CN210120666U - 压电mems换能器和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及压电MEMS换能器和电子设备。一种在半导体材料的本体中形成的压电MEMS换能器，其具有中心轴线和周边区域，并且包括多个梁、膜和柱，多个梁横向于中心轴线，多个梁并且具有被耦合到本体的周边区域的第一端和面向中心轴线的第二端，膜横向于中心轴线并且被布置在多个梁下方，柱与中心轴线平行，并且与梁的第二端和膜是刚性的。MEMS换能器还包括被布置在多个梁上的多个压电感应元件。

Description

压电MEMS换能器和电子设备
技术领域
本公开涉及压电声学MEMS(微机电系统)换能器。
背景技术
众所周知，半导体设备的微机械加工的MEMS技术允许在牺牲层上沉积的半导体层(例如，多晶硅层)或生长的半导体层(例如，外延层)内形成MEMS结构，该牺牲层通过刻蚀至少部分地被去除。
例如，如图1中所示，电声MEMS换能器(麦克风)包括在半导体材料裸片中或半导体材料裸片上集成的柔性膜。这里，麦克风1包括膜2，膜2由基板3承载并且悬置于腔4之上。膜2 暴露于声波(即，由叠加在大气压力patm上的扰动形成)并且由于由此施加的力而弯曲，如虚线所图示的。
膜弯曲测量可以是不同类型的。例如，弯曲检测可以是压阻类型或压电类型(通过将压阻元件或压电元件集成在膜中或膜上)、电容类型(其中膜被电容耦合到裸片的另一导电区)和电磁类型(其中，例如，线圈被耦合到磁性区)。在所有情况下，对由膜偏斜引起的电信号的变化进行测量。
具体地，电容式麦克风目前广泛用于各种类型的移动设备，诸如智能电话、PC、平板计算机等。
然而，这种类型的麦克风是不利的。实际上，由于外部颗粒和/或其他污染物(例如，水、灰尘、焊接蒸汽等)的污染，电容式麦克风可能存在可靠性问题。具体地，外部颗粒可能被捕获在电容器的电极之间，充当用于膜偏斜的机械块并且生成漏电路径，从而导致故障并且降低麦克风的性能。另外，电容器的电极之间存在污染物可能会导致麦克风的永久性损坏。因此，不可能在诸如水的环境中使用电容式MEMS麦克风。
为了克服上述限制，最近提出了压电类型的麦克风，其利用压电性，即，一些材料在遭受变形时生成电压的能力。具体地，压电麦克风即使在浸没在除空气之外的流体(例如，水和非导电液体)中时也能够操作，并且不像MEMS电容式麦克风那样受由于污染物和外部颗粒导致的故障和/或性能下降的影响。
具体地，在压电麦克风中，在具有最大应力的区域附近，在膜上形成由压电材料(诸如氮化铝(AlN)和PZT(锆钛酸铅)) 制成的敏感区。在存在引起膜偏斜的声波的情况下，与膜一起偏斜的敏感区产生与所检测的声波的强度相关的电压变化。连接到 MEMS麦克风的接口电路放大并处理由后者产生的电信号，并且输出之后可以由相关联的电子设备的微控制器处理的模拟或数字信号。
在US8896184中描述并且在图2中图示了压电MEMS麦克风的一个示例。
详细地，图2示出了悬臂类型的MEMS麦克风5。麦克风5 包括具有腔7的硅基板6，两个梁8A、8B在腔7之上延伸。每个梁8A、8B在相应的端部处被锚固到基板6。另外，梁8A、8B 在它们之间限定了通风开口9。另外，每个梁8A、8B由层堆叠形成，例如由多个压电层11(例如，由AlN制成的)与多个电极层10(例如，由钼Mo制成的)交替形成。电介质层12使梁8A、 8B与基板6电绝缘。
然而，上述已知解决方案具有一些缺点。
实际上，MEMS麦克风5的通风孔9的尺寸取决于每个梁8A、 8B的层堆叠上(并且特别是在一个或多个压电材料层中)的应力梯度(例如由于残余应力)，即使在静止时，其也会引起梁的不期望的偏斜，从而使通风孔9的尺寸发生变化。通风孔9的尺寸的变化引起不太精确地控制滚降频率点(其确定MEMS麦克风5 的低频行为)位置。这是不期望的，因为滚降频率点的位置可以变化高达±50Hz，这与当前的市场要求不相容，在许多情况下，期望滚降频率的最大变化为±10Hz。
另外，目前市场上的压电类型的MEMS麦克风具有低灵敏度，并且因此具有低SNR(信噪比，特别是由于MEMS麦克风中固有的噪声以及由材料和由麦克风的空气运动生成的粘性阻力引起的噪声)。
实用新型内容
本公开的至少一个实施例提供了一种克服现有技术的缺点的压电类型的MEMS换能器。
根据本公开，提供了一种MEMS换能器。
在第一方面，提供了一种压电MEMS换能器，其包括：半导体材料的本体，具有中心轴线和周边区域，本体包括：多个梁，横向于中心轴线延伸，并且每个梁均具有第一端和第二端，梁的第一端被耦合到本体的周边区域，并且第二端面向中心轴线；膜，横向于中心轴线延伸，并且位于多个梁下方；和柱，平行于中心轴线延伸，并且关于梁的第二端和膜是刚性的；以及多个压电感应元件，被布置在多个梁上。
根据一个实施例，多个压电感应元件包括分别被布置在梁的第一端处的压电感应元件。
根据一个实施例，多个压电感应元件包括分别被布置在梁的第二端处的压电感应元件。
根据一个实施例，压电感应元件均沿着相应的梁在第一端和第二端之间延伸。
根据一个实施例，每个梁包括在梁的第一端和第二端之间形成的开口。
根据一个实施例，压电MEMS换能器还包括穿过膜的通风开口，通风开口平行于中心轴线延伸。
根据一个实施例，通风开口具有环形或多边形形状。
根据一个实施例，通风开口延伸穿过柱。
根据一个实施例，膜具有第一膜表面和第二膜表面，第一膜表面面向多个梁，压电MEMS换能器还包括突起，突起从第二膜表面延伸并限定通风开口的侧壁。
根据一个实施例，膜包括整体突出的增强结构。
根据一个实施例，膜具有第一膜表面和第二膜表面，第一膜表面面向多个梁，并且增强结构包括多个突起，多个突起从膜的第二膜表面延伸并且特别地具有蜘蛛网形状。
根据一个实施例，膜具有第一膜表面和第二膜表面，第一膜表面面向多个梁，并且膜包括从第二膜表面延伸的制动元件。
根据一个实施例，本体包括基板和敏感区，基板被贯通腔横贯，膜、多个梁和柱形成于敏感区中，并且膜悬置于贯通腔之上。
根据一个实施例，压电感应元件是双晶的。
在第二方面，提供了一种电子设备，其包括：压电MEMS换能器，压电MEMS换能器包括：半导体材料的本体，具有中心轴线(S)和周边区域，本体包括：多个梁，横向于中心轴线延伸，并且每个梁均具有第一端和第二端，梁的第一端被耦合到本体的周边区域，并且第二端面向中心轴线；膜，横向于中心轴线延伸，并且位于多个梁下方；和柱，平行于中心轴线延伸，并且关于梁的第二端和膜是刚性的；以及多个压电感应元件，被布置在多个梁上；信号处理块，被耦合到压电MEMS换能器；微处理器，被耦合到信号处理块；存储器，被耦合到微处理器；和输入/输出单元，被耦合到微处理器。
根据一个实施例，压电MEMS换能器包括穿过膜的通风开口，通风开口平行于中心轴线延伸。
根据一个实施例，膜具有第一膜表面和第二膜表面，第一膜表面面向多个梁，并且压电MEMS换能器包括突起，突起从第二膜表面延伸并限定通风开口的侧壁。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在参考附图，仅通过非限制性示例的方式描述其优选实施例，其中：
图1是已知的压电类型的力传感器的示意图；
图2是已知的压电类型的MEMS麦克风的截面图；
图3是根据一个实施例的去除了一部分的本实用新型的换能器的俯视图；
图3A是沿图3的换能器的截线IV-IV截取的截面图；
图4和图4A分别以俯视图和与图3A相同的截面示出了本实用新型的换能器的不同实施例；
图5-图9是图3的换能器在制造过程的连续步骤中的截面；
图10是根据另一实施例的去除了一部分的本实用新型的换能器的俯视图；
图11是沿图10的换能器的截线XI-XI截取的截面；
图12-图14是图10的换能器在制造过程的连续步骤中的截面；
图15A-图15G是去除了一部分的本实用新型的换能器的另外的实施例的俯视图；
图16是根据本实用新型的MEMS换能器的另外的实施例的沿图17的截线XVI-XVI截取的平面截面；
图17示出了沿图16的截线XVII-XVII截取的图16的换能器的细节的截面；
图18是根据另一实施例的本实用新型的换能器的感应元件之间的连接的电气等效；
图19是根据另一实施例的本实用新型的换能器的感应元件之间的另一可能连接的电气等效；
图20是根据另一实施例的换能器的截面图；以及
图21示出了包括本实用新型的MEMS换能器的电子装置的框图。
具体实施方式
图3和图3A示出了声学MEMS换能器(这里形成MEMS 麦克风20)的一个实施例。具体地，MEMS麦克风20是压电类型的。另外，本实用新型的MEMS换能器可以形成声学发射元件(例如，扬声器)。
参考图3A，在本体21中形成MEMS麦克风20，本体21包括基板22和敏感区36。基板22是半导体材料(例如，硅)的，具有第一表面22A和第二表面22B。具体地，基板22在俯视图(图3)中具有四边形形状(例如矩形)，其具有中心轴线S。
贯通腔23从第二表面22B横贯基板22，贯通腔23例如在俯视图中具有直径为d1的圆形形状，贯通腔23由壁23A横向界定。
第一电介质层25在第一表面22A上延伸，并且例如由USG (未掺杂的硅酸盐玻璃)、热氧化硅(SiO2)或TEOS(四乙基正硅酸盐)制成的。
敏感区36在第一电介质层25上延伸并且包括在周边延伸的框架部分30A以及由框架部分30A承载和围绕的移动部分30B。框架部分30A围绕并支撑移动部分30B，将其锚固到基板22。
具体地，移动部分30B由膜32、柱34和多个梁39形成，膜 32悬置于贯通腔23之上；柱34与膜32是整体的；并且多个梁 39与框架部分30A是刚性的，并且多个梁39通过柱34连接到膜 32，多个梁39与柱34一体地形成。膜32、柱34和梁39由半导体材料(例如多晶硅)制成。
参考图3，膜32具有例如直径为d2的圆形形状；具体地，如图3A中所示，膜32是同心的并且在贯通腔23的内部，并且其直径d2小于贯通腔23的直径d1。
在图3和图3A的实施例中，膜32由通风开口45横向界定，例如，其在俯视图(图3)中为环形。更详细地，在俯视图中，通风开口45以一定距离围绕柱34；另外，它与贯通腔23流体连通。通风开口45具有宽度(即，其内边缘与其外边缘之间的距离)l1。
敏感区36的框架部分30A包括：覆盖第一电介质层25的第一结构层37；覆盖结构层37的第二电介质层33；覆盖第二电介质层33的第二结构层38；以及多个第一锚固元件31和第二锚固元件35。
详细地，第一结构层37例如由多晶硅制成，并且具有与膜 32相同的厚度和特性，第一结构层37与膜32同时形成，如下文参考图5和图6所描述的。
第二电介质层33例如由USG、氧化硅或TEOS制成，并且限定膜32与多个梁39之间的距离，并且因此限定了柱34的高度(沿参考系XYZ的轴线Z测量)。
第二结构层38例如由多晶硅或氮化硅(Si3N4)制成，并且具有与梁39相同的厚度和特性，第二结构层38与梁39同时形成，如下文参考图7和图8所描述的。
第一锚固元件31延伸穿过基板22和第一结构层37之间的第一电介质层25。因此，第一锚固元件31具有与第一电介质层25 相同的厚度(沿参考系XYZ的轴线Z测量)，第一锚固元件31 与膜32是整体的，第一锚固元件31与膜32在相同的制造步骤中形成，如下文参考图6所描述的。
在所图示的实施例中，凹槽40在第一结构层37、第一锚固元件31之间延伸，并且基板22相对于贯通腔23的壁23A凹进，并且其在俯视图(图3)中是例如圆形的。然而，凹槽40不是必需的，并且在其他实施例中可以缺少凹槽40。
第二锚固元件35在第一和第二结构层37、38之间延伸穿过第二电介质层33，并且因此具有与第二电介质层33相同的厚度。
根据图3，移动部分30B在此包括八个梁39，八个梁39径向布置并且垂直地对准膜32，即使梁的数目仅是示例性的并且可以变化。每个梁39具有第一端41和第二端42。详细地，每个梁 39在相应的第二端42处被一体地固定到柱34，并且通过相应的第一端41被一体地固定到敏感区36的框架部分30A。另外，每个梁39相对于相邻的梁39成角度地均匀间隔。实际上，在所图示的示例中，梁39以45°的角距离布置。
敏感区36还包括多个感应元件50，每个感应元件50被布置在相应的梁39的第一端41处，并且精确地跨越第一端41和框架部分30A。
每个感应元件50(图3A)包括：第一电极55(例如钼Mo、掺杂多晶硅、钛Ti或铂Pt)；布置在第一电极55上的压电材料层 56(例如，氮化铝AlN)；以及布置在压电材料层56上的第二电极57(例如钛或钼)。
另外(图3A)，例如由氮化硅Si3N4、碳化硅SiC或氮化铝 AlN制成的钝化层59(为了清楚，在图3中未图示)在所制造的敏感区36的框架部分30A上延伸，并且涂覆感应元件50。钝化层59具有多个接触开口60；例如，由钛钨和金的合金TiW/Au、铝Al、或铝和铜合金的合金AlCu制成的金属化层65(图3中未图示)的部分在接触开口60的内部延伸，以使得能够与第二电极57电接触。金属化层65以及未图示的另外的电接触区使得能够以本身已知的方式并且通过电线43在图3中示意性地表示地将感应元件50电耦合到外部处理电路和设备(未图示)。
在使用中，声压波作用在膜32上，在其上施加使膜32偏斜而不使膜变形的力；然后，由声压波在膜32上施加的力由柱34 传送、集中到多个梁39的第二端42，从而使多个梁39在第二端 42处的位移(以及因此的偏斜)最大化。换句话说，由于膜32 和柱34的位移，敏感区36的移动部分30B根据活塞式运动而移动，使得多个梁39由于外部声压施加的力而根据杠杆臂效应移动。
因此，敏感区36的偏斜生成应力累积，并且因此在梁39的第一端41和第二端42处生成最大应变(绝对值)；然后，在第一端41上通过感应元件50检测应力的累积，其中的压电材料层 56由于应力而变形。因此，根据已知的逆压电效应，压电材料层 56的变形引起在第一电极55和第二电极57之间的电荷累积，这又生成对应的电信号；然后，电信号通过金属化层65(电线43) 被传送到外部处理电路和设备。
图4和图4A示出了本实用新型的MEMS换能器的另一实施例。
详细地，图4和图4A示出了具有与图3和图3A的MEMS 麦克风20的结构类似的总体结构的MEMS换能器20A，使得与参考图3和图3A说明和描述的部件类似的部件在图4和图4A中由相同的附图标记指定，并且将不再进一步描述。
在图4和图4A的MEMS换能器中，由34′指定的柱由交替的多晶硅区34A和电介质区34B形成；例如，在图4和图4A中，柱34′由多晶硅的同心环形柱34A(它们是整体的并且从与梁39 相同的材料开始获得)和同心电介质环形柱34B(与第二电介质层33同时形成)形成。
图5-图9示出了用于制造MEMS麦克风20的过程的连续步骤。
具体地，针对其中将形成具有在图3和图4中图示的结构的MEMS换能器的部分的，图5示出了由半导体材料(例如硅)制成的晶片100。晶片100包括基板121，基板121具有第一基板表面121A和第二基板表面121B。使用已知的沉积技术，第一牺牲层125已经沉积在第一基板表面121A上。例如，具有例如在 0.5μm和2.6μm之间的厚度的、由USG、热氧化硅或TEOS制成的第一牺牲层125也被设计为形成第一电介质层25。
另外，已经根据已知的掩模和限定技术限定了第一牺牲层 125，以便形成第一多个锚固开口131′。
在图6中，第一转换层132被沉积或生长在第一牺牲层125 上，并且旨在用于形成膜32和第一结构层37。第一转换层132 例如是多晶硅，并且具有例如1μm和2μm之间的厚度；它填充第一多个锚固开口131′，从而形成第一锚固元件31。
接下来，根据已知的光刻技术限定第一转换层132，以形成通风开口45。
然后(图7)，在第一转换层132上沉积第二牺牲层133；具体地，还被设计为形成第二电介质层33的第二牺牲层133例如由USG、TEOS或掺杂的氧化硅制成，其具有例如在1μm和4μm 之间的厚度，并且填充通风开口45。
接下来，使用本身已知的光刻技术限定第二牺牲层133，以便形成第二多个锚固开口133′(被布置在第二牺牲层133的周边区域中，该周边区域被设计成形成敏感区36的框架部分30A)和柱开口133″，柱开口133″被布置在第二牺牲层133的中心部分中，在该中心部分中将形成柱34。
在图4和图4A的实施例中，代替提供单个柱开口133″，使用不同的光刻掩模，在将形成多晶硅部分34A处形成一系列同心环形开口，以便获得在上述附图中图示的结构。
接下来(图8)，具有在1μm和3μm之间的厚度的第二转换层136(例如，由多晶硅或氮化硅制成的)被沉积或生长在第二牺牲层133上，并且被设计成形成第二结构层38和梁39。详细地，第二转换层136填充第二多个锚固开口133′，从而形成第二锚固元件35和柱开口133″，从而形成柱34。然后，通过根据已知的光刻限定技术限定第二转换层136来形成多个梁39。
接下来，在被设计成形成敏感区36的框架部分30A的区域中形成感应元件50。具体地，依次沉积第一电极55、压电材料层56和第二电极57。接下来，以本身已知的方式(例如，使用光刻技术)限定如此形成的堆叠体。然后，以本身已知的方式在感应元件50上沉积并限定钝化层59，以形成多个接触开口60。接下来，在钝化层59上沉积并限定金属化层65，以便形成电线 43。
接下来(图9)，根据已知的刻蚀技术(例如，干法刻蚀，诸如DRIE深反应离子刻蚀)，从第二基板表面121B刻蚀晶片100；具体地，进行刻蚀直到到达用作刻蚀停止层的第一牺牲层125。以这种方式，在刻蚀结束时，获得基板22(以及因此，第一表面 22A和第二表面22B)和贯通腔23(以及因此，贯通腔23的壁 23A)。接下来，进行湿法或蒸汽刻蚀(例如，使用HF氢氟酸)，以便去除第一牺牲层125和第二牺牲层133的面向贯通腔23的部分。因此，在过程结束时，第一转换层132和第二转换层136 悬置于腔23上，从而释放敏感区36的移动部分30B、膜32、柱 34和梁39，以便获得在图3A中图示的敏感区36。另外，去除第一牺牲层125和第二牺牲层133导致形成凹槽40并且导致界定转换框架36，特别是界定第一电介质层25和第二电介质层33以及第一结构层37和第二结构层38。
然后，切割晶片100，从而获得具有在图3和图3A中所表示的基本结构的一个或多个MEMS换能器20。
图10和图11示出了本实用新型的MEMS换能器的另一实施例。
详细地，图10和图11示出了具有与图3和图3A的MEMS 麦克风20的结构类似的总体结构的MEMS换能器(下文中还被称为“MEMS麦克风220”)，使得与参考图3和图3A说明和描述的部件类似的部件在图10和图11中由相同的附图标记指定，并且将不再进一步描述。
更详细地，在图10和图11的MEMS麦克风220中，膜232 具有面向贯通腔223的下表面232′和面向梁39的上表面232”。另外，膜232包括增强结构270，增强结构270与膜232是整体的。具体地，增强结构270在膜232的下表面232′上延伸(图11)。
增强结构270具有例如蛛网状形状，如在图10的俯视图中可见的并且以虚线表示的。具体地，增强结构270具有增加膜232 的刚度的功能，而不对膜232增加任何另外的显著的质量贡献。以这种方式，可以具有薄且不变形的膜232(例如，具有0.3μm 的厚度)，MEMS麦克风220较少遭到振动和外部机械冲击，并且以高效的方式传递由作用在膜232上的声压生成的力。
因此，与MEMS麦克风20相比，优化了由声压引起的应力到梁39的第一端41和第二端42的传输。
图12-图14示出了用于制造MEMS麦克风220的过程的一个实施例的连续步骤。
具体地，图12示出了由半导体材料(例如硅)制成的晶片 300，其关于其中将提供具有在图10和图11中图示的简化结构的 MEMS换能器的部分。例如由USG、热氧化硅或TEOS制成的并且具有例如在0.5μm和2.6μm之间的厚度的第一膜限定层326以本身已知的方式被沉积并限定在基板321的第一基板表面321A 上。第一膜限定层326被限定成形成多个增强限定开口326′。
接下来(图13)，例如由USG或TEOS制成的(例如，厚度在0.5μm和2μm之间的)第二膜限定层327共形地沉积在第一膜限定层326上。第二膜限定层327部分地填充多个增强限定开口326′，以便在后续工艺步骤中限定增强结构270。具体地，第一膜限定层326和第二膜限定层327的整体等效于图5-图9的第一牺牲层125，并且因为它们由相同的材料制成，在沉积之后，它们通常是不可区分的；因此，在下文中，该整体将被称为“第一牺牲层325”。接下来，使用已知的掩模和限定技术限定第一牺牲层 325，以便形成第一多个锚固开口331′。
然后(图14)，例如由多晶硅制成的第一转换层332被沉积或生长在第二膜限定层327上，并且填充第一多个锚固开口331′和多个增强限定开口326′，从而形成第一锚固元件31和增强结构 270。
接下来，制造步骤以与参考图6-图9描述的那些步骤类似地进行，并且包括：形成通风开口45；沉积并图案化第二牺牲层(不可见，对应于图7的层133)；形成并图案化第二转换层(对应于图8的层136)；提供感应元件50以及执行最终步骤。
图15A-图15G分别示出了图3-图3A的MEMS麦克风20和图10-图11的MEMS麦克风220的转换框架36和/或膜32、232 的备选实施例。具体地，在图15A-图15G中，为了更好地理解各种实施例，未图示增强结构270、钝化层59和金属化层65。
参考图15A，与参考图3和图3A的MEMS麦克风20说明和描述的部件类似的部件由相同的附图标记指定，并且将不再进一步描述。
具体地，图15A的俯视图示出了MEMS麦克风的变型420，其中膜432、凹槽(未图示)和通风开口445具有四边形(例如，正方形)形状，以便针对相同尺寸的本体(在此用421表示)，将入射声波撞击所处于的膜432的面积最大化。
在图15B中，与参考图3和图3A的MEMS麦克风20说明和描述的部件类似的部件由相同的附图标记指定，并且将不再进一步描述。
具体地，这里膜532、凹槽(未图示)和通风开口545具有多边形(例如，八边形)形状。另外，每个梁539承载另外的感应元件550′，感应元件550′被布置在柱534附近。详细地，每个另外的感应元件550′被布置在对应的梁539上，在相应的第二端 542处。
该实施例可以有利地用于其中期望MEMS麦克风520具有较高灵敏度的应用中。实际上，在使用中，以类似于感应元件550 的方式，每个另外的感应元件550′由于相应的梁539的变形而遭受高应力，并且生成对应的电信号。
参考图15C，与参考图3和图3A的MEMS麦克风20说明和描述的部件类似的部件由相同的附图标记指定，并且将不再进一步描述。
图15C图示了MEMS麦克风620(下文中还被称为“第一 MEMS麦克风620”)和附加的MEMS换能器(下文中还被称为“附加MEMS麦克风620”)，两者均形成于相同的本体621中。具体地，这里，第一MEMS麦克风620具有膜632、凹槽(未图示)和多边形(例如，十二边形)形状的通风开口645。另外，附加的MEMS麦克风620′具有与图3和图3A的MEMS麦克风 20类似的总体结构，因此与参考图3和图4说明和描述的部件类似的部件在图15C中由相同的附图标记指定，并且将不再进一步描述。
在图15C中，附加的MEMS麦克风620′具有4个梁639′(成对地布置，平行于笛卡尔参考系XYZ的第一轴线X和第三轴线 Y)和布置在其上(在相应的第一端641’处)的对应的感应元件 620′。另外，每个梁639′具有相应的梁开口700′，其延伸穿过在第一端641′和第二端642′之间的相应的梁。这里，膜632′、凹槽 (未图示)和通风开口645′具有多边形(例如，八边形)形状。
该实施例使得能够在较大的声强范围内检测声音，而不会损失任何灵敏度。实际上，与参考图3、图3A、图10和图11描述的实施例相比，该实施例允许获得更硬挺的梁。
参考图15D，与参考图3和图3A的MEMS麦克风20说明和描述的部件类似的部件由相同的附图标记指定，并且将不再进一步描述。
在图15D中，MEMS麦克风720包括具有例如三角形形状的 4个梁739，其中基底(形成第一端741)被锚固到基板(不可见)，并且顶点面向MEMS麦克风720的中心。每个梁739在相应的第一端741处具有相应的感应元件750，使得在使用中，在第一端 741处累积的应力由感应元件750检测。另外，膜732、凹槽(未图示)和通风开口745具有四边形(例如，正方形)形状。
该实施例具有优化压电致动器750的电容的优点，将读取由 MEMS麦克风720生成的信号的电压。实际上，在本实施例中，电容的优化使得可以改进MEMS麦克风720的SNR值。
参考图15E，与参考图3和图3A的MEMS麦克风20说明和描述的部件类似的部件由相同的附图标记指定，并且将不再进一步描述。
具体地，在图15E中，MEMS麦克风820具有与在图15D中图示的形状类似的形状。具体地，在图15E中，膜832、凹槽(未图示)和通风开口845具有例如圆形形状。另外，每个梁839在相应的第一端841处具有多个感应元件850，并且在相应的第二端842处具有另外的感应元件850′，另外的感应元件850′与图15B 的另外的感应元件550′类似。
该实施例可以有利地用于其中期望MEMS麦克风820具有较高灵敏度的应用中。
参考图15F，与参考图3和图3A的MEMS麦克风20说明和描述的部件类似的部件由相同的附图标记指定，并且将不再进一步描述。
在图15F中，MEMS麦克风920包括在柱934中形成的通风开口945。另外，膜932相对于本体921固定并且在第一结构层 (未图示)中没有中断地前进。该实施例可以有利地用于其中期望不同地定位滚降频率点的应用中，例如，移动应用中。
参考图15G，与参考图3和图3A的MEMS麦克风20说明和描述的部件类似的部件由相同的附图标记指定，并且将不再进一步描述。
在图15G中，MEMS麦克风1020的每个感应元件1050在相应的梁1039的整个长度上延伸，以便完全涂覆它。以这种方式，在使用中，每个感应元件1050能够检测贯穿对应的梁1039的延伸存在的应力。以这种方式，感应元件1050具有较高的电容。基于可以被耦合到当前的MEMS麦克风1020的读取电子器件的架构选择，该特性是所期望的。
图16和图17示出了本实用新型的MEMS换能器的另一实施例。
详细地，这里，MEMS换能器(在下文中还被称为“MEMS 麦克风1220”)具有与图3和图3A的MEMS麦克风20类似的总体结构，使得与参考图3和图3A说明和描述的那些部件类似的部件在图16和图17中用相同的附图标记指定，并且将不再进一步描述。
详细地，在俯视图(图16)中具有大致圆形形状的膜1232 具有例如半圆形形状的多个突起1300，多个突起1300与大致圆形形状的膜1232是整体的，并且从膜1232中突起。每个突起1300 相对于相邻的突起1300成角度均匀地间隔；实际上，这里，突起1300以45°的角距离布置，即使它们可以处于不同的距离处或者甚至不规则地间隔。另外，这里，第一结构层1237以与膜1232 互补的方式进行图案化，使得通风开口1245的宽度l1贯穿膜1232 的周界进行固定。
实际上，利用该配置，膜1232在腔1223的外侧突出并且用突起1300面对基板1222。这样，膜1232的垂直移动(平行于轴线Z)由突起1300和基板1222之间的干扰进行限制，从而保护膜1232免受可能破坏它从而危及MEMS换能器1220的操作的外部机械撞击，而另一方面，基本上不改变通过通风开口1245的空气流。
另外，如图17中可见的，膜1232可以包括制动元件1350，制动元件1350与膜1232在第一膜表面1232’上一体地形成，并且制动元件1350沿着膜1232的边缘朝向本体1221的基板1222 延伸，并且通过凹槽1240与基板1222间隔开。实际上，制动元件1350进一步限制了膜1232的垂直运动。在该情况下，可以选择制动元件1350的高度(沿着参考系XYZ的轴线Z测量)，以便不修改MEMS麦克风1220的滚降点。
MEMS换能器1220包括多个锚固元件1235，该多个锚固元件1235通过第二电介质层1233的部分彼此间隔开。MEMS换能器1220可以根据参考图12-图14描述的任何一种制造过程来制造，例如利用与用于增强结构270(在该实施例中可以存在或者还可以不存在)相同的技术形成制动元件1350。
备选地，在另外的实施例中，突起1300可以缺失，并且膜 1232可以具有例如直径大于腔1223的圆形形状。在这种情况下，膜的周边部分覆盖基板1222并且面向基板1222，以限制基板 1222沿其整个外周沿着轴线Z的运动。同样在该情况下，图17 的制动元件可以存在或不存在。
在根据参考图3、图4、图6、图7、图15A-图15G、图16 和图17描述的任何实施例制造的本实用新型的MEMS换能器中，压电感应元件可以具有双晶压电单元结构。在该情况下，修改在图3A和图11中图示的分层结构，以获得在图18和图19中示意性图示的类型的双晶单元，这涉及两种不同电连接方案。
详细地，图18和图19示出了多个双晶单元1500，这里包括由C1、C2、C3...Cn指定的n个单元；具体地，每个双晶单元1500 由五层的堆叠形成，即：第一电极1501，例如由钼Mo制成并且形成下端子B；第一压电材料层1502，例如由氮化铝AlN制成；第二电极1503，例如由钼Mo制成并且形成中心端子C；第二压电材料层1504，例如由AlN制成；以及第三电极1505，例如由钛制成并且形成上端子T。
每个双晶单元1500的第一电极1501、第一压电材料层1502 和第二电极1503形成具有第一电容Cp1的第一电容器。同样地，每个双晶单元1500的第二电极1503、第二压电材料层1504和第三电极1505形成具有第二电容Cp2的第二电容器。在通过图18 和图19中的示例图示的实施例中，第一电容Cp1和第二电容Cp2彼此相同，并且电容Cp1、Cp2在所有双晶单元1500中都相同。
图18的双晶单元1500根据并联的串联(series-of-parallels) 配置彼此连接，其中第一双晶单元C1具有下端子B、上端子T 和中心端子C，下端子B和上端子T被电耦合到基准电压1510 (这里，接地)，中心端子C被电连接到下一个双晶单元(这里，第二双晶单元C2)的下端子B和上端子T。同样地，第二双晶单元C2的中心端子C被电耦合到下一个双晶单元(这里，第三双晶单元C3)的下端子B和上端子T；对于所有双晶单元1500，重复该配置直到第n双晶单元Cn，第n双晶单元Cn的中心端子C 提供输出电压Vout，输出电压Vout是每个双晶单元1500上的电压降的累积。因此，本配置电气等效于将每个双晶单元1500的并联的第一电容Cp1和第二电容Cp2串联连接。该配置有利地用于其中期望保持较高的输出电压Vout和单元C1、Cn的等效电容的应用中。
参考图19，双晶单元1500根据串联的串联(series-of-series) 配置连接在一起，其中第一双晶单元C1具有下端子B和上端子T，下端子B被电耦合到基准电压(接地)1510，上端子T被电耦合到下一个双晶单元(这里，第二双晶单元C2)的下端子B。对于所有双晶单元1500，重复该配置直到第n双晶单元Cn，第n双晶单元Cn的上端子T提供输出电压Vout，该输出电压Vout是每个双晶单元1500上的电压降累积。因此，本配置电气等效于将每个双晶单元1500的串联的第一电容Cp1和第二电容Cp2串联连接。
上述配置有利地用于其中期望最大化输出电压Vout并且使单元C1、Cn之间的等效电容最小化的应用中。另外，在不同的实施例中，本实用新型的MEMS换能器的每个梁可以包括多个双晶单元，该多个双晶单元根据参考图18和图19讨论的任何配置连接在一起。
图20示出了根据本公开的另一实施例的MEMS换能器2020。详细地，图20示出了具有与图10-图11的MEMS换能器220类似的总体结构的MEMS换能器2020，使得与参考图10-图11说明和描述的部件类似的部件在图20中由相同的附图标记指定，并且将不再进一步描述。
MEMS换能器2020与图10-图11的MEMS换能器220基本相同，除了MEMS换能器2020的膜2032包括向下突起2080，并且不再存在图10-图11的MEMS换能器220的凹槽40。通过将锚固元件2031中的一个锚固元件的侧壁2031A定位成与腔23 的侧壁23A对齐来消除凹槽40。在没有凹槽40的情况下，通风开口2045同样与腔的侧壁23A对准。
因此，与图10-图11中的MEMS换能器220的通风开口的相对表面相比较，通风开口2045是由较大的相对表面(即锚固元件2031的侧壁2031A和膜突起2080的侧壁2080A)限定的孔。由通风开口2045的壁2031A、2080A提供的增加的垂直尺寸允许对滚降频率点(其确定MEMS换能器2020的低频行为)的甚至更好的控制。与图3、图3A、图4、图4A、图10和图11中的实施例的通风开口45的相对薄度相比，由于较大的相对表面 2031A、2080A确保了在膜位移期间较少地修改通风开口2045的形状，因此出现了对滚降频率点的改进的控制。
图3、图4、图10、图11、图15A-图15G、图16-图17和图 20中所图示的MEMS麦克风可以用于在如图21中所图示的电子设备1100中，为简单起见，在此通过附图标记1110指定MEMS 麦克风；然而，电子设备1100可以包括上面讨论的任何一个实施例。
例如，电子设备1100是便携式移动通信设备(诸如移动电话、 PDA(个人数字助理)、笔记本)，还可以是录音机、具有录音功能的音频文件播放器等。备选地，电子设备1100可以是声学装置，诸如头戴式系统、能够在水下工作的水听器、或者助听设备。
图20的电子设备1100包括微处理器1101和被连接到微处理器1101的输入/输出单元1103(例如，设置有键盘和显示器)。 MEMS麦克风1110经由信号处理块1105(其可以对MEMS麦克风1110的模拟或数字输出信号m执行进一步的处理操作)来与微处理器1101通信。另外，电子设备1100可以包括用于在音频输出(未图示)上生成声音的扬声器1106以及内部存储器1107。
本实用新型的压电电声MEMS换能器的优点从前面的描述中清楚地显露。
具体地，由于移动部分的结构和感应元件在梁的端部的定位， MEMS换能器具有高灵敏度和低噪声，因此具有高SNR；实际上，在使用中，移动部分执行活塞式运动，并且本配置允许利用杠杆臂效应，因为在每个梁的端部处累积的应力被感应元件高效地检测。
另外，可以通过适当地配置梁来调整移动部分的灵敏度和灵活性(例如，如在图15C-图15E中所图示的)。
另外，在膜上存在增强结构使得能够提高压力传输效率；实际上，增强结构能够使膜加强而不会增加任何显著的质量贡献，使其较少地遭受不期望的偏斜。因此，在使用中，将应力传输到每个梁的端部更加高效并且有助于使MEMS麦克风更灵敏。
另外，通过将感应元件定位在每个梁的端部处，可以显著降低MEMS换能器的灵敏度对所使用的压电材料的残余应力的依赖性。实际上，在这种情况下，感应元件被布置在应力最大(绝对值)的位置，因此能够以更精确的方式检测声压，具有更高的灵敏度和更低的噪声贡献。
另外，通风开口的宽度在此根据已知的光刻技术被精确地限定；这允许在设计层级精确地设定滚降点，并且因此精确地设定 MEMS换能器的低频行为。因此，滚降点与压电致动器的压电材料中可能的残余应力无关。
最后，由于感应结构是压电类型的，并且不具有污染物可以穿透并阻碍MEMS麦克风的操作运动的任何部件，因此本实用新型的MEMS换能器能够抵抗来自外部的水和液体/固体污染物/微粒。
最后，清楚的是，可以在不脱离本公开的范围的情况下，对本文描述和说明的MEMS换能器进行修改和变型。例如，可以组合所描述的各种实施例以提供另外的解决方案。具体地，梁、膜、凹槽和通风开口可以具有不同的形状。另外，在所有实施例中，所有膜可以具有增强结构。
另外，本实用新型的MEMS麦克风可以在所有呈现的实施例中具有制动元件，并且形状可以相对于所图示的形状变化。
另外，与图20的突起2080类似的膜突起以及缺少凹槽40 可以与本文呈现的任何实施例的膜一起使用。
膜的增强结构可以在内部，即面向转换框架。
可以组合上述各种实施例以提供另外的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。通常，在随附权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制于在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例以及这种权利要求被授予的等同方案的全范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (17)

1.一种压电MEMS换能器，其特征在于，包括：
半导体材料的本体，具有中心轴线和周边区域，所述本体包括：
多个梁，横向于所述中心轴线延伸，并且每个梁均具有第一端和第二端，所述梁的所述第一端被耦合到所述本体的所述周边区域，并且所述第二端面向所述中心轴线；
膜，横向于所述中心轴线延伸，并且位于所述多个梁下方；和
柱，平行于所述中心轴线延伸，并且关于所述梁的所述第二端和所述膜是刚性的；以及
多个压电感应元件，被布置在所述多个梁上。
2.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于，所述多个压电感应元件包括分别被布置在所述梁的所述第一端处的压电感应元件。
3.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于，所述多个压电感应元件包括分别被布置在所述梁的所述第二端处的压电感应元件。
4.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于，所述压电感应元件均沿着相应的梁在所述第一端和所述第二端之间延伸。
5.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于，每个梁包括在所述梁的所述第一端和所述第二端之间形成的开口。
6.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于，还包括穿过所述膜的通风开口，所述通风开口平行于所述中心轴线延伸。
7.根据权利要求6所述的压电MEMS换能器，其特征在于，所述通风开口具有环形或多边形形状。
8.根据权利要求6所述的压电MEMS换能器，其特征在于，所述通风开口延伸穿过所述柱。
9.根据权利要求6所述的压电MEMS换能器，其特征在于，所述膜具有第一膜表面和第二膜表面，所述第一膜表面面向所述多个梁，所述压电MEMS换能器还包括突起，所述突起从所述第二膜表面延伸并限定所述通风开口的侧壁。
10.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于，所述膜包括整体突出的增强结构。
11.根据权利要求10所述的压电MEMS换能器，其特征在于，所述膜具有第一膜表面和第二膜表面，所述第一膜表面面向所述多个梁，并且所述增强结构包括多个突起，所述多个突起从所述膜的所述第二膜表面延伸并且特别地具有蜘蛛网形状。
12.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于，所述膜具有第一膜表面和第二膜表面，所述第一膜表面面向所述多个梁，并且所述膜包括从所述第二膜表面延伸的制动元件。
13.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于：
所述本体包括基板和敏感区，
所述基板被贯通腔横贯，
所述膜、所述多个梁和所述柱形成于所述敏感区中，并且
所述膜悬置于所述贯通腔之上。
14.根据权利要求1所述的压电MEMS换能器，其特征在于，所述压电感应元件是双晶的。
15.一种电子设备，其特征在于，包括：
压电MEMS换能器，所述压电MEMS换能器包括：
半导体材料的本体，具有中心轴线和周边区域，所述本体包括：
多个梁，横向于所述中心轴线延伸，并且每个梁均具有第一端和第二端，所述梁的所述第一端被耦合到所述本体的所述周边区域，并且所述第二端面向所述中心轴线；
膜，横向于所述中心轴线延伸，并且位于所述多个梁下方；和
柱，平行于所述中心轴线延伸，并且关于所述梁的所述第二端和所述膜是刚性的；以及
多个压电感应元件，被布置在所述多个梁上；
信号处理块，被耦合到所述压电MEMS换能器；
微处理器，被耦合到所述信号处理块；
存储器，被耦合到所述微处理器；和
输入/输出单元，被耦合到所述微处理器。
16.根据权利要求15所述的电子设备，其特征在于，所述压电MEMS换能器包括穿过所述膜的通风开口，所述通风开口平行于所述中心轴线延伸。
17.根据权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述膜具有第一膜表面和第二膜表面，所述第一膜表面面向所述多个梁，并且所述压电MEMS换能器包括突起，所述突起从所述第二膜表面延伸并限定所述通风开口的侧壁。
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