[发明专利]MEMS器件

说明书

本发明涉及MEMS器件。

消费型电子器件逐渐变得越来越小，并且随着技术的发展，也正 获得日益增强的性能和功用。这在消费型电子产品如移动电话、笔记 本电脑、MP3播放器和个人数字助理(PDA)所使用的技术中非常明显。 例如，移动电话工业的需求正驱使元件在伴随着功能提高和成本下降 的同时而变得越来越小。因此，所希望的是，将电子电路的功能集成 在一起，并将它们与诸如扩音器和扬声器之类的换能器相组合。

这一趋势的结果便是，出现了基于微机电系统(MEMS)的换能器 器件。这些例如可以是，用于检测和/或产生压力/声波的电容式换能 器或者用来检测加速度的换能器。通过去除换能器-电子接口，就使需 要操作和处理来自MEMS信息的电子电路集成起来，从而持续驱动这些 器件的尺寸和成本减小。实现这些目标所面临的挑战之一便是，确保 集成器件在大幅变动的运行条件下均能保持稳定。尤为重要的是，器 件应该对在较大温度范围内的条件变化相对不敏感，因为这会极大地 影响器件的灵敏度/性能。另外，在制造MEMS器件期间，难于实现与 用于制造互补型金属氧化物半导体(CMOS)电子器件的标准工艺的兼 容性。要求具有这种兼容性，以允许MEMS器件与使用同种材料和处理 机器的传统电子元件直接集成。本发明致力于解决这两个方面。

小型微加工硅扩音器在本技术领域是众所周知的。它们的工作原 理是基于响应于声压而弯曲的小柔性膜片或薄膜。薄膜通常是导电的 或者包含电极。通常采用与薄膜形成可变电容器的靠近耦合的刚性打 孔背板导体，来检测薄膜的小弯曲。薄膜和背板导体之间的电容得到 测量，这就形成换能器的输出。换能器的灵敏度取决于薄膜的刚度， 刚度较小的薄膜将响应于声压而更为弯曲，因此导致电容出现更大变 化。因此，换能器的针对温度变化的灵敏度，取决于作为温度函数的 薄膜刚度变化。

典型的换能器电容在1-10pF范围内。然而，由于音频声信号而产 生的电容变化比幅度低大约五个量级。为测量电容，偏置电压(例如 10V)被施加到扩音器的一个电极。另一电极连接到高输入阻抗(-10G Ω)前置放大器。由于通过Q＝CV所给出的电荷Q、电容C以及电压V 之间的关系，偏置电压形成在电容器上的电荷。与音频频率相关的典 型时标一般远短于电容器的电荷消散时间，因此电荷Q可被认为恒定。 这意味着，电极之间响应于声波的任何距离变化，被反映为电极两端 的电势的变化，这可由前置放大器测量。

因为响应于音频声信号的电容的小变化，制作高灵敏度的器件是 很重要的。因此，除此之外，还应避免电路元件和换能器之间的寄生 电容。另外，所希望的是，将换能器与电子元件直接集成，来实现紧 凑和低成本的器件。也希望的是，使整个集成器件具有数字处理的能 力。为了达到此目的，有必要使用与制造电子元件(尤其是CMOS器件) 中使用的工艺和材料兼容的工艺和材料，来制造换能器。例如，这意 味着应避免使用会污染和破坏结的性能的金，而使用普通材料和工艺 并避免使器件承受400℃以上的工艺温度。

薄膜悬置和布置的多种变型是公知的。所选择的设计极大地影响 制造出的换能器的最终形成的灵敏度。

在之前公知的由Kabir等人提出的MEMS扩音器的实现方案(参考 文献1)中，薄膜是由在边缘松散拱起的厚硅制成。在此，薄膜以活 塞式运动进行移动，灵敏度取决于薄膜的惯性质量以及拱起边缘的刚 度。然而，在该实现方案中，薄膜相当厚，因而导致低灵敏度。另外， 金背板不能与商业铸造中的CMOS制造工艺直接集成。

在另一种之前公知的实现方案中，Scheeper等人(参考文献2)中 公开了一种MEMS扩音器，其中薄膜如鼓皮般被张力保持。因此，灵敏 度取决于薄膜张力和厚度。氮化硅薄膜得到使用，但是如果给定其尺 寸，则因为薄膜应力、背板中空气孔的密度以及薄背板，就使扩音器 的灵敏度很低。

Pedersen等人(参考文献3)展示了一种与CMOS电子器件集成的扩 音器。在此，聚酰亚胺被用于薄膜和背板材料。这就允许薄膜内应力 减小。另外，背板的厚度被增加以增加其刚度。然而，聚酰亚胺展现 出较大的热膨胀系数，因此并非是针对器件制造的优选的可靠材料。

另一种在MEMS扩音器中使用氮化硅薄膜的实现方案，由 Cunningham等人(参考文献4)所公开。在此，薄膜的外部分起皱，以 释放内部压力并形成松散耦合的膜片。以这种方式制造的薄膜较为昂 贵，因为它需要另外的处理步骤。