TW201808783A - Ｍｅｍｓ裝置與製程 - Google Patents

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Abstract

本申請案描述具有一膜片及一膜片電極之MEMS傳感器。該膜片及該膜片電極形成一雙層結構。該膜片電極呈導電材料之一晶格的形式。自該膜片電極之一中心區至在該中心區之側向外部的一區，該晶格之間距及/或開口之大小發生變化。

Description

MEMS裝置與製程
本發明係關於微機電系統(micro-electro-mechanical system，MEMS)裝置與製程，且尤其係關於與傳感器(例如，電容式麥克風)相關之MEMS裝置與製程。
各種MEMS裝置正變得愈來愈風行。MEMS傳感器且尤其係MEMS電容式麥克風正愈來愈多地用於諸如行動電話及攜帶型計算裝置之攜帶型電子裝置中。
使用MEMS製造製程所形成之麥克風裝置通常包含一或多個膜片，其中用於讀出/驅動之電極沈積於膜片及/或基板上。在MEMS壓力感測器及麥克風之狀況下，讀出通常藉由量測一對電極之間的電容來實現，該電容將隨著該等電極之間的距離回應於入射於膜片表面上之聲波改變而變化。
圖1a及圖1b分別展示已知電容式MEMS麥克風裝置100之示意圖及透視圖。電容式麥克風裝置100包含膜片層101，該膜片層形成可撓性膜片，該可撓性膜片回應於由聲波產生之壓力差而自由地移動。第一電極102機械地耦接至可撓性膜片，且該兩者一起形成電容式麥克風裝置之第一電容板。第二電極103機械地耦接至大體上剛性之結構層或背板104，該兩者一起形成電容式麥克風裝置之第二電容板。在圖1a中所展示之實例中，第二電極103嵌入於背板結構104內。
電容式麥克風形成於基板105(例如，矽晶圓)上，該基板上可形成有上部氧化物層106及下部氧化物層107。在基板中且在任何上覆層中之空腔108(在下文中被稱作基板空腔)係設置於膜片下方，且可使用穿過基板105之「背蝕(back-etch)」而形成。基板空腔108連接至位於膜片正下方之第一空腔109。此等空腔108及109可共同地提供聲容積，因此允許膜片回應於聲刺激而移動。第二空腔110插入於第一電極102與第二電極103之間。
第一空腔109可在製造製程期間使用第一犧牲層(亦即，使用用以界定第一空腔的可隨後被移除之材料)及在第一犧牲材料上方沈積膜片層101而形成。使用犧牲層形成第一空腔109意謂基板空腔108之蝕刻在界定膜片之直徑時不起任何作用。實情為，膜片之直徑係由第一空腔109之直徑(其又由第一犧牲層之直徑界定)結合第二空腔110之直徑(其又可由第二犧牲層之直徑界定)界定。相比於使用濕式蝕刻或乾式蝕刻而執行之背蝕製程的直徑，使用第一犧牲層所形成之第一空腔109之直徑可得到更準確地控制。因此，蝕刻基板空腔108將在下伏於膜片101之基板之表面中界定開口。
在下文中被稱作放氣孔111之複數個孔連接第一空腔109與第二空腔110。
如所提及，膜片可藉由在第一犧牲材料上方沈積至少一個膜片層101而形成。以此方式，該(等)膜片層之材料可延伸至支撐膜片之支撐結構(亦即，側壁)中。膜片及背板層可由彼此實質上相同的材料形成，例如，膜片及背板兩者可藉由沈積氮化矽層而形成。膜片層可經定尺寸為具有所需可撓性，而背板可經沈積為較厚且因此較剛性之結構。另外，各種其他材料層可在形成背板104時使用以控制背板之性質。使用氮化矽材料系統 在許多方面係有利的，但可使用其他材料，例如，使用多晶矽膜片之MEMS傳感器係已知的。
在一些應用中，麥克風可經配置為在使用中使得經由背板來接收入射聲音。在此等情況下，在下文中被稱作聲孔112之另外複數個孔係配置於背板104中，以便允許空氣分子自由地移動，使得聲波可進入第二空腔110。第一空腔109及第二空腔110結合基板空腔108允許膜片101回應於經由背板104中之聲孔112進入的聲波而移動。在此等情況下，基板空腔108通常被稱為「背面體積(back volume)」，且其可被實質上密封。
在其他應用中，麥克風可經配置使得可在使用中經由基板空腔108來接收聲音。在此等應用中，背板104通常仍具備複數個孔以允許空氣在第二空腔與背板上方之另外體積之間自由地移動。
亦應注意，儘管圖1展示背板104正支撐於膜片的與基板105對置之側上，但如下配置係已知的：背板104係以膜片層101支撐於其上方的方式最接近於基板而形成。
在使用中，回應於與入射於麥克風上之壓力波對應的聲波，膜片自其均衡或靜態位置稍微變形。膜片電極102與背板電極103之間的距離相應地變更，從而引起兩個電極之間的電容之改變，該改變隨後藉由電子電路系統(圖中未示)來偵測。放氣孔允許第一空腔及第二空腔中之壓力在相對長的時間標度內均衡(就聲頻而言)，此減小(例如)起因於溫度變化及其類似者的低頻壓力變化之效應，但不影響所要聲頻下之敏感度。
MEMS傳感器之可撓性膜片層大體上包含薄介電材料層，諸如晶形或多晶形材料層。實際上，膜片層可由在連續步驟中沈積以形成膜片層之若干材料子層形成。舉例而言，可撓性膜片101可由氮化矽Si3N4或多晶矽形成。晶形及多晶形材料具有高強度及低塑性變形，該兩者在膜 片之構造中係高度理想的。MEMS傳感器之膜片電極102通常為金屬(例如，鋁)之薄層，該金屬層通常位於膜片101之中心，亦即，膜片之位移最多之部分。熟習此項技術者將瞭解，膜片電極可由諸如鋁矽之合金形成。膜片電極可通常覆蓋(例如)膜片之面積之大約40%，通常在膜片之中心區中。
因此，已知的傳感器膜片結構係由兩個不同材料層組成，該兩個不同材料層通常為介電層(例如，SiN)及導電層(例如，A1Si)。
通常，膜片層101及膜片電極102可製造為在靜態位置中實質上平坦，亦即，膜片上無壓差，如圖1a中所說明。膜片層可形成為在此靜態位置中實質上平行於背板層，使得膜片電極102平行於背板電極103。然而，隨時間推移，膜片結構可(例如)由於相對高或反覆之位移而變形，使得其將不會返回至完全相同之開始位置。
數個問題與先前考慮之傳感器設計相關聯。特定而言，膜片與膜片電極兩者在製造之後將遭受本徵機械應力。由於膜片及膜片電極具有明顯不同之熱膨脹係數，因此在沈積之後在結構內產生機械應力，此係因為在自幾百攝氏度之高沈積溫度返回至室溫時材料收縮不同量。由於兩個層緊密地機械耦接在一起，因此防止藉由獨立機械收縮而耗散應力，電極與膜片之複合結構將傾向於變形。此類似於雙金屬條恆溫感測器之熟知操作。在長時間內，尤其在經受對使用中之麥克風膜片為典型的反覆機械運動時，金屬電極層尤其可在其退火以減小其所儲存應力能量(其不能以任何其他方式釋放)時經受蠕變或塑性變形。因此，包含膜片及膜片電極之膜片結構的均衡或靜態位置自一開始即對製造條件敏感，且亦可隨時間推移而改變。
圖2說明在膜片101/102之靜態位置可發生的永久變形。可 看出，膜片之靜態位置且因此背板電極103與膜片電極102之間的間距因此自其緊接在製造之後的位置(由虛線展示)改變至經變形靜態位置。由於靜態位置處之電容不相同，此可引起來自此傳感器之量測信號的DC偏移。更重要地，對於交流音訊信號，電容改變引起用於給定聲刺激(亦即，麥克風之聲電敏感度)之信號電荷的變化。
此外，複合電極-膜片結構101/102之彈性對電極及膜片層之機械應力敏感。製造條件之任何變化以及經由金屬蠕變或其類似者的後續應力釋放將影響此等層之應力之值。歸因於應力失配之變形亦將直接影響靜態應力之值。
因此，可瞭解，膜片結構及相關聯傳感器可經歷初始敏感度之增加製造變化，且此外隨時間推移經歷敏感度之改變或漂移，此意謂傳感器效能無法保持恆定。
此外，膜片電極之金屬可由於自靜態/均衡位置之相對高或反覆之位移而經歷一些塑性變形。因此，膜片電極之金屬可變形，因此其將不會返回至其原始位置。由於可撓性膜片101及膜片電極102彼此機械地耦接，故此亦可引起可撓性膜片101之靜態位置之整體改變及/或應力性質且因此整個膜片結構之彈性之改變。
圖3a展示包含平坦膜片層301及電極302的先前考慮之膜片結構的俯視圖。通常由金屬或金屬合金形成之電極經圖案化以併有複數個開口313。在此特定實例中，該等開口之形狀為大體六邊形。藉由在膜片電極中提供此等開口，相較於具有類似大小直徑但不具有任何此等開口之膜片電極，形成膜片電極之金屬之總量可減少，亦即，具有該等開口之膜片電極提供對可撓性膜片之較少覆蓋。此又將產生具有減少之塑性變形的膜片及膜片電極結構。
將瞭解，就信號電荷而言，麥克風敏感度取決於電容，該電容與導電電極之面積成正比。併有具有經圖案化之電極層之膜片的傳感器結構可因此潛在地表明：相較於薄片電極設計，傳感器之敏感度及/或效能較低。
本發明係關於MEMS傳感器與製程，其(例如)藉由提供相較於薄片電極設計展現減少之塑性變形但亦表明改良之敏感度或效能的傳感器來試圖緩解前述缺點中之一些。
根據一第一態樣，提供一種MEMS傳感器，其包含：一膜片層；及一膜片電極，其由一導電材料形成於該膜片層之一表面上，該膜片電極具有設置於其中之複數個開口，其中該導電材料之一面積相對於該等開口之一面積的一比率自在該膜片層之一中心區處或附近的一第一區中之一第一該比率減小至在該第一區之側向外部的一第二區中之一第二該比率。
因此，該膜片電極具備複數個孔或穿孔。該等開口延伸穿過該電極之平面，且曝露下伏膜片層之實質上對應於開口之面積的面積。
形成該膜片電極之導電材料的面積相對於該等開口之面積(或下伏膜片層之所曝露面積)的比率(換言之，「電極對膜片面積比率」)在該膜片電極之第一區與第二區之間發生變化。
該膜片層形成傳感器裝置之一可撓性膜片。該傳感器包含一膜片材料層，其可相對於基板之一下伏膜片以一固定關係受支撐。該膜片材料可在設置於該基板中之一空腔上方延伸。在該空腔上方延伸之該膜片之區可被視為形成該傳感器之該可撓性膜片。該膜片層的上覆於該基板空腔之中心的中心區係該膜片的回應於一聲壓力波而位移最多之部分。
形成該膜片電極之材料的面積對該膜片層之面積的比率在該膜片電極之一第一區中比在該膜片電極之一第二區中大。該第一區係在下伏膜片層之中心區處或附近，且該第二區係在下伏膜片層之中心區的側向外部。因此，根據此配置，膜片電極之中心區有利地包含較大的金屬面積或面積密度，且因此電容在傳感器之中心區處得到增強。
該膜片電極可包含大於兩個區。可圍繞膜片電極之中心區同心地設置額外區，使得自膜片電極之中心至周邊，電極對膜片面積比率逐漸變化。因此，自第一區朝向在膜片電極之周邊處或附近的區，電極對膜片比率可減小。換言之，遠離膜片層之中心區，電極對膜片面積比率較小。
形成膜片電極之材料的面積相對於開口之面積的比率之變化或改變可用數種方式來實現。
舉例而言，開口之大小在區之間可發生變化，使得在開口之大小相對較小的第一區中，膜片電極材料之面積相對於開口之面積的比率相對較大。相反，在開口之大小相對較大的第二區中，膜片電極材料之面積相對於開口之面積的比率相對較小。根據一個特定實例，自上覆於膜片層之中心區的區至在膜片電極之周邊處或附近的區，設置於膜片電極中之開口的大小增大。
替代地或另外，間距距離(亦即，中心至中心距離或鄰近開口之間的間隔)可發生變化，使得在鄰近開口之間的距離相對較小的第一區中，膜片電極材料之面積相對於開口之面積的比率相對較大。相反，在鄰近開口上之對應點之間的距離相對較大的第二區中，膜片電極材料之面積相對於開口之面積的比率相對較小。根據一個特定實例，自上覆於膜片層之中心區的區至在膜片電極之周邊處或附近的區，鄰近開口之中心之間的間距距離可增大。根據另一特定實例，遠離中心，間距距離增大，而開口 之大小亦增大以使得導電材料之面積相對於開口之面積的比率仍自在膜片層之中心區處或附近的第一區中之第一該比率減小至在第一區之側向外部的第二區中之第二該比率。
因此，該膜片電極層可被視為包含導電材料之晶格，其中該晶格包含複數個開口且其中自膜片電極之中心區至在該中心區之側向外部的區，該晶格之間距及/或該等開口之大小發生變化。該間距及/或該等開口之大小的該變化使得導電材料之面積相對於開口之面積的比率自在膜片層之中心區處或附近的第一區中之第一該比率減小至在第一區之側向外部的第二區中之第二該比率。
該MEMS傳感器可包含一背板結構，其中該可撓性膜片層係相對於該背板結構受支撐。該背板結構可包含穿過該背板結構之複數個孔。較佳地，膜片電極中之至少一個開口的面積之至少一部分在正交於膜片之方向上對應於至少一個背板孔之面積。因此，背板中之孔可至少部分地上覆於膜片電極中之開口。將瞭解，背板孔之大小可與膜片電極中之開口中的一些之大小相同，但此等無需必定為如此狀況。
該等開口可具有任何形狀，例如，圓形或多邊形(例如，正方形)形狀。特定而言，膜片電極中之開口之形狀可為六邊形。根據一或多個實例，該等開口可展現一形狀，其中給定開口之外邊緣上的任何兩個在直徑上對置之點之間的距離實質上相同。根據一或多個實例，該等開口可被視為展現大於兩重旋轉對稱性。
該膜片電極可因此被視為經圖案化以形成複數個開口。該膜片電極可被視為包含晶格或「網眼」結構。該膜片電極可被視為包含導電材料網狀物。
該可撓性膜片可包含一晶形或多晶形材料。較佳地，該可撓 性膜片層包含氮化矽。該膜片電極可包含金屬或一金屬合金。較佳地，該電極包含鋁、矽、摻雜矽或多晶矽。
本文中所描述之實例有利地表明該膜片結構之靜態或均衡位置的變形程度隨時間推移而減小。因此，本文中所描述之實例由於所提供開口而有利地減小膜片材料與金屬電極之間的界面之面積，藉此用以降低金屬電極層對膜片層之機械影響。因此，有益地緩解由雙層結構之變形引起的MEMS傳感器之時間相依漂移。
此外，本文中所描述之實例可表明電容之增強，此係因為電極層之整個工作面積(亦即，導電材料之量)相較於具有間距及大小均一之開口的先前經圖案化電極可有利地增大。此可(例如)藉由開口之大小之減小來實現，開口大小之減小提供設置於裝置之一或多個區中的膜片上之電極材料之量的對應增加。替代地或另外，此可藉由使鄰近開口或開口群組上之對應點之間的距離變化使得每單位面積所設置之電極材料之量在裝置之一或多個區中增加來達成。
電極對膜片面積比率之變化可跨越膜片而逐漸發生。因此，該變化可在自電極之第一區至電極之第二區的路徑上之所有鄰近開口之間可量測。替代地，電極對膜片面積比率之該變化可在兩個或大於兩個開口群組之間可量測，例如，每一群組之開口之大小可不同。在此狀況下，每一開口群組可被視為形成膜片電極之一區。
該傳感器可為一電容式感測器，諸如一麥克風。該傳感器可包含讀出(例如，放大)電路系統。該傳感器可位於具有一聲音埠(亦即，一聲埠)之一封裝內。該傳感器可實施於一電子裝置中，該電子裝置可為以下各者中之至少一者：一攜帶型裝置；一電池供電式裝置；一音訊裝置；一計算裝置；一通信裝置；一個人媒體播放器；一行動電話；一平板電腦裝 置；一遊戲裝置；以及一語音控制式裝置。
根據另一態樣之實例，提供一種MEMS傳感器，其包含一膜片層及一導電膜片電極層。該膜片層及該膜片電極層形成一雙層結構。該膜片電極形成於該膜片層之一表面上。該膜片電極層具有設置於其中之複數個開口。該膜片電極層之導電材料之一面積相對於該膜片電極層中之該等開口之一面積的一比率自在該膜片層之一中心區處或附近的一第一區中之一第一該比率減小至在該第一區之側向外部的一第二區中之一第二該比率。
任何給定態樣或實例之特徵可與任何其他態樣或實例之特徵組合，且本文中所描述之各種特徵可以任何組合實施於給定實例中。
針對以上態樣或實例中之每一者提供製造MEMS傳感器之相關聯方法。
100‧‧‧電容式MEMS麥克風裝置/MEMS傳感器
101‧‧‧可撓性膜片/膜片層
102‧‧‧膜片電極/第一電極
103‧‧‧第二電極/背板電極
104‧‧‧結構層或背板/背板結構
105‧‧‧基板
106‧‧‧上部氧化物層
107‧‧‧下部氧化物層
108‧‧‧基板空腔
109‧‧‧第一空腔
110‧‧‧第二空腔
111‧‧‧放氣孔
112‧‧‧聲孔
301‧‧‧平坦膜片層/可撓性膜片
302‧‧‧膜片電極/電極材料
303‧‧‧背板電極
304‧‧‧背板
312‧‧‧聲孔
313‧‧‧開口
a1、a2、a3、a4‧‧‧大小
C‧‧‧虛線
P‧‧‧間距距離
P1‧‧‧距離
R1‧‧‧第一群組
R2‧‧‧第二群組
R3‧‧‧第三群組
R4‧‧‧第四群組
為了更好地理解本發明以及展示可如何實現本發明，現將以實例方式參考附圖，在附圖中：圖1a及圖1b以截面圖及透視圖說明已知電容式MEMS傳感器；圖2說明膜片可如何變形；圖3a說明先前考慮之膜片電極結構之平面圖；圖3b說明穿過經圖案化以併有開口之膜片電極結構之截面；圖4展示穿過根據第一實例之膜片電極結構之截面；圖5a、圖5b及圖5c展示一系列實質上正方形開口之大小之變化，該等正方形開口係跨越根據第二及第三實例之膜片電極而在直徑上設置；及圖6展示說明根據第四實例之膜片電極結構之部分平面圖。
在整個本說明中，類似於其他圖中之特徵之任何特徵已被給予相同的 參考標號。
將以MEMS電容式麥克風之形式的MEMS傳感器來描述實例。然而將瞭解，本發明實例同樣適用於其他類型之MEMS傳感器，包括電容型傳感器。
如上文針對具有設置於可撓性膜片層(尤其係結晶材料之膜片層)上之金屬膜片電極的MEMS感測器所提及，在使用中金屬之塑性變形可意謂膜片之靜態位置及/或應力特性可在使用時隨時間推移而改變。此可導致感測器的不合需要之DC偏移及/或敏感度改變，且正再現之聲信號之後續品質可顯著降級。
在由本發明申請人申請之較早申請案中揭示一種MEMS傳感器，其中膜片電極包含至少一個開口，其中在正交於膜片之方向上，開口之面積之至少部分對應於背板孔之面積。換言之，膜片電極中之開口之至少部分的面積與背板孔之面積之至少部分對準(在正交於膜片之方向上)。藉由在膜片電極中提供此等開口，相較於具有類似直徑但不具有任何此等開口之膜片電極，形成膜片電極之金屬之總量可減少，亦即，具有該等開口之膜片電極提供對可撓性膜片之較少覆蓋。
圖3a及圖3b分別說明此先前所提議之MEMS傳感器的平面圖及截面圖，該MEMS傳感器包含形成於可撓性膜片301上之膜片電極302。該膜片電極302在電極材料302中具有複數個開口313，在該複數個開口處，不存在對膜片301之覆蓋。此等開口(或不存在材料之區域)313減少沈積於膜片301上之電極材料302之量(對於給定直徑之電極)，且因此相較於不具有此等開口之電極增大膜片材料對電極材料之比例。此又將產生具有減少之塑性變形的膜片結構301/302。在使用中，將預期此結構301/302 較少變形，且相較於不具有開口之膜片電極，此改良MEMS傳感器100之操作。
圖3b展示形成於可撓性膜片301上之膜片電極302，且另外展示背板304及背板電極303，背板及背板電極具有穿過其之聲孔312。此等聲孔312允許以下兩者之間的聲通信：膜片與背板之間的空腔；及膜片之另一側上的體積(其可為聲音埠或背面體積)。聲孔312延伸穿過背板304與背板電極303兩者，且因此存在穿過整個背板結構303/304之孔。如熟習此項技術者將瞭解且如圖3b中所說明，在經充電/偏壓之平行板極電容器中，將存在靜電場分量，該靜電場分量在垂直於板之方向上自一個板延行至另一板。
已結合先前考慮之設計之一些實例而識別到數個潛在缺點。具體而言，將瞭解，將存在總電容及因此裝置之敏感度的一些減小，此為設置於可撓性膜片上之電極材料的量之減少的結果。減小之信號電荷敏感度可減損可達成之信雜比。
圖4展示包含膜片301及膜片電極302之第一實例之截面，該膜片電極具有形成於其中之複數個開口313。在此實例中，自在可撓性膜片之中心處的區朝向膜片之外部區，開口之大小及因此可撓性膜片之所曝露表面積增大。膜片之中心由虛線C指示。最接近膜片中心之開口具有大小a1且可被視為形成第一群組R1，圍繞第一群組之開口具有大小a2並可被視為形成第二群組R2，且朝向膜片電極之周邊之開口具有大小a3並形成第三群組R3。在此實例中，a1<a2<a3。
儘管傳感器結構之其餘部分未在圖4中展示，但將瞭解，歸因於膜片之外邊緣相對於基板以固定關係受支撐，可撓性膜片之中心區將回應於膜片上之壓差而展現最大程度之偏轉。在此實例中，因此需要藉由 在中心區處提供膜片電極材料之面積對膜片之面積的較高比率來使膜片電極之中心區處的電容最大化，同時仍藉由遠離中心區提供膜片電極材料之面積對膜片之面積的較低比率來緩解雙層結構之變形。
圖5a說明跨越根據第二實例之膜片電極而在直徑上設置的一系列實質上正方形開口之大小的變化。電極材料由陰影區指示，且將瞭解，下伏膜片層將在開口中之每一者的區中被曝露。下伏膜片層之中心由虛線C指示。最接近膜片中心之開口具有面積大小a1且可被視為形成第一群組R1，圍繞第一群組之開口具有大小a2且可被視為形成第二群組R2，圍繞第二群組之開口具有大小a3且可被視為形成第三群組R3，且朝向膜片電極之周邊之開口具有大小a4且形成第四群組R4。在此實例中，a1<a2<a3<a4。在此實例中，鄰近開口之中心點之間的距離或間距P實質上恆定，而開口之面積在徑向上遠離中心而增大。將瞭解，電極對膜片面積比率在電極之中心區處最大，且遠離中心區而變小。換言之，每單位面積之導電材料之面積在中心區處最大，且朝向膜片電極之周邊而減小。圖5b為圖5a中所展示之實例之2維說明。
圖5c說明跨越根據第三實例之膜片電極而在直徑上設置的一系列實質上正方形開口之大小的變化。下伏膜片(圖中未示)之中心由虛線C指示。在此實例中，該等開口實質上具有均一大小，而自電極之中心朝向電極之周邊，鄰近開口之中心點之間的間距距離P在徑向上變化。在此實例中，在電極之中心區處之間距距離最大，且鄰近開口之間的距離為P1。遠離中心區，間距距離減小使得P1>P2>P3>P4。因此將瞭解，電極對膜片面積比率在電極之中心區處最大，且遠離中心區而變小。換言之，每單位面積之導電材料之面積在中心區處最大，且朝向膜片電極之周邊而減小。
將瞭解，設想其他實例，其中遠離中心，間距距離增大，而 開口之大小充分增大使得導電材料之面積相對於開口之面積的比率仍自在膜片層之中心區處或附近的第一區中之第一該比率減小至在第一區之側向外部的第二區中之第二該比率。
圖6展示包含膜片301及膜片電極302之第四實例之部分平面圖，該膜片電極具有形成於其中之複數個開口313。在此實例中，自在可撓性膜片之中心處的區朝向膜片之外部區，開口之大小及因此可撓性膜片之所曝露表面積增大。在此實例中，該等開口之形狀為大體六邊形。間距距離實質上恆定。膜片電極包含三個開口群組。在所說明之膜片電極之中心處經叢集的第一開口群組R1之大小最小。圍繞第一開口群組之第二開口群組R2稍大於第一群組之開口。第三開口群組R3圍繞第二開口群組且其大小最大。群組R1、R2及R3中之每一者可被視為屬於膜片電極之特定區。因此，第一開口群組R1屬於膜片電極之第一中心區，第二開口群組屬於膜片之在第一區之徑向或側向外部的第二區，且第三開口群組屬於膜片之朝向膜片電極之周邊(圖中未示)在第二區之徑向外部的第三區。
因此，該膜片電極層可被視為包含導電材料之晶格，其中該晶格包含複數個開口且其中自膜片電極之中心區至在該中心區之側向外部的區，該晶格之間距及/或該等開口之大小發生變化。該間距及/或該等開口之大小的該變化使得導電材料之面積相對於開口之面積的比率自在膜片層之中心區處或附近的第一區中之第一該比率減小至在第一區之側向外部的第二區中之第二該比率。
本文中所描述之實例係關於具有複數個開口之經圖案化之膜片電極。開口之大小跨越電極發生變化。舉例而言，跨越開口之距離可為大約10μm且在膜片電極之不同區中可在8μm與40μm之間變化。MEMS傳感器之電極之間的距離(被稱為垂直電極間間隙距離)將通常為大 約2μm。因此，跨越開口之距離可(例如)為電極間間隙距離之5倍與20倍之間，或(例如)為電極間間隙距離之5倍與10倍之間。
該等開口可被視為不存在電極材料(但至少部分地由電極材料定界)之區域，在該區域處仍存在可撓性膜片之連續材料，亦即，僅在膜片電極材料中而非在可撓性膜片中存在孔。膜片電極中之開口不必對應於膜片中之孔，且因此該等開口可被視為不存在電極材料(但至少部分地由電極材料定界)之區域，在該區域處仍存在可撓性膜片之連續材料，亦即，僅在膜片電極材料中而非在可撓性膜片中存在孔。
膜片電極中之開口可較佳經配置使得此等開口(亦即，不存在膜片電極材料之區域)至少部分地與背板中之孔(例如，聲孔)對準。由於聲孔遍及整個背板而存在，因此背板中之聲孔中之至少一些對應於(無論完全地抑或部分地)背板電極中之孔，亦即，不存在背板電極之區域。膜片電極中之開口與背板電極中之孔係在橫向方向(亦即，正交於膜片之方向)上部分地或完全地對準。如本文中所使用，術語正交於膜片將意謂實質上正交於由膜片之定界邊緣所界定之平面的方向。顯然，在使用中，膜片可偏轉且膜片之部分的局部法線之方向可發生變化，但正交於整個膜片之方向可仍被視為正交於包括膜片之固定邊緣之平面的方向。
根據此處所描述之實例的MEMS傳感器可包含電容式感測器，例如，麥克風。
根據此處所描述之實例的MEMS傳感器可進一步包含讀出電路系統，例如，其中該讀出電路系統可包含類比及/或數位電路系統，諸如低雜訊放大器、用於提供較高電壓偏壓之電壓參考及電荷泵、類比至數位轉換或輸出數位介面，或更複雜之類比或數位信號處理。因此，可提供包含如本文中之實例中之任一者中所描述的MEMS傳感器的積體電路。
根據此處所描述之實例的一或多個MEMS傳感器可位於封裝內。此封裝可具有一或多個聲音埠。根據此處所描述之實例的MEMS傳感器可連同包含讀出電路系統之單獨積體電路一起位於封裝內，該讀出電路系統可包含類比及/或數位電路系統，諸如低雜訊放大器、用於提供較高電壓偏壓之電壓參考及電荷泵、類比至數位轉換或輸出數位介面，或更複雜之類比或數位信號處理。
根據此處所描述之實例的MEMS傳感器可位於具有聲音埠之封裝內。
根據另一態樣，提供一種電子裝置，其包含根據本文中所描述之實例中之任一者的MEMS傳感器。舉例而言，電子裝置可包含以下各者中之至少一者：攜帶型裝置；電池供電式裝置；音訊裝置；計算裝置；通信裝置；個人媒體播放器；行動電話；遊戲裝置；以及語音控制式裝置。
根據另一態樣，提供一種製造如本文中之實例中之任一者中所描述的MEMS傳感器的方法。根據一個實例，提供一種製造MEMS傳感器之方法，其包含形成膜片層；在膜片層之表面上形成導電材料層以形成膜片電極；圖案化膜片電極以在其中設置複數個開口，其中該導電材料之面積相對於開口之面積的比率自在膜片層之中心區處或附近的第一區中之第一該比率減小至在第一區之側向外部的第二區中之第二該比率。較佳地，圖案化膜片電極之步驟包含使用經圖案化之光罩的光微影處理步驟。
儘管各種實例描述MEMS電容式麥克風，但本發明實例亦適用於除麥克風外的任何形式之MEMS傳感器，例如壓力感測器或超音波傳輸器/接收器。
本文中所描述之實例可在一系列不同材料系統內有效地實施，然而，對於具有包含氮化矽之膜片層的MEMS傳感器，本文中所描述之實例特別有利。
在上文所描述之實例中，應注意，對傳感器元件之提及可包含各種形式之傳感器元件。舉例而言，傳感器元件可包含單一的膜片與背板組合。在另一實例中，傳感器元件包含複數個個別傳感器，例如多個膜片/背板組合。傳感器元件之個別傳感器可類似或以不同方式組態，使得傳感器以不同方式對聲信號作出回應，例如，該等元件可具有不同敏感度。傳感器元件亦可包含經定位以自不同聲道接收聲信號之不同的個別傳感器。
應注意，在本文中所描述之實例中，傳感器元件可包含(例如)麥克風裝置，該麥克風裝置包含一或多個膜片，其中用於讀出/驅動之電極沈積於膜片及/或基板或背板上。在MEMS壓力感測器及麥克風之狀況下，電輸出信號可藉由量測與電極之間的電容相關之信號來獲得。該等實例亦意欲涵蓋如下情形：傳感器元件係電容式輸出傳感器，其中膜片係藉由使施加在電極上之電位差變化而產生的靜電力來移動，包括輸出傳感器之實例，其中壓電性元件係使用MEMS技術製造且受刺激以引起可撓性部件之運動。
應注意，上文所描述之實例可在一系列裝置中使用，該等裝置包括(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。本文中所描述之實例亦可用於數個應用中，該等應用包括(但不限於)消費型應用、醫學應用、工業應用以及汽車應用。舉例而言，典型的消費型應用包括攜帶型音訊播放器、可穿戴式裝置、膝上型電腦、行動電話、PDA以及個人電腦。實例亦可用於語音啟動式或語音控制式裝置中。典型的醫學 應用包括助聽器。典型的工業應用包括主動雜訊消除。典型的汽車應用包括免持聽筒、聲學碰撞感測器以及主動雜訊消除。
應注意，上文所提及之實例說明而非限制本發明，且熟習此項技術者將能夠在不背離所附申請專利範圍之範疇的情況下設計許多替代實例。詞「包含」不排除技術方案中所列之元件或步驟以外的元件或步驟之存在，「一」不排除複數個，且單一特徵或其他單元可實現申請專利範圍中所陳述之若干單元的功能。申請專利範圍中之任何參考符號不應理解為限制其範疇。

Claims (24)

  1. 一種MEMS傳感器，其包含：一膜片層；及一膜片電極，其由一導電材料形成於該膜片層之一表面上，該膜片電極具有設置於其中之複數個開口，其中該導電材料之一面積相對於該等開口之一面積的一比率自在該膜片層之一中心區處或附近的一第一區中之一第一該比率減小至在該第一區之側向外部的一第二區中之一第二該比率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中設置於該膜片電極之該第一區中的該等開口與該膜片電極之該第二區中的該等開口具有一不同大小。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之MEMS傳感器，其中設置於該第一區中之該等開口小於設置於該第二區中之該等開口。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該第一區中之鄰近開口之間的一間距距離不同於該膜片電極之該第二區中的鄰近開口之間的間距距離。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之MEMS傳感器，其中該第一區中之開口之間的該間距距離大於該第二區中之開口之間的該間距距離。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之MEMS傳感器，其中設置於該第一區中之該等開口與設置於該第二區中之該等開口具有相同大小。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，該膜片電極包含除該第一區外之兩個或大於兩個額外區。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之MEMS傳感器，其中該等額外區中之每一者係圍繞該第一區同心地配置，且其中朝向該膜片電極之周邊，該導電材料之該面積相對於該等開口之該面積的該比率自在該第一區處之該第一比率減小。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，該傳感器進一步包含一基板，該基板具有設置於其中之一空腔，其中該膜片層上覆於該空腔且其中該膜片層之該中心區上覆於該基板空腔之中心。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其包含一背板結構，其中該可撓性膜片係相對於該背板結構受支撐。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之MEMS傳感器，其中該背板結構包含穿過該背板結構之複數個孔，且其中在正交於該膜片之一方向上，該膜片電極中之至少一個開口的該面積之至少一部分對應於至少一個背板孔之面積。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該等開口之形狀為圓形及/或多邊形。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該膜片電極包含一晶格結構。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該膜片層及該膜片電極形成一雙層結構。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該膜片電極包含形成於該膜片之該表面上的一單一導電材料層。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該可撓性膜片層包含氮化矽。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該膜片電極包含鋁、鋁矽合金或氮化鈦。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該傳感器包含一電容式感測器，諸如一電容式麥克風。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之MEMS傳感器，其進一步包含讀出電 路系統，其中該讀出電路系統可包含類比及/或數位電路系統。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該傳感器位於具有一聲音埠之一封裝內。
  21. 一種包含一如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器的電子裝置，其中該裝置為以下各者中之至少一者：一攜帶型裝置；一電池供電式裝置；一音訊裝置；一計算裝置；一通信裝置；一個人媒體播放器；一行動電話；一遊戲裝置；及一語音控制式裝置。
  22. 一種用於MEMS傳感器之膜片電極，該膜片電極包含導電材料之一晶格，其中該晶格包含複數個開口，每一開口具有一直徑大小及表示鄰近開口之中心之間的距離的一間距，且其中自該膜片電極之一中心區至在該中心區之側向外部的一區，該晶格之該間距及/或該等開口之該大小發生變化。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之膜片電極，其中該間距及/或該等開口之該大小的該變化使得該有益材料之一面積相對於該等開口之一面積的比率自在膜片層之一中心區處或附近的一第一區中之一第一該比率減小至在該第一區之側向外部的一第二區中之一第二該比率。
  24. 一種製造MEMS傳感器之方法，其包含：形成一膜片層；在該膜片層之表面上形成一導電材料層以形成一膜片電極；及圖案化該膜片電極以在其中設置複數個開口，其中該導電材料之一面積相對於該等開口之一面積的一比率自在該膜片層之一中心區處或附近的一第一區中之一第一該比率減小至在該第一區之側向外部的一第二區中之一第二該比率。
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