本公開涉及一種具有梳齒式電極的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))聲換能器。

背景技術(shù)：

MEMS聲換能器是已知的，包括：微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其至少部分地由半導(dǎo)體材料制成，并且被設(shè)計(jì)成將待檢測(cè)的聲壓波轉(zhuǎn)換為電量(例如，電容變化)；以及電子讀取電路，所謂的ASIC(專用集成電路)，被設(shè)計(jì)成執(zhí)行用于提供電輸出信號(hào)(模擬或數(shù)字)的所述電量的適當(dāng)處理(例如，放大和濾波)操作。

MEMS聲換能器例如廣泛地用于諸如便攜式計(jì)算機(jī)、平板電腦或智能電話之類的便攜類型的電子設(shè)備，或者諸如手表或電子手鐲之類的可穿戴類型的電子設(shè)備，其在空間占用和能量消耗方面提供重要的優(yōu)點(diǎn)。此外，MEMS聲換能器在其整個(gè)工作壽命期間并且相對(duì)于溫度變化是穩(wěn)定的，并且與表面安裝器件(SMD)技術(shù)完全兼容。

電容類型的MEMS聲換能器的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)通常包括移動(dòng)膜，該移動(dòng)膜根據(jù)入射壓力波而發(fā)生變形，并且面向固定參考板即所謂的“背板”而被布置。膜和參考板提供感測(cè)電容器的板，并且膜的彎曲導(dǎo)致該感測(cè)電容器的電容的變化。在操作期間，總電荷保持恒定(經(jīng)由適當(dāng)?shù)钠?，并且通過(guò)合適的處理電子器件將電容變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(例如，電壓信號(hào))，其作為MEMS聲傳感器的輸出信號(hào)而被提供。

已知類型的MEMS聲換能器例如在以本申請(qǐng)人的名義提交的美國(guó)專利公開號(hào)2010/0158279 A1(其通過(guò)引用并入本文)中描述。

圖1通過(guò)示例示出了聲換能器的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的一部分，整體由1表示。

微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)1包括半導(dǎo)體材料的襯底2和可移動(dòng)膜(或膜片)3。膜3例如由導(dǎo)電材料制成并面向固定電極或板4，其至少與膜3相比是剛性的，該膜3反而是柔性的并且根據(jù)入射聲壓波而發(fā)生變形。

膜3通過(guò)由相同膜3的突出部形成的膜錨定部5錨定到襯底2，該膜錨定部5從其周邊區(qū)域朝向襯底2延伸。

例如，膜3在俯視圖中(即在主要水平延伸平面中)具有大致正方形形狀，并且數(shù)目為四個(gè)的膜錨定件5布置在正方形的頂點(diǎn)處。

膜錨定件5執(zhí)行將膜3懸置在襯底2上方與其隔開一定距離的功能。該距離的值由低頻響應(yīng)的線性度與聲換能器的噪聲之間的折衷所致。

為了允許減輕膜3中例如從制造過(guò)程中獲得的殘余(拉伸和/或壓縮)應(yīng)力，穿過(guò)膜3形成通孔3'，特別是在每個(gè)膜錨定件5附近，以便“均衡”存在于同一膜3的表面上的靜壓力(通常，穿過(guò)膜3形成至少一個(gè)通孔3')。

背板4由導(dǎo)電材料制成并面對(duì)膜3的第一板層4a和絕緣材料的第二板層4b形成。

第一板層4a與膜3一起形成微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)1的感測(cè)電容器。

特別地，第二板層4b覆蓋在第一板層4a上，除了其延伸穿過(guò)第一板層4a以形成背板4的突起部6的部分之外，該突起部6朝向下面的膜3延伸并且具有防止膜3粘附到背板4上以及限制同一膜3的振動(dòng)的功能。

例如，膜3的厚度可以在0.1至1.5μm的范圍內(nèi)，第一板層4a的厚度可以在0.1至2μm的范圍內(nèi)，并且第二板層4b的厚度可以在0.7至4μm的范圍內(nèi)。

背板4還具有多個(gè)孔7，其延伸穿過(guò)第一板層4a和第二板層4b，具有例如圓形的截面，并且具有在制造步驟期間允許去除下面的犧 牲層的功能。孔7例如布置成在水平平面中形成與襯底2平行的陣列。此外，在操作期間，孔7使空氣能夠在背板4與膜3之間自由循環(huán)，效果上使背板4聲透明并減少噪聲。

背板4通過(guò)板錨定件8錨定到襯底2，該板錨定件8連接到其周邊區(qū)域。特別地，板錨定件8由與第一板層4a或第二板層4b相同的導(dǎo)電材料的垂直柱(即，在與水平面和襯底2正交的方向上延伸)形成。

膜3懸掛在并且直接面對(duì)在襯底2內(nèi)制成并穿過(guò)襯底2的第一腔9a，經(jīng)由從其與其上布置有膜錨定件5的前表面2a相對(duì)的背表面2b開始蝕刻(因此，第一腔9a限定了在襯底2的前表面2a與背表面2b之間延伸的通孔)。特別地，前表面2a位于水平平面中。

在聲壓波首先撞擊在背板4上和在膜3上的情況下，第一腔9a也被稱為“后室”。在這種情況下，前室由第二腔9b形成，在頂部和底部由第一板層4a和相應(yīng)的膜3界定。

可替代地，在任何情況下，壓力波可以通過(guò)第一腔9a到達(dá)膜3，在這種情況下，其執(zhí)行聲進(jìn)入端口的功能，因此執(zhí)行前室的功能。

更詳細(xì)地，膜3具有第一主表面3a和第二主表面3b，它們彼此相對(duì)并相應(yīng)地面對(duì)第一腔9a和第二腔9b，因此與后室流體連通，并且相應(yīng)地是聲換能器的前室。

此外，第一腔9a由兩個(gè)腔部分9a'、9a”形成：第一腔部分9a'布置在襯底2的前表面2a處，并且在水平面上具有第一延伸部；第二腔部分9a”布置在襯底2的背表面2b處，并且在水平面上具有大于第一延伸部的第二延伸部。

以已知的方式，聲換能器的靈敏度取決于膜3的機(jī)械特性以及膜3和剛性板4在對(duì)應(yīng)封裝內(nèi)的組裝，其構(gòu)成聲換能器相對(duì)于外部環(huán)境的接口。

特別地，聲換能器的性能取決于后室和前室的體積。前室的體積確定聲換能器的上諧振頻率，并因此確定其在高頻下的性能；通常，事實(shí)上，前室的體積越小，聲換能器的上截止頻率越高。此外， 后室的大體積使得能夠提高聲換能器的頻率響應(yīng)和靈敏度。

通常，已知MEMS聲換能器需要高信噪比(SNR)和平坦且受控的頻率響應(yīng)。這些特性表示所謂的關(guān)鍵性能指標(biāo)(KPI)，即，確定MEMS聲換能器的質(zhì)量的主要參數(shù)。

本申請(qǐng)人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，之前參照?qǐng)D1描述的具有平行板類型的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)1卻不能實(shí)現(xiàn)獲得高的信噪比值。

實(shí)際上，由于布置在同一膜3與背板4之間的薄的空氣層，信噪比的值由于膜3與背板4之間的阻尼效應(yīng)而受到噪聲的限制，即所謂的“擠壓膜”效應(yīng)。

可以通過(guò)增加膜3與背板4之間的間隙的厚度，或者通過(guò)增加在背板4中制成的孔7的尺寸來(lái)減小可能高于ASIC的噪聲的所產(chǎn)生的噪聲，然而，在兩種情況下，以作為入射壓力波(即，所產(chǎn)生的信號(hào))的函數(shù)的電容響應(yīng)為代價(jià)。

考慮到盡可能減小MEMS聲換能器的尺寸的通常規(guī)格，增加膜3的尺寸的可能性通常不是可行的解決方案。

因此，所描述的具有平行板的類型的感測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)可以實(shí)現(xiàn)的信噪比的最大值具有上限。

為了克服該限制，因此已經(jīng)提出了用于MEMS聲換能器的各種微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)。

特別地，已經(jīng)提出了沒有背板的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)，其中通過(guò)交叉(所謂的梳齒)電極布置來(lái)實(shí)現(xiàn)電容感測(cè)。

例如，在US2014/0197502A1中描述了梳齒類型的MEMS聲換能器的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)。

該感測(cè)結(jié)構(gòu)的一部分在圖2A和圖2B中示出，其中它被整體標(biāo)記為10。

微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)10再次包括膜12，例如具有正方形或矩形形狀，其被布置懸浮在腔13上方，并且在其頂點(diǎn)處經(jīng)由四個(gè)膜錨定件16錨定到機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)10的襯底15。

微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)10還包括梳齒電極布置，其由以下形成：移動(dòng) 電極17，其沿著其周界耦接到膜12，并且以懸臂方式從膜12開始在腔13上方延伸；以及固定電極18，其與移動(dòng)電極17(面對(duì)并平行于移動(dòng)電極17)形成梳齒，由襯底15承載并且以懸臂方式在腔13上方延伸。

移動(dòng)電極17相對(duì)于固定電極18垂直移動(dòng)，并且電極之間的面對(duì)表面(不是距離)的變化產(chǎn)生指示待檢測(cè)的量(即，聲壓波)的電容變化。

該微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)10使得能夠提高信噪比，主要是由于沒有背板以及與膜12的擠壓膜耦接。事實(shí)上，在這種情況下，可移動(dòng)電極17相對(duì)于固定電極18的運(yùn)動(dòng)主要是滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因此確定明顯更低的阻尼效果。

然而，本申請(qǐng)人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)10具有頻率性能的顯著劣化，這特別是由于形成在圖2B中由19表示的通風(fēng)通道以用于聲壓波從MEMS聲換能器(布置在膜12上方)的后室到前室。該通氣通道19由設(shè)置在可移動(dòng)電極17與固定電極18之間的間隙形成，這些電極是梳齒狀的。通風(fēng)通道19與MEMS聲換能器的前室和后室直接流體連通。

本申請(qǐng)人已經(jīng)注意到頻率性能的降低，特別是在低頻處的滾降(或截止頻率)的降低，這在MEMS聲換能器的廣泛的應(yīng)用中是不可接受的。

因此，確實(shí)感到需要進(jìn)一步改進(jìn)MEMS聲換能器的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)于信噪比和頻率特性的聯(lián)合優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開旨在解決的技術(shù)問題在于：如何在不降低頻率性能的情況下得到具有高信噪比的MEMS聲換能器。

本公開的一個(gè)方面公開了一種MEMS聲換能器。所述MEMS聲換能器包括：半導(dǎo)體材料的襯底，具有背表面和相對(duì)于垂直方向相反的前表面；在所述襯底中的第一腔，所述第一腔從所述背表面延 伸到所述前表面；膜，在所述前表面處并且懸置在所述第一腔上方，所述膜的周界錨定到所述襯底；以及梳齒狀電極布置，包括耦接到所述膜的多個(gè)可移動(dòng)電極以及耦接到所述襯底并面對(duì)所述多個(gè)可移動(dòng)電極以形成感測(cè)電容器的多個(gè)固定電極，作為入射聲壓力波的結(jié)果的所述膜的變形被構(gòu)造成引起所述感測(cè)電容器的電容變化，其中所述梳齒狀電極布置相對(duì)于所述膜垂直地放置并且平行于所述膜延伸。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述梳齒狀電極布置被布置在所述膜的上方，所述多個(gè)可移動(dòng)電極和所述多個(gè)固定電極懸置在所述膜的上方。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述膜的周界通過(guò)膜錨定元件沿著其整個(gè)周界錨定到所述襯底，其中所述膜具有至少一個(gè)通孔，所述通孔將所述第一腔置于與布置在所述膜的相對(duì)側(cè)上的第二腔流體連通。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)可移動(dòng)電極中的每一個(gè)可移動(dòng)電極具有直接耦接到所述膜的耦接部分以及由所述耦接部分以懸臂方式在所述膜上方支撐的主要部分；并且其中所述多個(gè)固定電極在靜止?fàn)顟B(tài)下以懸臂方式布置在面對(duì)所述多個(gè)可移動(dòng)電極并平行于所述多個(gè)可移動(dòng)電極的所述膜上。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)可移動(dòng)電極耦接到所述膜的中心部分，并且其中所述膜的變形被設(shè)計(jì)成引起所述多個(gè)移動(dòng)電極相對(duì)于所述多個(gè)固定電極的垂直平移的第一位移。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)可移動(dòng)電極耦接到所述膜的外部，其中所述膜的變形引起垂直平移的第一位移和以所述多個(gè)可移動(dòng)電極相對(duì)于所述多個(gè)固定電極的傾斜角旋轉(zhuǎn)的第二位移，其中所述電容變化由所述第一位移和所述第二位移共同產(chǎn)生。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)可移動(dòng)電極和所述多個(gè)固定電極相對(duì)于所述膜的中心徑向地布置；所述MEMS聲換能器包括：懸掛結(jié)構(gòu)，包括耦接到所述襯底的所述前表面并相對(duì)于所述襯底垂直延伸的壁部分；和蓋部，其在頂部封閉所述壁部并且布置在所述膜的上方。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述懸掛結(jié)構(gòu)還包括支撐柱，所述支撐柱耦接到所述蓋部分的中心部分并垂直于所述膜的所述中心部分布置，所述支撐柱沿所述垂直方向朝向所述膜延伸；其中所述多個(gè)固定電極耦接到所述支撐柱。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)固定電極耦接到所述懸掛結(jié)構(gòu)的所述壁部分，其中所述多個(gè)固定電極懸掛在所述膜上方、從所述壁部分沿相應(yīng)的徑向方向延伸。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)固定電極沿著所述垂直方向相對(duì)于所述多個(gè)可移動(dòng)電極交錯(cuò)。

根據(jù)本公開的另一方面，公開了一種電子設(shè)備。所述電子設(shè)備包括：控制單元；和耦接到所述控制單元的MEMS聲換能器，所述MEMS聲換能器包括：半導(dǎo)體材料的襯底；在所述襯底中的腔；在所述腔處懸置的膜，所述膜構(gòu)造成響應(yīng)于聲壓而變形；多個(gè)可移動(dòng)電極，耦接到所述膜并且構(gòu)造成響應(yīng)于所述膜變形而移動(dòng)；以及多個(gè)固定電極，耦接到所述襯底并面對(duì)所述多個(gè)可移動(dòng)電極，從而形成感測(cè)電容器。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述電子設(shè)備是便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備之一。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)可移動(dòng)電極和所述多個(gè)固定電極布置在所述膜的同一側(cè)。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述膜耦接到所述腔上方的所述襯底的第一表面。

在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)可移動(dòng)電極耦接到所述膜的中心部分。

本公開的微機(jī)械結(jié)構(gòu)能帶來(lái)如下技術(shù)效果：其具有更大的靈敏度，同時(shí)信噪比也得以提高，例如，針對(duì)聲換能器的總SNR比傳統(tǒng)解決方案的66-67dBA而言高幾個(gè)分貝。

附圖說(shuō)明

為了更好地理解本公開，現(xiàn)在僅通過(guò)非限制性示例并參考附圖 描述其優(yōu)選實(shí)施例，其中：

圖1是已知類型的MEMS聲換能器的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖；

圖2A是已知類型的MEMS聲換能器的另一微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的俯視平面圖；

圖2B是圖2A的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的一部分的透視圖；

圖3A是根據(jù)本方案的一個(gè)實(shí)施例的MEMS聲換能器的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的示意性俯視圖；

圖3B是圖3A的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖；

圖4是與圖3A的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的電容變化的繪圖；

圖5A和圖5B分別是已知類型的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的和圖3A的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)的繪圖；

圖6A-6I是在制造過(guò)程的連續(xù)步驟中的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖；

圖7A和圖7B示出了在不同的操作配置中彼此面對(duì)的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的可移動(dòng)電極和固定電極；

圖8A和圖8B示出了與圖7A和圖7B的電極的相互位移有關(guān)的繪圖；

圖9A是根據(jù)本方案的另一實(shí)施例的MEMS聲換能器的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖；

圖9B是圖9A的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的一部分的示意性俯視圖；

圖10A是根據(jù)本方案的又一實(shí)施例的MEMS聲換能器的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖；

圖10B是圖10A的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的一部分的示意性俯視圖；

圖11示出了包括根據(jù)本方案的MEMS聲換能器的電子設(shè)備的總體框圖；以及

圖12A和圖12B是圖3A的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)的變型實(shí)施例的示意性俯視圖。

具體實(shí)施方式

如下文將詳細(xì)描述的，本方案的一個(gè)方面設(shè)想提供MEMS聲換能器的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)，其不具有固定的參考板并且設(shè)置有感測(cè)電極的梳齒狀布置。特別地，該梳齒狀電極布置垂直地耦接到可移動(dòng)膜，并以懸置方式覆蓋在同一膜上。

如圖3A和圖3B所示，MEMS聲換能器的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20包括半導(dǎo)體材料(例如硅)的襯底21，其中設(shè)置有第一腔22，其例如從背表面21b開始到同一襯底21的前表面21a(第一腔22也可以由兩個(gè)或更多腔部分以類似于圖1所示的方式構(gòu)成)。

特定地，襯底21的前表面21a和背表面21b在與主延伸的水平面xy正交的垂直方向z上彼此隔開材料的一定厚度，前表面21a和背表面21b置于該主延伸中，并且該主延伸由彼此正交的第一水平軸線x和第二水平軸線y限定。

微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20還包括例如由多晶硅或氮化硅(SiN)制成的膜23，該膜23耦接到襯底21的前表面21a，在前表面21a上方以一定距離懸掛，并且在俯視圖中具有例如圓形或正方形(或一般為多邊形)的形狀。通常，膜23由適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?，以便諸如提供機(jī)械應(yīng)力的良好控制和高抗沖擊性。

膜23通過(guò)膜錨定元件25錨定到襯底21的前表面21a，該膜錨定元件25例如沿著相同膜23的整個(gè)周界布置，因而膜23在該示例中相對(duì)于襯底21完全夾緊。

微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的第二腔26在相對(duì)于第一腔22的相對(duì)側(cè)上布置在膜23上方。

膜23是柔性的，并且根據(jù)入射聲壓波而變形，該入射聲壓波可以替代地來(lái)自第一腔22或第二腔26。

此外，穿過(guò)膜23形成至少一個(gè)通孔23'，其具有“均衡”存在于同一膜23的表面上的靜壓力以及限定微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的低頻響應(yīng)的功能(如在下文中更全面地描述)。

根據(jù)本方案的一個(gè)特定方面，微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20包括梳齒狀電 極布置28，其垂直地覆蓋膜23并且在與同一膜23平行的平面中(以及平行于襯底21的前表面21a)具有主延伸或擴(kuò)展。

梳齒狀電極布置28包括：多個(gè)可移動(dòng)電極29，其直接耦接到膜23并且在與相同膜23一定距離處垂直地懸掛；以及多個(gè)固定電極30，其也在與膜23一定距離處垂直地懸掛。

固定電極30面向可移動(dòng)電極29并且與可移動(dòng)電極29形成梳齒，并且在水平面xy的方向上與其平行。此外，固定電極30剛性地耦接到襯底21并且在膜23上方延伸(例如，每個(gè)固定電極30通過(guò)第一錨定部分和第二錨定部分錨定到襯底21，第一錨定部分和第二錨定部分相對(duì)于膜23橫向地布置在相對(duì)側(cè)上；可替代地，固定電極30可以以懸臂方式布置在膜23上，僅在其第一側(cè)端處錨定)。

移動(dòng)電極29作為整體與固定電極30形成感測(cè)電容C，其值可以根據(jù)膜23在垂直方向z上的變形而變化(實(shí)際上確定可移動(dòng)電極29相對(duì)于固定電極30的對(duì)應(yīng)位移的變形)。這種電容變化可以通過(guò)合適的接觸焊盤(例如由金或其他合適的導(dǎo)電材料)獲得，其電連接到可移動(dòng)電極29和固定電極30(如下文更充分地說(shuō)明)。

可移動(dòng)電極29和固定電極30例如可以由多晶硅制成，例如外延生長(zhǎng)的多晶硅。

特定地，在圖3A和圖3B所示的實(shí)施例中，梳齒狀電極布置28懸掛在膜23上方并且在襯底21的前表面21a上方。

更詳細(xì)地，每個(gè)可移動(dòng)電極29包括：耦接部分29a，其耦接到膜23的中心部分23a并且具有垂直柱構(gòu)造；以及主要部分29b，其基本上為平行六面體，例如具有沿著屬于水平面xy的第一水平軸線x的主延伸，并且面向固定電極30并與固定電極30形成梳齒(在該示例中，其也具有延伸，沿著第一水平軸線x)。

在圖3A和圖3B所示的實(shí)施例中，可移動(dòng)電極29和固定電極30在垂直方向z上相對(duì)于彼此進(jìn)一步豎直交錯(cuò)。這種布置有利地具有增加感測(cè)電容的變化的線性度的效果。

此外，梳齒狀電極布置28布置在對(duì)應(yīng)于膜23的中心部分23a 的位置中，其中由于入射聲壓波而導(dǎo)致的相同膜23的垂直位移(沿垂直方向z)可以被顯示為最大。

如圖4所示，在對(duì)應(yīng)于膜23的上述中心部分23a的位置，感測(cè)電容C的變化相對(duì)于待檢測(cè)的聲壓P也是基本上線性的。

如將清楚的，在設(shè)計(jì)階段適當(dāng)?shù)?、也根?jù)膜23的幾何形狀和尺寸來(lái)選擇可移動(dòng)電極29和固定電極30的數(shù)量。

以未示出的方式，可能在襯底21的前表面21a和梳齒電極布置28上設(shè)置適當(dāng)?shù)纳w，有助于微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的第二腔26的幾何形狀的限定。

有利地，在所描述的方案中，梳齒狀電極布置28并不確定在MEMS聲換能器的前室與后室之間用于聲壓力波的任何通風(fēng)通道的形成，因此不干擾同一MEMS聲換能器的頻率響應(yīng)。

特定地，可以通過(guò)提供穿過(guò)膜23的通孔/開口23'以適當(dāng)?shù)姆绞皆O(shè)計(jì)MEMS聲換能器的下限截止頻率(所謂的滾降(roll-off))，其尺寸和布置是通過(guò)制造過(guò)程(如下文詳細(xì)描述)以精確的方式控制的。

在這方面，圖5A和圖5B示出了具有梳齒狀電極的已知類型的感測(cè)結(jié)構(gòu)(例如，如圖2A和圖2B所示所獲得)和根據(jù)本方案的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的頻率響應(yīng)(作為頻率的函數(shù)的所謂“靈敏度”)。特定地，針對(duì)傳統(tǒng)解決方案，箭頭指示大約400Hz的滾降頻率，相對(duì)于在示例中針對(duì)所提出的方案為20Hz(即，小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上)的頻率。

現(xiàn)在描述用于制造微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的可能的過(guò)程。

首先參考圖6A，例如為氧化硅的第一犧牲層40沉積在半導(dǎo)體材料晶片(其隨后將被切割以限定襯底21，并且為此原因，在以下稱為晶片21)的前表面21a上；第一犧牲層40被限定(通過(guò)掩蔽和化學(xué)蝕刻)以用于形成錨定開口41，該錨定開口41被設(shè)計(jì)為被膜錨定元件25占據(jù)，如從下面將顯而易見的。

參考圖6B，膜層42沉積在第一犧牲層40上方以及在錨定開口 41內(nèi)；膜層42隨后被限定(通過(guò)相應(yīng)的掩蔽和化學(xué)蝕刻)以用于限定在第一犧牲層40上的膜23(具有期望的形狀，例如正方形或圓形)，以及錨定開口41內(nèi)的上述膜錨定元件25。

參考圖6C，在膜23和第一犧牲層40上沉積第二犧牲層44。該第二犧牲層44被限定(通過(guò)相應(yīng)的掩蔽和化學(xué)蝕刻)以形成在對(duì)應(yīng)于膜23的中心部分23a的位置中的耦接開口45a以及在膜23外部的側(cè)向開口45b，該耦接開口45a被設(shè)計(jì)成由可移動(dòng)電極29的耦接部分29a占據(jù)。

通過(guò)外延生長(zhǎng)或沉積在第二犧牲層44上形成例如由多晶硅制成的電極層46(圖6D)，并且在電極層46上設(shè)置掩模47，例如硬掩模類型的掩膜。

如圖6E所示，可以在掩模47上方設(shè)置光致抗蝕劑的另一掩模47'，其限定了相對(duì)于掩模47自身交錯(cuò)的開口。

使用該另一掩模47'(圖6F)，用于執(zhí)行電極層46的蝕刻，以便限定可移動(dòng)電極29(如圖6F所示)，并且以便限定固定電極30(以將在下文中變得明顯的方式)。特定地，可移動(dòng)電極29的耦接部分29a形成在耦接開口45a內(nèi)。

在該步驟中，形成第一限定開口48，其劃界并限定可移動(dòng)電極29和固定電極30。

如圖6G所示，一旦去除了另外的掩模47'，掩模47可以用于進(jìn)行電極層46的進(jìn)一步的部分蝕刻，以用于加寬頂部處的限定開口48(加寬部分由48'指示)，從而獲得期望的未對(duì)準(zhǔn)。

以對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的方式，可移動(dòng)電極29和固定電極30的限定可以通過(guò)進(jìn)一步的掩蔽和蝕刻步驟以本文未詳細(xì)示出的方式進(jìn)行。

在制造過(guò)程的該步驟中，可以進(jìn)一步設(shè)置路由結(jié)構(gòu)，以用于將可移動(dòng)電極29和固定電極30連接到相應(yīng)的接觸焊盤(如下文所示)。

通過(guò)從晶片21的背面，即從晶片21的背表面21b開始直到到達(dá)前表面21a的掩蔽和化學(xué)蝕刻，制造過(guò)程進(jìn)行(圖6H)，使得限 定第一腔22。

該背蝕刻可能通過(guò)兩個(gè)或更多蝕刻掩模進(jìn)行，以便增加第一腔22的體積。

參考圖6I，由通過(guò)限定開口48的化學(xué)蝕刻，去除第一犧牲層40和第二犧牲層44，以便釋放懸置在第一腔22上方的膜23，以及可移動(dòng)電極29和固定電極30，其相對(duì)于同一膜23垂直地懸置。

該過(guò)程終止于已知的鋸切半導(dǎo)體材料晶片的步驟以限定微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的襯底21。

利用已知的技術(shù)，可以進(jìn)一步形成用于微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的適當(dāng)封裝，其可以替代地是在背表面21b處的“底部端口”類型，即具有來(lái)自襯底21背面的聲學(xué)接入端口，或者在同一襯底21的前表面21a上方的“頂部端口”類型，即具有來(lái)自襯底21前面的聲學(xué)接入端口。

具有保護(hù)功能(例如，機(jī)械過(guò)濾器或止動(dòng)器)的另一半導(dǎo)體材料體可以進(jìn)一步耦接到襯底21，或者在鋸切之前耦接到晶片，利用所謂的晶片到晶片(wafer-to-wafer，W2W)接合技術(shù)。

現(xiàn)在描述本方案的另一實(shí)施例，其特別設(shè)想了垂直地布置在膜23上方的梳齒狀電極布置28的不同構(gòu)造。

特定地，如將詳細(xì)說(shuō)明的，該第二實(shí)施例設(shè)想在相對(duì)于中心部分23a(例如，圍繞相同的中心部分23a)外部的膜23的外部部分23b處布置可移動(dòng)電極29。

本申請(qǐng)人事實(shí)上已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，為了增加檢測(cè)靈敏度，利用可移動(dòng)電極29相對(duì)于固定電極30的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(其確定感測(cè)電容C的變化)是有利的，該相對(duì)運(yùn)動(dòng)不僅是在上述中心部分23a處為最大的膜23的垂直運(yùn)動(dòng)，而且是在外部分23b(相對(duì)于中心部分23a在外部)處由于膜23的變形而發(fā)生的傾斜(或沿著垂直方向z的旋轉(zhuǎn)，離開水平面xy)的運(yùn)動(dòng)。

詳細(xì)地，圖7A示出了在沒有膜23變形的情況下處于靜止構(gòu)造的梳齒狀電極布置28的可移動(dòng)電極29和面對(duì)的固定電極30(假設(shè) 可移動(dòng)電極29和固定電極30在垂直方向z上交錯(cuò))?？梢苿?dòng)電極29和固定電極30在主延伸的方向(在示例中沿著水平面的第一水平軸線x)上的長(zhǎng)度由l表示，而由g0表示的是在相同電極之間靜止的在同一水平面的第二水平方向y上的距離。

圖7B相反示出了隨著膜23的變形，可移動(dòng)電極29相對(duì)于固定電極30的布置，該變形特別地引起可移動(dòng)電極29在垂直方向z上的位移Δz和其沿著相同的垂直方向z相對(duì)于第一水平軸線x傾斜了傾斜角θ。

圖8A還示出了作為相對(duì)于膜23的中心O的距離(以徑向坐標(biāo)表示)的函數(shù)的在垂直方向z上的位移Δz的繪圖。

圖8B替代地示出了作為相對(duì)于膜23的中心O的距離(再次在徑向坐標(biāo)中表示)的函數(shù)的傾斜角θ的繪圖。

從圖8A和圖8B的檢查可以明顯看出，可移動(dòng)電極29的最大傾斜發(fā)生在布置在膜23的外部分23b中的距離膜23的中心一定距離的點(diǎn)P處。

可以示出，由ΔC表示的作為位移Δz和傾斜角θ的函數(shù)的感測(cè)電容C的線性化變化由以下表達(dá)式給出：

ΔC≈ε₀(Δz·l+l²0)/g₀

使用該表達(dá)式，可以識(shí)別使得能夠最大化變化ΔC的位置。

為了完整性，強(qiáng)調(diào)的是，在其中僅設(shè)想在垂直方向z上的平移運(yùn)動(dòng)的方案中，電容變化取而代之由以下給出

ΔC≈ε₀Δz·l/g₀

一般來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，將可移動(dòng)電極29定位在與其中發(fā)生最大旋轉(zhuǎn)(即，傾斜角度θ的最大值)的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)處，使得可以顯著改善微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的檢測(cè)靈敏度(與可移動(dòng)電極29位于膜23的中心部分23a的情況相比)。

參考圖9A和圖9B，現(xiàn)在描述微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的可能實(shí)施例，其具有根據(jù)先前已經(jīng)闡述的梳齒狀電極布置28的優(yōu)化配置。

特定地，在該實(shí)施例中，可移動(dòng)電極29相對(duì)于中心部分23a橫 向地布置在膜23的外部分23b處。在該示例中，穿過(guò)膜23制成的通孔23'設(shè)置在相同的中心部分23a處。

在可能的實(shí)施例中，如圖9A的俯視圖所示，可移動(dòng)電極29徑向布置，成對(duì)地在膜23的中心的相對(duì)側(cè)上以相同的徑向方向?qū)R(在本示例中，其具有在水平面xy中的圓形構(gòu)造，并且再次通過(guò)膜錨定元件25沿著其周界被夾緊到襯底21)。

每個(gè)可移動(dòng)電極29具有耦接到膜23的外部分23b的耦接部分29a和以懸臂方式在膜23上方朝向由耦接部分29a承載的同一膜23的中心延伸的主部分29b，在靜止?fàn)顟B(tài)下平行于膜23的頂表面。

在圖9A和圖9B所示的實(shí)施例中，固定電極30也徑向延伸，每個(gè)固定電極設(shè)置在一對(duì)可移動(dòng)電極29之間，面對(duì)它們并且在靜止?fàn)顟B(tài)下與其平行。

固定電極30由懸掛結(jié)構(gòu)50承載，懸掛結(jié)構(gòu)50包括：壁部分50a，其耦接到襯底21的前表面21a并相對(duì)于同一前表面21a垂直延伸；連接壁部分50a并在頂部封閉壁部分50a并布置在膜23上方的蓋部分50b；以及支撐柱50c，其在其中心部分(其又垂直于膜23的中心部分23a布置)耦接到蓋部分50b，并且在垂直方向z上朝向相同的膜23延伸。

特定地，固定電極30連接到前述支撐柱50c，它們從相應(yīng)的徑向方向離開，如圖9B所示，懸掛在膜23上方，在該示例中相對(duì)于面對(duì)的可移動(dòng)電極29垂直地交錯(cuò)。

圖10A和圖10B所示的微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的不同實(shí)施例設(shè)想了梳齒狀電極布置28的不同構(gòu)造。

特定地，與先前參考圖9A和圖9B描述的方案不同，在這種情況下，懸掛結(jié)構(gòu)50不包括支撐柱50c，并且固定電極30直接連接到同一懸掛結(jié)構(gòu)50的壁部分50a。

更詳細(xì)地，固定電極30再次沿徑向方向延伸，每個(gè)固定電極30從壁部分50a開始以懸臂方式懸掛在膜23上方，布置在一對(duì)可移動(dòng)電極29之間。在圖10A所示的方案中，與可移動(dòng)電極29相比，固 定電極30在垂直方向z上再次定位在與膜23不同的高度處。

在上述兩個(gè)實(shí)施例中，用于制造微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的過(guò)程相對(duì)于參照?qǐng)D6A-6I已經(jīng)詳細(xì)討論的基本上沒有變化，再次設(shè)想了電極層46的掩蔽和蝕刻的適當(dāng)步驟，以用于限定可移動(dòng)電極29和固定電極30，以及它們隨后的釋放，使得它們通過(guò)化學(xué)蝕刻下面的犧牲層40、44而懸浮在膜23上方。

圖11是使用MEMS聲換能器的電子設(shè)備52的示意圖，其在這里由54表示并且包括微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20也包括耦接到同一微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的適當(dāng)?shù)腁SIC 55，以用于處理轉(zhuǎn)換的電信號(hào)(特別是電容變化ΔC)。

例如，ASIC 55和微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20可以設(shè)置在半導(dǎo)體材料的相應(yīng)裸片中，并且容納在相同的封裝56中，該封裝56構(gòu)成其朝向外界的界面并且承載用于例如耦接到印刷電路板(PCB)的適當(dāng)?shù)碾娺B接元件。

電子設(shè)備52還包括：控制單元58，例如包括微處理器或微控制器；連接到控制單元58的存儲(chǔ)器59，以及例如包括鍵盤和顯示器的輸入/輸出接口60，其也連接到控制單元58。另外，可以存在揚(yáng)聲器62以用于在電子設(shè)備52的音頻輸出(未示出)上產(chǎn)生聲音。

特定地，電子設(shè)備52包括PCB 64，MEMS聲換能器54以及其他元件如控制單元58和存儲(chǔ)器59機(jī)械地及電氣地耦接到PCB 64。

電子設(shè)備52優(yōu)選地是諸如智能電話、PDA、筆記本或可穿戴電子設(shè)備、語(yǔ)音記錄器、具有語(yǔ)音記錄能力的音頻文件的播放器之類的移動(dòng)通信設(shè)備?？商娲?，電子設(shè)備52可以是能夠在水下工作的水聽器。

所提出的方案的優(yōu)點(diǎn)從前面的描述中清楚地顯現(xiàn)。

在任何情況下，再次強(qiáng)調(diào)的是，與具有平面和平行板的電容性方案不同，使用梳齒狀電極布置28能夠減少與膜23的變形相關(guān)聯(lián)的阻尼效應(yīng)。實(shí)際上，在該方案中，對(duì)阻尼的最大貢獻(xiàn)由在可移動(dòng)電極29與固定電極30之間滑動(dòng)的空氣膜表示，與具有平面和平行 板的傳統(tǒng)解決方案的擠壓膜效應(yīng)相比，其具有非常弱的效果；以這種方式，在聲壓波的檢測(cè)中的信噪比增加。

特定地，梳齒狀電極布置28相對(duì)于膜23的垂直耦接消除了在已知解決方案(參見前述討論)中由梳齒狀電極形成的通風(fēng)通道的問題以及相關(guān)的布朗噪聲。

在所述的方案中，事實(shí)上，通過(guò)膜23適當(dāng)?shù)匦纬梢粋€(gè)或多個(gè)通孔23'，其確保聲壓波的通過(guò)，而不會(huì)明顯影響微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的頻率響應(yīng)(它們的尺寸可以被適當(dāng)?shù)剡x擇以優(yōu)化頻率響應(yīng)，而沒有任何進(jìn)一步的設(shè)計(jì)約束)。

進(jìn)一步有利的是，為了使檢測(cè)靈敏度最大化，能夠利用不僅是可移動(dòng)電極29相對(duì)于固定電極30的垂直位移Δz，而且還有由于在膜23的外部分23b處的可移動(dòng)電極29的合適的布置造成的它們的傾斜度θ。

以這種方式，實(shí)際上獲得了感測(cè)電容C的更大的變化ΔC，并且因此獲得了微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的更大的靈敏度。這使得也能夠增加ASIC的信噪比，獲得針對(duì)聲換能器的總SNR比傳統(tǒng)解決方案的66-67dBA而言高幾個(gè)分貝，例如70dBA。

本方案特定地防止為了增加靈敏度而增加梳齒狀電極的數(shù)目或其長(zhǎng)度的需要，由于與膜23相關(guān)聯(lián)的質(zhì)量的增加，兩種方案將以機(jī)械強(qiáng)度和頻率響應(yīng)為代價(jià)(諧振模式實(shí)際上可能進(jìn)入頻帶)。

有利地，垂直平移和傾斜運(yùn)動(dòng)都在可移動(dòng)電極29與固定電極30之間引起滑動(dòng)效應(yīng)，而不引起任何不希望的擠壓膜效應(yīng)。

與在膜23的外部部分23b處的可移動(dòng)電極28的布置相關(guān)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)與相同的可移動(dòng)電極29施加在膜23上的較低的慣性效應(yīng)關(guān)聯(lián)并且與隨后的整個(gè)微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20的強(qiáng)度上的增加關(guān)聯(lián)。

最后，清楚的是，可以對(duì)在此描述和示出的內(nèi)容進(jìn)行修改和變化，而不脫離本公開的范圍。

例如，應(yīng)當(dāng)指出，梳齒狀電極布置28可以替代地布置在膜23上方(如在所示的實(shí)施例中)，或者以基本上等同的方式布置在同 一膜23下方。

此外，再次強(qiáng)調(diào)的是，膜23可以具有任何形狀，并且同樣可以提供任何數(shù)目的可移動(dòng)電極29和固定電極30。

膜23還可以通過(guò)彈性懸掛元件全部地或部分地懸掛，該彈性懸掛元件例如在其頂點(diǎn)處夾緊到襯底21(在這種情況下，膜23甚至可以不沿著其整個(gè)周界被完全夾緊)。

圖12A和圖12B示出了用于在梳齒狀電極布置28的可移動(dòng)電極29和固定電極30與相應(yīng)的接觸焊盤29'、30'的電連接的兩種可能的變型，其中膜23由非導(dǎo)電材料制成(為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，示出了單個(gè)可移動(dòng)電極29和單個(gè)固定電極30)；在兩種解決方案(其指的是與圖3A的感測(cè)結(jié)構(gòu)類似的感測(cè)結(jié)構(gòu))中，微機(jī)械感測(cè)結(jié)構(gòu)20包括路由結(jié)構(gòu)65，其被設(shè)計(jì)為將可移動(dòng)電極29和固定電極30連接到相應(yīng)的接觸焊盤29'、30'。

在第一實(shí)施例中，如圖12A所示，路由結(jié)構(gòu)65由專用層提供，例如由多晶硅制成；電連接路徑66設(shè)置在可移動(dòng)電極29和固定電極30與相應(yīng)的接觸焊盤29'、30'之間的該專用層中。

在第二實(shí)施例中，如圖12B所示，通過(guò)與獲得可移動(dòng)電極29和固定電極30的電極層相同的電極層獲得布線結(jié)構(gòu)65；電連接延長(zhǎng)部67設(shè)置在同一電極層中。有利地，將可移動(dòng)電極29連接到相應(yīng)接觸焊盤29'的電連接延長(zhǎng)部67可具有彈性特性(如前述圖12B中示意性所示)。

可以組合上述各種實(shí)施例以提供另外的實(shí)施例。根據(jù)上述詳細(xì)描述，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行這些和其他改變。一般來(lái)說(shuō)，在所附權(quán)利要求中，所使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)被解釋為將權(quán)利要求限制于說(shuō)明書和權(quán)利要求中公開的具體實(shí)施例，而是應(yīng)被解釋為包括所有可能的實(shí)施例以及權(quán)利要求所賦予等同物的全部范圍。因此，權(quán)利要求不受本公開限制。