个泄漏孔90’。泄漏孔90’继续进入两个膜片38、40中直到露出泄漏孔为止。在一个实施例中，取决于应用，屏障74可以可选地覆盖泄漏孔90’的内表面。尽管未示出，但是类似的泄漏孔90’可以在图6A的MEMS换能器设备430中形成。

图7A和7B图示了本公开的MEMS换能器设备530、530’的另一个各种实施例。MEMS换能器设备530、530’类似于图6A和6B中图示的MEMS换能器设备430、430’，除了耦合到绝缘体元件43的压力感测电极98形成在间隙G内以用于感测压力信号或声信号中的至少一个之外。如可以看到的是，压力感测电极98通过任何附接方法位于膜片38或膜片40中的至少一个的近侧位置处。压力感测区域可以形成在除图7A和7B中图示的区域之外的不同位置中。当环境相对于封闭压力改变时，压力感测电极98上方的膜的部分变形，并且电容性地感测间隙变化。压力感测电极98可以形成在任何先前描述的MEMS换能器设备30、130、130’、130”、130”’、230、230’、230”、330、330’上，以用于感测压力信号或声学信号中的至少一个而不偏离本公开的教导。

图8图示了本公开的电极元件结构1000的示例性实施例的顶视图。电极元件结构1000包括电极元件1044、1046，该电极元件1044、1046定位在彼此的顶部上并且通过任何合适的间隙间隔开，以便减小寄生电容。尽管电极元件1046堆叠在电极元件1044的顶部上，但是次序可以是相反的而不偏离本公开的教导。每个电极元件1044、1046包括一个或多个过孔或孔1089以容纳柱1049。中心泄漏孔1090形成在电极元件结构1000上，以可选地容纳屏障。理解的是，在不偏离本公开的教导的情况下，取决于应用，可以考虑任何配置、几何形状、大小和形状来形成电极元件结构1000。

图9图示了本公开的平板电容器结构1100的示例性实施例的顶视图。平板电容器结构1100包括平板电容器元件1142a、1142b，该平板电容器元件1142a、1142b定位在彼此的顶部上并且以任何合适的间隙距离间隔开。平板电容器元件1142a、1142b可以被理解为如先前附图中的平板电容器元件42a、42b。虽然平板电容器元件1142a堆叠在平板电容器元件1142b的顶部上，但是次序可以是相反的而不偏离本公开的教导。每个平板电容器元件1142a、1142b包括可选的过孔或通孔以用于接收柱。中央泄漏孔1090形成在平板电容器结构1100上，以可选地容纳屏障。理解的是，在不偏离本公开的教导的情况下，取决于应用，可以考虑任何配置、几何形状、大小和形状来形成平板电容器结构1100。

已经作为示例示出了上述实施例，并且应当理解的是，这些实施例可以容许各种修改和替换形式。应当进一步理解的是，权利要求不意图限于所公开的特定形式，而是覆盖落入本公开的精神和范围内的全部修改、等同物和替换方案。

虽然已经参照各种实施例描述了该专利，但是将理解的是，这些实施例是说明性的，并且本公开的范围不限于此。许多变型、修改、添加和改进是可能的。更一般地，已经在上下文或特定实施例中描述了根据该专利的实施例。在本公开的各种实施例中，可以用框的形式不同地分离或组合功能，或者利用不同的术语来描述功能。这些和其他变型、修改、添加和改进可以落入如所附权利要求中限定的本公开的范围内。

Claims (11)

1.一种MEMS感测换能器系统，其包括：

第一膜片和与所述第一膜片间隔开的第二膜片，其限定了在它们之间的间隙；

形成在所述间隙内的压力感测电极；以及

间隔物，所述间隔物在所述第一膜片和所述第二膜片之间延伸并附接到所述第一膜片和所述第二膜片；

平板电容器，包括形成在所述间隙内的两个平板电容器电极，所述两个平板电容器电极各自附接到所述间隔物并从所述间隔物径向向外延伸，

其中所述压力感测电极位于所述第一膜片或第二膜片中的至少一个附近。

2.根据权利要求1所述的MEMS感测换能器系统，其中所述间隔物包括通孔。

3.根据权利要求2所述的MEMS感测换能器系统，进一步包括：

顶部基板和底部基板；以及

在所述顶部基板和所述底部基板之间延伸的壁结构；

其中所述压力感测电极位于被附接到所述壁结构的第一膜片或第二膜片中的至少一个附近。

4.根据权利要求3所述的MEMS感测换能器系统，进一步包括：形成在所述间隙内的一个或多个柱，所述一个或多个柱在所述第一膜片和所述第二膜片之间延伸并连接至所述第一膜片和所述第二膜片。

5.根据权利要求4所述的MEMS感测换能器系统，其中所述第一膜片和第二膜片中的每一个包括外表面，屏障被应用于所述第一膜片和第二膜片的外表面。

6.根据权利要求1所述的MEMS感测换能器系统，进一步包括形成在所述压力感测电极与所述平板电容器电极之一之间的至少一个电极结构。

7.根据权利要求4所述的MEMS感测换能器系统，其中所述电极结构包括一个或多个开口，所述柱延伸通过所述一个或多个开口。

8.一种用于压力和声学感测的换能器系统，其包括：

顶部基板和底部基板；

设置在所述底部基板上的膜片组装件，所述膜片组装件具有第一膜片、第二膜片和形成在它们之间的间隙；

间隔物，所述间隔物在所述第一膜片和所述第二膜片之间延伸；

在所述第一膜片和所述第二膜片之间延伸并包围所述间隙的壁结构；

平板电容器，包括形成在所述间隙内的两个平板电容器电极；以及

形成在所述间隙内的压力感测电极；

其中所述压力感测电极位于所述第一膜片和第二膜片附近；

其中所述压力感测电极附接到所述壁结构并从所述壁结构向外延伸，并且

其中所述两个平板电容器电极各自被附接到所述间隔物并从所述间隔物径向向外延伸。

9.根据权利要求8所述的换能器系统，进一步包括：形成在所述间隙内的一个或多个柱，所述一个或多个柱在所述第一膜片和所述第二膜片之间延伸并被连接至所述第一膜片和所述第二膜片。

10.根据权利要求9所述的换能器系统，其中在至少一个柱内形成至少一个通孔。

11.根据权利要求8所述的换能器系统，进一步包括在所述膜片组装件上形成的屏障。

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