專利名稱：塌陷模式電容性傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電容性感測(cè)或用于電容性感測(cè)的設(shè)備、方法和程序，如電聲換能器，例如適合生理測(cè)量的超聲設(shè)備或壓力傳感器等。
背景技術(shù)：
通常，小型硅電容式麥克風(fēng)，例如電容性MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))麥克風(fēng)，可以與 CMOS電路集成并通過(guò)批處理來(lái)制造，批處理使器件間的變化小很多。此外，小型硅電容式麥克風(fēng)的形狀因子與當(dāng)前技術(shù)的手持設(shè)備架構(gòu)兼容，不需要用于電偏置的駐極體，這使小型硅電容式麥克風(fēng)比常規(guī)的駐極體麥克風(fēng)更易焊接到印刷電路板PCB上。然而，很難以非常小的體積來(lái)達(dá)到高靈敏度和低噪聲。此外，常規(guī)的硅電容性麥克風(fēng)始終需要貫穿晶片蝕刻，以實(shí)現(xiàn)膜與背板層之間的分離，這是耗費(fèi)時(shí)間和高成本的工藝。典型地，電容式麥克風(fēng)系統(tǒng)可以由四個(gè)元件構(gòu)成固定的穿孔的背板，高柔度的可移動(dòng)的膜或隔膜(它們一起形成可變氣隙電容器的兩個(gè)板)，電壓偏置源，以及緩沖放大
ο圖1示出了這種電容性麥克風(fēng)1的基本結(jié)構(gòu)(左側(cè))和硅晶片5上的三種可能實(shí)現(xiàn)方式(右側(cè))。麥克風(fēng)1包括隔膜或膜2、背板3和背腔室4。在圖1的左側(cè)視圖中示出的背腔室4可以實(shí)現(xiàn)在芯片封裝中或晶片5上。膜2應(yīng)該是高柔度的并相對(duì)于背板3精確定位的，背板應(yīng)該保持固定并對(duì)于通過(guò)它的空氣流呈現(xiàn)最小阻力。使用集成電路材料在尺寸小于Imm的麥克風(fēng)中實(shí)現(xiàn)所有上述特性是相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的。集成電路薄膜中的典型應(yīng)力水平如果沒(méi)有在完成的隔膜或膜2中釋放，則比隔膜會(huì)由于過(guò)度硬化或屈曲而變得不可用時(shí)的應(yīng)力水平高很多倍。對(duì)于給定的隔膜材料和厚度，柔度趨于隨著尺寸減小而快速降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有改進(jìn)的功能性的電容性傳感器。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，提供了一種電容性傳感器，用于測(cè)量例如聲音或壓力等物理參數(shù)。該傳感器可以包括可移動(dòng)膜，形成上電極；以及底層，形成底電極；其中該傳感器配置為按照塌陷模式驅(qū)動(dòng)，其中使可移動(dòng)膜與底層接觸。可移動(dòng)膜與底層之間的接觸區(qū)域的大小被配置為取決于待測(cè)量的物理參數(shù)，例如物理參數(shù)的強(qiáng)度和/或頻率，傳感器的輸出信號(hào)取決于接觸區(qū)域的大小。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，將可移動(dòng)膜分割成多個(gè)較小的區(qū)段，每個(gè)區(qū)段被配置為與底層接觸，每個(gè)較小區(qū)段的接觸區(qū)域的大小取決于待測(cè)量的物理參數(shù)的值或大小，例如物理參數(shù)的強(qiáng)度和/或頻率，傳感器的輸出信號(hào)取決于可移動(dòng)膜的區(qū)段或所有區(qū)段與底層之間的接觸區(qū)域的大小的總量。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，可移動(dòng)膜的每個(gè)區(qū)段可以形成為泡狀部分的上部，該泡狀部分圍繞封閉體積。備選地，根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，電容性傳感器可以包括用于支撐可移動(dòng)膜的支撐物，膜的區(qū)段形成在支撐物之間的部分中。 可移動(dòng)膜可以包括上電極，該上電極是布置在膜內(nèi)部或在膜的上部外側(cè)或下部外側(cè)處的導(dǎo)電層。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，可以在上電極與底電極之間提供電絕緣層。因此，可以有效地避免底電極和上電極之間的電接觸。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，傳感器可以是可選地用于測(cè)量聲音的電聲換能器，或者是壓力傳感器。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，提供了一種電容性傳感器的制造方法，電容性傳感器用于測(cè)量例如聲音或壓力等物理參數(shù)。該方法包括特征形成底層，底層形成底電極；在底層上形成用作膜支撐物的層部分和犧牲層；形成用作膜的上層，膜形成上電極；以及在膜支撐物之間蝕刻犧牲層，以提供在膜下面的多個(gè)空腔，作為膜區(qū)段。根據(jù)本發(fā)明的至少一些實(shí)施例或者可選地所有實(shí)施例以非常小的體積達(dá)到高靈敏度和低噪聲。此外，貫穿晶片蝕刻不是必需的。此外，相比于MEMS麥克風(fēng)，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例提供了增強(qiáng)的信噪比并允許更魯棒的配置。此外，制造工藝可以簡(jiǎn)化和更加快速。不需要貫穿晶片空腔。犧牲層蝕刻更簡(jiǎn)單， 帶來(lái)了更高成品率。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，對(duì)于壓力變化的靈敏度較高，提供了良好的壓力測(cè)量。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的塌陷模式傳感器還提供了對(duì)聲音的良好靈敏度。此外，由于分割，可以避免、減小或控制麥克風(fēng)膜中的應(yīng)力。一些或更多的所述實(shí)施例涉及所謂“塌陷模式”下的電容性換能器，并可以用于檢測(cè)或測(cè)量聲音或壓力。通過(guò)將可移動(dòng)元件分割成較小的部分來(lái)改進(jìn)或優(yōu)化該換能器。這種分割對(duì)于塌陷模式的電容性傳感器是有益的。簡(jiǎn)要


通過(guò)一些附圖和示例進(jìn)一步闡明本發(fā)明，附圖和示例不是要限制本發(fā)明范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可以組合多個(gè)實(shí)施例。本發(fā)明的目的是提供一種具有改進(jìn)的功能性的電容性傳感器。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，提供了一種電容性傳感器，用于測(cè)量例如聲音或壓力等物理參數(shù)。該傳感器可以包括可移動(dòng)膜，形成上電極；以及底層，形成底電極；其中該傳感器配置為按照塌陷模式驅(qū)動(dòng)，其中使可移動(dòng)膜與底層接觸?？梢苿?dòng)膜與底層之間的接觸區(qū)域的大小被配置為取決于待測(cè)量的物理參數(shù)，例如物理參數(shù)的強(qiáng)度和/或頻率，傳感器的輸出信號(hào)取決于接觸區(qū)域的大小。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，將可移動(dòng)膜分割成多個(gè)較小的區(qū)段，每個(gè)區(qū)段被配置為與底層接觸，每個(gè)較小區(qū)段的接觸區(qū)域的大小取決于待測(cè)量的物理參數(shù)的值或大小，例如物理參數(shù)的強(qiáng)度和/或頻率，傳感器的輸出信號(hào)取決于可移動(dòng)膜的區(qū)段或所有區(qū)段與底層之間的接觸區(qū)域的大小的總量。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，可移動(dòng)膜的每個(gè)區(qū)段可以形成為泡狀部分的上部，該泡狀部分圍繞封閉體積。備選地，根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，電容性傳感器可以包括用于支撐可移動(dòng)膜的支撐物，膜的區(qū)段形成在支撐物之間的部分中。可移動(dòng)膜可以包括上電極，該上電極是在膜內(nèi)部或在膜的上部外側(cè)或下部外側(cè)處的導(dǎo)電層。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，可以在上電極與底電極之間提供電絕緣層。因此，可以有效地避免底電極和上電極之間的電接觸。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，傳感器可以是可選地用于測(cè)量聲音的電聲換能器，或者是壓力傳感器。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，提供了一種電容性傳感器的制造方法，電容性傳感器用于測(cè)量例如聲音或壓力等物理參數(shù)。該方法包括以下特征形成底層，底層形成底電極；在底層的頂部上形成用作膜支撐物的層部分和犧牲層；形成用作膜的上層，膜形成上電極； 以及在膜支撐物之間蝕刻犧牲層，以提供在膜下面的多個(gè)空腔，作為膜區(qū)段。根據(jù)本發(fā)明的至少一些實(shí)施例或者可選地所有實(shí)施例以非常小的體積達(dá)到高靈敏度和低噪聲。此外，貫穿晶片蝕刻不是必需的。此外，相比于MEMS麥克風(fēng)，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例提供了增強(qiáng)的信噪比并允許更魯棒的配置。此外，制造工藝可以簡(jiǎn)化和更加快速。不需要貫穿晶片空腔。犧牲層蝕刻更簡(jiǎn)單， 帶來(lái)了更高成品率。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，對(duì)于壓力變化的靈敏度較高，提供了良好的壓力測(cè)量。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的塌陷模式傳感器還提供了對(duì)聲音的良好靈敏度。此外，由于分割，可以避免、減小或控制麥克風(fēng)膜中的應(yīng)力。一些或更多的所述實(shí)施例涉及所謂“塌陷模式”下的電容性換能器，并可以用于檢測(cè)或測(cè)量聲音或壓力。通過(guò)將可移動(dòng)元件分割成較小的部分來(lái)改進(jìn)或優(yōu)化該換能器。這種分割對(duì)于塌陷模式的電容性傳感器是有益的。詳細(xì)

以上描述了圖1所示的電容性傳感器的基本電路圖。圖2示意性示出了電容性醫(yī)學(xué)超聲換能器(CMUT)，包括硅晶片10上的底電極 11，底電極11延伸到鍵合焊盤(pán)或連接區(qū)12 ；以及頂電極14，頂電極14位于閉合的“泡狀” 閉合式橋13上或中。頂電極14沿著橋13延伸，向下延伸到晶片10以及連接焊盤(pán)15。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，電容性醫(yī)學(xué)超聲換能器CMUT設(shè)備可以用在“塌陷模式” 下，其中將膜下拉至或接近底電極。這意味著由于頂電極和底電極之間施加的偏置電壓，或者由于大氣壓力(內(nèi)部是低壓并封閉的)，頂部膜向下彎曲或者完全塌陷到晶片表面上，如圖3所示。作用在膜上的聲學(xué)力或壓力由箭頭P代表。圖3示意性示出的電容性醫(yī)學(xué)超聲換能器(CMUT)包括在硅晶片20上延伸到連接焊盤(pán)22 (例如用于底電極的電連接的鍵合焊盤(pán))的底電極21、以及在閉合的“泡狀”閉合式橋23上或中的頂電極24。頂電極24沿著橋23延伸，向下延伸到晶片20的表面并延伸到連接區(qū)25 (例如用于頂電極24的電連接的鍵合焊盤(pán))。由晶片27和橋23包圍的內(nèi)部腔室 27可選的是由這些部件密封的。圖2和3示出了正常模式的電容性換能器(圖2)與塌陷模式的電容性換能器(圖 3)的功能差異。該功能差異在于在圖2所示電氣上等同于麥克風(fēng)操作的正常情況下，間隙變化 Ad產(chǎn)生信號(hào)。平行板電容器的電容等于
權(quán)利要求
1.一種電容性傳感器，用于測(cè)量物理參數(shù)，該電容性傳感器包括可移動(dòng)膜，形成上電極；以及底層，形成底電極；其中該傳感器配置為按照塌陷模式驅(qū)動(dòng)，其中使可移動(dòng)膜與底層接觸，可移動(dòng)膜與底層之間的接觸區(qū)域的大小被配置為取決于待測(cè)量的物理參數(shù)，傳感器的輸出信號(hào)取決于接觸區(qū)域的大小，其中，將可移動(dòng)膜分割成多個(gè)較小的區(qū)段，每個(gè)區(qū)段被配置為與底層接觸，每個(gè)較小區(qū)段的接觸區(qū)域的大小取決于待測(cè)量的物理參數(shù)，傳感器的輸出信號(hào)取決于可移動(dòng)膜的區(qū)段與底層之間的接觸區(qū)域的大小的總量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性傳感器，其中可移動(dòng)膜的每個(gè)區(qū)段形成為泡狀部分的上部，該泡狀部分圍繞著封閉空間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容性傳感器，包括用于支撐可移動(dòng)膜的支撐物，膜的區(qū)段形成在支撐物之間的部分中。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電容性傳感器，其中可移動(dòng)膜包括上電極，該上電極是布置在膜內(nèi)部或在膜的上部外側(cè)或下部外側(cè)處的導(dǎo)電層。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電容性傳感器，其中在上電極與底電極之間提供電絕緣層。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電容性傳感器，其中傳感器是電聲換能器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到5任一項(xiàng)所述的電容性傳感器，其中傳感器是壓力傳感器。
8.一種電容性傳感器的制造方法，該電容性傳感器用于測(cè)量物理參數(shù)，該方法包括 形成底層，底層形成底電極；在底層的頂部上形成用作膜支撐物的層部分以及犧牲層；形成用作膜的上層，膜形成上電極；以及在膜支撐物之間蝕刻犧牲層，以提供在膜下方的多個(gè)空腔，作為膜區(qū)段。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電容性傳感器的制造方法，其中使用薄膜硅工藝技術(shù)來(lái)制造該電容性傳感器。
全文摘要
一種電容性傳感器，配置用于塌陷模式，例如用于測(cè)量聲音或壓力，其中可移動(dòng)元件被分割成較小部分。該電容性傳感器提供了增大的信噪比。
文檔編號(hào)B06B1/02GK102470396SQ201080029537
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者海爾特·倫格瑞斯, 特溫·范利龐, 雷奧特·沃爾特杰爾 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司