壓電MEMS傳感器、聲換能器和電子器件制造技術

一種壓電型MEMS傳感器、具體地麥克風(50)，形成于采用半導體材料的容納柔順部分(54)的膜(52)中，該柔順部分從該膜的第一表面(52a)延伸至第二表面(52b)。該柔順部分(54)具有低于該膜(52)的其余部分的楊氏模量。具有半導體材料的敏感區域(57)在該柔順部分(54)上方在該第一表面(52a)上延伸，并且在其端部在所述柔順部分(54)的相反側上固定至所述膜(52)上。所述膜的安排在所述柔順部分(54)與所述第二表面(52b)之間的第三區域(55)形成鉸鏈元件。

【技術實現步驟摘要】
壓電MEMS傳感器、聲換能器和電子器件
本技術涉及一種具有改進靈敏度的壓電型MEMS(微機電系統)傳感器，如力傳感器、壓力傳感器、變形傳感器或麥克風。在下文中，將具體參考麥克風，而不失一般性。
技術介紹
眾所周知，微加工半導體器件的MEMS技術使得能夠在半導體材料層內形成微機電結構，這些微機電結構在犧牲層(例如，多晶硅層)上沉積或生長(例如，外延層)，這些犧牲層經由化學蝕刻而被去除。例如，如圖1所示，MEMS麥克風(也稱為電聲換能器)包括集成在半導體材料的芯片中或芯片上的柔性膜。這里，麥克風1包括由襯底3承載并懸掛在空腔4上方的膜2。如用虛線所表示的，膜2暴露于聲波(Patm)下并且由于這些聲波所施加的力而偏轉。對膜的偏轉的測量可以屬于不同的類型，例如，屬于壓阻類型，并且為此，將壓敏電阻器集成在膜中或膜上；屬于電容型，并且為此，將膜電容耦合至裸片的另一導電區域；屬于電磁型，并且為此，將線圈耦合至磁性區域。在所有情況下，對由于膜的偏轉而引起的電信號的變化進行測量。近幾年來，還提出了壓電型麥克風，其中，利用了壓電性，即，某些材料在經受變形時產生電壓的能力。具體地，在壓電型麥克風中，采用壓電材料(如，AlN和PZT(鋯鈦酸鉛))的敏感區域形成在膜上，在中心位置，受到最大變形并因此受到最大應力。在引起膜的偏轉以及因此敏感區域的偏轉的聲波存在的情況下，這些引起了與所檢測到的聲波的強度相關的電壓變化。連接至MEMS麥克風的接口電路放大所產生的電荷并處理由此產生的信號，從而輸出模擬信號或數字信號，該模擬信號或數字信號然后可以由相關聯的電子器件的微控制器來處理。例如在US8,896,184中描述了并且在圖2-4中表示了壓電型MEMS麥克風。圖2示出了在上述美國專利中所描述的懸臂梁型的MEMS麥克風5的實施例。麥克風5包括具有空腔7的硅襯底6以及在空腔上方延伸的兩個梁8A、8B。每個梁8A、8B在對應側(右手側和左手側)上錨定到襯底6并且由層堆疊形成，該層堆疊例如包括多個壓電層10(例如，采用鉬)，與多個電極層11(例如采用氮化鋁)相交替。電介質層12使梁8A、8B與襯底6電絕緣。在不同的實施例中，同樣是在上述美國專利中所描述并且在圖3和圖4所示出的，麥克風15包括外圍固定至襯底17并懸掛在空腔18上方的膜16。膜16由AlN制成，并且鉬電極19、20在膜16的上方和下方均有形成，從而形成兩個敏感元件。這些壓電型麥克風通常通過偏轉進行工作。這使得位于膜的中心的壓電部分比安排在外圍的壓電部分偏轉得更多。實際上，只是壓電區域的中心部分以有效的方式工作，而實際上不使用外圍部分。
技術實現思路
因此，本技術的目的是提供一種以與現有技術解決方案相比更有效的方式運行的壓電型傳感器。根據本技術，提供一種壓電MEMS傳感器，包括：半導體材料的膜，所述膜具有第一和第二表面；在所述膜內的柔順部分，所述柔順部分從所述膜的所述第一表面延伸到所述第二表面，并且將所述膜的第一區域與第二區域分離開，所述第一和第二區域安排在所述柔順部分的不同側上，所述柔順部分具有低于所述膜的所述第一和第二區域的楊氏模量；以及包括壓電材料的敏感區域，所述敏感區域在所述柔順部分上方在所述第一表面上延伸，并且具有固定至所述膜的所述第一區域的至少一個第一部分以及固定至所述膜的所述第二區域的一個第二部分，其中，所述膜的安排在所述柔順部分與所述第二表面之間的第三區域形成鉸鏈元件。附圖說明為了更好地理解本技術，現在僅通過非限制性示例的方式參照附圖描述本技術的優選實施例，在附圖中：-圖1示出了壓電型力傳感器的簡化圖；-圖2是已知壓電MEMS麥克風的橫截面；-圖3是不同的已知壓電MEMS麥克風的橫截面；-圖4是圖3的MEMS麥克風的頂視平面圖；-圖5是展示出本技術傳感器的工作原理的簡化圖；-圖6示出了使用圖5所示的工作原理的MEMS傳感器的可能實現方式；-圖7是使用圖5所示的工作原理的麥克風的橫截面；-圖8是圖7的麥克風的一部分的俯視透視圖；-圖9示出了圖8的麥克風的放大細節；-圖10-15是圖7的麥克風的連續制造步驟中的硅晶片的橫截面；-圖16示出了連接至圖7的麥克風的前置放大器的簡化電路圖；-圖17示出了聲換能器的框圖，該聲換能器包括圖7的麥克風及圖17的前置放大器；-圖18示出了配置有本技術麥克風的電子裝置的簡化框圖；以及-圖19示出了圖7的麥克風的不同實施例的細節。具體實施方式本MEMS傳感器基于將作用于其上的橫向力轉換成縱向拉伸力的原理，所述縱向拉伸力作用于敏感壓電材料區域。以均勻的方式將如此轉換的力施加于敏感區域的整個或基本上整個體積上，其從而以更有效的方式工作。這可以采用圖5所示的方式來獲得。這里，傳感器30包括采用壓電材料(例如，PZT)的敏感區域31，該敏感區域形成在鉸鏈元件32的上方，該鉸鏈元件在這里通過在其第一端處在O中鉸接在一起并在其第二端處固定至敏感區域31的兩個臂33來表示。敏感區域31在此被例示為條帶，該條帶具有與圖5中可見的寬度相對應的縱向方向，平行于二維參考系XZ的軸線X。如圖5所示，在垂直于敏感區域31的縱向方向的方向上(平行于Z軸)作用于傳感器30上的橫向力FT產生了作用在臂32上并且作用用于使臂32的第二端遠離彼此的扭矩M。因此，臂32的第二端在敏感區域31上在固定區域中施加縱向力偶FL，該縱向力偶相對于敏感區域30在相反方向上被縱向引導，并且在其縱向方向上“拉”敏感區域30。以這種方式，鉸鏈元件32將橫向力FT轉換成以均勻的方式施加在敏感區域30的整個體積上的縱向力FL。上述參考圖5描述的原理可以以圖6所示的方式在采用半導體材料的MEMS器件中實現。這里，半導體材料(例如硅)的本體40(具有彼此相反的第一表面40a和第二表面40b)具有從第一表面40a延伸直至接近第二表面40b的柔順區域41。柔順區域41可以是空腔，該空腔可以是空的或填充有具有比本體40的半導體材料更大的彈性系數的材料，例如，氧化硅。本體40的被安排在柔順區域41下面在后者的底部與本體40的第二表面40b之間的部分具有比本體40小的厚度以及與空腔41的體積相比較低的順應性，并形成類似于圖5中的鉸鏈元件32的鉸鏈區域45。敏感區域42(采用壓電材料)在柔順區域41處在第一表面40a上方延伸，并且在其兩個相反端處被固定至本體40，在本體40的兩部分上相對于柔順區域41被安排在相反側上。因此，類似于針對圖5已經描述的，垂直于第一表面40a地作用于本體40上的橫向力FT(例如，聲波)引起垂直于第一表面40a并在相反的方向上被引導的縱向力偶FL。這些縱向力FL作用用于使本體40的安排在空腔41相反側上的兩個部分以及因此敏感區域42的端部相互遠離，從而造成敏感區域42的拉伸變形。由于壓電效應，產生可以被測量的電壓。應注意的是，通過適當的調整空腔41和敏感區域42的尺寸，即使空腔41是空的，也可以防止由于縱向力FL而導致的敏感區域42的任何向下撓曲。在這種情況下，例如，空腔41(在平行于X軸的方向上)的寬度可以小于敏感區域42(在平行于Z軸的方向上)的厚度。以這種方式，即，獲得了性能增益，因為敏感區域42的電容降低，并且所產生的電荷以及因此電壓增大本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種壓電MEMS傳感器(50)，其特征在于，包括：半導體材料的膜(52)，所述膜具有第一和第二表面(52a，52b)；在所述膜內的柔順部分(54)，所述柔順部分從所述膜的所述第一表面(52a)延伸到所述第二表面(52b)，并且將所述膜的第一區域與第二區域分離開，所述第一和第二區域安排在所述柔順部分的不同側上，所述柔順部分(54)具有低于所述膜(52)的所述第一和第二區域的楊氏模量；以及包括壓電材料的敏感區域(57)，所述敏感區域在所述柔順部分(54)上方在所述第一表面(52a)上延伸，并且具有固定至所述膜(52)的所述第一區域的至少一個第一部分以及固定至所述膜的所述第二區域的一個第二部分，其中，所述膜的安排在所述柔順部分(54)與所述第二表面(52b)之間的第三區域(55；55’)形成鉸鏈元件。

【技術特征摘要】
2016.10.31 IT 1020160001097641.一種壓電MEMS傳感器(50)，其特征在于，包括：半導體材料的膜(52)，所述膜具有第一和第二表面(52a，52b)；在所述膜內的柔順部分(54)，所述柔順部分從所述膜的所述第一表面(52a)延伸到所述第二表面(52b)，并且將所述膜的第一區域與第二區域分離開，所述第一和第二區域安排在所述柔順部分的不同側上，所述柔順部分(54)具有低于所述膜(52)的所述第一和第二區域的楊氏模量；以及包括壓電材料的敏感區域(57)，所述敏感區域在所述柔順部分(54)上方在所述第一表面(52a)上延伸，并且具有固定至所述膜(52)的所述第一區域的至少一個第一部分以及固定至所述膜的所述第二區域的一個第二部分，其中，所述膜的安排在所述柔順部分(54)與所述第二表面(52b)之間的第三區域(55；55’)形成鉸鏈元件。2.根據權利要求1所述的MEMS傳感器，其特征在于，所述柔順部分(54)包括在所述膜(52)中的空腔(53)。3.根據權利要求2所述的MEMS傳感器，其特征在于，所述空腔(53)填充有具有低于所述半導體材料的楊氏模量的柔順材料。4.根據權利要求3所述的MEMS傳感器，其特征在于，所述柔順材料選自介電材料、與所述膜的所述半導體材料不同的半導體材料、以及多孔半導體材料。5.根據權利要求1或2所述的MEMS傳感器，其特征在于，包括在所述膜(52)中彼此相鄰安排的多個另外的柔順部分(54)、以及在對應的另外的柔順部分(54)上方在所述第一表面(52a)上延伸的相應多個另外的敏感區域(57)，所述另外的敏感區域各自在所述對應的另外的柔順部分...

【專利技術屬性】
技術研發人員：D·朱斯蒂，S·康蒂，
申請(專利權)人：意法半導體股份有限公司，
類型：新型
國別省市：意大利,IT