TW201637989A - Ｍｅｍｓ裝置與製程 - Google Patents

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Abstract

本案敘述具有一彈性膜的MEMS傳感器，目的在減輕及/或重分配膜層內的應力。描述具有第一/主動區域與第二/非主動區域的膜。

Description

MEMS裝置與製程
本發明關於微機電系統(MEMS)的裝置與製程，尤指一種關於一種傳感器，例如一種電容式麥克風，的MEMS裝置與製程。
各種MEMS裝置愈來愈常見。MEMS傳感器，尤其是MEMS電容式麥克風，逐漸用於如行動電話與行動計算機裝置等可攜式電子裝置中。
利用MEMS製程形成的麥克風裝置典型上包括一或多個膜，在膜及/或基板上沉積有讀取/驅動用的電極。在MEMS壓力感測器與麥克風的例子中，讀取通常伴隨著量測電極間的電容。在輸出傳感器的例子中，利用改變施加於電極間的電位差所產生的靜電力而使膜移動。
圖1a與1b分別顯示一已知電容式MEMS麥克風裝置100的示意圖與立體圖。該電容式麥克風裝置100包括一膜層101，其形成一彈性膜，因應音波所產生的壓力差而自由移動。第一電極103機械式連接至該彈性膜，並與其一起形成該電容式麥克風裝置的第一電容板。第二電極102機械式連接至一基本上剛性結構層或背板104，並與其一起形成該電容式麥克風裝置的第二電容板。在圖1a所顯示的例子中，該第二電極102係嵌入該背板結構104中。
該電容式麥克風形成於一基板105上，例如一其上可形成有上與下氧化層106,107的矽晶圓。在該基板中以及覆蓋於其上的各層中的孔穴108(此後稱之為基板孔穴)係提供於該膜下方，且其形成可利用一”背向蝕刻技術”來蝕穿該基板105。該基板孔穴108連接至位於該膜正下方的第一孔穴109。該等孔穴108與109可合併提供一聲訊空間區域(acoustic volume)，因此使該膜可因應一聲波刺激而移動。夾在該第一與第二電極102與103間者為第二孔穴110。
複數個孔洞，此後稱之為排出孔111，連接該第一孔穴109至該第二孔穴110。
複數個孔洞，此後稱之為聲訊孔112，配置於該背板104，以使空氣分子可自由移動穿過該背板，使得該第二孔穴110形成一於該背板另一側上具有一空間的聲訊空間區域的一部分。該膜101因此被支撐於兩個空間區域之間，一個空間區域包括孔穴109與基板孔穴108，而另一空間區域包括孔穴110與任何該背板上方的空間。這些空間區域的大小經過設計，使得該膜可因應透過這些空間區域之一進入的音波而移動。典型上入射音波經過而抵達該膜的空間區域，稱之為”前方空間區域”，另一基本上密封的空間區域則稱為”後方空間區域”。
在某些應用中，該背板可配置於該前方空間區域中，使入射音波經過該等聲訊孔112而抵達該背板中的該膜。在此一例子中，該基板孔穴108的大小可設計以提供一適合後方空間區域的重要部分。
在其他應用中，該麥克風可經配置，以使聲音可透過使用中的基板孔穴108被接收，亦即基板孔穴形成一通往該膜的聲訊通道的一部 分，以及該前方空間區域的一部分。在此種應用中，該背板104形成該後方空間區域的一部分，其典型上被一些如適合的封裝等的其他結構所包覆。
亦應注意雖然圖1顯示該背板104係支撐在該膜相對於該基板105的相反側，可知的配置還有該背板104形成於最靠近該基板處，其上方支持膜層101。
使用時，因應對應於一入射於該麥克風上的壓力波的音波，該膜從原來的平衡位置產生些微形變。該下方電極103與該上方電極102間的距離因此對應改變，造成兩電極間的電容變化，後續由電子電路系統(未示出)偵測到。該等排出孔使該第一與第二孔穴中的壓力可在一長時間期間(以聲訊頻率的形式表示)後達成平衡，其減少了例如因溫度變化等等所致的低頻壓力變動效應，而不會明顯影響在該所欲聲訊頻率下的靈敏度。
熟習此技藝之人士將認知到MEMS傳感器於單一化之前典型上形成於一晶圓上。愈來愈普遍將至少某些電子電路系統也與傳感器一起提供做為一積體電路的一部分。例如，一MEMS麥克風可形成一具有至少某些放大器電路系統及/或某些麥克風偏壓用電路系統的積體電路。該傳感器與任何電路系統所需區域範圍將決定在一特定晶圓上可形成多少個裝置，因此對MEMS裝置的成本有影響。因此，一般會希望減少在一晶圓上製造一MEMS裝置所需要的範圍。
除了適合用於如傳感器等可攜式電子裝置中之外，亦應可在該可攜式裝置所期望的處理與用途上找到應用空間，包括意外掉落的裝置。
若一裝置，如行動電話，容易掉落，不僅會造成撞擊所致的機械式傷害，也會造成MEMS傳感器上的高壓脈衝入射。例如，行動電話 可能在裝置的一個面上有一MEMS麥克風的聲音埠。若該裝置以那一個面掉落，有一些空氣會被掉落的裝置壓縮，而被擠入該聲音埠內。此會導致傳感器上的高壓脈衝入射。已發現傳統MEMS傳感器的高壓脈衝很可能導致傳感器的損壞。
為了有助於避免任何此種高壓脈衝所造成的損害，可於該MEM傳感器提供可變排流孔，以於該前方和後方空間區域間提供一流體通道，大小尺寸可隨實際使用需求變化。在一高壓情況下，該可變排流孔於該等空間區域間提供較大的流體通道，因此可提供該等空間區域間較快的平衡，減少膜上高壓問題的程度及/或時間。而在該傳感器的預期正常工作範圍內，若有較低壓力處的流體通道，則其尺寸可以較小。
該可變排氣結構因此扮演一種型式的洩壓閥，於高壓力差時減少作用於膜上的壓力差。然而，不像存在於膜中具有固定面積也因此具有固定流體通道尺寸的排出孔那樣，該可變排流孔具有可因應壓力差改變的流體通道尺寸。因此，該可變排流孔可以根據作用在排流孔上的壓力差，也就是根據該第一與第二空間區域中至少之一的壓力，而進行排氣。該可變排流孔因此提供了一可變聲訊阻抗。
一種可行的可變排流孔結構具有一可移動的部分，其可在該膜的任一側移動以開啟一延伸於該等空間區域間的孔洞。圖2a與2b繪示此一已知的可變排流孔結構。圖2a繪示如前所述關於圖1a與1b中的傳感器的彈性膜101(為求簡潔，傳感器的其餘部分省略)。該膜被支撐於包括孔穴109的第一空間區域與包括孔穴110的第二空間區域之間。如上所述，該膜典型上具有複數個排出孔111，其大小和尺寸經過設計以對傳感器產生微調的 效果，並降低低頻壓力變化的影響。然而，此種排出孔對所欲的聲訊頻率處的動態壓力變化的影響有限，因此對突發的高壓問題只能提供有限的反應。
因此圖2的傳感器構造亦包括可變排流孔結構201，如圖2b所繪示般由可相對於一孔洞移動的可動部分202所形成，在此例中的孔洞係一穿過該膜101的孔洞。在平衡壓力下，亦即當該第一與第二空間區域基本上處於相同壓力下，該可動部分202的配置佔據至少部分，也可能大部分的孔洞面積。該可動部分因應跨越該洞(即前方和後方空間區域間，以及因此跨越該膜)的局部壓力差而可動，因而改變該開放以提供一流體通道的洞的大小，也因此改變為了於該等空間區域間取得壓力平衡而進行排放的程度。換言之，該可動部分在平衡時可有效關閉洞的至少一部分，但可移動以變化該洞關閉的程度。
該可動部分202可透過在該膜材料101蝕穿出一或多個通道203而定義出，使得該可動部分藉由一或多個連接點204附於該膜101的其餘部分上，該可動部分因而可相對該膜101的其餘部分有所偏移。在壓力差處於該MEMS傳感器的正常預期工作範圍內時，該排流孔可架構成使該可動部分202基本上不偏移而繼續關閉該洞，但在有可能造成膜損傷的較高壓力差時移動以增加流體通道的尺寸，例如小小關閉該洞。
圖2a的上部繪示出正常工作下的彈性膜101，此時在該第二空間區域110中的壓力會大於該第一空間區域中的壓力。該膜101，因此由膜平衡位置向下偏移。然而，壓力差位於該裝置的正常預期工作範圍，即低於一工作門檻值，因此該可變排流孔201的可動部分202實質上保持關閉。 圖2a的下部繪示出已經偏離該膜的其餘部分的可動部分202，因此提供穿過該膜的一流體通道。圖2a繪示兩個形成可變排流孔結構201的膜的可動部分，但應認知到在實務上可能有更多這樣的排流孔。
因此，此種可變排流孔結構有助於提供MEMS傳感器，特別是麥克風，在高壓力事故中更好的存活能力。然而，對於可變排流孔的設計的確需要注意，特別是當形成於傳感器的膜中時。已知的可變排流孔典型上係在卸除高壓與聲訊壓力下的效能間取得平衡，如果該排流孔太容易打開，該傳感器的聲訊效能可能會劣化，但如果該排流孔太難打開，就無法在高壓事故期間提供足夠的額外流動。流動可藉由增加排流孔數而增加，但如果膜本身中所形成的排流孔太多，可能會造成膜的效能劣化，或造成膜區域中的應力集中。該等排流孔可形成於其他流體通道中，例如穿過側壁結構，但這樣典型上會增加傳感器結構的尺寸和成本，而增加傳感器晶片所需要的面積。
應認知到，MEMS傳感器的膜層，當其原子因為力的作用而脫離平衡位置時，是一種處於應力下的材料。因此，增加或減少膜層原子間的原子間距的力會導致膜內部的應力。例如，當處於平衡時(即膜上沒有或只有可忽略的壓力差時)，該膜層具有潛在的或本質上的殘餘應力。另外，可能會例如因為膜與該基板的支持為固定關係，或因為聲訊壓力波入射至膜上，而增加膜層的應力。
欲以根據本發明的MEMS傳感器對該聲訊壓力波做出回應，其在該膜表面上以暫態應力波方式呈現。因此，將了解到，當該膜層處於平衡時，內部所具有的應力有可能對傳感器的效能造成不利的影響。
本發明實施例基本上關於改善一傳感器結構的效率及/或效能。本發明的多個方面亦關於減輕即/或重新分配該膜層內的應力。
根據本發明的一方面，提供一種MEMS傳感器，包括以一基板相對支撐的膜，該膜包括一中央區域與複數個應力分配臂，從該中央區域側向延伸。
較佳者，該等應力分配臂用以支撐該膜層與該基板的固定關係。較佳者，每一應力分配臂包括一或多個安裝結構，以支撐該膜層與該基板的固定關係。因此，該膜可透過提供於每一應力分配臂上的該一或多個安裝部分直接或間接安裝置該基板上。較佳者，該等安裝部分係提供於該膜層周邊處或附近。該等安裝部分的位置可有效界定該膜層的邊界。
該等應力分配臂較佳經配置及/或架構以提供一受控的膜內應力分布。在一較佳實施例中，該等應力分配臂相對於該膜的中央區域配置，使得膜上的應力分配或至少該膜的中央區域上的應力分配，實質上平均，或以受控制的方式變化。該等應力分配臂較佳以規律的距離間隔分布於該膜的中央區域周圍。此配置可減少應力集中區域的發生，尤其是發生在基本上為該電極連接所在，以及因此進行感應(即膜的移動)所在的該膜的中央區域內。
根據一實例，該膜的形狀通常為正方形或長方形，複數個應力分配臂中之一可由該中央區域向外延伸向該膜的周圍角落。靠近該周圍角落處，該等應力分配臂提供有一或多個安裝結構，有效界定該膜的邊界邊緣。
該膜可位於該傳感器的一基板上方，使得膜的中央區域實質上覆蓋該基板的一孔穴。
包括一中央區域與一或多個應力分配臂的該膜可被視為形成該膜的第一區域。該膜亦可包括至少第二區域，可透過一或多個通道與該第一區域分離。
根據本發明的另一方面提供一MEMS傳感器，包括一膜，具有第一膜區域與第二膜區域，其中該第一膜區域與該第二膜區域透過一或多個通道分離。該第一膜區域可包括一中央區域與複數個支撐臂，從該中央區域側向延伸。每一支撐臂具有一或多個安裝部分，以支撐該膜層與該基板的固定關係。該支撐臂亦經配置及/或架構以提供一受控的平衡時的膜內應力分布。較佳者，該等支撐臂經配置及/或架構，以使該膜中央區域內任何應力集中的發生最小化或減少，尤其是該膜中央附近。
該膜的第二膜區域可位於該膜周圍，兩相鄰應力分配臂間的區域中。
該第一區域可被視為包括該膜的一”主動區”。因此，包括一中央區域與一或多個應力分配臂的該膜可被視為一膜的第一或主動區域。另外，該第二區域可被視為包括該膜的一”非主動區域”。該第一/主動區域可被視為該傳感器膜用於感測的區域，且/或其為”動態”。透過一通道與該第一/主動區域分離的該膜的第二/非主動區域，可被視為非動態，任何此部分膜的移動皆可被忽略。例如，在包括根據本發明一方面的MEMS傳感器的麥克風裝置的例子中，該第一/主動區域因應一聲訊刺激，例如進入靠近該膜的空間區域的音波，所產生的移動被量測。該傳感器可包括第一與第 二電極，其中之一連接至該膜的第一或主動區域，且該電極間的電容被量測以感應或量測該聲訊刺激。
因此，該MEMS傳感器可另外包括一電極，連接至該膜的該第一/主動區域。
該膜的第二/非主動區域仍然用作一MEMS傳感器的該前方與後方空間區域間的一聲訊阻障。因此，提供該第二/非主動區域作為該MEMS傳感器的一部分有其好處。然而，該第二/非主動區域的移動(其會是0或可忽略)不被量測。
根據本發明提供一種MEMS傳感器，包括：一膜層，包括：一主動膜區域，該主動膜區域包括複數個支撐該主動膜區域用的臂件；以及複數個非主動膜材料區域，其不直接連接至該主動膜區域。
該膜的該第一及/或第二區域可提供有至少一排流孔結構，具有一可動部分，因應該排流孔結構上的一壓力差而偏移，以提供一穿過該膜的流體通道。較佳者，提供於該第一區域的排流孔結構比該第二區域少。
該膜的該第一及/或第二區域可提供有一或多個排出孔。較佳者，提供於該第一區域的排出孔比該第二區域少。
較佳者，包括該第一與第二區域的該膜形狀為非圓形。因此，該膜形狀可為一般正方形或長方形。該膜可由四個側邊所組成。或者，該膜可具有多角形的形狀。
根據本發明的另一方面，提供一種晶圓，包括至少一種本發明任一方面中具體陳述的傳感器。因此，一晶圓可包括至少一MEMS傳感器，具有以一基板相對支撐的膜，該膜包括一中央區域以及從該中央區域側向延伸的複數個應力分配臂，每一應力分配臂具有一或多個安裝部分，以支撐該膜層與該基板的固定關係。
較佳者，該晶圓係一矽晶圓，包括一傳感器區域，傳感器便提供於該晶圓上的此區域。典型上一矽晶圓的傳感器區域形狀為正方形或長方形。根據較佳實施例中較佳為一般正方形或長方形的該膜形狀，該傳感器的設計可利用一般為正方形或長方形的膜區域為基礎。此對於製造具有一或多個MEMS傳感器的晶圓時尤其有利，因為可知此一設計中，就一特定傳感器靈敏度而言，所需要的面積比一等效圓形設計來得小。
本發明的多個方面亦指向減輕及/或擴散及/或重新分配膜中用以支撐一膜位置與該基板的固定關係的該等安裝結構區域中所產生的應力。
根據本發明的另一方面，提供一MEMS傳感器，包括一膜與至少一安裝架構，用以相對於一基板支撐該膜而提供一彈性膜，另外包括提供於該膜中的一或多個應力擴散結構，以分散該安裝結構區域中的應力。
該應力擴散或重新分配結構可包括一隙縫，延伸經過該膜。該隙縫的形式可為弧狀或弓形。因此，該隙縫可為C形或U形，且可彎曲至少180度而在該隙縫兩端間界定出一個口或開口。該應力擴散結構有利地用以受控制的方式改變膜中所產生局部應力的分配。較佳者，該應力分配隙縫係提供於靠近該安裝結構，使得該弧狀隙縫的開口面向遠離該等或每一 安裝結構所定義的邊界的方向，並與該安裝結構區域透過該隙縫分離。以此方式，本發明較佳實施例的模擬已證明該膜中產生於或靠近該安裝結構處的應力被導引於該隙縫的弧形周圍，並集中於該弧形的任一側。該弧形接壤部分中的膜應力亦顯示有減少。較佳者，提供一列的複數個應力擴散結構。在此實例中，模擬顯示出一系列發生在相鄰應力擴散結構間的應力集中區域，以及一系列應力擴散結構的接壤部分內的應力降減區域。以此方式控制應力已被證明可改善該膜的靈敏度。尤其，根據一些實例，顯示應力更均勻地分配在膜的中央區域處。對於該膜的柔性及/或彈性有所增進。
當該隙縫可有效把膜的一部分與膜的其餘部分分離時，該隙縫的尺寸使得該隙縫所界定的該膜的該部分不會用作因膜上壓力差異而形變的氣瓣(flap)。因此，該隙縫的接壤弧形內的部分因應該膜上的差別壓力。
根據本發明的另一方面，提供一MEMS傳感器，包括一基板相對支撐的膜，該膜包括一中央區域與複數個應力分配臂，從該中央區域側向延伸，其中每一應力分配臂包括一或多個安裝結構，以相對於該基板支撐該膜層，且其中提供一或多個擴散結構，以擴散該安裝結構區域中的應力。
一般而言，提供一具有一彈性膜的MEMS傳感器包括至少一應力重分配特性。該MEMS傳感器可為一電容式麥克風。該彈性膜可支撐於第一空間區域與第二空間區域間，並提供一排流孔結構，以使第一空間區域與第二空間區域間有流體通道。該排流孔結構可包括一可動部分，其可移動以開啟一從該第一空區域延伸至該第二空間區域的孔洞。該可動部分靜止時可佔據至少一些，也可能大部分的孔洞面積，但因應跨越該洞的
局部壓力差而可動，因而改變該開放以提供一流體通道的孔洞大小。換言之，該可動部分在平衡時可有效關閉該孔洞的至少一部分，但可移動以變化該孔洞關閉的程度。該可動部分的配置較佳在正常工作壓力差之下保持關閉該孔洞，即孔隙，而在有可能導致膜損壞的高壓力差之下多增加該流體通道的尺寸，例如少關閉該孔洞。因此該排流孔可視為一可變孔隙。
該排流孔結構因此用作一種型式的洩壓閥，以減少作用在膜上的壓力差。然而，不像膜中的排出孔(如果存在的話)，其具有固定的面積，因此使流體通道尺寸固定，該可變排流孔具有一因應壓力差變化的流體通道尺寸，即孔隙。因此，允許該排流孔視作用在膜上的壓力差而排放的程度一其明顯隨至少該第一與第二空間區域之一的壓力而定。因此該排流孔結構提供一可變的聲訊阻抗。
該傳感器可包括一背板結構，其中該彈性膜層相對於該背板結構被支撐。該背板結構可包括複數個孔洞穿過該背板結構。
該傳感器可為一電容式感測器，如麥克風。該傳感器可包括讀出(readout)，如放大器，電路。該傳感器可位於一具有一聲音埠，即一聲訊埠，的包裝內。該傳感器可實施於一電子裝置內，其可為一可攜式裝置、一電池供電裝置、一音訊裝置、一計算裝置、一通訊裝置、一個人媒體播放器、一行動電話、一平板裝置、一遊戲裝置、以及一聲控裝置中的至少之一。
任何方面所提的特徵都可與其他任何方面所提的特徵相互組合，且此處所述的各種特徵均可於所提實施例的任何組合中實施。
就每一上述方面提供製造MEMS傳感器的相關方法。
100‧‧‧電容式MEMS麥克風裝置
101‧‧‧膜、膜層、膜材料
102‧‧‧背板電極
103‧‧‧膜電極
104‧‧‧背板
105‧‧‧基板
106‧‧‧上氧化層
107‧‧‧下氧化層
108‧‧‧孔穴
109‧‧‧孔穴
110‧‧‧孔穴
111‧‧‧排出孔
112‧‧‧聲訊孔
201‧‧‧可變排流孔結構
202‧‧‧可動部分
203‧‧‧通道
204‧‧‧連接點
301‧‧‧主動膜
302‧‧‧非主動膜
303‧‧‧臂件
304‧‧‧通道
305‧‧‧安裝件
306‧‧‧安裝件
307‧‧‧排流孔
300‧‧‧傳感器
400‧‧‧晶圓
401‧‧‧電路
402‧‧‧導電路徑
501‧‧‧排流孔蓋
501a‧‧‧氣瓣部分、區段
501b‧‧‧氣瓣部分、區段
502‧‧‧通道
503a‧‧‧連接區域
503b‧‧‧連接區域
601‧‧‧孔洞
700‧‧‧傳感器
701‧‧‧上蓋部分第一開口
702‧‧‧應力重分配隙縫
801‧‧‧虛線
1100‧‧‧傳感器
1101‧‧‧上蓋
1102‧‧‧封裝基板
1103‧‧‧打線
1104‧‧‧焊錫墊
1105‧‧‧環
1106‧‧‧連接件
1107‧‧‧殼體
為了更加了解本發明，並為了顯示本發明如何作用，將透過所附圖式的例子參考說明，其中：圖1a與1b繪示一已知MEMS麥克風結構的截面與立體視圖；圖2a與2b繪示已知可變排流孔的實例；圖3a繪示根據本發明一實施例的傳感器結構；圖3b繪示圖3a中所示傳感器結構的一變化型；圖4繪示於一晶圓上形成多個傳感器；圖5繪示可用於根據本發明一實施例的傳感器結構中的可變排流孔的一實例；圖6繪示一根據本發明一實施例的傳感器的截面圖；圖7繪示根據本發明一實施例的另一傳感器結構；圖8a-8c繪示各種應力重分配結構；圖9繪示一傳感器背板的平面視圖；圖10繪示根據另一實施例的傳感器截面圖；圖11a-11f繪示各種MEMS傳感器封裝。
在與圖1a與1b相關的如上所述傳感器中，該膜層由一如氮化矽的材料所形成，並於沉積後於平衡時具有本身的殘留應力。因此實質上圍繞支撐整個所形成的膜的周圍。該膜因此可被視為在張力下，類似鼓皮在骨架上撐開。為了提供一致的表現與均勻的應力分布，該膜因此典型上 形成為一般圓形結構。
例如為了形成圖1a所示的傳感器結構，一或多個基底層可形成於該基板105上，接著可沉積一犧牲材料層，並經圖案規劃以形成一般圓形結構。該犧牲材料用以界定之後形成孔穴109的空間。然後沉積一或多層於該犧牲材料上，以形成該膜101。該排出孔111可與任何如圖2a或2b所示的排流孔結構一起形成於該膜層中。接著可沉積另一犧牲材料層於該膜頂部，並經圖案規劃以界定孔穴110。接著可沉積該等背板層。為了形成該基板孔穴108，可進行一背向蝕刻。為了確保該犧牲材料界定孔穴109，而非該整體背向蝕刻(其較不準確)，應確保該基板孔穴開口比孔穴109小，且位於該孔穴109區域內。接著可移除該犧牲層，留下孔穴109和110，並釋出該膜。該膜層因此延伸進入該側壁結構，同時支撐背板。該彈性膜本身被支撐並限制於所有側面上，其形成為實質上圓形。
雖然此型式的製程產出良好的裝置特性，但圓形膜的使用會導致不能有效利用矽晶圓。
就各種理由來說，最普遍及/或有效節省成本的方式係以一般長方形區塊處理矽區域。因此設計用於MEMS傳感器的矽晶圓上的區域形狀典型上為一般正方形或長方形。此區域需要夠大到足以涵蓋一般圓形的傳感器結構。此對於矽晶圓的利用會不夠有效率，因為會有此指定傳感器區域的角落區域不能有效被利用。此限制了一特定晶圓上能夠製造的傳感器結構與電路的數目。當然可以藉由減少傳感器的尺寸來放進更多傳感器，但這對於所得靈敏度會有所影響，並非所欲。
因此在一些實施例中，該傳感器係基於一個更有效利用一般 長方形或正方形區域的設計。對一特定傳感器靈敏度而言，此設計所需要的面積比一等效圓形設計小。
圖3a繪示根據本發明一實施例傳感器300的實例。圖3a繪示該傳感器膜101，因此代表該傳感器的一切面，雖然該背板可能有實質上相同的形狀。該膜實質上非圓形，在此實例中具有一多角形狀。一般而言，該膜具有一實質上填滿該膜周長所定義出的正方形區域的形狀。換言之，如果欲考慮可完全涵蓋該膜101的最小可能的正方形區域，則該膜會涵蓋很大比例的此區域，例如該膜可涵蓋至少90%的此一正方形區域。應可知道就直徑D的圓形膜而言，最小的此正方形區域會具有一側D。該圓形的面積(π.D2/4)因此涵蓋約78%的此一正方形面積(D2)。
圖3a中所繪示的整個區域提供有一膜材料層。然而，在圖3a中所繪示的實例中，該膜材料層分成一第一膜區域301，此處稱之為主動膜區域或簡稱主動膜，以及複數個第二區域302，此處稱之為非主動膜區域或非主動膜。該非主動膜區域302以圖3a中的陰影區域繪示，而未加陰影區域對應該主動膜301。
該主動膜的中央區域，例如膜電極103所在，係由複數個臂件303所支撐。在一些實施例中，該等臂件可實質上均勻分布圍繞在該膜周圍。一般而言均勻分布的臂件可幫助避免非所欲的應力集中。在圖3a中所繪示的實例中，有四個臂件以及因此該非主動膜302的四個分離區域，但應知在其他實施例中可能有更多或更少的臂件，雖然較佳至少三個。
因此在該主動膜301材料與該非主動膜區域302之間有一或多個通道或間隙304。在製造期間，一連續膜材料層可便利地沉積，接著可 穿過該膜材料蝕刻該等通道304，以形成該主動與非主動區域。該通道形狀可經設計為使該等臂件的側緣展現出平滑或連續的輪廓，而非形成一或多個直線。此係繪示於圖3b中。
該主動膜區域301的每一臂件303可包括至少一安裝件305，以相對該基板，亦可能是一背板，支撐該主動區301的該膜層。也可能在該非主動膜區域內有安裝件306，用以支撐該非主動膜區域。
該等安裝件305與306可以是各種不同形式。例如，該安裝件可包括該傳感器結構的一側壁，而該膜層可延伸進入該側壁。然而在一些實例中，該安裝件可為該膜材料與該基板或自該基板突起的一支撐結構的接觸處。該安裝件亦可包括該背板為支撐板以使該背板與該膜接觸的區域。位於該安裝件處的膜因此可有效被定位，並避免相對於該基板及/或背板有實質移動。
該膜層材料因此可如前述般在本質應力內沉積。該主動區301的該複數個臂件一般均從該主動膜中心向外呈輻射狀，因此可用以有效保持該膜的張力狀態。如所述，該等臂件可均勻分布圍繞在該主動膜。此外，該主動膜301的安裝點，例如安裝件305，可與該主動膜中心一即使是一般正方形膜層，均呈實質上等距。此可能達成，因為於該正方形配置的”側面”處的該膜材料已分離成為非主動膜區域，不直接連接至該主動膜區域。因此此配置代表該主動膜中的應力分布通常是均勻的，不僅是在平衡中，在該主動膜受一入射壓力刺激時亦然。因此該主動膜的行為模式。這並不表示本例為一正方形膜，或者圖3a中所繪示的多角膜，在所有側面都連結。
此一設計的優點在於，其提供一主動膜區域，其應答與半徑等於該主動膜中心與該等臂件安裝件305間距離的圓形膜類似。然而，為了製造此一對應圓形膜，傳感器將會需要一個更大的基板長方形面積。藉由利用如圖3a所示的設計，因此在一晶圓上所需要的傳感器面積可比類似效能的圓形膜減少。
因此一般而言，在本發明的一些實施例中，一MEMS傳感器可包括一膜層，形成於一主動膜區內，該主動區包括複數個臂件，用以支撐該主動膜區域。該等臂件可實質上均勻散布圍繞該主動膜周圍。該膜層亦可包括複數個非主動膜材料區域，其不直接連接至該主動膜區域。該主動膜區域的臂件可包括一或多個安裝件，每一臂件的安裝件與該主動膜中心實質上等距。該主動膜可能處於本質應力下。
熟習此技藝之人士將知悉，以前已提出過具有一膜片的各種MEMS傳感器的設計，其中央部分以臂件支撐。然而，在此種已知的設計中，該膜片並非通常處於本質應力下，而此等臂件的目的常常是降低應力一而在圖3a所繪示的實施例中，該等臂件維持該主動膜中的本質應力。
另外，此種已知的設計不包括非主動膜區域。在本發明實例的設計中，該等安裝件35所界定的實質上整體區域均包括膜材料。換言之，若欲藉由在相鄰臂件的安裝件305間畫直線以界定一形狀，則實質上所有此一形狀的區域都會包括膜材料，即主動膜材料或非主動膜材料。例如，至少90%的由等安裝件35所界定的區域，或至少95%的由等安裝件35所界定的區域，會包括膜材料。在圖3a的設計中，不包含膜材料的少數區域為排出孔111與通道304(還有將於後面討論的排流孔307的任何通道)。
較佳者，該主動與非主動區域間的間隙可以很小，亦即只要足夠使該等區域分離即可，例如大約幾個微米的等級。因此，在平衡位置處，該主動區域可與該膜的非主動區域在同一平面上。因此，平衡時該傳感器的該前方與後方空間區域間唯一明顯的流體通道，可經過任一提供低頻壓力等化用的排出孔111。
因應一入射壓力刺激，該主動膜會以類似上述討論的傳統膜的方式偏移。將得知該膜的非主動區域不會以相同程度偏移，因此當該主動膜移動時，在該主動與非主動區域之間可以開出一個小的流體通道。然而此一流體通道可能很小，且增加的聲訊導通可能受限，因此對該傳感器效能的功效亦可能受限。當設計傳感器時，任何於該主動與非主動區域間的流體效應均可列入考慮，例如排出孔111的數目。
如上所述，整個傳感器結構可具有如圖3a所繪示的一般形狀。尤其，該背板可為與所示膜相同的一般形狀。該背板可利用位於該等安裝點305及/或306的支撐件被支撐於該膜之上，而該背板的外緣不可實質延伸超過該膜材料層邊緣。如所提及者，此對於在一晶圓上製造多重傳感器而言有利，可與相關電子電路一起於一晶圓上製造。
圖4繪示一晶圓400的至少一部分，其上製備有複數個傳感器300。該晶圓400可為已經處理而製得多個裝置但尚未單一化的晶圓。在此實例中，每一傳感器均具有電路401的相關區域。該電路區域可包括該傳感器的工作及/或讀出電路。例如，該電路可包括一偏壓電路，如一電荷幫浦。額外增加地或者可替換地，該讀出電路可包括放大器電路，如低噪放大器或其它讀出或信號處理電路。該傳感器300將透過導電路徑402連接到該電 路，其典型上至少部分埋藏於各種其他層之下，如鈍化層。該電路區域可包括接觸區，用以進行電連接。
可看出該傳感器300與該電路401剛好嵌入一製作區403，而有效利用該製作區。因此，可更有效率地使用晶圓面積，亦即比起其他使用圓形傳感器設計的例子，可製造出更多數目的傳感器，而不會看出所得傳感器有任何靈敏度上的損失。
如上所述，已提出於一MEMS傳感器中使用可變排流孔，例如圖2a與2b中所繪示者，以作為高壓情況下的一種型式的洩壓閥，該排流孔在較高壓力差下開啟以提供較大的流體通道，而在壓力差處於該MEMS傳感器的正常工作範圍內時，如果有的話，具有較小的流體通道。該排流孔結構因此設計為，當壓力差在對應於該傳感器的正常工作壓力差範圍的第一範圍內時實質上關閉，而在第二較高壓力差範圍時，允許較明顯增加流量。請注意該關閉的位置並不一定要對應無流體，也可以對應到欲正常工作所定義的流體通道尺寸，例如提供至少一些在第一壓力差範圍內的低頻等化。WO2014/045040描述一些可用的不同可變排流孔設計。
再參考回如上所述的圖3a，該主動膜301相對於該非主動膜302的移動可在該膜兩側的該等空間區域，如前方與後方空間區域間提供一些有限程度的排流。此可提供一高壓情況下的有限排流。然而，其可有利提供一些可變排流孔307，以在高壓情況下進行排流，及/或如上述般提供一個經調節的靈敏度應答。
在某些實施例中，至少一可變排流孔307可位於該非主動膜區域302中。在某些實施例中，大部分或實質上全部的任何存在的可變排流 孔307可位於非主動膜區域302中。額外增加地或者可替換地，一些、大部分或實質上全部的該等排出孔111可位於膜的非主動區域。
如上所討論，在如參考圖1a與1c所述的傳統MEMS麥克風傳感器中，該膜層通常為實質上一致的圓形膜，其實質上整個周圍受到支撐。在此一傳統設計中，該支撐件所界定的周圍內的膜層整體為有效的主動膜。任何形成於該膜中的可變排流孔因此形成於該主動膜中。
此代表該等排流孔的尺寸、形狀與位置需要加以小心控制。如果在膜中有太多排流孔，則藉由蝕刻穿過該膜而形成的該等排流孔的存在，會改變該膜中的應力，並使整體效能下降。若該等排流孔未相對於其他膜特性及/或未相對於彼此之間處於正確位置，或同樣有太多排流孔，則結果會以非所欲方式使應力集中在該膜的一部分中，尤其是如上述具有本質應力的膜。然而，如果排流孔太少，或它們太小，則提供的好處可能是該等排流孔可最少化，而可能無法在一高壓情況下提供足夠的流動經過該膜以避免損傷。
在如參考圖3a所述的一實施例中，該膜層被分割成一用於感應的主動區域301，還有複數個非主動區域302。該非主動區域302包括膜材料，並持續作為該傳感器前方與後方空間區域間的聲訊屏障。可變排流孔307因此可被置於該非主動區域，如圖3a所示。此一排流孔結構可例如WO2014/045040中所述般工作，以提供一具可變尺寸的流體通道，隨膜上的壓力差改變，且例如可於高壓力差下開啟，以提供明顯的額外流體通道，以於該等空間區域間進行排流。然而，當該等排流孔結構形成於該膜的該等非主動區域302中時，該等排流孔結構的存在(或不存在)對該膜的主動部 分，即主動膜區域301的應力而言沒有影響。因此比起排流孔形成於主動膜而言，在該等可變排流孔結構的尺寸與間隔設計上可以有更多的自由度。對個別排流孔的尺寸沒有限制，不會在意通常關心的關於界定該排流孔的通道尺寸以及例如其對低頻衰減(roll off)的效應，因此該等排流孔可比形成於該主動膜中的情況下來得大。
此外，如果該可變排流孔結構係形成於該非主動區域302中，則可能有一或多個其它材料於該位置連接到該膜，因而調整了該可變排流孔的特性，例如彈性或應力處理能力，而不會影響該主動膜301的效能。
圖3a因此繪示出每一非主動膜區域302可提供有一或多個可變排流孔307。該可變排流孔307可具有任何適合的結構。例如，該等可變排流孔307可具有根據WO2014/045040中所述任一變化例的結構，其內容併於此以為參考。
然而，以至少一些已知的可變排流孔設計，對於在裝置正常工作範圍內保持充分關閉以儘可能不影響對該傳感器的操作，例如一MEMS麥克風的聲訊靈敏度，而同時可在高壓情況下開啟至充分的程度以提供足夠的排流的要求而言，可能很難達到正確的平衡。
本發明的一些實施例因此善加利用具有改良操作特性及/或可提供對壓力差有更適切應答的可變排流孔。
因此在一些實施例中，一可變排流孔結構可包括至少一可移動部分，可移動以提供一尺寸可隨該膜材料上壓力差改變的流體通道。該可移動部分可具有至少第一與第二區段或分段，該排流孔的第一區段可相對該排流孔的第二區段移動。換言之，該排流孔的第一與第二區段可自一 平衡位置偏移，但此外，該排流孔的第二區段也可偏離該排流孔的第一區段。該第一區段可透過一由該可動部分材料所形成的活動折頁(living hinge)與該第二區段連接。因此，本案實施例的該可動部分可具有至少兩個氣瓣部分，而不是如圖2b所述般該可變排流孔只有單一氣瓣的配置。
該可動部分可相對於一排流孔洞配置，以在平衡位置下至少部分用作一排流孔蓋，且至少部分堵住該排流孔洞。在一些實施例中，該排流孔洞可形成於該傳感器的該膜層中。該可動部分用作一可動排流孔蓋，並可因足夠大的蓋子上的局部壓力差而偏移其平衡位置。該可動蓋的第一區段可連接至該排流孔動的一側壁，如周圍的膜材料，使得該第一區段可偏離，例如旋轉偏離，該平衡位置。該第一區段因此可有效樞轉連接至該排流孔洞壁的側面。該第二區段可連接，例如以關節式連接至該第一區段，致使該第二區段可相對於該第一區段旋轉偏移。該第二區段因此可有效樞轉連接至該第一區段。該第二區段可以透過該第一區段只連接至該排流孔洞的側壁，因此可藉由與第一區段的連接完全限制可能的移動。
提供一可動部分作為一排流孔蓋，其中該可動部分或蓋子包括至少兩個區段，該第二區段可相對該第一區段移動，且該第二區段的移動可完全由其與該第一區段的連接來界定，是有利的，因為該排流孔的開口更輕易快速地調節至一所欲的特性，並可提供一更佳的聲訊傳導性對所施加壓力差的分布。
圖5繪示此一可變排流孔結構307的實例的平面視圖。在此實施例中，至少一可變排流孔結構形成於該非主動膜區域302，因此該流體通道為穿過此部分膜的通道，然而也可以是其它配置。該可變排流孔結構因 此可包括一穿過該非主動膜302的排流孔洞，且部分膜形成為一可動部分501，作為一排流孔蓋，並視該局部壓力差提供一可變程度的對該孔洞的阻擋。
該可動蓋部分501以至少一穿經該膜的通道502界定。可藉由蝕刻穿過該膜材料而形成的該通道502可為一狹通道，將該可動蓋部分502與該膜的其它部分分離。蝕刻至少一通道502以使該可動蓋部分501與該非主動膜302的其它部分以此方式分離，代表該可動蓋部分501可偏離該膜的其它部分的表面。該排流孔形成於該非主動膜區域中的情況下，該排流孔的該可動蓋部分501亦可部分由上述使該主動膜301與該非主動膜區域302分離的該通道304界定。
在圖5的實施例中，該等通道502經架構為不只允許該蓋部501相對於該非主動膜302移動，亦允許該蓋的一區段相對於該蓋的另一區段移動。
因此，在圖5的實施例中，該可移動部分或排流孔蓋501包括第一氣瓣部分501a，亦包括第二氣瓣部分302b。該第一氣瓣部分501a透過一連接區域503a連接到該膜的其它部分。此連接區域係以該通道502界定，因而具有可使該可動蓋的第一區段501a因應一作用在該膜上的足夠高壓力差而偏離該膜的形狀和尺寸。該連接區域503a於該第一區段501a與該膜的其餘部分間提供一有效樞轉連接，其界定穿過該膜的該排流孔洞的側壁。應知道者為該樞轉連接件形成為一活動折頁，亦即由和該膜以及該可動蓋的第一區段501a相同材料所形成，且其樞轉件係藉由移除該連接件兩側的材料而提供，使得該連接形成一頸部。在此實施例中，不需要對連接區域本身 做特殊的處理來形成該活動折頁，亦即該連接區域不需要薄化或特別弱化。該連接件簡單由該通道502的位置所界定。此連接區域503a因此可樞轉，即旋轉、移動該蓋501的該第一區段501a偏離該膜的其它部分。應認知者為在圖5的實施例中，該可動蓋的第一區段501a因此有效關節化連接至該膜的其它部分。
該可動蓋的第二區段501b透過一連接區域503b該連接至第一區段501a。此連接區域亦以該通道502界定，因而具有可使該可動蓋的第二區段501b因應一足夠高的壓力差而偏離該第一區段501a的形狀和尺寸。該連接區域503b同樣於該第一區段501a與該第二區段501b間提供一活動折頁連接，同樣不需要對該連接區域進任何行特殊的處理，也可同樣形成一頸部。該連接區域503b因此允許轉動或樞轉，即該第二區段501b往離開該第一區段501a的方向樞轉移動。應了解者為在圖5的實施例中，該可動蓋的第二區段501b因此有效關節式連接至該第一區段501a，並僅透過該第一區段501a連接至該膜的其它部分。
該可動蓋部分501的第一區段501a與第二區段501b的配置較佳均使得其平衡位置，即當無實質上的壓力差作用在該可變排流孔結構上時它們的位置，實質上位於該非主動膜302的平面內。換言之，在平衡時，該可動蓋部分501的第一區段501a實質上不會偏離該膜材料的其餘部分，且該第二區段501b不會偏離該第一區段501a。因此，在平衡位置中，該蓋501實質上蓋住或堵住穿過該非主動膜的該流體通道的至少一部分。在此實施例中，該流體通道在平衡位置處實質上完全關閉，但在某些實施例中，該排流孔可設計為在平衡時提供一定程度受限的流量大小。
當然應可認知，該通道502的確代表一流經該膜的空氣通道，然而如上討論的通道304，該通道502可以非常窄的寬度形成，因此當該可動蓋部分501的區段501a與501b均處於平衡位置時，可能沒有或僅有受限的空氣流經該通道。
不管該可變排流孔的設計為何，將可認知到，在相同傳感器中的不同排流口可為不同設計，至少一些該可變排流孔可位於該非主動膜區域302內。如前所提及，此代表可以較少的主動膜區內的排流孔達成所欲的排流效能，且有可能不在該主動膜301內提供任何排流孔。
當位於該非主動膜區域302內時，任何可變排流孔307均應較佳設置以於排流孔開啟時，於該膜兩側的該等空間區域間提供一相對直接的流體通道。
如前至少一些實施例中所述，該膜層101與該基板間的該孔穴108可利用適合的圖案規劃犧牲材料準確地加以定義。該基板孔穴108經蝕刻而與此孔穴109連接起來，但為了避免形成該基板孔穴的較不準確的背向蝕刻來界定該膜，該基板孔穴開口的邊緣位於孔穴109的區域內。圖3a繪示該基板孔穴開口的邊緣308。此代表在實務上，該膜的周圍，該主動301以及該非主動區域302，覆蓋在一層材料上，亦即一基板層。
傳統上該可變排流孔307經配置以至少部分覆蓋該基板孔穴108的開口，換言之，該排流孔經配置以使通過該排流孔的流體通道，當開啟時，於該基板孔穴與該膜另一側的孔穴之間提供一通道，合理來說正好。圖3a因此繪示出，就一具有多重樞接氣瓣部分的可變排流孔結構而言，至少該末端氣瓣覆蓋該基板孔穴開口，即向內延伸入由該等基板層形成的層 架(shelf)或狗腿曲徑(dogleg)。
圖6繪示根據本發明的一MEMS傳感器的截面。尤其是如圖3a所示的該膜層沿X-X’線的截面。圖6亦繪示該背板104與基板105(其可包括該基底基板以及一或多個形成於其上的基板層)。如圖6中所能看出者，在此實施例中，該等可變排流孔307位於該孔穴108上方，以提供一開口時直接的流體通道。此亦允許它們開啟而不撞擊任何基板部分。在此實施例中，於該背板104中亦有一孔洞601，處於該可變排流孔307將開啟的位置。該孔洞601可為背板中一般的聲訊孔洞，但在一些實施例中，可以比典型的孔洞大。當該排流孔開啟時，該孔洞601同樣允許使用中的該前方與後方空間區域間的直接流體通道，可提供一空間予該可變排流孔開啟進入該背板之用，而不會與該背板有非所欲的接觸。
圖3與6亦繪示至少一些排出孔111可位於該非主動膜區域。把該等排出孔置於該非主動區域可提供如前關於該等可變排流孔結構的討論所提及的類似好處，亦即該等孔洞不在該主動膜301內，因此不會影響的應力或效能。因此該等排出孔111的設計限制比起傳統設計而言可以比較放鬆。然而該等排出孔可以位於覆蓋該等基板層105的層架(shelf)或狗腿曲徑(dogleg)的該非主動膜302區域，例如該基板孔穴開口區域之外。此意謂著該等排出孔不提供該前方與後方空間區域間的直接流體通道，而是迂迴的流體通道。此減輕了在聲訊頻率下對該等流出孔的影響，而同時允許低頻應答。
圖6亦繪示可支撐該膜層101的一形式安裝件306的一實例。在此實例中，該安裝件306包括該膜與該基板接觸的一區域。在此實例中， 該背板104亦與該膜層101在該安裝區域中接觸。在此區域中的該膜101因此固定於該基板105與該背板306之間。此安裝區域的具斜度側壁有助於使用中的應力分布，並避免層合脫離。
在圖3a的實施例中，該主動膜包括複數個具有安裝件305的臂件。圖3a繪示一個一般的安裝件構造，其側向延伸過該臂件，然而實務上，其可典型上較佳使用複數個安裝件。
圖7a繪示根據本發明一實施例之一傳感器，其中與圖3a中所指出的元件相似者，於此處以相同的參考標號表示。
圖7a繪示該膜的平面視圖。同樣地，所示的整個區域包括一膜材料，該膜層以通道304分割成一主動膜301區域，以及非主動膜區域302。同樣地，該主動膜係由複數個臂件303所支撐，該等臂件可實質上均勻分布圍繞在該主動膜周圍。
在圖7所繪示的實施例中，每一個臂件有複數個安裝件305。該等安裝件305可具有如上述的相同的一般性結構。
該等安裝件支撐該膜層與該基板的固定關係。當該等安裝件305為該主動膜301的最內部固定件時，他們有效界定出該主動膜301的彈性部分的周緣。該等安裝件結構305可沿該膜的周緣方向彼此間隔分離。
如上所述，該臂件區域303支撐該膜的該主動區，在該膜中可能有本質應力。該膜的偏移在該主動膜與該等臂件區域中創造出各種額外的應力。在一些實施例中，可在該臂件區域303中有一或多個應力重分配或應力擴散結構701，以避免任何非所欲的應力集中於該臂件區域中，尤其是安裝件處。
該應力重分配結構可包括於該膜材料中的弧狀或弓形隙縫。每一隙縫可位於該彈性膜內，相對於一臂件303的一對相鄰安裝件結構305，使得位於該對安裝件結構間的間隙之前，即朝向該膜中心的方向。該等隙縫可經配置，以使任一位於該膜層上且源自該彈性膜中心並通過相鄰該等安裝件之間的間隙的線會與該隙縫相交。每一隙縫可描述一弧狀通道，其相對該彈性膜中心為凹型，且弧度至少180度。
在一些實施例中，該隙縫可為C形或U形，典型上1微米寬。該等應力重分配隙縫改變了該膜安裝端的應力分布，而不會明顯變更該主動膜的聲訊特性。為了減輕該膜主動部分的明顯應力集中，使該等隙縫為弧形，以提供一受控的應力重分配。
將了解在安裝結構處的高應力有可能增加成該主動膜內的明顯應力。這對於相對緊實的排流孔設計的例子，如圖3b中所示的包括一般正方形或長方形膜的設計而言會是個問題，因為該等安裝結構所造成的應力對比例上更高者的性質具有更重要的影響。該等應力重分配隙縫藉由部分斷開該膜與該安裝結構區域而有利地放鬆該安裝區域附近的應力。此可看出減少該安裝件正前方的彎曲問題。另外，升起經過該區域的應力流動線在該安裝區域中被改變及/或重分配，且該等應力流動線經過這區域被改變。
一般知道可在膜中提供孔洞以用於應力釋放。然而，穿過該膜的孔洞提供一流體通道，因此導致低的聲訊傳導性，而改變該膜的聲訊應答。因此此實施例的該等弓形隙縫提供應力重分配或擴散的好處，但不會明顯增加聲訊傳導性。該等隙縫大部分可說明一圓形通道，然而此將導 致連接該隙縫內材料與該膜其它部分的連接區域很窄。此可提供一類似氣瓣的結構，與該等排流孔的可動部分相仿。該等隙縫701的目的不同，在這一區域排流不一定有用。該等隙縫因此可被設計以使該隙縫內的區域實質上不是用作氣瓣。
圖8a繪示根據本發明一實施例的一主動膜301的安裝端，亦即一臂件區域303。
在此實施例中，安裝件305沿該膜周圍分散。於圖8a中繪示四個安裝件305，但應知道在不同實施例中可使用不同數目的安裝件。應力重分配隙縫701係位於該等安裝件前。在此實施例中，該等隙縫的配置使得相鄰安裝結構間的每一間隙均有一對應的隙縫701位在朝向該膜中心位置的方向前面。在此實施例中的該等隙縫隙位在該臂件區域303內，且每一隙縫具有至少和相關間隙一樣大的寬度。該等隙縫一般而言彎曲角度180度之多或更多。
這些U形隙縫701可經配置以使兩個不同且平行的切線，如虛線801所繪示者，可被拉至每一隙縫的路徑，使隙縫位於其前方的兩安裝結構相交。應知悉可使用不同形狀的隙縫及/或該等隙縫可有不同定位方式。
應知悉可添加更多的隙縫以進一步改善應力分布。例如，可於已存在圖8a中的隙縫701間添加更多隙縫。此一實施例繪示於圖8b中。在此實施例中，至少一些應力重分配隙縫可實質上完全位於一安裝件305朝向該主動膜中心位置。另外或額外地，在此實施例中為交錯的另一層隙縫可添加至靠近該膜中心，如圖8c所示。
此等應力重分配隙縫對所述一主動膜301被不同臂件303支 撐的實施例而言特別有用。然而，該等原理可同樣適用於圖1a與1b中所繪示的傳統傳感器結構，其中係以複數個圍繞該膜周圍的安裝結構支撐一連續膜。
該等應力重分配隙縫因此允許一具有主動膜301的實施例可在無不當應力集中於該臂件區域303的情形下實施，其可能是該膜層101本身的應力，及/或可為該主動膜偏移時的應力誘發。
請再回頭參考圖7，在此實施例中，該膜電極103的形狀和該膜的一般形狀相符。換言之，該膜電極103的周界形狀可為非圓形。在此實施例中，該膜電極103的周界圍繞該主動膜301內部的一實質比例，亦即位於該等臂件區域303內的區域。提供超過此一相對寬程度的膜可助於提供良好的靈敏度。在此實施例中，在該主動膜中不需要可變排流孔或排出孔洞，因此該電極可延伸超過此區域，而不需要保留此等特性所用的空間。在一些實施例中，該膜電極103可在該膜材料內的整個區域上為實質上連續。然而，在一些實施例中，在該膜周圍內可以有無電極材料的區域，例如可以在該膜電極內有複數個孔洞。
當該膜因入射的聲訊壓力波而偏移時，一用於該膜電極的金屬材料可表現出一程度的塑性形變。此在一些例子中會導致該膜在平衡位置處的逐漸永久形變，並導致非所欲的靈敏度的偏差或損失。使用較少的金屬可減少此問題，但通常會被認為降低靈敏度。然而，應知悉，由於該等聲訊孔洞112的存在，在背板電極中有洞。該等傳感器的靈敏度主要受該膜與背板電極重疊量的影響，因此，已知膜電極材料在對應該背板聲訊孔洞的位置處可被省略，而不會對靈敏度有明顯衝擊。
在一些實施例中，該背板的元件可額外或替代地與一般傳感器形狀相符。例如，圖9繪示該傳感器700的一背板104的平面視圖。在此實施例中，該背板係以和該膜相同的安裝結構305與306支持。該背板電極102的周界亦以該虛線繪示，並可對應至該背板電極的形狀及/或該傳感器的一般形狀，例如該主動膜內部的形狀，亦即被該等臂件部分303支撐的主動膜部分。
圖9亦繪示穿過該背板的聲訊孔洞112可與主動膜共形(conformal)，因此例如可形成於一具有一般對應由該等臂件部分303支撐的主動膜部分的形狀的區域內。
圖9亦繪示較大的孔洞可配置於對應該排流孔307的位置。
在此一實施例中，任何透過該背板接收的入射音波因此將實質上入射於該主動膜301上。
從上述討論中將知悉，該非主動膜區域302可由與該主動膜301相同的材料所形成。因應一壓力差，因此可有一程度的該非主動膜偏移。
在一些實施例中該非主動膜的此種有限偏移可能不會是問題，但可有至少一連接該非主動膜與該基板或背板中之一或兩者間的支撐元件。應處於任何可變排流孔區域外側的此支撐元件，可避免該非主動膜的明顯移動，但不會對該主動膜有影響。
圖7和9繪示可有此一支撐元件702，從該背板連接至非主動膜302的內緣附近。圖10繪示穿過圖7所示Y-Y’線的截面。
一或多個根據上述任一實施例的傳感器可安裝於一封裝中。圖11a至11g繪示多種不同封裝配置。圖11a至11g各顯示一位於封裝內的 傳感器元件，但應知悉在一些實施例中，可有超過一個傳感器，例如一傳感器陣列，且可在相同傳感器基板，亦即一單片傳感器基板上，形成各種不同傳感器，或可以分離的傳感器基板形成分離的傳感器，每一分離的傳感器基板結合至一封裝基板。
圖11a顯示一傳感器1100位於一封裝基板1102上，於一形成至少一殼體的一部分的上蓋1101中，的第一配置。在此實例中的該上蓋可為結合至該基板的一金屬殼體。該封裝基板可包括至少一絕緣層。該封裝基板亦可包括至少一導電層。該封裝基板可為一導電材料或可由一如PCB、陶瓷等等材料所形成。該上蓋1101為金屬，或本身包括一導電層，該上蓋可電連接至該基板的導電層，例如使得該殼體可提供電磁干涉(EMI)的保護。打線1103可連接該傳感器至封裝基板上的打線墊。在一些實例中，讀出電路，例如放大器電路，可位於形成於或連接至該封裝基板的該殼體內。穿過該封裝基板的通孔(未示出)可連接至接觸點，亦即焊錫墊1104，以電連接外部電路(未示出)至該封裝，使得電信號可傳送至該傳感器1100/自該傳感器1100送出。在圖11a所示的實例中，在上蓋1101內有一聲音埠或聲訊埠，使聲音可進入該封裝，而該傳感器係以一頂部配置方式配置。
圖1b繪示該聲音埠提供於該封裝基板1102中的另一替代配置，且在使用時可密封。一環1105，其可為一密封環或銲錫墊環(用於形成一焊錫環)，可提供圍繞於該封裝外側的該聲音埠周圍，以允許使用中，當該封裝連接至例如另一PCB時，封住一通往該聲音埠的聲音通道。在此實施例中，該傳感器的配置係為一底埠配置，具有該殼體1101所界定的空間區域，形成該傳感器後方空間區域的一部分。
圖11c繪示一不用打線連接該傳感器與該封裝基板，而是將該傳感器結構倒裝反向，透過連接件1106接合至封裝基板的實例。在此實例中，該聲音埠位於該封裝基板中，使得該封裝以一底埠配置的方式配置。
圖11d繪示圖11b的一替代實例，其中一殼體1107係由不同材料面板所形成，例如PCB或類似物。在此例中，該殼體1107可包括一或多個導體層及/或一或個絕緣層。圖11d顯示該封裝基板中的該聲音埠。圖11e顯示圖11b的一替代配置，其中一殼體1107係由不同材料面板所形成，例如PCB或類似物，如圖11d的相關敘述。圖11f顯示該傳感器結構透過連接件1106結合至該殼體上層，例如可為PCB或層狀導電/絕緣材料，的另一實施例。然而在此實例中，電連接至該封裝仍然是透過該封裝基板上的接觸件，焊錫墊1104，例如該封裝基板上的透孔(未示出)以及該殼體內側上的導線，連接至該傳感器。圖11g繪示圖11c的一替代實例，其中一傳感器反向結合至由面板材料，如圖11d的相關敘述中的PCB或類似物，所形成的一殼體1107中的該封裝基板。
一般而言，如圖11h所示，一或多個傳感器可位於一封裝中，該封裝則可如昔知技藝般，與另一基板，如母板，交互連接。
雖然各種不同實施例描述一MEMS電容式麥克風，本發明亦可適用於任何形式的MEMS傳感器，而非麥克風，例如壓力感測器或超音波傳輸器/接收器。
本發明實施例可有用地在不同材料系統範圍內實施，然而，此處所述的實施例對具有包含氮化矽的膜層的MEMS傳感器尤其有利。
雖然以上各種不同實施例已描述與一MEMS電容式麥克風 相關，本發明亦可應用於任何形式的MEMS傳感器，而非麥克風，例如壓力感測器或超音波傳輸器/接收器。
本發明實施例可有用地在不同材料系統範圍內實施，然而，此處所述的實施例對具有包含氮化矽的膜層的MEMS傳感器尤其有利。
該MEMS傳感器可形成於一傳感器晶片上，且在一些例子中可與至少一些傳感器操作用的電子元件整合。
在上述實施例中，應注意參考一傳感器元件可包括各種不同形式的傳感器元件。例如，一傳感器元件可包括單一膜與背板組合。在另一實例中，一傳感器元件包括複數個個別傳感器，例如多重膜/背板組合。一傳感器元件的該等個別傳感器可相似，或不同架構而可對聲訊信號產生不同應答，例如該等元件可具有不同靈敏度。一傳感器元件亦可包括不同的個別傳感器，經設置以接收來自不同聲訊通道的聲訊信號。
應注意在此處所述實施例中，一傳感器元件可包括例如一麥克風裝置，包括一或多個膜，具有位於該膜及/或基板或背板上的讀出/驅動電極。在MEMS壓力感測器與麥克風的例子中，該電輸出信號可藉由測量與該電極間的電容相關的信號而得到。然而，應注意該等實施例亦欲涵蓋藉由監測壓阻或壓電元件或事實上一光源而衍生的輸出信號。該等實施例亦欲涵蓋一電容式輸出傳感器的傳感器元件，其中以施加於該等電極上的電位變化所產生的靜電力來移動，包括壓電元件係利用MEMS技術所製造並激發以造成彈性部件動作的輸出傳感器的例子。
應注意該等上述實施例中可使用一範圍的裝置，包括但不限於：類比麥克風、數位麥克風、壓力感測器、或超音波傳感器。本發明亦 可用於多種應用中，包括但不限於：消費者應用、醫藥應用、工業應用、以及自動車應用。例如，典型的消費者應用包括可攜式音訊播放器、穿戴式裝置、膝上型電腦、行動電話、PDA、以及個人電腦。實施例亦可用於語音啟動或語音控制的裝置。典型的醫藥應用包括助聽器。典型的工業應用包括主動雜訊消除。典型的自動車應用包括免持組件、聲訊撞擊感應器(acoustic crash sensors)、以及主動雜訊消除。
應注意者為，上述實施例繪示而非限制本發明，熟習此技藝之人士將可設計多種變化實施例而不脫如附申請專利範圍的範疇。”包括”一詞並不排除申請專利範圍中所列者之外的元件或步驟的存在，”一”並不排除複數，而單一的性質或其他單元可滿足數個申請專利範圍中所述單元的功能。任何在申請專利範圍中的參考標示不應被建構為對其範圍的限制。
101‧‧‧膜
103‧‧‧膜電極
111‧‧‧排出孔
301‧‧‧主動膜
302‧‧‧非主動膜
303‧‧‧臂件
304‧‧‧通道
305‧‧‧安裝件
306‧‧‧安裝件
307‧‧‧排流孔
700‧‧‧傳感器
701‧‧‧上蓋部分第一開口
702‧‧‧應力重分配隙縫

Claims (60)

  1. 一種MEMS傳感器，包括以一基板相對支撐的膜，該膜包括一中央區域與複數個應力分配臂，從該中央區域側向延伸。
  2. 根據申請專利範圍第1項中所述的MEMS傳感器，每一應力分配臂包括一或多個安裝結構，以支撐該膜層與該基板的固定關係。
  3. 根據申請專利範圍第2項中所述的MEMS傳感器，其中，該等安裝架構係提供於該膜層周邊處或附近。
  4. 根據前述申請專利範圍中任一項中所述的MEMS傳感器，其中，該等應力分配臂相對於該膜的中央區域配置，使得膜上的本質應力分配以受控制的方式變化。
  5. 根據前述申請專利範圍中任一項中所述的MEMS傳感器，其中，該等應力分配臂以均勻間隔分布在該膜的中央區域外圍。
  6. 根據前述申請專利範圍中任一項中所述的MEMS傳感器，其中，該中央區域與該複數個應力分配臂形成該膜的第一區域，且其中，該膜另包括一第二區域。
  7. 根據申請專利範圍第6項中所述的MEMS傳感器，其中，該傳感器包括一電極，連接至該膜的該第一區域。
  8. 根據申請專利範圍第6或7項中所述的MEMS傳感器，更包括至少一排流孔結構，提供於該膜的該第二區域中。
  9. 根據前述申請專利範圍中任一項中所述的MEMS傳感器，其中，該膜的形狀為一般正方形或長方形。
  10. 根據申請專利範圍第2到10項中任一項中所述的MEMS傳感器，當附屬於申請專利範圍第2項時，更包括一或多個應力重分配結構，其係提供以重新分配該膜中於該等安裝結構中所產生的應力。
  11. 一種MEMS傳感器，包括：一膜層，包括：一主動膜區域，該主動膜區域包括複數個支撐該主動膜區域用的臂件；以及複數個非主動膜區域，其不直接連接至該主動膜區域。
  12. 根據申請專利範圍第11項中所述的MEMS傳感器，其中該等臂件可以實質上均勻圍繞散佈在該主動膜的周圍。
  13. 根據申請專利範圍第11或12項中所述的MEMS傳感器，其中該主動膜區域的該等臂件包括一或多個安裝件。
  14. 根據申請專利範圍第13項中所述的MEMS傳感器，其中每一臂件的該等安裝件與該主動膜中心實質上呈等距。
  15. 根據申請專利範圍第13項中所述的MEMS傳感器，其中具有由該等安裝件所界定的周界的一形狀的實質上所有面積均包括膜材料。
  16. 根據申請專利範圍第11至15項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中該主動膜係處於本質應力之下。
  17. 根據申請專利範圍第11至16項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中至少一可變排流孔結構形成於一非主動膜區域中。
  18. 根據申請專利範圍第17項中所述的MEMS傳感器，其中該至少一可變排流孔結構所處的位置使得因應一壓力差開啟的該排流孔的一部分 覆蓋一基板孔穴的開口。
  19. 根據申請專利範圍第10至18項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中該傳感器包括至少一可變排流孔結構，形成於該膜層中，其中該主動膜區域不包括任何可變排流孔結構。
  20. 根據申請專利範圍第10至19項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中於一非主動膜區域中形成至少一低頻壓力均化用的孔洞。
  21. 根據申請專利範圍第20項中所述的MEMS傳感器，其中該至少一低頻壓力均化用的孔洞所處的位置使得不會覆蓋一基板孔穴的開口。
  22. 根據申請專利範圍第10至21項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中每一臂件包括複數個安裝件，沿該膜周圍邊緣彼此間隔分布。
  23. 根據申請專利範圍第22項中所述的MEMS傳感器，在每一臂件中包括一或多個應力重分配結構。
  24. 根據申請專利範圍第23項中所述的MEMS傳感器，其中該應力重分配結構包括於該膜材料中的弧狀或弓形隙縫。
  25. 根據申請專利範圍第23或24項中所述的MEMS傳感器，其中至少一應力重分配結構相對於一臂件的一對相鄰安裝件設置，以使其位於該對安裝件間的一間隙前。
  26. 根據申請專利範圍第25項中所述的MEMS傳感器，其中該至少一應力重分配結構所處的位置使得該膜層上任一源自該主動膜區域中心且通過該等相鄰安裝件間隙的線與該隙縫相交。
  27. 根據申請專利範圍第24項中所述的MEMS傳感器，其中每一隙縫敘述一弧形通道，其以彈性膜中心為參考呈凹狀，弧度至少180度。
  28. 一種MEMS傳感器結構，包括：以一基板相對支撐的膜層，以提供一彈性膜；第一複數個安裝結構，用以支撐該膜層與該基板的固定關係，該第一複數個安裝結構經架構以界定該彈性膜的一周圍邊緣，且其沿該膜周圍邊緣彼此間隔分布；以及第一複數個應力擴散隙縫，位於該膜層中；其中每一應力擴散隙縫均位於該膜內，該等相鄰安裝結構間的一間隙前，朝向該膜中心的方向；且每一應力擴散隙縫均為長條形，並具有一弧形通道，使得該膜層平面中與該隙縫通道的第一部分正切的第一切線與該等相鄰安裝結構中之一相交，而[該膜層平面中]與該隙縫通道的第二部分正切的第二切線與該等相鄰安裝結構中之另一者相交，其中第一切線與第二切線平行。
  29. 根據申請專利範圍第28項中所述的MEMS傳感器結構，其中該等切線垂直於該等安裝結構所界定的一周圍邊界。
  30. 根據申請專利範圍第29項中所述的MEMS傳感器結構，其中該等安裝結構所界定的該周圍邊界係由一沿該等安裝結構的前端經過的線所界定。
  31. 根據申請專利範圍第28項中所述的MEMS傳感器結構，其中該等切線平行於該彈性膜中心與該等相鄰安裝結構間的一基線中心間的第一軸。
  32. 一種MEMS傳感器，包括：一膜層，於複數個位於該膜層一固定區域周圍的安裝區域處，相對固定至一基板，其中：膜層的該彈性區域於該等安裝區域該膜層的該彈性區域中心間包括第一複數個弓形隙縫，其中：每一該等隙縫均相對於一對相鄰安裝區域設置，使得在該膜層上，定義一實質上平行於一第一軸的第一線，該第一線與該第一安裝區域相交，並與該隙縫相切，且畫出一實質上平行於該第一軸的第二線，其與該第二安裝區域相交，並與該隙縫相切，其中該第一軸延伸於該膜層的該彈性區域中心與該對第一與第二安裝區域中心間的該基線中心點間。
  33. 一種MEMS傳感器結構，包括：以一基板相對支撐的膜層，以提供一彈性膜；第一複數個安裝結構，用以支撐該膜層與該基板的固定關係，該第一複數個安裝結構經架構以界定該彈性膜的一周圍邊緣，且其沿該膜周圍邊緣彼此間隔分布；以及第一複數個應力擴散隙縫，位於該膜層中；其中每一應力擴散隙縫均位於該膜內，其位置與一對相鄰安裝結構相關，以位於該對相鄰安裝結構間的一間隙前，朝向該膜中心的方向，使該膜層上任一源自該彈性膜中心且通過該間隙的線與該隙縫相交；且 其中該隙縫敘述一弧形通道，其以該彈性膜中心為參考呈凹狀，弧度至少180度。
  34. 根據申請專利範圍第33項中所述的MEMS傳感器，其中該膜層形狀為正方形或長方形。
  35. 一種MEMS傳感器，包括一膜與至少一安裝結構，用以相對一基板支撐該膜，以提供一彈性膜，並進一步包括一或多個應力擴散結構，提供於該膜中，以擴散於該安裝結構區域中的應力。
  36. 根據申請專利範圍第35項中所述的MEMS傳感器，其中該應力擴散結構包括一隙縫，延伸穿過該膜。
  37. 根據申請專利範圍第36項中所述的MEMS傳感器，其中該隙縫的形式為弧狀或弓形。
  38. 根據申請專利範圍第36或37項中所述的MEMS傳感器，其中該隙縫為C形或U形。
  39. 根據申請專利範圍第35至38項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中該膜包括一中央區域與複數個應力分配臂，從該中央區域側向延伸。
  40. 根據申請專利範圍第40項中所述的MEMS傳感器，其中每一應力分配臂包括至少一個該至少一安裝結構。
  41. 根據申請專利範圍第35至40項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中於該膜周圍處或附近提供複數個該安裝結構。
  42. 根據申請專利範圍第39至41項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中該等應力分配臂相對於該膜的該中央區域設置，使該膜內的應力以受控制的方式變化。
  43. 根據申請專利範圍第39至42項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中該等應力分配臂均勻間隔分布在該膜的中央區域外圍。
  44. 根據申請專利範圍第39至43項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中該中央區域與該複數個應力分配臂形成該膜的第一區域，且其中，該膜另包括一第二區域。
  45. 根據申請專利範圍第44項中所述的MEMS傳感器，其中該傳感器包括一電極，連接至該膜的該第一區域。
  46. 根據申請專利範圍第44或45項中所述的MEMS傳感器，更包括至少一排流孔結構，提供於該膜的該第二區域中。
  47. 根據申請專利範圍第35至46項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中該膜的形狀為一般正方形或長方形。
  48. 根據申請專利範圍第35至38項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中該膜：一主動膜區域，該主動區域包括複數個支撐該主動膜區域用的臂件；以及複數個非主動膜區域，不直接連接至該主動膜區域。
  49. 根據申請專利範圍第48項中所述的MEMS傳感器，其中該等臂件可以實質上均勻圍繞散佈在該主動膜的周圍。
  50. 根據申請專利範圍第48或49項中所述的MEMS傳感器，其中該主動膜區域的該等臂件包括一或多個安裝件。
  51. 根據申請專利範圍第50項中所述的MEMS傳感器，其中每一臂件的該等安裝件與該主動膜中心實質上呈等距。
  52. 根據申請專利範圍第50項中所述的MEMS傳感器，其中具有由該等安裝件所界定的周界的一形狀的實質上所有面積均包括膜材料。
  53. 根據申請專利範圍第48至42項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中該主動膜係處於本質應力之下。
  54. 根據申請專利範圍第48至53項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中至少一可變排流孔結構形成於一非主動膜區域中。
  55. 根據申請專利範圍第54項中所述的MEMS傳感器，其中該至少一可變排流孔結構所處的位置使得因應一壓力差開啟的該排流孔的一部分覆蓋一基板孔穴的開口。
  56. 根據申請專利範圍第48至56項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中該傳感器包括至少一可變排流孔結構，形成於該膜層中，其中該主動膜區域不包括任何可變排流孔結構。
  57. 根據申請專利範圍第48至56項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中於一非主動膜區域中形成至少一低頻壓力均化用的孔洞。
  58. 根據申請專利範圍第57項中所述的MEMS傳感器，其中該至少一低頻壓力均化用的孔洞所處的位置使得不會覆蓋一基板孔穴的開口。
  59. 根據申請專利範圍第48至58項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中每一臂件包括複數個安裝件，沿該膜周圍邊緣彼此間隔分布。
  60. 根據申請專利範圍第36至59項中任一項中所述的MEMS傳感器，其中每一隙縫敘述一弧形通道，其以彈性膜中心為參考呈凹狀，弧度至少180度。
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