DE102014109908A1

DE102014109908A1 - MEMS-Vorrichtungen, Schnittstellenschaltungen und Verfahren zu deren Herstellen

Info

Publication number: DE102014109908A1
Application number: DE102014109908.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Barzen; Marc Fueldner; Christian Jenkner; Andreas Wiesbauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2015-01-22
Also published as: CN104301839B; CN104301839A

Abstract

ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung mit mikroelektromechanischem System (MEMS) eine erste Platte auf, eine zweite Platte, die oberhalb der ersten Platte angeordnet ist, und eine erste bewegliche Platte, die zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte angeordnet ist. Die MEMS-Vorrichtung weist ferner eine zweite bewegliche Platte auf, die zwischen der ersten beweglichen Platte und der zweiten Platte angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung beansprucht Priorität gegenüber der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/847 874 , eingereicht am 18. Juli 2013, die hier durch Verweis aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen mit mikroelektromechanischem System und insbesondere MEMS-Vorrichtungen, Schnittstellenschaltungen und Verfahren zu deren Herstellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), die auf Sensoren basieren, wie zum Beispiel Mikrofone, sammeln Informationen aus der Umgebung durch Messen physikalischer Erscheinungen. Die Elektronik verarbeitet dann die Signalinformationen, die von den Sensoren abgeleitet werden, trotz der Gegenwart von Lärm und Störeffekten. Vorteilhafterweise können MEMS-Vorrichtungen durch Fertigungstechniken in Losen ähnlich wie diejenigen, die für Integrierte Schaltkreise verwendet werden, hergestellt werden. Die Funktionalität, Zuverlässigkeit und Ausgereiftheit können daher auf einem kleinen Silikonchip mit relativ niedrigen Kosten integriert werden.
MEMS-Vorrichtungen können als Oszillatoren, Resonatoren, Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Drucksensoren, Mikrofone, Mikrospiegel und andere ausgebildet werden. MEMS-Vorrichtungen verwenden typischerweise kapazitive Erfassungstechniken zum Messen der physikalischen Erscheinung, die gemessen wird. Bei allen diesen Anwendungen wird die Kapazitanzänderung des kapazitiven Sensors in eine verwendbare Spannung durch Verwendung von Schnittstellenschaltungen umgewandelt. Schnittstellenschaltungen können jedoch aufgrund der Miniaturisierung der Sensoren bei Gegenwart von Störeffekten und reduzierter Erfassungskapazitanz zur Herausforderung werden.
Einige der Hauptmerkmale einer MEMS-Vorrichtung umfassen Empfindlichkeit, Bandbreite, Linearität, Dynamikbereich, minimales feststellbares Signal, Stabilität, Größe und Kosten. Die Empfindlichkeit einer MEMS-Vorrichtung ist die Änderung der Ausgangsspanne für eine abgeleitete Änderung der Kapazitanz an dem kapazitiven Sensor einer eingegebenen physikalischen Erscheinung (zum Beispiel zeitlich veränderlicher Druck). Die Bandbreite ist der Bereich von Frequenzen, über welche der Sensor verwendet werden kann.
Eine andere wichtige Messgröße eines kapazitiven Mikrofons ist jedoch die Linearität. Die Linearität des Sensors ist eine Messung davon, wie nahe die Ausgangskalibrierungskurve im Vergleich zur Eingangskalibrierungskurve bei einer gegebenen Frequenz einer geraden Linie kommt. Das Gefälle zwischen dem Eingangsdruck und der Ausgangsspannung stellt die Empfindlichkeit des Messgrößenumformers bei dieser Frequenz bereit. Bei hohen Eingangsamplituden weicht der Ausgang des Messgrößenumformers von einer idealen geraden Linie ab. Die niedrigeren und höheren Enden des linearen Bereichs werden sowohl von der Sensorschnittstellenschaltung als auch vom Sensor bestimmt. Das untere Ende ist durch Systemrauschen, wie zum Beispiel Wärmerauschen, 1/f-Rauschen und mechanische Geräusche beschränkt. Das höhere Ende des linearen Bereichs wird durch strukturelle Nicht-Linearitäten bestimmt, wie zum Beispiel durch das Versteifen einer Feder oder durch Nicht-Linearitäten der Schaltung, wie zum Beispiel Übersteuerung.
Der Dynamikbereich eines kapazitiven Messgrößenumformers wird als das Verhältnis des maximalen und minimalen Eingangssignals des linearen Bereichs definiert. Die Abweichung des Ausgangs von der idealen linearen Kurve verursacht Verzerrung in der Mikrofonausgabe. Wenn das System mit einer einzigen Frequenz erregt wird, kann die Verzerrung als die minimale Eingangsamplitude berechnet werden, die verursacht, dass der Ausgang von der Linearität um einen fixen Prozentsatz abweicht.
Eine der Herausforderungen betrifft daher die Herstellung von MEMS-Vorrichtungen und Schaltungen mit besserer Funktionalität und Zuverlässigkeit ohne Erhöhung der Kosten.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es besteht eine Nachfrage an Bereitstellung eines verbesserten Konzepts für eine Vorrichtung mit mikroelektromechanischem System (MEMS) und eine Sensorschaltung. Eine derartige Nachfrage kann durch den Gegenstand der Ansprüche gedeckt werden. Einige Ausführungsformen betreffen eine Vorrichtung mit mikroelektromechanischem System (MEMS), die eine erste Platte aufweist, eine zweite Platte, die oberhalb der ersten Platte angeordnet ist, eine erste bewegliche Platte, die zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte angeordnet ist, und eine zweite bewegliche Platte, die zwischen der ersten beweglichen Platte und der zweiten Platte angeordnet ist.
Optional ist die erste bewegliche Platte starr mit der zweiten beweglichen Platte gekoppelt.
Die erste bewegliche Platte ist optional ferner ausgelegt, um vom kapazitiven Koppeln mit der zweiten beweglichen Platte abgeschirmt zu sein.
Optional weist die Vorrichtung ferner einen Bodenhohlraum auf, der unter der ersten Platte angeordnet ist, einen zweiten Hohlraum, der zwischen der ersten Platte und der ersten beweglichen Platte angeordnet ist, und einen zweiten Hohlraum, der zwischen der zweiten Platte und der zweiten beweglichen Platte angeordnet ist.
Optional ist die erste bewegliche Platte ausgelegt, um mit einem Potenzialknoten mit anderem Potenzial als die zweite bewegliche Platte gekoppelt zu werden.
Ferner ist die erste bewegliche Platte optional ausgelegt, um mit einer Spannungsquelle durch ein erstes Filter gekoppelt zu werden, wobei die zweite bewegliche Platte ausgelegt ist, um mit der Spannungsquelle durch ein zweites Filter gekoppelt zu werden.
Optional weisen das erste Filter und das zweite Filter unterschiedliche RC-Filter auf.
Ferner ist die erste Platte eine erste stationäre Platte und die zweite Platte ist eine zweite stationäre Platte.
Optional ist die erste stationäre Platte ausgelegt, um mit einer Spannungsquelle durch ein erstes Filter gekoppelt zu werden, und die zweite stationäre Platte ist ausgelegt, um mit der Spannungsquelle durch ein zweites Filter gekoppelt zu werden.
Optional weist die Vorrichtung ferner eine dritte bewegliche Platte und eine vierte bewegliche Platte und eine dritte stationäre Platte und eine vierte stationäre Platte auf, wobei die dritte bewegliche Platte kapazitiv mit der dritten stationären Platte gekoppelt ist, wobei die vierte bewegliche Platte kapazitiv mit der vierten beweglichen Platte gekoppelt ist.
Die erste bewegliche Platte ist ferner optional ausgelegt, um mit einer ersten Spannungsquelle durch ein erstes Filter gekoppelt zu werden, die zweite bewegliche Platte ist ausgelegt, um mit der ersten Spannungsquelle durch ein zweites Filter gekoppelt zu werden, die dritte bewegliche Platte ist ausgelegt, um mit einer zweiten Spannungsquelle durch ein drittes Filter gekoppelt zu werden, und die vierte beweglichen Platte ist ausgelegt, um mit der zweiten Spannungsquelle durch eine viertes Filter gekoppelt zu werden.
Optional weisen das erste und das zweite Filter unterschiedliche RC-Filter auf, und das dritte Filter und das vierte Filter weisen unterschiedliche RC-Filter auf.
Einige Ausführungsformen betreffen eine Sensorschaltung, die eine erste Filterschaltung aufweist, die zwischen einer Spannungsquelle und einem ersten Eingangsvorspannknoten gekoppelt ist, der ausgelegt ist, um mit einer ersten Platte eines ersten Typs eines kapazitiven Sensors gekoppelt zu werden, und eine zweite Filterschaltung, die zwischen der Spannungsquelle und einem zweiten Eingangsvorspannknoten gekoppelt ist, der ausgelegt ist, um mit einer zweiten Platte des ersten Typs von kapazitivem Sensors gekoppelt zu werden, wobei der kapazitive Sensor die erste Platte des ersten Typs, die kapazitiv mit einer ersten Platte eines zweiten Typs gekoppelt ist, aufweist, und wobei die zweite Platte des ersten Typs kapazitiv mit einer zweiten Platte des zweiten Typs gekoppelt ist.
Optional weist die erste Filterschaltung einen ersten Widerstand auf, der zwischen der Spannungsquelle und dem ersten Eingangsvorspannknoten gekoppelt ist, und einen ersten Kondensator, der zwischen einem stationären Potenzial und dem ersten Eingangsvorspannknoten gekoppelt ist, und die zweite Filterschaltung weist einen zweiten Widerstand auf, der zwischen der Spannungsquelle und dem zweiten Eingangsvorspannknoten gekoppelt ist, und einen zweiten Kondensator, der zwischen dem stationären Potenzial und dem zweiten Eingangsvorspannknoten gekoppelt ist.
Ferner weist der erste Widerstand optional eine Diode oder einen Metall/Isolator/Halbleitertransistor auf, wobei der erste Kondensator einen Metall/Isolator/Halbleiterkondensator aufweist.
Optional ist die erste Platte des ersten Typs starr mit der zweiten Platte des ersten Typs gekoppelt.
Ferner weist der kapazitive Sensor ein Mikrofon mit mikroelektromechanischem System (MEMS) auf.
Optional ist die erste Platte des ersten Typs eine erste bewegliche Platte, die zweite Platte des ersten Typs ist eine zweite bewegliche Platte, die erste Platte des zweiten Typs ist eine erste stationäre Platte und die zweite Platte des zweiten Typs ist eine zweite stationäre Platte.
Ferner weist die Schaltung optional ferner einen ersten Verstärker auf, der einen Eingangsknoten aufweist, der mit einem ersten Ausgangsvorspannknoten gekoppelt ist, um mit der ersten stationären Platte des kapazitiven Sensors gekoppelt zu werden, und einen zweiten Verstärker, der einen Eingangsknoten aufweist, der mit einem zweiten Ausgangsvorspannknoten gekoppelt ist, der ausgelegt ist, um mit der zweiten stationären Platte des kapazitiven Sensors gekoppelt zu werden.
Optional weist die Schaltung ferner einen ersten Feedback-Kondensator auf, der zwischen dem ersten Eingangsvorspannknoten und einem Ausgangsknoten des ersten Verstärkers gekoppelt ist, und einen zweiten Feedback-Kondensator, der zwischen dem zweiten Eingangsvorspannknoten und einem Ausgangsknoten des zweiten Verstärkers gekoppelt ist.
Optional weist die Schaltung ferner einen ersten Feedback-Kondensator auf, der zwischen dem zweiten Eingangsvorspannknoten und einem Ausgangsknoten des ersten Verstärkers gekoppelt ist, und einen zweiten Feedback-Kondensator, der zwischen dem ersten Eingangsvorspannknoten und einem Ausgangsknoten des zweiten Verstärkers gekoppelt ist.
Ferner ist optional die erste Platte des ersten Typs eine erste stationäre Platte, die zweite Platte des ersten Typs ist eine zweite stationäre Platte, die erste Platte des zweiten Typs ist eine erste bewegliche Platte, die zweite Platte des zweiten Typs ist eine zweite bewegliche Platte.
Optional weist die Schaltung ferner einen ersten Verstärker auf, der einen Eingangsknoten aufweist, der mit einem ersten Ausgangsvorspannknoten gekoppelt ist, der ausgelegt ist, um mit der ersten beweglichen Platte des kapazitiven Sensors gekoppelt zu werden, und einen zweiten Verstärker, der einen Eingangsknoten aufweist, der mit einem zweiten Ausgangsvorspannknoten gekoppelt ist, der ausgelegt ist, um mit der zweiten beweglichen Platte des kapazitiven Sensors gekoppelt zu werden.
Optional weist die Schaltung ferner einen ersten Feedback-Kondensator auf, der zwischen dem Eingangsknoten des ersten Verstärkers und einem Ausgangsknoten des ersten Verstärkers gekoppelt ist, und einen zweiten Feedback-Kondensator, der zwischen dem Eingangsknoten des zweiten Verstärkers und einem Ausgangsknoten des zweiten Verstärkers gekoppelt ist.
Optional weist die Schaltung ferner einen ersten Feedback-Kondensator auf, der zwischen dem Eingangsknoten des zweiten Verstärkers und einem Ausgangsknoten des ersten Verstärkers gekoppelt ist, und einen zweiten Feedbackkondensator, der zwischen dem Eingangsknoten des ersten Verstärkers und einem Ausgangsknoten des zweiten Verstärkers gekoppelt ist.
Einige Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zum Ausbilden einer Vorrichtung mit mikroelektromechanischem System (MEMS), wobei das Verfahren die Schritte des Ausbildens einer ersten Platte in dem Substrat oder oberhalb eines Substrats aufweist, das Ausbilden einer zweiten Platte oberhalb der ersten Platte, das Ausbilden einer ersten beweglichen Platte zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte, und das Ausbilden einer zweiten beweglichen Platte zwischen der ersten beweglichen Platte und der zweiten Platte.
Optional sind die erste bewegliche Platte und die zweite bewegliche Platte als Teil ein und derselben beweglichen Masse ausgebildet, und die erste bewegliche Platte ist ausgelegt, um von kapazitivem Koppeln mit der zweiten beweglichen Platte abgeschirmt zu werden.
Optional weist das Verfahren ferner das Ausbilden eines Bodenhohlraums in dem Substrat unterhalb der ersten Platte auf, das Ausbilden eines ersten Hohlraums zwischen der ersten Platte und der zweiten beweglichen Platte, und das Ausbilden eines zweiten Hohlraums zwischen der zweiten Platte und der zweiten beweglichen Platte.
Dieses sowie andere Probleme werden durch veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung allgemein gelöst oder umgangen, und technische Vorteile werden allgemein erzielt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung mit mikroelektromechanischem System (MEMS) eine erste Platte auf, eine zweite Platte, die oberhalb der ersten Platte angeordnet ist, und eine erste bewegliche Platte, die zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte angeordnet ist. Die MEMS-Vorrichtung weist ferner eine zweite bewegliche Platte auf, die zwischen der ersten beweglichen Platte und der zweiten Platte angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, weist eine Sensorschaltung eine erste Filterschaltung auf, die zwischen einer Spannungsquelle und einem ersten Eingangsvorspannknoten gekoppelt ist, der ausgelegt ist, um mit einer ersten Platte eines ersten Typs eines kapazitiven Sensors gekoppelt zu werden. Die Sensorschaltung weist ferner eine zweite Filterschaltung auf, die zwischen der Spannungsquelle und einem zweiten Eingangsvorspannknoten gekoppelt ist, die ausgelegt ist, um mit einer zweiten Platte des ersten Typs des kapazitiven Sensors gekoppelt zu werden. Der kapazitive Sensor weist die erste Platte des ersten Typs auf, die kapazitiv mit einer ersten Platte eines zweiten Typs gekoppelt ist, und die zweite Platte des ersten Typs, die kapazitiv mit einer zweiten Platte des zweiten Typs gekoppelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren das Ausbilden einer Vorrichtung mit mikroelektromechanischem System (MEMS) das Ausbilden einer ersten Platte in einem Substrat oder oberhalb eines Substrats und das Ausbilden einer zweiten Platte oberhalb der ersten Platte auf. Eine erste bewegliche Platte ist zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte ausgebildet. Eine zweite bewegliche Platte ist zwischen der ersten beweglichen Platte und der zweiten Platte ausgebildet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Sinne eines vollständigen Verständnisses der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile, wird nun auf die folgenden Beschreibungen Bezug genommen, die verbunden mit der begleitenden Zeichnung genommen werden, in welcher:
eine herkömmliche MEMS-Sensorschaltung in 1 veranschaulicht ist,
2 eine MEMS-Vorrichtung und eine Frontend-Schaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
3 eine MEMS-Vorrichtung mit positivem Feedback gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
4 ein Blockschaltbild einer MEMS-Vorrichtung mit negativem Feedback gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
5, die die 5A und 5B aufweist, eine alternative Umsetzung einer MEMS-Vorrichtung veranschaulicht, bei dem Vorspannung an die stationären Platten angelegt wird, während die beweglichen Platten die Erfassungsplatten bilden,
6, die die 6A und 6B aufweist, eine MEMS-Schaltung veranschaulicht, die ein kapazitives positives Feedback gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung aufweist,
7, die die 7A und 7B aufweist, eine MEMS-Schaltung veranschaulicht, die ein kapazitives negatives Feedback gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung aufweist,
8, die die 8A und 8B aufweist, eine MEMS-Schaltung veranschaulicht, die mehr als zwei bewegliche Membranen, die unabhängig gekoppelt sind, gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist,
9 eine Querschnittansicht einer MEMS-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
10, die die 10A und 10B aufweist, eine Draufsicht der ersten beweglichen Platte und der zweiten beweglichen Platte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
11 eine Querschnittansicht einer alternativen MEMS-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und
12, die die 12A–12E aufweist, eine MEMS-Vorrichtung während unterschiedlicher Herstellungsstadien gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
Entsprechende Bezugszeichen und Symbole in den verschiedenen Figuren verweisen, außer wenn anders angegeben, allgemein auf entsprechende Teile. Die Figuren sind gezeichnet, um die relevanten Aspekte der Ausführungsformen klar zu veranschaulichen und sind nicht unbedingt maßstabgerecht gezeichnet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Herstellung und der Gebrauch verschiedener Ausführungsformen werden unten besprochen. Es ist jedoch klar, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte bereitstellt, die in einer großen Vielfalt spezifischer Kontexte umgesetzt werden können. Die besprochenen spezifischen Ausführungsformen veranschaulichen nur spezifische Arten der Herstellung und des Gebrauchs der Erfindung und schränken den Geltungsbereich der Erfindung nicht ein.
Eine herkömmliche MEMS-Sensorschaltung in 1 veranschaulicht ist. Die MEMS-Vorrichtung 100, die in 1 veranschaulicht ist, ist eine Vorrichtung mit doppelter Rückplatte, die zwei stationäre Rückplatten aufweist: eine erste stationäre Platte 101 und eine zweite stationäre Platte 105. Eine bewegliche Platte 102 ist zwischen der ersten und der zweiten stationären Platte 101 und 105 angeordnet. Der Ausgang von der MEMS-Vorrichtung 100 wird in die erste und die zweite Verstärkungsstufe 60 und 70 eingegeben. Ein Filter kann zwischen die Spannungsquelle und den MEMS-Sensor eingeführt werden.
Eine MEMS-Vorrichtung mit doppelter Rückplatte weist daher zwei Kondensatoren auf, die sich aufgrund eines einfallenden Drucks in entgegengesetzte Richtungen ändern.
Um die MEMS-Produktionstoleranzen zu handhaben und unterschiedliche Ausgangsempfindlichkeitsspezifikationen zu unterstützen, muss die Sensorschaltung die Fähigkeit bereitstellen, andere Verstärkungen als eins anzupassen. Eine Art zum Anpassen der Verstärkung besteht in der Bereitstellung zusätzlicher Verstärkungsstufen oder in der Verwendung von anderen Verstärkern als Sourcefolgern. Solche Techniken steigern jedoch das Rauschen des Verstärkers und können auch in höherem Stromverbrauch resultieren. Das Umkehren von Verstärkern würde zusätzlich die Linearität des Systems verringern.
Eine andere Art zum Anpassen der Verstärkung besteht im Anpassen der Vorspannung der Spannungsquelle oder des Potenzials an der Membran. Dieses Verfahren kann jedoch nur zum Verringern des Signals, das von der MEMS-Vorrichtung geliefert wird (unter optimalen Vorspannbedingungen) verringert werden, was folglich in einem weniger als optimalen Störabstand (SNR) des Systems resultiert. Zusätzlich wirkt die Vorspannung auf beide Signalwege auf dieselbe Art ein (derselbe Verstärkungsfaktor). Das Einstellen der Vorspannung stellt daher keine Lösung bereit, um unterschiedliche Verstärkungen an jeden der zwei Signalwege anzulegen, um zum Beispiel ein Differenzsignal zu optimieren oder zwei unterschiedliche Kanäle herzustellen.
Ausführungsformen der Erfindung verbessern die Verstärkung ohne Kompromittieren der Linearität (oder umgekehrt) der MEMS-Vorrichtung durch Verwendung mindestens eines doppelten Membrankonzepts. Bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwirklicht die MEMS-Vorrichtung ein Gleichgewicht zwischen Leistung, Leistungsfähigkeit und Kosten.
2 veranschaulicht eine MEMS-Vorrichtung und eine Frontend-Schaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung setzen eine MEMS-Vorrichtung mit doppelter Rückplatte und doppelter Membran um, um die Linearität und die Verstärkung signifikant zu verbessern. Unter Bezugnahme auf 2 weist eine MEMS-Vorrichtung 200 eine erste stationäre Platte 101, eine zweite stationäre Platte 105, eine erste bewegliche Platte 102 und eine zweite bewegliche Platte 103 auf. Bei einer Ausführungsform wird eine lineare Ausleseschaltung verwendet. Wie veranschaulicht, sind die erste bewegliche Platte 102 und die zweite bewegliche Platte 103 mit einer Spannungsquelle mit niedriger Impedanz gekoppelt, während die erste stationäre Platte 101 und die zweite stationäre Platte 105 mit hoher Impedanz erfasst werden. Die MEMS-Vorrichtung 200 wird im konstanten Lastmodus betrieben, und die Ausgangsspannung an dem ersten und dem zweiten Ausgang ist proportional zu der Membranbewegung, das heißt jeweils Bewegung der ersten beweglichen Platte 102 und der zweiten beweglichen Platte 103.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben passive Feedback-Techniken, zum Beispiel um den Sourcefolger und das Hochspannungs-Vorspannfilter, und wenden diese an. Zum Umsetzen einer solchen Technik weist die MEMS-Vorrichtung 200 zwei getrennte elektrisch isolierte Teile auf: die erste bewegliche Platte 102 und die zweite bewegliche Platte 103. Während die erste bewegliche Platte 102 und die zweite bewegliche Platte 103 elektrisch voneinander isoliert sind (nicht direkt oder kapazitiv gekoppelt sind), sind sie mechanisch verbunden, so dass, wenn sich die erste bewegliche Platte 102 zu der ersten stationären Platte 101 bewegt, die zweite bewegliche Platte 103 sich von der zweiten stationären Platte 105 wegbewegt. Mit anderen Worten, ist die erste bewegliche Platte 102 starr mit der zweiten beweglichen Platte 103 gekoppelt. Bei verschiedenen Ausführungsformen weist die MEMS-Vorrichtung 200 daher vier funktional relevante Klemmen auf.
Die erste stationäre Platte 101 und die zweite stationäre Platte 105 erfassen die Bewegung der ersten beweglichen Platte 102 und der zweiten beweglichen Platte 103 jeweils als eine entsprechende Laständerung, die in die erste und die zweite Verstärkungsstufe 60 und 70, die einen Verstärkungsfaktor eins haben, eingegeben wird.
Das Filter des Hochspannungs-Vorspannzweigs weist zwei Teile auf, eine erste Filterschaltung 11 und eine zweite Filterschaltung 111. Bei einer oder bei mehreren Ausführungsformen können die erste Filterschaltung 11 und die zweite Filterschaltung 111 unterschiedliche Tiefpassfilter aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann die erste Filterschaltung 11 einen ersten Widerstand 10 mit einem ersten kapazitiven Filter 20 aufweisen, und die zweite Filterschaltung 111 kann einen zweiten Widerstand 110 und ein zweites kapazitives Filter 120 aufweisen. Insbesondere kann aufgrund der zwei getrennten Wege die Reaktion an der ersten stationären Platte 101 und der zweiten stationären Platte 105 unabhängig angepasst werden. Die Verstärkungen beider Wege können auf ähnliche Pegel eingestellt werden. Vorteilhafterweise erfordert diese Ausführungsform minimalen Leistungsverbrauch.
Bei verschiedenen Ausführungsformen können der erste Widerstand 10 und der zweite Widerstand 110 aus linearen Dioden, nicht linearen Dioden und/oder Metall/Isolator/Halbleitertransistoren (die umgekehrt arbeiten) ausgebildet sein. Ähnlich können das erste kapazitive Filter 20 und das zweite kapazitive Filter 120 Metall/Isolator/Halbleiterkondensatoren aufweisen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Werte des ersten Widerstands 10, des ersten kapazitiven Filters 20, des zweiten Widerstands 110 und des zweiten kapazitiven Filters 120 programmierbar sein. Sie können zum Beispiel während des anfänglichen werkseitigen Testens nach der Herstellung programmiert werden. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Feedbackschleife als Teil eines ASIC-Chips umgesetzt werden, während die MEMS-Vorrichtung 200 in einem MEMS-Wafer umgesetzt sein kann. Bei anderen Ausführungsformen können einige der Bauteile der Feedbackschleife innerhalb des MEMS-Wafer umgesetzt sein.
Die Erfassungsschaltung 35 kann mit einer Sourcefolger-Schaltung umgesetzt werden, die eine erste Verstärkungsstufe 60 und eine zweite Verstärkungsstufe 70 aufgrund ihrer höheren Rauschleistung im Vergleich zu den Erfassungsschaltungen mit höherer Impedanz aufweist. Sowohl die erste Verstärkungsstufe 60 als auch die zweite Verstärkungsstufe 70 können keine Verstärkung aufweisen, das heißt eine Verstärkung gleich eins. Ein Nachteil der Sourcefolger-Schaltung besteht darin, dass sie keine programmierbare Verstärkung bereitstellen kann, die Verstärkung vorteilhafterweise (idealerweise) jedoch eins ist, was streng gesteuert werden kann.
3 veranschaulicht ein differenzielles Mikrofon mit positivem Feedback gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 veranschaulicht das Verbessern der Verstärkung durch eine positive Feedbackschleife gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird ein positives Feedback von dem Ausgang der Verstärkungsstufe zu der beweglichen Platte angelegt, zum Beispiel eine erste Feedbackschleife zwischen dem Ausgang der ersten Verstärkungsstufe 60 und der ersten beweglichen Platte 102, und eine zweite Feedbackschleife zwischen dem Ausgang der zweiten Verstärkungsstufe 70 und der zweiten beweglichen Platte 103. Insbesondere kann aufgrund der zwei getrennten Feedbackschleifen die entsprechende Reaktion an der ersten stationären Platte 101 und der zweiten stationären Platte 105 unabhängig angepasst werden. Ferner wird durch Anlegen positiven Feedbacks von dem Ausgang an den Filtervorspannknoten das verfügbare Ausgangssignal sogar geboostet, obwohl die erste und die zweite Verstärkungsstufe 60 um 70 einen Verstärkungsfaktor von eins haben.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird die Verstärkungsverbesserung durch Verwendung positiven Feedbacks ohne aktive Schaltungen und ohne signifikantes Rauschen und Beeinträchtigung der Leistung verwirklicht. Bei dieser Ausführungsform ist die Verstärkung an der ersten Verstärkungsstufe 60 (A60) in etwa wie folgt gegeben (wenn davon ausgegangen wird, dass die Kapazitanz des kapazitiven Filters viel größer ist als die variable Kapazitanz zwischen den Platten der MEMS-Vorrichtung 200): A60 = 1 + C130/C120, wobei C130 die Kapazitanz des ersten Kondensators 130 ist und C120 die Kapazitanz des ersten kapazitiven Filters 120 ist. Ähnlich ist die Verstärkung an der zweiten Verstärkungsstufe 70 (A70) in etwa wie folgt gegeben: A70 = 1 + C140/C20, wobei C140 die Kapazitanz des zweiten Kondensators 140 ist und C20 die Kapazitanz des zweiten kapazitiven Filters 20 ist. Bei einigen Ausführungsformen können die Kapazitanz des ersten Kondensators 130 und die Kapazitanz des zweiten Kondensators 140 in etwa gleich sein. Ähnlich kann die Kapazitanz des ersten kapazitiven Filters 120 gleich sein wie die Kapazitanz des zweiten kapazitiven Filters 20.
4 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines MEMS-Sensors mit negativem Feedback gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 4, ist bei dieser Ausführungsform der Ausgang der Verstärkungsstufen mit dem entgegengesetzten beweglichen Plattenknoten der MEMS-Vorrichtung 200 gekoppelt. Anders als die vorhergehende Ausführungsform, bei der die Verstärkung mit positivem Feedback erhöht wurde, setzt diese Ausführungsform eine Dämpfung unter Verwendung negativen Feedback um. Wie in 4 veranschaulicht, ist der zweite Kondensator 140 mit der ersten beweglichen Platte 102 gekoppelt, während der erste Kondensator 130 mit der zweiten beweglichen Platte 103 gekoppelt ist.
Bei dieser Ausführungsform ist die Verstärkung an der ersten Verstärkungsstufe 60 (A60) in etwa wie folgt gegeben (wenn davon ausgegangen wird, dass die Kapazitanz des kapazitiven Filters viel größer ist als die variable Kapazitanz zwischen den Platten der MEMS-Vorrichtung 200): A60 = 1 – C130/C20, und die Verstärkung an der zweiten Verstärkungsstufe 70 (A70) ist in etwa wie folgt gegeben: A70 = 1 – C140/C120. Diese Ausführungsform resultiert daher in negativer Verstärkung.
Bei verschiedenen Ausführungsformen wird die Struktur der MEMS-Vorrichtung 200 von einer einzelnen beweglichen Membran auf mindestens zwei beweglichen Membranen, die elektrisch voneinander isoliert aber unabhängig vorgespannt sind, geändert, so dass die beweglichen Membranen mit passiven Feedback-Strukturen verwendet werden können und die differenzielle Topologie die Verstärkungs- und Dämpfungsanpassung mit kapazitivem Feedback erlaubt.
Die 5 bis 7 veranschaulichen eine alternative Umsetzung der in den 2 bis 4 beschriebenen Schaltungen.
5A veranschaulicht eine alternative Umsetzung einer MEMS-Vorrichtung 200, bei der Vorspannung an die stationären Platten angelegt wird, während die beweglichen Platten erfasst und mit Verstärkungsstufen für weitere Verarbeitung gekoppelt werden. Bei dieser Ausführungsform wird die Vorspannung an die erste stationäre Platte 101 durch ein erstes Filter angelegt, das einen ersten Widerstand 100 und ein erstes kapazitives Filter 120 aufweist, und an die zweite stationäre Platte 105 durch ein zweites Filter angelegt, das einen zweiten Widerstand 10 und ein zweites kapazitives Filter 20 aufweist. Wie bei der zuvor unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Ausführungsform, wird das Vorspannsignal an dem ersten Knoten, der mit der ersten stationären Platte 101 gekoppelt ist, und der zweiten stationären Platte 105 unter Verwendung der Filter unabhängig variiert.
5B veranschaulicht eine alternative Ausführungsform, die eine einzige Spannungsquelle verwendet.
6, die die 6A und 6B aufweist, veranschaulicht eine MEMS-Schaltung, die ein kapazitives positives Feedback gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung aufweist.
Wie bei der Ausführungsform, die unter Verwendung der 3 beschrieben wurde, werden unter Bezugnahme auf 6A ein erster Kondensator 130 und ein zweiter Kondensator 140 verwendet, um zwei unabhängige positive Feedbackschleifen zu bilden, um unabhängig das Variieren des Vorspannsignals an dem Knoten, der mit der ersten stationären Platte 101 und der zweiten stationären Platte 105 gekoppelt ist, zu unterstützen. Diese Ausführungsform setzt eine positive Verstärkung an den Ausgängen der ersten Verstärkungsstufe 60 und der zweiten Verstärkungsstufe 70 um. Ähnlich ist in 6B der erste Kondensator 130 mit der ersten beweglichen Platte 102 gekoppelt, während der zweite Kondensator 140 mit der zweiten beweglichen Platte 103 gekoppelt ist, um positive Verstärkung bereitzustellen.
7, die die 7A und 7B aufweist, veranschaulicht eine MEMS-Schaltung, die ein kapazitives negatives Feedback gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung aufweist.
Wie in 7A veranschaulicht, setzt diese Ausführungsform ein Feedback ähnlich dem, das in 4 beschrieben ist, um. Der erste Kondensator 130 ist mit der zweiten stationären Platte 105 gekoppelt, und der zweite Kondensator 140 ist mit der ersten stationären Platte 101 gekoppelt, wodurch unabhängige negative Feedbackschleifen geschaffen werden. Ähnlich ist in 7B der erste Kondensator 130 mit der zweiten beweglichen Platte 103 gekoppelt, während der zweite Kondensator 140 mit der ersten beweglichen Platte 102 gekoppelt ist, um negatives Feedback bereitzustellen.
8, die die 8A und 8B aufweist, veranschaulicht eine MEMS-Schaltung, die mehr als zwei bewegliche Membranen, die unabhängig gekoppelt sind, gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist. 8B veranschaulicht eine vergrößerte Ansicht der MEMS-Vorrichtung, die in 8A veranschaulicht ist.
Unter Bezugnahme auf 8A und 8B, weist die bewegliche Masse eine erste bewegliche Platte 102 und eine zweite bewegliche Platte 103, wie bei oben stehenden Ausführungsformen beschrieben auf. Ferner weist die bewegliche Masse eine dritte bewegliche Platte 104 und eine vierte bewegliche Platte 106, wie in 8 veranschaulicht, auf. Die dritte bewegliche Platte 104 ist kapazitiv mit einer dritten stationären Platte 108 gekoppelt, während die vierte bewegliche Platte 106 kapazitiv mit einer vierten stationären Platte 109 gekoppelt ist. Jede der beweglichen Platten kann unter Verwendung getrennter und unabhängiger Filterschaltungen gekoppelt werden. Bei einem Fall kann zum Beispiel die dritte bewegliche Platte 104 mit einer zweiten Spannungsquelle durch ein Filter gekoppelt werden, das einen dritten Widerstand 215 und einen dritten Kondensator 225 aufweist, während die vierte bewegliche Platte 106 mit der zweiten Spannungsquelle durch ein anderes Filter gekoppelt werden kann, die einen vierten Widerstand 310 und einen vierten Kondensator 320 aufweist. Der Ausgang der dritten stationären Platte 108 und der vierten stationären Platte 109 kann mit entsprechenden Verstärkungsstufen 60' und 70' gekoppelt werden.
Ferner sind als eine Veranschaulichung in 8B die erste und die zweite bewegliche Platte 102 und 103 sowie die erste und die zweite stationäre Platte 101 und 105 bei einer Ausführungsform mit unterschiedlichen Maßen gezeigt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben daher ein differenzielles kapazitives Mikrofon mit verbesserter Verstärkung, dessen Verwendung das Abziehen von Gleichtaktrauschen erlaubt. Derartige differenzielle kapazitive Mikrofone können bessere Leistung zeigen als andere Mikrofone, zum Beispiel mit höherer Empfindlichkeit aufgrund des zusätzlichen Kondensators, und höherer steuerbarer Vorspannung und besserer Linearität.
Bei verschiedenen Ausführungsformen können die MEMS-Schaltungen, die in den 2 bis 8 veranschaulicht sind, jederzeit aus einer MEMS-Vorrichtung, die ein Mikrofon, Oszillatoren, Resonatoren, mechanische, Drucksensoren, Bewegungssensoren usw. aufweist, bestehen.
9 veranschaulicht eine Querschnittansicht einer MEMS-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei verschiedenen Ausführungsformen veranschaulicht 9 eine MEMS-Vorrichtung, die die Ausführungsformen der MEMS-Schaltung, die in den 2 bis 8 beschrieben ist, veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf 9, weist die MEMS-Vorrichtung 200 ein Substrat 210 auf, das einen Rückseitenhohlraum 230 aufweist. Der Rückseitenhohlraum 230 erstreckt sich ununterbrochen von der Rückseite des Substrats 210 zu der Vorderseite des Substrats 210.
Eine erste stationäre Platte 101 und eine zweite stationäre Platte 105 sind oberhalb des Rückseitenhohlraums 230 angeordnet. Die stationären Platten können auch Rückplatten genannt werden.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weist die MEMS-Vorrichtung eine Membranschicht auf, die eine erste bewegliche Platte 102 und eine zweite bewegliche Platte 103, die von der ersten beweglichen Platte 102 beabstandet ist, aufweist, die alle oberhalb des Substrats 210 angeordnet sind. Die Membranschicht kann von der Tragstruktur 220, die auch getrennte Tragstrukturen für die Membranschicht und die stationären Platten aufweisen kann, oberhalb des Substrats 210 gehalten werden. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen sind die erste und die zweite bewegliche Platte 102 und 103 kreisförmig.
Zusätzlich ist ein erster Hohlraum 250 zwischen der ersten stationären Platte 101 und der ersten beweglichen Platte 102 angeordnet, während ein zweiter Hohlraum 240 zwischen der zweiten stationären Platte 105 und der zweiten beweglichen Platte 103 angeordnet ist. Die erste und die zweite bewegliche Platte sind daher entlang des umfänglichen Bereichs verankert, ansonsten jedoch frei aufgehängt. Die Gegenwart des ersten Hohlraums 240 und des zweiten Hohlraums 250 erlaubt es der ersten und der zweiten beweglichen Platte 102 und 103, sich frei zu bewegen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die erste bewegliche Platte 102 elektrisch von der zweiten elektrischen Platte 103 isoliert. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen ist die erste bewegliche Platte 102 nicht kapazitiv mit der zweiten beweglichen Platte 103 gekoppelt, das heißt, die kapazitive Kopplung ist minimiert oder im Wesentlichen gleich null. Die Zwischenschicht 260 kann folglich aus einem isolierenden Material hergestellt sein, zum Beispiel ein Low-k-Dielektrikum, um kapazitivem Koppeln vorzubeugen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen werden die erste bewegliche Platte 102, die zweite bewegliche Platte 103 und die Zwischenschicht 260 mechanisch gekoppelt oder als eine integrale Einheit derart verbunden, dass sie miteinander oszillieren. Die erste bewegliche Platte 102 bewegt sich daher zu der ersten stationären Platte 101, und die zweite bewegliche Platte 103 bewegt sich gleichzeitig von der zweiten stationären Platte 105 weg.
Die erste und die zweite stationäre Platte 101 und 105 können auch eine Mehrzahl von Höckern auf der Seite aufweisen, die zu der Membranschicht zeigt, um die Membranschicht daran zu hindern, an der Membranschicht kleben zu bleiben. Die erste und die zweite Platte 101 und 105 können auch eine Mehrzahl von Bohrungen 170 aufweisen. Die Mehrzahl von Bohrungen 170 kann während der Herstellung der internen Hohlräume durch Bereitstellung einer Bohrung für das Durchgehen der Ätzflüssigkeit verwendet werden. Zusätzlich kann die Mehrzahl von Bohrungen 170 eine Luftpassage während der Vibration der Membranschicht bereitstellen und daher Dämpfungseffekte minimieren. Aufgrund der Mehrzahl von Bohrungen 170, sind die erste und die zweite stationäre Platte 101 und 105 (weniger) für einfallenden akustischen Druck unempfindlich. Im Gegensatz dazu sind die erste und die zweite bewegliche Platte 102 und 103 effektiv an dem Substrat 210 durch Federn befestigt und schwingen daher mit dem einfallenden Schalldruck. Die MEMS-Vorrichtung 200 kann in einer abgedichteten Kammer eingeschlossen werden.
Ein erster Kontakt 45 kann an der Oberfläche der Tragstruktur 220 ausgebildet werden, um die erste stationäre Platte 101 elektrisch zu koppeln. Zusätzlich können zweite Kontakte 55, dritte Kontakte 65 und vierte Kontakte 75 verwendet werden, um jeweils die erste bewegliche Platte 102, die zweite bewegliche Platte 103 und die zweite stationäre Platte 105 elektrisch zu koppeln. Die erste bewegliche Platte 102 und die zweite bewegliche Platte 103 können folglich mit unterschiedlichem Potenzialknoten gekoppelt werden, obwohl sie sich gemeinsam als eine mechanische Masseeinheit bewegen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen werden die Lagen der zweiten Kontakte 55 ausgewählt, um von den dritten Kontakten 65 so weit wie möglich entfernt zu sein, um kapazitivem Koppeln vorzubeugen. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Zwischenschicht 260 ausgelegt, um das mechanische Verhalten des Membransystems nicht zu beeinträchtigen, zum Beispiel, weil sie konzipiert ist, um eine nicht leitende Schicht mit niedriger Spannung zu sein. Bei einer anderen alternativen Ausführungsform wird die Zwischenschicht 260 verwendet, um die Robustheit des Membransystems im Vergleich zu einer einschichtigen Membran zu verbessern. Die zwei leitenden Schichten, das heißt die erste beweglichen Platte 102 und die zweite bewegliche Platte 103 können bei verschiedenen Ausführungsformen nicht aus demselben Material oder derselben Größe sein.
10, die die 10A und 10B aufweist, veranschaulicht eine Draufsicht der ersten beweglichen Platte und der zweiten beweglichen Platte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei verschiedenen Ausführungsformen können die erste bewegliche Platte 102 und zweite bewegliche Platte 103 hergestellt sein, um kapazitives Koppeln zu minimieren. Bei einer Ausführungsform ist die Überlappung zwischen den leitenden Teilen der ersten beweglichen Platte 102 und den leitenden Teilen der ersten beweglichen Platte 102 der zweiten beweglichen Platte 103 minimiert.
10A veranschaulicht zum Beispiel eine erste bewegliche Platte 102, die abwechselnd leitende Bereiche und isolierende Bereiche aufweist. Die schattierte Box A11 weist zum Beispiel einen leitenden Bereich auf, während die nicht schattierte Box A21 einen isolierenden Bereich aufweist.
Im Gegensatz dazu, zeigt 10B den entsprechenden Bereich der zweiten beweglichen Platte 103, der sich direkt unterhalb der ersten beweglichen Platte 102 befindet. Wie 10A, weist die nicht schattierte Box A11 in 10B einen isolierenden Bereich auf, während die schattierte Box A21 einen leitenden Bereich aufweist. Das Muster in der zweiten beweglichen Platte 103 ist daher zu dem Muster in der ersten beweglichen Platte 102 umgekehrt.
11 veranschaulicht eine alternative MEMS-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform wird die kapazitive Kopplung zwischen der ersten beweglichen Platte 102 und der zweiten beweglichen Platte 103 durch Einführen einer Luftspalte oder mehrerer kleiner Hohlräume minimiert. Die erste bewegliche Platte 102 ist immer noch starr mechanisch mit der zweiten beweglichen Platte 103 unter Verwendung von Verbindungen 270, die Stützständer sind, gekoppelt.
12, die die 12A–12E aufweist, veranschaulicht eine MEMS-Vorrichtung während unterschiedlicher Herstellungsstadien gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12A veranschaulicht ein Halbleitersubstrat nach dem Ausbilden der ersten stationären Platte der MEMS-Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12A veranschaulicht eine Tragstruktur 220, die oberhalb eines Substrats 210 ausgebildet ist. Das Substrat 210 kann ein Halbleitersubstrat in verschiedenen Ausführungsformen sein. Das Substrat 210 kann ein Halbleiter-Schüttsubstrat oder bei einigen Ausführungsformen ein Halbleiter-auf-Isolator-Substrat sein. Einige Beispiele des Substrats 210 umfassen ein monokristallines Silikon-Schüttsubstrat (oder eine darauf gewachsene Schicht oder anderswie darin ausgebildete Schicht), eine Schicht aus {110} Silikon auf einem {100} Silikon-Wafer, eine Schicht aus Silikon-auf-Isolator-(SOI)-Wafer, oder eine Schicht eines Germanium-auf-Isolator-(GeOI)-Wafers. Bei verschiedenen Ausführungsformen, kann das Substrat 210 Decken-Epitaxialschichten aufweisen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 210 ein Silikon-Wafer, ein Germanium-Wafer sein, oder kann ein gemischtes Halbleitersubstrat sein, das Indiumantimonid, Indiumarsenid, Indiumphoshid, Galliumnitrid, Galliumarsenid, Galliumantimonid oder Kombinationen davon aufweist. Bei einer Ausführungsform kann das Substrat 210 eine Heteroepitaxialschicht aufweisen, wie zum Beispiel Galliumnitrid auf einem Silikon-Wafer gewachsen.
Die Tragstruktur 220 weist eine Isolationsschicht in verschiedenen Ausführungsformen auf. Die Tragschicht 220 kann bei einer Ausführungsform eine Nitridschicht aufweisen. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Tragstruktur 220 eine Oxidschicht aufweisen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Tragstruktur 220 durch Wärmeoxidation, Aufsticken unter Verwendung von Aufdampfvorgängen, wie zum Beispiel chemische Dampfphasenabscheidung, Plasma-Dampfphasenabscheidung und/oder Aufschleuderverfahren ausgebildet werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Tragstruktur 220 mehrere Schichten aufweisen, die in verschiedenen Stadien der Verarbeitung aufgebracht werden.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen wird die zweite stationäre Platte 105 oberhalb des Substrats 210 hergestellt. Die zweite stationäre Platte 105 kann bei einer Ausführungsform eine Polysilikonschicht aufweisen. Eine oder mehrere Polysilikonschichten können zum Beispiel aufgebracht und gemustert werden, um die zweite stationäre Platte 105 zu bilden.
12B veranschaulicht ein Halbleitersubstrat nach dem Ausbilden der beweglichen Membranschichten der MEMS-Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die erste und die zweite bewegliche Platte 102 und 103 können anschließend hergestellt werden. Bei einer Ausführungsform werden die erste und die zweite bewegliche Platte 102 und 103 sequenziell gemustert, zum Beispiel kann die zweite bewegliche Platte 103 aufgebracht und gemustert werden, worauf das Aufbringen und das Mustern der ersten beweglichen Platte 102 folgt. Alternativ können die erste und die zweite bewegliche Platte 102 und 103 sequenziell aufgebracht und nacheinander nach dem Aufbringen beider Schichten gemustert werden.
Die erste und die zweite bewegliche Platte 102 und 103 können Polysilikon aufweisen. Bei einer alternativen Ausführungsform, weisen die erste und die zweite bewegliche Platte 102 und 103 eine amorphe Silikonschicht auf. Bei alternativen Ausführungsformen weisen die erste und die zweite bewegliche Platte 102 und 103 eine leitende Schicht auf. Die erste und die zweite bewegliche Platte 102 und 103 können gemeinsam mit der Zwischenschicht eine Stärke bei verschiedenen Ausführungsformen von etwa 100 nm bis etwa 2000 nm aufweisen. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen, kann die Gesamtstärke des beweglichen Teils der MEMS-Vorrichtung eine Stärke von etwa 200 nm bis etwa 1000 nm aufweisen.
Eine Schicht der Zwischenschicht 260 kann aufgebracht und optional nach dem Aufbringen der zweiten beweglichen Platte 103 vor dem Aufbringen der ersten beweglichen Platte 102 gemustert werden. Eine andere Schicht der Tragstruktur 220 kann ebenfalls aufgebracht und planarisiert werden.
12C veranschaulicht ein Halbleitersubstrat nach dem Ausbilden der obersten stationären Platte der MEMS-Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 12C veranschaulicht, ist die erste stationäre Platte 101 oberhalb der beweglichen Membranschichten angeordnet. Die erste Platte 101 kann aufgebracht und gemustert werden. Bei einer Ausführungsform können eine oder mehrere Schichten aus Polysilikon aufgebracht und gemustert werden. Bei einer Ausführungsform kann eine andere Schicht der Tragstruktur 220 aufgebracht und planarisiert werden, nachdem die erste stationäre Platte 101 aufgebracht wurde.
12D veranschaulicht ein Halbleitersubstrat nach der Verarbeitung der Frontseite der MEMS-Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Kontakte können zum Kontaktieren des Substrats 210, der ersten stationären Platte 101, der zweiten stationären Platte 105, der ersten beweglichen Platte 102 und der zweiten beweglichen Platte 103 ausgebildet werden. Die Kontakte können nach dem Maskieren und Mustern der Tragstruktur 220 ausgebildet werden.
Die Frontseite kann während aufeinander folgender Rückseitenverarbeitung durch Ausbilden einer Schutzschicht 280 geschützt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Schutzschicht 280 Silikonnitrid oder Silikonoxid aufweisen.
12E veranschaulicht die MEMS-Vorrichtung nach dem Ausbilden eines Hohlraums gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Rückseitenverarbeitung setzt von 12E fort, um einen Rückseitenhohlraum 230 auszubilden. Das Substrat 210 wird umgekehrt oder umgedreht, um die Rückseite zu freizulegen. Danach wird ein Schutzlack auf der freigelegten Rückseite aufgebracht und gemustert (nicht gezeigt), und ein Teil des Substrats 210 in dem MEMS-Vorrichtungsbereich wird freigelegt. Das freigelegte Substrat 210 wird geätzt, bis die Bereiche der Tragstruktur 220 freigelegt sind.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 210 unter Verwendung eines Bosch-Verfahrens geätzt werden, oder durch Aufbringen einer Hartmaskenschicht und Ätzen des Substrats 210 unter Verwendung eines vertikalen reaktiven Ionenätzvorgangs. Bei einer Ausführungsform wird nur Lötstoppmaske verwendet. Wenn das Lötstoppbudget nicht ausreicht, können die Hartmaske und vertikales reaktives Ionenätzen verwendet werden, um eine glatte Seitenwand zu erzielen. Dieses Integrationssystem erfordert jedoch das Entfernen verbleibender Reste der Hartmaske. Bei einigen Ausführungsformen kann daher ein Bosch-Verfahren ohne zusätzliche Hartmaske verwendet werden.
Bei dem Bosch-Verfahren werden ein isotroper Plasmaätzschritt und ein Schritt zum Aufbringen einer Passivierungsschicht abgewechselt. Die Ätz-/Aufbringschritte werden viele Male während des Bosch-Verfahrens wiederholt. Das Plasmaätzen ist ausgelegt, um vertikal zu ätzen, zum Beispiel unter Verwendung von Schwefelhexafluorid [SF6] in dem Plasma. Die Passivierungsschicht wird zum Beispiel unter Verwendung von Oktafluorzyklobutan als ein Quellengas aufgebracht. Jeder einzelne Schritt kann einige Sekunden lang oder weniger aktiviert werden. Die Passivierungsschicht schützt das Substrat 210 und beugt weiterem Ätzen vor. Während der Plasmaätzphase entfernen jedoch die gerichteten Ionen, die das Substrat bombardieren, die Passivierungsschicht an dem Grund des geätzten Grabens (aber nicht entlang der Seiten), und das Ätzen fährt fort. Das Bosch-Verfahren wird gestoppt, wenn die Tragstruktur 220 freigelegt ist. Das Bosch-Verfahren erzeugt Seitenwände, die gebogen sind.
Zum Beispiel unter Bezugnahme auf 8, werden Bereiche der freigelegten Tragstruktur 220 von einem ersten Hohlraum 240 und einem zweiten Hohlraum 250 zum Beispiel unter Verwendung einer Nassätzchemie entfernt. Das Nassätzen kann bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann selektiv sein. Das Release-Ätzen kann bei verschiedenen Ausführungsformen von der Frontseite und/oder der Rückseite des Substrats 210 ausgeführt werden. Die darauf folgende Verarbeitung kann die während der herkömmlichen MEMS-Verarbeitung fortgesetzt werden.
Obwohl diese Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte diese Beschreibung nicht auf einschränkende Art ausgelegt werden. Verschiedene Änderungen und Kombinationen der veranschaulichenden Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich für den Fachmann bei der Bezugnahme auf die Beschreibung. Als eine Veranschaulichung können die Ausführungsformen, die in den 2 bis 12 beschrieben sind, miteinander zu alternativen Ausführungsformen kombiniert werden. Es wird daher bezweckt, dass die anliegenden Ansprüche irgendwelche solche Änderungen oder Ausführungsformen einschließen.
Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile ausführlich beschrieben wurden, ist klar, dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen daran ohne Verlassen des Sinns und des Geltungsbereichs der Erfindung, wie sie in den anliegenden Ansprüchen definiert ist, ausgeführt werden können. Es ist zum Beispiel für den Fachmann offensichtlich, dass viele der Merkmale, Funktionen, Vorgänge und Materialien, die hier beschrieben sind, variiert werden können, während sie innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung bleiben.
Ferner wird nicht beabsichtigt, dass der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung auf die besonderen Ausführungsformen des Vorgangs, der Maschine, der Fertigung, des Aufbaus der Materie, der Mittel, der Verfahren und der Schritte, die in der Patentschrift beschrieben sind, beschränkt ist. Wie der Fachmann aus der Offenbarung der vorliegenden Erfindung problemlos erkennt, können gemäß der vorliegenden Erfindung Vorgänge, Maschinen, Fertigung, Aufbau der Materie, Mittel, Verfahren oder Schritte, die derzeit existieren oder später entwickelt werden, die im Wesentlichen dieselbe Funktion ausführen oder im Wesentlichen dasselbe Resultat erzielen wie die entsprechenden Ausführungsformen die hier beschrieben werden, verwendet werden. Die anliegenden Ansprüche zielen daher darauf ab, in ihrem Geltungsbereich solche Vorgänge, Maschinen, Fertigung, Aufbau der Materie, Mittel, Methoden oder Schritte einzuschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 61/847874 [0001]

Claims

Vorrichtung mit mikroelektromechanischem System (MEMS), die Folgendes aufweist: eine erste Platte, eine zweite Platte, die oberhalb der ersten Platte angeordnet ist, eine erste bewegliche Platte, die zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte angeordnet ist, und eine zweite bewegliche Platte, die zwischen der ersten beweglichen Platte und der zweiten Platte angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste bewegliche Platte starr mit der zweiten beweglichen Platte gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste bewegliche Platte ausgelegt ist, um von kapazitivem Koppeln mit der zweiten beweglichen Platte abgeschirmt zu sein.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner Folgendes aufweist: einen Bodenhohlraum, der unter der ersten Platte angeordnet ist, einen ersten Hohlraum, der zwischen der ersten Platte und der ersten beweglichen Platte angeordnet ist, und einen zweiten Hohlraum, der zwischen der zweiten Platte und der zweiten beweglichen Platte angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste bewegliche Platte ausgelegt ist, um mit einem unterschiedlichen Potenzialknoten als die zweite bewegliche Platte gekoppelt zu sein.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste bewegliche Platte ausgelegt ist, um mit einer Spannungsquelle durch ein erstes Filter gekoppelt zu sein, und wobei die zweite bewegliche Platte ausgelegt ist, um mit der Spannungsquelle durch ein zweites Filter gekoppelt zu sein.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das erste Filter und das zweite Filter unterschiedliche RC-Filter aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Platte eine erste stationäre Platte ist, und wobei die zweite Platte eine zweite stationäre Platte ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erste stationäre Platte ausgelegt ist, um mit einer Spannungsquelle durch ein erstes Filter gekoppelt zu sein, und wobei die zweite stationäre Platte ausgelegt ist, um mit der Spannungsquelle durch ein zweites Filter gekoppelt zu sein.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, die ferner Folgendes aufweist: eine dritte bewegliche Platte und eine vierte bewegliche Platte, und eine dritte stationäre Platte und eine vierte stationäre Platte, wobei die dritte bewegliche Platte kapazitiv mit der dritten stationären Platte gekoppelt ist, wobei die vierte bewegliche Platte kapazitiv mit der vierten stationären Platte gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die erste bewegliche Platte ausgelegt ist, um mit einer ersten Spannungsquelle durch ein erstes Filter gekoppelt zu sein, wobei die zweite bewegliche Platte ausgelegt ist, um mit der ersten Spannungsquelle durch ein zweites Filter gekoppelt zu sein, wobei die dritte bewegliche Platte ausgelegt ist, um mit einer zweiten Spannungsquelle durch ein drittes Filter gekoppelt zu sein, und wobei die vierte bewegliche Platte ausgelegt ist, um mit der zweiten Spannungsquelle durch ein viertes Filter gekoppelt zu sein.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das erste Filter und das zweite Filter unterschiedliche RC-Filter aufweisen, und wobei das dritte Filter und das vierte Filter unterschiedliche RC-Filter aufweisen.
Sensorschaltung, die Folgendes aufweist: eine erste Filterschaltung, die zwischen einer Spannungsquelle und einem ersten Eingangsvorspannknoten, der ausgelegt ist, um mit einer ersten Platte eines ersten Typs eines kapazitiven Sensors gekoppelt zu sein, gekoppelt ist, und eine zweite Filterschaltung, die zwischen der Spannungsquelle und einem zweiten Eingangsvorspannknoten, der ausgelegt ist, um mit einer zweiten Platte des ersten Typs des kapazitiven Sensors gekoppelt zu sein, gekoppelt ist, wobei der kapazitive Sensor eine erste Platte des ersten Typs aufweist, die kapazitiv mit einer ersten Platte eines zweiten Typs gekoppelt ist, und die zweite Platte des ersten Typs kapazitiv mit einer zweiten Platte des zweiten Typs gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 13, wobei die erste Filterschaltung einen ersten Widerstand aufweist, der zwischen der Spannungsquelle und dem ersten Eingangsvorspannknoten gekoppelt ist, und einen ersten Kondensator, der zwischen einem stationären Potenzial und dem ersten Eingangsvorspannknoten gekoppelt ist, und wobei die zweite Filterschaltung einen zweiten Widerstand aufweist, der zwischen der Spannungsquelle und dem zweiten Eingangsvorspannknoten gekoppelt ist, und einen zweiten Kondensator, der zwischen dem stationären Potenzial und dem zweiten Eingangsvorspannknoten gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 14, wobei der erste Widerstand eine Diode oder einen Metall/Isolator/Halbleitertransistor aufweist, wobei der erste Kondensator einen Metall/Isolator/Halbleiterkondensator aufweist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die erste Platte des ersten Typs starr mit der zweiten Platte des ersten Typs gekoppelt ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der kapazitive Sensor ein Mikrofon mit einem mikroelektromechanischem System (MEMS) aufweist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die erste Platte des ersten Typs eine erste bewegliche Platte ist, wobei die zweite Platte des ersten Typs eine zweite bewegliche Platte ist, wobei die erste Platte des zweiten Typs eine erste stationäre Platte ist, und wobei die zweite Platte des zweiten Typs eine zweite stationäre Platte ist.
Schaltung nach Anspruch 18, die ferner Folgendes aufweist: einen ersten Verstärker, der einen Eingangsknoten aufweist, der mit einem ersten Ausgangsvorspannknoten gekoppelt ist, der ausgelegt ist, um mit der ersten stationären Platte des kapazitiven Sensors gekoppelt zu sein, und einen zweiten Verstärker, der einen Eingangsknoten aufweist, der mit einem zweiten Ausgangsvorspannknoten gekoppelt ist, der ausgelegt ist, um mit der zweiten stationären Platte des kapazitiven Sensors gekoppelt zu sein.
Schaltung nach Anspruch 19, die ferner Folgendes aufweist: einen ersten Feedback-Kondensator, der zwischen dem ersten Eingangsvorspannknoten und einem Ausgangsknoten des ersten Verstärkers gekoppelt ist, und einen zweiten Feedback-Kondensator, der zwischen dem zweiten Eingangsvorspannknoten und einem Ausgangsknoten des zweiten Verstärkers gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 19 oder 20, die ferner Folgendes aufweist: einen ersten Feedback-Kondensator, der zwischen dem zweiten Eingangsvorspannknoten und einem Ausgangsknoten des ersten Verstärkers gekoppelt ist, und einen zweiten Feedback-Kondensator, der zwischen dem ersten Eingangsvorspannknoten und einem Ausgangsknoten des zweiten Verstärkers gekoppelt ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei die erste Platte des ersten Typs eine erste stationäre Platte ist, wobei die zweite Platte des ersten Typs eine zweite stationäre Platte ist, wobei die erste Platte des zweiten Typs eine erste bewegliche Platte ist, wobei die zweite Platte des zweiten Typs eine zweite bewegliche Platte ist.
Schaltung nach Anspruch 22, die ferner Folgendes aufweist: einen ersten Verstärker, der einen Eingangsknoten aufweist, der mit einem ersten Ausgangsvorspannknoten gekoppelt ist, der ausgelegt ist, um mit der ersten beweglichen Platte des kapazitiven Sensors gekoppelt zu sein, und einen zweiten Verstärker, der einen Eingangsknoten aufweist, der mit einem zweiten Ausgangsvorspannknoten gekoppelt ist, der ausgelegt ist, um mit der zweiten beweglichen Platte des kapazitiven Sensors gekoppelt zu sein.
Verfahren zum Ausbilden einer Vorrichtung mit mikroelektromechanischem System (MEMS), wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Ausbilden einer ersten Platte in einem Substrat oder oberhalb eines Substrats, Ausbilden einer zweiten Platte oberhalb der ersten Platte, Ausbilden einer ersten beweglichen Platte zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte und Ausbilden einer zweiten beweglichen Platte zwischen der ersten beweglichen Platte und der zweiten Platte.