用于微機電的測量變換器的膜片裝置和用于制造膜片裝置的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微機電的膜片裝置，所述微機電的膜片裝置具有：基片，所述基片在表面上具有多個空隙；能夠?qū)щ姷牡谝浑姌O層，所述第一電極層布置在所述基片的表面上并且所示第一電極層具有多個與所述空隙相一致的第一凹部；以及能夠沿著與所述基片的有效的表面垂直的方向偏移的并且能夠?qū)щ姷哪て瑢?，所述膜片層布置在所述第一電極層的上方并且以第一間距值與所述第一電極層隔開。
【專利說明】用于微機電的測量變換器的膜片裝置和用于制造膜片裝置的方法

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于微機電的測量變換器的膜片裝置和一種用于制造微機電的測量變換器用的、尤其是微機電的壓力傳感器、麥克風和揚聲器用的膜片裝置的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]微型化的壓力傳感器和聲學的信號變換器、比如麥克風或者揚聲器用于不同的應用方案，比如用于便攜式電信設備中的聲學的構(gòu)件。所述傳感器和執(zhí)行器在此可以由微機電的結(jié)構(gòu)(MEMS “micro-electromechanical systems (微機電系統(tǒng))”)來制造。
[0003]這樣的傳感器和信號變換器可以基于電容的作用原理，也就是說，向兩個以預先確定的幾何形狀相對于彼此布置的膜片元件加載電壓。通過所述電壓的變化來誘發(fā)所述膜片的、相對于彼此的運動。作為替代方案，從外部誘發(fā)的膜片運動可以引起所述電容的以及由此所加載的電壓的、能夠檢測的變化。
[0004]文獻DE 102 47 847 Al比如公開了一種用于制造用于MEMS結(jié)構(gòu)元件的膜片的方法，所述MEMS結(jié)構(gòu)元件具有處于基片上的反電極。文獻DE 10 2006 055 147 B4公開了一種用于制造聲變換器結(jié)構(gòu)的方法，該聲變換器結(jié)構(gòu)在處于基片上的反電極上方具有能振動的膜片。文獻EP 2 071 871 Al公開了一種用于MEMS構(gòu)件的膜片，所述MEMS構(gòu)件具有用于降低在所述膜片中的機械應力的、起皺的邊緣區(qū)域。
[0005]在此存在著對尤其是用于微機電的聲學的信號變換器的膜片裝置的需求，用所述膜片裝置可以改進信號接收的敏感性并且可以相應地降低結(jié)構(gòu)空間需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明按照一個方面提供一種微機電的膜片裝置，所述微機電的膜片裝置具有:基片，所述基片在表面上具有多個空隙；能夠?qū)щ姷牡谝浑姌O層，所述第一電極層布置在所述基片的表面上并且所述第一電極層具有多個與所述空隙相一致的第一凹部；以及能夠沿著與所述基片的有效的表面垂直的方向偏移的并且能夠?qū)щ姷哪て瑢?，所述膜片層布置在所述第一電極層的上方并且以第一間距值與所述第一電極層隔開。
[0007]本發(fā)明按照另一個方面提供一種微機電的結(jié)構(gòu)元件，所述微機電的結(jié)構(gòu)元件具有按本發(fā)明的微機電的膜片裝置。在一種優(yōu)選的實施方式中，所述微機電的結(jié)構(gòu)兀件可以包括壓力傳感器、麥克風或者揚聲器。
[0008]按照另一個方面，本發(fā)明提供一種用于制造微機電的膜片裝置、尤其是用于微機電的結(jié)構(gòu)元件的膜片裝置的方法，所述方法具有以下方法步驟:將空隙掏制到半導體基片的表面中；在所述基片的表面上構(gòu)造能夠?qū)щ姷牡谝浑姌O層，所述第一電極層具有多個與所述空隙相一致的第一凹部；在所述能夠?qū)щ姷牡谝浑姌O層上構(gòu)造氧化層；使能夠?qū)щ姷哪て瑢映练e在所述氧化層上；在所述基片以及所述能夠?qū)щ姷牡谝浑姌O層中構(gòu)造第一通孔；并且通過所述第一通孔對所述氧化層進行蝕刻，以釋放所述能夠?qū)щ姷哪て瑢?，從而使得所述膜片層能夠相對于所述第一電極層偏移并且以第一間距值與所述第一電極層隔開。
[0009]本發(fā)明的構(gòu)思是，設計建立在電容的作用原理的基礎上的、具有凹部或者預先確定的波紋的、微機電的膜片裝置的至少一個膜片，從而產(chǎn)生所述膜片裝置的、電容的、垂直的區(qū)域，所述膜片裝置的膜片區(qū)段在所述膜片進行垂直的運動時被相對于彼此側(cè)向地移動。由此垂直的膜片運動引起所述垂直的區(qū)域的、線性地隨著所述膜片偏移進行的電容變化。
[0010]這種膜片裝置的顯著的優(yōu)點在于，即使在出現(xiàn)較小的垂直的膜片偏移時也引起較大的電容變化，或者在由于所述膜片之間的較小的電壓變化而出現(xiàn)細微的電容變化時產(chǎn)生較高的膜片偏移?？傊?，對于這樣的膜片裝置來說，在出現(xiàn)較小的測量值變化時產(chǎn)生大得多的信號擺幅，也就是說產(chǎn)生所述膜片裝置的更大的敏感性。
[0011]這樣的、具有較高的敏感性的膜片裝置可以以相應較低的尺寸來構(gòu)造，因為提高了有效地起作用的、電容的表面。由此以有利的方式產(chǎn)生更小的結(jié)構(gòu)空間需求和更為成本低廉的結(jié)構(gòu)。
[0012]在將這樣的膜片裝置用在執(zhí)行器中時，可以以更小的電壓獲得更高的、用于所述膜片的加速度值。對于傳感器來說，出于同樣的原因可以獲得更大的信號擺幅。
[0013]所述按本發(fā)明的膜片裝置的另一積極的效果是得到改進的機械穩(wěn)定性和剛性，通過對于所述凹部及波紋的幾何形狀的選擇可以調(diào)節(jié)所述機械穩(wěn)定性及剛性。
[0014]按照根據(jù)本發(fā)明的膜片裝置的一種實施方式，所述膜片層可以具有多個構(gòu)造在所述第一凹部上方的第二凹部。由此可以建立所述電極層的、隨著膜片層的垂直的運動而線性地變化的、與所述膜片層的搭接區(qū)域。
[0015]按照根據(jù)本發(fā)明的膜片裝置的另一種實施方式，所述第二凹部可以被設計用于:在所述膜片層垂直于所述基片的表面偏移時無接觸地嵌入到所述第一凹部中。由此也可以有利地從零位提供具有很高的加速度的、側(cè)向的傳感器電容或者執(zhí)行器電容。
[0016]按照根據(jù)本發(fā)明的膜片裝置的另一種實施方式，所述第二凹部可以具有外壁，所述外壁則具有比所述第一間距值大的、垂直的延伸度。作為替代方案，所述第二凹部可以具有外壁，所述外壁具有剛好與所述第一間距值一樣大的、垂直的延伸度。通過這種方式，要么可以設計一種特別緊湊的并且平坦的膜片幾何形狀，要么可以設計一種在所述能夠偏移的膜片層的零位中無寄生的電容的膜片幾何形狀。
[0017]按照根據(jù)本發(fā)明的膜片裝置的另一種實施方式，所述第一凹部的外壁可以相對于所述第二凹部的外壁在平行于所述基片的表面的情況下具有第二間距值。通過對于所述第二間距值的設定，可以以有利的方式來設定所述膜片裝置的敏感性。
[0018]按照根據(jù)本發(fā)明的膜片裝置的另一種實施方式，所述膜片裝置此外可以包括能夠?qū)щ姷牡诙姌O層，所述第二電極層布置在所述膜片層的上方并且以所述第一間距值與所述膜片層隔開，并且所述第二電極層具有多個構(gòu)造在所述第一凹部上方的第三凹部。通過這種雙膜片結(jié)構(gòu)可以獲得所述膜片層的更大的加速度。
[0019]按照根據(jù)本發(fā)明的膜片裝置的另一種實施方式，所述第二凹部的外壁可以相對于所述第三凹部的外壁在平行于所述基片的表面的情況下具有所述第二間距值。由此提供一種對稱的雙膜片結(jié)構(gòu)，該雙膜片結(jié)構(gòu)獲得所述膜片層的、較高的信號擺幅或者較大的加速度值。
[0020]按照根據(jù)本發(fā)明的膜片裝置的另一種實施方式，所述第一電極層和所述基片可以具有多個構(gòu)造在所述第一凹部中的第一壓力補償孔。這些壓力補償孔用于泄出在所述膜片層運動時在處于電極層與膜片層之間的間隙中存在的空氣，使得流過所述壓力補償孔的流動阻力有利地小于沿著所述間隙的流動阻力。
[0021]按照另一種實施方式，所述第一電極層直接由所述基片構(gòu)造。
[0022]按照根據(jù)本發(fā)明的膜片裝置的另一種實施方式，所述膜片層可以具有多個在所述膜片層中構(gòu)造在所述第二凹部之間的第二壓力補償孔。這些壓力補償孔用于泄出在所述膜片層運動時在處于電極層與膜片層之間的間隙中存在的空氣，使得流過所述壓力補償孔的流動阻力有利地小于沿著所述間隙的流動阻力。
[0023]按照根據(jù)本發(fā)明的膜片裝置的另一種實施方式，所述第二電極層可以具有多個構(gòu)造在所述第三凹部中和/或構(gòu)造在所述第三凹部之間的第三壓力補償孔。這些壓力補償孔用于泄出在所述膜片層運動時在處于第二電極層與膜片層之間的間隙中存在的空氣，使得流過所述壓力補償孔的流動阻力有利地小于沿著所述間隙的流動阻力。
[0024]按照根據(jù)本發(fā)明的方法的一種實施方式，此外可以在能夠?qū)щ姷哪て瑢又袠?gòu)造至少一個第二通孔。該通孔而后可以用作壓力補償孔。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]本發(fā)明的實施方式的其他特征和優(yōu)點從以下說明中參照附圖來獲得。
[0026]所描述的設計方案和改進方案，只要有意義，就可以任意地彼此組合。本發(fā)明的其他可能的設計方案、改進方案和實施方式也包括本發(fā)明的前面和下面關于實施例所描述的特征的、未明確地提到的組合。
[0027]附圖應該促成對于本發(fā)明的實施方式的進一步的理解。它們示出了實施方式，并且結(jié)合說明書用于解釋本發(fā)明的原理和方案。考慮到附圖而獲得其他的實施方式和所提到的優(yōu)點中的許多優(yōu)點。不必相對于彼此按比例地示出附圖的元件。方向說明、比如“左邊”、“右邊”、“上方”、“下方”、“上面”、“下面”、“旁邊”或類似說明在接下來的說明中僅僅用于解釋的目的，并且不代表著限制或者普遍性。
[0028]附圖示出:
圖1是按照本發(fā)明的一種實施方式的、微機電的膜片裝置的橫截面示意圖；
圖2是按照本發(fā)明的另一種實施方式的、微機電的膜片裝置的橫截面示意圖；
圖3是按照本發(fā)明的另一種實施方式的、微機電的膜片裝置的橫截面示意圖；
圖4是按照本發(fā)明的另一種實施方式的、微機電的膜片裝置的橫截面示意圖；
圖5是按照本發(fā)明的另一種實施方式的、微機電的膜片裝置的橫截面示意圖；
圖6是按照本發(fā)明的另一種實施方式的、微機電的膜片裝置的、俯視示意圖；
圖7是按照本發(fā)明的另一種實施方式的、微機電的膜片裝置的、俯視示意圖；
圖8是按照本發(fā)明的另一種實施方式的、微機電的膜片裝置的、俯視示意圖；
圖9到13是用于制造按照本發(fā)明的另一種實施方式的、微機電的膜片裝置的方法的工藝步驟的示意圖；并且圖14到18是用于制造按照本發(fā)明的另一種實施方式的、微機電的膜片裝置的方法的工藝步驟的示意圖。

【具體實施方式】
[0029]所示出的微機電的膜片裝置(MEMS膜片裝置)可以相應地用于微機電的結(jié)構(gòu)元件(MEMS結(jié)構(gòu)元件)、比如信號變換器或者測量變換器、MEMS傳感器、MEMS執(zhí)行器或者基于膜片的慣性傳感器。這樣的MEMS結(jié)構(gòu)元件比如可以包括壓力傳感器、麥克風、揚聲器或者其他聲學的能量轉(zhuǎn)換器。
[0030]本發(fā)明的意義上的“凹部”是組件的、所有垂直于或者基本上垂直于一個基本上平坦的組件的表面構(gòu)造的形狀偏差。尤其本發(fā)明的意義上的“凹部”是所述基本上平坦的組件的槽、折皺、卷邊、凹槽、溝槽、凹槽或者類似的角狀的或者波形的隆起。所述凹部在此可以沿著所述基本上平坦的組件的表面以有規(guī)律的或者不規(guī)律的間距彼此隔開的方式來布置。所述凹部可以具有多個垂直于所述基本上平坦的組件的側(cè)向的伸長伸展的凹部區(qū)段。
[0031]兩個基本上平坦的、平面平行地上下并且沿著其側(cè)向的伸長彼此隔開地布置的組件在此可以具有凹部，所述凹部基本上如此彼此重合，使得各個凹部在所述基本上平坦的組件朝彼此運動時嵌入到彼此當中，而所述兩個組件沒有相互接觸。換句話說，所述一個組件的凹部可以具有與所述另一個組件相類似的空間的造型，其中所述一個組件的凹部具有比所述另一個組件的凹部小的空間的尺寸。通過這種方式可以獲得所述組件的、嵌入到彼此當中的嚙合狀態(tài)，從而可以進行所述兩個基本上平面平行的組件的、垂直于其側(cè)向的伸長的相對運動，而所述組件沒有相互接觸。
[0032]可以以類似的方式彼此平面平行地布置所述三個基本上平坦的組件，從而可以在相對于所述外部的組件進行向上和向下運動時使處于中間的組件與所述布置在外面的組件中的相應一個組件無接觸地嵌入到彼此當中。
[0033]圖1以橫截面視圖示出了微機電的膜片裝置100的示意圖。所述膜片裝置100包括具有空隙的基片4和被施加到所述基片4的表面上的、能夠?qū)щ姷牡谝浑姌O層I。所述第一電極層I比如可以是單晶的硅層。作為替代方案，所述電極層I也可以配設金屬化層。在一種實施變型方案中，所述第一電極層I可以是處于絕緣硅晶片(Silizium_auf_Isolator—Wafer, “silicon on insulator，，, SOI 晶片)4 上的第——功倉泛層。所述第一電極層I可以具有第一凹部la，所述第一凹部基本上與所述處于基片4中的空隙相一致地構(gòu)造。在圖1所示的實施例中，所述空隙構(gòu)造為具有基本上垂直于基片4的表面的外壁的、長方形的槽，所述槽在預先確定的、比如恒定的深度范圍內(nèi)延伸到所述基片4的里面。
[0034]在所述第一電極層I的上方，可以布置有能夠沿著與所述基片4的表面垂直的方向偏移的并且能夠?qū)щ姷哪て瑢?。在一種實施變型方案中，所述膜片層2比如可以由多晶娃(Polysilizium)構(gòu)造。所述膜片層2可以在處于在圖1中示出的剖切區(qū)域的外部的懸掛點上通過一根或者多根懸掛接片懸掛在所述基片上，從而使得所述膜片層2被擺動地支承在所述第一電極層I的上面。所述膜片層2以(垂直的)第一間距值Xe與所述第一電極層I隔開。所述間距值xe比如可以處于0.1 μ與10μ之間。
[0035]所述膜片層2在此具有第二凹部2a，所述第二凹部基本上如此布置在所述第一凹部Ia的上方，從而使得所述第二凹部2a的外部的尺寸稍微小于所述第一凹部Ia的相應的尺寸。由此所述第二凹部2a可以無接觸地嵌入到所述第一凹部Ia中。所述第二凹部2a的外壁2b以間距值ye與所述第一凹部Ia的外壁Ib隔開。
[0036]通過比如在激勵所述膜片層2時該膜片層2的垂直的運動，該膜片層2可以如在圖1中通過虛線所勾畫出來的那樣基本上垂直于所述基片4的表面上下運動。比如向上的最大的偏移可能引起所述膜片層2的位置2U，而向下的最大偏移則可能引起所述膜片層2的位置2D。
[0037]此外，所述膜片裝置100具有能夠?qū)щ姷牡诙姌O層3，該第二電極層布置在所述膜片層2的上方并且以所述第一間距值xG與所述膜片層2隔開。所述能夠?qū)щ姷牡诙姌O層3比如可以由多晶硅或者金屬化層來制成。所述第二電極層3可以具有多個構(gòu)造在所述第一凹部Ia的上方的第三凹部3a。對于所述第三凹部3a來說，在相對于所述第二凹部2a的比例中，基本上同樣的情況適用于所述第二凹部2a的、相對于所述第一凹部Ia的比例。換句話說，如此構(gòu)造所述膜片裝置100，從而使得所述凹部la、2a、3a的幾何結(jié)構(gòu)如此彼此重合，從而能夠如此實現(xiàn)所述膜片層2的、在處于電極層I與3之間的間隙中的運動，以便所述第二凹部2a無接觸地與所述第一及第三凹部Ia或者3a相嚙合。
[0038]所述第一電極層I以及所述基片4可以具有構(gòu)造在所述第一凹部Ia的底部上的第一通孔或者壓力補償孔5a。通過所述第一壓力補償孔5a能夠更換空氣或者其他將所述第一電極層I與所述膜片層2之間的第一間隙6a填滿的介質(zhì)。優(yōu)選如此設計所述第一壓力補償孔5a的大小，使得所述空氣或者其他介質(zhì)的、流過所述第一平衡孔5a的流動阻力小于沿著所述第一間隙6a的流動阻力。由此空氣或者其他介質(zhì)優(yōu)選通過所述第一壓力補償孔5a泄出。
[0039]所述第二電極層3可以具有構(gòu)造在所述第三凹部3a之間的第二通孔或者壓力補償孔5b。通過所述第二壓力補償孔5b，能夠更換空氣或者其他將所述第二電極層3與所述膜片層2之間的第二間隙6b填滿的介質(zhì)。優(yōu)選如此設計所述第二壓力補償孔5b的大小，使得所述空氣或者其他介質(zhì)的、流過所述第二平衡孔5b的流動阻力小于沿著所述第二間隙6b的流動阻力。由此空氣或者其他介質(zhì)優(yōu)選通過所述第二壓力補償孔5b泄出。
[0040]所述第一和第二壓力補償孔5a或者5b的數(shù)目在此原則上不受限制。尤其可以規(guī)定，不是在每個第一凹部Ia中或者不是在每對第三凹部3a之間構(gòu)造壓力補償孔5a或者5b ο
[0041]所述第二凹部2a的外壁2b可以離開所述第三凹部3a的外壁在平行于所述基片4的表面的情況下具有和所述第二凹部2a的外壁2b離開所述第一凹部Ia的外壁Ib相同的第二間距值ye。
[0042]圖2以橫截面視圖示出了另一微機電的膜片裝置200的示意圖。所述微機電的膜片裝置200與所述微機電的膜片裝置100的區(qū)別主要僅僅在于:剛好將膜片層2與第一及第二電極層I或者3之間的垂直的間距選擇得與所述凹部2a和Ia或者3a的垂直的延伸度Xk—樣大。此外，在所述微機電的膜片裝置200中，也可以在第三凹部3a的底部上構(gòu)造通孔或者壓力補償孔5c。用所述膜片裝置200可以有利地相對于所述膜片裝置100以結(jié)構(gòu)空間需求為代價來降低寄生的電容份額。
[0043]圖3以橫截面視圖示出了另一微機電的膜片裝置300的示意圖。所述微機電的膜片裝置300與所述微機電的膜片裝置200的區(qū)別主要僅僅在于:取代具有凹部2的膜片層2而在所述第一與第二電極層I和3之間使用平面平行于所述基片4的表面構(gòu)造的膜片層7，該膜片層能夠在向上的最大的偏移7U與向下的最大的偏移7U之間相對于所述電極層I和3來運動。
[0044]圖4以橫截面視圖示出了另一微機電的膜片裝置400的示意圖。所述微機電的膜片裝置400與所述微機電的膜片裝置100的區(qū)別主要僅僅在于:沒有設置第二電極層3。換而言之，所述膜片層2在該膜片層2的凹部2a之間具有通孔或者壓力補償孔5d。
[0045]圖5以橫截面視圖示出了另一微機電的膜片裝置500的示意圖。所述微機電的膜片裝置500與所述微機電的膜片裝置400的區(qū)別主要僅僅在于:剛好將膜片層2與第一電極層I之間的垂直的間距選擇得與所述凹部2a和Ia的垂直的延伸度Xk —樣大。通過這種方式，可以如上面所提到的那樣以結(jié)構(gòu)空間需求為代價來降低寄生的電容份額。
[0046]圖6、7和8以俯視圖示出了微機電的膜片裝置的示意圖。在圖6、7和8中示出的膜片裝置可以相當于圖1到5的膜片裝置100、200、300、400、500。在圖6中，所述膜片層2為圓形，并且所述凹部2a構(gòu)造為圓形的并且同心地布置的凹槽或者卷邊。所述膜片層2可以通過懸掛接片8a、8b、8c懸掛在所述基片上。圖6中的懸掛接片的數(shù)目示例性地為三個，但是其中同樣可以考慮每種其他數(shù)目的懸掛接片。
[0047]在圖7中所述具有縱向凹槽或者縱向卷邊的膜片層2構(gòu)造為凹部2a。對于所述膜片層2的懸掛在此通過懸掛接片8d來進行。在圖8中，所述具有多邊形的凹槽的膜片層2構(gòu)造為凹部2a，從而比如產(chǎn)生所述膜片層2的蛋盒狀的表面結(jié)構(gòu)。當然也可以為在圖8中的凹槽選擇其他多邊形的或者經(jīng)過倒圓的結(jié)構(gòu)。圖7和8中的懸掛接片8d的數(shù)目示例性地為一個，但是其中同樣可以考慮每種其他數(shù)目的懸掛接片8d。
[0048]用當前的、如在圖1到8中所示出的那樣的膜片裝置100、200、300、400、500，在激勵比如處于揚聲器中的、線性的平面外驅(qū)動裝置中的或者超聲波發(fā)生器中的膜片時，可以從靜止的位置實現(xiàn)所述膜片的較高的加速度。這一點有利地引起較高的聲壓，并且由此引起使用所述膜片裝置的MEMS執(zhí)行器的、有效的運行。
[0049]原則上適用這一點:所述聲壓P與所述膜片的加速度a成比例。所述膜片的加速度a從其運動方程式中獲得。如果為了獲得加速度而在平坦的膜片層與平面平行于該膜片層布置的電極層之間使用靜電的力，并且另外假設，所述膜片層能夠大概自由地運動，那么對于所述加速度a來說產(chǎn)生:
ci2.xA^fJ2


JTf____________ MM.V.f
^ 丨......,-?H 等
di'' 1-m-(X -.ν(； Γ
其中^是真空中的介電常數(shù)，^是在膜片與電極層之間的介質(zhì)的介電常數(shù)，X是所述膜片的當前的偏移，Xe是膜片與電極層之間的間距，t是時間，U是在膜片與電極層之間加載的電壓，m是所述膜片的質(zhì)量，并且A是膜片與電極層的平面平行的面積。
[0050]在使用有彈性被懸掛的膜片的情況下，還必須額外地克服隨著所述偏移而變得越來越大的彈力kx進行加速，其中k作為彈簧常數(shù)，從而以kx的量為幅度來降低所述加速度
a。因此，如果延遲的力、比如彈力kx或者所述膜片的衰減變得特別地大，那么所述加速度a就總是特別地聞。
[0051]如果所述電極層或者所述膜片層具有額外的凹部，也就是說具有一些區(qū)段，在這些區(qū)段中在所述膜片相對于所述電極層垂直地運動時使所述膜片層側(cè)向地移動，那么對于作用于一垂直地相對于固定的電極層區(qū)段運動的膜片層區(qū)段上的靜電的力F來說產(chǎn)生:
1禮' ^ ￡>r￡r-K s
2dx2* F1..2





mr L_#
其中Cy是在垂直的膜片層區(qū)段與垂直的電極層區(qū)段之間的電容的數(shù)值，ye是在垂直的膜片層區(qū)段與垂直的電極層區(qū)段之間的間距，并且Ly是所有垂直的膜片層區(qū)段的長度。所述垂直的膜片層區(qū)段在此可以是在圖1、2、4和5中的區(qū)段2b。所述垂直的電極層區(qū)段在此可以是在圖1到5中的區(qū)段lb。
[0052]利用這種額外的延遲的力，產(chǎn)生用于具有嵌套的凹部的膜片裝置的、比如用于在圖1到5中所示出的膜片裝置100、200、300、400、500的總運動方程式:
‘化—(A.'.Cf ▲.............................________ 一................................................................................................................................................................................................................................1 --T ______________....................?
Λ — 2-p-1J(A + χΛ.Lr) \Jx- X1,): J
其中P是膜片層材料的密度，d是膜片層的厚度，并且Xk是所述凹部的深度或者垂直的延伸度。由此可以通過所述垂直的凹部區(qū)段或者其幾何的尺寸來提供能夠調(diào)節(jié)的加速度項，該加速度項也允許從所述膜片的靜止位置中獲得較高的加速度。
[0053]利用如在圖1到8中所示出的那樣的膜片裝置100、200、300、400、500，作為對策，對于檢測用的膜片來說，比如對于麥克風來說，或者對于聲學的壓力傳感器來說，通過所述膜片的、從靜止位置中進行的加速度，可以有利地獲得較高的信號擺幅。由此可以有效地并且以較高的測量敏感性來運行使用所述膜片裝置的MEMS傳感器。
[0054]平坦的膜片與平面平行于該膜片來布置的電極層之間的測量電容Cx為:
/..._ gW ' ￡!.V — X, O
(-、*-)
[0055]膜片與電極層之間的垂直的間距X的變化引起的電容變化:
Λ-ε- A --(dx.......................................-■ = —■-....................................-.....................................................................................--■ =............................................................................................................j
dx (X-Xii)2 C1 ?χ-χ{；)
也就是說，所述電容變化對于較小的偏移來說比較小。對于如結(jié)合圖1到5的膜片裝置100、200、300、400、500所解釋的那樣的、具有凹部的膜片層或者電極層來說，產(chǎn)生測量電容CG:
,￡.β.￡,./! ^ * € -(xk + x) * 4.? =-+-—。
"U.-O3?
[0056]因此，這樣的測量電容Ce的電容變化為:
(4 L λ


y +.ι?χ
決 I ?^ *^r * 疫 ?;J<； J....................-—=......................................................-圖.十...............................................................~~7>....................-—=...............................................................................................................................................................— 。
?.(x-xaf.F“('a ? /I +(-yt +Λ.)*/η.1(Λ?) ib ^
[0057]相對于平面平行的膜片和電極層，由此即使對于較小的偏移量或者較大的垂直的間距值來說也產(chǎn)生得到改進的信號擺幅。尤其可以通過所述凹部的幾何形狀來調(diào)節(jié)所述信號擺幅。
[0058]為了避免寄生的電容，像比如為所述膜片裝置200或者500在圖2和5中所示出的那樣，可以將膜片層2與電極層I或者3之間的垂直的間距Xe選擇得剛好與所述凹部2a和Ia或者3a的垂直的延伸度Xk —樣大。由此在所述膜片層2的靜止位置中所述垂直的電容份額基本上是零。不過同時較小的偏移導致所述凹部2a和Ia或者3a之間的搭接狀態(tài)或者嚙合狀態(tài)的產(chǎn)生，這一點引起不會消失的垂直的電容份額。
[0059]圖9到13示出了一種用于制造膜片裝置的方法的工藝過程階段。所述方法比如可以用于制造如在圖1到8中所示出的那樣的膜片裝置100、200、300、400、500。
[0060]首先在基片4、比如SOI晶片中制造空隙4a?？梢猿@些空隙4a中并且在所述基片4的表面上面加入能夠?qū)щ姷牡谝浑姌O層1，其中所述電極層I具有多個與所述空隙4a相一致的第一凹部la。此外，在所述空隙4a中比如可以通過在所述空隙4a中形成深溝(Trenchgraben)的方式來構(gòu)造犧牲性接片(Opfersteg) 4b。所述犧牲性接片4b可以為此用作用于構(gòu)造氧化層4c的氧化點。圖11中的氧化層完全填滿所述空隙4a，并且覆蓋著所述基片4的表面。如有必要可以進行化學-機械的加工步驟(CMP)，用于使所述氧化層4c平面化并且變薄。而后比如可以通過光刻步驟選擇性地在所述空隙4a中對所述氧化層4c進行蝕刻。
[0061]而后使能夠?qū)щ姷哪て瑢?沉積在所述氧化層4c上。所述能夠?qū)щ姷哪て瑢?比如可以通過多晶硅的淀積來構(gòu)造。在此，所述膜片層2可以具有與所述空隙4a相一致的凹部2a。在所述基片4和所述能夠?qū)щ姷牡谝浑姌O層I中可以構(gòu)造第一通孔5a，可以通過所述通孔5a來對所述氧化層4c進行蝕刻。由此釋放所述能夠?qū)щ姷哪て瑢?，從而使得所述膜片層2能夠相對于所述第一電極層I偏移并且以第一間距值Xe與所述第一電極層I隔開。也可選可以在所述膜片層2中構(gòu)造通孔5d。
[0062]圖14到18示出了另一種用于制造膜片裝置的方法的工藝過程階段。所述方法比如可以用于制造如在圖1到8中所示出的那樣的膜片裝置100、200、300、400、500。
[0063]與在圖9中所示出的情況相類似，首先在基片4中構(gòu)造空隙4a，在所述空隙的上方構(gòu)造了電極層I。通過沉積過程以及隨后定向的蝕刻過程，比如可以構(gòu)造垂直地布置在所述空隙Ia的外壁上的氮化物帶(Nitridstreifen)?？梢栽谒龌?的表面以及所空隙4的上面形成氧化層％、比如LOCOS氧化物。在另一個沉積過程中，比如可以在所述氧化層9b和氮化物層9a上面構(gòu)造TEOS氧化層9c。而后，通過所述TEOS氧化層9c可以使比如由多晶硅構(gòu)造的膜片層2沉積。
[0064]而后又可以在所述基片4和所述能夠?qū)щ姷牡谝浑姌O層I中構(gòu)造第一通孔5a，通過所述第一通孔可以對所述氧化層％和9c進行蝕刻。由此釋放所述能夠?qū)щ姷哪て瑢?，從而使得所述膜片層2能夠相對于所述第一電極層I偏移并且以第一間距值xG與所述第一電極層I隔開。也可選可以在所述膜片層2中構(gòu)造通孔5d。
[0065]為了防止在所述凹部2a或者Ia的外壁2b或者Ib中出現(xiàn)畸變，比如可以在所述彼此垂直的層區(qū)段的對接線(Stofllinie)上比如通過各向同性的蝕刻步驟或者真空退火措施來使彎曲半徑倒圓。也可以使用類似的措施，用于改進在所述通孔5a到5d中的輻射阻抗。
【權(quán)利要求】
1.微機電的膜片裝置(100、200、300、400、500)，其具有: -基片(4)，所述基片在表面上具有多個空隙(4a); -能夠?qū)щ姷牡谝浑姌O層(1)，所述第一電極層布置在所述基片(4)的表面上并且所述第一電極層具有多個與所述空隙(4a)相一致的第一凹部(Ia)；以及 -能夠沿著與所述基片(4)的表面垂直的方向偏移的并且能夠?qū)щ姷哪て瑢?2、7)，所述膜片層布置在所述第一電極層(I)的上方并且以第一間距值(?)與所述第一電極層(1)隔開。
2.按權(quán)利要求1所述的膜片裝置(100、200、400、500)，其中所述膜片層(2)具有多個構(gòu)造在所述第一凹部(Ia)上方的第二凹部(2a)。
3.按權(quán)利要求2所述的膜片裝置(100、200、400、500)，其中所述第二凹部(2a)被設計用于:在所述膜片層(2)垂直于所述基片(4)的表面偏移時無接觸地嵌入到所述第一凹部(4a)中。
4.按權(quán)利要求2和3中任一項所述的膜片裝置(100、400)，其中所述第二凹部(2a)具有外壁(2b)，所述外壁具有比所述第一間距值(?)大的、垂直的延伸度。
5.按權(quán)利要求2和3中任一項所述的膜片裝置(200、500)，其中所述第二凹部(2a)具有外壁(2b)，所述外壁具有剛好與所述第一間距值(?) 一樣大的、垂直的延伸度。
6.按權(quán)利要求2到5中任一項所述的膜片裝置(200、500)，其中，所述第一凹部(I a )的外壁相對于所述第二凹部(2a)的外壁(2b)在平行于所述基片(4)的表面的情況下具有第二間距值(ye)。
7.按權(quán)利要求1到6中任一項所述的膜片裝置(100、200、300)，所述膜片裝置此外具有能夠?qū)щ姷牡诙姌O層(3)，所述第二電極層布置在所述膜片層(2、7)的上方，并且所述第二電極層具有多個構(gòu)造在所述第一凹部(Ia)上方的第三凹部(3a)。
8.按權(quán)利要求7所述的膜片裝置(100、200、300)，其中所述第二凹部(2a)的外壁(2b)相對于所述第三凹部(3a)的外壁在平行于所述基片(4)的表面的情況下具有第二間距值(yG)。
9.按權(quán)利要求1到8中任一項所述的膜片裝置(100、200、300、400、500)，其中所述第一電極層(I)和所述基片(4)具有多個構(gòu)造在所述第一凹部(Ia)中的第一壓力補償孔(5a)。
10.按權(quán)利要求1到9中任一項所述的膜片裝置(100、200、300、400、500)，其中所述第一電極層(I)由所述基片(4)構(gòu)造。
11.按權(quán)利要求2到6中任一項所述的膜片裝置(100、200、400、500)，其中所述膜片層(2)具有多個在所述膜片層(2)中構(gòu)造在所述第二凹部(2a)之間的第二壓力補償孔(5d)。
12.按權(quán)利要求7和8中任一項所述的膜片裝置(100、200、300)，其中所述第二電極層(3)具有多個構(gòu)造在所述第三凹部(3a)中和/或構(gòu)造在所述第三凹部(3a)之間的第三壓力補償孔(5b、5c)。
13.微機電的結(jié)構(gòu)元件，其具有按權(quán)利要求1到12中任一項所述的微機電的膜片裝置(100、200、300、400、500)。
14.按權(quán)利要求13所述的微機電的結(jié)構(gòu)元件，其中所述微機電的結(jié)構(gòu)元件是壓力傳感器、麥克風或者揚聲器。
15.用于制造膜片裝置(100、200、300、400、500)的方法，所述方法具有以下步驟: -將空隙掏制到半導體基片(4)的表面中； -在所述基片(4)的表面上構(gòu)造能夠?qū)щ姷牡谝浑姌O層(1)，所述電極層具有多個與所述空隙(4a)相一致的第一凹部(Ia); -在所述能夠?qū)щ姷牡谝浑姌O層(I)上構(gòu)造氧化層(4c、9a、9b、9c)； -使能夠?qū)щ姷哪て瑢?2、7)沉積在所述氧化層(4c、9a、9b、9c)上； -在所述基片(4)和所述能夠?qū)щ姷碾姌O層(I)上構(gòu)造第一通孔(5a);并且-通過所述第一通孔(5a)來對所述氧化層(4c、9a、9b、9c)進行蝕刻，以釋放所述能夠?qū)щ姷哪て瑢?2、7)，從而使得所述膜片層(2、7)能夠相對于所述第一電極層(I)偏移并且以第一間距值(?)與所述第一電極層隔開。
【文檔編號】B81B3/00GK104203806SQ201380019462
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月12日
【發(fā)明者】M.達利, R.舍本, C.舍林 申請人:羅伯特·博世有限公司