本实用新型涉及一种换能器模块以及一种包括该换能器模块的装置。具体地，根据本公开的一个方面，该换能器模块具有多个换能器。根据本公开的另一方面，该换能器模块具有容纳这些换能器的多个腔室。
背景技术：
如已知的，MEMS(微机电系统)类型的换能器包括用于采集或检测环境信号或惯性信号的结构以及用于生成表示所采集或检测的信号或与其相关的电气量的装置。
已知的换能器包括例如压力传感器、陀螺仪、加速度计等等。在电子设备中集成同一类型的多个换能器涉及使用专用集成电路板并且因此对空间占用具有显著的影响。
另外，根据已知技术，不同类型的换能器难以在优化空间组织、区域占用和成本的同时集成在封装体中。
技术实现要素：
本实用新型的目标是提供上述问题的解决方案。
根据本申请的一个方面，提供一种换能器模块，其特征在于，包括：支撑衬底；第一MEMS换能器，所述第一MEMS换能器在使用中受到第一环境激励并且被配置成用于根据所述第一环境激励生成第一转换信号；以及第二MEMS换能器，所述第二MEMS换能器具有悬置在所述支撑衬底上方的薄膜，被配置成用于检测环境量并且根据所述检测的环境量生成第二转换信号，其特征在于，所述换能器模块还包括至少一个导电带，所述至少一个导电带电气地耦合到所述第一MEMS换能器以用于在使用中传送所述第一转换信号，其中，所述薄膜与所述至少一个导电带共面并且具有相同的材料。
在一个实施例中，所述第一MEMS换能器是惯性传感器，并且所述第二MEMS换能器是压力传感器。
在一个实施例中，所述压力传感器是电容传感器，所述电容传感器包括电容性地耦合到所述薄膜的顶部导电板。
在一个实施例中，所述导电带和所述薄膜的材料是掺杂多晶硅。
在一个实施例中，所述薄膜悬置在所述支撑衬底上方并且沿着至少一个方向可移动。
在一个实施例中，换能器模块进一步包括电接触焊盘，所述电接触焊盘电气地耦合到所述导电带以便与所述第一MEMS换能器电连接。
在一个实施例中，换能器模块进一步包括帽盖，所述帽盖在所述支撑衬底上方延伸并且与所述支撑衬底一起限定具有内部压力的第一腔室，所述支撑衬底在与所述薄膜相对应的区域内具有一个或多个通孔，从而使得所述薄膜根据所述内部压力与所述腔室外部的压力之间的差值偏转。
在一个实施例中，换能器模块进一步包括位于所述第一腔室中的与所述第二MEMS换能器类型相同的参考换能器，所述参考换能器具有悬置在所述支撑衬底的一部分上方的对应穿孔薄膜，所述穿孔薄膜不呈现通孔以便生成参考误差信号，所述参考误差信号是机械应力的函数并且不受所述内部压力和/或所述外部压力的影响。
在一个实施例中，换能器模块进一步包括位于所述第一腔室内部的吸气器元件，所述吸气器元件被配置成用于当被激活时生成所述内部压力。
在一个实施例中，所述帽盖具有与所述第一腔室隔离的第二腔室，所述第二腔室容纳第三MEMS换能器，所述第三MEMS换能器在使用中受到第二环境激励并且被配置成用于根据所述第二环境激励生成第三转换信号。
在一个实施例中，所述第一换能器位于陀螺仪与加速度计之间的一个，所述第三换能器位于陀螺仪与加速度计之间的另一个，并且所述第二换能器是压力传感器。
根据本申请的另一方面，提供一种电子装置，其特征在于，包括上述换能器模块，所述电子装置选自包括以下各项的群组：蜂窝电话、智能电话、PDA、笔记本、计算机、录音器、音频播放器以及电子游戏控制台。
根据本申请的方案，能够提供改进性能的换能器模块和相应的电子装置。
附图说明
为了更好地理解本实用新型，现在将仅通过非限制性示例并且参考附图描述其优选实施例，在附图中：
-图1A是根据本公开的实施例的多器件换能器模块的沿着图1B的剖面I-I截取的横向剖面的视图；
-图1B是图1A的换能器模块的俯视平面图；
-图2是根据本公开的另一实施例的多腔室多器件换能器模块的横向剖面的视图；
-图3示出沿着不同的横向剖面的图1的换能器模块；
-图4至图9示出用于制造图1的换能器模块的步骤；
-图10表示属于根据图1至图3的实施例中任一项的换能器模块的基于薄膜的电容性压力传感器根据薄膜自身的边长大小的灵敏度的变化；以及
-图11是包括根据图1至图3的实施例中任一项的换能器模块的电子装置的示意图。
具体实施方式
参考图1A，在空间坐标系X、Y和Z中，示出了容纳第一换能器20和第二换能器30的换能器模块10。图1B是第一换能器20和第二换能器30(或多个第二换能器30)在俯视平面图中的空间组织的示意图。为了表示简单，未在图1B中示出图1A的换能器模块10的其他元件。在通过本公开的示例提供的实施例中，第一换能器20是惯性传感器具体是陀螺仪，并且第二换能器30是环境量传感器具体是设置有薄膜并且基于电容感测原理的压力传感器。第一换能器20可以可替代地是加速度计。
第一和第二换能器20、30被容纳在限定于衬底1和帽盖19之间的同一个腔室8中。帽盖19通过耦合区域3(键合区域、或胶水等等)耦合到衬底1。腔室8与外部环境流体地隔离。
由电绝缘材料制成的支撑层2在衬底1的顶表面1a上方在腔室8内部延伸。支撑层2还可以在腔室8外部延伸。
具体由掺杂多晶硅(例如，N型)制成的电连接区域4在支撑层2上延伸。电连接区域4被成形为在腔室8外部部分地形成导电带，这些导电带提供与一个或多个电接触端子15的电互连(以及除了导电焊盘之外或作为其替代物)。电连接区域4进一步形成第二换能器30的薄膜(由参考标记4a表示)。
更详细地，电连接区域4的至少部分地在第二换能器30下方延伸的那一部分是悬置的并且能够在方向Z上移动(通过本地移除支撑层2和衬底1的选择性区域)。由导电材料制成的所述薄膜4a面朝刚性板6(此术语在此是指相对于挠性的薄膜4a相对刚性的元件)。刚性板6由导电外延多晶硅(例如，具有N型掺杂)制成并且直接面朝薄膜4a，从而使得薄膜4a和刚性板6形成具有电容CP的电容器的相对板。通过适当地将电连接区域4成形为在使用中偏置刚性板6来形成电连接4b。在一个实施例中，薄膜4a在使用中受到作用在方向Z上的力(在任何情况下，根据腔室8内部的压力P1与腔室8外部的压力P2之间的差值)。
通过示例，导电区域4的介于0.5μm与1.5μm之间的具体是0.9μm的厚度确保了电信号的路由功能和第二换能器30所需的偏转功能(将导电区域4用作挠性薄膜)。薄膜4a例如具有四边形形状、具体是正方形形状，具有介于50μm与100μm之间的、具体是介于70μm与90μm之间的边长。
为了在薄膜4a的侧边与腔室8外部的环境之间建立连接，在衬底1中在已经移除支撑层2的区域内设置一个或多个孔9。孔9延伸通过衬底1的厚度(沿着Z)直至薄膜4a。以此方式，薄膜4a具有面朝腔室8的内侧并且受到内部压力P1的第一表面以及与第一表面相反的面朝腔室8外部的环境的并且受到外部压力P2的第二表面。在使用中，薄膜4a根据腔室8外部的环境与内部环境之间的压力差经历变形。
形成多个孔9而不是具有更大大小的单个开口展现了在与第二换能器30相对应的区域内不显著地修改衬底的硬度的优点。
第一换能器20包括悬置结构，这些悬置结构能够在一个或多个方向上可移动(本文是定子11和转子12)、电气地耦合到电连接区域4的对应的导电带4c、4d，因此形成朝向腔室8的外部电接触端子15的对应的导电路径。定子11和转子12通过对应的静止基座16、17与下方的导电带4c、4d电接触。
为了简化制造步骤、降低成本(通过减少工艺掩模)并且增加换能器模块10的紧凑性，第一和第二换能器20、30被形成为从同一个结构区域35开始，该区域被限定为(例如，在同一个工艺步骤中光刻地)同时形成定子11、转子12以及刚性板6。在一个实施例中，还在同一个制造步骤中形成电接触端子15。
换能器模块10还可选地包括吸收气体或气体分子的元件32(也被称为“吸气器”)。吸气器32具有在腔室8内部生产压力P1的功能，该压力不同于(通常低于)腔室8外部的环境的压力P2。吸气器32通常具有按照层形式沉积的材料并且具有吸收特定气体分子的功能。用作吸气器层的材料是已知的并且包括例如金属，诸如铝(Al)、钯(Ba)、锆(Zr)、钛(Ti)、钒(V)、铁(Fe)，或相应的混合物或合金，诸如锆铝、锆钒铁、锆镍、锆钴(具体是Zr/Co/O合金)。
根据一个实施例，吸气器32是按照层形式在帽盖19的内表面上提供的非挥发性吸气器(NEG)。如已知的，在形成吸气器32的步骤期间，吸气器32的材料与周围空气反应，使得能够形成完全地涂覆吸气器32的表面积的钝化层(通常是氧化物或氧化物/氮化物)，使得其失活。吸气器32的激活在第一腔室8在高温下通过本地激活进行气密封之后发生。可以通过从换能器模块10的与吸气器32布置在其中的区域相对应的区域外部本地地加热来执行这个激活步骤(例如，通过磁感应或使用通用热源来加热)，以便移除吸气器32上的钝化层。
图2示出根据本公开的另一方面的作为图1A和图1B的换能器模块的替代物的换能器模块40的另一实施例。
图2的换能器模块40的与图1A的换能器模块10的那些元件相同的元件由相同的参考标记表示并且未进一步描述。
具体地，除了已经参照换能器模块10描述的那些之外，换能器模块40包括容纳在与腔室8分离的并且流体地隔离的另一个腔室42中的第三换能器50具体是惯性传感器。帽盖19被成形为限定彼此隔离的第一内腔和第二内腔。当帽盖19被安装在衬底1上时，腔室8、42通过分隔壁44彼此分离，该分隔壁在帽盖19与衬底之间连续地延伸。帽盖19还在臂44处通过与上述耦合区域3类型相同的对应的耦合区域43耦合到衬底1。
惯性传感器50例如是加速度计。可替代地，惯性传感器50可以是陀螺仪。在任何情况下都证明腔室42可以包含任何其他类型的换能器，不一定是惯性传感器，例如压力传感器、声音传感器等等。
根据本公开的一个方面，从与用于制造第一和第二换能器20、30相同的结构层35在同时的制造步骤期间制造第三换能器50。
第一、第二和第三换能器20、30和50并排地布置在衬底1上位于腔室8、42中，如上所述。基于布局和电互连以及有效使用的换能器的类型的特定要求限定第一、第二和第三换能器20、30和50的相互布置。图1和图2中示出的实施例因此不应当被认为以任何方式在此方面是限制性的。
在输出端处从第一和第二换能器20、30(图1A和图1B)并且另外从第三换能器(图2)生成的电信号被按照本身已知的方式发送到处理电路(例如，ASIC，未示出)，这并不形成本公开的主体。处理电路可以容纳在腔室8和/或腔室42中或者集成在衬底1中或者可以位于换能器模块10、40外部。
根据本公开的可以同时应用到图1A的换能器模块10和图2的换能器模块40的一个实施例，进一步存在与第二换能器30类似但是具有穿孔薄膜的至少一个参考换能器。在图1B中通过俯视平面图并且通过参考标记60示出多个参考换能器。
该一个或多个参考换能器60例如在方向Y上沿着对应的一个或多个第二换能器30布置在腔室8中，以便不沿着X增加换能器模块10、40的维度。
图3通过示例根据上述内容示出换能器模块10沿着图1B的剖面线II-II截取的并且具体包括参考换能器60的剖面图(但是所示出的按照本身已知的方式也适用于换能器模块40)。
如可以说明的，参考换能器60总体上类似于第二换能器30(相同的元件由相同的参考标记表示)并且可以在相同的工艺步骤期间制造。然而，衬底1在与参考换能器60相对应的区域内不具有类似于孔9的通孔，而参考换能器60的薄膜4a’具有一个或多个通孔62。参考换能器60的薄膜4a’按照与第二换能器30的薄膜4a类似的方式通过限定(例如，光刻与蚀刻步骤)导电多晶硅层4的步骤形成。另一个蚀刻步骤使得能够形成通孔62。薄膜4a’中的孔62具有使得能够在蚀刻支撑层2的适当步骤期间释放薄膜4a’的功能，从而使薄膜4a’悬置在衬底1上方。参考换能器60具有在输出端处供应误差信号的功能，该误差信号仅仅是参考换能器60在使用中受到的应力的函数。为此目的，参考换能器60必须不能受到外部压力P2的影响，并且为此原因，不具有朝向换能器模块10、40的外部的触及孔。
由参考换能器60生成的参考信号或误差信号被发送到处理电路(ASIC)，并且在此减去第二换能器30的信号以便生成误差分量被衰减的信号。处理电路对转换信号执行的操作不形成本公开的主体并且因此未进一步描述。
为了获得对误差信号的良好补偿，可以提供等于第二换能器30的数量的多个参考换能器。例如，根据特定应用，可以提供各自与对应的参考换能器60交错的多个第二换能器30。
图4至图9示出用于制造图1A的换能器模块10的步骤。所描述和展示的内容按照本身对本领域技术人员已知的方式适用于制造图2的换能器模块40。将在必要时在任何情况下详细说明有关制造换能器模块40的可能相关方面。
参考图4，提供例如半导体材料诸如硅的衬底1。然后，形成例如电介质材料的支撑层2，诸如热生长或沉积氧化硅。支撑层2还被称为永久氧化物或场氧化物层并且具有例如适当地介于2和3μm之间的厚度。支撑层2具有用于(在后续步骤中形成的)覆盖结构的支撑功能并且被设计成减小所述覆盖结构与下方的衬底1之间的寄生电容。
形成上述电连接区域4的一层掺杂多晶硅(例如，具有N型掺杂)形成在支撑层2上。后续的光刻和蚀刻步骤使得能够移除多晶硅层的选择性部分并且对导电带4c、4d并且同时对在后续制造步骤中将形成悬置薄膜4a(在此步骤中，还形成图3的实施例的薄膜4a’)的区域进行成形。多晶硅层4的蚀刻具有选择性类型并且未移除支撑层2的多个部分。
在此需要指出，在对多晶硅层进行光刻限定以便形成电连接区域4的步骤期间，可以同时形成参考图3描述的开口62，即，参考换能器的薄膜4a’的孔。
然后(图5)，在支撑层2和电连接区域4上方形成(例如，通过PECVD技术)由氧化硅制成的牺牲层66。通过光刻和后续的蚀刻步骤，在与导电带4c、4d的选择性区域相对应的区域内移除牺牲层66的多个部分，以便形成延伸远至导电带4c、4d的多个沟槽8，从而暴露对应的表面部分。
进一步形成用于后续形成第二换能器30的顶板6到衬底1的锚定区域(更准确地，到在衬底1上方延伸的支撑层2)的其他沟槽9。通常，沟槽9可以延伸远至下方的支撑层2或在之前停止并且因此仅在牺牲层66中部分地延伸。如果蚀刻速率是已知的，通过监控蚀刻时间，牺牲层66的蚀刻可以在靠近牺牲层66与支撑层2之间的界面的区域内停止；可替代地，可以提供布置在牺牲层66与支撑层2之间的蚀刻停止层。
接下来(图6)，在牺牲层66上并且在沟槽8中形成例如由外延多晶硅(也被称为EPIPoly)制成的结构层35。具有介于例如15μm与30μm之间的厚度的结构层35可以根据需要被成形为形成具有期望构型的结构。
具体是，在图6中，结构层35被选择性地蚀刻以便形成在一个或多个方向可移动的悬置结构(即，第一换能器20的定子11和转子12；第二换能器30的顶板6；以及在第三换能器50的一个或多个方向移动的未示出的悬置结构)。在这个步骤中，进一步形成属于在图3中示出的参考换能器60的顶板6。另外，还形成电接触端子15。
然而，需要指出，在这个制造步骤期间，定子11和转子12仍受限于下方的牺牲层66并且因此无法自由移动。为了能够移除约束定子11和转子12的牺牲层66，进一步通过定子11和转子12的结构形成通孔68。
还通过第二换能器30的顶板6的结构形成再次通过参考标记68表示的类似的孔(并且进一步在第三换能器50的移动结构中，根据对应的实施例)以便能够在后续的制造步骤中移除下方的牺牲层66。
接下来(图8)，执行蚀刻步骤以便移除牺牲层66(本文由氧化硅制成)。这个蚀刻通常是使用气相的氢氟酸(HF)的蚀刻或可替代地使用HF溶液或混合物的湿法蚀刻。氢氟酸按照各向同性方式对氧化硅而不是多晶硅进行蚀刻。第一和第二换能器20、30的以上限定的结构因为未受到损坏。如果蚀刻速率是已知的，通过监控蚀刻时间，使用HF蚀刻牺牲层66可以在靠近牺牲层66与支撑层2之间的界面的区域内停止；可替代地，可以提供布置在牺牲层66与支撑层2之间的选用未通过HF蚀刻并且不允许HF穿透的材料的蚀刻停止层。
接下来(图9)，通过按照本身已知的方式将帽盖19耦合到衬底1来制造换能器模块10。以此方式，腔室8(以及腔室42，在对应的实施例中)与外部环境隔离。如已经描述的，在腔室8(和42，当存在时)外部，存在被设计成接收/供应去向/来自第一换能器20、第二换能器30(第三换能器50)的电信号的电接触端子15。
最终，通过从晶片的背面蚀刻，在衬底1中在与将在其中形成薄膜的导电区域4相对应的位置形成孔9(即，在第二换能器30的顶板6下方)。为此目的，首先执行衬底1的硅蚀刻以便形成暴露支撑层2的对应的部分的开口。接下来，蚀刻(例如，在HF中)通过形成在衬底1中的开口暴露的支撑层2能够选择性地移除支撑层2，因此释放并形成薄膜4a。因此获得图1A的换能器模块10。
图10示出第二换能器30(压力传感器)的作为薄膜4a的大小的函数的灵敏度的变化。在本示例中，考虑正方形形状的薄膜4a(横坐标轴因此表示薄膜的一个边的长度)。申请人已经发现获得充分灵敏度而不会过渡占据空间的折中选择设想了具有例如适当地80μm的边长的薄膜4a。
图11示出根据上述实施例中任一项的换能器模块的电子设备100。
除了根据所描述的对应的实施例的换能器模块10或40之外，电子设备100包括微处理器(CPU)101、连接到微处理器101的存储器模块102以及同样连接到微处理器101的输入/输出接口103，例如键盘和/或显示器。ASIC 104可以集成在换能器模块10或40中，或者如图11所示，被布置在换能器模块10、40外部并且操作性地与其耦合。
换能器模块10、40通过ASIC与微处理器101通信。
电子设备100例如是移动通信设备(诸如蜂窝电话或智能电话、PDA或计算机)但是还可以是录音器、具有录音能力的音频文件的播放器、电子游戏控制台等等。
根据各个实施例的上述本实用新型的优点从前述说明变得明显。
具体是，本说明书公开了一种可以根据需要适用于不同配置的换能器模块，同时降低了空间成本和要求、最大化了元器件之间的结构共享。
与陀螺仪的腔室相同的腔室内的压力传感器的存在可以用于检测腔室的可能气密性损耗(当内部压力等于外部压力时)。
最终，明显的是可以对本文的描述和示出内容进行修改和改变而不背离本实用新型的由所附权利要求书限定的范围。
具体是，可以提供在附图中描述并示出的换能器的不同配置，具体是有关组成元件的几何形状。在封装体内部的空间允许的情况下，比本文展示的更多数量的MEMS传感器或换能器可以被容纳在同一个封装体中，每一个换能器被配置成用于检测对应的环境量或信号。
根据本公开的其他变体，图1和图2的第一和第三换能器20、50中的至少一个可以由例如从包括以下各项的群组中选择的不同类型的换能器替换：UV传感器、IR传感器或光信号传感器(例如，光电二极管)。明显的是，在使用UV或IR类型换能器时，在帽盖19或衬底1中提供通孔，被配置成用于形成用于照射在对应的换能器的灵敏区域上的光照。