KR101729430B1 - 통합된 배면 캐비티를 갖는 mems 음향 센서 - Google Patents

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마틴 림
시앙 리
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Abstract

MEMS 디바이스가 개시된다. MEMS 디바이스는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 제1 플레이트; 및 제1 기판에 부착되는 앵커를 포함한다. MEMS 디바이스는 제1 플레이트에 부착되는 제3 표면 및 제4 표면을 갖는 제2 플레이트를 더 포함한다. 연결 장치는 앵커를 제1 플레이트에 연결하며, 제1 플레이트 및 제2 플레이트는 제1 플레이트의 제1 표면과 제2 표면 사이의 음향 차압의 존재로 변위된다. 제1 플레이트, 제2 플레이트, 연결 장치 및 앵커는 모두 제1 기판 및 제2 기판에 의해 형성되는 인클로저 내에 포함되며, 제1 및 제2 기판 중 하나는 제1 플레이트의 제1 표면을 환경에 노출시키는 관통 개구부를 포함한다.

Description

통합된 배면 캐비티를 갖는 MEMS 음향 센서{MEMS ACOUSTIC SENSOR WITH INTEGRATED BACK CAVITY}
본 발명은 일반적으로 MEMS 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는, MEMS 마이크에 관한 것이다.
가장 상업적으로 이용 가능한 MEMS 마이크 또는 실리콘 마이크는 2개의 칩으로서, 기판에 부착되는 주문형 반도체(ASIC)칩 및 MEMS칩에 의해 형성된다. 이러한 칩들은 일반적으로 전도성 커버 또는 리드(lid)에 의해 밀봉된다. 음향 입력은 마이크의 상단면 상의 개구부 또는 기판 상의 개구부로부터 제공될 수 있다. 전형적으로, 음향 입력이 상단으로부터인 상업적 응용들에서, 음향 배면 캐비티는 주로 MEMS 칩 및 기판 아래의 용적에 의해 형성된다. 대조적으로, 음향 입력이 하단으로부터인 상업적 응용들에서, 음향 캐비티는 기판 및 커버에 의해 밀봉된 용적에 의해 전형적으로 형성된다.
MEMS 마이크가 더 낮은 비용으로 보다 용이하게 제조되는 것을 가능하게 하는 MEMS 마이크에 대한 개선들을 제공하는 것이 바람직하다. MEMS 마이크에 대한 개선은 용이하게 구현되고, 비용 효율적이고, 기존 제조 프로세스들에 적응 가능해야 한다.
본 발명은 그러한 요구를 다룬다.
MEMS 디바이스가 개시된다. MEMS 디바이스는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 제1 플레이트; 및 제1 기판에 부착되는 앵커를 포함한다. MEMS 디바이스는 제1 플레이트에 부착되는 제3 표면 및 제4 표면을 갖는 제2 플레이트를 더 포함한다. 연결 장치는 앵커를 제1 플레이트에 연결하며, 제1 플레이트 및 제2 플레이트는 제1 플레이트의 제1 표면과 제2 표면 사이의 음향 차압의 존재로 변위된다. 제1 플레이트, 제2 플레이트, 연결 장치 및 앵커는 모두 제1 기판 및 제2 기판에 의해 형성되는 인클로저 내에 위치되며, 제1 및 제2 기판 중 하나는 제1 플레이트의 제1 표면을 환경에 노출시키는 관통 개구부를 포함한다.
첨부 도면들은 본 발명의 수개의 실시예들을 예시하고, 기술과 함께, 본 발명의 원리들을 설명하는 역할을 한다. 당업자는 도면들에 예시되는 특정 실시예들이 단지 예시적이고, 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다는 점을 손쉽게 이해한다.
도 1a 및 도 1b는 비틀림 마이크의 디바이스층의 평면도의 상이한 실시예들을 도시한다.
도 2a는 도 1a에서의 2A-2A를 따른 통합된 배면 캐비티를 갖는 비틀림 마이크의 단면도를 도시한다.
도 2b는 도 1b에서의 2B-2B를 따른 통합된 배면 캐비티를 갖는 비틀림 마이크의 단면도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 비틀림 컴플라이언스를 갖는 연결 장치에 대한 상징적 표현을 사용하여 비틀림 마이크의 작동을 도시한다.
도 4는 피스톤 마이크의 디바이스층의 평면도의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 도 4에서의 5-5를 따른 통합된 배면 캐비티를 갖는 피스톤 마이크의 단면도를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 굽힘 컴플라이언스를 갖는 연결 장치에 대한 상징적 표현을 사용하여 피스톤 마이크의 작동을 도시한다.
도 7은 비틀림 마이크에 대한 대안적인 제조 옵션들을 도시한다.
도 8은 피스톤 마이크에 대한 대안적인 제조 옵션들을 도시한다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 본 발명에 대한 패키징 방식들을 도시한다.
도 10은 다른 MEMS 디바이스를 갖는 MEMS 마이크의 통합의 일 예를 도시한다.
본 발명은 일반적으로 MEMS 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 마이크와 같은 MEMS 음향 센서에 관한 것이다. 이하의 설명은 당업자가 본 발명을 구성하고 사용하는 것을 가능하게 하기 위하여 제공되고 특허 출원 및 그것의 필요 요건의 맥락으로 제공된다. 설명된 실시예들 및 본원에 설명된 일반적인 원리들 및 특징들의 다양한 변경들이 당업자에게 손쉽게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에 제한되도록 의도되지 않고, 본원에 설명되는 원리들 및 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위에 부합할 것이다.
설명되는 실시예들에서, 미세 전자 기계 시스템들(MEMS)은 반도체형 공정들을 사용하여 제작되고 움직이거나 변형하는 능력과 같은 기계적 특성들을 나타내는 구조체들 또는 디바이스들의 부류를 지칭한다. MEMS 디바이스들은 흔히 전기적 신호들과 상호 작용하지만 항상은 아니다. MEMS 디바이스들은 자이로스코프, 가속도계, 자력계, 압력 센서, 마이크 및 무선 주파수 구성 요소를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. MEMS 구조체를 포함하는 실리콘 웨이퍼는 MEMS 웨이퍼로 지칭된다.
설명되는 실시예들에서, MEMS 디바이스는 미세 전자 기계 시스템으로서 구현되는 반도체 디바이스를 지칭할 수 있다. MEMS 구조체는 더 큰 MEMS 디바이스의 일부일 수 있는 임의의 특징부를 지칭할 수 있다. 기계적 능동 MEMS 구조체를 갖는 반도체층은 디바이스층으로 지칭된다. 공학적 실리콘 온 인슐레이터(ESOI) 웨이퍼는 실리콘 디바이스층 또는 기판 아래에 캐비티들을 갖는 SOI 웨이퍼를 지칭할 수 있다. 처리 웨이퍼는 통상적으로 실리콘 온 인슐레이터 웨이퍼에서 더 얇은 실리콘 디바이스 기판에 대한 수용체로 사용되는 더 두꺼운 기판을 지칭한다. 처리 기판 및 처리 웨이퍼는 상호 교체될 수 있다.
설명되는 실시예들에서, 캐비티는 기판 웨이퍼에서의 개구부 또는 음각부를 지칭할 수 있고 인클로저는 완전히 밀봉된 공간을 지칭할 수 있다. 포스트는 기계적 지지를 위한 MEMS 디바이스의 캐비티에서의 수직 구조체일 수 있다. 스탠드오프(standoff)는 전기적 접촉을 제공하는 수직 구조체이다.
설명되는 실시예들에서, 배면 캐비티는 압력 등화 채널들(PEC)을 통하여 주변 압력에 등화되는 부분적으로 밀봉된 캐비티를 지칭할 수 있다. 일부 실시예들에서, 배면 캐비티는 또한 배면 챔버로 지칭된다. CMOS-MEMS 디바이스 내에 형성되는 배면 캐비티는 통합된 배면 캐비티로 지칭될 수 있다. 또한 통풍 또는 누설 채널들/경로들로 지칭되는 압력 등화 채널들은 주변 압력에 대한 배면 캐비티의 낮은 주파수 또는 정지 압력 등화에 대한 음향 채널들이다.
설명되는 실시예들에서, 힘을 가할 때 움직이는 MEMS 디바이스 내의 강성 구조체는 플레이트로 지칭될 수 있다. 강성 플레이트들이 설명되는 실시예들에 대해 바람직하지만, 반강성 플레이트들 또는 변형 가능 막들이 강성 플레이트들을 대체할 수 있다. 플레이트들은 실리콘, 실리콘 함유 재료(예를 들어, 폴리실리콘, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물), 반도체 공정들에서 사용되는 금속 및 재료(예를 들어, 알루미늄 질화물, 게르마늄)로 이루어질 수 있다. 배면 플레이트는 적어도 하나의 전극을 포함하는 속이 찬 플레이트이거나 천공된 플레이트일 수 있다. 전극은 반도체 공정 호환 가능 전도성 재료들(예를 들어, 폴리실리콘, 실리콘, 알루미늄, 구리, 니켈, 티타늄, 크롬, 금)로 이루어질 수 있다. 전극들은 하나 이상의 표면 상에 절연막들을 가질 수 있다.
설명되는 실시예들에서, 천공들은 플레이트들을 이동시키는데 공기 제동을 감소시키는 음향 개구부들을 지칭한다. 음향 포트는 음압을 감지하는 개구부일 수 있다. 음향 배리어는 음압이 디바이스의 일정 부분들에 도달하는 것을 방지하는 구조체일 수 있다. 연결 장치는 앵커를 통해 기판에 전기 전도성 및 순응하는 부착을 제공하는 구조체이다. 확장된 음향 갭은 포스트의 에칭하고 PEC 위에 부분적 포스트 오버랩을 생성하는 단계에 의해 생성될 수 있다. 평면 내 범프 정지부들은 플레이트들이 (예를 들어, 기계적 충격 하에서) 원하는 것보다 더 많이 이동하면, 플레이트의 평면의 이동의 범위를 제한한다. 마찬가지로 회전 범프 정지부는 평면 외 회전으로 인한 평면에 수직인 변위를 제한하는 플레이트의 연장부들이다.
설명되는 실시예들에서, MEMS 디바이스의 구조체들(플레이트들) 및 CMOS 기판 상에 형성되는 전극들은 센서 커패시터들을 형성한다. 센서 커패시터들은 음압으로 인한 커패시턴스의 변화의 검출을 위해 전기적으로 바이어싱(biasing)된다.
본 발명의 특징들을 보다 상세히 설명하기 위해, 이제 첨부 도면들과 함께 이하의 설명을 참조한다.
도 1a 및 도 1b는 비틀림 마이크의 디바이스층들(100A 및 100B)의 평면도의 상이한 실시예들을 도시한다. 도 1a 및 도 1b 는 제1 플레이트(140, 142)의 제1 표면 상에서 음압을 감지하는 제1 플레이트(140, 142), 및 천공들(160)과 앵커(240, 242)에 부착되는 연결 장치(250, 252)를 갖는 제2 플레이트(150)를 도시한다. 일 실시예에서, 제1 플레이트(140, 142) 및 제2 플레이트(150)는 강성이다. 도 1a와 도 1b 사이의 차이는 연결 장치들(250, 252)의 위치이다. 상이한 실시예는 4개의 연결 장치가 도 1a 및 도 1b에 중심 컷아웃부를 부가하는 것을 야기하는 연결 장치들(250 및 252)의 조합을 포함할 수 있다. 디바이스로의 음향 입력만이 음향 포트(190)를 통할 것을 보장하기 위해, 제1 플레이트(140, 142)는 압력 등화 채널(PEC)(230, 232)에 의해 부분적으로 둘러 싸여지고, 디바이스층(100A, 100B)은 시일(260)에 의해 둘러 싸여진다(도 2a 및 도 2b).
힘이 제1플레이트(140, 142)의 제1 표면 상에 가해질 때(음압 변형), 제1 플레이트(140, 142)가 연결 장치들(250, 252)을 통과하는 축 주변에서 회전 변위되므로, 제2 플레이트(150)는 반대 방향으로 변위된다(동일한 축 주변의 회전 변위). 연결 장치들(250, 252)은 이동에 대하여 작용하는 비틀림 복원력들을 형성하고 외부에서 가해지는 음향 힘이 영이면, 플레이트들을 그것들의 초기 위치로 가져올 것이다. 원하지 않는 평면 내 이동은 원하지 않는 이동/회전이 높은 진폭을 갖는 위치들 예를 들어, 연결 장치들(250, 252)에서 가장 먼 위치들에 평면 내 범프 정지부들(340)을 도입함으로써 제한될 수 있다. 평면 내 범프 정지부들(340)은 제2 플레이트(150), 디바이스층(100A, 100B), 제1 플레이트(140, 142) 또는 이들의 임의의 조합 상에서 한정되고 제조될 수 있다.
일 실시예에서, 회전 범프 정지부들(350)을 형성하는 돌출탭들이 제1 플레이트(140, 142) 및 제2 플레이트(150)의 회전을 제한하도록 구비된다. 적절한 설계에 의해, 회전 범프 정지부들(350)은 범위 조건 내외 팁으부터의 회복을 위해 제1 및 제2 플레이트(140, 142 및 150)와 도 2a 및 도 2b에 도시된 전극(170) 사이의 가능성 있는 차이의 감소 또는 이것을 벗어나는 것에 대한 필요를 제거할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 각각 도 1a 및 도 1b에서의 2A-2A 및 2B-2B를 따른 통합된 배면 캐비티(130)를 갖는 비틀림 마이크(200A 및 200B)의 단면도를 도시한다. 일 실시예에서, 통합된 배면 캐비티(130)는 “웨이퍼 팩킹 환경에서의 Al/Ge 접합의 제작 방법 및 그것으로부터 생산된 제품(Method of Fabrication of a Al/Ge Bonding in a Wafer Packing Environment and a Product Produced Therefrom)”이라는 명칭의 공동 소유의 미국 특허 제 7,442,570호(참조로 본원에 포함됨)에 설명되는 바와 같은 프로세스들에 의한 전도성 합금(공융 물질) 접합(200)에 의해 제1 기판(110)에 추가로 접합되는 디바이스층(100A 및 100B)과 제2 기판(120) 사이의 융합 접합(220)에 의해 형성된다.
배면 캐비티(130)의 정지 압력은 PEC(230 및 232)를 통한 공기 흐름을 통하여 주변 압력에 의해 등화된다. 이상적으로, PEC(230 및 232)는 관심 있는 주파수 범위(예를 들어, 100 ㎐ 이상)에서 공기 흐름에 높은 저항, 및 정지 압력 변화들에 이르기까지의 더 낮은 주파수들에서 낮은 저항을 제공한다. 연결 장치들(250)은 기계적 그리고 전기적 둘 다로 스탠드오프들(180)에 부착된다. 일 실시예에서, 스탠드오프들(180)은 합금 또는 공융 물질 접합을 통하여 제1 기판(110)의 상단 전도성 층들에 기계적으로 그리고 전기적으로 연결되는 디바이스층의 리소그래피로 한정된 돌출 부재들이다. 일 실시예에서, 디바이스층(100A 및 100B)은 제1 플레이트(140), 천공들(160)을 갖는 제2 플레이트(150), PEC(230, 232), 및 능동 디바이스 주변의 음향 시일(260)을 형성하도록 리소그래피로 패턴화된다.
천공들(160)을 갖는 제2 플레이트(150)는 제1 전극을 형성하고 제1 기판(110) 상에서 제조되는 집적 회로(IC)에 전기적으로 연결되는 반면에, 제2 전극(170)은 제1 기판(110) 상에 배치된다. 제2 전극(170)은 제1 전극 또는 제2 플레이트(150)와 정렬된다. 제2 플레이트(150)의 제1 표면 및 제2 전극(170)은 그 값이 제1 플레이트(140, 142)의 제1 표면 상에 가해지는 압력으로 인해 변화되는 가변 커패시터를 형성한다. 일 실시예에서, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물과 같은 부가 재료가 제2 전극(170) 상에 증착된다. 부가 재료는 제1 및/또는 제2 플레이트(140, 142 및 150)가 제1 기판(110)과 접촉하는 원하지 않는 경우에 접촉 면적을 감소시킴으로써 정지 마찰력을 감소시키기 위해 범프 정지부들(270)을 형성하도록 리소그래피로 패턴화될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 상징적 앵커(183) 및 상징적 비틀림 연결 장치(253)를 갖는 도 2a 또는 도 2b의 비틀림 마이크의 작동을 설명하는 개념적 설계를 도시한다.
이제 도 3a를 참조하면, 음향 포트(193)는 음압이 제1 플레이트(143)의 제1 표면에 도달하는 것을 가능하게 하는 제1 기판(110)의 채널이다. 가해진 음압 하에서, 제1 플레이트(143)는 음압의 극성에 따라 시계 방향으로 또는 반시계 방향으로 약간 회전한다. 도 3b에서, 제1 플레이트(143)가 연결 장치형 구조체(253)와 일치하는 회전 축을 중심으로 시계 방향으로 회전하는 경우가 도시된다.
천공된 제2 플레이트(153)와 결부되는 회전 이동이 제2 플레이트(153)의 제1 표면과 제2 전극(173) 사이의 갭을 감소시키므로, 이러한 2개의 표면에 의해 한정되는 커패시턴스가 증가한다. 제1 기판(110) 상에서 제조되는 IC는 제2 플레이트(153) 및 제2 전극(173) 둘 다에 전기적으로 연결되어 음압에 비례하는 커패시턴스의 변화를 검출한다.
도 4는 강성 제1 플레이트(144)의 제1 표면 상에서 음압을 감지하는 강성 제1 플레이트(144), 천공들(164)을 갖는 강성 제2 플레이트(154), 및 앵커(244)에 부착되는 연결 장치들(254)을 갖는 피스톤 마이크의 디바이스층(400)의 평면도를 도시한다. 디바이스에 도시되는 연결 장치(254)의 수는 4개이지만, 연결 장치의 수가 임의의 수일 수 있고 이는 본 발명의 사상 및 범위 내에 있을 것이다. 원하지 않는 평면 내 이동은 원하지 않는 이동/회전이 높은 진폭을 갖는 위치들 예를 들어, 연결 장치들(254)에서 가장 먼 위치들에 평면 내 범프 정지부들(344)을 도입함으로써 제한될 수 있다. 평면 내 범프 정지부들(344)은 제2 플레이트(154), 디바이스층(104), 제1 플레이트(144) 또는 이들의 임의의 조합 상에서 한정될 수 있다.
도 5는 도 4에서의 5-5를 따른 통합된 배면 캐비티(134)를 갖는 피스톤 마이크(500)의 단면도를 도시한다. 일 실시예에서, 디바이스층(104)은 도 4에서의 디바이스층(400)이다. 통합된 배면 캐비티(134)는 “웨이퍼 팩킹 환경에서의 Al/Ge 접합의 제작 방법 및 그것으로부터 생산된 제품(Method of Fabrication of a Al/Ge Bonding in a Wafer Packing Environment and a Product Produced Therefrom)”이라는 명칭의 공동 소유의 미국 특허 제 7,442,570호(참조로 본원에 포함됨)에 설명되는 바와 같은 프로세스들에 의한 전도성 합금(공융 물질) 접합(204)에 의해 제1 기판(114)에 추가로 접합되는 디바이스층(104)과 제2 기판(124) 사이의 융합(산화물) 접합(224)에 의해 형성된다. 배면 캐비티(134)의 정지 압력은 PEC(234)를 통한 공기 흐름을 통하여 주변 압력에 의해 등화된다. 연결 장치들(254)은 기계적 그리고 전기적 둘 다로 스탠드오프들(184)에 부착된다.
음향 배리어들(364)은 요구되는 낮은 주파수 응답 향상에 적절한 어디든지 도입될 수 있다.
제1 플레이트(144)는 PEC(234)에 의해 부분적으로 둘러싸여진다. 전체 구조체는 캐비티(134)로의 음향 입력만이 음향 포트(194)를 통하는 것을 보장하도록 시일(264)에 의해 둘러싸여진다. 음향 힘이 제1 플레이트(144)의 제1 표면 상에 가해질 때, 제1 플레이트(144)는 압력의 극성에 따라 위로 또는 아래로 변위된다. 제2 플레이트(154)는 제1 플레이트(144)와 동일한 방향으로 변위된다. 플레이트들(144 및 154) 둘 다는 연결 장치들(254)을 통하여 앵커들(244)에 부착되며, 연결 장치들(254)은 제1 및 제2 플레이트(144 및 154)에 반대 복원력을 가한다. 음향 힘이 영으로 감소될 때, 복원력은 제1 및 제2 플레이트(144 및 154)를 그것들의 본래 작동 위치로 가져온다.
스탠드오프들(184)은 제1 기판(114)의 상단 금속층에의 합금(공융 물질) 접합을 통하여 제1 기판(114)에 기계적으로 그리고 전기적으로 연결되는 디바이스층의 리소그래피로 한정된 돌출 부재들이다. 디바이스층(104)은 제1 플레이트(144), 천공들(164)을 갖는 제2 플레이트(154) 및 플레이트, PEC(234) 및 능동 디바이스 주변의 음향 시일을 형성하도록 리소그래피로 패턴화된다. 제2 플레이트(154)는 제1 전극을 형성하고 제1 기판(114) 상에서 제조되는 집적 회로(IC)에 전기적으로 연결되는 반면에, 제1 기판(114) 상에서 제조되는 제2 전극(174)은 제1 전극(174)과 정렬되도록 설계된다. 제2 플레이트(154)의 제1(하단) 표면 및 제2 전극(174)은 그 값이 제1 플레이트(144)의 제1 표면 상에 가해지는 압력에 따르는 가변 커패시터를 형성한다. 일 실시예에서, 제2 전극(174)은 제1 및/또는 제2 플레이트들(144 및 154)이 제1 기판(114)과 접촉하는 원하지 않는 경우에 접촉 면적을 감소시킴으로써 정지 마찰력을 감소시키기 위해 범프 정지부들(274)을 형성하도록 리소그래피로 추가로 패턴화될 수 있는 실리콘 질화물 및 실리콘 이산화물의 스택 아래에 매립된다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 피스톤 마이크의 작동을 나타내는 개념적 설계들을 도시한다. 도 5에서의 연결 장치들(254)은 이제 상징적 스프링들(256)로 나타내어지고 제1 플레이트(146) 및 제2 플레이트(156)를 지지하고, 음향 포트(196)는 음압이 제1 플레이트(146)의 제1 표면에 도달하게 하는 제1 기판(116)의 채널이다. 가해진 음압 하에서, 제1 플레이트(146)는 음압의 극성에 따라 약간 위로 또는 아래로 이동한다. 도 6b에서, 제1 플레이트(146)가 위로 이동하는 경우가 도시된다. 이러한 제1 플레이트(146)의 상향 이동은 천공들(166)을 갖는 제2 플레이트(156)와 결부되며, 이는 결국 제2 플레이트(156)의 제1 표면과 제2 전극(176) 사이의 갭을 증가시키므로; 이러한 2개의 표면에 의해 한정되는 커패시턴스가 감소한다. 제1 기판(116) 상에서 제조되는 IC는 전극들(156 및 176) 둘 다에 전기적으로 연결되므로; 이는 음압에 비례하는 커패시턴스의 변화를 검출하는데 사용된다.
도 7은 비틀림 마이크(700)에 대한 대안적인 제조 옵션들을 도시한다. 하나의 대안적인 방식에서, 포스트들(210)은 마이크의 낮은 주파수 응답을 개선하기 위해 양호하게 제어되고 얕은 연장된 PEC(280)를 형성하도록 얕은 음각부 스텝을 형성하면서 PEC(230) 위에 오버랩하도록 더 넓게 만들어질 수 있다. 채널의 깊이뿐만 아니라 길이도 적절한 주파수 응답을 위해 압력 등화 채널을 적절하게 설계하는 수단을 제공하도록 제어 가능하다. 마찬가지로, 제2 플레이트(150)의 외주 위에 제2 기판(120)의 부분적 오버랩을 한정하는 것은 제1 및 제2 플레이트(140 및 150)의 평면 외인, 상향 이동을 제한하는 범프 정지부(310)를 형성한다. 범프 정지부(310)의 적절한 설계에 의해, 제1 플레이트(140)가 제1 기판(110)을 접촉하는 잠재적 위험성이 상당히 감소될 수 있다. 마찬가지로, 제1 플레이트의 (회전 축으로부터 가장 먼) 외부 에지를 통해 연장된 PEC(300)의 길이의 적절한 설계는 제1 및 제2 플레이트(140 및 150)의 회전 이동을 제한할 것이고 제1 또는 제2 플레이트들(140, 150)이 제1 기판(110)을 접촉하는 잠재적 위험성을 상당히 감소시키기 위해 이용될 수 있다. 평면 외 이동을 제한하는 것은 특히 정지 마찰, 진동 및 충격에 대하여 디바이스 신뢰성을 개선한다.
다른 실시예에서, 제1 및 제2 플레이트(140 및 150)는 더 두꺼운 부분 및 더 얇은 부분을 갖도록 선택적으로 가늘어질 수 있어, 디바이스의 공진 주파수를 증가시키고 천공들(160)의 음향 저항을 감소시키는 스텝형의 디바이스층(290)을 생성한다. 일 실시예에서, 연결 장치(250)는 제1 플레이트(140) 또는 제2 플레이트(150)의 더 두꺼운 부분과 동일한 두께를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 연결 장치(250)는 제1 플레이트(140) 또는 제2 플레이트(150)의 더 얇은 부분과 동일한 두께일 수 있다. 다른 실시예에서, 연결 장치(250)는 제1 및 제2 플레이트와는 관계 없이 임의의 두께일 수 있다. 제1 및 제2 플레이트(140 및 150)의 스텝 외형의 적절한 설계에 의해, 제1 및 제2 플레이트는 마이크 플레이트로서 수행하기에 충분히 딱딱하게 제조될 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 플레이트(140)의 제1 표면측을 향하는 천공들(320)을 갖는 배면 플레이트(330)는 음향 포트(190)를 커버하는 제1 기판 상에 강성 전극으로서 역할을 하도록 구비된다. 일 실시예에서, 강성 배면 플레이트(330)는 음향 포트(190)를 부분적으로 또는 완전히 커버할 수 있다. 천공들(320)을 갖는 플레이트(330)의 적절한 설계에 의해, 음향 포트(190)를 통한 음압 입력은 현저한 감쇠 없이 제1 플레이트(140)의 제1 표면에 도달할 것인 반면에, 이러한 배면 플레이트(330) 및 제1 플레이트(140)에 의해 형성되는 병렬 플레이트 커패시턴스는 전자 감지 커패시턴스를 증가시킬 것이다.
음향 입력의 영향 하에서, 배면 플레이트(330)와 제1 플레이트(140) 사이의 커패시턴스는 제2 플레이트(150)와 제2 전극(170) 사이에 형성되는 커패시턴스와 반대 위상으로 변화될 것이다. 감지 커패시턴스들 사이의 위상차는 차동 감지를 가능하게 한다. 차동 구조체의 부가 이익은 정지 마찰로부터 회복할 가능성이다. 제1 플레이트(140) 또는 제2 플레이트(150)가 제1 기판(110)과 접촉하고 움직일 수 없게 되는 경우에, 전기 바이어스가 정지 마찰로부터 회복하기 위해 제1 기판(110)과 접촉하지 않는 플레이트와 및 상응하는 전극(제2 전극(170) 또는 배면 플레이트(330)) 사이에 인가될 수 있다. 플레이트들이 제1 기판(110)과 접촉하지 않는다는 것을 보장하기 위해 플레이트들의 기울임을 감지하고 플레이트들에 걸쳐 인가되는 바이어스를 동적으로 조정하는 것이 또한 가능하다.
도 8은 피스톤 마이크에 대한 대안적인 제조 실시예를 도시한다. 일 실시예에서, 포스트들(214)은 마이크의 낮은 주파수 응답을 개선하기 위해 양호하게 제어되고 얕은 연장된 PEC(284)를 형성하도록 얕은 음각부 스텝을 형성하면서 PEC(234) 위에 오버랩하도록 더 넓게 만들어질 수 있다. 유사한 방식으로, 제2 플레이트(154)의 외주 위의 제2 기판(124)의 범프 정지부(314)의 부분적 오버랩은 제1 및 제2 플레이트(144, 154)의 평면 외(상향) 이동을 제한한다. 평면 외 이동을 제한하는 것은 특히 진동 및 충격에 대한 디바이스 신뢰성을 개선한다.
다른 대안적인 방식으로, 제1 및 제2 플레이트(144, 154)는 선택적으로 가늘어질 수 있어, 구조체의 공진 주파수를 증가시키고 천공들의 음향 저항을 감소시키는 스텝형의 디바이스층(294)을 생성한다.
다른 실시예에서, 제1 플레이트(144)의 제1 표면측을 향하는 천공들(324)을 갖는 배면 플레이트(334)는 음향 포트(194)를 커버하는 제1 기판 상의 전극으로서 역할을 하도록 구비된다. 일 실시예에서, 강성 배면 플레이트(334)는 음향 포트를 부분적으로 또는 완전히 커버할 수 있다. 천공들(324)을 갖는 플레이트(334)의 적절한 설계에 의해, 개구부(음향 포트(194))를 통한 음향 입력(음압)은 현저한 감쇠 없이 제1 플레이트(144)의 제1 표면에 도달할 것인 반면에, 이러한 배면 플레이트(334) 및 제1 플레이트(144)에 의해 형성되는 병렬 플레이트 커패시턴스는 전자 감지 커패시턴스를 증가시킬 것이다.
음향 입력의 영향 하에서, 이러한 커패시턴스는 제2 플레이트(154)와 제2 전극(174) 사이에 형성되는 커패시턴스와 동일한 위상으로 변화될 것이다. 따라서, 총 감지 커패시턴스는 증가할 것이다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 마이크의 상기 실시예들 중 임의의 것에 적용될 수 있는 패키징 방식들을 도시한다. 도 9a는 통합된 디바이스(914)를 갖는 캡이 덮인 패키지(900A)를 도시한다. 배면 캐비티(916)는 통합된 디바이스(914)에서 독립화된다. 도 9b는 플라스틱 또는 유사 캡슐화 재료(924)가 통합된 디바이스(922)를 통해 몰딩되거나 형성되는 몰딩된 패키지(900B)를 도시한다. 도 9c는 통합된 디바이스(918)의 상단면 상에서 개방된 음향 포트(926)를 통하여 연장된 배면 캐비티(927)를 형성하는 캡이 덮인 패키지(900C)를 도시한다.
도 10은 제1 및 제2 기판 상에서 MEMS 마이크(370)와 하나 이상의 다른 MEMS 디바이스(380)를 통합하는 일 실시예를 도시한다. 다른 MEMS 디바이스들은 자이로스코프, 가속도계, 압력 센서 및 나침반을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. MEMS 마이크(370)는 도 1, 도 2, 도 4, 도 5, 도 7 및 도 8에서 설명한 바와 같이 피스톤 마이크 또는 비틀림 마이크일 수 있다.
마이크의 비틀림 및 피스톤 설계들 둘 다는 통상적 설계들을 넘는 개선들을 제공한다. 인클로저가 제1 및 제2 기판 그리고 CMOS-MEMS 구성으로부터 통합된 전자 기기에 의해 한정되는 통합된 배면 캐비티는 통상적 2칩 해결법들에서보다 상당히 더 작은 패키지 풋프린트를 가능하게 한다. 통합된 배면 캐비티는 또한 MEMS 다이(die) 및 패키지가 함께 배면 캐비티를 형성하는 패키징 고려 사항들을 경감한다.
비틀림 설계는 본질적으로 유사 치수화되거나 더 큰 마이크와 비교하여 작동 동안 가속도에 덜 민감할 것으로 예상된다. 피스톤 설계는 플레이트들의 전자 픽업 및 이동의 면에서, 기존 MEMS 및 콘덴서 마이크와 유사하지만, 다른 것들과는 달리 다이아프램이 아닌, 속이 찬 플레이트의 이동에 기반한다. 또한 다른 설계들과는 달리, 압력 감지 면적 및 전극 면적이 따로따로 조정될 수 있어, 면적/질량의 비용으로 설계 상의에 부가 융통성을 부여한다.
본 발명을 도시된 실시예들에 따라 설명하였지만, 당업자는 실시예들에 변형이 있을 수 있고 그러한 변형이 본 발명의 사상 및 범위 내에 있을 것이라는 점을 손쉽게 이해할 것이다. 따라서, 많은 변경들이 첨부된 청구항들의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 행해질 수 있다.

Claims (30)

  1. 제1 기판에 부착되는 앵커;
    제1 표면 및 제2 표면을 갖는 제1 플레이트;
    상기 제1 플레이트에 부착되는 제3 표면 및 제4 표면을 갖는 제2 플레이트; 및
    상기 앵커를 상기 제1 플레이트에 연결하는 연결 장치를 포함하며,
    상기 제1 플레이트 및 제2 플레이트는 상기 제1 플레이트의 상기 제1 표면과 제2 표면 사이의 음향 차압의 존재로 변위되며,
    상기 제1 플레이트, 상기 제2 플레이트, 상기 연결 장치 및 상기 앵커는 상기 제1 기판 및 제2 기판에 의해 형성되는 인클로저 내에 포함되며,
    상기 제1 및 제2 기판 중 하나는 상기 제1 표면을 환경에 노출시키는 음향 포트를 포함하며,
    하나 이상의 전극이 상기 제1 기판 상에 형성되는, MEMS 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 플레이트 각각은 실리콘을 함유하는 재료로 이루어지는, MEMS 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 플레이트는 천공되는, MEMS 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 플레이트는 상기 제1 플레이트와 반대 방향으로 이동하는, MEMS 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    제1 및 제2 플레이트는 회전 축을 중심으로 토오크 평형화되는, MEMS 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 플레이트는 상기 제1 플레이트와 동일한 방향으로 이동하는, MEMS 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 MEMS 디바이스는 마이크를 포함하는, MEMS 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 인클로저는 음향 캐비티를 형성하는, MEMS 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 플레이트의 측면 이동을 제한하는 평면 내 범프 정지부들을 더 포함하는, MEMS 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    커패시터를 더 포함하며, 제1 전극이 상기 제2 플레이트에 의해 형성되고 제2 전극이 상기 제1 기판 상의 전도성 층에 의해 형성되는, MEMS 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플레이트 아래에 배치되고 상기 음향 포트의 적어도 일부를 커버하는 천공된 플레이트를 더 포함하는, MEMS 디바이스.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전극은 알루미늄으로 이루어지는, MEMS 디바이스.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 기판 상의 집적 회로에 연결되는, MEMS 디바이스.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기판으로 에칭되는 스탠드오프에 의해 갭이 한정되는, MEMS 디바이스.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제2 전극 상에 배치되는 부가 절연 재료를 더 포함하는, MEMS 디바이스.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 부가 절연 재료는 선택 부분들에서 연장되어 범프 정지부들을 형성하는, MEMS 디바이스.
  17. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 범프 정지부가 음각된 포스트로 형성되는, MEMS 디바이스.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 플레이트는 균일한 두께를 갖는, MEMS 디바이스.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 연결 장치는 상기 제1 플레이트 또는 상기 제2 플레이트의 두께와 실질적으로 동일한 두께를 갖는, MEMS 디바이스.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플레이트는 더 얇은 부분 및 더 두꺼운 부분을 갖는, MEMS 디바이스.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 연결 장치는 상기 제1 플레이트의 가장 얇은 부분과 동일한 두께를 갖는, MEMS 디바이스.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 연결 장치는 상기 제1 플레이트의 가장 얇은 부분보다 더 큰 두께를 갖는, MEMS 디바이스.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면으로부터 상기 제2 표면으로의 공기 흐름 경로가 구비되는, MEMS 디바이스.
  24. 제1 기판에 부착되는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 구조체; 및
    가변 커패시터를 포함하고,
    상기 구조체는 상기 제1 기판 및 제2 기판에 의해 형성되는 인클로저 내에 포함되며,
    상기 제1 또는 제2 기판 중 하나만이 상기 구조체를 환경에 노출시키는 개구부를 포함하고,
    상기 가변 커패시터의 제1 전극이 상기 제2 기판 상의 전도성 층에 의해 형성되고 상기 가변 커패시터의 제2 전극이 상기 구조체 상에 형성되며,
    상기 구조체는 상기 구조체의 상기 제1 표면과 제2 표면 사이의 음향 차압의 존재로 변위되는, 음향 감지 디바이스.
  25. 삭제
  26. 제24항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 기판 상의 집적 회로에 연결되는, 음향 감지 디바이스.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 기판 중 하나가 상기 구조체를 제2 인클로저에 노출시키는 개구부를 포함하는, 음향 감지 디바이스.
  28. 제1 기판에 부착되는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 구조체; 및
    가변 커패시터를 포함하고,
    상기 구조체는 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치되고,
    상기 가변 커패시터의 제1 전극이 상기 제2 기판 상의 전도성 층에 의해 형성되고 상기 가변 커패시터의 제2 전극이 상기 구조체 상에 형성되며,
    상기 구조체는 상기 구조체의 상기 제1 표면과 제2 표면 사이의 음향 차압의 존재로 변위되고,
    상기 제1 및 제2 기판은 각각 개구부를 포함하는, 음향 감지 디바이스.
  29. 삭제
  30. 제28항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 기판 상의 집적 회로에 연결되는, 음향 감지 디바이스.
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