TWI607954B - 具有膜構造的微機械構件 - Google Patents

Description

具有膜構造的微機械構件

本發明係有關於一種具有膜構造的微機械構件，該膜構造係實現於一基板上的層結構中。該膜構造包括一膜片，其透過至少一彈性元件嵌入該層結構且跨越一空腔，從而使得該膜片邊緣的至少一區段延伸至該空腔的邊緣區域。在膜片與空腔邊緣區域的重疊區域內構建有至少一錨定構造。

微機械構件的膜構造可針對不同的用途而設計，例如設計為壓力偵測用膜片、麥克風膜片或擴音器膜片，或者微機械閥的封閉元件。膜片的機械應力狀態通常會對構件的工作方式產生影響，因此，膜片在此類用途中應具有儘可能精確定義的機械應力狀態。為此，需要在材料選擇時以及/或者在實際上實現的應力狀態上達成某種折衷。無論如何，在膜片層中會出現通常並非有益於相應構件功能的製造相關機械應力狀態。

本文所述之具有膜構造的微機械構件的一個重要用途是用作麥克風構件。麥克風膜片應儘可能不發生變形且同時以儘可能氣密的方式環繞封閉，以便在膜片邊緣上產生儘可能少的環流。

US 2006/0280319 A1描述一種本文開篇所述類型的麥克風構件。該微機械構件的麥克風構造係實現於一半導體基板上的層結構中且跨越基板背面中的空腔。該麥克風構造包括膜片及包含若干通孔的靜止式透 聲對應元件。該案中的對應元件構建於膜片下方，即構建於基板與膜片之間。該對應元件用作一靜止電極的支座，該靜止電極與一位於可偏轉膜片上的電極構成一個信號偵測用電容器機構。此膜片僅透過一或多個彎樑嵌入層結構，以便顯著減輕膜片內的製造相關機械應力狀態。該膜片延伸至空腔之邊緣區域，即構建於層結構中之在膜片邊緣上環繞之凹槽的區域。該凹槽主要用於將膜片聲密封，但亦用作錨固構造及過載保護件。

本發明提出一種替代方案，用於實現具有基本無應力之邊緣錨固型膜構造的微機械構件，該方案可採用半導體處理的標準工藝以低成本的方式實現。

根據本發明，用於本發明之構件的膜片的錨定構造包括至少一錨定元件及用於該錨定元件的通孔。該錨定元件係在該空腔邊緣區域上方自該層結構實施結構化處理而製成，用於該錨定元件的該通孔係構建於該膜片之邊緣區域內，使得錨定元件與通孔間存在一間隙。該間隙實現了對該膜片的機械應力緩解。

亦即，本發明之構件的錨定構造採用某種設計方案，使得該膜片至少橫向受到固定，但該膜片內部之例如製造相關或溫度相關之機械應力仍能受到減輕。有鑒於此，本發明之錨固方案實現了對膜片的特別靈活的設計方案，且除佈局外亦在材料選擇方面更為靈活。

本發明的構件及其組件，特別是錨定構造以及膜片懸掛件及膜構造，原則上可存在多種實施方案。

舉例而言，該錨定構造可包括單獨一個帶相應通孔的錨定元件，亦可包括多個分佈在空腔或膜片的邊緣區域內的錨定元件及通孔，具體視膜片的尺寸、形狀及功能而定。

該等錨定元件可簡單地指突出於空腔邊緣區域並伸入位於 膜片之邊緣區域內之相應通孔，但不伸出膜片表面的銷狀突起。在此情況下，該等錨定元件對該膜片的“面外”運動沒有任何影響。

根據本發明的一種較佳實施方式，該錨定元件的底座與位於該膜片下方之空腔邊緣區域固定連接，而該錨定元件的頭部自位於該膜片上方之至少一層實施結構化處理而製成且至少以一區段延伸至該通孔在該膜片中的邊緣區域。若錨頭與膜片間的機械間隙採用較小的設計方案，則錨定結構亦可用來將膜片豎向固定。

具有該錨頭的該錨定元件亦可設計為針對該膜片之“面外”運動的止動件。在此情況下，錨頭與膜片間的機械間隙決定了膜片的最大豎向偏轉。此種止動件例如可用作膜片的過載保護件。

在某些用途中，具有錨頭的錨定元件亦可用來定義膜片的應用相關之指定位置，以便實施功能測試或者提高構件性能。採用本發明之麥克風構件的情況下，該等具有錨頭的錨定元件可用作被膜片在可控之相應電路構件的作用下抵緊的止動件。採用該方案後，膜片在麥克風工作期間被保持在此位置，以便對其施加規定的機械預應力從而提高麥克風靈敏度。

本發明之構件的膜片透過至少一彎樑嵌入該構件之層結構，而該膜片邊緣除此以外伸出該層結構。此種膜片懸掛方案能夠幾乎完全消除膜片內的機械應力。在需要使膜片垂直於層平面進行偏轉的用途中，彎樑至少在此方向上(即“面外”)應具有一定彈性。該彎樑亦可實施為既在“面外”又在“面內”具有彈性的彈性元件。在此情況下，利用膜片懸掛件不僅能減輕膜片內的機械應力，還能減輕整個構件構造的內在機械應力。

許多用途，如壓力測量、麥克風功能及擴音器功能，需要在一定程度上將本發明之構件的膜構造基本上邊緣密封。此種邊緣密封可簡 單地實施為至少一構建於該膜片與該空腔邊緣區域的重疊區域內的密封唇。此種密封唇既可構建於該空腔邊緣區域上，又可構建於該膜片之朝向空腔邊緣區域的底面上。該錨定構造較佳佈置在該密封唇與該膜片的外緣之間，使得該膜片的中心區域被該密封唇密封且構件功能不會因錨定構造的不密封性而受到影響。

“帽形”膜片對某些用途而言係有利之舉，該膜片之中心區域透過側翼區域與該膜片之邊緣區域連接，使得該中心區域與該邊緣區域大體平面平行但有所偏離。此種膜構造借助佈置在側翼區域內的皺褶便能被簡單地穩定住。該膜構造較佳應用於將膜片的“面外”偏轉作為麥克風信號進行偵測的麥克風構件中。

根據本發明之麥克風構件的一種較佳實施方案，採用電容式信號偵測。用於實施電容式信號偵測的電容器機構的一個電極設置在該膜片上，出現聲學作用時，該電極與該膜片一起進行偏轉。該電容器機構的靜止式對應電極位於一包含若干通孔的透聲對應元件上，該對應元件在該層結構中構建於該膜片上方及/或下方。

1‧‧‧半導體基板，基板

2‧‧‧導電層

3‧‧‧介電中間層

4‧‧‧功能層

5‧‧‧金屬層

11‧‧‧膜片

12‧‧‧彈性元件，彎樑

13‧‧‧膜片電極

14‧‧‧對應元件

15‧‧‧通孔

16‧‧‧空腔

17‧‧‧密封唇

20‧‧‧通孔

21‧‧‧錨定元件

22‧‧‧錨頭，頭部

30‧‧‧背板接點

31‧‧‧膜片接點

32‧‧‧連接線

100‧‧‧麥克風構件

111‧‧‧邊緣區域

112‧‧‧側翼區域

113‧‧‧中心區域

200‧‧‧麥克風構件

300‧‧‧麥克風構件

311‧‧‧膜片

312‧‧‧彎樑

313‧‧‧對應電極

314‧‧‧對應元件

315‧‧‧通孔

316‧‧‧空腔

317‧‧‧密封唇

320‧‧‧通孔

321‧‧‧錨定元件

322‧‧‧錨頭

330‧‧‧前板接點

331‧‧‧膜片接點

332‧‧‧連接線

400‧‧‧麥克風構件

417‧‧‧密封唇

420‧‧‧通孔

421‧‧‧錨定元件

2112‧‧‧皺褶

圖1a為具有背板的第一本發明麥克風構件100的截面圖；及圖1b為該麥克風構件100之層結構的俯視圖；圖2為具有背板的第二本發明麥克風構件200之層結構的俯視圖；圖3為具有背板的第三本發明麥克風構件300的截面圖；以及圖4為同樣具有背板的第四本發明麥克風構件400的截面圖。

如前所述，本發明具有多種較佳設計方案及改良方案。該等方案一方面可參閱申請專利範圍第1項之附屬項，另一方面可參閱下文中 結合附圖對本發明之多個實施例所作的說明。

圖1a、1b所示本發明的構件係電容式麥克風構件100，其麥克風構件實現於半導體基板1上的層結構中且跨越位於基板1之背面中的空腔16。該麥克風構造包括聲壓敏感式膜片11及具有若干柵格狀通孔15的靜止式透聲對應元件14，該膜片上設有膜片電極13，該對應元件上設有一在此未予詳示的對應電極。可與膜片11一起發生偏轉的膜片電極13與該靜止電極構成一個信號偵測用電容器機構。

本實施例中，具有對應電極的對應元件14構建在位於基板1與用於膜片11的功能層4之間的導電層2中，其呈一膜片層形式。其中，該導電層2藉由至少一介電中間層3與基板1及功能層4(其呈一膜片層形式)絕緣。對應元件14因其佈置於膜片11下方，故亦稱背板，透過背板接點30對該對應元件進行電接觸，該背板接點以鄰接膜片區域的方式佈置在構件表面上且實施為貫穿該層結構直至導電層2的貫穿接點。

該膜片11係指僅透過一彎樑狀彈性元件12嵌入構件構造，但除此以外完全伸出該層結構的彎樑膜片。本實施例中的渾圓形膜片11包括三個同心構建的區域，即中心區域113、側翼區域112及邊緣區域111，該等區域構成該“帽形”膜片11的各區段。邊緣區域111平行於對應元件14的導電層2且以與該導電層2間隔相對較小距離的方式延伸至空腔16的邊緣區域。中心區域113就空腔16而言居中佈置且同樣平行於對應元件14，該中心區域透過側翼區域112與邊緣區域111連接，使得中心區域113與對應元件14的距離遠大於邊緣區域111與對應元件14之導電層2的距離。膜片電極13大致覆蓋膜片11的整個中心區域113。該膜片電極透過佈置於彎樑12上的連接線32與膜片接點31電連接，該膜片接點以橫向鄰接該膜片區域的方式佈置在構件表面上。

在膜片11與空腔16之邊緣區域的重疊區域內構建有錨定構 造，其對形式為彎樑12之膜片懸掛件起補充作用。根據本發明，該錨定構造包括若干錨定元件21及用於該等錨定元件21的通孔20。該等錨定元件21係在空腔16之邊緣區域上方自該層結構實施結構化處理而製成，該等通孔20係構建於膜片11之邊緣區域111內。其中，該錨定構造的錨定元件21與通孔20採用某種設計方案，使得錨定元件21與相應通孔20間的機械間隙允許將膜片11內的機械應力減輕。

本實施例中的錨定元件21實施為銷狀突起，其自對應元件14之導電層2出發經由介電中間層3及膜片層4延伸至功能層4上的金屬層5。該金屬層5中為每個錨定元件21各設一錨頭22，其至少局部延伸至相應通孔20在膜片11中的邊緣區域，其中，此處在錨頭22與膜片平面間在邊緣區域111內存在一定距離。此距離決定了膜片11的最大“面外”偏轉。此處之錨頭22構成止動件，用以對膜片11在過載情形下的偏轉進行限制。

在膜片11與空腔16之邊緣區域的重疊區域內還構建有用於將該麥克風構造聲密封的密封唇17，其構建於膜片11之底面上。該圓形閉合的密封唇17佈置在膜片11的邊緣區域111，使得該錨定構造的通孔20位於密封唇17與膜片11的外緣之間從而不會對該麥克風構造的聲學特性產生不利影響。

自圖1a可清晰地看出本發明之麥克風構件100之具有錨定元件21及對應通孔20的層結構，以及膜片11的構造及“帽形”，而圖1b示出構件佈局，特別是錨定元件21及對應通孔20的設計方案及佈置方案。

圖2為結構與前述之麥克風構件100大致相同的麥克風構件200的俯視圖。麥克風構件100與200的唯一主要區別在於膜片之側翼區域的設計方案。麥克風構件100中的該側翼區域112簡單採用截錐形形狀從而將膜片11的邊緣區域111與中心區域113連接在一起，而麥克風構件200 中的側翼區域112另具對該膜構造起穩定作用的徑向皺褶2112。

圖3為替代實施方式中，帶電容式信號偵測裝置的本發明麥克風構件300的截面圖。與採用麥克風構件100時相同，麥克風構件300之麥克風構造亦實現於一半導體基板1上的層結構中且跨越基板1背面中的空腔316。該麥克風構造包括聲壓敏感式膜片311及具有若干柵格狀通孔315的靜止式透聲對應元件314。

與麥克風構件100不同，此處之膜片311係自位於基板1與用於對應元件314之功能層4之間的導電層2實施結構化處理而製成，其中，該導電層2藉由至少一介電中間層3與基板1及功能層4絕緣。此處之膜片311本身用作一信號偵測用電容器機構的可偏轉電極。該電容器機構之相應的靜止式對應電極313佈置在對應元件314上，該對應元件亦稱前板。透過膜片接點331對該膜片進行電接觸，該膜片接點以在左邊鄰接膜片區域的方式佈置在構件表面上。用以對對應電極313進行接觸的前板接點330同樣佈置在構件表面上，但以在右邊鄰接膜片區域的方式佈置。

膜片311同樣僅單側地透過一彎樑312嵌入構件300的層結構。該膜片除此以外完全伸出該層結構，具體方式為：膜片311的邊緣區域延伸至空腔316的邊緣區域。在膜片311與空腔316之邊緣區域的重疊區域內構建有錨定構造，其包括若干本發明之錨定元件321及用於該等錨定元件321的通孔320。該等錨定元件321係在空腔316之邊緣區域上方自該層結構實施結構化處理而製成，該等通孔320係構建於膜片311之邊緣區域內，使得錨定元件321與相應通孔320間的機械間隙允許將膜片311內的機械應力減輕。該等錨定元件321實施為銷狀突起，其自基板1出發經由膜片層2及該二介電中間層3延伸。在膜片層2上之金屬層5中為每個錨定元件321各設一錨頭322，其至少局部延伸至相應通孔320在膜片311中的邊緣區域。此處在錨頭322與膜片平面間存在一定距離，使得膜片311可以整體 上偏出膜片平面的方式發生偏轉。此處之錨頭322用作被膜片311抵緊的止動件，以便對膜片311施加規定的機械預應力從而提高麥克風靈敏度。實施此點所需的電路構件未詳盡繪示於圖3中。

在膜片311與空腔316之邊緣區域的重疊區域內還構建有用於將該麥克風構造聲密封的密封唇317，其構建於膜片311之底面上。與麥克風構件100不同，此處之圓形閉合的密封唇317係佈置在該錨定構造與膜片311的外緣之間。

如前所述，麥克風構件300中的對應元件314佈置在位於麥克風膜片311上方的層結構中。該對應元件呈“帽形”，使得對應元件314之就空腔316而言居中佈置的平面平行的中心區域與膜片平面的距離遠大於對應元件314之固定嵌入該層結構的邊緣區域與膜片平面的距離，該等通孔315亦佈置於該中心區域內。對應電極313大致覆蓋對應元件314的整個中心區域且透過連接線332與前板接點330電連接。

在所有三個前述之電容式麥克風構件上皆需將具有膜片電極的膜片與具有靜止式對應電極的對應元件絕緣且將二者與該基板絕緣。此點在構建本發明之錨定構造時，特別是在該等錨定元件用作膜片之止動件時，同樣是必須加以關注的。例如可透過在錨定元件與膜片的接觸區域內採用介電材料以及在基板與錨定元件之間設置至少一介電中間層來防止在麥克風構造中出現短路。

圖4所示麥克風構件400與前述麥克風構件300的主要區別僅在於錨定構造之實施方案及麥克風構造之聲密封。故下文僅對構件構造的該等態樣進行闡述。其餘部分則沿用圖3之相關說明。

與採用麥克風構件300時相同，麥克風構件400的錨定構造構建在膜片311與空腔316之邊緣區域的重疊區域內且包括若干本發明之錨定元件421及用於該等錨定元件421的通孔420。該等錨定元件421係在空 腔316之邊緣區域上方自該層結構實施結構化處理而製成。該等錨定元件自基板1出發經由介電中間層3及導電層2延伸至對應元件的功能層4，使得錨定元件421實際上嵌入對應元件314之邊緣區域。該等對應通孔420構建於膜片311之邊緣區域，使得錨定元件421與相應通孔420間的機械間隙允許將膜片311內的機械應力減輕。採用麥克風構件400時，膜片311之“面外”運動不受錨定元件421的限制或侷限。

與麥克風構件300不同，構建於膜片311之底面上的圓形閉合式密封唇417係佈置在該錨定構造內部，即佈置在空腔壁與錨定構造之間。

1‧‧‧半導體基板，基板

2‧‧‧導電層

3‧‧‧介電中間層

4‧‧‧功能層

5‧‧‧金屬層

11‧‧‧膜片

12‧‧‧彈性元件(彎樑)

13‧‧‧膜片電極

14‧‧‧對應元件

15‧‧‧通孔

16‧‧‧空腔

17‧‧‧密封唇

20‧‧‧通孔

21‧‧‧錨定元件

22‧‧‧錨頭，頭部

30‧‧‧背板接點

31‧‧‧膜片接點

32‧‧‧連接線

100‧‧‧麥克風構件

111‧‧‧邊緣區域

112‧‧‧側翼區域

113‧‧‧中心區域

Claims (9)

1. 一種具有膜構造的微機械構件，該膜構造係做在基板(1)上的層結構中，其中，該膜構造包括膜片(11)，該膜片透過至少一彈性元件(12)嵌入該層結構，其中該膜片(11)跨越空腔(16)，從而使得該膜片邊緣的至少一區段延伸至該空腔(16)的邊緣區域，且其中在膜片(11)與空腔邊緣區域的重疊區域內構建有至少一錨定構造，其特徵在於，該錨定構造包括至少一錨定元件(21)及用於該錨定元件(21)的通孔(20)，其中該錨定元件(21)係在該空腔邊緣區域上方自該層結構實施結構化處理而製成，以及，用於該錨定元件(21)的該通孔(20)係構建於該膜片(11)之邊緣區域內，使得錨定元件(21)與通孔(20)間存在一間隙，該間隙實現了對該膜片(11)的機械應力緩解，該錨定元件(21)的底座與位於該膜片(11)下方之空腔邊緣區域固定連接，而該錨定元件(21)的頭部(22)自位於該膜片(11)上方之至少一層實施結構化處理而製成且至少以一區段延伸至該通孔(20)的邊緣區域。
2. 如申請專利範圍第1項之微機械構件，其中，具有該錨頭(22)的該錨定元件(21)設計為針對該膜片(11)之“面外”運動的止動件。
3. 如申請專利範圍第1項之微機械構件，其中，設有可控之電路構件，以便該膜片進入一規定位置並被保持在該規定位置。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之微機械構件，其中，該至少一用於膜片懸掛之彈性元件實施為既在“面外”又在“面內” 具有彈性的彈性元件。
5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之微機械構件，其中，在膜片(11)與空腔邊緣區域的重疊區域內構建有至少一密封唇(17)。
6. 如申請專利範圍第5項之微機械構件，其中，該錨定構造佈置在該密封唇(17)與該膜片(11)的外緣之間。
7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之微機械構件，其中，該膜片(11)包括中心區域(113)，該中心區域透過側翼區域(112)與該膜片(11)之邊緣區域(111)連接，使得該中心區域(113)與該邊緣區域(111)大體平面平行但有所偏離。
8. 如申請專利範圍第7項之微機械構件，其中，在該膜片(11)的該側翼區域(112)內構建有對該膜構造起穩定作用的皺褶(2112)。
9. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之微機械構件，其中，該膜片(11)的該“面外”偏轉作為麥克風信號而被偵測，其中，該膜片(11)配設有一信號偵測用電容器機構的至少一個電極(13)，以及在該層結構中，在該膜片(11)上方及/或下方構建有一包含若干通孔(15)的靜止式透聲對應元件(14)，該對應元件用作該電容器機構的至少一對應電極的支座。