MEMS换能器的制作方法

mems换能器
技术领域
[0001]
本公开总体涉及微机电系统(mems)结构，尤其是mems声学换能器。


背景技术：

[0002]
mems电容式声学换能器包括固定的穿孔背板和可移动的隔膜，该隔膜响应于入射声能而相对于背板移动以产生电信号。电信号对应于隔膜和背板之间的电容的变化。mems结构在掉落时经常承受大的负载，或者另外在麦克风和压力传感器的情况下，承受大的过压条件。这些事件可导致所述结构在锚定点附近破裂，这可影响装置的功能。
[0003]
包括传感器和致动器两者的mems结构通常包括诸如梁或膜的元件，该元件附接到基板并在凹陷区域上方延伸。在附接点处，存在由刚度的突然变化引起的应力集中，这可能在结构过载时导致断裂。减轻应力集中的传统方法是在附接点处包括倒角。然而，当构件的刚度以厚度的三次方增加时，倒角不是减小应力集中的理想方式。


技术实现要素：

[0004]
本公开的第一方面涉及一种mems换能器。mems换能器包括限定孔的换能器基板。该换能器还包括具有第一侧和第二侧的隔膜。隔膜的第一侧联接到换能器基板并设置在孔上方。该换能器还包括联接到隔膜的第二侧的加强构件。加强构件包括从孔的周边向内延伸的多个指状物。
[0005]
本公开的第二方面涉及一种麦克风组件。该麦克风组件包括壳体，该壳体包括基部、盖和端口。麦克风包括设置在由壳体限定的封闭容积中的声学换能器。该声学换能器包括：包括孔的换能器基板；隔膜；以及加强构件。隔膜的第一侧联接到换能器基板。隔膜与端口流体连通。加强构件联接到隔膜的第二侧。加强构件包括从孔的周边向内延伸的多个指状物。
[0006]
本公开的第三方面涉及一种mems声学换能器。该mems声学换能器包括换能器基板、隔膜、背板和加强构件。隔膜包括第一侧和第二侧。隔膜的第一侧联接到换能器基板，并且设置在由换能器基板限定的孔上方。背板限定多个开口。背板附接到基板，并且定向成基本上平行于隔膜。背板与隔膜偏离，使得在背板和隔膜之间形成空腔。加强构件联接到隔膜的第二侧。加强构件包括从孔的周边向内延伸的多个指状物。
[0007]
上述实用新型内容仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。除了上述说明性方面、实施方式和特征之外，通过参考以下附图和详细描述，其他方面、实施方式和特征将变得显而易见。
附图说明
[0008]
结合附图，从以下描述和所附权利要求，本公开的前述和其他特征将变得更加完全显而易见。这些附图仅描绘了根据本公开的若干实施方式，并且因此不应被认为是对本公开的范围的限制。下面结合附图更详细地描述各种实施方式。
[0009]
图1是根据说明性实施方式的mems换能器的立体横截面图。
[0010]
图2a是可以与图1的mems换能器一起使用的替代隔膜的立体横截面图。
[0011]
图2b是根据说明性实施方式的在电引线附近的隔膜的俯视图。
[0012]
图3是根据说明性实施方式的梁型mems结构的立体图。
[0013]
图4是根据另一说明性实施方式的梁型mems结构的侧视图。
[0014]
图5是图4的mems结构的俯视图。
[0015]
图6是根据说明性实施方式的用于mems换能器的加强构件的俯视图。
[0016]
图7是示出作为沿根据说明性实施方式的图6的加强构件的位置的函数的刚度的曲线图。
[0017]
图8是根据另一说明性实施方式的用于mems换能器的加强构件的俯视图。
[0018]
图9是示出作为沿根据说明性实施方式的图8的加强构件的位置的函数的刚度的曲线图。
[0019]
图10是根据另一说明性实施方式的用于mems换能器的加强构件的俯视图。
[0020]
图11是示出作为沿根据说明性实施方式的图10的加强构件的位置的函数的刚度的曲线图。
[0021]
图12是根据另一说明性实施方式的用于mems换能器的加强构件的俯视图。
[0022]
图13是示出作为沿根据说明性实施方式的图12的加强构件的位置的函数的刚度的曲线图。
[0023]
图14是根据说明性实施方式的麦克风组件的侧视横截面图。
[0024]
图15是示出根据说明性实施方式的简单的悬臂梁中的应力分布的等值线图。
[0025]
图16是示出根据说明性实施方式的由倒角支撑的悬臂梁中的应力分布的等值线图。
[0026]
图17是示出根据说明性实施方式的由加强构件支撑的悬臂梁中的应力分布的等值线图。
[0027]
图18是示出作为沿根据说明性实施方式的图15至图17的悬臂梁的位置的函数的应力的曲线图。
[0028]
在以下详细描述中，参考附图描述了各种实施方式。本领域技术人员将理解，附图是示意性的并且为了清楚而被简化，并且因此仅示出对于理解本公开而言必要的细节，而其他细节已经被省略。相同的附图标记始终表示相同的元件或部件。因此，不必相对于每幅图详细描述相同的元件或部件。
具体实施方式
[0029]
本公开呈现了一种加强构件，其用于使从mems结构的悬臂区域到mems结构的锚定区域的刚度过渡平滑，并因此减小给定负载下的最大应力值。本领域技术人员将理解，尽管在mems麦克风的背景下呈现了加强构件，但加强构件可以应用于其中存在突然的刚度变化的任何mems结构，以便改善结构的强度。
[0030]
通常，本文公开了用于增强诸如用于mems换能器的隔膜、背板和梁的结构的装置和系统。该装置包括加强构件，该加强构件包括邻近结构元件的锚定区域或周边设置的多个指状物。所述指状物可有利地增加mems结构的过压及负载容差，尤其是当与倒角及其他
支撑特征相比时。
[0031]
在一个方面，mems换能器包括换能器基板、隔膜和加强构件。隔膜的第一侧联接到基板(例如锚定到、连接到、沉积到基板上等)，并悬伸在由换能器基板限定的孔上方。加强构件靠近孔的周边联接到隔膜的第二侧。加强构件包括从孔的周边向内延伸的多个指状物。指状物支撑隔膜并减小与隔膜和基板相遇处(例如，在靠近孔的周边的锚定区域处)的横截面积的突然变化相关联的应力。加强构件可以与隔膜由相同的材料形成以降低成本。在一些实施方式中，指状物是三角形的。
[0032]
在隔膜由介电材料(例如，氮化硅等)制成的实施方式中，换能器还可以包括联接到隔膜的第二侧的第二加强构件。第二加强构件可由导电材料制成，该导电材料被构造成形成作为电容式传感器的一半的电极，另一半由固定的背板或另一导电构件形成。大致放置在隔膜的中心区域中的第二加强构件可包括朝向孔的周边(例如，朝向多个第一指状物、远离隔膜的中心区域等)向外延伸的多个第二指状物。多个第二指状物被构造成沿第二加强构件的外周边减小隔膜中的应力。
[0033]
加强构件被构造成减小隔膜中的应力，该应力在隔膜的锚定点附近和/或在隔膜具有由于厚度变化而引起的刚度变化的位置附近，例如在电极边界处。通常，增加加强构件的技术对于具有由刚度的突然变化引起的应力集中的区域的任何结构都是有用的。通过减小隔膜中的最大应力，加强构件可有利地增大mems换能器能够承受的压力和负载。以上提供的一般描述的细节将参考图1至图18更充分地解释。
[0034]
图1示出了根据说明性实施方式的示出为换能器10的mems换能器。在图1的实施方式中，换能器10被构造为电容式声学换能器，该电容式声学换能器被构造成响应于入射在换能器10上的声学干扰而产生电信号。换能器10包括换能器基板100、背板102和隔膜104。如图1所示，换能器基板100大致是矩形的，并且典型地由硅制成，尽管可以考虑其他材料。换能器基板100包括凹陷区域。在图1的实施方式中，凹陷区域是基本上圆柱形的孔112，孔112设置成居中地穿过基板100。孔112被构造成将声能运载(例如，传输等)到隔膜104和背板102中的至少一者。
[0035]
在图1的实施方式中，隔膜104由导电材料(例如多晶硅)制成，并且附接到基板100并设置在孔112上方。隔膜104被构造成响应于声学压力而振动。背板102 利用中间牺牲层106附接到基板100以将背板102与隔膜104隔开。背板102由诸如氮化硅的介电材料160构成。背板102的中心区域包括导电电极132。由垫138和引线136提供对导电电极132的电接入。背板102中的多个穿孔131允许空气逸出，否则空气被截留在隔膜104和背板102之间。背板102是刚性的，因此与隔膜相比是相对固定的。背板102的刚度由背板上的张力和背板的厚度产生。
[0036]
与简单的悬臂式背板和隔膜相比，当换能器10受到非常高的过载压力或冲击时，图1的隔膜104和背板102不太可能被损坏。利用包括加强构件122，隔膜104被增强以抵抗过载，加强构件122附接到隔膜104并且布置在孔112的周边的外侧。加强构件具有从孔112的周边向内朝向隔膜104的中心延伸的多个指状物124。指状物124 用于减小应力集中，否则该应力集中会出现在隔膜104被锚定到基板100的附接点处 (例如，突然的刚度变化)。加强构件122和指状物124可以由诸如多晶硅或氮化硅的若干材料中的任何一种制成。在图1的实施方式中，加强构件122和指状物124 由多晶硅制成。
[0037]
通过包括附接到背板102并定位在背板102的与基板100相对的一侧上的加强构件142，背板102被增强以抵抗过载。加强构件142包括从附接区域的周边向内朝向背板102的中心延伸的指状物144。加强构件142和指状物144可以由诸如多晶硅或氮化硅的若干材料中的任何一种制成。在图1的实施方式中，加强构件142和指状物 144与中心导电电极132在同一步骤中形成，因此由多晶硅制成。在介电材料160上形成导电电极132产生厚度的阶跃变化，这引起导电电极132的边缘处的应力集中。形成在导电电极的边缘处的指状物134减轻了这种应力集中。指状物134可以与导电电极132同时形成，因此可以由相同的材料(例如，多晶硅)制成。
[0038]
图2a示出了换能器20的替代实施方式。为了清楚起见，移除了牺牲材料106 和背板102。图2a的隔膜105由诸如氮化硅的介电材料150构成。隔膜105附接到基板100并设置在孔112上方。中心导电电极152形成在介电材料150的顶部上以用作电容式换能器10的一半。另一半由背板102(未示出)提供。由垫158和引线156 提供对导电电极152的电接入。应力集中出现在隔膜105与基板100的附接点处以及导电电极152的周边处，在导电电极152的周边处出现厚度阶跃变化。如相对于图1 所述，利用包括加强构件122和指状物124，隔膜105被增强以抵抗过载。此外，通过包括从导电电极152的边缘径向向外延伸的指状物154，隔膜105被增强以抵抗过载。
[0039]
在另一实施例中，图3提供了根据说明性实施方式的被构造为悬臂梁的mems 结构14。结构14可以被构造为微型悬臂(例如，基于mems的传感器、开关、致动器、谐振器、探针等，其被构造成使得悬臂的尖端响应于负载或刺激而移动)。如图3所示，结构14包括薄矩形梁304、第一加强构件324和第二加强构件330。矩形梁304的第一端340附接到基板300。梁304的第二端342是悬臂的，使得第二端342 延伸超过基板300的侧壁344。在一些实施方式中，梁304的第二端342悬臂在至少部分地由基板300限定的凹陷区域上方。
[0040]
在各种替代实施方式中，加强构件和指状物的尺寸和形状可以不同。参考图4 至图5，根据另一说明性实施方式，提供mems结构16。结构16可以基本上类似于参考图3描述的结构14。如图4至图5所示，结构16包括基板400、梁404和第一加强构件424。第一加强构件424包括第一多个指状物426。在图4的实施方式中，第一加强构件424具有均匀的厚度444。
[0041]
如图4所示，第一加强构件424的厚度444大致等于梁404的厚度446。根据说明性实施方式，第一加强构件424的厚度444在梁404的厚度446的大约50％和200％之间的范围内，但是该范围之外的值也可提供结构益处。
[0042]
如图5所示，第一多个指状物426中的每一个都是三角形的。从指状物426的根部到指状物426的尖端的每个指状物426的长度448(例如，从基板400的侧壁或周边的每个指状物的长度)大于第一加强构件424的厚度444，并且相应地大于梁404 的厚度446。指状物426的长度448是设计变量，该设计变量确定刚度如何从梁单独的刚度增加到锚定区域的刚度。三角形形状使刚度沿着指状物长度线性地变化。
[0043]
根据说明性实施方式，每个指状物426在基本上垂直于长度的方向(例如，在沿着图1至图2a的孔112的周边的基本上周向的方向上，等等)上的宽度450在长度 448的大约25％和100％之间的范围内。在图5的实施方式中，宽度450设定了与梁 404接触的若干指状物。
[0044]
指状物的构造部分地确定了在结构的锚定点附近(例如，在孔的周边附近、在指状
物的根部附近等)的应力分布。因此，在各种替代实施方式中，指状物的形状、大小和布置可不同。图6提供了多个三角形的指状物526，指状物526基本上类似于图 1至图5所示的指状物。图7大致提供了示出作为沿指状物526长度的位置的函数的刚度变化的曲线图(例如，与正交于指状物526施加的、进入和离开页面的负载相关联的刚度分布，如图6所示)。如图7所示，结构的刚度沿着指状物526的长度与指状物526的宽度成比例地近似线性地增加。
[0045]
图8至图13提供了根据各种替代实施方式的不同形状的指状物的实施例。在图 8的实施方式中，指状物626是具有圆形尖端的三角形。如图9所示，与图6至图7 的指状物526的急剧过渡相比，每个指状物626的圆形部分导致指状物的尖端附近的刚度更急剧地增加。
[0046]
在图10的实施方式中，指状物726为花瓣形状。每个指状物726的侧面向外弯曲，使得指状物726的宽度在指状物726的尖端附近迅速增加。如图11所示，图10 的指状物726导致刚度从指状物726的尖端到根部几乎对数的增加。相反，在图12 的实施方式中，指状物826为齿轮形状(例如，自行车齿轮的形状)。每个指状物 826的侧面向内弯曲，使得指状物826的宽度在指状物826的根部附近快速增加且延伸到尖端处的精细点。在其他实施方式中，指状物826可在尖端处是圆形的或在尖端处笔直地横穿。如图13所示，图12的指状物826提供刚度从指状物826的尖端到根部的近似指数增加。
[0047]
在一些实施方式中，至少一个指状物的大小或形状可不同于另一指状物的大小。例如，指状物的长度可以沿着孔的周边以重复的方式变化，或者根据需要变化以针对给定应用定制刚度分布。在替代实施方式中，每个指状物的形状可以沿着孔的周边变化。例如，在图2b中，在电引线156’附近的指状物124’和154’可以更长以使由引线自身引起的刚度平滑(见图2b)。
[0048]
根据说明性实施方式，如图14所示，mems换能器(例如，图1至图2a的声学换能器10)被构造成接收在麦克风组件34内。如图14所示，组件34包括壳体，该壳体包括麦克风基板36、盖38(例如，壳体罩)以及声音端口42。盖38可以联接到麦克风基板36(例如，盖38可以安装到麦克风基板36的外围边缘上)。盖38 和麦克风基板36一起可以形成用于组件34的封闭容积37。声音端口42也可以设置在麦克风基板36上，并且可以被构造成将声波传送到位于封闭容积37内的换能器 10。或者，声音端口42可以设置在盖38上或壳体的侧壁上。如图14所示，孔112 基本上与端口42对准。在其他实施方式中，孔112包围(例如，围绕等)端口42。在一些实施方式中，组件可以形成紧凑计算装置(例如，便携式通信装置、智能电话、智能扬声器、物联网(iot)装置等)的一部分，一个、两个、三个或更多个组件可以被集成在该紧凑计算装置中以用于拾取和处理各种类型的声学信号，诸如语音和音乐。
[0049]
如图14所示，组件34还包括设置在封闭容积37中的电路。该电路包括集成电路(ic)44。ic 44可以是专用集成电路(asic)。或者，ic 44可以包括集成了各种模拟、模数和/或数字电路的半导体晶粒。
[0050]
在图14的实施方式中，换能器10被构造成响应于入射在端口42上的声学活动而在换能器输出端生成电信号(例如，电压)。如图14所示，换能器输出端包括换能器10的垫或端子，所述垫或端子经由一个或多个结合线46电连接到电路。该垫可以与参照图2a所述的垫158相同或基本相似。图14的组件34还包括电触头，该电触头被示意性地示出为设置在麦克风基板36的表面上的触头48。触头48可以电联接到电路，并且可以被构造成将麦克风组件34电连接到各种主机装置中的一个。
[0051]
图15至图18示出了与简单支撑的隔膜52(图15)和由倒角支撑的隔膜54(图 16)相比，由加强构件(例如图17的梁50)提供的益处。图15至图18提供了在均匀负载下三种不同支撑构造中的每一种的模拟结果。在每个模拟中，均匀的压力被施加到隔膜的悬臂部分的第一侧。图15、图16和图17提供了示出对于每个支撑构造的隔膜中的应力分布的等值线图。图18示出了沿每个隔膜的长度(例如，从梁的第二自由端到梁的第一端)的应力分布。线900(图18)示出了对于简单支撑的隔膜 52的应力和位置之间的关系。每个梁的锚定点(例如，孔的周边、基板的侧壁等) 位于从第二端到第一端的总距离的大约80％处。线902(图18)示出了对于包括倒角的梁54的应力和位置之间的关系。线904(图18)示出了对于由加强构件支撑的隔膜的应力和位置之间的关系。
[0052]
如图18所示，对于给定的负载条件，加强构件减小了沿隔膜的总峰值应力。加强构件还减小了靠近锚定点的应力变化率。除了其他优点之外，峰值应力的减小增加了mems结构的过压和抗冲击性。
[0053]
mems结构(本文公开了该mems结构的各种说明性实施方式)提供了优于简单支撑的隔膜或梁以及利用在锚定区域的周边附近的倒角来减小负载下的峰值应力的结构的若干优点。该结构包括至少一个加强构件，该加强构件包括增强隔膜或梁的多个指状物。指状物被构造成防止隔膜或梁的刚度在锚定区域的周边附近的急剧过渡。除了其他优点之外，加强构件可由用于制造mems结构的现有材料形成，从而降低成本。此外，通过改变指状物的尺寸和形状，可以针对不同的应用优化结构的过压限制。
[0054]
本文描述的主题有时示出了包含在不同的其他部件内或与不同的其他部件连接的不同部件。应当理解，这样描述的架构是说明性的，并且实际上可以实现许多其他的架构，其实现相同的功能。在概念意义上，实现相同功能的部件的任何布置被有效地“关联”，使得实现期望的功能。因此，在此组合以实现特定功能的任何两个部件可以被视为彼此“相关联”，使得实现期望的功能，而不管架构或中间构件。同样，如此关联的任何两个部件也可以被看作彼此“可操作地连接”或“可操作地联接”以实现期望的功能，并且能够如此关联的任何两个部件也可以被看作彼此“可操作地可联接”以实现期望的功能。可操作地可联接的具体实施例包括但不限于物理上可配合和/或物理上相互作用的部件和/或可无线相互作用和/或无线相互作用的部件和/或逻辑上相互作用和/或可逻辑上相互作用的部件。
[0055]
关于本文中复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据上下文和/或应用的需要，从复数转换为单数和/或从单数转换为复数。为了清楚起见，这里可以明确地阐述各种单数/复数置换。
[0056]
本领域技术人员将理解，通常，本文中并且尤其是在所附权利要求(例如，所附权利要求的主体)中使用的术语通常旨在作为“开放式”术语(例如，术语“包括”应当被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应当被解释为“至少具有”，术语“包括”应当被解释为“包括但不限于”等)。
[0057]
本领域技术人员还将理解，如果意图是所引入的权利要求叙述的特定数目，则这样的意图将在权利要求中明确地叙述，并且在没有这样的叙述的情况下，不存在这样的意图。例如，为了帮助理解，所附权利要求可以包含使用引导性短语“至少一个”和“一个或多个”来引入权利要求叙述。然而，这种短语的使用不应被解释为暗示由不定冠词引入的权利要求叙述将包含这种引入的权利要求叙述的任何特定权利要求限制为仅包含一个这种叙
述的实用新型，即使当同一权利要求包括引导性短语“一个或多个”或“至少一个”以及不定冠词如“一”(例如，“一”通常应被解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)；这同样适用于用来引入权利要求叙述的定冠词的使用。另外，即使明确地叙述了所引入的权利要求叙述的具体数目，本领域技术人员将认识到，这种叙述通常应当被解释为意味着是至少所叙述的数目(例如，没有其他修饰语的“两个叙述”的无修饰叙述通常意味着至少两个叙述，或者两个或多个叙述)。
[0058]
此外，在使用类似于“a、b和c等中的至少一者”的惯例的那些情况下，通常这样的构造旨在本领域技术人员在意义上将理解惯例(例如，“具有a、b和c中的至少一者的系统”将包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、a和b一起、a和c一起、b和c一起和/或a、b和c一起等的系统)。在使用类似于“a、 b和c等中的至少一者”的惯例的那些情况下，通常这样的构造旨在本领域技术人员在意义上将理解惯例(例如，“具有a、b和c中的至少一者的系统”将包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、a和b一起、a和c一起、b和c一起和/或a、b和c一起等的系统)。本领域技术人员还将理解，无论在说明书、权利要求书还是附图中，实际上呈现两个或多个替代术语的任何转折连词和/或短语应当理解为设想了包括这些术语中的一个、这些术语中的任一个或两个术语的可能性。例如，短语“a或b”将被理解为包括“a”或“b”或“a和b”的可能性。此外，除非另有说明，否则词语“近似”、“大约”、“基本上”等的使用意味着加或减百分之十。
[0059]
为了说明和描述的目的，已经呈现了说明性实施方式的以上描述。其并非旨在相对于所公开的精确形式是穷举或限制的，并且根据上述教导，修改和变化是可能的，或者可以从所公开的实施方式的实践中获得。本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
[0060]
相关专利申请的交叉引用
[0061]
本申请要求于2018年12月28日提交的、名称为“具有加强构件的mems结构”的美国临时申请no.62/786,104的权益和优先权，该美国临时申请的公开内容通过引用全文纳入本文中。