CN110572762B

CN110572762B - 一种mems芯片以及电子设备

Info

Publication number: CN110572762B
Application number: CN201910935081.7A
Authority: CN
Inventors: 刘波; 吴安生
Original assignee: Weifang Goertek Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Weifang Goertek Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2019-09-29
Filing date: 2019-09-29
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2039-09-29
Also published as: WO2021056606A1; CN110572762A

Abstract

本发明公开了一种MEMS芯片以及电子设备。该芯片包括具有背腔的衬底、设置在衬底上的背极和两个感应膜，背极和两个感应膜位于背腔上，两个感应膜分别与背极构成电容结构，两个感应膜分别位于背极的上、下侧，两个感应膜的至少一个包括与背腔相对的有效区、设置在有效区外侧的无效区以及位于有效区和无效区之间的隔离区，隔离区包括分别与有效区和无效区连接的两个绝缘环，以及连接在两个绝缘环之间的缓冲区，两个绝缘环围绕有效区设置；两个感应膜之间形成密封的腔体，在腔体内填充有粘滞系数小于空气的气体，或者在腔体内填充有气压小于标准大气压的空气。

Description

一种MEMS芯片以及电子设备

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，更具体地，涉及一种MEMS芯片以及电子设备。

背景技术

在现有的MEMS芯片(例如，MEMS麦克风)中，为了降低膜片周围低振动区的寄生电容，提升MEMS芯片的灵敏度，通常在膜片上增设氮化硅材质的绝缘环。绝缘环将膜片分隔为位于其中部的有效区和位于有效区外围的无效区。膜片的无效区通过内部电路连接至背极，从而实现无效区和背极之间的等电势，消除二者之间的寄生电容。

然而，这种方式造成了在有效区和无效区之间形成电势差。当外界环境的异物落在绝缘环上，并且异物的尺寸大于绝缘环的宽度时，会将有效区和无效区连接在一起，从而引起漏电，造成MEMS芯片的产品质量不良。

因此，需要提供一种新的技术方案，以解决上述至少一个技术问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种MEMS芯片的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS芯片。该芯片包括具有背腔的衬底、设置在所述衬底上的背极和两个感应膜，所述背极和两个所述感应膜位于所述背腔上，两个所述感应膜分别位于所述背极的上、下侧，并且分别与所述背极构成电容结构，两个所述感应膜的至少一个包括与所述背腔相对的有效区、设置在所述有效区外侧的无效区以及位于所述有效区和所述无效区之间的隔离区，所述隔离区包括分别与所述有效区和所述无效区连接的两个绝缘环，以及连接在两个所述绝缘环之间的缓冲区，两个所述绝缘环围绕所述有效区设置；两个所述感应膜之间形成密封的腔体，在所述腔体内填充有粘滞系数小于空气的气体，或者在所述腔体内填充有气压小于标准大气压的空气。

可选地，所述绝缘环的材质为氮化硅或者氮氧化硅。

可选地，所述缓冲区的材质与所述有效区的材质相同。

可选地，所述无效区与所述背极是导通的。

可选地，所述无效区与所述衬底是导通的。

可选地，所述背极包括导通层和位于所述导通层的至少一个表面的加强层，所述导通层与所述加强层复合在一起。

可选地，所述粘滞系数小于空气的气体为异丁烷、丙烷、丙烯、H₂、乙烷、氨、乙炔、乙基氯、乙烯、CH₃Cl、甲烷、SO₂、H₂S、氯气、CO₂、N₂O、N₂中的至少一种。

可选地，在两个所述感应膜上均设置有通孔，在所述背极上设置有至少一个贯穿孔，两个所述通孔、所述贯穿孔的位置相对应，还包括贯通两个所述通孔和所述贯穿孔的密封的膜层，所述膜层的两端分别与两个所述感应膜的内表面密封连接。

可选地，在所述衬底上埋设有多个焊盘，多个所述焊盘通过位于所述衬底内的导体分别与所述背极、所述衬底、感应膜连接。

可选地，所述隔离区包括比邻设置的两个端部，两个所述端部沿径向延伸，所述有效区向外延伸，以形成导通部，所述导通部位于两个所述端部之间，两个端部和所述导通部一起穿过所述无效区。

根据本公开的另一个方面，提供了一种电子设备。该电子设备包括上述的MEMS芯片。

根据本公开的一个实施例，在本公开实施例中，隔离区包括至少两个绝缘环以及位于两个绝缘环之间的缓冲区。这样，隔离区的沿径向的尺寸能够显著增加。通过这种方式，缓冲区能够更有效地避免更大尺寸的外部杂质落到隔离区上而导致有效区和无效区形成导通。该缓冲区使得MEMS芯片的稳定性大大提高。

此外，在本公开实施例中，MEMS芯片的耐用性、可靠性更加良好。

此外，该MEMS芯片的灵敏度高。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本公开的一个实施例的MEMS芯片的剖视图。

图2是根据本公开的一个实施例的MEMS芯片的俯视图。

图3是根据本公开的一个实施例的另一种MEMS芯片的剖视图。

附图标记说明：

10a：有效区；10b：无效区；11：衬底；12：背腔；13：导通部；14：第二感应膜；15：导通层；16：第一感应膜；17：缓冲区；18：第一绝缘环；19：第二绝缘环；20：第一焊盘；21：第二焊盘；22：第三焊盘；23：第四焊盘；24a：第一导体；24b：第二导体；24c：第三导体；24d：第四导体；24e：第五导体；25：第一加强层；26：第二加强层；27：通孔；28：膜层；29：腔体；31：贯穿孔。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本公开的一个实施例，提供了一种MEMS芯片。MEMS芯片可以是MEMS麦克风芯片或者环境传感器芯片。例如，环境传感器芯片为压力传感器芯片、温度传感器芯片、湿度传感器芯片等。

图1是根据本公开的一个实施例的MEMS芯片的剖视图。图2是根据本公开的一个实施例的MEMS芯片的俯视图。

如图1-2所示，该MEMS芯片包括具有背腔12的衬底11、设置在所述衬底11上的背极和两个感应膜。例如，衬底11为半导体材料。通过气相沉积的方式形成所述衬底11。通过蚀刻的方式在衬底11上形成背腔12。

所述背极和所述感应膜位于所述背腔12上。如图1所述，两个感应膜分别位于所述背极的上、下侧。两个所述感应膜分别与所述背极形成电容结构。

如图1所示，两个感应膜分别为第一感应膜16和第二感应膜14。其中，第一感应膜16位于背极的上方，第二感应膜14位于背极的下方。两个感应膜均与背极相间隔，以形成振动空间。

至少一个所述感应膜包括与所述背腔12相对的有效区10a、设置在所述有效区10a外侧的无效区10b以及位于所述有效区10a和所述无效区10b之间的隔离区。有效区10a与背极分别作为电容结构的两个电极。

在所述感应膜上设置有通孔27。通孔27用于平衡感应膜两侧的气压。

隔离区将无效区10b与有效区10a分隔开，以使无效区10b与有效区10a相互绝缘。无效区10b与背极之间通过导体(例如，下述的第四导体24d)连接。无效区10b与背极是导通的，也就是说二者之间是等电势的，从而消除了二者之间的寄生电容。

所述隔离区包括分别与所述有效区10a和所述无效区10b连接的两个绝缘环，以及连接在两个所述绝缘环18,19之间的缓冲区17。两个所述绝缘环18,19围绕所述有效区10a设置。

例如，第一绝缘环18与有效区10a连接。第二绝缘环19与无效区10b连接。缓冲区17连接在第一绝缘环18和第二绝缘环19之间。

例如，绝缘环(例如,第一绝缘环18、第二绝缘环19)的材质为氮化硅或者氮氧化硅。上述材料的绝缘效果良好。绝缘环(例如第一绝缘环18、第二绝缘环19)为圆环。圆环使得有效区10a的整体呈圆形。圆形的有效区10a的振动相比于其他形状更均衡。当然，绝缘环也可以是椭圆环、跑道型环等。

例如，两个绝缘环18,19均为圆环，并且两个绝缘环18,19同心设置。同心设置的方式，使得有效区10a和无效区10b之间的连接强度更高。感应膜的结构更均衡。感应膜的振动能够更均衡。

在其他示例中，两个绝缘环18,19也可以设置成偏心的方式。

在本公开实施例中，隔离区包括至少两个绝缘环18,19以及位于两个绝缘环18,19之间的缓冲区17。这样，隔离区的沿径向的尺寸能够显著增加。通过这种方式，缓冲区17能够更有效地避免更大尺寸的外部杂质落到隔离区上而导致有效区10a和无效区10b形成导通。该缓冲区17使得MEMES芯片的稳定性大大提高。

此外，如果采用增加绝缘环的宽度，来提高隔离区的沿径向的尺寸，那么由于绝缘环的自身的韧性较差，故更宽的尺寸会导致绝缘环的强度低，从而使得MEMS芯片的整体结构强度差，耐用性差。

而在本公开实施例中，采用设置至少两个绝缘环18,19，以及在两个绝缘环18,19之间设置缓冲区17的方式。这使得在不增加绝缘环的宽度的前提下，能够通过采用韧性高、耐用性高的材料形成缓冲区17，从而实现隔离区沿径向的宽度增加。通过这种方式，MEMS芯片的耐用性、可靠性更加良好。

例如，缓冲区17的材质为多晶硅、石墨烯等。上述材料均具有良好的韧性和结构强度。本领域技术人员可以根据实际需要设置缓冲区17的宽度。宽度即沿径向的尺寸。

例如，缓冲区17与有效区10a的材质相同。例如，均采用多晶硅或者石墨烯材料。由于材质相同，故使得感应膜的制备变得容易。

在一个例子中，所述背极、所述无效区10b与所述衬底11是导通的。例如，三者通过设置在衬底11内的导体形成导通。

还可以是，背极、衬底11和感应膜的无效区10b，通过位于衬底11的外部的导体导通。例如，三者分别连接到外部电路中。外部电路是等电势的，从而使得三者是导通的。

通过这种方式，三者之间的寄生电容能够有效地消除。

在一个例子中，所述背极包括导通层和位于所述导通层的至少一个表面的加强层。所述导通层与所述加强层复合在一起。

例如，如图1所示，导通层起到导电的作用，其材质为多晶硅、石墨烯等。导通层与外部电路导通。导通层用于容纳电荷。加强层具有结构强度高的特点，其材质为氮化硅、氮氧化硅等。在导通层的上表面设置有第一加强层25，下表面设置有第二加强层26。通过这种方式，背极的结构强度变得更大，MEMS芯片的耐用性良好。

当然，也可以是仅在导通层的一个表面上复合有加强层。

例如，两个感应膜均包括有效区10a和无效区10b。两个感应膜的有效区10a均为圆形，并且相对设置。两个感应膜具有相同的面积。在两个感应膜上均设置有通孔27。

两个感应膜14,16在工作时振动的方向相同。这样，两个感应膜14,16分别与背极之间形成的电容相反。在经过ASIC芯片处理后，两个电容信号在叠加后能够有效地消除噪音信号，从而起到降噪的效果。两个感应膜14,16使得MEMS芯片的噪音更小、感测精度更高。

在此，噪音信号不限于声音信号，还可以是测量压力信号、温度信号、湿度信号等时出现的不希望的信号。

图3是根据本公开的一个实施例的另一种MEMS芯片的剖视图。

如图3所示，两个感应膜14,16均包括有效区10a、无效区10b和隔离区。在两个感应膜14,16的中部均设置有通孔27。在背极上设置有多个贯穿孔。至少一个贯穿孔与两个通孔27相对。

该MEMS芯片还包括沿振动方向贯穿两个感应膜、背极的筒状的膜层28。筒状的膜层28的两端分别与两个通孔27相对，并形成连通，以使两个感应膜之间形成密封的腔体29。例如，膜层28的两端分别与两个感应膜14,16的内表面密封连接。膜层28围成的通道能够平衡背极内、外的气压。

此外，通过调整膜层28围成的通道的内径能够调节MEMS的灵敏度。例如，当MEMS芯片为麦克风芯片时，通过调整通道的内径能够提高麦克风芯片的低频灵敏度，例如，低频截止频率能够达到1KHz以下。

在腔体29内填充粘滞系数比空气小的气体。由于在背极上设置有贯穿孔，所以该气体在腔体内流动，而不是被背极隔离。通过这种方式，该气体能够有效地降低在感应膜14,16振动时气体的阻力，尤其是气体穿过贯穿孔时的阻力。通过这种方式，MEMS芯片的噪音能够有效地降低，MEMS芯片的灵敏度能有效地提高。

例如，所述粘滞系数小于空气的气体为异丁烷、丙烷、丙烯、H₂、乙烷、氨、乙炔、乙基氯、乙烯、CH₃Cl、甲烷、SO₂、H₂S、氯气、CO₂、N₂O、N₂中的至少一种。

在其他示例中，在腔体29密封有空气。腔体29内空气的气压小于标准大气压，从而达到设定的真空度。例如，通过在设定的真空度下进行封装以实现腔体的真空密封。由于腔体内的气压降低，故腔体内气体的粘滞系数能够有效地降低。同样地，通过这种方式，MEMS芯片的噪音能够有效地降低，MEMS芯片的灵敏度能有效地提高。

在衬底11上埋设有多个焊盘。第一感应膜16的有效区10a通过第五导体24e与第一焊盘20连接。背极通过第一导体24a与第二焊盘21连接。第二感应膜14的有效区10a通过第二导体24b与第三焊盘22连接。衬底11通过第三导体24c与第四焊盘23连接。第一感应膜16的无效区10b、第二感应膜14的无效区10b通过第四导体24d与背极连接，以消除三者之间的寄生电容。

其中，第四焊盘23、第二焊盘21分别与ASIC芯片的两个外焊盘连接，两个外焊盘是导通的，从而使得背极与衬底11是导通的，二者形成等电势，从而能够避免生成寄生电容。

在一个例子中，如图2所示，所述隔离区包括比邻设置的两个端部。两个端部相间隔。两个所述端部沿径向延伸。所述有效区10a向外延伸，以形成导通部13。导通部13用于有效区10a与外部电路的导通。所述导通部13位于两个所述端部之间。两个端部和所述导通部13一起穿过所述无效区10b。

在该例子中，向外延伸的两个端部以及导通部13的设置使得有效区10a与外部电路的连接变得容易。

此外，通过两个端部的隔离，导通部13能够与无效区10b形成绝缘。

根据本公开的另一个实施例，提供了一种电子设备。例如，电子设备为手机、智能手表、对讲机、电脑、智能盒子、VR设备、AR设备、耳机、智能音箱、智慧屏、环境监测设备等。该电子设备包括上述的MEMS芯片。

该电子设备具有质量稳定、耐用性良好的特点。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims

1.一种MEMS芯片，其特征在于：包括具有背腔的衬底、设置在所述衬底上的背极和两个感应膜，所述背极和两个所述感应膜位于所述背腔上，两个所述感应膜分别位于所述背极的上、下侧，并且分别与所述背极构成电容结构，两个所述感应膜的至少一个包括与所述背腔相对的有效区、设置在所述有效区外侧的无效区以及位于所述有效区和所述无效区之间的隔离区，所述隔离区包括分别与所述有效区和所述无效区连接的两个绝缘环，以及连接在两个所述绝缘环之间的缓冲区，两个所述绝缘环围绕所述有效区设置；两个所述感应膜之间形成密封的腔体，在所述腔体内填充有粘滞系数小于空气的气体，或者在所述腔体内填充有气压小于标准大气压的空气。

2.根据权利要求1所述的MEMS芯片，其特征在于：所述绝缘环的材质为氮化硅或者氮氧化硅。

3.根据权利要求1所述的MEMS芯片，其特征在于：所述缓冲区的材质与所述有效区的材质相同。

4.根据权利要求1所述的MEMS芯片，其特征在于：所述无效区与所述背极是导通的。

5.根据权利要求4所述的MEMS芯片，其特征在于：所述无效区与所述衬底是导通的。

6.根据权利要求1所述的MEMS芯片，其特征在于：所述背极包括导通层和位于所述导通层的至少一个表面的加强层，所述导通层与所述加强层复合在一起。

7.根据权利要求1所述的MEMS芯片，其特征在于：所述粘滞系数小于空气的气体为异丁烷、丙烷、丙烯、H₂、乙烷、氨、乙炔、乙基氯、乙烯、CH₃Cl、甲烷、SO₂、H₂S、氯气、CO₂、N₂O、N₂中的至少一种。

8.根据权利要求1-7中的任意一项所述的MEMS芯片，其特征在于：在两个所述感应膜上均设置有通孔，在所述背极上设置有至少一个贯穿孔，两个所述通孔、所述贯穿孔的位置相对应，还包括贯通两个所述通孔和所述贯穿孔的密封的膜层，所述膜层的两端分别与两个所述感应膜的内表面密封连接。

9.根据权利要求8所述的MEMS芯片，其特征在于：在所述衬底上埋设有多个焊盘，多个所述焊盘通过位于所述衬底内的导体分别与所述背极、所述衬底、感应膜连接。

10.根据权利要求1-7中的任意一项所述的MEMS芯片，其特征在于：所述隔离区包括比邻设置的两个端部，两个所述端部沿径向延伸，所述有效区向外延伸，以形成导通部，所述导通部位于两个所述端部之间，两个端部和所述导通部一起穿过所述无效区。

11.一种电子设备，其特征在于：包括如权利要求1-10中的任意一项所述的MEMS芯片。