CN110225441B - Mems模块 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种MEMS模块(100)。该MEMS模块包括：具有内部容积(V)的壳体(130)，其中壳体(130)具有朝内部容积(V)的声音开口(132)；壳体(130)中与声音开口(132)相邻的MEMS组件(110)；以及层元件(138)，该层元件(138)至少局部地布置在壳体(130)的面向内部容积(V)的表面区域(134‑1、136‑1)处，其中层元件(138)具有层材料，该层材料比层元件(138)相邻的壳体(130)的壳体材料具有更低的热导率，并且可选地具有更高的热容量。

Description

MEMS模块
技术领域
实施例涉及一种MEMS模块或MEMS传感器及其制造方法。特别地，实施例涉及一种以MEMS声换能器(例如MEMS麦克风)形式并且具有多层壳体结构的MEMS模块。该壳体结构被构造为，至少减少由于MEMS模块的环境中的动态温度或热波动而产生的热变化渗透到MEMS模块的内部容积中。根据实施例，MEMS模块的壳体装置被构造为热低通滤波器装置。
背景技术
MEMS模块通常包括布置在基板上的电子元件，例如MEMS组件(MEMS＝微机电系统)，该MEMS组件被壳体包围。该壳体旨在保护MEMS模块免受外部环境影响，例如灰尘、污垢、湿气等。一些壳体(封装)还被提供用于屏蔽MEMS模块免受外部电磁辐射，其中为此通常使用金属外壳。
对于传感器应用，例如MEMS麦克风应用，由于当前可用的MEMS麦克风的高灵敏度，MEMS模块对温度变化的稳定操作是必要的。因此，在某些情况下，特别是在麦克风应用中，MEMS麦克风上的快速温度变化(例如频率大于20赫兹)是重要的，因为这样的“快速”的温度变化能够产生声学相关信号，即产生传感器输出信号中的干扰信号分量。在此，快速温度变化无论是产生在传感器或MEMS模块的外部，还是产生在传感器模块壳体或传感器封装的某些部分中，是不重要的。
例如，在这种情况下应该注意，在移动设备中(例如所谓的智能手机)，MEMS麦克风模块布置在移动设备的壳体内，其中MEMS麦克风模块也可能相对靠近地布置在移动设备的功率模块处(例如收发器模块和相关的天线结构)。例如，由于GSM移动无线电标准包括具有约217Hz的重复频率的脉冲输出信号，所以在MEMS麦克风模块外部，可能由相应的发送和/或接收模块根据GSM移动无线电标准的封装重复频率而产生热波动。该温度波动可能耦合到MEMS组件的壳体中，并且可能影响由MEMS组件提供的输出信号。结果，可能降低所得到的信噪比(SNR)。
由于在传感器领域中存在对MEMS传感器(例如MEMS麦克风或MEMS压力传感器)的持续需求，该MEMS传感器以足够高的精度检测所需的测量量(例如声信号或压力变化)，因此要求减少温度波动对MEMS模块或MEMS传感器的影响。
发明内容
本公开的实施例可以满足这样的要求。本公开的实施例还给出了该方案的扩展。
MEMS模块100包括具有内部容积V的壳体130，其中壳体130具有朝内部容积V的声音开口132。MEMS模块100还包括在壳体130中与声音开口132相邻的MEMS组件110和层元件138，该层元件138至少局部地布置在壳体130的面向内部容积V的表面区域134-1、136-1处。层元件138具有层材料，该层材料比层元件138相邻的壳体130的壳体材料具有更低的热导率，并且可选地具有更高的热容量。
根据实施例，通过布置层元件138来改变壳体，至少可以减少动态热传递通过壳体130进入MEMS模块100的内部容积V。因此，能够降低MEMS组件110相对于MEMS模块100外部的快速温度变化的敏感度。根据实施例，具有层材料的附加层或层元件138至少布置在壳体130的面向内部容积V的表面区域(即内表面)的部分处，这些部分起到了主要的热传输器或热发生器的效果。该附加的层材料例如被设计成单独使用或与其他层(例如壳体130的金属材料)一起使用，起到热滤波器装置的效果，其一方面允许MEMS模块100环境中的缓慢的温度变化能够通过壳体130，但另一方面能够均化或过滤掉(即有效阻止)快速的温度变化。
因此，通过将壳体130特定地修改为特别是对于相对快速的温度变化的热滤波器装置，可以极其有效地减少布置在MEMS模块100外部的其他模块或功率模块的“热串扰”(英语也称为“共存干扰”＝相互影响)。
附图说明
现在将参考附图对装置和/或方法的实施例详细描述。其中：
图1示出了根据实施例的MEMS模块100的横截面示意图，该MEMS模块100示例性地具有基于膜的MEMS声换能器或MEMS麦克风110和与其电耦合的电路装置(ASIC)120；和
图2示出了根据实施例的MEMS模块的壳体上的层元件的一些相关材料的示例性表格概述。
具体实施方式
在参考附图更详细地解释下面的实施例之前，要指出的是，各个图中的相同的、功能相同的或等同的元件、对象、功能块和/或方法步骤具有相同的附图标记，从而在不同实施例中示出的这些元件、对象、功能块和/或方法步骤的描述是可互换的或可以彼此应用。
现在将参考附图更详细地描述各种实施例，附图中示出了一些实施例。在附图中，为了清楚起见，可能未按比例绘制线、层和/或区域的强度。
下面参考图1，在横截面视图中，以原理示意图的形式描述MEMS模块100，MEMS模块100具有MEMS组件110和可选的与MEMS组件110电耦合的电路装置120(ASIC：专用集成电路)。如图1所示，MEMS组件110可以布置在具有内部容积V的壳体130中，其中壳体130例如具有朝内部容积V的通道开口或声音开口132。例如，MEMS组件110在壳体130中与声音开口132相邻地布置。壳体130现在例如可以包括基板134和覆盖元件136，该覆盖元件136可以构造为至少局部导电的，其中层元件138可以至少局部地布置在覆盖元件136的内表面区域136-1处。附加地或替代地，层元件138可以至少局部地布置在基板134的内表面区域134-1处。
MEMS组件110可以被构造为例如MEMS声换能器。然而，应该理解，以下实施同样适用于被安置在壳体中的任何MEMS组件，例如压力传感器等。
在MEMS声换能器的示例性布置中，所述MEMS组件110可将内部容积V分成前容积V1和后容积V2，其中前容积V1位于声音开口132和MEMS声换能器110之间的区域中，并且其中后容积V2位于MEMS声换能器110在壳体130的内部容积中的相对侧。壳体130现在还具有层元件138，该层元件138至少局部地布置在壳体130的面向内部容积V的表面区域136-1处，即例如在覆盖元件136的内表面136-1处。层元件138例如被构造为至少局部地减少或防止动态热传递进入MEMS模块100的内部容积V中。层元件138具有面向内部容积V的表面区域138-1和面向壳体130的表面区域138-2。该层元件138还可以构成壳体130的一部分。
层元件138现在具有层材料，该层材料与层元件138相邻的壳体130的壳体材料相比，具有更低的热导率，并且可选地具有更高的热容量或热质量。
通常，主体的热容量CTherm定义为供给主体的热量ΔQ与由此产生的温度变化ΔT的比率：
Figure BDA0001990741500000041
热导率(也称为导热系数)是材料特性，该特性确定由于热传导而通过材料的热流。热导率表明材料传导热量的程度以及它适用于隔热的程度。热导率可表示如下：
Figure BDA0001990741500000042
其中，
Figure BDA0001990741500000043
是热流，A是热流流过的层元件138的横截面积，l是层元件138的厚度，λ是层元件138的比热导率，ΔT是厚度为l的层元件138的边缘表面138-1、138-2之间的温差。
以上关于热导率和热容量的定义和/或规定仅被假设为层元件138的物理特性的示例性描述。
如图1中的示例所示，层元件138基本上布置在覆盖元件136的面向内部容积的整个表面区域136-1上。根据实施例，层元件138也可以仅部分地或局部地布置在壳体136的面向内部容积的表面区域136-1处，即布置在这样的一个或多个起传热区域或发热区域效果的区域处。例如，如果覆盖元件136能够整体上作为主要传热元件采用，则层元件138基本上可以布置在覆盖元件136的整个内表面区域136-1处，或者覆盖该覆盖元件136的内表面区域。可选地，层元件135也可以局部地布置在基板134的面向内部容积的表面区域134-1处，其中这在图1中没有明确地示出。
层元件138的层材料现在可以选择为具有比导电的覆盖元件136的覆盖材料的热导率低至少5倍、10倍、20倍或100倍的热导率，其中层元件138的层材料可以进一步选择为具有比与层元件133相邻的覆盖元件136的壳体材料的热容量高至少5倍、10倍、20倍或100倍的热容量。
层元件138或层序列例如现在被构造为，针对具有变化截止频率fGrenz≤200Hz、100Hz、50Hz或≤20Hz的温度变化(例如温度波动或热波动)的热滤波器装置或热低通滤波器装置，该曾序列包括层元件138以及层元件相邻的覆盖元件136。因此，截止频率fGrenz是温度变化的频率值，在超过该截止频率的情况下，通过壳体或封装130进入MEMS模块100的内部容积V的动态热传递低于特定值，例如与没有层元件的比较情况相比，至少下降25％、50％、75％或90％。
因此，热低通滤波器装置、具有层元件138或层序列(具有层元件138和与层元件138相邻的覆盖元件136)被构造为，至少减少由于脉冲频率为至少10、20、50、100或200Hz或者更高的脉冲电磁干扰所引起的热波动渗透到壳体130的内部容积V中。
根据实施例，覆盖元件136可以被构造为导电的，并且通过导电结构(图1中未示出)电耦合或电连接到基板134处，使得覆盖元件136能够与参考电位(例如接地电势)电连接。
根据实施例，MEMS模块100还可选地具有在壳体130的内部容积中(例如在基板134上)集成的电路装置120(ASIC)。例如，该电路装置120与MEMS声换能器110电耦合，并且能够被构造为，基于由声学声压变化ΔP(图1中未示出)引起的声换能器元件110的膜结构(图1中未示出)相对于对电极结构的偏移来检测并提供相应的音频输出SOUT。
因此，MEMS组件110可以构造为具有膜结构和相关的对电极结构(两者均未在图1中示出)的MEMS声换能器或MEMS麦克风。
根据实施例，MEMS组件110(MEMS麦克风)可以将内部容积V划分为前容积V1和后容积V2，其中前容积V1位于声音开口132和MEMS组件110之间的区域中，并且其中后容积V2位于MEMS组件110在壳体130的内部容积V中的相对侧。
MEMS组件110(例如被构造为MEMS麦克风)能够具有另外的对电极结构(图1中未示出)，并且因此可以以双背板配置的形式来构造(以具有两个对电极结构和位于中间的膜结构的配置的形式)。
根据其他实施例，MEMS组件110(MEMS麦克风)可具有另外的膜结构(图1中未示出)，该另外的膜结构通过机械连接元件(图1中未示出)与膜结构机械连接，从而形成所谓的双膜配置，即形成具有两个膜结构和位于中间的对电极结构的配置。
根据实施例，层元件138可以具有作为层材料的塑料材料，例如聚酰亚胺材料或SU-8材料，又或者具有玻璃材料。根据其他实施例，层元件130还可以具有层序列，该层序列由多个不同塑料材料或玻璃材料和/或塑料和玻璃材料组成。此外，覆盖元件136可以具有导电的金属外壳材料。
在调整覆盖元件136之前或之后，层元件138的层材料例如可以作为附加层或附加层元件138添加到覆盖元件136的内表面区域136-1处。为了施加层元件138的层材料，例如可以采用喷墨技术来施加材料。层元件138的层材料例如通过喷墨技术施加，并且可以具有聚酰亚胺材料或SU-8材料，其中所施加的层材料的层厚度可以通过打印过程的次数或运行次数和打印密度(DPI＝点/英寸＝每英寸点数)来调节所得到的层元件138的层厚度。
覆盖元件136的典型的层厚度在100μm的范围内，例如在50至200μm的范围内。层元件138的典型的层厚度在5μm和200μm之间的范围内。覆盖元件136和/或层元件138的典型材料例如包括聚酰亚胺、环氧树脂、树脂等。
图2在“I”部分中示出了根据实施例的MEMS模块的壳体上的层元件138的一些相关材料的示例性表格概述。在表格概述的“II”部分中，示出了一些金属材料，这些金属材料例如可以用作导电的覆盖元件136的典型材料。在“III”部分中，示出了作为其他比较例的一些其他材料。该表的列示例性地给出了相应材料的热导率、密度、比热容、容积热容、热扩散率、截止频率以及相应材料在217Hz的衰减。
在上述参数中，热扩散率是一个重要参数，使得具有低热扩散率值的材料非常适合于使覆盖元件136或壳体130绝缘。从图2的表中还可以看出，部分I的材料具有比部分II的材料低至少两个数量级的热扩散率。低热导率、高密度和高比热容的组合是尽可能降低热扩散率的重要因素。因此，可以从图2的表格得出，材料如聚酰亚胺、SU8、聚对二甲苯、聚酯/PET、环氧树脂以及通常所有其他非导电的聚合物材料适合于构成层元件138的层材料。
此外，可以获得聚合物材料、共聚物材料和复合聚合物材料的其他技术进步，该技术进步增强了热扩散性的降低。聚合物材料及其衍生物是一类可用作层元件138的层材料的材料。但应该注意的是，其他热绝缘体(例如陶瓷材料)也可以用作热屏障(即作为层元件138的层材料)。这种热屏障可以通过不同的生产工艺来实现，例如蒸发、旋涂/喷涂(可选地与光刻相结合)、浸渍、传播印刷和/或热成型工艺，所列的制造过程不应视为穷尽的。
例如，如果假设层材料138的材料密度约为100μm，则图2中所示的表格还提供了由绝缘材料(即层元件138的层材料)带来的频率极点位置的定性说明，并且它们在217Hz的特定频率处标准化衰减(最后一列)。
层元件138的层材料例如也可以作为粘合剂层或薄膜或塑料薄膜施加到壳体130的面向内部容积V的表面区域134-1、136-1处。例如通过压花(热压花)、溅射、气相沉积等施加方法，层元件130的层材料可以至少局部地施加到壳体130或导电覆盖元件136的面向内部容积V的表面区域134-1、136-1处。
根据其他实施例，层元件138的层材料可以由具有较低热导率和可选的较高的热容量的材料预成型或构造，然后，金属化层136可以施加到外表面138-2上(即层元件138的背向内部容积V的壳体130的一侧)，以形成导电的覆盖元件136。
基于本方案，可以相应地简化预定的(例如客户方的)要求，由于例如在当前使用的移动设备(如智能手机、笔记本电脑、平板电脑、手提电脑、智能手表等)中，通过本MEMS模块作为例如MEMS传感器(MEMS压力传感器、MEMS声换能器或MEMS麦克风)被构造为，通过将当前的热屏蔽方案用于MEMS模块100的壳体130，能够在系统层面将干扰的共存信号最小化。
根据实施例，通过布置具有更低热导率和可选的较高热容量(例如相对于覆盖元件136)的材料的层元件138来修改壳体130，至少可以减少通过壳体传递到MEMS模块100的内部容积V中的动态热传递。由于可以降低MEMS模块100对MEMS模块外部的快速温度变化的敏感度。层元件138的附加层至少布置在壳体130的内表面136-1上的以下部分处，这些部分起到了主要的热传递器或热发生器的效果。附加的层材料138例如被设计为起到热滤波器装置的效果，其一方面允许MEMS模块100的环境中的缓慢温度变化能够通过壳体130，但另一方面能够有效地阻止内部容积V之外的快速温度变化。
因此，通过将壳体130特定地修改为特别是对于相对快速的温度变化的热滤波器装置，可以极其有效地减少布置在MEMS模块100附近的其他部件或功率部件(图1中未示出)的“热串扰”。
因此，虽然实施例在附图中以示例方式示出并在本文中详细描述，但是实施例适用于各种修改和替代形式。然而，应该理解的是，本文不旨在将实施例限制于所公开的特定形式，相反，实施例旨在覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替代物。在对附图的整个描述中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。
应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接”与另一个元件“连接”或“耦合”时，没有中间元件。用于描述元件之间的关系的其他术语应以类似的方式解释(例如，“在......之间”相对于“直接在...之间”，“相邻”相对于“直接相邻”等)。此外，表述“至少一个”元件应理解为能够提供一个元件或多个元件。
尽管已经结合MEMS模块描述了一些方面，但是应该理解，一些方面还表示相应的制造方法的描述，其具有用于制造MEMS模块的相应方法步骤。因此，提供块或组件也应被理解为方法步骤或相应方法的方法步骤的特征。一些或所有方法步骤可以通过硬件设备(或使用硬件设备)执行，例如使用微处理器、可编程计算机或电子电路。在一些实施例中，一些或多个最重要的方法步骤可以由这样的设备执行。
在前面的详细描述中，部分地将各种特征一起组合在示例中以简化本公开。这种类型的公开不应被解释为，意图所要求保护的示例比每个权利要求中明确陈述具有更多特征。相反，如权利要求所描述的，主题少于单个公开示例的所有特征。因此，权利要求在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求都可以作为单独示例。尽管每个权利要求可以作为自身的单独示例，但是应当注意，虽然权利要求中的从属权利要求涉及具有一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例还包括从属权利要求与任何其他从属权利要求的主题的组合或每个特征与其他从属或独立权利要求的组合。除非有意声明特定组合，否则包括上述组合。此外，权利要求的特征与任何其他独立权利要求的组合也有意地被包括在内，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。
尽管本文已说明和描述了特定实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本申请的主题的情况下，可以使用各种替代和/或等效实施方式替代在此示出的特定的实施例。本申请文本旨在涵盖在此描述和讨论的特定实施例的所有修改和变化。因此，本申请主题由权利要求的文字及其等同实施例来限定。
附图标记列表
100 MEMS模块
110 MEMS组件
120 电路装置(ASIC)
130 壳体
132 声音开口
134 基板
134-1 基板的内表面区域
136 覆盖元件
136-1 覆盖元件的内表面区域
138 层元件
138-1 层元件的内表面区域
138-2 层元件的外表面区域
ΔP 声压变化
SOUT 输出信号
V 内部容积
V1 前容积
V2 后容积
l 层元件的层厚度

Claims (15)

1.一种MEMS模块(100)，包括：
壳体(130)，具有内部容积(V)，其中所述壳体(130)包括基板(134)和至少局部地导电构造的覆盖元件(136)，
所述壳体(130)中的MEMS组件(110)，和
层元件(138)，至少局部地布置在所述壳体(130)的面向所述内部容积(V)的表面(134-1、136-1)处，
其中，所述层元件(138)具有层材料，所述层材料比所述层元件(138)相邻的所述壳体(130)的壳体材料具有更低的热导率和更高的热容量。
2.根据权利要求1所述的MEMS模块(100)，其中所述层元件(138)至少局部地布置在导电的所述覆盖元件(136)处。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS模块(100)，其中所述层元件(138)的层材料的热导率与所述层元件相邻的所述壳体(130)的壳体材料的热导率相比至少低5倍。
4.根据前述权利要求1或2所述的MEMS模块(100)，其中所述层元件(138)的层材料的热容量与所述层元件相邻的所述壳体(130)的壳体材料的热容量相比至少高5倍。
5.根据权利要求3所述的MEMS模块，其中所述层元件(138)或层序列被构造为针对具有变化截止频率fGrenz≤20Hz的温度变化的热低通滤波器装置，所述层序列包括所述层元件(138)以及所述层元件相邻的所述壳体(130)的壳体材料。
6.根据权利要求5所述的MEMS模块(100)，其中所述热低通滤波器装置被构造为至少减少由于脉冲频率为20Hz或更高的脉冲电磁干扰而产生的热波动渗透到所述壳体(130)的所述内部容积(V)中。
7.根据权利要求1或2所述的MEMS模块(100)，其中所述覆盖元件(136)被构造为导电的，并且通过导电结构电连接到所述基板(134)。
8.根据权利要求1或2所述的MEMS模块(100)，其中所述MEMS组件还包括所述壳体(130)的所述内部容积(V)中的电路装置(120)。
9.根据权利要求1或2所述的MEMS模块(100)，其中所述MEMS组件(110)被构造为具有膜结构和相关对电极结构的MEMS声换能器或MEMS麦克风。
10.根据权利要求8所述的MEMS模块(100)，其中所述电路装置与所述MEMS组件(110)电耦合，其中所述电路装置(120)进一步被构造为，基于由声学声压变化(ΔP)引起的膜结构相对于对电极结构的偏移，检测所述MEMS组件(110)的输出信号(SOUT)。
11.根据权利要求1或2所述的MEMS模块，其中所述层元件(138)具有塑料材料或玻璃材料作为层材料。
12.根据权利要求11所述的MEMS模块(100)，其中所述层元件包括具有多个塑料材料层和/或玻璃材料层的多层层材料。
13.根据权利要求11所述的MEMS模块(100)，其中所述塑料材料包括聚酰亚胺材料和/或SU-8材料。
14.根据权利要求1或2所述的MEMS模块(100)，其中所述覆盖元件(136)具有导电的金属外壳材料。
15.根据权利要求1或2所述的MEMS模块(100)，其中所述壳体(130)具有朝所述内部容积(V)的开口(132)，并且其中所述壳体(130)中的所述MEMS组件(110)被布置为与所述开口(132)相邻。
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