CN112004181B - 具有改进特性的压电微机电声学换能器及对应的制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及具有改进特性的压电微机电声学换能器及对应的制造工艺。一种压电微机电声学换能器，该压电微机电声学换能器具有：半导体衬底，该半导体衬底具有框架部分和由框架部分内部限定的通腔；主动膜，该主动膜悬置在通腔上方，并且通过锚固结构在其外围部分锚固到衬底的框架部分，由主动膜的前表面承载的多个压电传感元件用以检测主动膜的机械应力；被动膜，该被动膜悬置在通腔上方，在主动膜的下方，介于通腔和主动膜的后表面之间；以及柱元件，该柱元件固定地耦合主动膜和被动膜，并且被居中地插入在两者之间。通气孔穿过整个主动膜、被动膜和柱元件，使通腔与主动膜的前表面形成流体连通。

Description

具有改进特性的压电微机电声学换能器及对应的制造工艺
技术领域
本解决方案涉及一种采用MEMS(微机电系统)技术制造的压电微机电声学换能器及对应的制造工艺；特别是，下文将提及一种用于检测声学压力或声波的、用作麦克风的MEMS换能器。
背景技术
众所周知，用于制造半导体器件的MEMS技术能够在在牺牲层上沉积的半导体材料层(例如，多晶硅层)或在牺牲层上生长的半导体材料层(例如，外延层)中提供微机电结构，其中牺牲层至少部分经由化学蚀刻去除。
特别地，MEMS电声换能器(麦克风)是已知的，其包括柔性膜，该柔性膜被集成在半导体材料的裸片中、被锚固到衬底、并适当地悬置在腔上方。该膜暴露于声学波(即，叠加在大气压上的扰动)，并经受由声学波施加的力所产生的机械应力。
所产生的膜的变形可以使用各种测量技术来测量。
例如，电容测量技术设想将膜耦合到裸片的、面向膜的不同导电区域，以形成传感电容器的电极；压电测量技术设想检测膜由在膜内或在膜上的适当的压电元件的集成而经受的机械应力(即，机械应力到电荷的转换)。在这两种情况下，测量由膜的变形或机械应力引起的电流信号的变化。
电容型MEMS麦克风广泛应用于各种电子设备，特别是移动型电子设备，诸如智能电话、平板计算机等。
然而，MEMS电容麦克风有一些缺点。特别是，这些麦克风可能会因受到来自外部的颗粒和/或其他污染物(例如液体或灰尘)的污染而出现可靠性问题。来自外部的颗粒可能仍然被困在传感电容器的电极之间(通常，在移动部分和固定部分之间)，在膜的变形中作为机械阻塞，并且产生漏电路径，导致MEMS麦克风的故障和性能下降。此外，传感电容器的电极之间存在污染物可能会对麦克风造成永久性损坏。
压电型MEMS麦克风通常允许克服这些限制，当浸入除空气以外的流体(例如，水和非导电液体)中时也能工作，并且不受污染物和颗粒引起的故障和/或性能下降的影响(假设它们的操作不基于两个面对的电极的存在)。
特别地，在压电型MEMS麦克风中，压电材料的敏感区域(诸如，例如，AlN(氮化铝)或PZT(锆钛酸铅))在膜上形成，优选地在机械应力最大集中的区附近形成。在引起膜的应力/位移的声学波存在的情况下，经受应力的敏感区域引起与所检测的声学波的强度相关的电检测信号(通常是电流信号)的变化。电子接口电路(通常以与MEMS麦克风电耦合的ASIC(专用集成电路)的形式)处理和放大电检测信号，并在输出处提供模拟或数字信号，该模拟或数字信号随后可由使用麦克风的电子设备的控制单元处理。
US 8,896,184中描述了压电型MEMS麦克风的示例，并且在图1中示意性地示出(其具体代表上述MEMS麦克风的机电结构的一部分)。
由1指定的MEMS麦克风包括：具有腔3的硅衬底2；以悬臂方式在腔3上方延伸的一对悬臂梁4a、4b，其中一个是另一个的延伸。梁4a、4b在相应第一端处被锚固到衬底2，并在它们之间在相应第二端处限定用于检测声学波的通气开口6。
每个梁4a、4b由层堆叠形成，例如，由多个压电层7(例如，氮化铝层)构成，与多个电极层8(例如，钼层)交替；介电层9将梁4a、4b与衬底2电绝缘。
在操作期间，上述压电层和电极层7、8能够检测梁4a、4b由于入射声学波而经受的机械应力。
然而，本申请人已经意识到，这种已知的解决方案有一些缺点。
特别地，MEMS麦克风1的通气孔6的几何结构取决于由于在每个梁4a、4b上存在的材料层的等效残余应力而导致的梁4a、4b的不期望的非零初始偏斜。
通气孔6的尺寸的变化导致对频率的控制不太精确，即所谓的“滚降”频率(其以已知的方式确定MEMS麦克风1的低频行为，特别是所谓的灵敏度的“-3dB截止点”)。这种行为是不期望的，因为在这种情况下滚降频率可能具有甚至高达±50Hz的不受控制的变化，这种变化不符合目前市场的要求，在许多情况下，设想滚降频率的最大变化为±5-10Hz。
此外，目前市场上可获得的压电型MEMS麦克风具有降低的灵敏度，并且还具有降低的信噪比(SNR)。
发明内容
本解决方案的目标是提供一种允许克服或减少现有技术的一个或多个缺点的压电微机电声学换能器。
根据本解决方案，提供了一种声学换能器和一种对应的制造工艺。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在仅通过非限制性示例，参考附图，来描述其优选的实施例，其中：
图1是已知类型的压电MEMS声学换能器的示意性截面图；
图2是根据本解决方案的实施例的压电MEMS声学换能器的示意性透视俯视图，为了清晰起见移除了一部分；
图3A是图2的MEMS声学换能器的沿IIIA-IIIA段的线的第一截面图；
图3B是图2的MEMS声学换能器的沿IIIB-IIIB段的线的第二截面图；
图4是图2的MEMS声学换能器的被动膜的从下面的示意图，为了清晰起见移除了一部分；
图5A至图5K是在对应的制造工艺的后续步骤中图2的MEMS换能器的截面图；
图6A是根据本解决方案的另外的方面的MEMS声学换能器的从下面的示意图，为了清晰起见移除了一部分；
图6B是图6A的MEMS声学换能器的一部分沿VIB-VIB段的线的截面图；
图7A至图7C示出了图2的MEMS声学换能器的压电传感元件之间的连接的等效电路图(对于双晶压电元件的情况)；
图8示出了包括MEMS声学换能器的电子设备的一般框图；
图9至图10是MEMS声学换能器的另外的实施例的俯视图，为了清晰起见移除了一部分；
图11A至图11B示出了MEMS声学换能器的压电传感元件之间的连接的另外的变体的等效电路图(对于单晶压电元件的情况)。
具体实施方式
参考图2和图3A至图3B，现在描述根据本解决方案的压电型MEMS声学换能器(特别是麦克风)的实施例，其作为整体由10指定。
MEMS换能器10在诸如单晶硅的半导体材料的本体11中形成，该本体包括具有前表面12a和后表面12b的衬底12，该前表面12a和后表面12b在水平面xy中具有主延伸，并且沿着竖直轴线z彼此相对，竖直轴线z正交于上述水平面xy。例如，在俯视图(图2)中，衬底12具有带有中心轴线S(中间轴线或对称轴线)的一般四边形的形状，例如，正方形或矩形。
衬底12由通腔13从后表面12b到前表面12a完全穿过，通腔13在俯视图中具有例如圆形、四边形或一般多边形的形状；衬底12限定框架14，框架14在外部界定上述通腔13。
MEMS换能器10还包括悬置在衬底的前表面12a和通腔13的上方的主动膜15，其外围部分通过锚固结构16完全夹持到衬底12。
主动膜15在水平面xy中具有主延伸，并且沿竖直轴线z具有小得多的尺寸(换言之，主动膜15非常薄)，俯视图中的形状通常是一般四边形(如所示的示例)、多边形或圆形。
上述锚固结构16沿主动膜15的整个外围部分被耦合，并在框架14处插入主动膜15之间，特别是在同一主动膜15的后表面15b和衬底12的前表面12a之间，像环一样围绕通腔13。
如下文将更详细地讨论的，锚固结构16由不同的介电材料和导电材料的多个层彼此重叠而形成；特别地，导电材料(例如，多晶硅)的锚固结构16的顶层被形成为(如下文将讨论的，在制造工艺的对应步骤中)集成到上述主动膜15，实际上构成其侧延伸，而介电材料的底层(例如USG(未掺杂的硅酸盐玻璃)、通过热氧化(SiO2)获得的氧化硅或TEOS(正硅酸四乙酯))在衬底12的前表面12a上形成。
多个压电传感元件19布置在主动膜15的前表面15a上，限定了由导电材料和压电材料的堆叠区域形成的相应传感单元(用于应力和电荷之间的转换)。
在所示的示例中，每个传感单元都是双晶型，其包括由以下部分构成的堆叠：布置在主动膜15的前表面15a上的第一电极区域19a(底部电极)；布置在第一电极区域19a上的第一压电材料区域19b；布置在第一压电材料区域19b上的第二电极区域19c(中间电极)；布置在第二电极区域19c上的第二压电材料区域19d；和布置在第二压电材料区域19d上的第三电极区域19e(顶部电极)(备选地，在本文未示出的方式中，每个传感元件可以是单晶型的，即，仅包括底部和顶部电极区域，并且在两者之间设置单个压电材料区域)。
例如，电极区域可以是钼(Mo)、掺杂的多晶硅、钛(Ti)或铂(Pt)；而压电材料区域可以是氮化铝(AlN)。
钝化区域20(例如，氮化硅Si3N4、碳化硅SiC或氮化铝AlN)布置在压电传感元件19上和同一压电传感元件19之间。如下文将详细讨论的，通过导电路径(此处未示出，例如，钛钨金合金TiW/Au、铝Al或铝铜合金AlCu)来实现压电传感元件19的电极区域之间的适当的电连接，该导电路径被设置在钝化区域20上并通过钝化区域20(以未示出的方式，钝化区域20具有多个接触开口，在其内延伸有上述导电路径的一部分，以便能够与上述电极区域电接触)。
此外，上述导电路径以及另外的电接触区域(也未示出)使得压电传感元件19能够通过适当的接触焊盘电耦合到外部电路和处理设备，在图2中作为整体由21指定。
再次如图2所示，只有主动膜15的前表面15a的一部分被上述压电传感元件19覆盖在上方；事实上，前表面15a的被暴露的区域22上不存在压电传感元件19。
在所示的示例中，这些被暴露的区域22以交叉的形式从中心开始，对角地向主动膜15的相应角落部分延伸，在它们之间限定被覆盖的区域23，该被覆盖的区域23被上述压电传感元件19覆盖在上方，并且这些被暴露的区域22在平面图上具有一般三角形的形状。在所示的同一示例中，三个压电传感元件19或传感单元被布置在这些被覆盖的区域23(其数目为四个)中的每一个区域中，一个压电传感元件位于上述三角形的顶点(并且位于主动膜15的中心和内部部分)，两个压电传感元件并列布置在同一三角形的底部(并且位于主动膜15的外围部分)。
如下文还将强调的，上述被暴露的区22和被覆盖的区23的几何限定、以及压电传感元件19的数目和构造的限定取决于所期望的主动膜15的刚度(stiffness)特性和所期望的声学波检测性能(例如，在信噪比和灵敏度的方面)。
根据本解决方案的特定方面(具体参见图3A和图3B)，MEMS换能器10还包括悬置在通腔13上方和主动膜15下方的被动膜25(换言之，被动膜25面向主动膜15的后表面15b，并且被插入在同一主动膜15和通腔13之间)。
被动膜25与通腔13同心并且位于通腔13内部，其在水平面xy中的延伸小于通腔13(以及覆盖在上方的主动膜15)的对应延伸。此外，被动膜25很薄但很坚硬(由于增强结构30)，在水平面xy中有主延伸，并且沿竖直轴线z的尺寸小得多；被动膜25在水平面xy中的形状基本上是四边形(如所示的示例)、多边形或圆形。
被动膜25通过布置在中心轴线S处的中心处的柱元件26固定地耦合到主动膜15，该柱元件26插入于主动膜15的后表面15b和被动膜25的面对表面之间(特别地，被动膜25的前表面25a与对应的后表面25b相对，后者反过来面向通腔13)。
在可能的实施例中，主动膜15、被动膜25和柱元件26是半导体材料，特别是(未掺杂的)多晶硅。
根据本解决方案的一个方面，通孔28穿过整个主动膜15、柱元件26和被动膜25，限定了空气从同一被动膜25的后表面25b(和从通腔13)到主动膜15的前表面15a的路径。
特别地，上述通孔28在中心轴线S的中心处(沿竖直轴线z)竖直延伸，并由同一中心轴线S穿过；该通孔28具有例如平面图中的圆形形状(或四边形或一般多边形形状)，例如其直径为5μm至30μm。
通孔28构成MEMS换能器10的通气孔，如先前所讨论的，其尺寸和配置确定了MEMS换能器10的低频特性(特别是滚降点)。
在该实施例中，滚降与主动膜和被动膜15、25的初始位置(由残余应力限定)及其位移(由被动膜25上的声学压力限定)无关。
在所示的实施例中，被动膜25在其后表面25b处承载增强结构30，即所谓的“加强件(stiffener)”，该增强结构与同一被动膜25一体地形成(在所讨论的示例中也是半导体材料，特别是多晶硅)。
如图4(从被动膜25的下面看)中示意性地示出的增强结构30是整体成形的，例如，类似于网状，并且具有多个突出部分31，这些突出部分耦合到被动膜25的后表面25b，并作为突起朝向通腔13延伸。
特别地，增强结构30具有增加被动膜25的刚度的功能，而不需要向同一被动膜25添加另外的且显著的质量分布。以这种方式，可以具有带有高刚度(基本不可变形)的非常薄的被动膜25(例如，厚度为0.3μm)。
更详细地说，上述锚固结构16(如图3A和图3B所示)包括：例如二氧化硅的第一介电区域32，其在框架14处被布置衬底12的前表面12a上；例如USG的第二介电区域33，其被布置在第一介电区域32上；第一结构区域34，其覆盖在第二介电区域33上方；第三介电区域35，其覆盖在第一结构区域34上方；第二结构区域36，其覆盖在第三介电区域35上方；以及多个第一锚固元件37和第二锚固元件38。
特别地，第一结构区域34例如是多晶硅，并且具有与被动膜25相同的厚度和特性，如下文详细描述的那样，与被动膜25同时获得。第三介电区域35限定被动膜25和主动膜15之间的距离，并且因此限定柱元件26的高度(沿竖直轴线z测量)。第二结构区域36例如是多晶硅，并且具有与主动膜15相同的厚度和特性，如下文将详细描述的那样，与主动膜15同时获得。
第一锚固元件37延伸通过衬底12和第一结构区域34之间的第一和第二介电区域32、33。因此，第一锚固元件37的厚度等于上述第一和第二介电区域32、33的接合厚度(沿竖直轴线z测量)。第二锚固元件38延伸通过第一和第二结构区域34、36之间的第三介电区域35，因此具有与上述第三介电区域35相同的厚度。
在所示的实施例中，被动膜25由开口39横向界定，该开口39将被动膜25与上述锚固结构16的第一结构区域34分隔开；然而，要注意的是，该开口39并不代表通气开口，其实际上提供了通向相对于MEMS换能器10的外部封闭的空间的通道，在顶部和底部分别由主动膜15和被动膜25界定(换言之，与先前描述的通孔28不同，该开口39不使通腔13与主动膜15的前表面15a连通)。
在使用中，来自外部并穿过通腔13的声学压力波作用在被动膜25上，在其上施加一个力，该力使同一被动膜25沿竖直轴线位移，而不会使其变形(具体因为增强结构30的存在，适当增加其刚度)；然后由声学压力波施加在被动膜25上的力集中在中心轴线S处从柱元件26传输到主动膜15，使其在外围部分的应力最大化，通过锚固结构16约束到衬底12。
换言之，被动膜25、柱元件26和主动膜15的中心部分根据由外部声学压力施加的力和作用在主动膜15上的机械应力所引起的活塞式的平移运动而移动，特别是在对应的外围部分中，通过杠杆臂效应最大化，从而导致应力集中，从而在主动膜15的锚固处产生最大应力(绝对值)。以这种方式，MEMS换能器10的灵敏度以及信噪比(SNR)有利地最大化。
压电传感元件19通过压电材料的对应的区域适当地检测应力，从而生成电检测信号，然后电检测信号可以被传输到外部电路和处理设备。
特别地，在主动膜15、柱元件26和主动膜15的中心部分的活塞式运动期间，MEMS换能器10(由通孔28构成)的通气孔的尺寸和几何特性没有修改；因此，MEMS换能器10的滚降特性可以以非常精确的方式来控制(实际上，仅由用于形成上述通孔28的制造工艺确定，如下文将讨论的，并且与工作模式无关)。
首先参考图5A，现在描述用于制造MEMS换能器10的可能的制造工艺。
特别地，图5A示出了半导体材料(例如硅)的晶片40的一部分，其中将获得MEMS换能器10。晶片40具有前表面40a和后表面40b；在前表面40a上，根据已知的沉积技术，已经沉积了第一介电层42，该第一介电层42例如由二氧化硅制成，其厚度例如在0.5μm到2.6μm之间，还被设计为形成锚固结构16的第一介电区域32(下文将讨论)。
如图5B所示，根据已知的掩模和限定技术来限定第一介电层42，以形成多个第一增强限定开口42’。
如图5C所示，然后在第一介电层42上根据已知技术以共形方式沉积例如USG的第二介电层43，该第二介电层还被设计为形成锚固结构16的第二介电区域33；应该注意的是，第二介电层43填充上述第一增强限定开口42’，然而，考虑到共形沉积，第二介电层43填充对应的第二增强限定开口43”。
然后，根据已知的掩模和限定技术来限定第二介电层43，以形成多个第一锚固开口43’，此外该多个第一锚固开口还穿过第一介电层42，其位置对应于将成为锚固结构16的位置。
如图5D所示，然后在第二介电层43上以已知技术沉积或生长第一层44，该第一层被设计为形成被动膜25和锚固结构16的第一结构区域34。上述第一层44例如是未掺杂的多晶硅，其厚度例如在1μm到2μm之间，并且填充多个第一锚固开口43’，从而形成第一锚固元件37，并且填充第二加强限定开口43”，从而形成增强结构30以及对应的突出部分31，该对应的突出部分31被耦合到将成为的被动膜25。
如图5E所示，根据已知的光刻技术来限定第一层44，以限定被动膜25的几何结构，特别是形成开口39，该开口横向地界定被动膜25。
如图5F所示，然后在第一层44上沉积第三介电层45；特别地，该第三介电层45例如是二氧化硅，其厚度例如在1μm到4μm之间，该第三介电层45还被设计为形成锚固结构16的第三介电区域35。
如图5G所示，使用已知的光刻技术来限定第三介电层45，以形成多个第二锚固开口45’，该多个第二锚固开口45’被布置在第三介电层45的外围区中，其位置在对应于将是锚固结构16的位置，并且此外以形成柱开口45”，该柱开口45”被布置在第三介电层45的中心部分中，其中将形成柱元件26。
如图5H所示，例如，在第三介电层45上沉积多晶硅的第二层46，该第二层46的厚度在0.5μm到3μm之间，其将形成主动膜15和锚固结构16的第二结构区域36。详细地说，第二层46填充多个第二锚固开口45’，以形成第二锚固元件38，并且填充柱开口45”，以形成上述柱元件26，并且固定地耦合主动膜15和被动膜25。
如图5I所示，压电传感元件19在主动膜15上形成(其厚度例如在0.5μm到1.5μm之间)。特别地，以本身已知的方式，(在双晶结构的情况下)在主动膜15上依次沉积底部电极层、第一压电层、中间电极层、第二压电层和顶部电极层。然后，以本身已知的方式(例如，使用光刻技术)限定由此形成的层的堆叠，以便为每个传感单元限定由第一电极区域19a、第一压电材料区域19b、第二电极区域19c、第二压电材料区域19d和第三电极区域19e形成的对应堆叠。然后，在压电传感元件19上沉积钝化层49(其可以再次是氮化铝AlN、或钝化氧化物或氮化硅)，其以本身已知的方式限定，以形成钝化区域20。以本文未示出的方式，金属化层进一步沉积在上述钝化层49上并且被限定，以形成与压电传感元件19的上述电极区域电接触的导电材料的路径。
如图5I所示，经由适当的掩模和光刻技术蚀刻第二层46，以便相对于柱元件26居中地打开通孔28，其穿过主动膜15、同一柱元件26和被动膜25的整个厚度(终止于下面的第二介电层43)；如先前所讨论的，上述通孔28被设计为限定MEMS换能器10的通气孔，从而限定传感器低频行为。有利的是，用于打开通孔28的光刻限定技术能够非常精确地限定其几何和尺寸特性。
如图5J所示，晶片40根据已知的蚀刻技术从后表面40b开始蚀刻(例如，使用诸如DRIE-深反应离子蚀刻的干蚀刻)；特别是，蚀刻进行到到达第一介电层42，该介电层用作蚀刻停止层，并导致形成通腔13。
然后，如图5K所示，执行湿蚀刻或蒸汽蚀刻步骤(例如，使用氢氟酸HF)，以去除第一和第二介电层42、43的面向通腔13的部分、以及第三介电层45的插入被动膜25和主动膜15之间的部分(因此这些部分具有牺牲区域的性质)，以获得被动膜25和主动膜15的释放，它们悬置在通腔13上方。在去除牺牲层后，还限定了用于锚固主动膜15的锚固结构16。
随后是晶片40的切割步骤，由此获得多个MEMS换能器10，从同一晶片40开始，位于半导体材料的对应的本体(或裸片)11和对应的衬底12中的每个换能器都具有参考上述图2和图3A至图3B所详细描述的结构。
根据本解决方案的另一方面，如图6A和图6B中示意性地示出的，被动膜25包括多个止动器元件(或止动器)50，这些止动器元件与同一被动膜25单片地形成，并从被动膜25的外围部分或边缘部分向平行于水平面xy的衬底12延伸。在所示的示例中，这些止动器元件50以沿被动膜25的上述外围部分均匀分布的方式布置(在这种情况下，仅通过示例，其在平面图中具有圆形构造，作为下面的通腔13)。特别地，这些止动器元件50面向衬底12的前表面12a，悬置在距同一衬底12一定距离处。
如图6A所示，锚固结构16(特别是第一结构区域34)限定了多个对应的凹槽51，其形状和布置用于容纳上述止动器元件50。
有利的是，止动器元件50限制被动膜25沿竖直轴线在朝向衬底12的方向上的竖直移动的范围，从而降低损坏和故障的可能性，例如，在包含MEMS换能器10的电子设备的碰撞或跌落的情况下。特别地，被动膜25在衬底12的方向上移动的范围实际上受到止动器元件50和衬底12的前表面12a之间的上述距离的限制。
应当注意的是，有利的是，主动膜15存在于被动膜25上方还表示用于停止被动膜25沿竖直轴线z移动的另外的解决方案，这次是以在远离衬底12的方向上。特别地，在该方向上允许的移动范围对应于被动膜和主动膜25、15之间的面对的距离，该距离等于柱元件26的高度。
因此，所述的解决方案实现了沿竖直轴线z的双向运动止动器，因此具有机械鲁棒性和可靠性。
参考图7A至图7C，现在更详细地讨论由MEMS换能器10的压电传感元件19限定的传感单元的电极之间的可能的电连接方案(在这种情况下，用于先前描述的双晶实现)。
上述图7A至图7C示出了多个n个传感单元，这里用C1、C2、C3、…、Cn表示，每个传感单元包括由以下组成的堆叠：第一电极区域19a(其构成底部电极，这里用B表示)；第一压电材料区域19b；第二电极区域19c(其构成中间电极，这里用C表示)；第二压电材料区域19d；和第三电极区域19e(其构成顶部电极，这里用T表示)。
每个传感单元的第一电极区域19a、第一压电材料区域19b和第二电极区域19c形成具有第一电容Cp1(如图所示仅对于第一传感单元C1)的第一电容器；同样，每个传感单元的第二电极区域19c，第二压电材料区域19d和第三电极区域19e形成具有第二电容Cp2的第二电容器。例如，第一和第二电容Cp1、Cp2相等，并且所有传感单元中的电容Cp1、Cp2相同。
详细地说，在图7C的连接图中，传感单元根据串联-并联配置连接在一起，其中第一传感单元C1具有底部电极B和电耦合到参考电压(例如，接地GND)的顶部电极T，并且中间电极C电耦合到下一个传感单元(这里是第二个传感单元C2)的底部电极B和顶部电极T。同样地，第二传感单元C2的中间电极C电耦合到下一传感单元(第三传感单元C3)的底部电极B和顶部电极T；该配置对直至第n传感单元Cn的所有传感单元重复；中间电极C提供输出电压Vout，该输出电压Vout是每个传感单元上的电压降之和(输出电压Vout是表示传感单元联合产生的检测到的声学压力波的电信号)。
因此，上述配置在电学上等效于每个传感单元的第一和第二电容Cp1、Cp2之间的并联的串联连接。这样的配置可以有利地用于其中期望在所得到的电容的值和输出电压Vout的值之间实现最佳折衷的应用。
在图7B所示的电路图中，相反，传感单元根据串联-串联配置连接在一起。
在这种情况下，第一传感单元C1具有：电耦合到参考电压(接地GND)的底部电极B、和电耦合到下一传感单元(这里是第二传感单元C2)的底部电极B的顶部电极T。该配置对直至第n传感单元Cn的所有传感单元重复，其顶部电极T提供由每个传感单元上的电压降产生的输出电压Vout。
因此，上述配置在电学上等效于每个传感单元的第一和第二电容Cp1、Cp2的串联的串联连接。该配置有利地用于其中期望最大化输出电压Vout和最小化传感单元C1、Cn之间的等效电容从而优化SNR的应用。
在图7A所示的电路图中，相反，传感单元根据并联-串联结构连接在一起。
在这种情况下，所有传感单元的底部电极B电连接在一起；同样地，所有传感单元的顶部电极T电连接在一起。此外，第一传感单元C1具有电耦合到参考电压(接地GND)的底部电极B，并且第n传感单元Cn具有提供输出电压Vout的顶部电极T。
因此，上述配置在电学上等效于并联连接每个传感单元的第一和第二电容Cp1、Cp2的串联。该配置可有利地用于其中期望最小化输出电压Vout(降低灵敏度从而降低SNR)的应用。
应当注意的是，由压电传感元件19限定的各种传感单元的(顶部、底部和中间)电极之间的上述电连接是通过在主动膜15上提供的适当电连接路径连接电极而实现的(以对本领域技术人员显而易见的方式，因此本文中未详细描述)，并且通过适当的钝化区域彼此电绝缘。
如上所述的MEMS换能器10可用于电子设备60中，如图8示意性所示。
例如，电子设备60是便携式移动通信设备，诸如智能电话、PDA、平板计算机，还可以是录音机、具有录音能力的音频文件播放器等。备选地，电子设备60可以是声学装置，诸如一组耳机、能够在水下工作的水听器、或助听器。
电子设备60包括微处理器(CPU-中央处理单元)61和输入/输出(I/O)单元63，例如，其设置有连接到微处理器61的键盘和显示器。MEMS换能器10经由信号处理块65(该信号处理块65可以对来自MEMS换能器10的输出处的模拟或数字信号执行进一步的处理操作)与微处理器61通信。此外，电子设备60可以包括：用于在音频输出(未示出)上生成声音的扬声器66、和内部存储器67。
从上述描述可以清楚地看出本解决方案的优点。
在任何情况下，应强调，由于通气孔的配置，MEMS换能器10允许实现低频特性(特别是滚降)的最佳控制，这与移动部件的位移和变形无关(特别是，与被动和主动膜15、25的运动无关)，因为它实际上完全由实现的制造工艺(特别是通过光刻限定技术)确定。
MEMS换能器10具有高灵敏度和高信噪比SNR，特别是由于利用了由被动膜25的运动产生的杠杆臂效应(其具有适当的刚性和不可变形性)，并将其传输到承载压电传感元件19的主动膜15。
此外，考虑到MEMS换能器10是使用压电技术开发的，因此它有利地免受污染的影响，实际上是防水和防尘以及防止其他类型的污染物。特别地，不存在从外部可进入的、允许颗粒或其他污染物在上述被动膜和主动膜25、15之间存在的间隙中渗透的孔。
此外，所述的解决方案与两个定向止动器元件(即作用在竖直轴线z的两个方向上的元件)的创建兼容，使得在碰撞或跌落的情况下能够有效地限制损伤，特别是对主动膜15和被动膜25的损伤。
该制造工艺简单，经济上易于实现，并且与单晶或双晶压电堆叠的生产兼容。
最后，显然在背离本公开的范围的情况下，可以对本文所描述和说明的内容进行修改和变更。
特别地，可以根据所期望的检测电特性(例如，灵敏度和信噪比、输出电压和/或所产生的电容)和所期望的机械特性(例如，主动膜15的刚度)，在压电传感元件的数目、布置和构造方面设想各种变型。
例如，如图9示意性所示，可以去除一个或多个传感元件19(相对于例如在图2中先前描述的配置)，例如，限定由主动膜15的被覆盖的区23所占据的三角形的顶点处的传感单元的一个或多个传感元件19(即，由被上述压电传感元件19覆盖在上方的区域覆盖)。在所示的实施例中，代替已被去除的上述传感元件19，存在中央布置的增强元件70，以防止主动膜15的任何不期望的变形；这些增强元件70由压电材料的区域构成(其是被动的，即，没有被电学偏置)。
备选地，如图10所示，可以设想被暴露的区22相对于被覆盖的区23的更大延伸，布置在上述三角形的底部(在主动膜15的外围部分)的压电传感元件19和布置在三角形的顶点处的压电传感元件19之间存在更大的间隙(以获得在压电堆叠的残余应力的抑制和膜的整体刚度之间所期望的平衡)。在图10中，示意性地示出了压电传感元件19和接触焊盘21之间可能的电连接72。
通常，很明显可以设想许多另外的变型实施例，这些实施例在压电传感单元的数目和布置方面可能不同；在任何情况下，在与主动膜15的外围部分相对应的位置处布置一定数目的压电传感元件19是有利的，因为在该区域中，由于声学压力波，因此会出现较大应力(由于耦合到主动膜15的被动膜25的运动引起的上述杠杆臂效应)。
此外，如先前所讨论的，再次强调由压电传感元件19实现的传感元件可以是单晶型而不是双晶型的，在这种情况下，仅包括：第一电极区域19a(其构成底部电极B)；布置在第一电极区域19a上的第一压电材料区域19b；和布置在第一压电材料区域19b上的第二电极区域19c(在该情况下限定顶部电极T)。
在这种情况下，分别如图11A和图11B所示，所实现的电连接方案可以是并联型或串联型。
在第一种情况下(图11A)，所有传感单元的底部电极B电连接在一起；同样地，所有传感单元的顶部电极T电连接在一起。此外，第一传感单元C1具有电耦合到参考电压(接地GND)的底部电极B，并且第n传感单元Cn具有提供输出电压Vout的顶部电极T。该配置在电学上等效于并联连接每个传感单元的电容Cp；该配置有利于用于其中期望低输出电压Vout的应用。
在第二种情况下(图11B)，每个传感单元的底部电极B电连接到先前传感单元的顶部电极T，除了连接到参考电压(接地GND)的第一单元C1的底部电极B和提供输出电压Vout的最后单元Cn的顶部电极T。该配置在电学上等效于串联连接传感单元的电容Cp，并且有利于在所产生的电容和输出电压Vout之间实现最佳折衷。
以未示出的方式，MEMS换能器10还可以包括耦合到传感单元19的ASIC(专用集成电路)，传感单元19可以集成在半导体材料的本体11中，或者由半导体材料的不同裸片构成。
以未示出的方式，MEMS换能器10可以包括适当的封装，该封装具有使声学波的进入能够被检测到的开口。
最后，MEMS声学换能器10能够操作以用于生成声学波，而不是检测声学波；即，它可以构成MEMS扬声器(而不是MEMS麦克风)。
可以组合上述各种实施例来提供进一步的实施例。根据上述详细描述，可以对实施例进行这些和其他更改。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于在本说明书和权利要求中公开的特定实施例中，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求被赋予的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (20)

1.一种压电微机电声学换能器，包括：
半导体材料的衬底，所述衬底具有框架部分和通腔，所述通腔由所述框架部分在内部限定；
主动膜，所述主动膜悬置在所述通腔上方，并且具有外围部分；
锚固结构，所述锚固结构将所述主动膜的所述外围部分锚固到所述衬底的所述框架部分；
多个压电传感元件，所述多个压电传感元件由所述主动膜的前表面承载，并且被配置为检测所述主动膜的机械应力以生成电检测信号，所述电检测信号表示所检测的声学压力波；
被动膜，所述被动膜悬置在所述通腔上方和所述主动膜下方，并且被插入在所述通腔和所述主动膜的后表面之间；
柱元件，所述柱元件固定地耦合所述主动膜和所述被动膜，并且被居中地插入在所述主动膜和所述被动膜之间；和
通气孔，所述通气孔完全穿过所述主动膜、所述被动膜和所述柱元件，以使所述通腔与所述主动膜的所述前表面流体连通。
2.根据权利要求1所述的换能器，其中所述衬底具有中心轴线，所述柱元件被布置在所述中心轴线处，所述通气孔由所述中心轴线穿过，并且所述主动膜贯穿所述主动膜的整个所述外围部分由所述锚固结构锚固到所述衬底的所述框架部分。
3.根据权利要求1所述的换能器，其中：
所述衬底在水平面中纵向延伸；
所述被动膜和所述柱元件被配置为响应于入射声学压力波，沿着横向于所述水平面的竖直轴线位移；并且
所述通气孔具有光刻地被限定的几何特征，并且与所述被动膜和所述柱元件的所述位移无关。
4.根据权利要求3所述的换能器，其中所述被动膜具有增强结构，所述增强结构与所述被动膜一体形成并且包括多个突出部分，所述多个突出部分从所述被动膜的后表面朝向所述通腔延伸。
5.根据权利要求1所述的换能器，其中所述多个压电传感元件中的一组压电传感元件被布置在所述主动膜的所述外围部分处。
6.根据权利要求1所述的换能器，其中所述主动膜的所述前表面具有覆盖区和暴露区，所述覆盖区由所述压电传感元件覆盖在上方，所述暴露区没有所述压电传感元件；其中所述覆盖区和所述暴露区根据所述主动膜的机械应力的特性、以及根据所述压电传感元件检测的所述声学压力波的电特性而被确定尺寸。
7.根据权利要求1所述的换能器，其中所述压电传感元件均限定双晶型或单晶型的相应压电传感单元，并且所述压电传感单元电连接在一起以联合生成所述电检测信号。
8.根据权利要求1所述的换能器，其中所述压电传感元件包括堆叠，所述堆叠包括以下项：
导电材料的底部电极区域，所述底部电极区域被布置在所述主动膜的所述前表面上；
导电材料的顶部电极区域；和
压电材料的区域，所述压电材料的区域被插入在所述底部电极区域和所述顶部电极区域之间。
9.根据权利要求1所述的换能器，其中所述被动膜包括止动器元件，所述止动器元件与所述被动膜单片地形成，并且所述止动器元件在平行于所述衬底的前表面的方向上、并且在一定距离处面向所述衬底的前表面，朝向所述衬底延伸。
10.根据权利要求1所述的换能器，其中所述锚固结构被布置在所述衬底的所述框架部分处，并且包括以下项的堆叠：
第一介电区域，所述第一介电区域被布置在所述框架部分处的所述衬底的前表面；
第二介电区域，所述第二介电区域被布置在所述第一介电区域上；
导电材料的第一结构区域，所述第一结构区域覆盖在所述第二介电区域上方；
第三介电区域，所述第三介电区域覆盖在所述第一结构区域上方；
导电材料的第二结构区域，所述第二结构区域覆盖在所述第三介电区域上方；和
多个第一锚固元件和第二锚固元件，所述第一锚固元件延伸通过在所述衬底和所述第一结构区域之间的所述第一介电区域和所述第二介电区域，并且所述第二锚固元件延伸通过在所述第一介电区域和所述第二结构区域之间的所述第三介电区域，其中：
所述第一结构区域具有与所述被动膜相同的厚度，并且以与所述被动膜相同的水平布置在所述衬底的所述前表面上；
所述第三介电区域限定所述被动膜和所述主动膜之间的距离和所述柱元件的高度；并且
所述第二结构区域具有与所述主动膜相同的厚度，并且以与所述主动膜相同的水平设置在所述衬底的所述前表面上。
11.一种电子设备，包括：
压电微机电声学换能器，所述压电微机电声学换能器包括：
半导体材料的衬底，所述衬底具有框架部分和通腔，所述通腔由所述框架部分在内部限定；
主动膜，所述主动膜悬置在所述通腔上方，并且具有外围部分；
锚固结构，所述锚固结构将所述主动膜的所述外围部分锚固到所述衬底的所述框架部分；
多个压电传感元件，所述多个压电传感元件由所述主动膜的前表面承载，并且被配置为检测所述主动膜的机械应力以生成电检测信号，所述电检测信号表示所检测的声学压力波；
被动膜，所述被动膜悬置在所述通腔上方和所述主动膜的下方，并且被插入在所述通腔和所述主动膜的后表面之间；
柱元件，所述柱元件固定地耦合所述主动膜和所述被动膜，并被居中地插入在所述主动膜和所述被动膜之间；和
通气孔，所述通气孔完全穿过所述主动膜、所述被动膜和所述柱元件，以使所述通腔与所述主动膜的所述前表面流体连通；
信号处理块，所述信号处理块被耦合到所述声学换能器；以及
处理单元，所述处理单元被耦合到所述信号处理块。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述衬底具有中心轴线，所述柱元件被布置在所述中心轴线处，所述通气孔由所述中心轴线穿过，并且所述主动膜贯穿所述主动膜的整个所述外围部分由所述锚固结构锚固到所述衬底的所述框架部分。
13.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述被动膜包括止动器元件，所述止动器元件与所述被动膜单片地形成，并且所述止动器元件在平行于所述衬底的前表面的方向上、并且在一定距离处面向所述衬底的前表面，朝向所述衬底延伸。
14.一种用于制造压电微机电声学换能器的方法，包括：
在半导体材料的衬底上形成主动膜，并且所述主动膜通过在所述主动膜的外围部分处的锚固结构被锚固到所述衬底的框架部分；
在所述主动膜的前表面上形成多个压电传感元件，所述压电传感元件被配置为检测所述主动膜的机械应力以生成电检测信号，所述电检测信号表示所检测的声学压力波；
在所述主动膜下方形成被动膜，并且所述被动膜被插入在所述衬底和所述主动膜的后表面之间；
形成柱元件，所述柱元件固定地耦合所述主动膜和所述被动膜，并且被居中地插入在所述主动膜和所述被动膜之间；和
形成通气孔，所述通气孔完全穿过所述主动膜、所述被动膜和所述柱元件。
15.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述主动膜包括：
在所述衬底的前表面上形成介电材料的第一牺牲层；
形成贯穿所述第一牺牲层的整个厚度的第一锚固开口；
在所述第一锚固开口的内部，在所述第一牺牲层的表面部分中形成第一增强限定开口；
在所述第一牺牲层上形成导电材料的第一膜层，所述第一膜层填充第一锚固开口以形成第一锚固元件，并且所述第一膜层填充所述第一增强限定开口以形成增强元件；以及
限定所述第一膜层以形成所述被动膜，并且同时形成增强结构，所述增强结构相对于所述被动膜被固定并且由所述增强元件构成。
16.根据权利要求15所述的方法，其中形成所述主动膜包括：
在所述第一膜层上形成介电材料的第二牺牲层；
贯穿所述第二牺牲层的整个厚度，在竖直地对应于所述第一锚固元件的位置中形成第二锚固开口，并且在所述第二牺牲层的中间部分中形成柱开口；
在所述第二牺牲层上形成导电材料的第二膜层，所述第二膜层填充所述第二锚固开口以形成第二锚固元件，并且填充所述柱开口；以及
限定所述第二膜层以形成所述主动膜，并且同时形成固定到所述主动膜的所述柱元件。
17.根据权利要求16所述的方法，其中形成所述通气孔包括：形成贯穿所述主动膜、所述柱元件和所述被动膜的整个厚度的通孔。
18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
选择性去除所述衬底的一部分，以在所述框架部分内部形成通腔；以及
执行蚀刻步骤，以去除所述第一牺牲层的、面向所述通腔的部分，并且去除所述第二牺牲层的、被插入在所述被动膜和所述主动膜之间的部分，以获得所述被动膜和所述主动膜的释放，所述被动膜和所述主动膜悬置在所述通腔上方。
19.根据权利要求14所述的方法，进一步包括形成止动器元件，所述止动器元件与所述被动膜为单片，所述止动器元件平行于所述衬底的所述前表面、并且在一定距离处面向所述衬底的所述前表面，从所述被动膜的外围部分朝向所述衬底延伸。
20.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述压电传感元件包括形成以下项的堆叠：
导电材料的底部电极区域，所述底部电极区域被布置在所述主动膜的所述前表面上；
顶部电极区域；以及
压电材料的区域，所述压电材料的区域被插入在所述底部电极区域和所述顶部电极区域之间。
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