專利名稱：具有穿孔振膜的聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有穿孔振膜的聲換能器。具體地，本發(fā)明涉及穿孔振膜的設(shè)計(jì)以承受張應(yīng)力。
背景技術(shù)：
電容式麥克風(fēng)包括兩個(gè)振膜由聲壓激勵(lì)的振膜和穿孔振振膜，所述穿孔振膜形成不響應(yīng)于聲壓移動(dòng)的反電極(“背板”)(backplate)，因?yàn)樗龃┛妆憩F(xiàn)為聲學(xué)透明。所述穿孔允許所述第一振膜在沒有嵌入到振膜與背板之間的體積內(nèi)的壓力積累的情況下移動(dòng)。
在存在機(jī)械振動(dòng)的情況下，也被稱作“本體噪聲”(body noise)，兩個(gè)板都被激勵(lì)。 由于兩個(gè)板性質(zhì)的差異，所述板被不同地激勵(lì)，使得所述本體噪聲造成所述板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 在麥克風(fēng)傳感器的情況下，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)被不希望地檢測到并且因此降低了傳感器性能。 為了使所述傳感器固有地對(duì)本體噪聲不敏感，必須設(shè)計(jì)所述背板使得它對(duì)機(jī)械振動(dòng)具有與所述振膜相同的響應(yīng)。
可以將振膜和背板均典型地制造在張應(yīng)力層中。由于在所述背板中的張力可能對(duì)所述振膜性質(zhì)具有影響或者可能導(dǎo)致裂紋，因此需要一種方法來釋放所述背板中的應(yīng)力， 使得減小對(duì)所述振膜不需要的影響。
可以通過將所述背板附著在諸如彈簧之類的彈性懸架上來實(shí)現(xiàn)應(yīng)力釋放和本體噪聲補(bǔ)償。彈簧懸置的(初始張應(yīng)變的)板經(jīng)歷在錨點(diǎn)處的應(yīng)力積累，因?yàn)樗霭逯谎厮霭宓闹荛L附著至有限數(shù)量的位置處。這種應(yīng)力積累降低了這些背板的魯棒性。同樣，當(dāng)使用彈簧懸置板時(shí)，與中心相比，在所述板的邊緣附近有更多的背板材料被去除。這可能導(dǎo)致與所述犧牲層刻蝕的結(jié)果不均勻性相關(guān)聯(lián)的加工問題。
在傳統(tǒng)的麥克風(fēng)中，所述麥克風(fēng)在所述兩個(gè)振膜之間具有相對(duì)較大間隔，在剛性背板中的幾個(gè)大孔足以減小空氣阻尼的影響。然而，在硅技術(shù)中構(gòu)建為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 的微型麥克風(fēng)中，所述背板不是剛性的并且應(yīng)當(dāng)在所有板上到處穿孔以防止空氣流動(dòng)阻力，而且這樣還使它能夠通過犧牲層刻蝕釋放。
需要注意的是這種穿孔還用在其他移動(dòng)的或者靜止的MEMS結(jié)構(gòu)中，諸如MEMS開關(guān)或者M(jìn)EMS可變電容器、MEMS電聲換能器、用于氣體或者液體的過濾器。
典型地，使用正方形孔或者圓形孔的周期性圖案(pattern)，盡管在更復(fù)雜的圖案中已經(jīng)建議了矩形孔，例如在 M. Goto 等人“High-performance condenser microphone with single-crystalline Si diaphragm and backplate，，，IEEE Sensors Journal 7, p. 4(2007)中所報(bào)道的。平移周期樣式的孔具有優(yōu)勢沿所述振膜法線方向(垂直于所述振膜或者沿所述橫截面的垂直方向)的應(yīng)力梯度不會(huì)造成所述兩個(gè)反電極朝向或者遠(yuǎn)離彼此地傾斜。所述背板的任何偏斜都會(huì)改變所述麥克風(fēng)的平衡電容。
圖I示出了通過(MEMS)電容式麥克風(fēng)的頂視圖和截面圖。
所述Si襯底101具有開口，所述開口使所述可移動(dòng)振膜103的一部分外露，所述可移動(dòng)振膜對(duì)聲壓是敏感的。在(可選的)絕緣體102的上方形成所述可移動(dòng)振膜。所述背板105 (固定振膜)懸置于另一絕緣體104的上方并且用矩形樣式孔形成穿孔。所述電極連接110和111連接至所述兩個(gè)振膜并且用于測量所述電容。
在MEMS器件制造中的一個(gè)問題是所述應(yīng)力梯度在加工中是難以控制的，而本發(fā)明是基于穿孔設(shè)計(jì)來減小應(yīng)力梯度的影響。本發(fā)明還涉及能夠控制對(duì)加速度和振動(dòng)的敏感度的設(shè)計(jì)。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種MEMS器件，包括由間隙隔開的固定振膜和可移動(dòng)振膜， 其中感測或者控制所述可移動(dòng)振膜的移動(dòng)以提供所述器件的操作，
其中所述固定振膜包括在所述振膜區(qū)域上的孔陣列，
其中與所述固定振膜外圍相鄰地設(shè)置的至少一組孔包括多行延長孔，所述行相距所述外圍不同的距離。
這種設(shè)計(jì)使用延長孔(即狹縫)。這種設(shè)計(jì)提高了所述振膜的機(jī)械魯棒性并且還可以附加地允許所述板的機(jī)械行為的調(diào)諧，諸如其諧振頻率。優(yōu)選地，一行中的孔相對(duì)于在另一行中的孔是交錯(cuò)的，使得能夠避免與所述行(從所述振膜的一邊到另一邊)相交的直連接線。
可以通過改變所述孔的延長來調(diào)諧所述孔(穿孔)樣式的彈簧常數(shù)，例如沿切線方向。
所述孔用作彈性懸架。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以允許本體噪聲補(bǔ)償。所述孔的延長形狀提高了所述板中的應(yīng)力釋放。對(duì)于切向延長的交錯(cuò)孔，在所述板中的最終應(yīng)力小于對(duì)于常見的正方形孔或者圓形孔的均勻樣式。
利用“固定的”(關(guān)于所述固定振膜)意味著所述振膜不會(huì)響應(yīng)于所述音頻輸入的信號(hào)而移動(dòng)以產(chǎn)生信號(hào)(在麥克風(fēng)的情況下)或者移動(dòng)以便產(chǎn)生輸出信號(hào)(在輸出設(shè)備的情況下)。然而，相對(duì)于所述器件襯底的某些移動(dòng)是可能的，例如對(duì)于外部加速度的公差 (所謂的“本體噪聲補(bǔ)償”)。
在一個(gè)示例中，每一個(gè)孔的延長方向通常都沿著外圍的方向延伸。這垂直于典型的最大彎曲線，即沿著半徑。在所述振膜彎曲不相同的情況下，所述延長方向可以是不同的，使得所述延長方向再次垂直于最大彎曲線。利用“通常沿著外圍的方向延伸”意味著所述延長孔在切線方向上而非在徑向上延伸。這不意味著所述振膜形狀必須是圓形。相反， 所述行的孔形成與所述外圍匹配的形狀，但是按比例縮小的版本。每一個(gè)孔均處在最接近所述外圍的方向上。還應(yīng)當(dāng)理解的是，所述孔通常取向?yàn)檠厍芯€方向，但是孔形狀的一部分可以在不同的方向上延伸或者所述孔可以傾斜遠(yuǎn)離切線方向，但是應(yīng)當(dāng)基本上是切向的， 以便實(shí)現(xiàn)最佳的應(yīng)力釋放。一些孔還可以沿徑向方向與其他孔連接，使得可以形成彈簧狀樣式。
所述固定振膜優(yōu)選地沿其全部周長夾住。因此所述應(yīng)力積累不會(huì)集中在有限數(shù)量的錨點(diǎn)上，如通過彈簧懸置的情況。因此增加了魯棒性。從而，所述設(shè)計(jì)以與使用彈簧錨點(diǎn)相同的方式提供了本體噪聲抑制，但卻避免了在分立的錨點(diǎn)處的應(yīng)力積累。
一行中的孔可以是相鄰行中的孔的縮放版本(在長度上以及可選地還在寬度上)。
所述孔陣列可以包括多個(gè)段(segment)，其中每一個(gè)段均具有相同的有效彎曲力矩，其中先前定義的一組孔(set of holes)包括最外側(cè)段。這個(gè)有效彎曲力矩是所述彎曲剛度和所述有效釋放應(yīng)力梯度的乘積。所述有效應(yīng)力梯度可以隨樣式改變。效果是如果在邊緣夾住，所述振膜不會(huì)彎曲變形(buckle)。忽略所述釋放的應(yīng)力梯度，將所述段設(shè)計(jì)為使其具有相同的彎曲剛度(或者在所述振膜一部分內(nèi)的幾個(gè)段上的平均彎曲剛度具有與所述振膜的其他部分相同的平均彎曲剛度)。因此，可以容忍彎曲剛度的局部變化，只要在所述振膜的一個(gè)重要區(qū)域(例如10%或者更多)上的平均彎曲強(qiáng)度與任何其他重要區(qū)域上的彎曲剛度是相同的。
這種設(shè)計(jì)提供了一種設(shè)計(jì)夾住的穿孔振膜的方式，使得它們對(duì)應(yīng)力梯度是不敏感的。這樣有利于高(平均)應(yīng)力釋放。
段的使用意味著所述固定振膜由具有不同穿孔樣式的若干段構(gòu)成。設(shè)計(jì)所述段使得它們具有相同的徑向彎曲力矩，使得對(duì)于應(yīng)力梯度不敏感?？梢哉{(diào)整所述邊界使得所述樣式匹配最佳補(bǔ)償?？梢栽诙蝺?nèi)使用按比例縮放以便保持所述設(shè)計(jì)工作較低。
所述固定振膜和所述可移動(dòng)振膜可以是圓形的，并且所述組的孔的每一行均包括固定半徑的圓。
在所述最外側(cè)段內(nèi)，每一行都具有與徑向內(nèi)側(cè)上的相鄰行相比更長的孔，使得所述孔長度與從到所述中心的徑向距離成比例。這意味著相同數(shù)量的孔適合所述周長，并且相鄰的行可以在所述行周圍具有交錯(cuò)的孔。為了最均勻的按比例縮放，所述孔寬度也可以隨半徑縮放，但是還可以保持恒定。
在最靠近中心的最內(nèi)側(cè)段內(nèi)，所述孔還可以包括多行的延長孔，所述行與所述邊緣相距不同的距離，并且一行中的孔相對(duì)于在另一行中的孔是交錯(cuò)的。因此，所述振膜的設(shè)計(jì)可以包括許多按比例縮放的類似設(shè)計(jì)。
然后，所述最內(nèi)側(cè)段的最外側(cè)行的孔比所述最外側(cè)段的最內(nèi)側(cè)行的孔長。因此，在段之間的界限處(在朝向中心的方向上)，所述孔長度增加，使得所述孔維持延長，并且不會(huì)超過制造容限。
然而，在最內(nèi)側(cè)段內(nèi)，所述孔可以替代地包括多個(gè)具有高寬比為Uunity aspect ratio)(即圓形或者正方形)的開口。
所述器件可以包括麥克風(fēng)。


現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明的示例，其中
圖I示出了一種已知的麥克風(fēng)設(shè)計(jì)；
圖2示出了一種已知的用于麥克風(fēng)背板的穿孔設(shè)計(jì)；
圖3示出了各種可能的穿孔設(shè)計(jì)，包括用在本發(fā)明所述器件中的穿孔設(shè)計(jì)；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明所述的固定振膜的第一設(shè)計(jì)；
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明所述的固定振膜的第二設(shè)計(jì)；
圖6用于示出為什么特定的單段設(shè)計(jì)使用簡單的按比例縮放不是切實(shí)可行的；
圖7用于示出當(dāng)應(yīng)力梯度存在時(shí)為什么剛度變化可以造成振膜撓度；
圖8示出了如何優(yōu)化本發(fā)明的多段設(shè)計(jì)；
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的固定振膜的六段設(shè)計(jì)；以及
圖10示出了用在所述設(shè)計(jì)過程中的兩段之間邊界處的單位單元(unit cell)。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種諸如麥克風(fēng)的MEMS器件，所述器件使用固定的穿孔板。所述固定板包括在所述板區(qū)域上的孔陣列。與所述外維相鄰的至少一組的孔包括多行延長孔，所述行相距所述外圍不同的距離。一行中的孔相對(duì)于另一行中的孔是交錯(cuò)的。
如上所述，在MEMS器件的彈性板中的穿孔圖案典型地用于減小空氣阻尼和/或在所述制造工藝期間允許犧牲層的去除。對(duì)于這些應(yīng)用，典型地使用圓形孔或者正方形孔的周期性圖案。通常，所述周期性圖案使得將所述區(qū)域劃分為單位單元，每一個(gè)單元均包含一個(gè)孔，如圖2所示。
本發(fā)明的第一方面基于穿孔圖案的使用，所述穿孔圖案具有非圓形孔或者正方形的孔，而是具有偏離I : I的高寬比。在一個(gè)示例中，通過對(duì)所述孔整形使其與所述板的邊緣(所述外圍)平行地延伸，可以在垂直于所述邊緣的方向上實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)力釋放。
圖3以頂視圖的方式闡釋了用于夾住-夾住梁(clamped-clamped beam)結(jié)構(gòu)的三種圖案。所述頂部和底部的矩形表示夾住所述邊緣的地方。示出了三種孔形狀，具有不同的應(yīng)力釋放圖3(a)示出了在六邊形圖案中的圓形孔；圖3(b)示出了稍微延長的孔，具有與圖3(a)的圓形孔相同的面積，位于相同的六邊形圖案中；圖3(c)示出了更加延長的孔， 仍然具有相同的孔面積和單元圖案。
圓形孔和延長孔的比較示出了具有與所述圓形孔相同面積的延長孔導(dǎo)致更有效的應(yīng)力釋放。有限元計(jì)算表示圖3(a)的圖案導(dǎo)致最終應(yīng)力是初始應(yīng)力的69%，作為沉積層應(yīng)力。作為圖3(b)的圖案和圖3(c)的圖案的結(jié)果的最終應(yīng)力分別是初始應(yīng)力的66%和 55%。
分析了在垂直于所述邊緣方向上的應(yīng)力，因?yàn)檫@是一種測量所述錨點(diǎn)必須承受的應(yīng)力的方法(應(yīng)力越低，魯棒性越好)。
麥克風(fēng)傳感器典型地具有圓形穿孔板。在圖4和圖5中闡釋了對(duì)于這種圓形板所建議的開槽(slotted)穿孔圖案的示例，圖中示出了在外圍處夾住的圓形板的扇形塊 (pie-piece)(1/12)。
圖4示出了一種板，其中所述圖案只包含狹縫，而圖5闡釋了一種方案只在更靠近所述板外圍處具有狹縫而在中心處具有不同的圖案。所述中心穿孔圖案更少受到約束的限制并且例如可針對(duì)所述傳感器的信噪比進(jìn)行優(yōu)化。
如圖4所示，所述孔形成為圓形行。每一行具有延長的狹縫，所述狹縫相對(duì)于下一行是交錯(cuò)的(按照狹縫長度的一半交錯(cuò))。這意味著在所述板上不存在直線連接。為了能夠維持所述交錯(cuò)的(磚塊狀)圖案，在更靠近所述中心所述狹縫長度減小。最終(在標(biāo)記為40的行處)，所述形狀近似為高寬比為I (即正方形)。然后是向更長孔形狀的階躍轉(zhuǎn)變 (step transition),如圖所不。
因此，圖4的設(shè)計(jì)具有多個(gè)段。所述最外側(cè)段結(jié)束于所述振膜的外圍，以及所述最內(nèi)側(cè)段結(jié)束于中心處。實(shí)際上，圖4的設(shè)計(jì)具有三個(gè)段，在表示為41的行處具有轉(zhuǎn)變。
在所述段內(nèi)，每一行均是相鄰段的按比例縮放版本(長度上)，因此它們始終都具有相同數(shù)量的狹縫，但是適應(yīng)不同的半徑。在向下一段轉(zhuǎn)變時(shí)，在所述狹縫的長度上存在較大的階躍變化，以及在沿整個(gè)行適應(yīng)的所述狹縫數(shù)量上存在相應(yīng)的階躍變化。
在圖5中，在所述板的外圍附近存在一組延長孔的行，并且在更靠近所述板的中心存在圓形孔。這種設(shè)計(jì)只具有兩個(gè)段，并且只有最外側(cè)段具有延長的交錯(cuò)狹縫設(shè)計(jì)。
在圖4的設(shè)計(jì)中，所述應(yīng)力從所述中心放射狀地向外增加。在圖5中，所述應(yīng)力在整個(gè)板上更均勻。
圖4和圖5所使用的孔，至少靠近所述外圍的孔是交錯(cuò)延長的，并且這樣除了減小空氣阻尼之外還允許更有效的應(yīng)力釋放。更有效的應(yīng)力釋放為實(shí)現(xiàn)更魯棒性的板和/或本體噪聲補(bǔ)償提供了可能性。
在圖4和圖5中，所述孔的圖案設(shè)計(jì)成具有不同穿孔圖案的多個(gè)段(在這些示例中為三個(gè)和兩個(gè))。
可以用不同的方式設(shè)計(jì)不同的分區(qū)，以便實(shí)現(xiàn)不同的可能目標(biāo)。圖4和圖5的設(shè)計(jì)旨在提供魯棒性的振膜并且能夠調(diào)諧所述應(yīng)力釋放，使得為了有效的應(yīng)力釋放而設(shè)計(jì)所述段。替代的設(shè)計(jì)參數(shù)是用于待設(shè)計(jì)的分區(qū)，使其對(duì)應(yīng)力梯度不敏感。
設(shè)計(jì)所述邊界，使得所述圖案匹配用于最佳補(bǔ)償。如果需要，可以使用有限元 (FEM)模擬來構(gòu)建所述邊界。整個(gè)板的模擬是不需要的，并且所述模擬可以基于成角度的段(angular segment),如圖所示。在段內(nèi)可以使用按比例縮放以便保持所述設(shè)計(jì)工作量較低。
在圖4和圖5中，保持所述行的高度相同，使得隨著所述狹縫長度減小，所述高寬比趨于I : I。所述狹縫寬度也可以隨半徑按比例縮放。
從實(shí)踐的角度，多個(gè)的使用使得制造所述圖案成為可能。例如，圖6(示出了圓周的1/8)所示徑向?qū)ΨQ的圖案隨所述半徑按比例縮放，所述狹縫長度和寬度都按比例縮放。 所述按比例縮放保留了(平均)彎曲剛度。然而，不能夠制造這種圖案，因?yàn)樗鰣D案在外緣處太大而不能通過所述犧牲層刻蝕釋放或者對(duì)于工藝過程方案來說在所述背板的中心處太小。典型地，對(duì)于所述孔直徑的最小尺寸是O. 25至O. 5 μ m以及在兩個(gè)開口之間的最小尺寸是10至20μπι。
在工藝處理過程期間，例如在從高溫冷卻之后，不可避免地引入了層中的機(jī)械應(yīng)力。如果隨著時(shí)間變化所述層沉積不是恒定的，如果所述襯底影響了所述振膜的層生長或者如果使用雙層或者多層，應(yīng)力梯度將會(huì)發(fā)生。
圖7示意性地示出了應(yīng)力梯度如何導(dǎo)致振膜(背板)的撓度(deflection)。所述背板層的上部與所述底部相比具有更高的應(yīng)力(用實(shí)線箭頭表示)。在這種情況下，它是一種張應(yīng)力，意味著所述頂層想要收縮，而所述底部具有較小應(yīng)力。如果如圖7(a)所示夾住所述振膜，那么在所述背板層的頂部中的應(yīng)力由所述夾住補(bǔ)償。所產(chǎn)生的凈彎曲力矩是 O并且所述背板保持平坦。
在如圖7(b)所示的自由層的情況下，所述內(nèi)部應(yīng)力由所述頂部的收縮補(bǔ)償，直到變形產(chǎn)生的彈性應(yīng)力補(bǔ)償所述積累應(yīng)力為止。所述背板變形。如果通過軟彈簧(彈性懸掛)附著至所述襯底或者附著至所述背板的柔軟部分，將會(huì)發(fā)生相同的情況。
為了保持所述背板(或者任何振膜)的零撓度，所述彎曲力矩在所述背板的各個(gè)部分應(yīng)當(dāng)都是相同的，至少是介觀平均的?？梢栽试S依賴于所述應(yīng)用和所述應(yīng)力梯度大小的局部缺陷(imperfection)。例如,所述應(yīng)力應(yīng)當(dāng)在30%半徑的距離上達(dá)到平均數(shù),更優(yōu)選地是20%甚至10%。因此，在30% (更優(yōu)選地是20%甚至10% )半徑的任何距離上，所述平均應(yīng)力是大致相同的。然后所述設(shè)計(jì)補(bǔ)償所述彎曲力矩并且所述背板維持平坦。
通過厚層的使用可以避免撓度，但是MEMS工藝過程所需要的薄層可以包含相當(dāng)大的應(yīng)力梯度。因此，大多數(shù)MEMS背板穿孔是平移周期性圖案，以便在任何地方實(shí)現(xiàn)相同的彎曲剛度。
所有非周期性的或者不均勻的圖案都需要對(duì)所述應(yīng)力梯度的控制。在應(yīng)用中可以補(bǔ)償撓度，但是如果在生產(chǎn)期間從晶片到晶片或者在晶片上的不同位置的撓度變化較大， 則難以提供補(bǔ)償。這將大大降低產(chǎn)量并且增加成本。有時(shí)還可能由于大規(guī)模生產(chǎn)沉積工具的使用不能避免應(yīng)力和應(yīng)力梯度，優(yōu)化所述工具用于高生產(chǎn)量而非良好的應(yīng)力控制。如果所述層的平均應(yīng)力被非常好地控制，那么這不意味著所述應(yīng)力梯度也被很好地控制。本發(fā)明解決這兩個(gè)問題。
對(duì)于麥克風(fēng)有利的是通過設(shè)計(jì)可以調(diào)諧所述背板應(yīng)力，使得所述麥克風(fēng)變得對(duì)加速度和振動(dòng)不敏感。這也可以通過在沉積期間的應(yīng)力調(diào)諧來完成，但是可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝過程，因?yàn)樾枰蛻?yīng)力。使用傳統(tǒng)的周期性圖案，諸如蜂窩圖案，可能導(dǎo)致非常脆弱的圖案，所述圖案具有薄的娃網(wǎng)格(silicon grid)。
在下面的測試中解釋了一種用于設(shè)計(jì)所需圖案的近似技術(shù)，所述測試從一維周期性狹縫或者位移的正方圖案(圖8(a))開始。這種圖案在段之間具有轉(zhuǎn)變，其中在段內(nèi)的所述行具有相同數(shù)量的單元，但是在所述段邊界處存在階躍。
所述單位單元由301表示。然后沿φ軸拉伸所述單元至所需角度(在這種情況下， 45度=π/4)，以便產(chǎn)生如圖8(b)所示的具有恒定角度的塊(block)。然后變形為徑向段， 如圖8(c)所示。
如果所述按比例縮放的單位單元變得太大(對(duì)于較大半徑)，那么在環(huán)上增加更多的單位單元。例如可以通過固定的乘數(shù)f完成。圖8(a)使用為2的乘數(shù)所述單位單元的數(shù)量在每一個(gè)徑向段邊界處加倍。圖8示出了一種具有四個(gè)段的設(shè)計(jì)。
對(duì)于每一個(gè)環(huán)形段，所述按比例縮放變形變?yōu)閄
Ψ — Vrmx ~ R1 = ay (I)Xmax 9
和K(I +./) ,.V' = Iisin(滬)，少'=RCOS(滬)(2 )
公式(I)是從圖8(a)到圖8(b)的階躍以及公式2是到圖8 (C)的階躍。f表示所述段內(nèi)徑與外徑的比例，Tmax是所述圖案的成角度的剖面(angular section), a是從y到 R1的任意半徑縮放因子，以及Rtl是段的起始半徑(圖8(b))。
用于所述階躍因子f的整數(shù)的使用有利于所述圖案在所述階躍邊界處彼此很好地適應(yīng)。但是其他因子也是可以的，例如如果需要在所述單位單元尺寸上具有較小的變化。
圖9是一個(gè)使用了較小階躍(f 1.5)的示例，并且所述結(jié)果是更多的段，在該示例中是六個(gè)段。f的數(shù)值也不一定在每一個(gè)段邊界都是相同的。
需要指出的是，圖Sc和圖9的設(shè)計(jì)將所述圖案分為徑向的具有相同彎曲剛度的段，并且使得能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力調(diào)諧，無需非常薄的網(wǎng)格線。
所述技術(shù)是一種近似。在環(huán)形段與整個(gè)布局之間的邊界可能需要精細(xì)調(diào)諧。可以使用有限元技術(shù)。如果使用f的整數(shù)部分，那么小段的模擬可能就足夠了。
圖10示出了單個(gè)邊界段的示例?？梢杂脜?shù)表示所述梁“b”的寬度并且可以模擬對(duì)于應(yīng)力梯度不敏感的最佳值。可以用相同的方式處理每個(gè)段的中心部分。
所述技術(shù)不限于環(huán)形段或者圓形振膜。例如可以組合對(duì)應(yīng)力梯度敏感的若干段使得整體效果為O并且只發(fā)生局部的小撓度。另外，當(dāng)優(yōu)化所述圖案時(shí)，可以考慮通過所述刻蝕工藝過程發(fā)生的所述孔在垂直方向上的錐形(tapering，具有逐漸變細(xì)的形狀)。
所述孔圖案是非平移周期性的或者非均勻的，并且給出了恒定的彎曲力矩。那么所述設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)力梯度不敏感。
本發(fā)明可以用于本體噪聲被補(bǔ)償?shù)柠溈孙L(fēng)或者機(jī)械優(yōu)化的背板。本發(fā)明通過適當(dāng)?shù)拇┛滋峁┝烁敯粜缘陌搴?或本體噪聲補(bǔ)償。
從上面可以清楚地看出，本發(fā)明對(duì)麥克風(fēng)特別感興趣。然而，它可被應(yīng)用于其他類型的器件，諸如MEMS開關(guān)、MEMS變?nèi)荻O管、MEMS聲換能器、微型閥門或者微型濾波器。本發(fā)明將所述孔圖案施加至所述固定振膜，并且這些孔可以是那些用于犧牲刻蝕釋放的孔。
圖I示出了一種在底部具有壓力敏感振膜的麥克風(fēng)，但是本發(fā)明可被等效地應(yīng)用于所述壓力敏感振膜在所述不敏感振膜上方的麥克風(fēng)。
所述壓力敏感振膜典型地由硅形成，但是也可以使用其他材料，諸如Al或者Au或者多層 SiNx、SiOxNy、SiC 或者 SiO2 以及導(dǎo)體，諸如 Si、Al、Ti、W、TiN、TiW、Au、IT0、Pt。
本發(fā)明被實(shí)現(xiàn)為所述孔圖案的變化，但是這不需要用于形成所述器件的已知的沉積和構(gòu)圖工藝過程的任何變化，并且出于這個(gè)原因，沒有詳細(xì)地描述制造所述器件的方法。
如上所述，可以選擇所述設(shè)計(jì)，以便提供應(yīng)力釋放(為了避免裂縫以及為了提供本體噪聲補(bǔ)償)或者通過設(shè)計(jì)具有相同有效彎曲力矩的段減小應(yīng)力梯度(為了避免變形以及為了提高靈敏度)。另一個(gè)可能的設(shè)計(jì)目的是所述固定振膜和可移動(dòng)振膜的平均應(yīng)力，使得所述固定振膜和可移動(dòng)振膜的諧振頻率是相同的。
設(shè)計(jì)所述振膜以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的最簡單的方式是使用有限元模擬，盡管分析計(jì)算也是可以的。所述有限元模擬裝置需要材料參數(shù)、應(yīng)力和應(yīng)力梯度作為模擬的輸入?yún)?shù)。所述實(shí)際應(yīng)力可以通過翅曲度實(shí)驗(yàn)(wafer bow experiment)測量。所述應(yīng)力梯度可以用特殊的測試結(jié)構(gòu)(例如懸臂梁或者通過一種已知的振膜設(shè)計(jì)的表面輪廓以及使所述模擬適應(yīng)所述測量到的撓度)測量。然后所述設(shè)計(jì)可以在模擬裝置中變化直至達(dá)到預(yù)期的性能。 例如，如果所述背板的諧振頻率太高，那么可以延長所述狹縫。
上面描述了實(shí)施方法的各種示例。應(yīng)當(dāng)明白，所述設(shè)計(jì)不一定是如上所述的理想徑向，而是也可以是隨機(jī)的或者任意分段的，只要釋放或者控制所述應(yīng)力或者應(yīng)力梯度有利于所述器件的性能。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解各種修改。
權(quán)利要求
1.一種MEMS器件，包括由間隙間隔開的固定振膜(105)和可移動(dòng)振膜(103)，其中感測或者控制所述可移動(dòng)振膜(103)的移動(dòng)以提供所述器件的操作， 其中所述固定振膜(105)包括在所述振膜區(qū)域上的孔陣列， 其中與所述固定振膜外圍相鄰地設(shè)置的至少一組孔包括多行的延長孔，所述行與所述外圍相距不同的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的器件，其中一行中的孔相對(duì)于另一行中的孔是交錯(cuò)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的器件，其中每一個(gè)孔的延長方向通常都沿著所述外圍的方向延伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，其中一行中的孔與相鄰行中的孔相比具有相同的寬度但是不同的長度。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述孔陣列包括多個(gè)段，其中每一個(gè)段均具有相同的有效彎曲力矩，其中所述組的孔被包含在最外側(cè)的段中。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述固定振膜(105)和所述可移動(dòng)振膜(103)是圓形的，并且所述組的孔的每一行均包括固定半徑的圓。
7.根據(jù)權(quán)利要求4、5和6所述的器件，其中在所述組的孔內(nèi)，每一行都具有與徑向內(nèi)側(cè)上的相鄰行相比更長的孔，使得孔長度與到中心的徑向距離成比例。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中在最靠近中心的最內(nèi)側(cè)段內(nèi)，所述孔還包括多行延長孔，所述行與所述外圍相距不同的距離，并且一行中的孔相對(duì)于在另一行中的孔是交錯(cuò)的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，其中在最內(nèi)側(cè)段中每一個(gè)孔的延長方向通常都沿著所述外圍的方向延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的器件，其中所述最內(nèi)側(cè)段的最外側(cè)行的孔比最外側(cè)段的最內(nèi)側(cè)行的孔長。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的器件，其中在最靠近中心的最內(nèi)側(cè)段內(nèi)，所述孔包括多個(gè)具有高寬比為I的開口。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，包括麥克風(fēng)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中選擇所述固定振膜和可移動(dòng)振膜的平均應(yīng)力，使得所述固定振膜和可移動(dòng)振膜的諧振頻率是相同的。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述孔具有逐漸變細(xì)的形狀。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中沿全部周長夾住所述固定振膜。
全文摘要
一種MEMS器件(諸如麥克風(fēng))使用固定的穿孔板。所述固定板包括在所述板區(qū)域上的孔陣列。與所述外圍相鄰的至少一組的孔包括多行延長孔，所述行相距所述外圍不同的距離。這種設(shè)計(jì)提高了所述振膜的機(jī)械魯棒性并且可以額外地允許所述板的機(jī)械行為的調(diào)諧。
文檔編號(hào)H04R9/02GK102984632SQ20121032029
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者伊麗絲·博米納-西爾金斯, 安德魯斯·瓦斯克斯庫田特羅, 克勞斯·萊曼, 特溫·范利龐, 雷默克·亨里克斯·威廉默斯·皮內(nèi)伯格 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司