CN114946197A - 膜结构、换能器装置和制造膜结构的方法 - Google Patents

Abstract

一种膜结构(1)包括具有主表面(4)和后部表面(24)的基底(2)。多个支柱(10)被设置在基底(2)的主表面(4)上并且具有背离基底(2)的主表面(4)的支撑区域(12)。薄膜结构(6)被设置在基底(2)的主表面(4)和支柱(10)上方，其中薄膜结构(6)包括多个升高部(15)，升高部与基底(2)之间的间隔大于薄膜结构的至少一个下部(16)与基底(2)之间的间隔。升高部(15)均包括至少一个突出部分(13)，突出部分(13)为中空的并且具有底部部分(14)和侧壁(22)，并且突出部分(13)朝向基底(2)延伸。每个突出部分(13)的底部部分(14)分别机械连接到支柱(10)之一的支撑区域(12)。后空间(5)由基底(2)的主表面(4)与薄膜结构(6)之间的空间形成。

Description

膜结构、换能器装置和制造膜结构的方法

本公开涉及一种膜结构、一种换能器装置和一种用于制造膜结构的方法。

对于基于膜的换能器装置来说，膜的偏转导致膜下方的空间的空间改变。然而，膜下方的空间减小导致空间内的气体的压缩。这种气体的压缩显著影响膜的顺应性，尤其是在小型化系统中。压缩气体在膜上施加恢复力，从而防止进一步位移。然而，在大多数情况下，需要膜的较大位移来实现底层传感器系统的良好灵敏度。这意味着对于传统的膜结构，除膜刚度外，后空间(back-volume)也限制了系统的灵敏度。出于这个原因，必须选择尽可能大的后空间，这会阻止装置的进一步小型化。

一个目的是提供一种膜结构，其表现出增加的顺应性。另一个目的是提供一种制造膜结构的方法，该膜结构表现出增加的顺应性。

该目的利用独立权利要求来实现。进一步的实施例和变型源自从属权利要求。

在一个实施例中，膜结构包括基底，该基底可以包括半导体材料(例如硅(Si))。基底能够具有主延伸平面。基底具有主表面和后部表面。后部表面背离主表面。

多个支柱被设置在基底的主表面处。支柱能够包括与基底相同的材料。支柱能够由基底在其主表面处的一部分形成。支柱通过基部区域物理连接到基底的主表面。在俯视图中，基部区域的形状是任意的。俯视图是指在竖直方向上从支柱背离基底的一侧看膜结构的视图。竖直方向垂直于基底的主延伸平面。在俯视图中，支柱能够沿圆形线在基底的主表面处设置。圆形的半径以及支柱的数量取决于应用。相邻的支柱能够彼此等距设置。

例如，支柱的数量能够为至少3个，至多200个。替代地，支柱的数量能够为至少4个，至多50个。

相对于基底的主延伸平面，支柱的侧表面能够是垂直的或横向的。每个支柱还包括背离基底的主表面的支撑区域。这意味着在竖直方向上，每个支撑区域与基底的主表面相距一定距离。俯视图中的支撑区域的形状是任意的。从每个支柱的支撑区域到基底的主表面的距离对应于各个支柱的高度。高度能够具有任何值，这在支柱的纵横比方面是可行的。每个支柱的纵横比由其高度与直径之间的比率定义。支柱的直径是指支柱的横向范围，其中横向方向平行于基底的主延伸平面延伸。

例如，每个支柱的高度能够为至少1μm，至多100μm。替代地，每个支柱的高度能够为至少3μm，至多10μm。

膜结构还包括设置在基底的主表面上方和支柱上方的薄膜结构。薄膜结构可以包括与半导体工艺兼容的材料(例如氮化硅(SiN)或多晶硅)。薄膜结构能够在平行于基底的主延伸平面的平面上延伸。在俯视图中，薄膜结构能够具有任何形状。尤其是，在俯视图中，薄膜结构的形状为圆形或多角形。

例如，薄膜结构的直径可以为至少100μm，至多10mm。替代地，薄膜结构的直径可以为至少500μm，至多1mm。

薄膜结构包括多个升高部，该多个升高部与基底的间隔大于薄膜结构的至少一个下部(16)与基底的间隔。在竖直方向上，升高部和下部不重叠。在横向方向上，升高部和下部彼此相邻设置。升高部通过薄膜结构的连接部分物理连接到下部。相对于基底的主延伸平面，连接部分能够是垂直的或横向的。

下部不与基底直接机械接触。然而，下部比升高部更靠近基底。升高部与下部之间在竖直方向上的距离取决于应用并且能够因应用而异。

例如，升高部与下部之间的距离能够为至少0.3μm，至多10μm。替代地，升高部与下部之间的距离能够为至少0.6μm，至多4μm。

升高部均包括至少一个突出部分。突出部分在竖直方向上从升高部朝向基底延伸。突出部分由薄膜结构的一部分形成。突出部分具有至少一个侧壁和底部部分。侧壁相对于基底的主延伸平面是垂直的或横向的。底部部分能够平行于基底的主延伸平面延伸。

每个突出部分被直接设置在对应的支柱上方。突出部分经由底部部分将薄膜结构机械连接到支柱的支撑区域。这意味着每个突出部分的底部部分分别经由支柱的支撑区域与支柱之一机械接触。在俯视图中，突出部分能够具有任何形状。直径是指突出部分的底部部分的横向范围，该直径能够等于或小于对应支柱的支撑区域的横向范围。

例如，突出部分的底部部分的直径能够为至少0.5μm，至多50μm。替代地，底部部分的直径能够为至少2μm，至多15μm。

突出部分是中空的。这意味着突出部分形成中空轮廓。由突出部分包围的空间由突出部分的底部部分和至少一个侧壁界定。在突出部分的顶部侧处，包围的空间连接到薄膜结构上方的环境。这意味着，突出部分在顶部侧处开口。

后空间由基底的主表面与薄膜结构之间的空间形成。这意味着在一侧由基底界定和在另一侧由薄膜结构界定的空间形成了装置的后空间。后空间能够填充空气或气体。后空间能够连接到环境。

多个支柱和突出部分能够以特定方式设置。例如在俯视图中，支柱和突出部分能够沿圆形线设置，而薄膜结构也能够是直径更大的圆形形状，且两个圆形是同心的。通过这种布置，限定了薄膜结构的中心部分和外部部分。薄膜结构的中心部分是指薄膜结构在俯视图中位于支柱和突出部分的圆形线内的区域。薄膜结构的外部部分是指薄膜结构在俯视图中位于支柱和突出部分的圆形线之外的外部环。此外，这样提供了，将后空间分配到两个后腔室隔间中。内部后腔室隔间由薄膜结构的中心部分与基底之间的后空间形成。外部后腔室隔间由薄膜结构的外部部分与基底之间的后空间形成。

由于使用的材料、其厚度和特定的布置，薄膜结构是可移动的部分。因此，薄膜结构形成膜，膜仅经由突出部分和支柱连接到基底。这意味着薄膜结构能够被偏转。膜的偏转可以在竖直方向上朝向基底和/或远离基底。

支柱和突出部分中的每一对在膜偏转过程中形成机械移相器。这意味着机械移相器各自包括支柱和突出部分。膜朝向基底移动的部分与膜远离基底的其他部分之间的相移为180°。例如，当膜的中心部分朝向基底移动时，膜的外部部分远离基底移动。因此，膜移动以推拉模式驱动，而膜的一部分直接耦合(0°相移)到驱动力，另一部分通过180°相移耦合到驱动力。驱动力能够例如是声压波。

机械移相器的效果是在偏转下，膜下方的后空间变化不大，甚至保持相等。例如，当膜的中心部分朝向基底移动时，中心部分下方的空间变小。同时，膜的外部部分远离基底移动，这增大了外部部分下方的空间。移动也能够反过来进行。根据膜的偏转，两个后腔室隔间之间存在净体积流量。由于净体积流量减少了气体压缩，这又导致系统顺应性增加。由于机械移相器，后空间能够很小，这允许系统进一步小型化。为了增加顺应性并减小后空间，膜结构可以在用户定义的位置(例如沿膜结构轮廓线内的线)包括多个机械移相器。可以选择这些机械移相器的横截面、数量和布置，以使顺应性最大化。

在膜结构的另外的实施例中，支柱和薄膜结构的突出部分与薄膜结构的外边缘相距一预定距离地设置。所有的支柱和所有的突出部分能够与薄膜结构的外边缘具有相同的预定距离。例如，如果薄膜结构为圆形，则每个支柱和每个突出部分能够设置于距薄膜结构的外边缘距离为薄膜结构半径的三分之一处。这样，在俯视图中，支柱和突出部分沿圆形线设置。然而，支柱和突出部分也能够靠近薄膜结构的外边缘或薄膜结构的中心设置。

支柱和突出部分的某些预定距离能够实现膜的高阶本征模式操作。这样，膜的共振频率能够被转移到更高的值，并且能够防止某些低阶模式。

在膜结构的另外的实施例中，每个升高部在横向方向上由至少一个下部完全环绕。因此，每个升高部被限制在薄膜结构内的相对较小的区域。升高部能够被设置在基底的主表面处存在支柱的区域上方。在俯视图中，每个升高部的直径能够大于对应支柱的直径。因此，由升高部所包括的突出部分能够机械地连接到下面的支柱。每个升高部在所有横向侧处通过连接部分连接到至少一个下部。连接部分相对于基底的主延伸平面能够是垂直的或横向的。

这种构造允许膜在偏转过程中灵活弯曲。升高部和突出部分提供了柔性连接，使得膜能够尽可能自由地摆动。薄膜结构在偏转过程中的形变主要发生在突出部分的侧壁的区域中以及连接部分的区域中。膜在突出部分处的弯曲支配膜的灵敏度。因此，举例来说，能够在形状和膜厚度方面通过优化突出部分来提高灵敏度。

在膜结构的另外的实施例中，每个升高部延伸到薄膜结构的外边缘。每个升高部通过连接部分在除面向薄膜结构的外边缘的一侧之外的所有横向侧处连接到至少一个下部。连接部分相对于基底的主延伸平面能够是垂直的或横向的。在俯视图中，每个升高部具有从薄膜结构的外边缘朝向对应的支柱延伸的细长形状。在每个升高部内存在将薄膜结构连接到支柱的突出部分。

通过这种布置，膜在偏转过程中的弯曲是柔性的，因为升高部和突出部分提供了柔性连接。膜的外部部分被更坚固地构造。下部和升高部在膜的外部部分交替，从而形成波纹。波纹提供了膜的外部部分的增强刚度并防止膜下沉。

在膜结构的一个实施例中，至少一个包围壁被设置在基底的主表面上，与薄膜结构的外边缘相距一定距离。包围壁在横向方向上环绕薄膜结构。包围壁能够包括与基底相同的材料。包围壁能够由基底在其主表面处的一部分形成。包围壁机械连接到基底的主表面。包围壁还包括侧表面。侧表面相对于基底的主延伸平面能够是垂直的或横向的。包围壁还包括顶部表面。包围壁的顶部表面能够在平行于基底的主延伸平面延伸的平面上延伸。

包围壁的顶部表面与基底的主表面相距一定距离，该距离对应于包围壁的高度。包围壁能够与薄膜结构一样高。这意味着在竖直方向上，从包围壁的顶部表面到基底的主表面的距离能够与从薄膜结构的下部到基底的主表面的距离相同。替代地，在竖直方向上，从包围壁的顶部表面到基底的主表面的距离能够与从薄膜结构的升高部到基底的主表面的距离相同。

包围壁在横向方向上围绕薄膜结构。这意味着包围壁能够在俯视图中围绕薄膜结构形成环。在横向方向上，包围壁与薄膜结构之间存在狭缝。这意味着由包围壁形成的环的内直径大于薄膜结构的直径。

这些直径之间的差(即包围壁与薄膜结构之间的狭缝大小)能够为至少0.1μm，至多5μm。替代地，狭缝大小能够为至少0.5μm，至多1μm。

通过围绕薄膜结构设置包围壁，膜结构的后空间在横向方向上被包围起来。因此，膜结构的后空间仅通过包围壁与薄膜结构之间的狭缝连接到环境。这样，防止了包围壁与环境之间的旁通。尤其是，如果膜结构充当声学设备的麦克风或扬声器膜，则通过包围壁避免膜两侧之间的声学短路。为了增加包围壁与膜之间的狭缝的声阻抗，能够选择尽可能小的狭缝。此外，较小的狭缝导致包括膜结构的全向麦克风设备，因为声压波只能影响膜背离基底的一侧。

在膜结构的另外的实施例中，薄膜结构通过至少一个弹性层连接到包围壁。与用于薄膜结构和包围壁的材料的杨氏模量相比，弹性层可以包括杨氏模量值较低的任何材料。例如，弹性层可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。弹性层能够形成跨越包围壁与薄膜结构之间的狭缝的环。弹性层覆盖薄膜结构在背离基底的一侧处的一部分以及包围壁的顶部表面的一部分。因此，弹性层将薄膜结构机械连接到包围壁。

弹性层能够进一步增加包围壁与薄膜结构之间狭缝的声阻抗。这样，膜下方的后空间被完全包围，而不连接到膜上方的环境。因此，避免了膜两侧之间的声学短路。此外，由于其低杨氏模量，弹性层能够被拉伸，从而允许膜相对自由地移动。

在膜结构的另外的实施例中，弹性层是透气的。这意味着膜两侧(即在竖直方向上膜下方和膜上方)的气体颗粒能够通过弹性层扩散。

通过弹性层的透气性，尽管膜下方的后空间被包围，但能够在膜的两侧之间建立气流。气流提供了后空间与环境之间的压力平衡。这可能是必要的，因为由于膜偏转，后空间内气体密度的变化会影响系统顺应性，从而影响膜结构的动态特性。

在另外的实施例中，膜结构包括基底中的开口，该开口从基底的后部表面朝向薄膜结构延伸。开口形成为在基底内在竖直方向上延伸的沟槽。开口能够在横向方向上具有比薄膜结构更小的范围。开口能够将形成在基底与薄膜结构之间的后空间连接到基底后部表面处的环境。开口能够具有任何形状。开口在竖直方向上的深度由基底的厚度给出。

通过形成开口，提供了从基底的后部表面到主表面的通路(access)。出于处理原因，例如为了去除牺牲层区域，通路可能是必要的。此外，通过形成开口，后空间被增大。这也很重要，例如对于麦克风应用，因为膜对声波的响应，特别是在音频频率下，能够通过增加后空间来改变。由于增大了由后空间所给出的声顺性，能够改进灵敏度以及信噪比。此外，膜位移的光学读数通过开口成为可能。在这种情况下，来自后部表面(例如来自附接的光子晶片)的光能够穿过开口，到达膜，并朝向光传感器和/或光电检测器反射。

在另外的实施例中，膜结构包括在薄膜结构内的通气孔。通气孔能够相对于薄膜结构的横向范围设置在薄膜结构的中心。通气孔将薄膜结构的两侧彼此连接。这意味着通气孔将薄膜结构面向基底的一侧连接到薄膜结构背离基底的一侧。与薄膜结构的直径相比，通气孔能够具有较小的直径。

通过通气孔，可以在膜的两侧之间建立气流。气流提供了后空间与环境之间的压力平衡。这可能是必要的，因为由于膜偏转，后空间内气体密度的变化会影响系统顺应性，从而影响膜结构的动态特性。

在膜结构的另外的实施例中，薄膜结构在俯视图中具有圆形或多角形的形状。这意味着薄膜结构具有中心点。在横向方向上，薄膜结构相对于中心点是点对称的。然而，薄膜结构的形状不限于圆形或多角形，而是能够具有任何形状(例如矩形或椭圆形的形状)。

用作膜的薄膜结构的圆形或多角形的形状例如在横向方向上的均匀偏转和均匀应力分布方面是有利的。

在另外的实施例中，膜结构被并入换能器装置中。换能器装置尤其能够是全向光学麦克风。全向麦克风能够响应来自所有方向的声音，甚至是来自后侧的声音。麦克风还能够是光学麦克风。光学麦克风通过使用光学方法评估膜对声音的响应。当反射镜集成在膜上时，能够通过使用激光束和干涉仪来检测振动。这样，能够通过反射光束的光路长度的变化来检测膜的移动。在这种布置中，有利地不需要如传统电容式麦克风所需要的背板。然而，换能器装置也能够是任何其他动态压力感测装置。

在另外的实施例中，多个膜结构被并入换能器装置(诸如麦克风或压力传感器)中。多个膜结构能够以重复构造设置，以便形成膜结构阵列。这样，换能器装置实现了阵列感测。

在另外的实施例中，包括膜结构的换能器装置被并入电子设备中。电子设备例如能够是智能扬声器设备、智能手表、电话或助听器设备。由于膜结构能够通过微机电系统(MEMS)技术制造并且能够具有减小的后空间，因此移动设备可以具有较小尺寸。

此外，提供了一种制造膜结构的方法。针对膜结构公开的所有特征也针对用于制造膜结构的方法公开，反之亦然。

制造膜结构的方法包括提供基底。通过蚀刻步骤将支柱形成在基底的顶部表面处。蚀刻步骤可以是例如深反应离子蚀刻(DRIE)。可以在时间控制下执行蚀刻步骤以达到支柱的特定高度。通过形成支柱，生成了用于所得到的膜结构的后空间。支柱为薄膜结构提供支撑区域。

在形成支柱后，牺牲层区域在基底的主表面处和支柱上被设置就位。牺牲层区域能够包括例如钨-钛(W-Ti)并且能够例如通过溅射工艺来沉积。牺牲层区域的图案化能够通过蚀刻来完成。随后能够进行牺牲层的几次沉积，并且在每次沉积后能够执行蚀刻工艺以图案化相应的牺牲层。然后，牺牲层的堆叠形成牺牲层区域。牺牲层区域提供至少第一厚度水平和第二厚度水平。第一厚度水平大于第二厚度水平。将多个沟槽形成在具有第一厚度水平的区域内，其中每个沟槽分别延伸到支柱之一。在俯视图中，沟槽的直径能够等于或小于支柱的直径。

将薄膜沉积在牺牲层区域和多个沟槽上。薄膜可以通过化学气相沉积(CVD)或等离子体增强CVD(PECVD)来沉积。薄膜能够通过蚀刻工艺进行图案化。薄膜与每个支柱的支撑区域(即在牺牲层区域中的沟槽底部处)机械接触。此外，薄膜覆盖牺牲层区中沟槽的侧表面。薄膜还覆盖牺牲层区域中沟槽的边缘。薄膜还覆盖牺牲层区域的顶部表面，即牺牲层区域背离基底的表面。因此，牺牲层区域被设置在基底与薄膜之间。

在薄膜沉积及其图案化后，去除牺牲层区域。以这种方式，通过去除牺牲层区域，由薄膜形成薄膜结构。牺牲层区域的去除能够通过湿法蚀刻来完成。蚀刻剂能够通过基底或薄膜中的开口或通过未被薄膜覆盖的区域接近牺牲层区域。牺牲层区域的去除释放了薄膜。这意味着薄膜的升高部在去除牺牲层区域之后形成，其中薄膜已经被沉积在第一厚度水平上。突出部分由薄膜的沉积在牺牲层区域中的多个沟槽之一内的部分形成。薄膜结构的连接部分由薄膜的沉积在第一厚度水平与第二厚度水平之间的部分形成。下部由薄膜的沉积在第二厚度水平上的部分形成。薄膜结构由薄膜、支柱、基底以及去除牺牲层区域后留下的空腔形成的后空间形成。

通过使用牺牲层区域，能够制造独立式薄膜结构。与使用化学机械抛光(CMP)等工艺制造的等效结构相比，制造独立式薄膜结构的工艺更简单且更具成本效益。此外，通过添加与下面的支柱的支撑区域机械接触的突出部分，能够引入机械移相器以用于在膜偏转过程中进行推拉模式操作。

在制造膜结构的方法的一个实施例中，通过蚀刻步骤在基底的主表面处形成至少一个包围壁。蚀刻步骤可以与用于形成支柱的蚀刻步骤相同。然而，蚀刻步骤也能够在形成支柱之前或之后执行。替代地，能够组合几个蚀刻步骤来形成支柱和包围壁。例如，能够使用深反应离子蚀刻(DRIE)。能够执行蚀刻，使得支柱和包围壁相对于基底的主表面具有相同的高度。然而，支柱和包围壁的高度也能够不同。

通过形成包围壁，膜结构的后空间在横向方向上被包围起来，这增加了所得到的膜结构的声阻抗。

在制造膜结构的方法的一个实施例中，沉积弹性层，弹性层将薄膜结构机械连接到包围壁。举例来说，弹性层能够包括PDMS。弹性层能够例如通过涂层或3D打印来沉积。沉积能够在去除牺牲层区域之前或之后进行。弹性层覆盖在包围壁的顶部表面上的区域以及薄膜结构背离基底的一侧的区域。因此，弹性层能够形成跨越包围壁与薄膜结构之间的狭缝的环。

弹性层能够进一步增加包围壁与薄膜结构之间缝隙的声阻抗。这样，膜下方的后空间被完全包围，而不连接到膜上方的环境。因此，避免了膜两侧之间的声学短路。此外，由于其低杨氏模量，弹性层能够被拉伸，从而允许膜相对自由地移动。

在制造膜结构的方法的一个实施例中，开口形成在基底中。开口能够通过深反应离子蚀刻(DRIE)形成。开口从基底的后部表面朝向薄膜结构延伸。蚀刻工艺能够通过时间或通过使用蚀刻停止层来控制。在后一种情况下，在牺牲层区域沉积之前，蚀刻停止层已经沉积在基底的主表面上的应形成开口的位置处。蚀刻停止层可以包括铬(Cr)并且能够在形成开口之后例如通过湿法蚀刻去除。开口的横向范围能够小于薄膜结构的横向范围。

通过形成开口，给出了从基底的后部表面到主表面的通路(access)。出于处理原因，例如为了去除牺牲层区域，通路可能是必要的。此外，通过形成开口，能够增加基底与薄膜结构之间的后空间。这意味着后空间通过基底中的开口在竖直方向上增大。这也很重要，例如对于麦克风应用，因为可以通过这种方式改变膜对声波的响应，尤其是在音频频率下。因此，能够通过增大后空间来改进灵敏度和信噪比。此外，膜位移的光学读数通过开口成为可能。在这种情况下，来自后部表面(例如来自附接的光子晶片)的光能够穿过开口，到达膜，并朝向光传感器和/或光电检测器被反射。

在制造膜结构的方法的一个实施例中，在将开口形成在基底中后去除牺牲层区域。在一些实施例中，开口能够给出到牺牲层区域的唯一通路，因为在基底的顶部表面上方，牺牲层区域由薄膜覆盖。然后通路能够用于例如通过湿法蚀刻去除牺牲层区域。

附图的以下描述可以进一步示出和解释示例性实施例。在功能上相同或具有相同作用的组件用相同的附图标记表示。仅针对首先出现的附图来描述相同或实质相同的组件。在连续的附图中不必重复其描述。

图1a至图1b示出了基于膜的声学设备的一个示例的横截面和等效声-电电路。

图2a至图2b示出了膜结构的一个实施例的横截面和等效声-电电路。

图3示出了膜结构的一个实施例的两个横截面。

图4示出了膜结构的另一个实施例的横截面和俯视图。

图5示出了膜结构的另一个实施例的横截面和俯视图。

图6示出了膜结构的另一个实施例的横截面和俯视图。

图7示出了膜结构的另一个实施例的横截面和俯视图。

图8示出了膜结构的另一个实施例的剖视图。

图9示出了换能器装置的一个示例性实施例的示意图，该换能器装置包括膜结构。

图10a至图10f示出了制造膜结构的方法的一个实施例。

在图1a中，示出了非实施例的膜结构1的一个示例的横截面。膜结构1以传统方式设置。膜结构1包括基底2。包围壁3被设置在基底2的主表面4处。包围壁3在横向方向x、y上围绕后空间5，其中横向方向平行于基底2的主延伸平面延伸。

膜结构1还包括在基底2的主表面4上方附接到包围壁3的薄膜结构6。这意味着薄膜结构6与包围壁3机械接触。薄膜结构6在竖直方向z上与基底2间隔开，其中竖直方向z垂直于基底2的主延伸平面。薄膜结构6横跨后空间5。这意味着后空间5被基底2、包围壁3和薄膜结构6包围。薄膜结构6包括通气孔7。通气孔7为薄膜结构6中的开口，其将薄膜结构6面向基底2的一侧连接到薄膜结构6背离基底2的一侧。通气孔7将后空间5连接到薄膜结构6上方的环境。薄膜结构6能够充当响应声压波的膜。这样，膜结构1能够用于声学应用(诸如麦克风或扬声器应用)。

在图1b中，示出了图1a的示例的等效声-电电路。在等效声-电电路中，符号被分配给装置的声学部件，如已知的电路一样。

图1b的等效声-电电路包括共同的压力水平Pa和外部声压源Pe，该外部声压源作为膜偏转的驱动力。膜在图1b的等效声-电电路中由膜的复声阻抗Zm表示，该复声阻抗包括膜的声质量Lm、膜的声顺性Cm和膜下气膜的声阻Rs。膜的声质量Lm对应于膜由于声压Pe而偏转的惯性。膜的声顺性Cm对应于膜提供恢复力的刚度。膜下气膜的声阻Rs对应于由于膜的移动而受到挤压的气体膜。此外，图1b包括表示膜的通气孔7的另外的声阻Rv。由于通气孔的声压必须通过的受限的直径，通气孔7导致另外的声阻Rv。此外，等效声-电电路包括后空间5的声顺性Cv。后空间5的声顺性Cv表示后空间5内的气体，该气体在膜的偏转下被压缩。因此，压缩气体也起到恢复力的作用。

膜的声质量Lm、膜的声顺性Cm和膜下气膜的声阻Rs串联连接，以形成膜的复声阻抗Zm。通气孔7的另外的声阻Rv并联连接到膜的复声阻抗Zm。后空间5的声顺性Cv串联连接到通气孔7的另外的声阻Rv和膜的复声阻抗Zm，并且进一步连接到共同的压力水平Pa。外部声压源Pe串联连接到所有这些组件，并进一步连接到共同的压力水平Pa。

在这种布置下，通气孔7的另外的声阻Rv和后空间5的声顺性Cv形成高通滤波器。后空间5的声顺性Cv和膜的声顺性Cm形成声顺性分频器。

这意味着在低频下，膜的位移受到高通滤波器的限制。然而，在音频频率下，膜的位移受声顺性分频器的限制。为了实现尽可能大的膜位移，后空间5的声顺性Cv必须很大。这样的要求需要较大的后空间5。

在图2a中，示出了膜结构1的一个实施例的横截面。对应于根据图1a的示例的元件的根据图2a的元件用相同的附图标记表示。根据图2a的实施例包括具有主表面4的基底2。基底2具有主延伸平面。如图1a所示，包围壁3被设置在基底2的主表面4处。包围壁3能够由基底2的一部分形成，并与基底2机械接触。包围壁3还包括能够垂直于基底2的主延伸平面的侧表面8以及平行于基底2的主延伸平面延伸的顶部表面9。在垂直于基底2的主延伸平面的竖直方向z上，包围壁3的顶部表面9与基底2的主表面4间隔开。包围壁3在横向方向x、y上围绕后空间5，这些横向方向平行于基底2的主延伸平面延伸。

此外，支柱10被设置在基底2后空间5内的主表面4处。支柱10能够由基底2的一部分形成并与基底2机械接触。支柱10包括能够垂直于基底2的主延伸平面的侧表面11以及平行于基底2的主延伸平面延伸的支撑区域12。在竖直方向z上，支柱10的支撑区域12与基底2的主表面4间隔开。然而，在该实施例中，从支柱10的支撑区域12到基底2的主表面4的距离小于从包围壁3的顶部表面9到基底2的主表面4的距离。在横向方向x、y上，支柱10以与包围壁3相距一定距离设置。

图2a的实施例还包括在基底2的主表面4上方和支柱10上方的薄膜结构6。薄膜结构6与基底2间隔开。薄膜结构6在平行于基底2的主延伸平面延伸的平面中延伸。薄膜结构6覆盖后空间5。然而，薄膜结构6不连接到包围壁3。代替地，薄膜结构6通过突出部分13连接到支柱10。这意味着每个突出部分13的底部部分14与对应的支柱10的支撑区域12机械接触。薄膜结构6还包括升高部(raised portion)15，每个突出部分13从升高部朝向对应的支柱10延伸。薄膜结构6的升高部15与基底2之间的间隔大于薄膜结构6的下部(lowerportion)16与基底2之间的间隔。升高部15和下部16通过薄膜结构6的连接部分17连接。因为薄膜结构6没有连接到包围壁3，所以在两个部件之间存在狭缝18。这意味着狭缝18将后空间5与薄膜结构6上方的环境连接。然而，狭缝18能够很小。

如在图1a的示例中，薄膜结构6可以用作响应声压波的膜。在这种情况下，膜能够被视为具有中心部分19和外部部分20。膜的中心部分19是在俯视图中位于支柱10内的部分。膜的外部部分20是在俯视图中位于包围壁3与支柱10之间的部分。俯视图是指在竖直方向z上从膜背离基底2的一侧看膜结构1的视图。

由于这种布置，膜以下列方式被声压波偏转。在膜的中心部分19正朝向基底2移动时，膜的外部部分20正远离基底2移动，反之亦然。这意味着在膜的中心部分19下方的后空间5变小时，膜的外部部分20下方的后空间5增大，反之亦然。这意味着支柱10和突出部分13形成机械移相器21，该机械移相器在膜的外部部分20与中心部分19之间提供180°的相移。

在图2b中，示出了根据图2a的膜结构1的实施例的等效声-电电路。图2b与图1b的不同之处在于它示出了膜的复声阻抗Zm的两个分支。第一分支包括膜的中心部分19的复声阻抗Zmc。膜的中心部分19的复声阻抗Zmc包括膜的中心部分19的声质量Lmc、膜的中心部分19的声顺性Cmc和被膜的中心部分19挤压的气膜的声阻Rsc。第二分支包括膜的外部部分20的复声阻抗Zmo。膜的外部部分20的复声阻抗Zmo包括膜的外部部分20的声质量Lmo、膜的外部部分20的声顺性Cmo和被膜的外部部分20挤压的气膜的声阻Rso。此外，第二分支包括移相器

该移相器涉及膜的中心部分19和膜的外部部分20反相移动的事实。

两个分支通过声阻Rp耦合，该声阻对应于由后空间5内的支柱10引起的声阻并且表示膜的阻尼。图1b中的通气孔7的声阻Rv在图2b中被包围壁3与膜之间的狭缝18的声阻Rsl代替。此外，图2b的等效声-电电路包括在膜的中心部分19下方的后空间5的声顺性Cvc以及在膜的外部部分20下方的后空间5的声顺性Cvo。

由于膜的偏转导致膜的中心部分19下方的后空间5与膜的外部部分20下方的后空间5之间的空间流动，因此气体压缩被减小。因此，膜上的恢复力很小。因此，即使后空间5很小，后空间5的声顺应Cvc、Cvo也很大。

在低频下，基于图2a和图2b的膜结构1的声学设备的时间常数由声阻Rsl和Rp以及声顺性Cvc和Cvo确定。为了实现低高通截止频率，狭缝18的声阻Rsl必须尽可能大。这样，避免了压降并且能够降低声学设备的噪声水平。能够例如通过减小狭缝18的大小(即膜到包围壁3的距离)来增加狭缝18的声阻Rsl。

在图3中，示出了膜结构1的另一个实施例的横截面。图3与图2a的不同之处在于没有示出在基底2的主表面4处的包围壁3。此外，支柱10的侧表面11s横向于基底2的主延伸平面。

图3示出了由例如声压波引起的膜偏转的两种状态。在第一种情况下，膜的中心部分19朝向基底2偏转，而膜的外部部分20远离基底2偏转。在第二种情况下，膜的中心部分19远离基底2偏转，而膜的外部部分20朝向基底2偏转。支柱10和突出部分13中的每一对形成机械移相器21，该机械移相器导致了膜的中心部分19的运动与膜的外部部分20的运动之间的反相。升高部15和突出部分13提供了柔性连接，使得膜能够尽可能自由地摆动。膜在偏转过程中的形变主要发生在突出部分13的侧壁22的区域中以及连接部分17的区域中。

在图4中，示出了膜结构1的另一个实施例的横截面和俯视图。横截面示出了沿如俯视图所示的剖面A-A的膜结构。横截面中的测量值对应于俯视图中的测量值，由竖直的虚线指示。

图4中的横截面与图2b中的横截面的不同之处在于它示出了基底2中的开口23。开口23在竖直方向z上从基底2的后部表面24朝向薄膜结构6延伸。开口23在横向方向x、y上的范围小于薄膜结构6的中心部分19。此外，包围壁3的顶部表面9与支柱10的支撑区域12具有相同的高度，其中高度为在竖直方向z上到基底2的主表面4的距离。与图2a相比，图4的薄膜结构6的升高部15在横向方向x、y上的范围更小。这意味着每个升高部15完全被下部16环绕，如在图4的俯视图可见。薄膜结构6的下部16延伸至薄膜结构6的外边缘25。因此，在薄膜结构6的外边缘25处，薄膜结构6与包围壁3的顶部表面9具有相同的高度。在图4的实施例中，薄膜结构6在俯视图中具有圆形形状。多个支柱10沿圆形线设置在距薄膜结构6的外边缘25预定距离处。这意味着设置支柱10的圆形线与圆形的薄膜结构6同心，但具有更小的直径。升高部15设置在支柱10上方，但在横向方向x、y上的范围大于支柱10。每个升高部15包括突出部分13，该突出部分朝向对应的支柱10延伸，通过底部部分14机械连接支柱10的支撑区域12。

在图5中，示出了膜结构1的另一个实施例的横截面和俯视图。横截面示出了沿如俯视图所示的剖面A-A的膜结构。横截面中的测量值对应于俯视图中的测量值，由竖直的虚线指示。

图5与图4的不同之处在于它示出了将薄膜结构6连接到包围壁3的附加的弹性层26。这意味着弹性层26机械连接到包围壁3的顶部表面9的一部分以及薄膜结构6在其外边缘25处的一部分。因此，弹性层26覆盖薄膜结构6与包围壁3之间的缝隙18。弹性层26增加狭缝的声阻Rsl。弹性层26能够被拉伸，使得薄膜结构6仍然可以用作膜，即能够被偏转，例如通过声压波被偏转。

图5的实施例的薄膜结构6还包括在薄膜结构6的中心的通气孔7。通气孔7被设置用于薄膜结构6上方的环境与后空间5之间的压力平衡。在弹性层26为透气的情况下，能够省略通气孔7。

在图6中，示出了膜结构1的另一个实施例的横截面和俯视图。横截面示出了沿如俯视图所示的剖面A-A的膜结构。横截面中的测量值对应于俯视图中的测量值，由竖直的虚线指示。

图6与图4的不同之处在于它包括延伸到薄膜结构6的外边缘25的升高部15。每个升高部15通过连接部分17在除面向薄膜结构6的外边缘25的一侧之外的所有横向侧处连接到下部16。这意味着该实施例中的升高部15的横向范围大于根据图4的实施例中的升高部15的横向范围。升高部15具有从薄膜结构6的外边缘25朝向对应的支柱10延伸的细长形状。

在图7中，示出了膜结构1的另一个实施例的横截面和俯视图。横截面示出了沿如俯视图所示的剖面A-A的膜结构1。横截面中的测量值对应于俯视图中的测量值，由竖直的虚线指示。

图7与图6的不同之处在于它示出了将薄膜结构6连接到包围壁3的附加的弹性层26。这意味着弹性层26机械连接到包围壁3的顶部表面9的一部分以及薄膜结构6在其外边缘25处的一部分。因此，弹性层26跨越薄膜结构6与包围壁3之间的缝隙18。弹性层26增加了狭缝的声阻Rsl。弹性层26能够被拉伸，使得薄膜结构6仍然能够用作膜，即能够被偏转，例如通过声压波被偏转。

图7的实施例的薄膜结构6还包括在薄膜结构6的中心的通气孔7。通气孔7被设置用于薄膜结构6上方的环境与后空间5之间的压力平衡。在弹性层26为透气的情况下，能够省略通气孔7。

图8示出了膜结构1的另一个实施例的两个剖视图。如图3所示，示出了由例如声压波引起的膜偏转的两种偏转状态。图8的实施例类似于图6的实施例，但包括更少的升高部15、突出部分13和支柱10。膜偏转以立体视图(即三维视图)示出。必须注意的是，在图8的中心位置示出的支柱10、升高部15和突出部分13位于膜背离观察者的一侧上。

图9示出了换能器装置27的一个示例性实施例的示意图，该换能器装置包括如上所述的膜结构1。换能器装置27能够是例如光学全向麦克风或任何其他动态压力感测装置。

图10a至图10f示出了制造膜结构1的方法的一个示例性实施例。

该方法包括提供基底2，如图10a所示。基底2具有后部表面24和主表面4。基底2能够包括Si。在主表面4上进行蚀刻以便形成包围壁3以及支柱10。这能够通过单个蚀刻步骤或通过几个后续的蚀刻步骤来完成。相对于基底2的主表面4，包围壁3能够高于支柱10。这意味着包围壁3的顶部表面9与基底2的主表面4的间隔大于包围壁3的顶部表面9与支柱10的支撑区域12的距离。将支柱10以与包围壁3相距一定距离设置在包围壁3内。

在接下来的步骤中，第一牺牲层28沉积在基底2的主表面4上的包围壁3内的区域中(图10b)。例如，第一牺牲层28能够包括W-Ti。第一牺牲层28部分地填充包围壁3内的区域。因此，第一牺牲层28能够覆盖支柱10的侧表面11s。然而，第一牺牲层28能够使支柱10的支撑区域12不被覆盖。

第二牺牲层29沉积在第一牺牲层28上。第二牺牲层29也能够包括W-Ti。第二牺牲层29形成在支柱10上方的区域中，然而，在形成后第二牺牲层29的横向范围大于支柱10的横向范围。在横向方向x、y上，将第二牺牲层29在与包围壁3相邻的区域中去除。这意味着第二牺牲层29与包围壁3之间存在间隙。沟槽30形成在支柱10上方的第二牺牲层29内。能够通过与形成第二牺牲层29的其他区域相同的蚀刻步骤来形成沟槽30。沟槽30朝向支柱10延伸。沟槽30能够具有与支柱10相同的横向范围。

牺牲层28、29的堆叠形成牺牲层区域33。相对于基底2的主表面4，牺牲层区域33能够局部地具有与包围壁3相同的高度。这意味着第二牺牲层29的顶部表面31和包围墙3的顶部表面9位于平行于基底2的主延伸平面延伸的平面内。牺牲层28、29形成提供牺牲层区域33的第一厚度水平和第二厚度水平的区域。第一厚度水平大于第二厚度水平。

在接下来的步骤中，薄膜32沉积在包围壁3内的区域中(图10c)。这意味着薄膜32沉积在第二牺牲层29上、沉积在第一牺牲层28上、沉积到沟槽30中以及沉积在支柱10的支撑区域12上。薄膜32可以包括SiN。在与包围壁3相邻的区域中去除薄膜32。例如，通过蚀刻去除薄膜32。因此，薄膜32不与包围壁3机械接触。

在图10d中，示出了弹性层26的沉积。弹性层26可以包括PDMS。弹性层26覆盖包围壁3的顶部表面9的一部分和薄膜的一部分。因此，弹性层26跨越包围壁3与薄膜之间的狭缝18。

从基底2的后部表面24到主表面4朝向牺牲层区域33形成开口23(图10e)。然而，开口23的横向范围可以小于牺牲层区域33的横向范围。为了形成开口23，能够将基底2翻转并进行背面处理。

在接下来的步骤中，将牺牲层28、29去除以便释放薄膜32并形成薄膜结构6(图10f)。薄膜结构6的升高部15由薄膜形成，其中该薄膜已经被沉积在第一厚度水平上。突出部分13由沉积在牺牲层区域33中的多个沟槽30之一内的薄膜32的一部分形成。薄膜32结构6的连接部分17由沉积在第一厚度水平与第二厚度水平之间的薄膜32的一部分形成。下部16由沉积在第二厚度水平上的薄膜32的一部分形成。所得到的膜结构1等同于图7的实施例。膜结构1由基底2、包围壁3、支柱10、弹性层26、薄膜结构6和去除牺牲层区域33后留下的空腔形成的后空间5形成。薄膜结构6能够形成用在换能器装置27中的膜。

附图标记

1 膜结构

2 基底

3 包围壁

4 基底的主表面

5 后空间

6 薄膜结构

7 通气孔

8 包围壁的侧表面

9 包围壁的顶部表面

10 支柱

11 支柱的侧表面

12 支柱的支撑区域

13 薄膜结构的突出部分

14 突出部分的底部部分

15 薄膜结构的升高部

16 薄膜结构的下部

17 薄膜结构的连接部分

18 包围壁与薄膜结构之间的狭缝

19 膜的中心部分

20 膜的外部部分

21 机械移相器

22 突出部分的侧壁

23 基底中的开口

24 基底的后部表面

25 薄膜结构的外边缘

26 弹性层

27 换能器装置

28 第一牺牲层

29 第二牺牲层

30 牺牲层区域中的沟槽

31 第二牺牲层的顶部表面

32 薄膜

33 牺牲层区域

x、y 横向方向

z 竖直方向

Pa 共同的压力水平

Pe 外部声压源

Zm 膜的复声阻抗

Lm 膜的声质量

Cm 膜的声顺性

Rs 压缩气膜的声阻

Rv 通气孔的声阻

Cv 后空间的声顺性

Zmc 膜的中心部分的复声阻抗

Lmc 膜的中心部分的声质量

Cmc 膜的中心部分的声顺性

Rsc 膜的中心部分下方的压缩气膜的声阻

Zmo 膜的外部部分的复声阻抗

Lmo 膜的外部部分的声质量

Cmo 膜的外部部分的声顺性

Rso 膜的外部部分下方的压缩气膜的声阻

移相器

Rp 支柱的声阻

Rsl 狭缝的声阻

Cvc 膜的中心部分下方的后空间的声顺性

Cvo 膜的外部部分下方的后空间的声顺性

Claims (17)

1.一种膜结构(1)，包括：

-基底(2)，其具有主表面(4)和后部表面(24)，

-多个支柱(10)，支柱(10)被设置在所述基底(2)的主表面(4)上并且具有背离所述基底(2)的主表面(4)的支撑区域(12)，以及

-薄膜结构(6)，其被设置在所述基底(2)的主表面(4)和所述支柱(10)上方，

其中

-薄膜结构(6)包括多个升高部(15)，升高部与基底(2)之间的间隔大于薄膜结构的至少一个下部(16)与基底(2)之间的间隔；

-升高部(15)中的每个包括至少一个突出部分(13)，突出部分(13)为中空的并且具有底部部分(14)和侧壁(22)，并且突出部分(13)朝向基底(2)延伸，

-每个突出部分(13)的底部部分(14)分别机械连接到支柱(10)之一的支撑区域(12)，并且

-后空间(5)由基底(2)的主表面(4)与薄膜结构(6)之间的空间形成。

2.根据权利要求1所述的膜结构(1)，其中，所述薄膜结构(6)形成膜，并且其中支柱(10)和突出部分(13)中的每一对在膜偏转过程中形成机械移相器。

3.根据权利要求1或2之一所述的膜结构(1)，其中，所述支柱(10)和所述薄膜结构(6)的突出部分(13)布置在距薄膜结构(6)的外边缘预定距离处。

4.根据权利要求1至3之一所述的膜结构(1)，其中，每个升高部(15)在平行于所述基底(2)的主延伸平面延伸的横向方向(x、y)上由所述至少一个下部(16)完全围绕，每个升高部(15)通过连接部分(17)连接到所述至少一个下部(16)。

5.根据权利要求1至3之一所述的膜结构(1)，其中，每个升高部(15)延伸至所述薄膜结构(6)的外边缘，并通过连接部分(17)连接到所述至少一个下部(16)。

6.根据权利要求1至5之一所述的膜结构(1)，还包括：

至少一个包围壁(3)，其与所述薄膜结构(6)的外边缘相距一定距离地被设置在基底(2)的主表面(4)上，包围壁(3)在平行于基底(2)的主延伸平面延伸的横向方向(x、y)上围绕薄膜结构(6)。

7.根据权利要求6所述的膜结构(1)，还包括：

至少一个弹性层(26)，其将所述薄膜结构(6)机械连接到包围壁(3)。

8.根据权利要求7所述的膜结构(1)，其中，弹性层(26)是透气的。

9.根据权利要求1至8之一所述的膜结构(1)，还包括：

位于所述基底(2)中的开口(23)，所述开口从后部表面(24)朝向在基底(2)的主表面(4)处的薄膜结构(6)延伸。

10.根据权利要求1至9之一所述的膜结构(1)，其中

所述膜结构(1)包括在薄膜结构(6)内的通气孔(7)。

11.根据权利要求1至10之一所述的膜结构(1)，

其中

所述薄膜结构(6)在俯视图中具有圆形或多角形的形状。

12.一种换能器装置(27)，其包括根据权利要求1至11之一所述的膜结构(1)，其中

所述换能器装置(27)尤其是光学全向麦克风或任何其他动态压力感测装置。

13.一种生产膜结构(1)的方法，所述方法包括：

-提供基底(2)，

-将多个支柱(10)形成在所述基底(2)的主表面(4)处，

-将牺牲层区域(33)形成在所述基底(2)的主表面(4)处和支柱(10)上，提供牺牲层区域(33)的至少第一厚度水平和第二厚度水平，第一厚度水平大于第二厚度水平，

-将多个沟槽(30)形成在具有第一厚度水平的牺牲层区域(33)内，其中每个沟槽(30)分别朝向支柱(10)之一延伸，

-将薄膜(32)沉积在牺牲层区域(33)上和多个沟槽(30)中，并且

-通过去除牺牲层区域(33)，由薄膜(32)形成薄膜结构(6)，其中

-薄膜结构(6)包括升高部(15)，其中升高部(15)由薄膜(32)的沉积在具有第一厚度水平的牺牲层区域(33)上的部分形成，

-每个升高部(15)包括至少一个突出部分(13)，所述至少一个突出部分(13)由薄膜(32)的沉积在所述多个沟槽(30)内的部分形成，

-后空间(5)由去除牺牲层区域(33)后留下的空腔形成，并且

-膜结构(1)包括薄膜结构(6)、基底(2)和在薄膜结构(6)与基底(2)之间的后空间(5)。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述薄膜结构(6)形成膜，并且其中支柱(10)和突出部分(13)中的每一对在膜偏转过程中形成机械移相器。

15.根据权利要求13或14之一所述的方法，还包括：

与所述薄膜结构(6)的外边缘相距一定距离地将至少一个包围壁(3)形成在基底(2)的主表面(4)上，包围壁(3)在平行于基底(2)的主延伸平面延伸的横向方向(x、y)上围绕薄膜结构(6)。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

沉积弹性层(26)，所述弹性层(26)将薄膜结构(6)机械连接到包围壁(3)。

17.根据权利要求13至16之一所述的方法，还包括：

-将开口(23)形成在基底(2)中，所述开口(23)从基底(2)的后部表面(24)朝向薄膜结构(6)延伸，其中后部表面(24)背离主表面(4)，

-在将开口(23)形成在基底(2)中后去除牺牲层区域(33)。

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