DE112017003453T5

DE112017003453T5 - MEMS-Struktur, kapazitiver Sensor, piezoelektrischer Sensor, akustischer Sensor mit MEMS-Struktur

Info

Publication number: DE112017003453T5
Application number: DE112017003453.1T
Authority: DE
Inventors: Ayumu Murakami; Tadashi Inoue; Yasuhiro Horimoto
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: MMI Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2037-02-22
Also published as: JP6809008B2; US11064299B2; WO2018008181A1; KR102193337B1; DE112017003453B4; CN109417671A; US20190349687A1; CN109417671B; JP2018007199A; KR20190013982A

Abstract

Zur Bereitstellung eines kapazitiven Sensors, der unter Verwendung von MEMS-Verarbeitungstechniken hergestellt ist, die es ermöglichen, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen, und die Robustheit des Sensors mit Bezug auf den Eingangsdruck zu verbessern. Ein kapazitiver Sensor, der die Verschiebung einer Membran in Änderungen in der Kapazität zwischen der Membran und der Rückplatte umwandelt, wobei ein Teil der Umrisslinie der Membran innerhalb einer Öffnung des Substrats vorgesehen ist, wenn von der Normalen zu der Membran aus betrachtet, und andere Teile der Umrisslinie der Membran außerhalb der Öffnung in dem Substrat vorgesehen sind, wenn von der Normalen zu der Membran aus betrachtet.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Struktur für mikroelektromechanische Systeme (MEMS), einen kapazitiven Sensor oder piezoelektrischen Sensor, der die MEMS-Struktur aufweist, und einen akustischen Sensor mit dem kapazitiven Sensor oder piezoelektrischen Sensor. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen kapazitiven Sensor, piezoelektrischen Sensor und einen akustischen Sensor, wobei die Membran unter Anwendung von MEMS-Herstellungstechniken gebildet ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der akustische Sensor, der als ein Elektret-Kondensatormikrofon bezeichnet werden kann, wird traditionell in elektronischen Vorrichtungen als ein Mikrofon mit kleinem Formfaktor verwendet. Jedoch ist ein ECM recht empfindlich gegenüber Wärme. Außerdem übertreffen Mikrofone, die kapazitive Sensoren verwenden, die unter Anwendungen von Techniken für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) hergestellt werden, das ECM in Bezug auf Digitalisierung und kleine Größe. Dies hat in den letzten Jahren zu zunehmender Annahme des MEMS-Mikrofons geführt; siehe zum Beispiel US-Patent Nummer 5,452,268 .
Der vorstehend beschriebene kapazitive Sensor kann unter Anwendung von MEMS-Verarbeitungstechniken umgesetzt werden, um eine Membran gegenüber einer Rückplatte mit einem Luftspalt anzuordnen. Die Membran vibriert aufgrund von Druck. Ein Elektrodenfilm ist ebenfalls an der Rückplatte befestigt. Die Membran und eine Opferschicht zum Abdecken der Membran können an einem Siliziumsubstrat gebildet werden; eine Opferschicht kann auch danach an der Rückplatte gebildet werden; die Opferschicht kann dann entfernt werden, um somit die vorstehende Art von kapazitivem Sensor umzusetzen. Angesichts der Tatsache, dass damit Halbleiterherstellungstechniken in MEMS-Herstellungstechniken angewandt werden, ist es möglich, einen äußerst kleinen kapazitiven Sensor zu erhalten.
18(a) ist eine partielle Querschnittsansicht, die Komponenten eines konventionellen kapazitiven Sensors 100 (nachfolgend auch als ein MEMS-Sensor bezeichnet) veranschaulicht, der über die vorstehend genannten MEMS-Herstellungstechniken hergestellt wurde. In 18(a) sind eine Membran 102 und eine Rückplatte 103 an einem Siliziumsubstrat 101 gebildet. Der traditionelle MEMS-Sensor 100 beinhaltet Region A, in der sich die Membran 102 und das Siliziumsubstrat 101 überlappen, wenn entlang einer Linie normal zu der Membran 102 betrachtet.
In diesem Fall kann brownsche Bewegung der Luft in der Region A akustisches Rauschen erzeugen; wenn dieses akustische Rauschen erzeugt wird, beeinträchtigt es das Signal-Rausch-Verhältnis des kapazitiven Sensors. Im Gegensatz dazu, wie in 18(b) veranschaulicht, kann der Sensor derart konzipiert sein, dass sich die Membran 112 und das Siliziumsubstrat 111 nicht überlappen, wenn entlang einer Linie normal zu der Membran 112 betrachtet. In diesem Fall entweicht Luft aus dem Spalt zwischen der Membran 112 und dem Siliziumsubstrat 101, wodurch der akustische Widerstand reduziert wird und die Empfindlichkeit des Sensors als akustischer Sensor reduziert wird.
Im Gegensatz dazu, wie in 19(a) veranschaulicht, beinhaltet ein Vorschlag zum Sichern des akustischen Widerstands das Bereitstellen eines feststehenden Films 124 um die Membran 122 und Platzieren eines dünnen Schlitzes 122a zwischen der Membran 122 und dem feststehenden Film 124. Diese Konfiguration vermeidet somit brownsche Bewegung der Luft, die das Signal-Rausch-Verhältnis reduziert, während ein reduzierter akustischer Widerstand verhindert wird, und garantiert die Empfindlichkeit des akustischen Sensors.
19(b) veranschaulicht ein Beispiel, bei dem der feststehende Film 124 aus demselben Grund an der Rückplatte 123 befestigt ist. In dem in 19(a) veranschaulichten Beispiel ist der feststehende Film 124 über einen Anker 125, der durch einen oxidierten Film gebildet wird, an dem Substrat 121 befestigt. Es gibt jedoch Fälle, in denen der Anker 125 aufgrund der Variationen im Herstellungsprozess verloren geht; in diesem Fall trennt sich der feststehende Film 124 von diesem Substrat 121 und ist nicht dazu in der Lage, seine Funktion des Sicherns des akustischen Widerstands zu erfüllen. In 19(b) ist der feststehende Film 124 an der Rückplatte 123 befestigt, um dieses Problem zu vermeiden. Hierdurch bleibt der feststehende Film 124 an der Rückplatte 123 befestigt, auch wenn der Anker 125 verloren geht. Daher kann der feststehende Film 124 seine Funktion des Sicherns des akustischen Widerstands erfüllen.
Nebenbei kann in einigen Fällen von dem Siliziumsubstrat 121 in einem MEMS-Sensor 120, der mit einem feststehenden Film 124 versehen ist, ähnlich den vorstehend genannten traditionellen Techniken, ein großer Druck auf die Membran 122 ausgeübt werden. In diesem Fall verformt sich die Membran 122 in Richtung der Rückplatte 123, berührt die Rückplatte 123 und es wird dadurch verhindert, dass sie sich über ein festgelegtes Ausmaß hinaus verformt. Zusätzlich erweitert sich an diesem Punkt der Schlitz 122a zwischen der Membran 122 und dem feststehenden Film 124, wodurch Luft aus dem Schlitz 122a entweichen und wirken kann, um den Druck zu reduzieren.
Im Gegensatz dazu, wenn ein großer Druck aus der Richtung der Rückplatte 123 auf die Membran 122 ausgeübt wird, kann die Membran 122 in eine Öffnung (die Rückkammer 121a) in dem Siliziumsubstrat 121 eintreten, da es keine Region der Membran 122 und des Siliziumsubstrats 121 gibt, die sich überlappen, wenn die Membran entlang der Normalen betrachtet wird. Dies bewirkt eine große Verschiebung der Membran 122, wodurch sich die resultierende Spannung an einem Balken (nicht gezeigt) konzentriert, der die Membran 122 stützt.
Dieses Problem kann auftreten, wenn der vorstehend genannte kapazitive Sensor fallen gelassen wird; diese Situation kann zum Beispiel auch auftreten, wenn aufgrund eines lauten Geräusches ein großer akustischer Druck auf den Sensor ausgeübt wird oder wenn sich der Sensor während der Verpackungsstufe unter einem Luftgebläse befindet.
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die vorstehend genannten Probleme anzugehen und stellt einen kapazitiven Sensor, piezoelektrischen Sensor oder akustischen Sensor bereit, hergestellt unter Anwendung von MEMS-Verarbeitungstechniken, die dazu in der Lage sind, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen, und stellt Techniken zur Verbesserung der Robustheit der Sensoren in Bezug auf den Eingangsdruck bereit.
KURZDARSTELLUNG
Eine MEMS-Struktur gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Angehen der vorstehend genannten Probleme umfasst: ein Substrat, das eine Öffnung aufweist;
eine Membran, die gegenüber der Öffnung in dem Substrat angeordnet ist;
eine Vielzahl von Ankern, die die Membran an dem Substrat oder an einer anderen Komponente befestigen; und
einen feststehenden Film, der die Membran über einen Schlitz umgibt;
wobei die Umrisslinie der Membran in Richtung der Anker ragt; und
eine zuvor festgelegte Kreuzungsstruktur aufweist, wobei, wenn von der Normalen zu der Membran aus betrachtet, die Membran an zumindest einer Stelle auf der Membran zwischen zwei Kreuzungspunkten der Umrisslinie der Membran und der Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat in Richtung der Anker ragt;
wobei die Kreuzungsstruktur derart konfiguriert ist, dass:

der Abstand zwischen den zwei Kreuzungspunkten größer ist als die Breite der Membran an einer Stelle, die einem Anker am nächsten ist.

Die MEMS-Struktur gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine zuvor festgelegte Kreuzungsstruktur, wobei, wenn von der Normalen zu der Membran aus betrachtet, die Membran an zumindest einer Stelle auf der Membran zwischen zwei Kreuzungspunkten der Umrisslinie der Membran und der Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat in Richtung der Anker ragt. Daher, wenn von der Normalen aus betrachtet, beinhalten die Membran und das Substrat an einem Abschnitt einen Spalt und überlappen sich an einem anderen Abschnitt. Somit ist die Region, in der sich die Membran und das Substrat überlappen, wenn von der Normalen aus betrachtet, nicht auf einen Abschnitt der Umrisslinie der Membran begrenzt; daher minimiert dies das Rauschen, das aufgrund von brownscher Bewegung der Luft erzeugt werden. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Erhalt einer Region, in der sich die Membran und das Substrat überlappen, wenn von der Normalen aus betrachtet, somit die Vermeidung von übermäßiger Verschiebung der Membran, auch wenn die Membran einem großen Druck von der Rückplatte ausgesetzt ist. Dies liegt daran, dass sich die Membran und das Substrat in dieser Überlappungsregion gegenseitig berühren. Der resultierende kapazitive Sensor und der piezoelektrische Sensor weisen beide ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis auf und sind robust gegenüber dem Eingangsdruck.
Der Abstand zwischen den zwei Kreuzungspunkten in der Kreuzungsstruktur ist größer als die Breite der Membran an einer Stelle, die dem Anker am nächsten ist. Daher kann die Breite der Membran nahe dem Anker schmal gehalten werden, während die Membran zwischen den Kreuzungspunkten, wo sich die Umrisslinien der Membran und der Öffnung in dem Substrat kreuzen, erweitert wird.
Somit erhöht das Beibehalten einer schmalen Breite für die Membran nahe dem Anker die Empfindlichkeit der Membran gegenüber akustischem Druck. Zusätzlich mildert die Erweiterung der Membran zwischen Kreuzungspunkten die Konzentration von Spannung auf die Membran ab.
Die Umrisslinie der Membran kann einen Wendepunkt nahe dem Kreuzungspunkt beinhalten. Somit wird der Effekt weiter erhöht, wenn die Breite der Membran nahe dem Anker schmal gehalten wird, während die Membran zwischen den Kreuzungspunkten, an denen sich die Umrisslinien der Membran und der Öffnung in dem Substrat kreuzen, erweitert wird.
Die Umrisslinie der Membran kann ein Polygon oder im Wesentlichen ein Polygon sein; und die Länge eines Abschnitts auf einer Seite der Umrisslinie der Membran, der sich außerhalb der Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat befindet, kann nicht weniger als 1/20 und nicht mehr als 1/3 der Länge der einen Seite sein. Hierdurch ist es möglich, vorteilhaft ein Gleichgewicht zwischen dem Minimieren des Rauschens aufgrund von brownscher Bewegung der Luft und dem Vermeiden von übermäßiger Verschiebung der Membran beizubehalten. Der resultierende kapazitive Sensor und der piezoelektrische Sensor weisen zuverlässiger beide ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis auf und sind robust gegenüber dem Eingangsdruck.
Die Membran kann mit einem Anschlag versehen sein, der in einem Abschnitt der Umrisslinie der Membran, der sich außerhalb der Öffnung in dem Substrat befindet, in Richtung des Substrats ragt, und der Anschlag kann konfiguriert sein, um das Substrat zu berühren, wenn die Membran verschoben wird.
Hierdurch kann der Anschlag das Substrat berühren, wenn die Membran in Richtung des Substrats verschoben wird, wodurch der Kontaktflächenbereich zwischen der Membran und dem Substrat reduziert wird; dadurch wird verhindert, dass die Membran an dem Substrat kleben bleibt.
Die MEMS-Struktur kann ferner einen feststehenden Film beinhalten, der die Membran über einen Schlitz umgibt. Dies verhindert unbeabsichtigte Reduzierung des Drucks, der auf die Membran ausgeübt wird, wenn Luft um die Membran herum entweicht, und verbessert dadurch die Empfindlichkeit des kapazitiven Sensors. Es ist zu beachten, dass die Breite des Schlitzes weniger als 3 µm sein kann und 0,2 µm bis 0,6 µm sein kann.
Zusätzlich ist, wenn ein feststehender Film bereitgestellt wird, der die Membran über einen Schlitz umgibt, der feststehende Film konfiguriert, um die Membran vollständig zu umgeben und ist der Schlitz als eine geschlossene Kurve konfiguriert.
Dadurch wird verhindert, dass sich das Ende des Schlitzes in den äußeren Teil des feststehenden Films öffnet, wenn von der Normalen aus betrachtet, und Eindringen von Fremdpartikeln aus dem Öffnungsteil wird verhindert.
Eine Region in der Umrisslinie der Membran, die einen Winkel von nicht mehr als 3 ° mit der Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat, die am nächsten dazu ist, erzeugt, kann nicht weniger als 1 µm von der Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat sein.
Hier kann die Kante der Umrisslinie der Membran an der Kante der Öffnung hängenbleiben, wenn ein Druck die Membran verschiebt, die Membran in die Öffnung eintritt und die Membran versucht, in ihre ursprüngliche Position zurückzukehren. Wenn die Umrisslinie der Membran und die Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat fast parallel sind und um nicht weniger als ein bestimmtes Ausmaß nahe sind, kann die Membran gegebenenfalls nicht in ihre ursprüngliche Position zurückkehren.
Um dieses Problem zu verhindern, wird somit festgelegt, dass eine Region in der Umrisslinie der Membran, die einen Winkel von nicht mehr als 3 ° mit der Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat, die am nächsten dazu ist, erzeugt, nicht weniger als 1 µm von der Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat ist. Hierdurch kann der Abschnitt der Umrisslinie der Membran, der fast parallel zu der Öffnung in dem Substrat ist, die am nächsten dazu ist, in einem festen Abstand oder mehr von der Umrisslinie des Substrats angeordnet werden; dies verhindert, dass die Kante der Membran an der Kante der Öffnung des Substrats hängenbleibt.
Die nächste Umrisslinie der Öffnung des Substrats kann der Abschnitt der Umrisslinie mit dem kürzesten Abstand zu einer zuvor festgelegten Region an der Umrisslinie der Membran sein. Dies kann auch der Abschnitt der Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat sein, der eine Linie senkrecht zu der zuvor festgelegten Region schneidet, wenn von der Normalen zu der Membran aus betrachtet. Alternativ kann die nächste Umrisslinie der Öffnung des Substrats sein, wo die Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat eine gerade Linie kreuzt, die von dem Mittelteil der Membran (d. h. der Kreuzung von Symmetrielinien, wenn die Membran ein Viereck ist; oder der Mitte, wenn die Membran ein Kreis ist) gezogen wird und die vorstehend genannte Region durchläuft, wenn von der Normalen zu der Membran aus betrachtet.
Die Umrisslinie der Membran kann einen Kreuzungswinkel von nicht weniger als 30 ° aufweisen, wenn die Umrisslinie der Membran die Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat kreuzt. Somit ist es möglich, Änderungen in dem Oberflächenbereich, in dem sich die Umrisslinie der Membran außerhalb der Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat befindet, zu minimieren. Dies kann auch erreicht werden, wenn es Unterschiede zwischen der Position der Umrisslinie gibt, wenn die Öffnung in dem Substrat hergestellt wird. Anders gesagt ist es möglich, die Größe des Bereichs zu stabilisieren, in dem die Membran das Substrat in einer Draufsicht außerhalb der Öffnung überlappt. Es ist zu beachten, dass der Kreuzungswinkel der spitze (kleinere) Winkel ist, der zwischen der Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat und der kreuzenden Umrisslinie der Membran erzeugt wird. Die Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat und die Umrisslinie der Membran erzeugen einen Kreuzungswinkel von 90 °, wenn die Umrisslinien senkrecht sind.
Der Abschnitt der Umrisslinie der Membran innerhalb der Öffnung in dem Substrat, wenn von der Normalen zu der Membran aus betrachtet, kann sich in dem Mittelteil einer Seite des Polygons oder einer Kurve, die die geschlossene Kurve bildet, befinden, und der Abschnitt der Umrisslinie der Membran außerhalb der Öffnung in dem Substrat, wenn von der Normalen zu der Membran aus betrachtet, kann sich an beiden Enden des Mittelteils einer Seite des Polygons oder der Kurve, die die geschlossene Kurve bildet, befinden.
Somit ist es möglich, die Verschiebung der Membran in den Abschnitten nahe der Stützen zu begrenzen, wenn sich die Membran in Richtung der Öffnung in dem Substrat verschiebt; hierdurch wird die Konzentration von Spannung an der Stütze zuverlässiger abgemildert, wenn sich die Membran verschiebt.
Ein kapazitiver Sensor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann beliebige der vorstehend genannten MEMS-Strukturen beinhalten; und
eine Rückplatte, die gegenüber der Membran mit einem Luftspalt dazwischen angeordnet ist. In diesem Fall kann der Anker die Membran an der Rückplatte befestigen.
Ein piezoelektrischer Sensor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann beliebige der vorstehend genannten MEMS-Strukturen mit der Membran, die den piezoelektrischen Effekt aufweist, beinhalten.
Ein akustischer Sensor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann den vorstehend beschriebenen kapazitiven Sensor und den akustischen Sensor beinhalten, der akustischen Druck in Änderungen in der Kapazität zwischen der Membran und der Rückplatte umwandelt, um den akustischen Druck zu erfassen. Ein akustischer Sensor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann den vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Sensor beinhalten und der akustische Sensor wandelt akustischen Druck in Änderungen in der piezoelektrischen Spannung an der Membran um, um den akustischen Druck zu erfassen. Somit kann der akustische Sensor ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreichen und die Robustheit davon gegenüber dem Eingangsdruck verbessern.
Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Erfindung ein kapazitiver Sensor sein, der die Verschiebung einer Membran in Änderungen in der Kapazität zwischen der Membran und der Rückplatte umwandelt, oder kann ein piezoelektrischer Sensor sein, der die Verschiebung einer Membran, die den piezoelektrischen Effekt aufweist, in Änderungen in der piezoelektrischen Spannung umwandelt; und
ein Abschnitt der Umrisslinie der Membran befindet sich innerhalb einer Öffnung in einem Substrat, wenn von der Normalen aus betrachtet; und andere Abschnitte der Umrisslinie der Membran befinden sich außerhalb der Öffnung in dem Substrat, wenn von der Normalen aus betrachtet.
Das heißt, dass eine MEMS-Struktur Folgendes beinhaltet: ein Substrat, das eine Öffnung aufweist;
und eine Membran, die gegenüber der Öffnung in dem Substrat angeordnet ist;
wobei die Membran eine Stütze beinhaltet, die an dem Substrat befestigt ist; und einen oszillierenden Teil, der mit darauf ausgeübtem Druck verschoben wird; und
in einem kapazitiven Sensor, der die Verschiebung der Membran in Änderungen in der Kapazität zwischen der Membran und der Rückplatte umwandelt, oder in einem piezoelektrischen Sensor, der die Verschiebung der Membran, die den piezoelektrischen Effekt aufweist, in Änderungen in der piezoelektrischen Spannung umwandelt;
ein Abschnitt der Umrisslinie des oszillierenden Teils befindet sich innerhalb der Öffnung in dem Substrat, wenn von der Normalen aus betrachtet; und andere Abschnitte der Umrisslinie des oszillierenden Teils befinden sich außerhalb der Öffnung in dem Substrat, wenn von der Normalen aus betrachtet.
Die Membran beinhaltet einen im Wesentlichen quadrilateralen bzw. viereckigen oszillierenden Teil; und Stützen, die von den vier Ecken der Membran radial ausgehen und an den Endteilen davon die Membran an dem Substrat befestigen;
die Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat ist im Wesentlichen quadrilateral bzw. vierseitig;
der oszillierende Teil der Membran ist der Öffnung in dem Substrat zugewandt;
jede Seite des oszillierenden Teils ist nichtlinear; wodurch
sich ein Abschnitt der Umrisslinie des oszillierenden Teils innerhalb der Öffnung in dem Substrat befindet, wenn von der Normalen aus betrachtet; und sich andere Abschnitte der Umrisslinie des oszillierenden Teils außerhalb der Öffnung in dem Substrat befinden, wenn von der Normalen aus betrachtet.
In diesem Fall ist zum Beispiel, wenn die Seiten des oszillierenden Teils gewellt sind, wenn von der Normalen aus betrachtet, die Umrisslinie des oszillierenden Teils außerhalb der Öffnung in dem Substrat an den vorstehenden Abschnitten und innerhalb der Öffnung in dem Substrat an den ausgesparten Abschnitten. Hierdurch kann sich ein Abschnitt der Umrisslinie der Membran einfacher innerhalb einer Öffnung in einem Substrat befinden, wenn von der Normalen aus betrachtet; und andere Abschnitte der Umrisslinie der Membran können sich einfacher außerhalb der Öffnung in dem Substrat befinden, wenn von der Normalen aus betrachtet. Diese Konfiguration macht es auch einfach, die Breite des Spalts oder die Breite der Überlappung zwischen der Umrisslinie der Membran und der Öffnung in dem Substrat zu modifizieren, wenn von der Normalen aus betrachtet.
Die Membran kann einen im Wesentlichen vierseitigen oszillierenden Teil beinhalten; und Stützen, die von den vier Ecken der Membran radial ausgehen und an den Endteilen davon die Membran an dem Substrat befestigen;
die Umrisslinie der Öffnung in dem Substrate ist im Wesentlichen viereckig;
der oszillierende Teil der Membran ist der Öffnung in dem Substrat zugewandt;
jede Seite der Öffnung in dem Substrate ist nichtlinear; wodurch
sich ein Abschnitt der Umrisslinie des oszillierenden Teils innerhalb der Öffnung in dem Substrat befindet, wenn von der Normalen aus betrachtet; und sich andere Abschnitte der Umrisslinie des oszillierenden Teils außerhalb der Öffnung in dem Substrat befinden, wenn von der Normalen aus betrachtet.
In diesem Fall ist zum Beispiel, wenn die Seiten der Öffnung in dem Substrat gewellt sind, wenn von der Normalen aus betrachtet, die Umrisslinie des oszillierenden Teils innerhalb der Öffnung in dem Substrat an den vorstehenden Abschnitten und außerhalb der Öffnung in dem Substrat an den ausgesparten Abschnitten. Dies ermöglicht auch, dass sich ein Abschnitt der Umrisslinie des oszillierenden Teils einfacher innerhalb einer Öffnung in einem Substrat befindet, wenn von der Normalen aus betrachtet; und andere Abschnitte der Umrisslinie des oszillierenden Teils können sich einfacher außerhalb der Öffnung in dem Substrat befinden, wenn von der Normalen aus betrachtet. Diese Konfiguration macht es auch einfach, die Breite des Spalts oder die Breite der Überlappung zwischen der Umrisslinie des oszillierenden Teils und der Öffnung in dem Substrat zu modifizieren, wenn von der Normalen aus betrachtet.
Die vorstehend beschriebenen Mittel zum Angehen dieser konventionellen Probleme können auf geeignete Weise kombiniert und verwendet werden.
Auswirkungen
Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen kapazitiven Sensor, piezoelektrischen Sensor oder akustischen Sensor, hergestellt unter Anwendung von MEMS-Verarbeitungstechniken, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen, und verbessert die Robustheit der Sensoren in Bezug auf den Eingangsdruck.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für einen konventionellen akustischen Sensor veranschaulicht, der unter Anwendung von MEMS-Verarbeitungstechniken hergestellt ist;
2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für die Innenstruktur eines konventionellen akustischen Sensors veranschaulicht;
3 veranschaulicht die Form der Membran und des feststehenden Films gemäß einer ersten Ausführungsform; und veranschaulicht die Beziehung zu der Umrisslinie der Rückkammer;
4 ist eine erste vergrößerte Ansicht der Stützen für die Membran und nahe den Endteilen des oszillierenden Teils in der ersten Ausführungsform;
5 ist eine zweite vergrößerte Ansicht der Stützen für die Membran und nahe den Endteilen des oszillierenden Teils in der ersten Ausführungsform;
6 ist eine dritte vergrößerte Ansicht der Stützen für die Membran und nahe den Endteilen des oszillierenden Teils in der ersten Ausführungsform;
7 veranschaulicht Spannungsverteilungen nahe der Stütze der Membran in einem typischen Sensor und der ersten Ausführungsform;
8 veranschaulicht die Form der Membran und des feststehenden Films gemäß der ersten Ausführungsform; und veranschaulicht eine Variation in der Beziehung zu der Umrisslinie der Rückkammer;
9 veranschaulicht die Form der Membran und des feststehenden Films gemäß der ersten Ausführungsform; und veranschaulicht eine weitere Variation in der Beziehung zu der Umrisslinie der Rückkammer;
10 veranschaulicht die Arten des Schlitzes zwischen der Membran und dem feststehenden Film in der ersten Ausführungsform und in einem typischen Sensor;
11 veranschaulicht die Form einer Membran in der zweiten Ausführungsform;
12 ist eine Querschnittsansicht, die die Form einer Membran in der zweiten Ausführungsform veranschaulicht;
13 ist zum Beschreiben der Probleme mit der Membran in einem typischen Sensor;
14 veranschaulicht die Form der Membran und des feststehenden Films gemäß einer dritten Ausführungsform; und veranschaulicht die Beziehung zu der Umrisslinie der Rückkammer;
15 veranschaulicht die Form der Membran und des feststehenden Films gemäß einer vierten Ausführungsform; und veranschaulicht eine Variation in der Beziehung zu der Umrisslinie der Rückkammer;
16 veranschaulicht die Form der Membran und des feststehenden Films gemäß einer fünften Ausführungsform; und veranschaulicht eine Variation in der Beziehung zu der Umrisslinie der Rückkammer;
17 veranschaulicht die Form einer Membran in einer sechsten Ausführungsform;
18 ist eine partielle Querschnittsansicht eines Beispiels für einen typischen akustischen Sensor; und
19 ist eine partielle Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels für einen typischen akustischen Sensor.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Erste Ausführungsform
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Die folgenden Ausführungsformen sind lediglich ein Aspekt der vorliegenden Erfindung und begrenzen in keinster Weise den technischen Schutzbereich der Erfindung. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung zwar für alle kapazitiven Sensoren angewandt werden kann, die nachfolgenden Beispiele aber einen kapazitiven Sensor beschreiben, der als akustischer Sensor verwendet wird. Jedoch kann ein kapazitiver Sensor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als eine andere Art von Sensor verwendet werden, solange der Sensor die Verschiebung der Membran erfasst. Zum Beispiel kann der kapazitive Sensor anstelle eines Drucksensors als ein Beschleunigungsmesser, ein Trägheitssensor oder dergleichen verwendet werden. Neben einem Sensorelement kann der kapazitive Sensor als ein Lautsprecher verwendet werden, der elektrische Signale in Verschiebung der Membran umwandelt. In dem nachfolgend beschriebenen Beispiel ist der oszillierende Teil der Membran im Wesentlichen vierseitig und beinhaltet vier Stützen; und die Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat ist ebenfalls grob vierseitig. Jedoch können die angestrebten Effekte dennoch erhalten werden, auch wenn der oszillierende Teil der Membran nicht vierseitig ist, wie zum Beispiel mit einem Polygon oder einer geschlossenen Kurve wie zum Beispiel einem Kreis, der eine Vielzahl von Stützen beinhaltet. Die Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat kann auch andere als vierseitige Formen aufweisen, wie zum Beispiel ein Polygon oder eine geschlossene Kurve wie zum Beispiel einen Kreis.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für einen konventionellen akustischen Sensor 1 veranschaulicht, der unter Anwendung von MEMS-Verarbeitungstechniken hergestellt ist; 2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht, die ein Beispiel für die Innenstruktur des akustischen Sensors 1 veranschaulicht. Der akustische Sensor 1 weist ein Siliziumsubstrat (Substrat) 3 auf, das mit einer Rückkammer 2 versehen ist, die eine Öffnung darin ist. Der akustische Sensor 1 ist ein gestapelter Körper mit einem isolierenden Film 4, einem feststehenden Film 13, einer Membran 5 (oszillierende Elektrodenplatte) und einer Rückplatte 7, die auf der oberen Fläche des Substrats 3 geschichtet ist. Die Rückplatte 7 ist derart strukturiert, dass ein feststehender Elektrodenfilm 8 auf einer feststehenden Platte 6 mit dem feststehenden Elektrodenfilm 8 auf der Seite der feststehenden Platte 6 in Richtung des Siliziumsubstrats 3 abgeschieden wird. Die feststehende Platte 6 in der Rückplatte 7 ist durchgehend mit einer Vielzahl von Perforierungen versehen, die als Schallöffnungen dienen (d. h. jeder Punkt in dem Gitter auf der feststehenden Platte 6 in 1 und 2 entspricht einer einzelnen Schallöffnung). Zusätzlich ist ein feststehendes Elektrodenkissen bzw. -pad 10 an einer der vier Ecken des feststehenden Elektrodenfilms 8 vorgesehen, um ein Ausgangssignal zu erlangen.
Das Siliziumsubstrat 3 kann aus einem monokristallinen Silizium hergestellt sein. Die Membran 5 kann auch aus einem leitfähigen polykristallinen Silizium hergestellt sein. Die Membran 5 ist flach mit Stützen 12, die derart angeordnet sind, dass sie sich radial von den vier Ecken (d. h. diagonal von) dem oszillierenden Teil 11 erstrecken, der im Wesentlichen vierseitig ist und der oszilliert. Die Membran 5 ist an der oberen Fläche des Siliziumsubstrat 3 angeordnet, um die Rückkammer 2 abzudecken und ist über Anker (nicht gezeigt) an den Spitzen der vier Stützen 12 an dem Siliziumsubstrat 3 befestigt. Der oszillierende Teil 11 der Membran 5 reagiert auf akustischen Druck und oszilliert vertikal. Hier sind die Stützen 12 geformt, sodass sie im Wesentlichen in Richtung des Ankers ragen.
Die Membran 5 berührt weder das Siliziumsubstrat 3 noch die Rückplatte 7 außerhalb der Stellen der vier Stützen 12. Somit kann die Membran 5 leichtgängiger auf den akustischen Druck reagieren. Ein Membrankissen bzw. -pad (nicht gezeigt) ist ebenfalls an einer der Stützen 12 an den vier Ecken des oszillierenden Teils 11 vorgesehen. Der feststehende Elektrodenfilm 8, der an der Rückplatte 7 vorgesehen ist, befindet sich gegenüber dem oszillierenden Teil 11 der Membran 5 außerhalb der vier Ecken für die Stützen 12.
Es ist zu beachten, dass ein feststehender Film 13 gebildet ist, der die Membran 5 über einen Schlitz 5a umgibt, sobald der akustische Sensor 1 fertiggestellt ist. Der feststehende Film 13 ist derart konfiguriert, sodass er sich auf im Wesentlichen derselben Ebene wie die Membran 5 befindet. Der feststehende Film 13 ist an dem Substrat 3 befestigt und reagiert ohne Oszillieren auf den akustischen Druck. Der feststehende Film 13 ermöglicht, dass Luft, die bewirkt, dass sich der oszillierende Teil 11 vertikal bewegt, um die Membran 5 herum entweichen kann und damit die Beeinträchtigung der Empfindlichkeit des akustischen Sensors 1 zu minimieren.
Sobald Schall den akustischen Sensor 1 erreicht, durchläuft der Schall die Schallöffnungen und übt Druck auf die Membran 5 aus. Das heißt, dass über die Schallöffnungen ein akustischer Druck auf die Membran 5 ausgeübt wird. Das Vorsehen der Schallöffnungen erleichtert auch das Entweichen der Luft in dem Luftspalt zwischen der Rückplatte 7 und der Membran 5, wodurch das Rauschen reduziert wird.
Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration oszilliert der oszillierende Teil 11 der Membran 5 in dem akustischen Sensor 1 beim Empfangen von Schall, wodurch sich der Abstand zwischen dem oszillierenden Teil 11 und dem feststehenden Elektrodenfilm 8 ändert. Die Kapazität zwischen dem oszillierenden Teil 11 und dem feststehenden Elektrodenfilm 8 ändert sich, wenn sich der Abstand zwischen dem oszillierenden Teil 11 und dem feststehenden Elektrodenfilm 8 ändert. Entsprechend kann ein Gleichstrom zwischen einem oszillierenden Filmelektrodenkissen bzw. -pad 9, das elektrisch mit der Membran 5 verbunden ist, und dem feststehenden Elektrodenkissen 10, das elektrisch mit dem feststehenden Film 8 verbunden ist, angelegt werden, wodurch die Änderungen in der vorstehend genannten Kapazität elektrisch als ein Signal ausgegeben werden können, um dadurch den akustischen Druck als ein elektrisches Signal zu erfassen.
3 veranschaulicht die Membran 5 und den feststehenden Film 13 dieser Ausführungsform von der Normalen zu der Membran 5 aus. Die Umrisslinie der Rückkammer 2, die als eine Öffnung in dem Siliziumsubstrat 3 dient, ist in 3 durch gestrichelte Linien dargestellt. Wie in der Zeichnung veranschaulicht, ist die Umrisslinie der Membran 5 durch einen Schlitz 5a definiert, der zwischen der Membran 5 und dem feststehenden Film 13 gebildet ist. Der Einfachheit halber ist der Schlitz 5a in Zeichnungen nach 3 durch eine einzelne Linie dargestellt.
Die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 ist in dieser Ausführungsform innerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 an dem Mittelteil 11a auf jeder Seite und außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 an Endteilen 11b jeder Seite gebildet. Anders gesagt überlappt die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 nur an den Endteilen 11b jeder Seite die Umrisslinie des Siliziumsubstrats 3 außerhalb der Rückkammer 2 in einer Draufsicht.
Hierdurch wird der oszillierende Teil 11 in eine Richtung entgegengesetzt zu der Rückplatte 7 verschoben, wenn eine große Spannung von der Rückplatte 7 in Richtung der Membran 5 ausgeübt wird. Die Endteile 11b des verschobenen oszillierenden Teils 11 berühren das Siliziumsubstrat 3 in einem Bereich nahe der Umrisslinie der Rückkammer 2 und unterdrücken weitere Verschiebung des oszillierenden Teils 11. Somit ist es möglich, die Spannung, die sich an den Stützen 12 konzentriert, zu minimieren, auch wenn von der Rückkammer 7 eine große Spannung auf die Membran 5 ausgeübt wird. Es ist dadurch möglich, ein Brechen der Stützen 12 insbesondere aufgrund übermäßiger Verschiebung des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 zu verhindern. Folglich verbessert dies die Robustheit des akustischen Sensors 1 gegenüber dem Eingangsdruck.
4 veranschaulicht die Stützen 12 für die Membran 5 und nahe den Endteilen 11b des oszillierenden Teils 11 in der Ausführungsform. Die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 ist in dieser Ausführungsform innerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 an einem Mittelteil 11a auf jeder Seite und außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 an den Endteilen 11b jeder Seite gebildet. Die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 kreuzt die Umrisslinie der Rückkammer 2 in einer Region zwischen dem Mittelteil 11a und den Endteilen 11b. Folglich kreuzt die Umrisslinie der Membran 5 die Umrisslinie der Rückkammer 2 an zwei Kreuzungspunkten, zwischen denen die Stütze 12 angeordnet ist. Dieser Abschnitt entspricht der zuvor festgelegten Kreuzungsstruktur in dieser Ausführungsform. Es ist zu beachten, dass der Anker 12a an der Spitze der Stütze 12 in 4 als Schraffur dargestellt ist.
In der Ausführungsform verbindet ein Liniensegment B den Kreuzungspunkt zwischen der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 und der Umrisslinie der Rückkammer 2 und einen anderen Kreuzungspunkt, der dem vorstehend genannten Kreuzungspunkt auf einer anderen Seite des oszillierenden Teils 11 am nächsten ist. Das Liniensegment B ist konfiguriert, sodass es länger als die Breite A eines Stützteils 12 für die Membran 5 ist. Hierdurch stellen die Stützen 12 sicher, dass die Membran 5 äußerst empfindlich gegenüber akustischem Druck ist und sich leicht verformt, wenn ein Druck darauf ausgeübt wird; die Konfiguration minimiert auch die Spannung, die sich an den Stützen 12 konzentriert, wenn sich die Membran 5 verformt. Es ist zu beachten, dass die Breite A der Stützen 12 äquivalent zu der Breite der Membran 5 nahe dem Anker ist.
In dieser Ausführungsform, wie in 5 veranschaulicht, gibt es einen Wendepunkt C nahe der Kreuzungsstelle der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 und der Umrisslinie der Rückkammer 2. Somit stellt das Herstellen eines Wendepunktes C nahe der Kreuzungsstelle der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 und der Umrisslinie der Rückkammer 2 zuverlässiger sicher, dass das Liniensegment B geometrisch länger als die Breite A eines Stützteils 12 für die Membran 5 ist; dies liegt daran, dass das Liniensegment B den Kreuzungspunkt zwischen der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 und der Umrisslinie der Rückkammer 2 und einen anderen Kreuzungspunkt, der dem vorstehend genannten Kreuzungspunkt auf einer anderen Seite des oszillierenden Teils 11 am nächsten ist, verbindet.
Dies beinhaltet Fälle, bei denen der Wendepunkt C ein Punkt ist und Fälle, bei denen der Wendepunkt C ein Bereich ist. Das heißt, dass der Wendepunkt C derart konzipiert sein kann, dass sich die Richtung der Kurve auf beiden Seiten dieses Punktes umkehrt, oder derart konzipiert sein kann, dass sich die Richtung der Kurve an beiden Enden einer Region umkehrt, die eine zuvor festgelegte Größe (oder Länge) aufweist. Hier kann „Nähe“ bedeuten, dass der Wendepunkt der gleiche Punkt wie der vorstehend genannte Kreuzungspunkt ist oder leicht dazu versetzt sein kann (um zum Beispiel nicht mehr als ±50 µm).
Zusätzlich ist in dieser Ausführungsform, wie in 6 veranschaulicht, die Länge D der Endteile 11b des oszillierenden Teils 11 der Membran 5, die außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 gebildet sind, größer als oder gleich 1/20 und kleiner als oder gleich 1/3 der Länge der Seiten des oszillierenden Teils 11. Durch Experimente wurde bestimmt, dass es, wenn die Länge D der Endteile 11b des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 innerhalb dieser Spanne außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 gebildet ist, möglich ist, die Unterdrückung des Rauschens, das durch brownsche Bewegung der Luft verursacht wird, vorteilhaft auszugleichen und übermäßige Verschiebung der Membran 5 zu vermeiden. Entsprechend ist diese Ausführungsform zu einer zuverlässigeren Bereitstellung eines akustischen Sensors sowohl mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis als auch Robustheit gegenüber Eingangsdruck in der Lage.
7 veranschaulicht eine Spannungsverteilung nahe der Stützen 12 der Membran 5, wenn von der Rückplatte 7 ein großer Druck darauf ausgeübt wird. 7(a) veranschaulicht, wenn sich die gesamte Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 innerhalb der Rückkammer 2 befindet; 7(b) veranschaulicht, wenn sich die Endteile 11b der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 innerhalb der Rückkammer 2 befinden und sich der Mittelteil 11a entlang der Seiten des oszillierenden Teils 11 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befindet; und 7(c) veranschaulicht, wenn sich der Mittelteil 11a der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 innerhalb der Rückkammer 2 befindet und sich die Endteile 11b entlang der Seiten des oszillierenden Teils 11 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befinden.
Wie in den Zeichnungen veranschaulicht, ist die Spannungsverteilung nahe den Stützen, wenn ein großer Druck von der Rückplatte 7 ausgeübt wird, etwas breiter und mildert die Konzentration von Spannung an den Stützen 12 ab, wenn sich die Endteile 11b der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 innerhalb der Rückkammer 2 befinden und sich die Mittelteile 11a entlang der Seiten des oszillierenden Teils außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befinden, im Vergleich dazu, wenn sich die gesamte Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 innerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befindet.
Außerdem ist die Spannungsverteilung noch breiter und mildert die Konzentration von Spannung an den Stützen 12 weiter ab, wenn sich der Mittelteil 11a der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 innerhalb der Rückkammer 2 befindet und sich die Endteile 11b entlang der Seiten des oszillierenden Teils 11 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befinden, im Vergleich dazu, wenn sich die Endteile 11b der Umrisslinie des oszillierenden Teils der Membran 5 innerhalb der Rückkammer 2 befinden und sich der Mittelteil 11a entlang der Seiten des oszillierenden Teils außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befindet.
Die maximale Spannung, die auf die Stützen 12 ausgeübt wird, reduziert sich um bis zu 60 %, wenn sich der Mittelteil 11a der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 innerhalb der Rückkammer 2 befindet und sich die Endteile 11b entlang der Seiten des oszillierenden Teils 11 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befinden, im Vergleich dazu, wenn sich die gesamte Umrisslinie des oszillierenden Teils innerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befindet.
Es wurde kein bedeutender Unterschied in dem Signal-Rausch-Verhältnis beobachtet, als sich die gesamte Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 innerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befand, im Vergleich dazu, als sich die Endteile 11b entlang der Seiten in der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befanden.
Die vorstehend genannte Ausführungsform ist mit den Endteilen 11b entlang der Seiten der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befindlich und dem gesamten Mittelteil 11a entlang der Seiten des oszillierenden Teils 11 innerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befindlich beschrieben. Jedoch ist der oszillierende Teil 11 in der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Form begrenzt. 8 veranschaulicht eine Modifizierung der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11, bei der sich ein Abschnitt der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befindet. 8(a) und 8(b) sind Beispiele, bei denen die Umrisslinie der Rückkammer 2 einfach ein Viereck ist und jede Seite der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 modifiziert ist.
Konkreter befindet sich in 8(a), wie vorstehend beschrieben, der gesamte Mittelteil 11a entlang der Seiten der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 innerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 und befinden sich die Endteile 11b entlang der Seiten der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2. Im Gegensatz dazu ist 8(b) ein Beispiel, bei dem sich ein zusätzlicher Abschnitt des Mittelteils 11a entlang der Seiten der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befindet.
Wie mit den Variationen in 8(a) und 8(b) veranschaulicht, kann die Vorrichtung derart konfiguriert sein, dass sich die Endteile 11b der Seiten der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befinden. Durch Experimente wurde bestimmt, dass diese Konfiguration die Konzentration von Spannung an den Stützen 12 minimiert und die Robustheit des akustischen Sensors 1 gegenüber Eingangsdruck stark erhöht. Daher ist auf Grundlage der Ergebnisse des Analysierens der Spannungsverteilungen in 7 das Minimieren der Verschiebung des oszillierenden Teils 11 nahe der Stützen 12 effektiver beim Minimieren der an den Stützen 12 konzentrierten Spannung. Daher sollten sich vorzugsweise die Endteile 11b nahe der Stützen 12 in der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befinden.
Als nächstes veranschaulicht 9 eine Variation, bei der der oszillierende Teil 11 der Membran 5 einfach ein Viereck ist, wobei die Seiten in der Umrisslinie der Rückkammer 2 modifiziert sind. Der Mittelteil 2a der Seiten der Umrisslinie der Rückkammer 2 ragt wie in 9(a) und 9(b) veranschaulicht hervor; hierdurch ist der Mittelteil jeder Seite in der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 relativ zu der Umrisslinie der Rückkammer 2 innerhalb. Der Mittelteil 2a ist auch relativ zu den Endteilen 2b der Umrisslinie der Rückkammer 2 konkav; hierdurch sind die Endteile der Seiten der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 relativ zu der Umrisslinie der Rückkammer 2 außerhalb.
In dieser Ausführungsform umgibt der feststehende Film 13 die gesamte Membran 5, einschließlich der Stützen 12, wie in 10(a) veranschaulicht; und der Schlitz 5a ist als eine geschlossene Kurve konfiguriert. Während der Herstellung können Fremdobjekte in den exponierten Abschnitt des Schlitzes 5a eintreten oder ein unbeabsichtigtes Ende des Schlitzes 5a erzeugen; vor diesem Hintergrund stellt somit die vorstehende Konfiguration sicher, dass der Schlitz 5a zwischen der Membran 5 und dem feststehenden Film 13 den äußeren Teil des feststehenden Films 13 freilegt.
Zweite Ausführungsform
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform dargelegt. In dieser Ausführungsform ist der Bereich der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 näher an den Endteilen 11b der Seiten hergestellt, d. h. näher an den Stützen 12. Konkreter sind in diesem Beispiel die Endteile 11b mit konvexen Anschlägen versehen, die das Substrat 3 berühren, wenn der oszillierende Teil 11 in Richtung des Substrats 3 verschoben wird.
11 veranschaulicht den oszillierenden Teil 11, die Stützen 12, den feststehenden Film 13 und die Rückkammer 2 dieser Ausführungsform von der Normalen dazu aus; konkreter ist 11(a) eine Gesamtdraufsicht; und 11(b) ist eine auseinandergezogene Ansicht nahe der Stützen 12. 12(a) veranschaulicht den Querschnitt A-A' in 11(b); und 12(b) veranschaulicht den Querschnitt B-B' in 11(b). Wie in 11 (b) und 12(b) veranschaulicht ist, insbesondere in dieser Ausführungsform, ein konkaver Anschlag 5b an dem oszillierenden Teil 11 in Richtung des Substrats 3 in dem Bereich der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 vorgesehen. Somit berührt der Anschlag 5b die äußere Fläche des Substrats 3, wenn sich der oszillierende Teil 11 in Richtung der Rückkammer 2 verschiebt, aufgrund eines größeren Drucks, der von der Rückplatte 7 darauf ausgeübt wird. Dies reduziert den Kontaktflächenbereich des oszillierenden Teils 11 und des Substrats 3, wenn der oszillierende Teil 11 das Substrat 3 berührt; ferner verhindert dies, dass der oszillierende Teil 11 an dem Substrat 3 festklebt, wenn der oszillierende Teil 11 das Substrat 3 berührt.
Dritte Ausführungsform
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform dargelegt. In dieser Ausführungsform sind die Umrisslinien des oszillierenden Teils 11 und der Rückkammer 2 nicht weniger als einen zuvor festgelegten Abstand voneinander entfernt, wobei die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 und die Umrisslinie der Rückkammer 2, die am nächsten dazu ist, einen zuvor festgelegten Winkel bilden.
13(a) und 13(b) stellen Probleme dar, wenn die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 (d. h. die Kanten in der Seitenansicht, nachfolgend ebenso bezeichnet) übermäßig nahe an der Umrisslinie (Kanten) der Rückkammer 2 sind; konkreter stellt 13(a) die Beziehung zwischen der Umrisslinie (Kanten) des oszillierenden Teils 11 und der Umrisslinie (Kanten) der Rückkammer 2 dar, wenn die Membran 5 Druck ausgesetzt wird; und 13(b) stellt dar, was auftreten kann, wenn die Membran 5 Druck ausgesetzt ist.
Das heißt, wenn sich die Kanten des oszillierenden Teils 11 zu nahe an die Kanten der Rückkammer 2 bewegen, verschiebt sich der oszillierende Teil 11 vorübergehend in die entgegengesetzte Richtung und tritt in die Rückkammer 2 ein, wenn der oszillierende Teil 11 einem großen Druck von der Rückplatte 7 ausgesetzt ist, wie in 13(a) veranschaulicht. In einigen Fällen, wenn er versucht, in seine ursprüngliche Position zurückzukehren, bleiben die Kanten des oszillierenden Teils 11 an den Kanten der Rückkammer 2 hängen und der oszillierende Teil 11 kann nicht in seine ursprüngliche Position zurückkehren.
Im Gegensatz dazu erzeugen in dieser Ausführungsform, wenn von der Normalen aus betrachtet, die Kanten des oszillierenden Teils 11 und die Kanten der Rückkammer 2, die dazu am nächsten sind, einen zuvor festgelegten Winkel, d. h. nicht mehr als 3 °. Insbesondere in diesem Bereich sind die Kanten des oszillierenden Teils 11 und der Rückkammer 2 in einem zuvor festgelegten Abstand voneinander entfernt, z. B. nicht weniger als 1 µm oder nicht weniger als 3 µm.
14 veranschaulicht eine Draufsicht der Membran 5, des feststehenden Films 13 und der Umrisslinie der Rückkammer 2 in dieser Ausführungsform von der Normalen zu der Membran 5. Wie aus 14 ersichtlich ist, befinden sich die Bereiche 11d, 11e, an denen die Umrisslinien des oszillierenden Teils 11 und der Rückkammer 2, die am nächsten dazu sind, einen Winkel von nicht mehr als 3 ° bilden, nicht weniger als 1 µm von der Umrisslinie der Rückkammer 2 entfernt. Es ist zu beachten, dass zwar nur die Bereiche 11d, 11e mit Bezugszeichen versehen sind, die anderen drei Seiten der Umrisslinie jedoch identisch konfiguriert sind.
Hierdurch ist die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 nicht weniger als 1 µm von der Umrisslinie der Rückkammer 2 entfernt, außerhalb derer die Umrisslinien des oszillierenden Teils 11 und der Rückkammer 2, die am nächsten dazu sind, einen großen Winkel bilden, z. B. Außenabschnitte 11f, an denen sich die Umrisslinien kreuzen. Dies minimiert die Wahrscheinlichkeit, dass, wenn einem großen Druck von der Rückplatte 7 ausgesetzt, die Kanten des oszillierenden Teils 11 an den Kanten der Rückkammer 2 stecken bleiben und nicht mehr in ihre ursprüngliche Position zurückkehren können. Somit ist es möglich, eine Situation zu vermeiden, in der sich der oszillierende Teil 11 biegt und die Mittelregion die Rückplatte 7 berührt.
Es ist zu beachten, dass in dieser Ausführungsform die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 nicht weniger als 1 µm von der Kante der Rückkammer 2 festgelegt ist, insbesondere, wenn die Umrisslinien des oszillierenden Teils 11 und der Rückkammer 2, die am nächsten dazu sind, einen Winkel von nicht mehr als 3 ° bilden, wird dieser Bereich aus den folgenden Gründen ausgewählt. Anders gesagt ist die Idee, dass die Kanten des oszillierenden Teils 11 mit einem bestimmten Winkel zwischen den Kanten der Rückkammer 2 und dem oszillierenden Teil 11 dazu neigen, nicht an den Kanten der Rückkammer 2 steckenzubleiben; und dass dies Fälle beinhaltet, bei denen sich die Kanten des oszillierenden Teils 11 und der Rückkammer 2 kreuzen.
In der vorstehend genannten Ausführungsform kann die nächste Umrisslinie der Rückkammer 2 der Abschnitt der Umrisslinie mit dem kürzesten Abstand zu einer zuvor festgelegten Region der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 sein. Die nächste Umrisslinie der Rückkammer 2 kann der Abschnitt der Umrisslinie der Rückkammer 2 sein, der eine Linie senkrecht zu der Umrisslinie der Membran kreuzt, wenn von der Normalen zu der Membran aus betrachtet. Alternativ kann die nächste Umrisslinie der Rückkammer 2 sein, wo die Umrisslinie der Rückkammer 2 eine gerade Linie kreuzt, die von dem Mittelteil des oszillierenden Teils 11 (d. h. der Kreuzung von Symmetrielinien, wenn der oszillierende Teil 11 ein Viereck ist; oder der Mitte, wenn der oszillierende Teil 11 ein Kreis ist) gezogen wird und die vorstehend genannte Region durchläuft, wenn von der Normalen zu dem oszillierenden Teil 11 aus betrachtet.
Wie in 14 veranschaulicht, wird in dieser Ausführungsform der Winkel, in dem sich die Umrisslinien des oszillierenden Teils 11 und der Rückkammer 2 kreuzen, als 45 ° genommen. Wenn der Kreuzungswinkel größer als 30 ° ist, ist es dadurch möglich, die Änderungen des Oberflächenbereichs zu minimieren, wo die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 angeordnet ist. Dies kann sogar der Fall sein, wenn es Unterschiede zwischen der Position der Umrisslinie gibt, wenn die Rückkammer 2 hergestellt wird. Anders gesagt ist es möglich, die Größe des Bereichs zu stabilisieren, in dem der oszillierende Teil 11 der Membran 5 das Siliziumsubstrat 3 in einer Draufsicht außerhalb der Rückkammer 2 überlappt.
Vierte Ausführungsform
Als nächstes wird eine vierte Ausführungsform dargelegt. Die beschriebene Ausführungsform ist ein Beispiel für den oszillierenden Teil in der Membran, der andere Formen als ein Viereck aufweist.
15 veranschaulicht Variationen in der Umrisslinie der Membran 5 in dieser Ausführungsform; 15(a) ist ein Beispiel, bei dem die Umrisslinien der Rückkammer 2 und des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 im Wesentlichen hexagonal sind. In diesem Fall sind insgesamt sechs Stützen 12 vorgesehen, die von den Ecken strahlenförmig ausgehen. 15(b) ist ein Beispiel, bei dem die Umrisslinien der Rückkammer 2 und des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 im Wesentlichen oktagonal sind. In diesem Fall sind insgesamt acht Stützen 12 vorgesehen, die von den Ecken strahlenförmig ausgehen. 15(c) ist ein Beispiel, bei dem die Rückkammer 2 eine kreisförmige Umrisslinie aufweist und der oszillierende Teil 11 der Membran 5 eine im Wesentlichen vierseitige Umrisslinie aufweist, wobei der Mittelteil 11a nach außen gebogen ist. In diesem Fall sind insgesamt vier Stützen 12 bereitgestellt, die ähnlich der ersten Ausführungsform von den Ecken strahlenförmig ausgehen.
Somit kann die Form des oszillierenden Teils und die Anzahl an Stützen nach Bedarf gemäß der Form des Substrats und den Anforderungen für den kapazitiven Sensor modifiziert werden. Wie aus 15 ersichtlich ist, befindet sich die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 innerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 an dem Mittelteil 11a und außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 an den Endteilen 11b. Jedoch kann sich ein beliebiger Teil der Außenlinie des oszillierenden Teils 11 außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befinden; zusätzlich kann gemäß den Anforderungen für den kapazitiven Sensor sicherlich auf geeignete Weise modifiziert werden, ob sich ein Teil der Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 innerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2 befindet.
Fünfte Ausführungsform
Als nächstes wird eine fünfte Ausführungsform dargelegt. Die beschriebene Ausführungsform ist ein Beispiel für das Vermischen von Regionen der Umrisslinie des oszillierenden Teils der Membran, die sich mit der Öffnung in dem Substrat kreuzen, und anderen Regionen der Umrisslinie, die sich nicht mit der Öffnung kreuzen.
16 veranschaulicht Variationen in der Umrisslinie der Membran 5 in dieser Ausführungsform; 16(a) ist ein Beispiel, bei dem der oszillierende Teil 11 im Wesentlichen viereckig ist. Die gegenüberliegenden oberen und unteren Seiten davon befinden sind außerhalb der Umrisslinie der Rückkammer 2, und die gegenüberliegenden linken und rechten Seiten befinden sich im Inneren. 16(b) ist ein Beispiel, bei dem der oszillierende Teil 11 im Wesentlichen viereckig ist und sich die Enden der Teile 11b nahe zwei gegenüberliegenden Winkeln befinden, ohne Endteile 11b an den übrigen zwei gegenüberliegenden Winkeln. 16(c) ist ein Beispiel, bei dem die Umrisslinien der Rückkammer 2 und des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 im Wesentlichen oktagonal sind, wobei sich spitze Winkel mit Endteilen 11b mit spitzen Winkeln ohne Endteile 11b abwechseln.
Somit muss die Membran 5 in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einfach eine Kreuzungsstruktur besitzen, wobei sich die Umrisslinie der Membran 5 und die Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat an zumindest einer oder mehreren Stellen kreuzen, wenn von der Normalen zu der Membran 5 aus betrachtet. Dies beinhaltet das Vermischen von Regionen, bei denen die Umrisslinien des oszillierenden Teils 11 der Membran 5 und der Rückkammer 2 einen Kreuzungspunkt aufweisen, und Regionen, bei denen die Umrisslinien des oszillierenden Teils 11 und der Rückkammer 2 keinen Kreuzungspunkt aufweisen.
Sechste Ausführungsform
Als nächstes wird eine sechste Ausführungsform dargelegt. Die beschriebene Ausführungsform ist ein Beispiel, bei dem die Umrisslinie des oszillierenden Teils in der Membran im Wesentlichen kreisförmig ist.
17 veranschaulicht, wenn die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 in der Membran 5 in dieser Ausführungsform kreisförmig ist. In diesem Beispiel erstrecken sich vier Stützen 12 getrennt um 90 °C entlang des Radius. Außerdem sind die Endteile 11b an beiden Enden eines gekrümmten Abschnitts zwischen Stützen 12 vorgesehen. Die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 ist außerhalb der Umrisslinie der kreisförmigen Rückkammer 2 an den Endteilen 11b. Die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 ist innerhalb der Umrisslinie der kreisförmigen Rückkammer 2 an dem Mittelteil 11a des gekrümmten Abschnitts zwischen Stützen 12. Es ist zu beachten, dass der gekrümmte Abschnitt zwischen Stützen 12 in der Membran 5 in 17 einer gebogenen Linie entspricht, die in der vorliegenden Erfindung die geschlossene Kurve bildet.
Auf diese Weise ist die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 in der Membran 5 in der vorliegenden Erfindung nicht auf ein Polygon wie zum Beispiel ein Tetragon beschränkt. Diese Ausführungsform ist ein Beispiel dafür, dass die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 ein Kreis ist; jedoch kann die Umrisslinie des oszillierenden Teils 11 eine andere geschlossene Kurve als ein Kreis sein.
Die vorstehenden Ausführungsformen stellen Beispiele bereit, bei denen die Stützen 12 der Membran 5 über Anker 12a an dem Substrat 3 befestigt sind; jedoch können die Stützen 12 für die Membran 5 über Anker 12a an der Rückplatte 7 befestigt sein. Die vorstehenden Ausführungsformen stellen Beispiele für die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen kapazitiven Sensor bereit; jedoch kann die vorliegende Erfindung auf andere Arten von Sensoren angewandt werden. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung ähnlich in einem piezoelektrischen Sensor angenommen werden. Hier besteht die Membran aus einem Material, das den piezoelektrischen Effekt aufweist und Verschiebung der Membran wird als Änderungen in der piezoelektrischen Spannung erfasst. In diesem Fall ist keine Rückplatte erforderlich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5452268 [0002]

Claims

MEMS-Struktur, umfassend: ein Substrat, das eine Öffnung aufweist; eine Membran, die gegenüber der Öffnung in dem Substrat angeordnet ist; eine Vielzahl von Ankern, die die Membran an dem Substrat oder an einer anderen Komponente befestigen; und einen feststehenden Film, der die Membran über einen Schlitz umgibt; wobei die Umrisslinie der Membran in Richtung der Anker ragt; und eine zuvor festgelegte Kreuzungsstruktur aufweist, wobei, wenn von der Normalen zu der Membran aus betrachtet, die Membran an zumindest einer Stelle auf der Membran zwischen zwei Kreuzungspunkten der Umrisslinie der Membran und der Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat in Richtung der Anker ragt; wobei die Kreuzungsstruktur derart konfiguriert ist, dass: der Abstand zwischen den zwei Kreuzungspunkten größer ist als die Breite der Membran an einer Stelle, die einem Anker am nächsten ist.
MEMS-Struktur nach Anspruch 1, wobei die Umrisslinie der Membran einen Wendepunkt nahe dem Kreuzungspunkt beinhaltet.
MEMS-Struktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei: die Umrisslinie der Membran ein Polygon oder im Wesentlichen ein Polygon ist; und die Länge eines Abschnitts auf einer Seite der Umrisslinie der Membran, der sich außerhalb der Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat befindet, nicht weniger als 1/20 und nicht mehr als 1/3 der Länge der einen Seite ist.
MEMS-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Membran mit einem Anschlag versehen ist, der in einem Abschnitt der Umrisslinie der Membran, der sich außerhalb der Öffnung in dem Substrat befindet, in Richtung des Substrats ragt, und der Anschlag konfiguriert ist, um das Substrat zu berühren, wenn die Membran verschoben wird.
MEMS-Struktur nach Anspruch 1, wobei der feststehende Film konfiguriert ist, um die Membran vollständig zu umgeben und der Schlitz als eine geschlossene Kurve konfiguriert ist.
MEMS-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: eine Region in der Umrisslinie der Membran, die einen Winkel von nicht mehr als 3 ° mit der Umrisslinie in der Öffnung in dem Substrat, die am nächsten dazu ist, erzeugt, nicht weniger als 1 µm von der Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat ist.
MEMS-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: die Umrisslinie der Membran einen Kreuzungswinkel von nicht weniger als 30 ° an den Kreuzungspunkten aufweist, wenn die Umrisslinie der Membran die Umrisslinie der Öffnung in dem Substrat kreuzt.
MEMS-Struktur nach Anspruch 3, wobei: sich der Abschnitt der Umrisslinie der Membran innerhalb der Öffnung in dem Substrat, wenn von der Normalen zu der Membran aus betrachtet, in dem Mittelteil einer Seite des Polygons oder einer Kurve, die die geschlossene Kurve bildet, befindet, und sich der Abschnitt der Umrisslinie der Membran außerhalb der Öffnung in dem Substrat, wenn von der Normalen zu der Membran aus betrachtet, an beiden Enden des Mittelteils einer Seite des Polygons oder der Kurve, die die geschlossene Kurve bildet, befindet.
Kapazitiver Sensor, umfassend: eine MEMS-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8; und eine Rückplatte, die gegenüber der Membran mit einem Luftspalt dazwischen angeordnet ist.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 9, wobei der Anker die Membran an der Rückplatte befestigt.
Piezoelektrischer Sensor, umfassend: eine MEMS-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8; und die Membran weist den piezoelektrischen Effekt auf.
Akustischer Sensor, umfassend: einen kapazitiven Sensor nach Anspruch 9 oder 10 und den akustischen Sensor, der akustischen Druck in Änderungen in der Kapazität zwischen der Membran und der Rückplatte umwandelt, um den akustischen Druck zu erfassen.
Akustischer Sensor, umfassend: einen piezoelektrischen Sensor nach Anspruch 11 und den akustischen Sensor, der akustischen Druck in Änderungen in der piezoelektrischen Spannung an der Membran umwandelt, um den akustischen Druck zu erfassen.