CN217561264U - Mems感测设备和电子系统 - Google Patents

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Abstract

本公开的各实施例涉及MEMS感测设备和电子系统。MEMS感测设备包括半导体本体，该半导体本体集成传感器和泵单元，传感器包括传感器腔、被悬置在传感器腔上方的膜、以及压电元件，该压电元件位于膜上方，并且被配置为当感测电信号在MEMS感测设备的第一操作阶段期间被施加到压电元件时，使膜以对应共振频率围绕平衡位置振荡，该共振频率取决于位于膜上的微粒的数量，膜具有多个通孔，用于在传感器腔与环境之间建立流体连通；泵被配置为在第一操作阶段期间使传感器腔中的空气压力相对于环境的空气压力降低，使得微粒由通过多个通孔的吸力粘附到膜上。本实用新型的MEMS感测设备，适用于其中必须执行频繁感测操作的应用，并适用于“现场”应用。

Description

MEMS感测设备和电子系统
技术领域
本公开涉及MEMS感测设备和电子系统。本公开的多个实施例中的一个实施例涉及一种用于感测微粒的MEMS设备。
背景技术
几个应用提供了感测微粒的能力。例如，可以方便地采用能够感测在空气中悬置的颗粒物的设备来监测环境的污染水平。
在能够感测诸如颗粒物之类的微粒的可用感测设备中，由MEMS(微机电系统)设备实现的感测设备已知。
通常，MEMS设备是一种包括借助于微加工技术(例如，光刻、沉积、蚀刻、沉积、生长)被集成在同一相同半导体衬底(例如，硅)中的微型化机械、电气和/或电子部件的设备。
用于感测微粒的已知MEMS设备(以下也称为“MEMS微粒感测设备”或为了简明起见简称为“MEMS感测设备”)具有一个或多个悬臂构件，该一个或多个悬臂构件由包括机械压电陶瓷、静电、压电和电热部件的驱动元件共振激发。在悬臂构件的一个或多个感测表面上提供粘性涂层，以捕获微粒。粘在粘性涂层上的微粒依据微粒的数量引起共振变化。
实用新型内容
申请人发现，由于以下缺点中的一个或多个缺点，所以已知MEMS微粒感测设备效率不高。
已知MEMS微粒感测设备设有用于捕获微粒的粘性涂层，并且每次使用之后，需要进行清洁操作，旨在移除粘性涂层以及粘在其上的微粒，然后施加新粘性涂层，以便将MEMS感测设备重置为其原始条件。
因此，已知MEMS微粒感测设备不适用于其中必须执行频繁感测操作的应用。此外，由于清洁操作可能需要使用特定仪器和/或物质来移除粘性涂层并且施加新粘性涂层，所以已知MEMS微粒感测设备也不是特别适合于“现场”应用。
在本公开的第一方面，提出了一种MEMS感测设备，用于感测MEMS感测设备外部环境中的微粒，MEMS感测设备包括：半导体本体，集成传感器和泵；其中传感器包括传感器腔、被悬置在传感器腔上方的膜、以及压电元件，压电元件位于膜上方，并且被配置为当感测电信号在MEMS感测设备的第一操作阶段期间被施加到压电元件时，使膜围绕平衡位置并且以共振频率振荡，共振频率取决于位于膜上的微粒的数量；其中膜包括多个通孔，多个通孔被配置为在传感器腔与环境之间建立流体连通；以及其中泵与传感器相邻，通过在半导体本体中延伸的管道被连接到传感器，并且被配置为在第一操作阶段期间使传感器腔中的空气压力相对于环境的空气压力被降低，使得该微粒由通过多个通孔的吸力粘附到膜上。
在一些实施例中，泵被配置为在第二操作阶段期间使传感器腔中的空气压力相对于环境的空气压力被增加，使得该微粒由通过多个通孔的吹力被吹离膜。
在一些实施例中，压电元件包括压电层，压电层位于顶部导电层与底部导电层之间，顶部导电层和底部导电层的至少一部分形成用于接收感测电信号的电极。
在一些实施例中，多个通孔位于压电层的中心部分处。
在一些实施例中，压电元件包括压电元件开口，压电元件开口在膜的中心部分处，其中多个通孔位于膜的中心部分处。
在一些实施例中，MEMS感测设备还包括非粘性涂层，非粘性涂层覆盖压电元件和膜的中心部分。
在一些实施例中，非粘性涂层包括疏水涂层。
在一些实施例中，顶部导电层包括第一顶板和第二顶板，第一顶板环绕膜的中心部分，第二顶板环绕第一顶板，第一顶板和第二顶板彼此电绝缘，并且底部导电层包括第一底板和第二底板，第一底板环绕膜的中心部分，第二底板环绕第一底板，第一底板和第二底板彼此电绝缘，其中第二顶板和第二底板被配置为在第一操作阶段期间接收感测电信号，其中第一顶板和第一底板被配置为在第一操作阶段期间被偏置，使得跨第一顶板和第一底板产生电压差，电压差的值使膜具有向上凹入形状，以及其中第二顶板和第二底板被配置为在第二操作阶段期间被偏置，使得跨第二顶板和第二底板产生电压差，电压差的值使膜具有向下凹入形状。
在一些实施例中，MEMS感测设备还包括膜上和传感器腔之上的阻抗测量结构。
在一些实施例中，阻抗测量结构包括多个第一电极部分和多个第二电极部分，多个第一电极部分与多个第二电极部分电隔离并相互交叉。
在一些实施例中，阻抗测量结构由压电元件环绕或者被布置在压电元件的中心部分上。
在本公开的第二方面，提出了一种电子系统，电子系统包括多个MEMS感测设备，每个MEMS感测设备包括：半导体衬底，集成传感器和泵；传感器包括传感器腔、被悬置在传感器腔上方的膜、以及压电元件，压电元件位于膜上方，并且被配置为当感测电信号在MEMS感测设备的第一操作阶段期间被施加到压电元件时，使膜以共振频率围绕平衡位置振荡，共振频率取决于位于膜上的微粒的数量；膜包括多个通孔，多个通孔使传感器腔与环境流体连通；以及其中泵被配置为在第一操作阶段期间使传感器腔中的空气压力相对于环境的空气压力被降低，使得微粒由通过通孔集合的吸力粘附到膜上。
在一些实施例中，每个MEMS感测设备的泵被配置为在第二操作阶段期间使相应传感器腔中的空气压力相对于环境的空气压力被增加，使得微粒由通过相应多个通孔的吹力被吹离相应膜。
在一些实施例中，相应多个通孔位于相应膜的中心部分处。
在一些实施例中，电子系统还包括非粘性涂层，非粘性涂层覆盖压电元件和膜的中心部分。
在一些实施例中，多个MEMS感测设备中的至少一个MEMS感测设备包括半导体衬底，半导体衬底集成多个泵，多个泵中的每个泵与传感器腔流体连通。
在一些实施例中，多个泵是两个或四个泵。
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种不受上述缺陷影响的MEMS微粒感测设备，以适用于其中必须执行频繁感测操作的应用，并适用于“现场”应用。
附图说明
根据以下要结合附图读取的仅通过非限制性示例提供的其实施例的具体实施方式，将会更好地理解本公开的特征和优点。在这点上，明确意图在于附图不一定按比例绘制(其中其一些细节可能被夸大和/或简化)并且除非另有说明，否则它们仅用于以概念性方式说明所描述的结构和过程。
图1A和图1B图示了根据本公开的实施例的MEMS微粒感测设备的传感器(的一部分)；
图2A和图2B图示了根据本公开的实施例的MEMS微粒感测设备在感测阶段期间和清洁阶段期间的简化视图；
图3A至图3C图示了根据本公开的实施例的MEMS微粒感测设备的另一版本；
图4A至图4H图示了根据本公开的实施例的用于制造MEMS微粒感测设备的过程的步骤；
图5A至图5D图示了根据本公开的另一实施例的用于制造MEMS微粒感测设备的过程的步骤；
图6是MEMS微粒感测设备的不同实施例的顶视平面图。
图7是图6的MEMS微粒感测设备的横截面；
图8是包括MEMS微粒感测设备的另一实施例的系统的示意图；
图9是MEMS微粒感测设备的另一实施例的横截面；以及
图10以简化框图的形式图示了根据本公开的实施例的包括至少一个MEMS微粒感测设备的电子系统。
具体实施方式
根据本公开，根据所附权利要求，提供了一种用于感测MEMS感测设备外部环境中的微粒的MEMS感测设备。
图1A是根据本公开的实施例的MEMS微粒感测设备(下文中简称为“MEMS感测设备”)的传感器100的俯视图而图1B是该传感器100的一部分的截面视图。
在本说明书的下文中，方向术语(诸如例如，顶部、底部、高处、低处、侧向、中心纵向、横向、竖直)将仅用于描述传感器100以及以下关于图中所图示的非常具体的方位来描述的MEMS感测设备的其他元件，并非用于描述这些元件在其操作期间将具有的可能具体方位。
在这点上，参考方向系统被示为包括三个正交方向X、Y、Z。
传感器100包括膜110，该膜110与压电元件120机械耦合，压电元件120被配置为通过电信号致动用于引起其挠曲运动。当压电元件120被致动时，膜110以对应共振频率fr围绕其平衡位置振荡。
共振频率fr取决于几个因素，诸如膜110的尺寸、形状、材料和质量。当微粒位于膜110上或上方时，膜110的最终质量增加，从而导致共振频率fr的对应变化。因此，在膜110上的微粒的质量/数量与共振频率fr的变化之间建立关系(通常，微粒的质量/数量越高，共振频率就越低)。包括传感器100的MEMS感测设备有利地利用这种关系来感测MEMS感测设备所在环境中的微粒。包括传感器100的MEMS感测设备被配置为根据共振频率fr感测微粒(例如，评估其质量/数量)。
根据示例性实施例，传感器100具有量级为数百kHz或MHz的共振频率fr。例如，在膜110上不存在微粒的情况下，传感器100的共振频率fr约为500kHz。
这里，传感器100具有基于压电微机械超声换能器设备(“PMUT设备”)的架构的架构。
传感器100(沿着平行于方向Y和Z的平面)可以具有圆形(或基本圆形)形状。在备选方案中，传感器100可以具有不同的形状，诸如正方形(或基本正方形)形状、矩形(或基本矩形)形状、三角形(或基本三角形)形状、六边形(或基本六边形)形状、或八角形(或基本八角形)形状。
传感器100在半导体材料的本体125中形成，以下称为半导体衬底125。半导体衬底125可以集成对传感器100有用的其他部件。半导体衬底125可以是单晶硅衬底，以下简称为硅衬底125。图1A和图1B所图示的PMUT设备100的硅衬底110具有平行于平面YZ延伸的前操作表面127。
在图1B中，硅衬底125包括传感器衬底腔130(图1B中仅示出了其一部分)，该传感器衬底腔130限定了由基本沿着平面XZ和YZ延伸的侧向壁、基本沿着平面YZ延伸的底壁以及基本沿着平面YZ延伸的顶壁界定的中空空间。然而，腔130的侧壁、底壁和/或顶壁可以倾斜。
膜110具有顶部表面132和底部表面134，该顶部表面132和底部表面134在静止时基本平行于平面YZ延伸。
根据实施例，膜110(沿着平行于平面YZ的平面)具有圆形(或基本圆形)形状；然而，膜110可以具有不同的形状，诸如正方形(或基本正方形)形状、矩形(或基本矩形)形状、三角形(或基本三角形)形状、六边形(或基本六边形)形状、或八边形(或基本八边形)形状。
膜110被悬置在传感器衬底腔130上方。
膜110的底部表面134与由传感器衬底腔130限定的中空空间的顶部表面的一部分相对应。
在图1B中，膜110的顶部表面132与硅衬底125的前操作表面127齐平。
在图1A和图1B中，膜110由与硅衬底125相同的材料(即，硅，具体地，单晶硅)制成。
可选地，膜110包括一个或多个膜腔135，用于增加膜110的弹性。
压电元件120位于膜110的顶部表面132上方。在图1A和图1B中，电绝缘层136在膜110的顶部表面132与压电元件120之间被提供。电绝缘层136可以包括电绝缘材料，诸如二氧化硅。
压电元件120被配置为：
当跨压电元件120施加电信号时，使膜110振荡，以及
响应于膜110的振荡，生成电信号。
事实上，被沉积到膜110上的微粒使膜110的质量发生改变，因此引起振荡频率发生改变。因此，由传感器100生成的电信号也经历频率改变，并且该频率改变可以用于检测所沉积的微粒的质量。
在图1A和图1B中，压电元件120(沿着平行于平面YZ的平面)具有圆形(或基本圆形)形状；然而，压电元件120可以具有不同的形状，诸如正方形(或基本正方形)形状、矩形(或基本矩形)形状、三角形(或基本三角形)形状、六边形(或基本六边形)形状、或八边形(或基本八边形)形状。
在图1A和图1B中，压电元件120包括压电材料层140，例如，包括氮化铝或PZT，该压电材料层140位于顶部导电层160(压电材料层140上方)与底部导电层162(压电材料层140下方)之间。例如，顶部导电层160和底部导电层162中的每个导电层钛钨和/或铂；并且根据示例性优选实施例，压电材料层140包括PZT并且顶部导电层160和底部导电层162包括铂。
顶部导电层160和底部导电层162(或其至少部分)形成压电元件120的电极，跨这些电极，可以：
向压电材料层140施加电信号以使膜110振荡，以及
收集由压电材料层140响应于膜110的振荡而生成的电信号。
压电元件120包括压电元件开口165，该压电元件开口165露出下层膜110的对应部分166。在图1A和图1B中，压电元件开口165位于压电元件120的中心部分，以使对应部分166未被压电元件120覆盖的下层膜110的至少基本位于膜110的中心处。
在图1A和图1B中，膜110的中心部分166处包括一组通孔168，这些通孔从顶部表面132到底部表面134跨过膜110的整个厚度(沿着方向Z)。以这种方式，通过膜110在传感器衬底腔130与外部环境之间建立流体连通。例如，通孔168彼此靠近定位，以使膜110的中心部分166限定筛状结构。
根据备选方案(图中未图示)，不提供压电元件开口165，并且通孔168延伸通过压电元件120的(例如，中心)部分。在这种情况下，通孔168跨压电元件120的厚度和膜110的厚度延伸。
在图1B中，压电元件120与相邻通孔168之间的膜110的中心部分166的各部位覆盖有钝化层170，例如，包括未掺杂硅酸盐玻璃(USG)或氮化硅。
如以下所详细描述的，传感器100的膜110的通孔168被配置为：
当传感器衬底腔130内部的空气压力相对于传感器衬底腔130外的环境空气压力降低时，使微粒通过吸力粘附到膜110上(感测阶段)；
当传感器衬底腔130内部的空气压力相对于传感器衬底腔130外部的环境空气压力增加时，使微粒通过吹力吹离膜110(清洁阶段)。
以这种方式，在感测阶段期间，微粒有利地粘附在膜110上，从而允许改进微粒感测，并且在清洁阶段期间，位于膜110上的微粒有利地被吹走，从而允许改进对膜110的清洁。
通孔168的直径可以根据待感测微粒的大小适当设置；例如，通孔的直径可以设置为与待感测微粒的平均直径相对应。在备选方案中，通孔的直径可以被设置为与低于待感测微粒的平均直径的值相对应。例如，如果待感测微粒是颗粒物(PM)，则通孔168的直径可以有利地设置为1μm(用于感测PM2.5颗粒物)、2μm(用于感测PM5颗粒物)、或4μm(用于感测PM10颗粒物)。
如以下所详细描述的，传感器100的传感器衬底腔130内的空气压力由通过一个或多个泵向/从传感器衬底腔130馈送/抽取空气来控制，该泵被配置为：
在第一感测阶段期间，从传感器腔130抽取空气并且通过与通孔168不同的泵端口将其排出到外部环境中；
在清洁阶段期间，将来自外部环境的空气通过泵端口馈送到传感器腔130中。
在图1B中，顶部导电层160包括彼此电绝缘的第一顶板160(1)和第二顶板160(2)，并且可以例如借助于两个单独的专用电极垫P(1)、P(2)(图1A中可见)施加/接收独立电信号。
另外，在图1B中，底部导电层162包括彼此电绝缘的第一底板162(1)和第二底板162(2)，并且可以例如借助于两个单独的专用电极垫B(1)、B(2)(图1A中可见)施加/接收独立电信号。
第一顶板160(1)与第二顶板160(2)同心，其中第二顶板160(2)环绕第一顶板160(1)。同理，第一底板162(1)与第二底板162(2)同心，其中第二底板162(2)环绕第一底板162(1)。由于顶部导电层160和底部导电层162中的每个导电层包括彼此电绝缘并且可以独立驱动的两个同心板，有利地，可以在感测和清洁阶段期间选择性地修改膜110的形状(具体地，凹度)，以便有利于微粒粘附到膜110/从膜110移除微粒。
具体地：
在感测阶段期间，第二顶板160(2)和第二底板162(2)用作感测板，用于向/从压电材料层140施加/收集电信号，而第一顶板160(1)和第一底板162(1)被偏置以具有相互电压差ΔV，该相互电压差ΔV的值以使膜110具有向上指向的凹入形状，从而有利于微粒粘附到膜110；
在清洁阶段期间，第二顶板160(2)和第二底板162(2)被偏置以具有相互电压差ΔV，该相互电压差ΔV的值以使膜110具有向上指向的凹入形状，从而不利于微粒粘附到膜110。
在备选方案中，第一顶板160(1)可以用作感测板，而第二顶板160(2)可以被偏置以改变膜110的凹度。
根据图中未图示的另一实施例，为了使膜110的凹度发生改变，压电材料层140有利地包括压电材料的两个单独的独立部分。
在备选方案中，顶部导电层160可以是单个板，并且在感测和清洁阶段期间，膜110的凹度可以基本不变(在这种情况下，微粒粘附到膜110/从膜110去除微粒仅由传感器衬底腔130的空气压力引起的吸力/吹力引起)。
根据另一(未图示)实施例，顶部导电层160与底部导电层162之间仅包括两个电绝缘且可以独立驱动的同心底板，而另一由单个板制成(在这种情况下，由单个板制成的导电层被配置为用作用于向/从压电材料层140施加/收集电信号的感测板)。
在图1A和图1B中，为了减少微粒在清洁阶段期间保持粘在膜110上的可能性，非粘性涂层190在钝化层170上被提供。比如，非粘性涂层190包括疏水材料，诸如例如，FAS-17。
图2A和图2B图示了MEMS微粒感测设备200在感测阶段(图2A)和清洁阶段(图2B)期间的简化(即，为了简单起见，没有描绘其一些元件，诸如压电元件)截面视图。
图2A和图2B的MEMS感测设备200包括已经参考图1A和图1B所描述的传感器100和被配置为控制传感器100的传感器衬底腔130内部的空气压力的泵205。
泵205是MEMS泵设备。例如，泵205是无阀微型泵。在图2A和图2B中，泵205是包括泵膜210的压电无阀微型泵，该泵膜210与压电元件(图中未图示)机械耦合，该压电元件被配置为通过电信号致动，用于使泵膜210发生挠曲运动。泵膜210形成泵衬底腔230的顶壁。
在图2A和图2B中，泵衬底腔230通过第一管道240(1)与传感器100的传感器衬底腔130流体连通并且通过第二管道240(2)与外部环境流体连通。
在感测阶段(参见图2A)期间，控制泵205，以便通过第一管道240(1)从传感器衬底腔130抽取空气并且通过第二管道240(2)将所述空气排出到外部环境中。以这种方式，传感器衬底腔130内部的空气压力相对于传感器衬底腔130外部的环境空气压力降低。该降低的压力进而使被悬置在外部环境中的微粒(在图2A和图2B中以附图标记245标识)由通过膜110的通孔168的吸力吸引到膜110上。以这种方式，由所吸引的微粒245引起的质量增量可以通过传感器100以稳定方式进行高效评估，而无需专用粘性涂层。
在清洁阶段(参见图2B)期间，控制泵205，以便将通过第二管道240(2)来自外部环境的空气通过第一管道240(1)馈送到传感器衬底腔130中。以这种方式，传感器衬底腔130内部的空气压力相对于传感器衬底腔130外部的环境空气压力增加。该增加的压力进而使被附接在膜110上的微粒245由通过膜110的通孔168的吹力从膜110移除。以这种方式，可以从膜上有效去除微粒245，并且可以将传感器110重置为其原始条件，以允许有效进行后续感测阶段而无需被迫执行用于粘性涂层然后施加新粘性涂层的长期的复杂而繁琐的操作。
具体地，通过使泵膜210具有向下指向的凹形形状，在感测阶段期间，控制泵205，以便通过第一管道240(1)从传感器衬底腔130抽取空气并且来通过第二管道240(2)将空气排出到外部环境中。
在这种情况下，通过使泵膜210具有向上指向的凹形形状，在清洁阶段期间，控制泵205，以便将通过第二管道240(2)来自外部环境的空气通过第一管道240(1)馈送到传感器衬底腔130中。
如下文所讨论的，可以通过可变截面管道240(1)和240(2)获得空气在感测和清洁阶段期间的选择性方向。在备选方案中，可以设计其他解决方案来生成空气的期望流动方向。
图3A是具有可变截面管道240(1)和240(2)的MEMS感测设备200的顶视图。这里，几何形状有利于从传感器衬底腔130到外部环境的流动通道。
具体地，这里，第一管道240(1)和第二管道240(2)具有锥形形状，以这种方式使得在泵205的操作期间，从泵205到传感器100的空气流动低于从传感器100到泵205的空气流动，即，当泵205被启动时，净空气流动从传感器衬底腔130被引导到外部环境。具体地，在图3A中，第一管道240(1)具有通过从传感器衬底腔130移动到泵腔230而增加的截面面积(平行于平面XZ)，并且第二管道240(2)具有通过从泵腔230移动到泵205的外部而增加的截面面积(平行于平面XZ)。
图3B是根据本公开的另一实施例的利用附图标记200”标识的MEMS感测设备的顶视图。与MEMS感测设备200的元件相对应的MEMS感测设备200”的元件使用与先前图中使用的附图标记相同的附图标记来标识，并且为了简洁起见，省略它们的描述。在图3B中，提供了利用附图标记205(1)和205(2)标识的两个泵。泵205(1)通过管道240(1,1)与传感器100的传感器衬底腔130流体连通并且通过管道240(1,2)与外部环境流体连通。泵205(2)通过管道240(2,1)与传感器100的传感器衬底腔130流体连通并且通过管道240(2,2)与外部环境流体连通。
这里，管道240(1,1)和管道240(1,2)具有锥形形状，以这种方式使得在泵205(1)的操作期间，从泵205(1)到传感器100的空气流动低于从传感器100到泵205(1)的空气流动，即，当泵205(1)被启动时，净空气流动从传感器100被引导到外部环境。
更进一步地，管道240(2,1)和管道240(2,2)具有锥形形状，以这种方式使得在泵205(2)的操作期间，从泵205(2)到传感器100的空气流动高于从传感器100到泵205(2)的空气流动，即，当泵205(2)被启动时，净空气流动从外部环境被引导到传感器100。具体地，这里，管道240(1,1)具有通过从传感器100移动到泵205(1)而增加的截面面积(平行于平面XZ)，并且管道240(1,2)具有通过从泵205(1)移动到泵205的外部而增加的截面面积(平行于平面XZ)，同时管道240(2,1)具有通过从传感器100移动到泵205(2)而减小的截面面积(平行于平面XZ)，并且管道240(2,2)具有通过从泵205(2)移动到泵205(2)的外部而减小的截面面积(平行于平面XZ)。
因而，在感测阶段期间，泵205(1)被启动并且泵205(2)被停用，并且在清洁阶段期间，泵205(1)被停用并且泵205(2)被启动。
图3C是MEMS感测设备200”'的俯视图，该MEMS感测设备200”'是图3B所图示的MEMS感测设备200”的经修改版本。
在图3C中，泵205(1)被一对泵205(1)(a)、205(1)(b)替换，它们彼此并联流体连接并且被配置为反相操作，并且泵205(2)被一对泵205(2)(a)、205(2)(b)替换，它们彼此并联流体连接并且被配置为反相操作。以这种方式，通过以180°的相互相移在感测阶段期间启动泵205(1)(a)、205(1)(b)并且通过以180°相互相移在清洁阶段期间启动泵205(2)(a)、205(2)(b)，有利地减少了非期望脉动空气流动。
类似地，本MEMS感测设备可以包括一个或多个传感器与一个或多个(单个或成对)泵的组合，该一个或多个泵在感测和清洁阶段期间以适当方式连接和操作。
图4A至图4H图示了制造MEMS感测设备的过程的主要步骤。图4A至图4H所图示的制造过程可以用于制造包括单个传感器100和单个泵205的MEMS感测设备，作为图2A至图2B的MEMS感测设备200或图3A的MEMS感测设备205'。还可以直接采用同一制造过程来制造其他MEMS感测设备，诸如图3B和图3C所图示的MEMS感测设备。
通过参考图4A，传感器100和泵205从同一半导体衬底125(例如，硅)开始制造。
然后，在半导体衬底125中形成用于传感器100的传感器衬底腔130、用于泵205的泵腔230以及两个腔之间的管道240(1)(参见图2A至图2B)。
衬底腔130、泵腔230和管道240(1)可以基于(由同一申请人提交的)专利US 7,294,536和专利申请US 2008/261345中公开的方法制造。简而言之，使用具有蜂窝格子的光刻掩模。然后，利用所述掩模对硅衬底执行沟槽刻蚀以形成对应硅柱。在移除光刻掩膜后，在脱氧环境(例如，在高浓度氢气的气氛中，优选地，使用SiHCl3)执行外延生长，使得外延层在硅柱的顶部上生长，从而捕获存在于其中的气体(H2)。然后，进行退火步骤，使硅原子迁移，这些硅原子倾向于将自身布置在能量较低的位置中。因此，硅柱的硅原子完全迁移，从而形成传感器衬底腔130、泵腔230和管道240(1)。
半导体衬底125的直接位于传感器衬底腔130上方的部分形成膜110，并且半导体衬底125的直接位于泵腔230上方的部分形成泵膜210。
在图4C中，膜腔135在膜110与泵膜210中形成用于增加其弹性。可以使用专利US7,294,536和专利申请US 2008/261345中公开的上述方法形成膜腔135。然而，膜腔135是可选的。
在图4D中，例如，借助于低压化学气相沉积(使用原硅酸四乙酯作为前体的LPCVD)，在半导体衬底125的前操作表面127上沉积例如氧化物制成的电绝缘层136，并且在电绝缘层136上沉积堆叠402。堆叠402包括在两个导电层(例如，TiW层和/或铂层)之间的压电材料层，该压电材料层例如包括氮化铝或PZT。
在图4E中，对堆叠402进行图案化，以便形成：
压电元件120，与传感器衬底腔130对齐，从而获得层160、162、140(参见图1A)；
压电元件开口165(参见图1A)，以及
另一压电元件410，与泵腔230对齐，用于致动泵膜210。
还对压电元件120进行图案化，以从顶部导电层160获得第一顶板160(1)和第二顶板160(2)。在备选方案中，可以对压电元件120进行图案化，以使顶部导电层160由单个板制成(即，未形成第一顶板160(1)和第二顶板160(2))。另外，还对压电元件120进行图案化，以将底部导电层162分隔成两个板。
在图4F中，沉积钝化层170(例如，USG或氮化硅)。
在图4G中，通过执行选择性蚀刻操作在压电开口165处形成通孔168。
然后，非粘性涂层190(例如，疏水材料，诸如例如，FAS-17)被沉积在钝化层170上。
图5A至图5D图示了制造MEMS感测设备的另一过程的步骤。
在图5A中，传感器100和泵205从(例如，由硅制成的)同一半导体衬底125开始制造。
然后，如图5B所示，借助于蚀刻过程在半导体衬底125中形成凹部505。对凹部505进行图案化，以便与用于传感器100的传感器衬底腔130、用于泵205的泵腔230与两个腔之间的管道240(1)相对应(参见图2A至图2B)。
在图5C中，绝缘体上硅(SOI)衬底506包括有源层(也称为设备层512)、掩埋氧化物层(也称为盒层514)和支撑层(也称为处置层516)上下倒置(即，处理层516位于顶部上)并且结合到半导体衬底125以向上关闭凹部505。以这种方式，因此形成了用于传感器100的传感器衬底腔130、用于泵205的泵腔230和管道240(1)(参见图2A至图2B)。
在图5D中，例如，借助于机械抛光过程，移除处置层516，直至暴露盒层514，以便从设备层512限定膜110和泵膜210并且从盒层514限定电绝缘层136。
然后，制造过程以与已经参考图4D至图4H所描述的方式相同的方式进行。应当指出，根据本实施例，不形成膜腔135。
图6和图7示出了除压电元件120之外还具有阻抗测量结构301的MEMS感测设备300的一部分。具体地，阻抗测量结构301包括相互交叉的感测电极。
通常，MEMS感测设备300具有与感测设备200、200'、200”、200”'类似的整体结构；因此，相似部件由相同的附图标记表示并且不再进行描述。
压电元件120和阻抗测量结构301在半导体衬底125上延伸；压电元件120这里具有环形形状并且环绕阻抗测量结构301。具体地，顶部导电层160、底部导电层162和压电材料层140都是环形形状。
阻抗测量结构301包括第一阻抗测量电极302和第二测量电极303。在MEMS感测设备300中，阻抗测量电极302和303相互交叉并且呈环形。
阻抗测量电极302和303由导电材料制成。例如，阻抗测量电极302和303由金制成。
具体地，图6的第一阻抗测量电极302包括多个第一电极部分304，而第二阻抗测量电极303包括多个第二顶部电极部分305。第一电极部分304和第二电极部分305相互交叉并且彼此电隔离。
第一电极部分304为半环形，并且彼此电耦合并电耦合到第一连接部分310。
第二电极部分305也为半环形，并且彼此电耦合并电耦合到第二连接部分311。
压电元件120这里为环形并且由两个部分120-1和120-2形成，这两个部分可以电耦合以形成电单一顶部电极160和电单一底部电极162(图7)。第一连接部分310和第二连接部分311在压电元件120的部分120-1、120-2之间延伸并且与其绝缘。
电线307连接到阻抗测量结构301的第一连接部分310和第二连接部分311并且连接到压电元件120。
通孔168这里还跨膜110的整个厚度在第一电极部分304与第二电极部分305之间延伸，如图6的放大细节所示(为了简单起见，仅示出一个)。
图7还示出了通过钝化层170中的开口与顶部导电层160直接电接触的顶部电极接触部分320和与底部导电层162直接电接触的底部接触部分321；以及覆盖整个结构的另一钝化层322。
图6和图7的MEMS感测设备300以类似于MEMS感测设备200、200'、200”的方式操作，但还能够执行关于颗粒的性质的一些测量。
具体地，在感测阶段中，粘附在膜110上的微粒改变了MEMS感测设备300的阻抗，以使耦合到第一连接部分310和第二连接部分311并接收由阻抗测量结构301生成的电信号的处理器可以检测微粒的性质(金属/电介质性质)。
在清洁阶段中，MEMS感测设备300如上所讨论地操作。
图8示出了由附图标记350标识的不同的MEMS感测设备。
MEMS感测设备350还具有包括相互交叉的电极的阻抗测量结构301，但这里相互交叉的电极(这里也称为阻抗测量电极302和303)为梳状。
图8还示出了用于阻抗测量的电子处理器360。
MEMS感测设备350如上针对MEMS感测设备300所指示的操作。
图9示出了具有压电元件120和阻抗测量结构301的MEMS感测设备400的一部分。阻抗测量结构301包括相互交叉的感测电极。
这里，压电元件120为圆形或盘形并且在阻抗测量结构301下方延伸。特定地，压电元件120具有比阻抗测量结构301的直径更大的直径。
图6至图9的MEMS感测设备300、350和400可以使用不同掩模以与参考图4A至图4H或图5A至图5D所描述的方式相似的方式制造，以形成阻抗测量结构301。具体地，第一电极部分304和第二电极部分305由用于形成压电元件120的顶部接触部分320和底部接触部分321的同一层形成。
图10图示了包括MEMS感测设备200、200'、200”、200”'、300或400中的至少一个MEMS感测设备的电子系统600的框图。
电子系统600适用于电子设备，诸如例如，个人数字助理、计算机、平板和智能手机。
除了MEMS感测设备200、200'、200”、200”'之外，电子系统600可以包括控制器605，诸如例如，一个或多个微处理器和/或一个或多个微控制器；输入/输出设备610，诸如例如，键盘和/或触摸屏和/或视觉显示器，用于生成/接收消息/命令/数据和/或用于接收/发送数字和/或模拟信号；无线接口615，用于例如通过射频信号与无线通信网络(未示出)交换消息。无线接口615的示例可以包括天线和无线收发器；存储设备620，诸如例如，易失性存储设备和/或非易失性存储设备；供应设备625，例如，电池，用于向电子系统600供应电力；以及一个或多个通信通道(总线)，用于允许当MEMS感测设备200、200'、200”、200”'、300、400，控制器605和/或输入/输出设备610和/或无线接口615和/或存储设备620和/或电池625存在，在MEMS感测设备200、200'、200”、200”'、300、400与控制器605和/或输入/输出设备610和/或无线接口615和/或存储设备620和/或电池625之间进行数据交换。
最后，显而易见的是，可以对本文中所描述和说明的做出许多变化和修改，所有这些都落入所附权利要求所限定的本公开的范围内。
例如，可以组合上文所描述的各种实施例以提供其他实施例。
可以组合上文所描述的各种实施例以提供其他实施例。鉴于上述具体实施方式，可以对实施例做出这些和其他改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限于说明书和权利要求中所公开的特定实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求享有权利的全部范围的其等同物。因而，权利要求不受本公开的限制。

Claims (17)

1.一种MEMS感测设备，其特征在于，用于感测所述MEMS感测设备外部环境中的微粒，所述MEMS感测设备包括：
半导体本体，集成传感器和泵；
其中所述传感器包括传感器腔、被悬置在所述传感器腔上方的膜、以及压电元件，所述压电元件位于所述膜上方，并且被配置为当感测电信号在所述MEMS感测设备的第一操作阶段期间被施加到所述压电元件时，使所述膜围绕平衡位置并且以共振频率振荡，所述共振频率取决于位于所述膜上的微粒的数量；
其中所述膜包括多个通孔，所述多个通孔被配置为在所述传感器腔与所述环境之间建立流体连通；以及
其中所述泵与所述传感器相邻，通过在所述半导体本体中延伸的管道被连接到所述传感器，并且被配置为在所述第一操作阶段期间使所述传感器腔中的空气压力相对于所述环境的所述空气压力被降低，使得该微粒由通过所述多个通孔的吸力粘附到所述膜上。
2.根据权利要求1所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述泵被配置为在第二操作阶段期间使所述传感器腔中的空气压力相对于所述环境的所述空气压力被增加，使得该微粒由通过所述多个通孔的吹力被吹离所述膜。
3.根据权利要求1所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述压电元件包括压电层，所述压电层位于顶部导电层与底部导电层之间，所述顶部导电层和所述底部导电层的至少一部分形成用于接收所述感测电信号的电极。
4.根据权利要求3所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述多个通孔位于所述压电层的中心部分处。
5.根据权利要求3所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述压电元件包括压电元件开口，所述压电元件开口在所述膜的中心部分处，其中所述多个通孔位于所述膜的所述中心部分处。
6.根据权利要求5所述的MEMS感测设备，其特征在于，还包括非粘性涂层，所述非粘性涂层覆盖所述压电元件和所述膜的所述中心部分。
7.根据权利要求6所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述非粘性涂层包括疏水涂层。
8.根据权利要求5所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述顶部导电层包括第一顶板和第二顶板，所述第一顶板环绕所述膜的所述中心部分，所述第二顶板环绕所述第一顶板，所述第一顶板和所述第二顶板彼此电绝缘，并且所述底部导电层包括第一底板和第二底板，所述第一底板环绕所述膜的所述中心部分，所述第二底板环绕所述第一底板，所述第一底板和所述第二底板彼此电绝缘，
其中所述第二顶板和所述第二底板被配置为在所述第一操作阶段期间接收所述感测电信号，
其中所述第一顶板和所述第一底板被配置为在所述第一操作阶段期间被偏置，使得跨所述第一顶板和所述第一底板产生电压差，所述电压差的值使所述膜具有向上凹入形状，以及
其中所述第二顶板和所述第二底板被配置为在第二操作阶段期间被偏置，使得跨所述第二顶板和所述第二底板产生电压差，所述电压差的值使所述膜具有向下凹入形状。
9.根据权利要求1所述的MEMS感测设备，其特征在于，还包括所述膜上和所述传感器腔之上的阻抗测量结构。
10.根据权利要求9所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述阻抗测量结构包括多个第一电极部分和多个第二电极部分，所述多个第一电极部分与所述多个第二电极部分电隔离并相互交叉。
11.根据权利要求9所述的MEMS感测设备，其特征在于，所述阻抗测量结构由所述压电元件环绕或者被布置在所述压电元件的中心部分上。
12.一种电子系统，其特征在于，包括多个MEMS感测设备，每个MEMS感测设备包括：
半导体衬底，集成传感器和泵；
所述传感器包括传感器腔、被悬置在所述传感器腔上方的膜、以及压电元件，所述压电元件位于所述膜上方，并且被配置为当感测电信号在所述MEMS感测设备的第一操作阶段期间被施加到所述压电元件时，使所述膜以共振频率围绕平衡位置振荡，所述共振频率取决于位于所述膜上的微粒的数量；
所述膜包括多个通孔，所述多个通孔使所述传感器腔与环境以流体连通；以及
其中所述泵被配置为在所述第一操作阶段期间使所述传感器腔中的空气压力相对于所述环境的所述空气压力被降低，使得微粒由通过所述通孔集合的吸力粘附到所述膜上。
13.根据权利要求12所述的电子系统，其特征在于，每个MEMS感测设备的所述泵被配置为在第二操作阶段期间使所述相应传感器腔中的空气压力相对于所述环境的所述空气压力被增加，使得微粒由通过所述相应多个通孔的吹力被吹离所述相应膜。
14.根据权利要求12所述的电子系统，其特征在于，所述相应多个通孔位于所述相应膜的中心部分处。
15.根据权利要求14所述的电子系统，其特征在于，还包括非粘性涂层，所述非粘性涂层覆盖所述压电元件和所述膜的所述中心部分。
16.根据权利要求12所述的电子系统，其特征在于，所述多个MEMS感测设备中的至少一个MEMS感测设备包括半导体衬底，所述半导体衬底集成多个泵，所述多个泵中的每个泵与所述传感器腔流体连通。
17.根据权利要求16所述的电子系统，其特征在于，所述多个泵是两个或四个泵。
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