MEMS压电器件和对应的制造方法与流程

本发明涉及mems(微机电系统)压电器件以及对应的制造方法。

背景技术：

以下讨论将特别参考mems压电器件作为用于能量采集(或能量拾取)应用的能量微型发电机的用途。

如所已知的，用于从机械或环境能量源采集能量的系统唤起对各种技术领域的相当程度的兴趣，例如在便携式或移动电子装置领域。

通常，能量采集系统被设计成采集和存储由机械源或环境源生成的能量并且将其传递给电类型的通用负载，该负载可以被供电或者在电池的情况下被再充电。这样的系统比如可以使得能够提供没有电池的便携式电子装置或者使得能够在相当的程度上增加这样的便携式电子装置的电池的寿命。

特别地，已经提出的能量采集解决方案设想使用能够将与机械振动相关联的能量(源自于器件在其中操作的环境或者源自于器件与其接触的本体)转换成电能的mems压电器件。

mems压电器件的最简单的解决方案设想使用悬臂结构，其在自由端处承载惯性质量或者“检测质量”；适当的压电材料、诸如例如pzt(锆钛酸铅)被放置在悬臂梁上。

在以上解决方案中，机械振动引起检测质量的移动和动能的生成，动能被转换成悬臂梁和相关联的压电材料的机械形变形式的弹性势能。

特别地，悬臂梁的所得到的振荡引起压电材料的拉伸和压缩效应以及可以在被布置成与压电材料接触的电极处检测到所产生的电荷的生成。换言之，存储在悬臂梁中的弹性势能的一部分被转换成电能。

悬臂结构通常被设计为具有高的质量因子q，就此而言，以上解决方案具有与非常窄的操作频带有关的重要缺点。因此，与机械结构的自然谐振频率的甚至非常小的偏差就引起可以被采集的能量的快速衰减。

然而，环境中的机械振动通常具有宽的频谱，其具有非可控的值。因此，先前描述的解决方案通常在能量采集方面不能够提供充足的效率。

为了克服以上缺陷，提出了一种另外的解决方案，其设想使用所谓的“两端固支”(doublyclamped)结构，其被配置成在对应压电元件上生成主要是拉伸类型的应力。这些器件示出由高频区域中的线性弯曲主导并且具有低的振荡幅度的行为以及由低频区域中的明显非线性伸展主导并且具有高的振荡幅度的行为。

如图1a中示意性地图示的，这一解决方案设想使用一对薄的悬臂元件1a、1b，即一个悬臂元件沿着竖直轴z具有远小于沿着第一水平轴x的对应主延伸(或长度)的厚度t。悬臂元件1a、1b在第一端处被约束到固定结构2，并且在第二端处被约束到检测质量4，检测质量4直接耦合至悬臂元件1a、1b并且关于上述悬臂元件1a、1b在中心布置。

特别地，图1a中的d1和d2表示沿着第一水平轴x的检测质量4的主延伸和结构的总延伸(由悬臂元件1a、1b的长度和检测质量4的长度之和给出)。

如图1b中所图示的，由于机械振动而产生的沿着检测质量4的竖直轴z的位移δ在悬臂元件1a、1b二者上引起张应力形变。特别地，检测质量4布置在中心这一事实防止了检测质量4的侧向移动或旋转并且使得能够将自然振荡频率减小到几百赫兹的值，其实际上对应于环境机械振动的频谱的典型值。

以下文档中描述使用先前讨论的两端固支解决方案的mems压电器件、特别是能量采集发电机的示例：

hajatiarman,sang-gookkim,“ultra-widebandwidthpiezoelectricenergyharvesting”appliedphysicsletters99.8(2011):083105,2011americaninstituteofphysics。

简言之，并且如图2a中所图示的，以上文档中描述并且用10表示的mems压电器件的微机械结构包括半导体材料、特别是硅的支承本体11，支承本体11中设置有腔体12。膜13布置在腔体12上方并且在中心承载内部检测质量14，内部检测质量14直接耦合至膜13。

内部检测质量14在膜13中定义在上述检测质量14侧向的第一悬臂元件15a和第二悬臂元件15b，其上放置有与电极17接触的适当的压电材料元件16，例如pzt。

在制造过程期间，导致腔体12的形成的蚀刻还定义内部检测质量14的几何结构和悬臂元件15a、15b的尺寸，该几何结构和尺寸因此由上述内部检测质量14的大小直接确定。

特别地，再次，d1和d2在图2a中分别表示内部检测质量14的延伸以及悬臂元件15a、15b和上述内部检测质量14的整个主延伸。

微机械结构10还包括例如使用键合技术耦合到膜13上的外部检测质量18，外部检测质量18具有基本上对应于上述尺寸d2的延伸。

在操作期间，如果存在环境振动，则悬臂元件15a、15b由于内部和外部检测质量14、18的联合位移而经历形变，从而在电极17处生成对应的电信号。

如图2b中所图示的(其中出于简化的原因，没有图示外部检测质量18)，可以从上述支承本体11开始有利地获取先前描述的类型的多个微机械结构10，以便增加生成电能的效率。

然而，本申请人已经认识到，先前描述的解决方案也受到某些重要限制的影响。

特别地，电气性能取决于所得到的检测质量的几何形状。

然而，不能够将内部检测质量14的尺寸增加为超过某个门限，在这种情况下，悬臂元件15a、15b的尺寸(以及对应的压电材料元件16的尺寸)被过分地减小；通常，在微机械结构10中，尺寸d1最多可以等于尺寸d2的三分之一。

因此，需要引入外部检测质量18以增加从所检测的机械振动开始生成能量的性能。

然而，这一外部检测质量18的耦合使制造过程变得复杂(实际上需要半导体材料的两个不同晶片之间的耦合，所谓的“晶片到晶片键合”)并且在上述晶片的切割时产生不可忽略的缺陷。

另外，基于压电材料的拉伸形变模式，压电结构的几何形状在这种情况下是固定的，具有两端固支类型，从而限制在设计微机械结构的特性时的可能性。

技术实现要素：

本发明的目的是至少部分克服影响已知类型的mems压电器件的问题，并且特别地提供一种用于环境能量的采集的更高效的解决方案。

根据本发明，提供了如所附权利要求中定义的一种mems压电器件和对应的制造工艺。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅作为非限制性示例并且参考附图来描述其优选实施例，在附图中：

图1a和1b是在不同操作条件下mems压电结构的示意性横截面视图；

图2a是已知类型的mems压电器件的微机械结构的一部分的示意性横截面视图；

图2b是图2a的微机械结构的示意性透视俯视图；

图3a是根据本解决方案的实施例的mems压电器件的微机械结构的横截面视图；

图3b是图3a的微机械结构的示意性透视俯视图；

图4是图3a的微机械结构的一部分的示意性横截面视图；

图5、6a-6b、7、8a-8c、9-14和15是在对应的制造工艺的连续的步骤中图3a的微机械结构的示意性横截面视图、或示意性平面视图；

图16和17a是与微机械结构的不同实施例有关的示意性透视俯视图；

图17b是图17a的微机械结构的示意性透视仰视图；

图18和19是微机械结构的另外的实施例的示意性平面视图；

图20是使用mems压电器件作为能量微型发电机的用于采集电能的系统的框图；以及

图21示出了其中可以使用图20的电能采集系统的便携式电子装置。

具体实施方式

如图3a和3b中所示，根据本解决方案的实施例，mems压电器件20包括半导体材料(特别是硅)的单片式本体21，单片式本体21具有位于由第一水平轴x和第二水平轴y定义的水平面xy中的前表面21a和后表面21b。

单片式本体21在中心具有壳腔体22，壳腔体22从后表面21b延伸远至膜23，膜23在单片式本体21的前表面21a处悬置在壳腔体22上方；在平面视图中，膜23和下面的壳腔体22例如可以具有圆形、正方形、矩形或一般地多边形形状。

mems压电器件20还包括检测质量24，检测质量24布置在壳腔体22内并且通过连接或支承元件25耦合至膜23。这一连接元件25布置在检测质量24的顶面24a与膜23的底面23b之间，膜23的底面23b面对顶面24a。

在一个实施例中，连接元件25具有柱状构造并且在其几何中心处连接至膜23。

壳腔体22侧向地(沿着第一和第二水平轴x、y)并且在顶部处环绕检测质量24(壳腔体22的一部分实际上布置在检测质量24的正面24a与膜23之间)；检测质量24具有背面24b，背面24b在所图示的实施例中布置在与单片式本体21的背面21b相同的水平。

特别地(还参见图4的示意性表示)，d1再次表示检测质量24的侧向延伸(在水平面xy中平行于单片式本体21的正面21a，例如沿着第一水平轴x)，并且d2表示沿着上述第一水平轴x的膜23的对应主延伸。

根据本解决方案的第一方面，如根据图3a和图4的例示可知，检测质量24的大小在这种情况下独立于膜23的大小(如下文中描述的，上述膜被设计成承载用于检测形变的压电元件)。尺寸d1在这种情况下甚至可以有利地大致等于尺寸d2。

另外，用d3表示的连接元件25的对应尺寸(在这种情况下，沿着第一水平轴x)小于(比如，在所图示的示例中远小于)检测质量24的尺寸d1。换言之，仅检测质量24的中心部分(其具有远小于沿着第一水平轴x的检测质量24的整个侧向延伸的延伸)经由连接元件25连接至膜23。

mems压电器件20在单片式本体21的正面21a上并且通常在膜23上方还包括：

布置在单片式本体21的正面21a上的第一电介质层27，例如氧化物层；

服务层28，例如多晶硅层，其功能将在下文中参考制造工艺(参见图10)来阐述；

布置在服务层28和第一电介质层27上方的第二电介质层29，其例如也是氧化物层；

在对应于膜23的区域中竖直地布置在第二电介质层29上的压电材料层30，例如pzt；

电极装置32，布置在压电材料层30上并且与压电材料层30接触；特别地，电极装置32至少包括一个第一组电极33a和一个第二组电极33b，其在水平面xy中关于连接元件25在相对的侧(例如沿着第一水平轴x在相对的侧)布置在膜23上方，并且被设计成使得能够检测上述膜23的形变；

布置在电极装置32、压电材料层30和第二电介质层29上的例如氧化硅或氮化硅的钝化层35；以及

电接触元件36(所谓的“通孔”)，其布置在钝化层35上并且还至少部分延伸通过上述钝化层35，以电接触电极装置32并且特别地电接触第一组电极33a和第二组电极33b，并且以这一方式使得能够检测电信号和执行例如能量采集操作(如下文中更全面地描述的)。

在操作期间，检测质量24响应于机械振动移位，从而引起膜23和相关联的压电材料30的层的形变。这一形变由第一组电极33a和第二组电极33b来检测，第一组电极33a和第二组电极33b通过电极接触36供应相应电信号用于从上述振动开始生成电能。

如图3b中所图示的，在具有沿着第一水平轴x延伸并且关于水平轴y在检测质量24侧向布置的开口部分的示例中，可以在膜23和检测质量24侧向设置释放开口38。如下文中更全面地讨论的，这一释放开口38定义膜23到单片式本体21的约束模式，在本示例中是两端固支类型(假定膜23在其沿着第二水平轴y延伸的两侧耦合至单片式本体21)。

另外，以本文中未说明的方式(但是本领域技术人员很清楚)，可以在后面21b处在单片式本体21的下面耦合具有支承功能的支承本体(支承本体在这种情况下具有与壳腔体22流体连通的适当的腔体以向检测质量24提供移动自由)。

现在提供用于制造mems压电器件20的可能工艺的描述。

在制造工艺的初始步骤(参见图5)，提供半导体材料(例如单晶硅)的晶片41，晶片41包括例如n型衬底42并且具有正面41a和背面41b。

使用例如以本申请人的名义提交的ep1577656b1中详细描述的技术，制造工艺继续进行以在晶片41内形成掩埋腔体。

简言之，并且如图6a和6b(并没有按比例绘制，其余附图同样)中所图示的，在晶片41的正面41a上提供抗蚀剂掩膜43。掩膜43特别地具有(参见图6b)蚀刻区域44，在本示例中大致为正方形(但是也可以是圆形或一般地多边形)，并且包括例如六边形的多个掩膜部分43a，多个掩膜部分43a定义格栅，例如蜂巢格栅。

如下文中清楚地可见，掩膜43的蚀刻区域44对应于将被壳腔体22占据的区域，并且具有对应于膜23的延伸的延伸(掩膜43沿着第一水平轴x的侧向延伸因此基本上等于尺寸d2)。

掩膜43具有中心部分43'，例如在平面视图中具有正方形或圆形或一般多边形形状，其对应于连接元件25的位置，连接元件25在本示例中在平面视图中也具有正方形或圆形或一般多边形形状。特别地，掩膜43的中心部分43'沿着第一水平轴x的侧向延伸确定连接元件25的延伸d3。

另外，掩膜43具有侧向延长部45，侧向延长部45布置在上述掩膜43的中心轴处并且在本示例中沿着第二水平轴y延伸。

然后(参见图7，图7如同图6a出于清楚说明的目的仅以放大的比例表示晶片41的小的部分)，使用掩膜43，执行衬底42的各向异性化学蚀刻，之后形成沟槽46，沟槽46彼此连通并且界定多个硅柱47。实际上，沟槽46形成柱47(具有对应于掩膜部分43a的形状)在其中延伸的复杂形状(对应于掩膜43的格栅)的开放区域。

接着(参见图8a，其与图6a和7相比表示晶片41的更广泛的部分)，去除掩膜43，并且在去氧环境中执行外延生长(通常，在具有高浓度的氢、优选地具有三氯甲硅烷sihcl3的气氛中)。因此，外延层48(仅出现在图8a中并且下文中不与衬底42区分)在柱47上生长并且在顶部处封闭由沟槽46形成的上述开放区域。

然后，优选地在还原气氛中、通常在氢气氛中在1190℃执行热退火步骤30分钟。

退火步骤引起硅原子的迁移，硅原子倾向于移动到更低能量的位置。因此，并且还由于柱47之间的短的距离，硅原子从存在于由沟槽46形成的上述区域内的柱47的部分完全迁移，并且从上述区域开始形成掩埋腔体50。

在掩埋腔体50上，剩余薄的硅层，其部分由外延生长的硅原子构成并且部分由迁移的硅原子构成，该薄的硅层形成膜23，膜23是柔性的并且可以在存在外部应变的情况下偏斜。

在上述制造工艺的步骤期间，在掩埋腔体50内定义连接元件25，连接元件25特别地在掩埋腔体50的内部顶面50a与内部底面50b之间关于膜23在中心延伸。

另外，如图8b的不同横截面和图8c的对应平面视图(其中与上述图8a和8b有关的部分的线被突出显示)中所图示的，通过上述制造工艺的步骤，在由掩膜43的侧向延长部45所标识的区域中提供掩埋沟道51，掩埋沟道51与在掩埋沟道51侧向(在本示例中，沿着第二水平轴y延伸)的掩埋腔体50连通。

然后从正面41a开始借助于从晶片41的正面执行的蚀刻形成访问沟槽54，访问沟槽54穿过衬底42的表面部分到达掩埋沟道51。

制造工艺然后继续进行以下步骤(图9)：在掩埋腔体50内和在晶片41的正面41a上的热氧化(被执行穿过访问沟槽54)，以形成例如由氧化硅sio2构成的第一电介质层27。在这一步骤之后，特别地，形成内部电介质区域55a，其涂覆掩埋腔体50的内壁以及访问沟槽54的内壁。

然后执行例如多晶硅的沉积步骤(图10)，这导致在晶片41上和在访问沟槽54内形成服务层28，用于封闭先前被提供用于氧化的开口。

制造工艺此时(图11)设想在服务层28上形成第二电介质层29并且然后通过沉积和随后的定义在第二电介质层29上形成压电材料层30(图12)。

特别地，压电材料30的层可以使用被称为“溶胶-凝胶”的技术来形成，其设想胶体溶液(sol)的形成的连续步骤，sol作为用于通过水解和凝结的反应随后形成包含互连的液相(gel)的连续的无机格栅的前体。干燥和凝固的热后处理通常用于从gel去除液相，以进一步促进凝结，从而形成正确的结晶相，并且增强机械和随后的压电属性。

压电材料层30在下文中被定义，以便沿着第一水平轴x具有大于整个膜23的尺寸d2的主侧向延伸，如图12中所图示的。

制造工艺然后继续进行以在压电材料层30上沉积例如钛/钨(tiw)的电极层，电极层然后被适当地定形状，如先前参考图3a详细描述的，以形成电极装置32。

然后在先前提供的电极装置32上沉积钝化层35，并且形成穿过上述钝化层35的接触开口(图13)，接触开口随后被合适的传导性材料填充，以形成电接触元件36。

根据本解决方案的一方面，再次参见图13，然后在晶片41的后面41b上形成蚀刻掩膜61，以蚀刻晶片41和形成后沟槽62，从而从后面到达掩埋腔体50。特别地，这一蚀刻使用电介质区域55a上的涂覆掩埋腔体50的底壁的蚀刻停止层来执行。

在制造工艺的这一步骤中，根据后沟槽62的位置和尺寸来确定检测质量25的延伸d1。特别地，后沟槽62在截面视图中具有竖直地在对应于掩埋腔体50的周界的位置的外部侧壁以及位置定义上述尺寸d1的内部侧壁。

因此，清楚的是，在所描述的解决方案中，在从晶片41的后面蚀刻的这一步骤中，以不同于并且分离于膜23的形成和定尺寸步骤(其先前已经执行)，能够按照期望的方式对检测质量25定尺寸。

制造工艺继续(图14)以在掩埋腔体50内蚀刻电介质区域55a，从而在晶片41内完整地定义壳腔体22。

根据本解决方案的另外的方面，在制造工艺的最终步骤中，可以定义膜23到晶片41的约束类型(或者以类似的方式定义膜23到单片式本体21的约束类型，单片式本体21将在上述晶片41的最终切割之后获得)；在这一点上，所提出的解决方案有利地提供用于适应各种需要和应用的充足的设计自由度，例如通过获取两端固支类型、完全固支类型或具有四个约束点的解决方案的可能性。

详细地，如图15(其对应于先前描述的图3b的透视俯视图)中所图示的，然后可以从后表面41b开始例如从后面执行晶片41的进一步蚀刻(在这种情况下，实施例是两端固支类型)。

被执行穿过壳腔体22的这一蚀刻涉及膜23的边缘部分和有可能存在于晶片41的正面41a上的层，在这种情况下是第一电介质层27、服务层28以及可能的第二电解质层29。

特别地，因而形成与壳腔体22流体连通的释放开口38，释放开口38在这种情况下(再次参考两端固支类型的实施例)包括第一腔体部分38a和第二腔体部分38b，第一腔体部分38a和第二腔体部分38b关于第二水平轴y在相对的侧布置在膜23旁边，并且将上述膜23与晶片41的半导体材料分离。

在本实施例中，膜23在两侧(例如平行于第一水平轴x的侧)连接至晶片41，并且沿着其他两侧(在本示例中是平行于第二水平轴y的侧)与晶片41本身分离。

如图16中所图示的，不同的实施例(其提供膜23到晶片41的四点约束)设想借助于先前描述的蚀刻来提供释放腔体38的两个另外的腔体部分38c、38d，腔体部分38c、38d在侧向上关于第一水平轴x在膜23的相对侧上沿着膜23的平行于第二水平轴y的侧布置。

因此，膜23在这种情况下在其四个顶点处通过连接部分66a-66d连接并且约束至晶片41(因为其在本示例中具有基本上正方形形状)，连接部分66a-66d在膜23与晶片41之间在上述顶点处延伸(如上述图16中所图示的)。

替代地，图17a-17b示出了具有完全约束的实施例，其中膜23沿着其整个周界连接至晶片41(在这种情况下，因此可以不设想先前被描述用于形成释放腔体38的最后的蚀刻步骤(在此不存在))。

在任何情况下，制造工艺在晶片41的切割或分割步骤终止，以定义管芯，每个管芯包括半导体材料的本体21和对应的压电结构。

如图18和19(其仅作为示例涉及具有四个约束点的结构)中所图示的，本解决方案提供的另外的可能性涉及电极装置32的形成。

特别地，如图18中所图示的，在可能的实施例中，第一组电极33a和第二组电极33b二者具有梳指状配置，即每一组包括与相应接触元件36(在这种情况下，接触元件36布置在四个约束点处)电接触的第一“梳”电极和第二“梳”电极。

替选地，如图19中所图示的，电极装置32可以是圆形形状。在这种情况下，第一组电极33a和第二组电极33b包括相应的具有增加的直径的多个电极环，电极环与在相应接触元件36处终止的相应连接元件69同中心地分离(接触元件36在这种情况下布置在两个完全相反的约束点处)。

所描述的解决方案的优点根据以上讨论很清楚。

应当强调，在任何情况下，使得能够解决先前强调的用于mems压电器件的已知解决方案的问题，特别地：使用一起兼容mems器件技术的技术和工艺；具有低的制造成本和使用标准的制造工艺，集成的实现中的占用面积减小(并且能够与另外的微机械结构或asic集成)；提供检测质量25的足够的设计自由度，检测质量25可以特别地具有与对应膜23相当的尺寸，诸如从而不需要另外的外部检测质量的存在(以这一方式，产生生产复杂性的进一步减小以及缺陷和成本的明显降低)；并且通常，确保了改进的电性能，特别是关于从机械振动开始生成电能方面的效率。

上述特性使得mems压电器件20特别有利地在电能采集系统中的使用，例如用于在例如在图20中用功能框示意性地表示的类型的便携式电子装置(诸如智能电话)中使用。

特别地，整体表示为70的能量采集系统包括mems压电器件20，mems压电器件20用作环境振动到电能的转换的换能器以生成换能信号stransd。

能量采集系统70还包括：电采集接口71、存储电容器72、以及电压调节器或转换器74。电采集接口71被配置成在其输入处接收换能信号stransd，适当地处理上述信号，并且在输出处供应采集信号sin。存储电容器72连接至采集接口71的输出并且接收采集信号sin，采集信号sin引起存储电容器72的充电和能量的连续存储。电压调节器或转换器74连接至存储电容器72用于在其输入处接收所存储的电能并且在其输出处生成已调节信号sreg，sreg具有适合被供应给电负载75用于其供电或再充电的值。

如先前所提及的，能量采集系统70可以有利地用于对甚至可以没有电池或者没有设置可再充电电池的电气或电子装置供电。

作为示例，图21示出了电子装置76，其在便携式或可佩带类型的示例(诸如手环或手表)中包括能量采集系统70，能量采集系统70用于通过采用机械振动来生成电能(在这种情况下由用户的身体的运动起源)。电子装置76可以有利地用在健身领域。

最后，很清楚的是，可以对本文中描述和说明的内容进行修改和变化，而没有偏离如所附权利要求定义的本发明的范围。

特别地，可以对构成mems压电器件20的元件中的一个或多个的形状或尺寸进行修改；例如，根据mems压电器件20的应用和设计的需要，中心连接元件25可以具有不同的形状或不同的延伸(在检测质量24的尺寸的限制内)；例如，其可以具有沿着第二水平轴y伸长的延伸，该延伸基本上可以等于沿着上述第二水平轴y的膜23a的对应延伸。

另外，先前描述的微机械结构通常可以用在任何mems器件中以根据所检测的机械振动开始生成电信号，例如在压电加速计或者设想检测质量的使用的其他器件中。