[发明专利]形成在PCB支撑结构处的MEMS压电式换能器

说明书

描述了一种微机电系统MEMS器件(100)，该MEMS器件包括由印刷电路板PCB材料形成的支撑结构(110)，以及形成在该支撑结构(110)处的压电式换能器(120)。此外，描述了一种MEMS组件(390)，该MEMS组件包括安装在部件承载件(392)处的这种MEMS器件(100)。此外，描述了一种用于制造这种MEMS器件(100)的方法。

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)的技术领域以及用于生产该微机电系统的方法。

背景技术

微机电系统(MEMS)用于小型装置和组件群组，这些小型装置和组件群组在非常小的尺寸内实现并包括为了特定功能而彼此配合的部件。通常，MEMS包括均在一个共同的半导体基底上实现的一个或多个传感器或致动器以及电子控制电路。整个MEMS的大小通常约为数微米。MEMS可以用于在(a)机械部件如机械传感器或致动器以及与(b)连接至该机械部件的电子电路之间需要机械交互的任何类型的应用。

一般而言，MEMS是通过标准半导体工艺建造的机电结构。由于MEMS在许多应用中的重要性，已开发了MEMS专用设备和工艺，以优化MEMS器件的成本和性能。为此，现代MEMS器件的主基底为硅(Si)，因为Si是常见且容易加工的材料。然而，在广泛的MEMS领域中，已知还使用其他材料，诸如碳化硅(SiC)、金刚石或石英。适合材料的良好选择可取决于温度要求或本征材料性质。

发明内容

需要进一步优化建造MEMS器件的性能，尤其是优化建造MEMS器件的成本效率。

根据本发明的第一方面，提供了一种微机电系统(MEMS)器件，该MEMS器件包括(a)由印刷电路板(PCB)材料形成的支撑结构，以及(b)形成在该支撑结构处的压电式换能器。

所描述的MEMS器件基于下述构思：压电材料诸如锆钛酸铅(PZT)或氮化铝(AlN)可以直接沉积在典型的PCB材料诸如Cu和聚合物(如FR4)上。依靠PCB材料作为用于MEMS的支撑结构以制造多个MEMS器件，关于在一个批次内生产的MEMS器件的数量的输出可以非常高。与直径大约为例如150mm的半导体晶片相比，PCB可以具有大得多的尺寸。PCB生产工艺通常依靠并利用18英寸x 24英寸(＝45.72cm x 60.96cm)及更大尺寸的板操作。假设同时建造多个MEMS器件的加工时间相等，仅“生产形式”的对应改变就会造成输出增加15倍。

此外，典型的PCB基材料通常比硅(Si)晶片便宜得多。一方面，这允许便宜生产MEMS产品。另一方面，以大约相同的生产成本，可以生产更大的MEMS器件，更大的MEMS器件通常具有更高的灵敏度或效率。在数字方面，目前较高端的FR4板要花费约20US$或每mm²为7x10^-5US$。与此相比，150mm的硅晶片要花费约200US$或每mm²为0.02US$。这意味着使用PCB材料FR4来实现压电式换能器的支撑结构比使用硅用于相同目的要便宜99.5％。

此外，通过已知的PCB制造工艺可以以简单的方式实现在一定面积内集成多个MEMS器件。例如，通过所谓的电镀通孔(Plated Through Holes,PTH)实现“前端至后端”互连比通过所谓的“硅穿孔(Through Silicon Vias,TSV)”实现对应的互连便宜得多。

此外，可以通过应用完善的表面安装技术(SMT)和/或通过嵌入简单地添加由一个或多个电子部件实现的额外电子电路。这简化了上述MEMS器件在一个或多个电子部件构成的电子环境内的集成。

为了实现产生例如后体积(back-volume)、腔、通道等的可能有必要的额外结构，可以对PCB支撑结构进行钻孔或铣削。对应结构不仅可以通过机械工具形成，还可以例如通过激光钻孔和/或激光烧蚀和/或等离子蚀刻形成。相比于通常用于在半导体材料上或在半导体材料处形成MEMS的相对昂贵且漫长的湿法或干法蚀刻工艺，这种完善的构造过程可以显著更便宜和/或显著更快地实现。