[发明专利]用于微机电系统传感器的微机电系统应力集中结构

说明书

该非临时申请要求美国临时申请No.61/239,068的优先权，该美国临时申请是在2009年9月2日提交的，并且结合在此以作为参考。

技术领域

本发明涉及一种用于应力集中结构的设计和制造方法，所述应力集中结构适用于微机电系统(MEMS)传感器，尤其是麦克风和压力传感器，这种微机电系统传感器涉及将器件功能的所有电子和机械元件全部或部分地集成在硅基底或任何其它材料上。

背景技术

使得每项功能(所涉及的部件)的尺寸更小、性能更好并且成本更低是现代电子工业发展的主要推动力。为了实现这些目的，工业上试图将更多功能，包括机械传感器和它们的传感电子器件，集成到小型化的芯片上。

用于在MEMS麦克风和压力传感器中进行转换的最常见的方法是以电容量感测方法为基础的。这种方法依赖于在电容结构的一个电极中测量的引发比例位移的量。这种电容量的变化然后可以被转换成等效电信号。

下面通过图1和图2中的电容式MEMS麦克风来解释并说明现有技术的技术方案的缺陷和困难，所述技术方案是以电容量感测结构为基础的用于麦克风的独立传感器或单芯片传感器、压力传感器或者惯性传感器(但不限于上述器件)。

图1和图2示出了现有技术的电容式MEMS麦克风10的构造。该麦克风包括薄底板电极12或者形成在基座13上的膜，所述薄底板电极或者膜通常由硅制成。在底板12的顶部上通过支柱14支承有顶板电极11，该顶板电极11通常具有较大的侧向尺寸、比较厚并且是穿孔的。贯穿基座13蚀刻有空心柱状孔15，该空心柱状孔15具有与底板12相同的尺寸。当声波16通过孔15或者从顶部通过穿孔的顶部电极11冲击到底板12上时，压力(P，1mPa至10Pa)引起底板12变形，并且改变顶部电极11与底部电极12之间的距离。这使得所述电极11、12之间的电容量改变。电路拾取该电容量的改变，并且将该改变转换成电信号。

图2示出图1中的麦克风的横截面视图。所述底部电极12是柔性的，并且当受到声波16的冲击时改变它与顶部电极11之间的距离。电容量是电极间距离d的反函数。d的初始值确定该电容器的静态电容量(C＝ε₀A/d)，该初始值可以在顶板和底板中存在内部应力时显著地改变。d随压力的变化表现为麦克风的灵敏度，该变化是一个复变函数，该复变函数取决于底部电极12的尺寸和形状、该底部电极的厚度以及该电极12的材料常数。这些参数经常是制造技术中不太容易控制的函数。

在电子产品中，硅MEMS麦克风日益取代了驻极体麦克风(ECM)，因为硅MEMS麦克风的尺寸较小并且在SMT组装中具有粗放性。几乎所有的MEMS麦克风的商业实施方案都使用一种两芯片方法。它包括连接到前置放大器芯片的基于硅MEMS的电容膜芯片。这两种芯片组装到适当的基底上，例如FR-4PCB板，并且另外通过包装罩保护。

硅MEMS麦克风的典型电参数为：

灵敏度                  -42dBV/Pasca

                        I

信噪比                  60dB

HV发生器                10-12V

                        +/-0.25V

放大器输出噪声(@OdB增益)＜10μV

电流消耗                150μA

电源电压范围            1.5V-4.5V

MEMS麦克风膜基于压敏电容器的原理工作，其中，一个板(柔性板)制成在声波16的压力下弯曲。这改变了电容器的电容量，该电容量可以在横跨施加电压时被感测到。这种功能在图1中示出。

电容式MEMS麦克风膜的典型物理参数如下：

电极间距离d   1.5-2μm

固定电极厚度  5-20μm

柔性电极厚度  0.4-0.7μm

X-Y尺寸       ＜80μm

芯片尺寸      ＜1.2mm×1.2mm

对于单芯片集成，几乎所有尝试都基于将电容式MEMS膜用作传感器，但在将电容式MEMS膜集成到电路芯片的实施过程中存在许多困难和缺点，其原因将在下面说明。出于这些原因，单芯片MEMS麦克风的成本保持很高，并且无法与两芯片式MEMS麦克风或者ECM麦克风相比。