[發明專利]MEMS器件

無效

• 申請號: 201310141385.9
• 申請日: 2007-03-20
• 公開（公告）號: CN103260123A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: R·I·拉明;M·貝格比
• 申請（專利權）人: 沃福森微電子股份有限公司
• 主分類號: H04R27/00
• 分類號: H04R27/00;H04R17/00;B81B7/00
• 代理公司: 北京北翔知識產權代理有限公司 11285
• 代理人: 楊勇;鄭建暉

本申請是2007年3月20日提交的名稱為“MEMS器件”的發明專利申請200780005195.7的分案申請

本發明涉及MEMS器件。

消費型電子器件逐漸變得越來越小，并且隨著技術的發展，也正獲得日益增強的性能和功用。這在消費型電子產品如移動電話、筆記本電腦、MP3播放器和個人數字助理（PDA）所使用的技術中非常明顯。例如，移動電話工業的需求正驅使元件在伴隨著功能提高和成本下降的同時而變得越來越小。因此，所希望的是，將電子電路的功能集成在一起，并將它們與諸如擴音器和揚聲器之類的換能器相組合。

這一趨勢的結果便是，出現了基于微機電系統（MEMS）的換能器器件。這些例如可以是，用于檢測和/或產生壓力/聲波的電容式換能器或者用來檢測加速度的換能器。通過去除換能器-電子接口，就使需要操作和處理來自MEMS信息的電子電路集成起來，從而持續驅動這些器件的尺寸和成本減小。實現這些目標所面臨的挑戰之一便是，確保集成器件在大幅變動的運行條件下均能保持穩定。尤為重要的是，器件應該對在較大溫度范圍內的條件變化相對不敏感，因為這會極大地影響器件的靈敏度/性能。另外，在制造MEMS器件期間，難于實現與用于制造互補型金屬氧化物半導體（CMOS）電子器件的標準工藝的兼容性。要求具有這種兼容性，以允許MEMS器件與使用同種材料和處理機器的傳統電子元件直接集成。本發明致力于解決這兩個方面。

小型微加工硅擴音器在本技術領域是眾所周知的。它們的工作原理是基于響應于聲壓而彎曲的小柔性膜片或薄膜。薄膜通常是導電的或者包含電極。通常采用與薄膜形成可變電容器的靠近耦合的剛性打孔背板導體，來檢測薄膜的小彎曲。薄膜和背板導體之間的電容得到測量，這就形成換能器的輸出。換能器的靈敏度取決于薄膜的剛度，剛度較小的薄膜將響應于聲壓而更為彎曲，因此導致電容出現更大變化。因此，換能器的針對溫度變化的靈敏度，取決于作為溫度函數的薄膜剛度變化。

典型的換能器電容在1-10pF范圍內。然而，由于音頻聲信號而產生的電容變化比幅度低大約五個量級。為測量電容，偏置電壓（例如10V）被施加到擴音器的一個電極。另一電極連接到高輸入阻抗（-10GΩ）前置放大器。由于通過Q=CV所給出的電荷Q、電容C以及電壓V之間的關系，偏置電壓形成在電容器上的電荷。與音頻頻率相關的典型時標一般遠短于電容器的電荷消散時間，因此電荷Q可被認為恒定。這意味著，電極之間響應于聲波的任何距離變化，被反映為電極兩端的電勢的變化，這可由前置放大器測量。

因為響應于音頻聲信號的電容的小變化，制作高靈敏度的器件是很重要的。因此，除此之外，還應避免電路元件和換能器之間的寄生電容。另外，所希望的是，將換能器與電子元件直接集成，來實現緊湊和低成本的器件。也希望的是，使整個集成器件具有數字處理的能力。為了達到此目的，有必要使用與制造電子元件（尤其是CMOS器件）中使用的工藝和材料兼容的工藝和材料，來制造換能器。例如，這意味著應避免使用會污染和破壞結的性能的金，而使用普通材料和工藝并避免使器件承受400℃以上的工藝溫度。

薄膜懸置和布置的多種變型是公知的。所選擇的設計極大地影響制造出的換能器的最終形成的靈敏度。

在之前公知的由Kabir等人提出的MEMS擴音器的實現方案（參考文獻1）中，薄膜是由在邊緣松散拱起的厚硅制成。在此，薄膜以活塞式運動進行移動，靈敏度取決于薄膜的慣性質量以及拱起邊緣的剛度。然而，在該實現方案中，薄膜相當厚，因而導致低靈敏度。另外，金背板不能與商業鑄造中的CMOS制造工藝直接集成。

在另一種之前公知的實現方案中，Scheeper等人(參考文獻2)中公開了一種MEMS擴音器，其中薄膜如鼓皮般被張力保持。因此，靈敏度取決于薄膜張力和厚度。氮化硅薄膜得到使用，但是如果給定其尺寸，則因為薄膜應力、背板中空氣孔的密度以及薄背板，就使擴音器的靈敏度很低。

Pedersen等人(參考文獻3)展示了一種與CMOS電子器件集成的擴音器。在此，聚酰亞胺被用于薄膜和背板材料。這就允許薄膜內應力減小。另外，背板的厚度被增加以增加其剛度。然而，聚酰亞胺展現出較大的熱膨脹系數，因此并非是針對器件制造的優選的可靠材料。

另一種在MEMS擴音器中使用氮化硅薄膜的實現方案，由Cunningham等人(參考文獻4)所公開。在此，薄膜的外部分起皺，以釋放內部壓力并形成松散耦合的膜片。以這種方式制造的薄膜較為昂貴，因為它需要另外的處理步驟。