专利名称：板、换能器以及用于制造和操作换能器的方法
技术领域：
本发明总体上涉及板、换能器以及制造和操作换能器的方法。
背景技术：
一般来说，换能器是将一种类型的能量转换为另一种的器件。所述转换可以是到/从电、机电、电磁、光、光电、或任何其他形式的能量。尽管术语换能器通常意味着用作传感器/检测器，但是转换能量的任何器件都可以被认为是换能器。
发明内容
根据本发明的一个实施例，一种板包括第一材料层和第二材料层，第一材料层包括第一应力，第二材料层被布置在第一材料层下面，第二材料层包括第二应力。所述板还包括布置在第一材料层和第二材料层中的开口以及形成所述开口的延伸部分，其中所述延伸 部分包括第一材料层的部分和第二材料层的部分，以及其中所述延伸部分基于第一应力和第二应力之间的差而远离所述板的顶面弯曲。根据本发明的一个实施例，一种换能器包括膜；包括开口的背板，所述开口包括凸起部分，其中所述凸起部分朝着所述膜弯曲；以及所述膜和所述背板之间的垫片(spacer)。根据本发明的一个实施例，一种用于操作换能器的方法包括在膜处接收声波；朝着背板移动所述膜，其中所述背板包括开口，其中延伸部分延伸到所述开口中，以及其中所述延伸部分朝着所述膜弯曲；以及响应于移动的膜而生成信号。根据本发明的一个实施例，一种用于制造换能器的方法包括在衬底中形成膜，以及形成包括第一材料层和第二材料层的背板，第一材料层包括与第二材料层不同的应力。所述方法还包括在所述背板中形成开口，所述开口包括延伸到所述开口中的延伸部分，其中形成开口包括使用第一蚀刻过程来在第一材料层中蚀刻所述开口，以及使用第二蚀刻过程来在第二材料层中蚀刻所述开口。
为了更完全地理解本发明及其优点，现在参考结合附图所作的下列描述，其中
图I示出麦克风的横截面视 图2a示出背板中的开口的一个实施例的顶视 图2b示出背板的横截面视 图2c示出具有针对不同背板材料组成的曲线图的 图2d示出延伸部分相对于背板的偏转；
图3a不出背板的布局的一个实施例；
图3b示出细长的(elongated)开口的一个实施例的顶视 图3c不出背板的布局的一个实施例；图3d不出背板的布局的一个实施例；
图4a_e示出背板的布局的实施例；
图5示出用于制造换能器的方法；
图6示出用于操作换能器的方法；以及 图7示出推压背板的膜。
具体实施例方式下面详细讨论当前优选实施例的制造和使用。然而，应当认识到，本发明提供可以在各种各样的特定背景中体现的许多适用的发明构思。所讨论的特定实施例仅仅说明制造和使用本发明的特定方式，并且不限制本发明的范围。将相对于在特定背景(即膜)中的实施例来描述本发明。然而，本发明也可以被应 用于具有活动元件和固定元件的其他器件，其中所述活动元件相对于所述固定元件移动。换能器可以将电、机电、电磁、光、光电能量转换为另一种类型的能量。例如，换能器可以是具有活动电极的电容器。活动电极可以相对于固定电极移动，从而导致这两个电极之间的电容的变化。电容的变化被提供给输出端。换能器通常由施加在膜和对电极之间的偏置电压来操作，所述偏置电压就是可以自由地调节到各种情况的电位。换能器可以是独立的器件，或者可以被连接到简单专用集成电路(ASIC)。可替换地，换能器可以被集成在集成电路(IC)中。换能器的一个实例是麦克风。麦克风将声波的声能转换成电能。活动膜或电极可以被机械地连接到衬底并且具有围绕其的空气的体积。声波的压力变化使所述膜变形或偏转。背板或对电极可以包括开口，使得背板和膜之间的空气可以自由地移动并且膜的移动不被抑制。制造和/或操作麦克风的挑战是，活动膜不应当粘附或粘着到背板。为了防止这一点，常规器件可能在活动膜和/或背板上具有涂层或者将防粘凸块(bump)布置在背板上以最小化或避免静摩擦。本发明的实施例的一个优点是，防止微结构中的静摩擦。实施例的另一优点是，减小膜和背板之间的接触面积。实施例的另一优点是，膜不被弯曲的延伸部分刺穿或损坏。在一个实施例中，在背板的开口中形成延伸部分。该延伸部分可以朝着活动膜弯曲，从而减小活动膜和背板之间的潜在接触面积。该延伸部分可以在不被膜触及的情况下处于其平衡位置，并且可以在被膜触及的情况下被移动离开其平衡位置。图I示出布置在支撑衬底110中或支撑衬底110上的麦克风100。麦克风100包括背板120和膜130。由垫片140将背板120与膜130间隔开。背板120和膜130之间的空间可以充满自由空气，即充满不抑制膜130的移动的空气。该空气是自由的，这是因为在背板120中的开口位置126处的开口 139在膜130朝着背板120移动的情况下让空气排出，并且支撑衬底110中的开口 105在膜130以其他方向远离背板120移动的情况下让空气排出。背板120和膜130可以是电极。当背板120可以是固定电极时，膜130可以是活动电极。背板120可以包括第一材料层122和第二材料层124。第一材料层122可以是包括掺杂多晶硅、金属、或其他导电材料的导电层。第二材料层124可以包括诸如氮化物、氧化物等等之类的绝缘材料。可替换地，第二材料层124可以包括导电材料。第一材料层122可以相对较厚，而第二材料层124可以相对较薄。例如，第一材料层122可以是大约300nm到大约3000nm厚，并且第二材料层124可以是大约30nm到大约300nm厚。背板120可以包括多个开口 139。常规背板可能具有完全圆形的穿孔。本发明的实施例提供下述开口 所述开口可以不是完全圆形的，所述开口可以包括凸起部分以及/或者所述开口可以包括形成所述开口的一个或多个延伸部分。这些开口的实施例的布局在图2a-2b、3a_3d和4a_4e中被公开和讨论。在一个实施例中，背板的第一开口的特征可以在于一种类型的开口，而第二开口的特征可以在于另一种类型的开口。可以通过双光刻/蚀刻过程来形成多个开口 139和延伸部分128。在第一步骤中，第一材料层122可以被构造并且在开口所位于的地方的材料可以被移除，以及在第二步骤中，第二材料层124可以被构造并且材料可以被移除以便完成开口。延伸部分128可以在开口被形成时因为第一和第二材料层122、124的组合的双压电晶片特性(例如第一和第二 材料层122、124中的应力差)而自动地弯曲。膜130可以尽可能地薄，使得它将由于压力的轻微变化(例如小的声压级)而显著地变形。然而，膜130的厚度减小可能被限制，这是因为稳定性要求(由于声压太高或者电压太高而引起的破坏)和应当防止对背板120的静摩擦的要求。在一个实例中，膜130可以具有大约Imm的直径和大约3 μ m的厚度。膜130可以包括导电材料，例如掺杂或非掺杂多晶硅等等。膜130可以被布置成相对于背板120是活动的。膜130可以沿着其周界被机械地连接到衬底110，并且可以与接触垫电接触。接触垫可以被布置在衬底110上。垫片140可以包括绝缘材料，例如氧化物或氮化物。垫片140可以包括例如大约2μπι或更小的厚度。衬底110可以是半导体衬底，例如体硅、SiGe等等。图2a示出背板120中的开口位置126的一个实施例的布局。延伸部分128延伸到开口 139中，从而形成开口 139。延伸部分128具有悬臂或梁(beam)的形式。图2b示出沿着线A-A的横截面视图。如从图2b中可见，延伸部分128远离垂直于背板120的顶面121的方向弯曲。在一个实施例中，第一材料层122的材料可以包括与第二材料层124的材料不同的应力。例如，第一材料层122可以具有比第二材料层124低的拉应力。可替换地，第一材料层122可以具有比第二材料层124高的压应力。不同的应力材料层可以引起延伸部分128弯曲。延伸部分128可以朝着活动膜130弯曲。图2c示出对于两个材料层122、124的两种不同材料组成150/160的两个不同曲线图155/165。这两个曲线图155/165示出相对于延伸部分128的长度的弯曲。在第一材料组成150中，第一材料层122是330nm厚，具有43MPa的应力，并且包括多晶硅，以及第二材料层124是280nm厚，具有IGPa的应力，并且包括氮化硅。第一材料组成150产生曲线图155。如从该曲线图155中可见，对于20 μ m长的梁，图2d中示出的延伸部分128的偏转h是-1130nm。在第二材料组成160中，第一材料层122是1400nm厚，具有IOOMPa的应力，并且包括多晶硅，以及第二材料层124是140nm厚，具有IGPa的应力，并且包括氮化硅。第一材料组成150产生曲线图165。如从该曲线图165中可见，对于20μπι长的梁，延伸部分128的偏转h是-194nm。
如从图2d中可见，偏转或弯曲高度h是延伸部分128的尖端129和背板120的上表面之间的差。弯曲高度h由第一和第二材料层122、124的材料，这些材料的应力和/或延伸部分128的长度来控制。如从图2c中可见，可以通过选择正确的材料组成、应力关系和延伸部分长度来设计任何偏转h。图3a示出背板120的布局的一个实施例。背板120包括在x方向上和在y方向上交替地布置的细长的开口位置126。每个细长的开口位置126包括延伸到细长的开口 139
中的梁或悬臂128。在y方向上从第一细长的开口位置126的第一中心线136到第二细长的开口位置126的第二中心线137的距离是6 μ m。在x方向上从第一细长的开口位置126的第一端部138a到第二细长的开口位置126的第一端部138b的距离是17. 5μπι。图3a的实施例可以允许细长的开口位置126和悬臂128的容易缩放。期望的偏转h可以由悬臂128的长度限定。悬臂128越长，偏转h可能就越高。例如，当悬臂128的偏转h比背板120的厚度宽时，可以实现低空气阻尼。这样的布置可以被用于高灵敏度应用或高信噪比应用中的麦克风100。图3b示出具有形成开口 139的梁128的细长的开口位置126的顶视图。在该实例中，梁128是IOym长和5μπι宽。细长的开口位置126可以是15μπι长和6μπι宽。如从图3b中可见，细长的开口位置126具有开口 139。延伸部分128的面积和开口 139的面积一起形成开口位置126的面积。多个开口 139在如图3a所示被放置在背板120中时生成26%的有效开口面积。该有效开口面积是在计算流过这些开口 139的空气的阻尼时的参数。开口 139包括具有2. 5μπι的半径的凹入部分139a以及凸起部分139d。开口 139还包括直径为I μ m的两个孔139b。这两个孔139b经由细长的间隙139c被连接到凹入部分139a，所述间隙是O. 5μπι宽。在O. 5μπι的槽的端部处的孔139b可以降低围绕孔139b的相邻区域中的应力集中。在没有孔139b的情况下，将存在增加的切口效应。图3c示出背板120的布局的另一实施例。背板120包括第一区域120a和第二区域120b，在第一区域120a中多个第一细长的开口位置126沿着x方向对准，在第二区域120b中多个细长的开口位置126沿着y方向对准。第一区域120a可以包括至少两个细长的开口位置126，以及第二区域120b可以包括至少两个细长的开口位置126。延伸部分128沿着不同方向的对准在旋转对称麦克风应用中会是有利的，其中膜130例如是圆的。膜130在被大范围地移动时通常显示出气球类型的弓形。在膜130触及背板120的情况下，在背板120的中间的弯曲悬臂128被首先触及，并且在圆形边缘附近的弯曲悬臂128稍后被触及。弯曲梁128被布置在径向方向上，使得在膜130和弯曲梁128之间接触的情况下，梁128可以不经历或几乎不经历垂直于其伸长的移动。图3d示出背板120的布局的另一实施例。背板120包括细长的开口位置126的对称布置。细长的开口位置126都面向中心点P。在该特定实例中，三个相邻细长的开口126的组合距离(例如被测量为图3a的y方向上的距离)与一个细长的开口 126的长度相同。图3a_3d示出可以如何将细长的开口位置126布置在背板120中的特定实例。然而，存在许多其他可能的布置。例如，细长的开口位置126可以都被布置成面向相同的方向，例如开口 139的凹入部分139a被布置在细长的开口位置126的左侧。两行的细长的开口位置126可以相对于彼此被平行地移位或交错。在另一实例中，细长的开口位置126可以不被布置在优选方向(X或y方向)上，而是可以被随机地定向。图4a示出背板120中的开口位置126的布局的另一实施例。开口位置126几乎完全被延伸部分128覆盖。仅存在形成U的小开口 149。具有这样的小开口 149的布局仍然可以提供极好的通风，这是因为延伸部分128被弯曲并且空气仍然可以通过开口 149容易地循环。图4a的布局可以被用于需要最小通风或高空气阻尼的应用。例如，该布局可以被用于高声压级的麦克风。在一个实施例中，延伸部分128可以相对较短并且可以弯曲小于背板120的厚度。图4b示出背板120中的开口位置126的布局的另一实施例。开口位置126的顶视图可以包括星形的开口 159。延伸部分128的面积和开口 159的面积形成开口位置126的面积。在该实例中，八个延伸部分128形成开口 159，从而形成星形。每个延伸部分128可以是具有圆形尖端的三角形悬臂。两个相邻的延伸部分128的两个侧边之间的间隙是 O. 5 μ m，并且该间隙的长度是10 μ m。当开口位置126被放置在30 μ m的三角形栅格中时，形成背板120的近似13%的有效开口面积。这八个延伸部分128中的每个可以远离背板120而弯曲。在一个实施例中，图4b的布局被用在其中期望大阻尼的应用中。图4c示出背板120中的开口位置126的布置的布局的另一实施例。开口位置126的顶视图可以包括星形的开口 169。延伸部分128的面积和开口 169的面积形成开口位置126的面积。三个延伸部分128形成开口位置126，从而形成星形开口 169。每个延伸部分128可以近似是具有角状尖端的三角形。从三角形的尖端到周界线的长度是10 μ m。当开口位置126被放置在30 μ m的三角形栅格中时，开口 169的有效开口面积是整个背板120面积的近似37%。与在图4b中示出的情况相比，这给出了低得多的空气阻尼，这是因为开口 169宽得多。开口位置126之间的附加孔169a可以减小在膜130和背板120被形成时被蚀刻掉的牺牲层的释放蚀刻时间。图4d示出背板120中的开口位置126的布局的另一实施例。开口位置126的开口 179具有苜蓿叶形的形状。开口位置126包括所有都具有相同尺寸的四个延伸部分128。这些延伸部分128形成具有圆形尖端的梁。图4e示出背板120中的开口位置126的布局的又一实施例。中心孔径189形成圆。通过将细长的孔径延伸部分190切成背板材料来产生延伸部分128，使得这些延伸部分128形成鱼的鳍。图4e的布局对于其中存在较小横向空间以使得螺旋状的设计可以帮助围绕中心孔径189来缠绕一个或几个延伸部分128的布局会是有利的。对于具有多于一个延伸部分128的开口位置126的实施例，这些延伸部分128可以都被弯曲，或者可替换地，仅一些延伸部分128可以被弯曲。此外，对于在图4a_4e中示出的开口位置的每个实施例，延伸部分128的数目可以例如在I和8之间改变。在图3a_3d和图4a_4e中的背板120中的开口的有效开口面积取决于这些开口位置相对于彼此的放置的密度。图5示出用于制造换能器的方法。在第一步骤210中，在支撑衬底中形成膜。在第二步骤220中，形成背板。在一个实施例中，可以在支撑衬底和膜上形成背板。背板可以包括第一材料层和第二材料层。背板可以被形成为离膜一定距离。在一个实施例中，背板和膜之间的区域可以填充有牺牲层和垫片。
在第三步骤230中，在背板中形成开口。延伸部分可以延伸到开口中。延伸部分和开口可以包括在图3a_3d和图4a_4e中示出的布局的一个实施例。可以通过首先蚀刻第一材料层并且然后蚀刻第二材料层来形成开口。在一个实施例中，可以通过使用不同的蚀刻化学物质的两个不同蚀刻步骤来形成开口。可以通过光致抗蚀剂来限定开口的形状。在蚀刻开口完成之后，可以移除膜和背板之间的牺牲层。这在步骤240中被示出。可以应用湿蚀刻化学物质或干蚀刻化学物质来移除牺牲层。可以通过开口并且通过也形成在背板中的附加孔来移除牺牲层。开口一被形成，开口的延伸部分就会由于第一材料层和第二材料层的不同应力特性而弯曲。图5中的步骤210-240可以以与先前段落中描述的不同的顺序来执行。例如，可以在形成开口之前移除牺牲层。图6示出用于操作换能器的方法。在第一步骤310中，所述方法包括在膜处接收声波。在第二步骤320中，该膜朝着背板移动。背板可以包括开口，并且延伸部分可以形成开口。该延伸部分可以朝着膜弯曲。该延伸部分和开口可以包括在图3a_3d和4a_4e中示·出的布局的一个实施例。在第三步骤330中，响应于该膜的移动而生成信号。在一个实施例中，在第四步骤340中，可以将该信号提供给输出端。结合图5和6所描述的过程可以利用先前描述的实施来实现。图7示出其中活动膜130挤压背板120的操作模式。在正常操作条件下，膜130不会触及背板120或者背板120的弯曲延伸部分128。然而，例如在过压、巨大的静态空气压力变化、震动或下落事件、或引起拉入(pull-in)的静电过压的情况下，图7的操作模式可能发生。活动膜130可能首先挤压延伸部分128的尖端129。以某一预定压力，延伸部分128可以屈服于挤压膜130。延伸部分128可以变平，从而移入它们相应的开口 199中。在极端条件下，延伸部分128可以完全地移入开口 199中，从而延伸部分128的顶面与背板120的顶面121共面。延伸部分128不会刺穿或损坏膜130。注意，延伸部分128具有如关于图2d所述的弯曲高度h。弯曲高度h可以是背板120的第一和第二材料层122、124中的两个不同应力的结果。具有弯曲高度h的延伸部分128可以被自动地形成或者与形成开口 199同时地被形成。延伸部分128基于背板120中的应力组合而达到平衡高度。延伸部分128可以通过向它们施加力(例如当膜130挤压它们时)而被临时地移动。它们不会破裂而是相对于压力而弯曲。力一被移除，延伸部分就返回到它们以前的平衡位置。尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，可以在不偏离如由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下在此作出各种变化、替代和变更。此外，本申请的范围不打算限于在说明书中所描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。正如本领域普通技术人员将从本发明的公开内容中容易地认识到的那样，根据本发明可以利用当前存在的或稍后将开发的、执行与在此所述的对应实施例基本上相同的功能或获得基本上相同的结果的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求打算将这样的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。
权利要求
1.一种板,包括 包括第一应力的第一材料层； 布置在第一材料层下面的第二材料层，第二材料层包括第二应力； 布置在第一材料层和第二材料层中的开口 ；以及 形成所述开口的延伸部分，其中所述延伸部分包括第一材料层的部分和第二材料层的部分，以及其中所述延伸部分基于第一应力和第二应力的差而远离所述板的顶面弯曲。
2.根据权利要求I所述的板，其中，所述延伸部分处于其平衡位置。
3.根据权利要求I所述的板，其中，第一材料层包括比第二材料层高的压应力。
4.根据权利要求I所述的板，其中，第一材料层包括比第二材料层低的拉应力。
5.根据权利要求I所述的板，其中，所述延伸部分包括悬臂。
6.根据权利要求I所述的板，其中，所述延伸部分包括多个延伸部分。
7.根据权利要求I所述的板，其中，第一材料层包括导电材料层，并且其中第二材料层包括绝缘材料层，或者其中第一材料层包括所述绝缘材料层，并且其中第二材料层包括所述导电材料层。
8.—种换能器,包括 膜； 包括开口的背板，所述开口包括凸起部分，其中所述凸起部分朝着所述膜弯曲；以及 所述膜和所述背板之间的垫片。
9.根据权利要求8所述的换能器，其中，所述开口的所述凸起部分包括所述背板的延伸部分。
10.根据权利要求8所述的换能器，其中，所述凸起部分处于其平衡位置。
11.根据权利要求8所述的换能器，其中，所述凸起部分在被所述膜触及时被移动离开其平衡位置。
12.根据权利要求8所述的换能器，其中，所述背板包括导电材料层和绝缘材料层，其中所述膜包括导电材料层，并且其中所述绝缘材料层被布置在所述背板的导电材料层和所述膜的导电层之间。
13.根据权利要求12所述的换能器，其中，所述导电材料层包括比所述绝缘材料层低的拉应力。
14.根据权利要求12所述的换能器，其中，所述导电材料层包括比所述绝缘材料层高的压应力。
15.一种用于操作换能器的方法，所述方法包括 在膜处接收声波； 朝着背板移动所述膜，其中所述背板包括开口，其中延伸部分形成所述开口，以及其中所述延伸部分朝着所述膜弯曲；以及响应于移动的膜而生成信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述延伸部分包括在没有被所述膜触及的情况下的平衡位置，以及其中所述延伸部分在被所述膜触及的情况下被移动离开其平衡位置。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，朝着背板移动所述膜包括将所述延伸部分的尖端推入所述开口中。
18.一种用于制造换能器的方法，所述方法包括 在衬底中形成 吴; 形成包括第一材料层和第二材料层的背板，第一材料层包括与第二材料层不同的应力；以及 在所述背板中形成开口，所述开口包括延伸到所述开口中的延伸部分，其中形成开口包括 使用第一蚀刻过程来在第一材料层中蚀刻开口 ；以及 使用第二蚀刻过程来在第二材料层中蚀刻开口。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括因为第一材料层和第二材料层的不同应力而使所述延伸部分弯曲。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括在形成所述开口之后移除所述膜和所述背板之间的牺牲层。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，移除所述牺牲层包括湿化学蚀刻或干蚀刻所述牺牲层。
全文摘要
本发明公开了板、换能器以及用于制造和操作换能器的方法。板、换能器、用于制造换能器的方法、以及用于操作换能器的方法被公开。一个实施例包括一种板，所述板包括包括第一应力的第一材料层；布置在第一材料层下面的第二材料层，第二材料层包括第二应力；布置在第一材料层和第二材料层中的开口；以及延伸到开口中的延伸部分，其中所述延伸部分包括第一材料层的部分和第二材料层的部分，以及其中所述延伸部分基于第一应力和第二应力的差而远离所述板的顶面弯曲。
文档编号H04R31/00GK102811413SQ20121017804
公开日2012年12月5日 申请日期2012年6月1日 优先权日2011年6月1日
发明者A.德赫 申请人:英飞凌科技股份有限公司