MEMS膜片及MEMS传感器芯片的制作方法

本发明涉及微机电系统(mems,micro-electro-mechanicalsystem)技术领域，特别涉及一种mems膜片及mems传感器芯片。

背景技术：

微机电传感器广泛应用于各种声学接收器或力的传感器上，其体积小、低耗电、高灵敏度等特性，成为设计上的目标，且根据理论模拟的结果可知，残留应力的影响对于声学传感器中的振动薄膜的机械灵敏度影响甚大。

微机电装置包括的电容式传感器结构一般为一感测膜搭配一背极，形成两平行板电容板结构以感测振动或压力变化。其中，感测膜的材料特性决定组件感度性能，但于半导体加工过程所产生的热残留应力无法避免。而现有的制程技术仍无法精准的控制薄膜应力，进而微机电装置的灵敏度较低或灵敏度变异。

因此，如何提供一种释放应力效果好、机械灵敏度高的感测膜，成了业界亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种释放应力效果好、机械可靠性高的mems膜片。

本发明还提出一种应用上述mems膜片的mems传感器芯片。

本发明提供一种mems膜片，包括感测部和围绕在所述感测部外围的外围部，所述外围部与所述感测部之间设有若干外槽和两个内槽，所述若干外槽呈环形排布在所述外围部的内边缘，所述两个内槽呈环形排布在所述感测部的外边缘，所述两个内槽关于所述感测部的中心非对称。

优选地，其中一所述内槽的两端与所述感测部的中心的连线之间的夹角大于另一所述内槽的两端与所述感测部的中心的连线之间的夹角。

优选地，所述感测部为圆形，所述两个内槽分别沿所述感测部的圆周方向延伸，所述若干外槽分别沿另一圆周方向延伸，所述另一圆周方向与所述感测部的圆周方向共圆心，所述圆心与所述感测部的中心重合。

优选地，所述外槽的末端设有第一弯折部，所述第一弯折部朝向所述mems膜片的外侧延伸，或者所述第一弯折部朝向所述mems膜片的内侧延伸。

在一些实施例中，所述第一弯折部为u形。

在一些实施例中，所述第一弯折部包括弧形段，直线段或所述弧形段与所述直线段的组合。

优选地，所述内槽的末端朝向所述mems膜片的内侧或外侧延伸形成第二弯折部，所述第二弯折部为u形，所述第二弯折部包括弧形段，直线段或所述弧形段与所述直线段的组合。

优选地，所述第一弯折部的末端为圆弧型末端；和/或所述第二弯折部的末端为圆弧型末端。

优选地，相邻两所述外槽之间形成第一连接臂，相邻两所述内槽之间形成第二连接臂，所述若干外槽与所述两内槽之间形成环形连接臂，所述环形连接臂通过所述第一连接臂连接至所述外围部，所述环形连接臂通过所述第二连接臂连接至所述感测部，所述第一连接臂与所述第二连接臂在所述环形连接臂的周向上相互错开。

优选地，所述外槽的数量大于所述内槽的数量。

优选地，当所述mems膜片受到大于一预定压强时所述感测部相对所述外围部呈跷跷板方式运动。

优选地，所述第一连接臂的周向宽度沿所述mems膜片的径向向外先减小再增大；和/或所述第二连接臂的周向宽度沿所述mems膜片的径向向外先减小再增大。

优选地，每一所述第一连接臂的周向宽度相同，每一所述第二连接臂的周向宽度相同。

在一些实施例中，所述环形连接臂具有均匀的径向宽度。

在一些实施例中，所述环形连接臂在靠近内槽和/或外槽的端部处的宽度大于远离端部处的宽度。

在一些实施例中，所述环形连接臂与所述第二连接臂相邻的部位的径向宽度大于所述环形连接臂其他部位的径向宽度。

本发明还提供一种mems传感器芯片，所述mems传感器芯片包括上述mems膜片。

综上所述，本发明提供一种mems膜片，该膜片在感测部与外围部之间设置若干外槽和两个内槽，外槽与内槽之间形成环形连接臂，相邻两外槽之间形成第一连接臂，相邻两内槽之间形成第二连接臂。若干外槽呈环形排布在外围部的内边缘，两内槽呈环形排布在感测部的外边缘，且两个内槽设置为关于感测部的中心非对称。当mems膜片受到大于一预定压强时感测部可相对外围部呈跷跷板方式也即阀门式运动，及时释放应力，并可将外界机械力量如较大压强释放，膜片不与外界机械力量抵抗，因而提高了mems膜片及mems传感器芯片的机械可靠度及灵敏度。当mems膜片受到小于一预定压强例如声压作用时感测部的平均位移量大，从而可提升其灵敏度。

第一连接臂和第二连接臂在周向上错开设置以及第一弯折部末端和第二弯折部末端的圆弧型设计可减小应力集中，呈弯曲状延伸的第一弯折部和第二弯折部使得感测部的机械灵敏度提高，增加了膜片的可靠性。

在一些实施例中，环形连接臂和第二连接臂带动感测部位移，而环形连接臂和第二连接臂位于远离固支点处，不受固支点位置因半导体工艺变异而影响，因此感测部的运动对固支点位置变化不敏感，从而可提高mems膜片感测的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的mems膜片的结构示意图。

图2为本发明的mems膜片呈跷跷板方式运动时的结构示意图。

具体实施方式

在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某元件”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。

如图1所示，为本发明一实施例的mems膜片的结构示意图。该mems膜片10应用于微机电装置中，例如应用在微机电传感器中、微机电电容式麦克风中。mems膜片10包括感测部12和外围部14，其中，感测部12位于mems膜片10的内侧，外围部14位于mems膜片10的外侧并围绕在感测部12外围。感测部12用于感测外部的压力，例如感测声压，当应用于微机电电容式麦克风时，感测部12受到声压作用时将相对背板运动，从而使得感测部与背板之间的电容发生变化从而产生相应的电信号。外围部14用于连接与支撑感测部12。

感测部12与外围部14之间的区域设有若干外槽16和两个内槽18，若干外槽16呈环形且间隔设置于外围部14的内边缘，若干外槽16共同界定一外圆，两个内槽18呈环形且间隔设置于感测部12的外边缘，两个内槽18共同界定一内圆。本实施例中，上述外圆与内圆共圆心，该圆心与感测部12的中心重合。若干外槽16与两个内槽18之间形成环形连接臂20，外围部14通过环形连接臂20与感测部12连接。外槽16、内槽18和环形连接臂20把外围部14和感测部12分隔开来，避免在外围部14发生变形时将弹性形变产生的力传递到感测区域，以提高感测部12的稳定性，同时也提高了mems膜片10的线性输出的稳定性。外槽16、内槽18和环形连接臂20的宽度可以根据实际设计需求而定，用于分散应力，减小mems膜片10上应力集中。

在一些实施例中，环形连接臂20具有均匀的径向宽度，也即若干外槽16均沿外圆圆周方向延伸，两个内槽18均沿内圆圆周方向延伸。

在另一些实施例中，环形连接臂20还可以具有变化的径向宽度，例如，在应力较大的区域增加其径向宽度从而增加其刚性，例如，环形连接臂20在靠近内槽18和/或外槽16的端部处的宽度大于远离端部处的宽度。

若干外槽16的末端均设有第一弯折部，第一弯折部可以同时设置为均朝向膜片的外侧延伸，或者均朝向膜片的内侧延伸。两个内槽18的末端均朝向膜片的内侧延伸，且两个内槽18关于感测部12的中心非对称。如此配置设计使得当mems膜片10受到小于一预定压强时，感测部12能够保持基本呈平面状且沿垂直于mems膜片10的方向相对外围部14做近似活塞式运动也即直上直下运动；当mems膜片10受到大于另一预定压强时，特别是较大的压强时，感测部12能够相对外围部14呈跷跷板方式运动，以及时释放压力。

本实施例中，感测部12、环形连接臂20和外围部14三者可以为一体成型。mems膜片10的材质可以采用碳基聚合物、硅、氮化硅、多晶硅、二氧化硅、碳化硅、砷化物、碳，以及锗、镓、钛、金、铁、铜、铬、钨、铝、铂、镍、钽等金属或其合金。mems膜片10的形状可以为方形，圆形，或者其他形状，本实施例中，以圆形进行说明。也就是说，外围部14也呈圆形。

应当指出的是，上述外侧和内侧是相对于整个mems膜片10的中心部位来说的，上述朝向外侧即为远离所述中心部位的方向，上述朝向内侧即为指向中心部位的方向。由于本实施例中若干外槽16共同界定外圆，两内槽18共同界定内圆，且外圆与内圆共圆心，外围部14和感测部12也均为圆形，因此，该圆心也为外围部14和感测部12的圆心，也可以说是mems膜片10的圆心，上述各圆心均为同一圆心。mems膜片10的中心部位也可以理解为圆心部位。

前述两个内槽18关于感测部12的中心非对称，也即为两个内槽18关于感测部12的圆心非对称。

更具体地，两个内槽18中其中一个内槽18a的两端与感测部12的圆心的连线之间所形成的夹角大于其中另一个内槽18b的两端与感测部12的圆心的连线之间所形成的夹角。换句话说，内槽18a的周向长度大于内槽18b的周向长度。如此设计使得当mems膜片10受到大于所述另一预定压强也即受到较大的冲击时，感测部12相对外围部14呈跷跷板方式运动，如图2所示，也即内槽18a所围合的感测部12部分相对外围部14朝压强方向翘起(图中向上翘起)而内槽18b所围合的感测部12部分相对外围部14朝与压强方向相反的方向翘起(图中向下翘起)，呈阀门形式打开，从而形成泄漏路径以释放较大的冲击。

外槽16的数量可以根据具体的设计需求及实际使用情况设置为多个，优选为四个以上，进一步地，优选为八个。在如图1-2所示的实施例中，外槽16的数量设置为八个。

八个外槽16沿周向均匀地间隔排布，且每个外槽16的形状和结构一致。外槽16的长度可以相等也可以不相等。在一些实施例中，外槽16的数量大于内槽18的数量。下面仅对一个外槽16的形状和结构进行说明。

外槽16的末端设有第一弯折部22，第一弯折部22可以朝向外侧延伸，也可以朝向内侧延伸。第一弯折部22可以包括弧形段，直线段或弧形段与直线段的组合。也就是说，外槽16的末端可以呈弯曲状朝向外侧或内侧延伸，也可以呈直线状朝向外侧或内侧延伸，还可以先呈弯曲状再呈直线状或者先呈直线状再呈弯曲状朝向外侧或内侧延伸等等延伸方式。

在所示的实施例中，每一外槽16的两末端均设有第一弯折部22。为了降低应力集中，第一弯折部22的末端可以为圆弧状。

内槽18的末端设有第二弯折部24，第二弯折部24朝向内侧延伸。第二弯折部24也可以包括弧形段，直线段或弧形段与直线段的组合。也就是说，内槽18的末端可以呈弯曲状朝向内侧延伸，也可以呈直线状朝向内侧延伸，还可以先呈弯曲状再呈直线状或者先呈直线状再呈弯曲状朝向内侧延伸等等延伸方式。

在所示的实施例中，每一内槽18的两末端均设有第二弯折部24。为了降低应力集中，第二弯折部24的末端可以为圆弧状。

应当理解的是，本发明中，所有外槽16的第一弯折部22均为同时朝向外侧延伸，或者同时朝向内侧延伸。所有内槽18的第二弯折部24均为同时朝向内侧延伸。在一些实施例中，也可以是部分外槽16的第一弯折部22朝向外侧延伸，部分外槽16的第一弯折部22朝向内侧延伸。

在如图1-2所示的实施例中，外槽16末端的第一弯折部22为u形。更具体地，外槽16末端的第一弯折部22朝向外侧延伸，且第一弯折部22为弧形段，弧形段朝向外侧呈半个圆括号状延伸。对于一个外槽16来说，该外槽16两末端的两第一弯折部22可以看作形成一个完整的圆括号。而对于相邻的两个外槽16来说，该相邻的两外槽16的相邻近的两第一弯折部22可以看作是两个方向相反的半圆括号。内槽18末端的第二弯折部24为u形。具体来说，内槽18末端的第二弯折部24朝向内侧延伸，且第二弯折部24也为弧形段，弧形段朝向内侧呈半个圆括号状延伸。对于一个内槽18来说，该内槽18两末端的两第二弯折部24可以看作形成一个完整的圆括号。而对于相邻的内槽18a和内槽18b来说，内槽18a与内槽18b相邻近的两第二弯折部24可以看作是两个方向相反的半圆括号。

相邻两外槽16之间形成第一连接臂26，相邻的内槽18a端部与内槽18b端部之间形成第二连接臂28，在所示的实施例中，每一第一连接臂26的结构和形状相同，每一第二连接臂28的结构和形状相同。第一连接臂26从环形连接臂20的外边缘往外延伸，第二连接臂28从环形连接臂20的内边缘往内延伸，且第一连接臂26与第二连接臂28在环形连接臂20的周向上相互错开。本实施例中，两第二连接臂28分别对应于沿周向相对的两外槽16的中心朝向同一侧偏移的位置。

由于第一弯折部22为呈半个圆括号状往外延伸的弧形段，第二弯折部24为呈半个圆括号状往内延伸的弧形段，因此，第一连接臂26的周向宽度沿mems膜片10的径向向外先减小再增大；第二连接臂28的周向宽度沿mems膜片10的径向向内先减小再增大。

根据mems膜片10具体的设计需求及实际使用情况，第一连接臂26的周向宽度可以设置为大于，等于或小于第二连接臂28的周向宽度。本实施例中，第一连接臂26与第二连接臂28的周向宽度设置为相同。

因此，外围部14通过第一连接臂26、环形连接臂20及第二连接臂28与感测部12连接成整体。

当mems膜片10受到小于所述预定压强时例如接受正常的声压时，感测部12能基本保持平面状且朝向受力方向沿垂直膜片的方向相对外围部14运动，此时第二连接臂28随同感测部12一起做垂直运动，环形连接臂20翘曲连接在第一连接臂26与第二连接臂28之间，感测部的平均位移量大，从而可提升其灵敏度。

使用过程中，mems膜片通过固支点固定至mems麦克风等应用场景，上述实施例的mems膜片，环形连接臂20和第二连接臂28带动感测部12位移，而环形连接臂20和第二连接臂28位于远离固支点处，不受固支点位置因半导体工艺变异而影响，因此感测部12的运动对固支点位置变化不敏感，从而提高mems膜片感测的稳定性和可靠性。

综上所述，本发明实施例提供的mems膜片，该膜片在感测部与外围部之间设置若干外槽和两个内槽，外槽的末端朝向外侧延伸，内槽的末端朝向内侧延伸。外槽与内槽之间形成环形连接臂，相邻两外槽之间形成第一连接臂，相邻两内槽之间形成第二连接臂。若干外槽呈环形排布在外围部的内边缘，两内槽呈环形排布在感测部的外边缘，且两个内槽设置为关于感测部的中心非对称，提升膜片刚性及机械强度和机械可靠度，使得当mems膜片受到小于一预定压强时感测部沿垂直膜片的方向相对外围部运动，感测部的平均位移量大，从而可提升其灵敏度。

当mems膜片受到大于另一预定压强时感测部相对外围部呈跷跷板方式运动，及时释放应力，并可将外界机械力量如较大压强释放，膜片不与外界机械力量抵抗，因而提高了mems膜片及mems传感器芯片的机械可靠度及灵敏度。第一连接臂和第二连接臂在周向上错开设置以及第一弯折部末端和第二弯折部末端的圆弧型设计可减小应力集中，呈弯曲状延伸的第一弯折部和第二弯折部使得感测部的机械灵敏度提高，增加了膜片的可靠性。

本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。