Mems器件、接口電路及其制作方法
【專(zhuān)利摘要】根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件，包括：第一板；第二板，布置在所述第一板上方；和第一可移動(dòng)板，布置在所述第一板和所述第二板之間。MEMS器件進(jìn)一步包括：第二可移動(dòng)板，布置在所述第一可移動(dòng)板和所述第二板之間。
【專(zhuān)利說(shuō)明】MEMS器件、接口電路及其制作方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年7月18日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/847，874的優(yōu)先權(quán)，這里通過(guò)引用將其并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件，并且更具體地涉及MEMS器件、接口電路及其制作方法。

【背景技術(shù)】
[0004]諸如麥克風(fēng)之類(lèi)的基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的傳感器通過(guò)測(cè)量物理現(xiàn)象收集來(lái)自環(huán)境的信息。然后電子設(shè)備處理從傳感器得到的信號(hào)信息，盡管存在噪聲和寄生效應(yīng)。有利的是，可以使用類(lèi)似于用于集成電路的批制造技術(shù)來(lái)制造MEMES器件。因此，可以以相對(duì)低的成本將功能性、可靠性和精巧性集成在小的硅芯片上。
[0005]MEMS器件可以形成為振蕩器、諧振器、加速器、陀螺儀、壓力傳感器、麥克風(fēng)、微鏡等。MEMS器件典型地使用電容式傳感技術(shù)測(cè)量待測(cè)量的物理現(xiàn)象。在所有這些應(yīng)用中，使用接口電路將電容式傳感器的電容變化轉(zhuǎn)換成可用電壓。然而，在存在寄生效應(yīng)和減小的感測(cè)電容的情況下由于傳感器的小型化導(dǎo)致接口電路會(huì)變得越來(lái)越有挑戰(zhàn)性。
[0006]MEMS器件的一些關(guān)鍵特性包括靈敏度、帶寬、線(xiàn)性度、動(dòng)態(tài)范圍、最小可檢測(cè)信號(hào)、穩(wěn)定性、尺寸和成本。對(duì)于電容式傳感器處電容的變化帶來(lái)的輸入物理現(xiàn)象(例如時(shí)變壓力)而言，MEMS器件的靈敏度是輸出電壓的變化。帶寬是其上可以使用傳感器的頻率的范圍。
[0007]然而，電容式麥克風(fēng)的另一重要度量是線(xiàn)性度。傳感器的線(xiàn)性度是對(duì)輸出與輸入校準(zhǔn)曲線(xiàn)在給定頻率下多么靠近直線(xiàn)的測(cè)量。輸入壓力和輸出電壓之間的斜率提供在該頻率下的換能器的靈敏度。在高輸入幅度下，換能器的輸出從理想的直線(xiàn)偏離。線(xiàn)性范圍的低端和高端由傳感器接口電路和傳感器決定。低端由系統(tǒng)噪聲諸如熱噪聲、Ι/F噪聲和機(jī)械噪聲限制。線(xiàn)性范圍的較高端由諸如彈簧鍘度(spring stiffening)之類(lèi)的結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性決定或者由諸如限幅(clipping)之類(lèi)的電路非線(xiàn)性決定。
[0008]電容式換能器的動(dòng)態(tài)范圍定義為線(xiàn)性范圍的最大和最小輸入信號(hào)的比率。輸出從理想線(xiàn)性曲線(xiàn)的偏離造成麥克風(fēng)輸出的失真。當(dāng)系統(tǒng)在單一頻率處被激發(fā)時(shí)，可以將失真計(jì)算為最小輸入幅度，該最小輸入幅度使得輸出偏離線(xiàn)性度固定百分比。
[0009]因此，挑戰(zhàn)之一涉及在不增加成本的情況下生產(chǎn)具有更好功能性和可靠性的電路和MHMS器件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]通過(guò)本發(fā)明的所示實(shí)施例，這些問(wèn)題和其它問(wèn)題通常得以解決或規(guī)避并且技術(shù)優(yōu)勢(shì)通常得以實(shí)現(xiàn)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件,包括:第一板、布置在第一板上方的第二板以及布置在第一板和第二板之間的第一可移動(dòng)板。MEMS器件進(jìn)一步包括布置在第一可移動(dòng)板和第二板之間的第二可移動(dòng)板。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，傳感器電路包括第一濾波器電路，耦合在電壓源與第一輸入偏置節(jié)點(diǎn)之間，該第一輸入偏置節(jié)點(diǎn)被配置成耦合到電容式傳感器的第一類(lèi)型的第一板。傳感器電路進(jìn)一步包括第二濾波器電路，耦合在電壓源與第二輸入偏置節(jié)點(diǎn)之間，該第二輸入偏置節(jié)點(diǎn)配置成耦合到電容式傳感器的第一類(lèi)型的第二板。電容式傳感器包括電容性耦合到第二類(lèi)型的第一板的第一類(lèi)型的第一板和電容性耦合到第二類(lèi)型的第二板的第一類(lèi)型的第二板。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一種形成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件的方法包括在襯底中或在襯底之上形成第一板以及在第一板上方形成第二板。在第一板和第二板之間形成第一可移動(dòng)板。在第一可移動(dòng)板和第二板之間形成第二可移動(dòng)板。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在參照結(jié)合附圖作出的下列描述，在附圖中:
[0015]圖1中圖示了一種常規(guī)MEMS傳感器電路；
[0016]圖2圖不了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的MEMS器件和前端電路；
[0017]圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有正反饋的MEMS器件；
[0018]圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)備選實(shí)施例的具有負(fù)反饋的MEMS器件的框圖；
[0019]包括圖5A和圖5B的圖5圖示了 MEMS器件的一個(gè)備選實(shí)現(xiàn)方案，其中在可移動(dòng)板形成感測(cè)板的同時(shí)向固定板施加偏壓；
[0020]包括圖6A和圖6B的圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明另一備選實(shí)施例的包括電容式正反饋的MHMS電路；
[0021]包括圖7A和圖7B的圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明另一備選實(shí)施例的包括電容式負(fù)反饋的MHMS電路；
[0022]包括圖8A和圖8B的圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)備選實(shí)施例的包括多于兩個(gè)的獨(dú)立耦合的可移動(dòng)薄膜的MEMS電路；
[0023]圖9圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的MEMS器件的截面圖；
[0024]包括圖1OA和圖1OB的圖10圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第一可移動(dòng)板和第二可移動(dòng)板的俯視圖；
[0025]圖11圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的備選MEMS器件的截面圖；以及
[0026]包括圖12A-圖12E的圖12圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在各個(gè)制造階段期間的MEMS器件。
[0027]除非另外指出，否則不同圖中的對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)和符號(hào)通常指代對(duì)應(yīng)的部件。繪制該附圖以清晰地圖示實(shí)施例的有關(guān)方面，并不一定按照比例繪制。

【具體實(shí)施方式】
[0028]下面詳細(xì)地論述各種實(shí)施例的制作和使用。然而應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是，本發(fā)明提供可以在各種廣泛的特定上下文中實(shí)施的許多可應(yīng)用的本發(fā)明概念。論述的特定實(shí)施例僅說(shuō)明制作和使用本發(fā)明的特定方式，并不限制本發(fā)明的范圍。
[0029]在圖1中圖示了一個(gè)常規(guī)MEMS傳感器電路。圖1所示的MEMS器件100是具有兩個(gè)固定背板的雙背板器件:第一固定板101和第二固定板105?？梢苿?dòng)板102布置在第一固定板101和第二固定板105之間。來(lái)自MEMS器件100的輸出被輸入到第一增益級(jí)60和第二增益級(jí)70。在電壓源和MEMS傳感器之間可以引入濾波器。
[0030]因此，雙背板MEMS器件包括兩個(gè)電容器，這兩個(gè)電容器由于進(jìn)入的壓力在相反方向上變化。
[0031]為了操控MEMS制作容限和支持不同的輸出靈敏度規(guī)范，傳感器電路必需提供調(diào)整除了單位(unity)增益外的增益的能力。調(diào)整增益的一種方式在于通過(guò)提供附加的增益級(jí)或除了源極跟隨器外使用放大器。然而，這樣的技術(shù)增加放大器的噪聲并且也會(huì)導(dǎo)致更大的電流消耗。倒相放大器將附加地降低系統(tǒng)的線(xiàn)性度。
[0032]調(diào)整增益的另一方式在于提供調(diào)整電壓源的偏壓或薄膜處的電位。然而，該方法可以?xún)H適用于減小由MEMS器件提供的信號(hào)(在最佳偏壓條件下)，隨后這導(dǎo)致次優(yōu)化系統(tǒng)信噪比(SNR)。此外，偏置電壓以相同方式(相同的增益因子)在兩個(gè)信號(hào)路徑上起作用。因此，調(diào)整偏置電壓并不提供向兩個(gè)信號(hào)路徑中的每一個(gè)施加不同增益例如以最優(yōu)化差分信號(hào)或?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)不同信道的解決方案。
[0033]本發(fā)明的一些實(shí)施例通過(guò)使用至少雙膜片設(shè)計(jì)來(lái)在不連累MEMS器件的線(xiàn)性度的情況下改善增益(或反之亦然)。在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，MEMS器件實(shí)現(xiàn)功率、性能和成本之間的平衡。
[0034]圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的MEMS器件和前端電路。
[0035]本發(fā)明的一些實(shí)施例實(shí)現(xiàn)雙背板和具有反饋的雙膜片MEMS器件，以顯著地改善線(xiàn)性度和增益。參照?qǐng)D2，MEMS器件200包括第一固定板101、第二固定板105、第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103。在一個(gè)實(shí)施例中，使用線(xiàn)性讀出電路。如所示，第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103耦合到低阻抗電壓源，而第一固定板101和第二固定板105感測(cè)有高阻抗。MEMS器件200在恒定電荷模式下操作,并且第一輸出和第二輸出處的輸出電壓與薄膜位移成比例，即分別與第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103的位移成比例。
[0036]本發(fā)明的各種實(shí)施例描述和實(shí)施無(wú)源反饋技術(shù)，例如圍繞源極跟隨器和高電壓偏置濾波器。為了實(shí)現(xiàn)這樣的技術(shù)，MEMS器件200包括兩個(gè)分離的電隔離部件:第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103。盡管第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103電隔離(不直接耦合或電容性耦合)，但它們機(jī)械鏈接，使得當(dāng)?shù)谝豢梢苿?dòng)板102朝向第一固定板101移動(dòng)時(shí)第二可移動(dòng)板103背離第二固定板105移動(dòng)。換言之，第一可移動(dòng)板102與第二可移動(dòng)板103剛性地耦合。因而，在各種實(shí)施例中，MEMS器件200包括四個(gè)功能相關(guān)端子。
[0037]第一固定板101和第二固定板105感測(cè)第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103的位移分別作為對(duì)應(yīng)的電荷變化，該電荷變化輸入到具有單位增益的第一增益級(jí)60和第二增益級(jí)70。
[0038]高電壓偏置分支的濾波器包括兩個(gè)部件，第一濾波器電路11和第二濾波器電路111。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第一濾波器電路11和第二濾波器電路111可以包括不同的低通濾波器。在一個(gè)實(shí)施例中，第一濾波器電路11可以包括具有第一電容式濾波器20的第一電阻器10，并且第二濾波器電路111可以包括第二電阻器110和第二電容式濾波器120。具體地，由于兩個(gè)分離的路徑，可以單獨(dú)調(diào)整在第一固定板101和第二固定板105處的響應(yīng)。例如，兩個(gè)路徑的增益可以調(diào)整到相似的級(jí)別。有利地，本實(shí)施例需要最小功率消耗。
[0039]在各種實(shí)施例中，可以由線(xiàn)性二極管、非線(xiàn)性二極管和/或金屬絕緣體半導(dǎo)體晶體管(反向操作)形成第一電阻器10和第二電阻器110。類(lèi)似地，第一電容性濾波器20和第二電容性濾波器120可以包括金屬絕緣體半導(dǎo)體電容器。
[0040]在各種實(shí)施例中，第一電阻器10、第一電容式濾波器20、第二電阻器110和第二電容式濾波器120的值可以是可編程的。例如，可以在制造之后的初始工廠(chǎng)測(cè)試期間對(duì)它們進(jìn)行編程。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，反饋環(huán)可以實(shí)現(xiàn)為ASIC芯片的一部分，而MEMS器件200可以實(shí)現(xiàn)在MEMS晶片中。在其它一些實(shí)施例中，可以在MEMS晶片內(nèi)實(shí)現(xiàn)反饋環(huán)的一些部件。
[0041]與其它高阻抗感測(cè)電路相比，可以使用源極跟隨器實(shí)現(xiàn)感測(cè)電路35，該源極跟隨器包括第一增益級(jí)60和第二增益級(jí)70，用于其優(yōu)越的噪聲性能。第一增益級(jí)60和第二增益級(jí)70中的每一個(gè)可以不包括放大，即增益等于I。源極跟隨器電路的不利之處是它無(wú)法提供可編程增益，但有利的是，增益(理想上)為單位增益，這可以緊密控制。
[0042]圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有正反饋的差分麥克風(fēng)。
[0043]圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)備選實(shí)施例的通過(guò)正反饋環(huán)改善增益。在本實(shí)施例中，從增益級(jí)的輸出施加正反饋到可移動(dòng)板，例如第一增益級(jí)60的輸出和第一可移動(dòng)板102之間的第一反饋環(huán)和在第二增益級(jí)70的輸出和第二可移動(dòng)板103之間的第二反饋環(huán)。具體地，由于兩個(gè)分離的反饋環(huán)，可以獨(dú)立地調(diào)整在第一固定板101和第二固定板105處的對(duì)應(yīng)響應(yīng)。此外，通過(guò)從輸出施加正反饋到濾波器偏置節(jié)點(diǎn)，即使第一增益級(jí)60和第二增益級(jí)70可以具有單位增益，也提升可用輸出信號(hào)。
[0044]在各種實(shí)施例中，在不具有有源電路和不具有明顯噪聲和功率代價(jià)的情況下，通過(guò)使用正反饋實(shí)現(xiàn)增益改善。在本實(shí)施例中，第一增益級(jí)60處的增益(A60)近似(假設(shè)電容式濾波器的電容比MEMS器件200的板之間的可變電容大得多)如下地給出:A60 =1+C130/C120，其中C130是第一電容器130的電容，并且C120是第一電容式濾波器120的電容。類(lèi)似地，第二增益級(jí)70處的增益(A70)近似如下地給出:A70 = 1+C140/C20，其中C140是第二電容器140的電容，并且C20是第二電容式濾波器20的電容。在一些實(shí)施例中，第一電容器130的電容和第二電容器140的電容可以大約相同。類(lèi)似地，第一電容式濾波器120的電容可以與第二電容式濾波器20的電容相同。
[0045]圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明備選實(shí)施例的具有負(fù)反饋的差分MEMS傳感器的框圖。
[0046]參照?qǐng)D4，在本實(shí)施例中，增益級(jí)的輸出耦合到MEMS器件200的相反可移動(dòng)板節(jié)點(diǎn)。與其中增益隨著正反饋增加的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施例不同，本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)使用負(fù)反饋的衰減。如圖4所示，第二電容器140耦合到第一可移動(dòng)板102，而第一電容器130耦合到第二可移動(dòng)板103。
[0047]在本實(shí)施例中，第一增益級(jí)60處的增益(A60)近似(假設(shè)電容式濾波器的電容比MEMS器件200的板之間的可變電容大得多)如下地給出:A60 = 1-C130/C20，并且第二增益級(jí)70處的增益(A70)近似如下地給出:A70 = 1-C140/C120。因此，本實(shí)施例導(dǎo)致負(fù)增益。
[0048]在各種實(shí)施例中，MEMS器件200的結(jié)構(gòu)從單個(gè)可移動(dòng)薄膜修改成至少兩個(gè)可移動(dòng)薄膜，該至少兩個(gè)可移動(dòng)薄膜彼此電隔離但被獨(dú)立偏置，使得可移動(dòng)薄膜可以與無(wú)源反饋結(jié)構(gòu)和差分拓?fù)湟黄鹗褂?，從而允許利用電容式反饋的增益和衰減調(diào)整。
[0049]圖5-圖7圖示了圖2-圖4所述電路的一個(gè)備選實(shí)現(xiàn)方案。
[0050]圖5A圖不了 MEMS器件200的一個(gè)備選實(shí)現(xiàn)方案,其中向固定板施加偏置，而可移動(dòng)板被感測(cè)且被耦合到增益級(jí)用于進(jìn)一步處理。在本實(shí)施例中，電壓偏置通過(guò)第一濾波器施加到第一固定板101并通過(guò)第二濾波器施加到第二固定板105,第一濾波器包括第一電阻器100和第一電容式濾波器120，第二濾波器包括第二電阻器10和第二電容式濾波器20。如關(guān)于圖2描述的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施例中那樣，使用濾波器獨(dú)立地改變耦合到第一固定板101和第二固定板105的節(jié)點(diǎn)處的偏置信號(hào)。
[0051]圖5B圖示了使用單個(gè)電壓源的一個(gè)備選實(shí)施例。
[0052]包括圖6A和圖6B的圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明另一備選實(shí)施例的包括電容式正反饋的MHMS電路。
[0053]如在使用圖3描述的實(shí)施例中那樣，參照?qǐng)D6A，第一電容器130和第二電容器140用于形成兩個(gè)獨(dú)立的正反饋環(huán)，以助于獨(dú)立地改變耦合到第一固定板101和第二固定板105的節(jié)點(diǎn)處的偏置信號(hào)。本實(shí)施例在第一增益級(jí)60和第二增益級(jí)70的輸出處實(shí)現(xiàn)正增益。類(lèi)似地，在圖6B中，第一電容器130 I禹合到第一可移動(dòng)板102,而第二電容器140 f禹合到第二可移動(dòng)板103，以提供正增益。
[0054]包括圖7A和圖7B的圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明另一備選實(shí)施例的包括電容式負(fù)反饋的MHMS電路。
[0055]如圖7A所示，在本實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于圖4所述的反饋。第一電容器130耦合到第二固定板105，第二電容器140耦合到第一固定板101，由此創(chuàng)建獨(dú)立的負(fù)反饋環(huán)。類(lèi)似地，在圖7B中，第一電容器130 f禹合到第二可移動(dòng)板103,而第二電容器140 f禹合到第一可移動(dòng)板102，以提供負(fù)反饋。
[0056]包括圖8A和圖8B的圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)備選實(shí)施例的包括多于兩個(gè)的獨(dú)立耦合的可移動(dòng)薄膜的MEMS電路。圖8B圖示了圖8A所示MEMS器件的放大圖。
[0057]參照?qǐng)D8A和圖SB，可移動(dòng)塊包括如在現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施例中所述的第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103。此外，可移動(dòng)塊包括如圖8所示的第三可移動(dòng)板104和第四可移動(dòng)板106。第三可移動(dòng)板104電容性耦合到第三固定板108，而第四可移動(dòng)板106電容性耦合到第四固定板109?？梢允褂梅蛛x且獨(dú)立的濾波器電路耦合可移動(dòng)板中的每一個(gè)。例如，在一種情況中，第三可移動(dòng)板104可以通過(guò)包括第三電阻器215和第三電容器225的濾波器耦合到第二電壓源，而第四可移動(dòng)板106可以通過(guò)包括第四電阻器310和第四電容器320的另一濾波器耦合到第二電壓源。第三固定板108和第四固定板109的輸出可以耦合到對(duì)應(yīng)的增益級(jí)60’和70’。
[0058]此外，作為圖示，在圖SB中，第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103以及第一固定板101和第二固定板105在一個(gè)實(shí)施例中不出為不同的尺寸。
[0059]因而，本發(fā)明的一些實(shí)施例描述具有改善增益的差分電容式麥克風(fēng)，使用該差分電容式麥克風(fēng)可以消減共模噪聲。這樣的差分電容式麥克風(fēng)與其它麥克風(fēng)相比可以執(zhí)行得更好，例如由于額外的電容器具有更高靈敏度并且具有更高的可控偏置電壓和更好的線(xiàn)性度。
[0060]在各種實(shí)施例中，圖2-圖8所示的MEMS電路可以包括任意時(shí)間的MEMS器件，包括麥克風(fēng)、振蕩器、諧振器、機(jī)械、壓力傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器等。
[0061]圖9圖不了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的MEMS器件的截面圖。
[0062]在各種實(shí)施例中，圖9圖示了說(shuō)明圖2-圖8所述MEMS電路的實(shí)施例的MEMS器件。參照?qǐng)D9，MEMS器件200包括襯底210，襯底210包括背側(cè)空腔230。背側(cè)空腔230從襯底210的背側(cè)連續(xù)地延伸到襯底210的前側(cè)。
[0063]第一固定板101和第二固定板105被布置在背側(cè)空腔230上方。固定板也可以稱(chēng)為背板。
[0064]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，MEMS器件包括薄膜層，該薄膜層包括第一可移動(dòng)板102和與第一可移動(dòng)板102間隔開(kāi)的第二可移動(dòng)板103，第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103都布置在襯底210上方。薄膜層可以通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)220保持在襯底210上方，支撐結(jié)構(gòu)220也可以包括針對(duì)薄膜層和固定板中每一個(gè)的分離的支撐結(jié)構(gòu)。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103是圓形的。
[0065]附加地,第一空腔250布置在第一固定板101和第一可移動(dòng)板102之間，而第二空腔240布置在第二固定板105和第二可移動(dòng)板103之間。因而，第一可移動(dòng)板和第二可移動(dòng)板沿著外圍區(qū)域固定，但其它地方自由懸置。第一空腔240和第二空腔250的存在允許第二可移動(dòng)板102和103自由移動(dòng)。
[0066]在各種實(shí)施例中，第一可移動(dòng)板102與第二可移動(dòng)板103電隔離。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，第一可移動(dòng)板102不電容性耦合到第二可移動(dòng)板103，即電容性耦合最小化或基本為零。因此，中間層260可以由絕緣材料例如低k介電材料制成，以防止電容性耦合。
[0067]在各種實(shí)施例中，第一可移動(dòng)板102、第二可移動(dòng)板103和中間層260機(jī)械耦合或鏈接作為整體單元，使得它們一起振蕩。因此，當(dāng)?shù)谝豢梢苿?dòng)板102朝向第一固定板101移動(dòng)時(shí)，同時(shí)，第二可移動(dòng)板103遠(yuǎn)離第二固定板105而移動(dòng)。
[0068]第一固定板101和第二固定板105在面向薄膜層的側(cè)上也可以包括多個(gè)凸點(diǎn)，用于防止薄膜層粘在薄膜層上。第一板101和第二板105也可以包括多個(gè)孔170。在通過(guò)提供用于刻蝕液體通路的孔來(lái)制造內(nèi)部空腔期間可以使用該多個(gè)孔170。附加地，多個(gè)孔170可以提供在薄膜層的振動(dòng)期間的空氣通路，因而使阻尼效應(yīng)最小化。例如，由于多個(gè)孔170，第一固定板101和第二固定板105對(duì)于進(jìn)入的聲壓不太敏感。相比之下，第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103通過(guò)彈簧有效地附接到襯底210，并且因此隨著進(jìn)入的聲壓振動(dòng)。MEMS器件200可以被包圍在密封腔室中。
[0069]可以在支撐結(jié)構(gòu)220的頂表面處形成第一接觸45，用于電耦合第一固定板101。附加地，第二接觸55、第三接觸65和第四接觸75可以分別用于電耦合第一可移動(dòng)板102、第二可移動(dòng)板103和第二固定板105。因此，盡管第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103作為一個(gè)機(jī)械塊單元一起移動(dòng)，但它們可以耦合到不同電位節(jié)點(diǎn)。
[0070]在各種實(shí)施例中，第二接觸55的位置選擇為盡可能多地遠(yuǎn)離第三接觸65，以防止電容性耦合。在各種實(shí)施例中，中間層260配置成不影響薄膜系統(tǒng)的機(jī)械行為，例如因?yàn)樗辉O(shè)計(jì)成使低應(yīng)變非導(dǎo)電層。在另一備選實(shí)施例中，與單層薄膜相比，中間層260用于改善薄膜系統(tǒng)的魯棒性。在各種實(shí)施例中，兩個(gè)導(dǎo)電層(即第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103)可以不是相同材料或尺寸。
[0071]包括圖1OA和圖1OB的圖10圖示了根據(jù)本發(fā)明上述的第一可移動(dòng)板和第二可移動(dòng)板的俯視圖。
[0072]在各種實(shí)施例中，可以制造第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103以最小化電容性耦合。在一個(gè)實(shí)施例中，使第一可移動(dòng)板102的導(dǎo)電部分和第二可移動(dòng)板103的導(dǎo)電部分之間的重疊最小化。
[0073]例如，圖1OA圖示了交替地具有導(dǎo)電區(qū)域和絕緣區(qū)域的第一可移動(dòng)板102。例如，陰影框All包括導(dǎo)電區(qū)域，而非陰影框A21包括絕緣區(qū)域。
[0074]相比之下，在圖1OB中示出了在第一可移動(dòng)板102正下方的第二可移動(dòng)板103的對(duì)應(yīng)部分。類(lèi)似圖10A，在圖1OB中，非陰影框All包括絕緣區(qū)域，而陰影框A21包括導(dǎo)電區(qū)域。因而，第二可移動(dòng)板103中的圖案是第一可移動(dòng)板102中的圖案的反向。
[0075]圖11圖不了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的備選MEMS器件。
[0076]在本實(shí)施例中，通過(guò)引入氣隙或多個(gè)小空腔，使第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103之間的電容性耦合最小化。第一可移動(dòng)板102仍使用作為支撐支柱的聯(lián)動(dòng)裝置(linkage) 270與第二可移動(dòng)板103剛性地機(jī)械耦合。
[0077]包括圖12A-圖12E的圖12圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在各種制造階段期間的MEMS器件。
[0078]圖12A圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的在形成MEMS結(jié)構(gòu)的第一固定板之后的半導(dǎo)體襯底。
[0079]圖12A圖示了形成在襯底210上方的支撐結(jié)構(gòu)220。在各種實(shí)施例中，襯底210可以是半導(dǎo)體襯底。在一些實(shí)施例中，襯底210可以是半導(dǎo)體塊體襯底或絕緣體上半導(dǎo)體襯底。襯底210的一些示例包括塊體單晶硅襯底(或其上生長(zhǎng)的層或以其他方式形成在其中的層)、{100}硅晶片上的{110}硅層、絕緣體上硅(SOI)晶片層或絕緣體上鍺(GeOI)晶片層。在各種實(shí)施例中，襯底210可以包括勻厚外延層。在各種實(shí)施例中，襯底210可以是硅晶片、鍺晶片或可以是包括碲化銦、砷化銦、磷化銦、氮化鎵、砷化鎵、碲化鎵或其組合的化合物半導(dǎo)體襯底。在一個(gè)實(shí)施例中，襯底210可以包括異質(zhì)外延層，諸如生長(zhǎng)在硅晶片上的氮化鎵。
[0080]在各種實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)220包括絕緣層。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)220可以包括氮化物層。在另一實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)220可以包括氧化物層。在各種實(shí)施例中，可以通過(guò)使用諸如化學(xué)氣相沉積、等離子體氣相沉積和/或旋涂工藝之類(lèi)的氣相沉積工藝的熱氧化、氮化來(lái)形成支撐結(jié)構(gòu)220。在各種實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)220可以包括在不同處理階段處沉積的多個(gè)層。
[0081]在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，在襯底210之上制造第二固定板105。在一個(gè)實(shí)施例中，第二固定板105可以包括多晶硅層。例如，可以沉積和構(gòu)圖一個(gè)或多個(gè)多晶硅層以形成第二固定板105。
[0082]圖12B圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的在形成MEMS結(jié)構(gòu)的可移動(dòng)薄膜層之后的半導(dǎo)體襯底。
[0083]接下來(lái)可以制造第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103。在一個(gè)實(shí)施例中，按次序構(gòu)圖第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103，例如可以沉積和構(gòu)圖第二可移動(dòng)板103，隨后沉積和構(gòu)圖第一可移動(dòng)板102。備選地，可以依次沉積第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103并且在沉積兩個(gè)層之后依次構(gòu)圖。
[0084]第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103可以包括多晶硅。在備選實(shí)施例中，第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103包括非晶硅層。在一些備選實(shí)施例中，第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103包括導(dǎo)電層。在各種實(shí)施例中，第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103與中間層一起可以具有約10nm到約2000nm的厚度。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，MEMS器件的可移動(dòng)部分的總厚度具有約200nm到約100nm的厚度。
[0085]任選地，可以在沉積第二可移動(dòng)板103之后且在沉積第一可移動(dòng)板102之前，沉積和構(gòu)圖中間層260的層。也可以沉積和平坦化支撐結(jié)構(gòu)220的另一層。
[0086]圖12C圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的在形成MEMS結(jié)構(gòu)的頂部固定板之后的半導(dǎo)體襯底。
[0087]如圖12C所示，在可移動(dòng)薄膜層之上形成第一固定板101?？梢猿练e和構(gòu)圖第一固定板101。在一個(gè)實(shí)施例中,可以沉積和構(gòu)圖一個(gè)或多個(gè)多晶娃層。在一個(gè)實(shí)施例中，可以在形成第一固定板101之后沉積和平坦化支撐結(jié)構(gòu)220的另一層。
[0088]圖12D圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的在MEMS結(jié)構(gòu)的前側(cè)處理之后的半導(dǎo)體襯底。
[0089]可以形成接觸用于接觸襯底210、第一固定板101、第二固定板105、第一可移動(dòng)板102和第二可移動(dòng)板103?？梢栽谘诒魏蜆?gòu)圖支撐結(jié)構(gòu)220之后形成接觸。
[0090]在隨后的背側(cè)處理期間可以通過(guò)形成保護(hù)層280來(lái)保護(hù)前側(cè)。在各種實(shí)施例中，保護(hù)層280可以包括氮化硅或氧化硅。
[0091]圖12E圖示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的在形成空腔之后的MEMS器件。
[0092]背側(cè)處理從圖12E繼續(xù)以形成背側(cè)空腔230。襯底210反轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)，以露出背側(cè)。接下來(lái)，在露出的背側(cè)上沉積并構(gòu)圖抗蝕劑(未示出)，并且露出MEMS器件區(qū)域中的襯底210的部分?？涛g露出的襯底210，直到露出支撐結(jié)構(gòu)220的區(qū)域。
[0093]在各種實(shí)施例中，可以使用波希工藝(Bosch Process)或通過(guò)沉積硬掩膜層和使用垂直反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕襯底210來(lái)刻蝕襯底210。在一個(gè)實(shí)施例中，僅使用抗蝕劑掩膜。如果抗蝕劑預(yù)算不充分，則可以使用硬掩膜和垂直反應(yīng)離子刻蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)光滑的側(cè)壁。然而，該集成機(jī)制需要去除剩余的硬掩膜殘留。因此，在一些實(shí)施例中，可以在沒(méi)有附加硬掩膜的情況下使用波希工藝。
[0094]在波希工藝中，交替各向同性等離子刻蝕步驟和鈍化層沉積步驟。在波希工藝期間多次重復(fù)刻蝕/沉積步驟。等離子體刻蝕配置成例如使用等離子體中的六氟化硫[SF6]垂直地刻蝕。例如使用八氟環(huán)丁烷作為源氣體沉積鈍化層。每個(gè)單獨(dú)步驟可以開(kāi)啟數(shù)秒或更少。鈍化層保護(hù)襯底21并防止進(jìn)一步的刻蝕。然而，在等離子體刻蝕階段期間，轟擊襯底的定向離子去除在溝槽底部處(但不是沿著側(cè)面)的鈍化層并且刻蝕繼續(xù)。當(dāng)露出支撐結(jié)構(gòu)220時(shí)停止波希工藝。波希工藝產(chǎn)生扇形的側(cè)壁。
[0095]接下來(lái)例如參照?qǐng)D8，例如使用濕法刻蝕化學(xué)劑，去除露出的支撐結(jié)構(gòu)220的區(qū)域，以形成第一空腔240和第二空腔250。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，濕法刻蝕可以是選擇性的。在各種實(shí)施例中，可以從襯底210的前側(cè)和/或背側(cè)執(zhí)行釋放刻蝕?？梢匀缭诔Ｒ?guī)MEMS處理期間使用的那樣繼續(xù)后續(xù)的處理。
[0096]盡管已經(jīng)參照所示實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本描述并不旨在于構(gòu)成限制意義。參照該描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白所示實(shí)施例的各種修改和組合以及本發(fā)明的其它實(shí)施例。作為圖示，在備選實(shí)施例中，圖2-圖12中所述的實(shí)施例可以彼此組合。因此預(yù)期的是所附權(quán)利要求涵蓋任意這樣的修改或?qū)嵤├?br> [0097]盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明和其優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)理解的是，在不脫離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下這里可以進(jìn)行各種變化、替換和變更。例如，本領(lǐng)域技術(shù)任意將容易明白的是，這里所述的特征、功能、工藝和材料中的許多可以在保持在本發(fā)明范圍內(nèi)的同時(shí)進(jìn)行變化。
[0098]而且，本申請(qǐng)的范圍并不旨在限于說(shuō)明書(shū)中描述的工藝、機(jī)器、制造、組分、裝置、方法和步驟的特定實(shí)施例。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容中將容易認(rèn)識(shí)到的那樣，根據(jù)本發(fā)明可以利用執(zhí)行與這里所述對(duì)應(yīng)實(shí)施例基本相同的功能或?qū)崿F(xiàn)基本相同的結(jié)果的、當(dāng)前存在或后來(lái)開(kāi)發(fā)的工藝、機(jī)器、制造、組分、裝置、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求旨在于在其范圍內(nèi)包括這樣的工藝、機(jī)器、制造、組分、裝置、方法或步驟。
【權(quán)利要求】
1.一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件,包括: 第一板； 第二板，布置在所述第一板之上； 第一可移動(dòng)板，布置在所述第一板和所述第二板之間；以及 第二可移動(dòng)板，布置在所述第一可移動(dòng)板和所述第二板之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述第一可移動(dòng)板剛性地耦合到所述第二可移動(dòng)板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述第一可移動(dòng)板配置成被屏蔽而免于與所述第二可移動(dòng)板電容性耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，進(jìn)一步包括: 底部空腔，布置在所述第一板下方； 第一空腔，布置在所述第一板與所述第一可移動(dòng)板之間；以及 第二空腔，布置在所述第二板與所述第二可移動(dòng)板之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述第一可移動(dòng)板配置成耦合到與所述第二可移動(dòng)板不同的電位節(jié)點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述第一可移動(dòng)板配置成通過(guò)第一濾波器耦合到電壓源，并且其中所述第二可移動(dòng)板配置成通過(guò)第二濾波器耦合到所述電壓源。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中所述第一濾波器和所述第二濾波器包括不同的RC濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中所述第一板是第一固定板，并且其中所述第二板是第二固定板。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，其中所述第一固定板配置成通過(guò)第一濾波器耦合到電壓源，并且其中所述第二固定板配置成通過(guò)第二濾波器耦合到所述電壓源。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，進(jìn)一步包括: 第三可移動(dòng)板和第四可移動(dòng)板；以及 第三固定板和第四固定板，其中所述第三可移動(dòng)板電容性耦合到所述第三固定板，其中所述第四可移動(dòng)板電容性耦合到所述第四固定板。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，所述第一可移動(dòng)板配置成通過(guò)第一濾波器耦合到第一電壓源，其中所述第二可移動(dòng)板配置成通過(guò)第二濾波器耦合到所述第一電壓源，其中所述第三可移動(dòng)板配置成通過(guò)第三濾波器耦合到第二電壓源，并且其中所述第四可移動(dòng)板配置成通過(guò)第四濾波器耦合到所述第二電壓源。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中所述第一濾波器和所述第二濾波器包括不同的RC濾波器，并且其中所述第三濾波器和所述第四濾波器包括不同的RC濾波器。
13.—種傳感器電路,包括: 第一濾波器電路，耦合在電壓源與第一輸入偏置節(jié)點(diǎn)之間，所述第一輸入偏置節(jié)點(diǎn)配置成耦合到電容式傳感器的第一類(lèi)型的第一板；以及 第二濾波器電路，耦合在所述電壓源與第二輸入偏置節(jié)點(diǎn)之間，所述第二輸入偏置節(jié)點(diǎn)配置成耦合到所述電容式傳感器的所述第一類(lèi)型的第二板，其中所述電容式傳感器包括電容性耦合到第二類(lèi)型的第一板的所述第一類(lèi)型的第一板和電容性耦合到所述第二類(lèi)型的第二板的所述第一類(lèi)型的第二板。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中所述第一濾波器電路包括耦合在所述電壓源與所述第一輸入偏置節(jié)點(diǎn)之間的第一電阻器和耦合在固定電位和所述第一輸入偏置節(jié)點(diǎn)之間的第一電容器，并且其中所述第二濾波器電路包括耦合在所述電壓源與所述第二輸入偏置節(jié)點(diǎn)之間的第二電阻器和耦合在所述固定電位和所述第二輸入偏置節(jié)點(diǎn)之間的第二電容器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電路，其中所述第一電阻器包括二極管或金屬絕緣體半導(dǎo)體晶體管，其中所述第一電容器包括金屬絕緣體半導(dǎo)體電容器。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中所述第一類(lèi)型的所述第一板剛性地耦合到所述第一類(lèi)型的所述第二板。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中所述電容式傳感器包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中所述第一類(lèi)型的所述第一板是第一可移動(dòng)板，其中所述第一類(lèi)型的所述第二板是第二可移動(dòng)板，其中所述第二類(lèi)型的所述第一板是第一固定板，并且其中所述第二類(lèi)型的所述第二板是第二固定板。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電路，進(jìn)一步包括: 第一放大器，包括耦合到第一輸出偏置節(jié)點(diǎn)的輸入節(jié)點(diǎn)，所述第一輸出偏置節(jié)點(diǎn)配置成耦合到所述電容式傳感器的所述第一固定板；以及 第二放大器，包括耦合到第二輸出偏置節(jié)點(diǎn)的輸入節(jié)點(diǎn)，所述第二輸出偏置節(jié)點(diǎn)配置成耦合到所述電容式傳感器的所述第二固定板。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電路，進(jìn)一步包括: 第一反饋電容器，耦合在所述第一輸入偏置節(jié)點(diǎn)與所述第一放大器的輸出節(jié)點(diǎn)之間；以及 第二反饋電容器，耦合在所述第二輸入偏置節(jié)點(diǎn)與所述第二放大器的輸出節(jié)點(diǎn)之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電路，進(jìn)一步包括: 第一反饋電容器，耦合在所述第二輸入偏置節(jié)點(diǎn)與所述第一放大器的輸出節(jié)點(diǎn)之間；以及 第二反饋電容器，耦合在所述第一輸入偏置節(jié)點(diǎn)與所述第二放大器的輸出節(jié)點(diǎn)之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電路，其中所述第一類(lèi)型的所述第一板是第一固定板，其中所述第一類(lèi)型的所述第二板是第二固定板，其中所述第二類(lèi)型的所述第一板是第一可移動(dòng)板，并且其中所述第二類(lèi)型的所述第二板是第二可移動(dòng)板。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的電路，進(jìn)一步包括: 第一放大器，包括耦合到第一輸出偏置節(jié)點(diǎn)的輸入節(jié)點(diǎn)，所述第一輸出偏置節(jié)點(diǎn)配置成耦合到所述電容式傳感器的所述第一可移動(dòng)板；以及 第二放大器，包括耦合到第二輸出偏置節(jié)點(diǎn)的輸入節(jié)點(diǎn)，所述第二輸出偏置節(jié)點(diǎn)配置成耦合到所述電容式傳感器的所述第二可移動(dòng)板。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電路，進(jìn)一步包括: 第一反饋電容器，耦合在所述第一放大器的所述輸入節(jié)點(diǎn)與所述第一放大器的輸出節(jié)點(diǎn)之間；以及 第二反饋電容器，耦合在所述第二放大器的所述輸入節(jié)點(diǎn)與所述第二放大器的輸出節(jié)點(diǎn)之間。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電路，進(jìn)一步包括: 第一反饋電容器，耦合在所述第二放大器的所述輸入節(jié)點(diǎn)與所述第一放大器的輸出節(jié)點(diǎn)之間；以及 第二反饋電容器，耦合在所述第一放大器的所述輸入節(jié)點(diǎn)與所述第二放大器的輸出節(jié)點(diǎn)之間。
26.—種形成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件的方法,所述方法包括: 在襯底中或在襯底之上形成第一板； 在所述第一板之上形成第二板； 在所述第一板與所述第二板之間形成第一可移動(dòng)板；以及 在所述第一可移動(dòng)板與所述第二板之間形成第二可移動(dòng)板。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述第一可移動(dòng)板和所述第二可移動(dòng)板形成為同一可移動(dòng)塊的一部分，并且其中所述第一可移動(dòng)板配置成被屏蔽以免于與所述第二可移動(dòng)板電容性耦合。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，進(jìn)一步包括: 在所述第一板下方的襯底中形成底部空腔； 在所述第一板和所述第一可移動(dòng)板之間形成第一空腔；以及 在所述第二板與所述第二可移動(dòng)板之間形成第二空腔。
【文檔編號(hào)】B81C1/00GK104301839SQ201410342001
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月18日
【發(fā)明者】S·巴曾, A·韋斯鮑爾, C·簡(jiǎn)克納, M·菲爾德納 申請(qǐng)人:英飛凌科技股份有限公司