用于集成的换能器和温度传感器的系统和方法
【专利摘要】本发明的各个实施例涉及用于集成的换能器和温度传感器的系统和方法。根据实施例，换能器包括集成在单个裸片上的微制造元件和耦合至微制造元件的接口IC。微制造元件包括声学换能器和温度传感器，并且接口IC电耦合至声学换能器和温度传感器。
【专利说明】
用于集成的换能器和温度传感器的系统和方法
技术领域
[0001]本发明总体上涉及用于换能器的系统和方法，并且在具体的实施例中涉及一种用于集成的换能器和温度传感器的系统和方法。
【背景技术】
[0002]换能器将信号从一个域转换为另一个域，并且通常用在传感器中。在日常生活中所见的具有换能器的一种常见传感器是将声波转换为电信号的麦克风。常见传感器的另一个示例是温度计。存在各种换能器，这些换能器通过将温度信号转换为电信号来充当温度
i+o
[0003]基于微机电系统(MEMS)的传感器包括通过使用微加工技术而产生的一类换能器。MEMS，诸如MEMS麦克风，通过测量在换能器中的物理状态的变化、并且将经换能的信号传递至连接至MEMS传感器的处理电子设备，来从环境收集信息。MEMS装置可以通过使用与用于集成电路的微加工制造技术相似的微加工制造技术来制造。
[0004]MEMS装置可以设计为用作，例如，振荡器、共振器、加速计、陀螺仪、压力传感器、麦克风、和微反射镜。许多MEMS装置使用电容感测技术来将物理现象换能为电信号。在这种应用中，通过使用接口电路，将在传感器中的电容变化转换为电压信号。
[0005]—种这种电容感测装置是MEMS麦克风。MEMS麦克风通常具有与刚性背极板分离了小距离的可偏转薄膜。响应于入射在薄膜上的声压波，可偏转薄膜朝着背极板偏转或者背离背极板偏转，从而改变在薄膜与背极板之间的分离距离。一般而言，薄膜和背极板由导电材料制成并且形成电容器的“极板”。由此，由于薄膜与背极板分离的距离响应于入射的声波而改变，所以在“极板”之间电容变化并且生成了电信号。
[0006]MEMS麦克风常常用在移动电子设备中，诸如平板计算机或者移动电话。在一些应用中，例如，可能期望增加这些MEMS麦克风的功能，以便向包括有MEMS麦克风的电子系统(诸如，平板计算机或者移动电话)提供附加的或者改进的功能。
【发明内容】
[0007]根据实施例，换能器包括集成在单个裸片上的微制造元件、和耦合至微制造元件的接口 1C。微制造元件包括声学换能器和温度传感器，并且接口 IC电耦合至该声学换能器和该温度传感器。
【附图说明】
[0008]为了更全面地理解本发明和本发明的各种优点，现在参照结合对应附图所进行的以下说明，在附图中:
[0009]图1图示了一个实施例传感器的系统框图；
[0010]图2图示了一个实施例MEMS裸片的截面图；
[0011]图3图示了实施例MEMS裸片的顶视图；
[0012]图4图示了另一实施例MEMS裸片的截面图；
[0013]图5图示了又一实施例MEMS裸片的顶视图；
[0014]图6图示了又一实施例MEMS裸片的顶视图；
[0015]图7图示了又一实施例MEMS裸片的截面图；
[0016]图8图示了用于MEMS裸片的一个实施例制造过程的框图；
[0017]图9图不了一个实施例传感器系统的不意图；
[0018]图10图示了一个实施例操作方法的框图；
[0019]图11图不了一个实施例电子系统的系统框图；
[0020]图12图示了又一实施例MEMS裸片的截面图；以及
[0021]图13图示了又一实施例MEMS裸片的截面图。
[0022]在不同附图中的对应的附图标记和符号通常表示对应的部分，除非另有指出。附图的绘制是为了清楚地图示各个实施例的各个相关方面并且并不一定是按比例绘制而成。
【具体实施方式】
[0023]下面将对各个实施例的制作和使用进行详细讨论。然而，应该理解，此处描述的各个实施例可以适用于宽泛的各种具体背景。所讨论的具体实施例仅仅是对制作和使用各个实施例的具体方式的图示，并且不应该按受限的范围进行解释。
[0024]在具体背景下关于各个实施例(即，换能器，并且更具体地，集成MEMS麦克风和温度传感器)进行说明。此处描述的各个实施例中的一些实施例包括MEMS换能器系统、MEMS麦克风系统、具有声学换能器和温度传感器两者的MEMS传感器、以及包括热敏电阻器和电阻温度检测器(RTD)的集成温度传感器。在其它实施例中，各个方面也可以适用于涉及根据本领域中已知的任何方式的任何类型的传感器或者换能器的其它应用。
[0025]近年来，移动电子设备在更小的形状因子下提供附加的功能上，实现了极大的进步。传感器和增加的处理能力的包括，已经改变了例如平板计算机和移动电话的使用。包括例如加速计、陀螺仪、高分辨率照相机、光传感器、麦克风以及甚至基于触摸的传感器的传感器，常常势所必然地被并入到各种移动电子设备中。同时，在消费者应用上的竞争已经导致了对增加功能的同时增加移动装置的美感并且使形状因子最小化做出很大努力。
[0026]根据此处描述的各个实施例、并且根据在上文中描述的总体趋势，提出了一种在单个裸片上包括声学换能器(诸如，麦克风或者微型扬声器)和温度传感器两者的集成MEMS传感器。对将有用的温度计包括在各种装置中已经做出了各种努力。然而，在各种应用中，温度计常常受到与应用装置和用户的直接接触的影响。例如，先前的努力可以包括将温度传感器连接至印刷电路极板(PCB)或者装置外壳或者壳体。在这种情况下，温度传感器可能生成如下这样的信号，该信号充分地受在装置内的其它部件生成的热(诸如，通过PCB传递的热)的影响，或者受来自用户的热(诸如，体温)的影响。在有关围绕装置的外部环境和用户的信息(即，温度)被期望的应用中，先前的应用可以包括来自装置或者用户的这种热噪声。根据各个实施例，将温度传感器集成在MEMS麦克风中、并且与MEMS麦克风的声音端口接触，使得温度传感器与外部环境直接接触，而同时使与如下的热噪声生成源的接触最小化，诸如用户，诸如，当将传感器连接至外壳时，或者其它电子部件诸如附接至PCB的处理器。在各个实施例中，温度传感器可以集成在MEMS裸片的基底的本体中，集成在MEMS裸片的本体的表面上，或者集成在MEMS麦克风的感测极板中的任何一个感测极板上。下文参照附图对这种示例实施例的各个细节进行进一步地描述。
[0027]图1图示了包括MEMS裸片102和专用集成电路(ASIC)104的实施例传感器100的系统框图。根据各个实施例，MEMS裸片102包括声学换能器和温度感测元件，两者均通过开口或者声音端口 106耦合至在传感器100外部的环境。麦克风包括第一感测极板和第二感测极板。在一些实施例中，在MEMS裸片102中的麦克风包括穿孔刚性背极板和可偏转隔膜。通过声音端口 106进入MEMS裸片102的声波，导致可偏转薄膜振动或者移动，从而改变在薄膜与背极板之间的分离距离，并且生成经换能的声学信号ASIG，该声学信号Asig被供应至ASIC104。在另外的实施例中，麦克风是双背极板麦克风，其包括附加的穿孔刚性背极板。在又一实施例中，麦克风被实施为任何类型的基于薄膜的声学换能器。例如，在一些实施例中，麦克风可以实施有单个薄膜，诸如用于光学麦克风或者压电麦克风。在这种实施例中，感测机构可以是非电容性的，诸如，例如，光学的或者压电的。在又一些其它实施例中，MEMS裸片102包括基于薄膜的扬声器，诸如MEMS微型扬声器。
[0028]在各个实施例中，在MEMS裸片102中的温度感测元件生成与温度成比例的温度信号TSIG，并且将温度信号TSIG供应至ASIC 104。在MEMS裸片102中的温度感测元件集成在与麦克风相同的半导体中，并且可以包括感测元件的各种变型，如下文进一步描述的。例如，温度感测元件可以包括在半导体基底中的扩散电阻、形成在基底表面上或者在基底中的二极管、形成在基底上或者在麦克风的感测极板中的任何一个感测极板上的热敏电阻器、电阻温度检测器(RTD)、或者集成在麦克风结构中的热电耦。在各个实施例中，MEMS裸片102可以包括附加的接触焊盘，用于将麦克风和温度感测元件两者接口连接。温度感测元件可以形成在MEMS裸片102中，以便通过声音端口 106热耦合至外部环境。例如，温度感测元件可以形成为与声学地或流体地耦合至声音端口 106的空腔中的空气接触。
[0029]在各个实施例中，ASIC 104可以将供应信号或者偏置电压BIAS供应至MEMS裸片102。在一些实施例中，ASIC 104可以是任何类型的集成电路。
[0030]在各个实施例中，MEMS裸片102形成为单个半导体裸片。进一步地，ASIC 104可以形成为在单个半导体裸片上的单个集成电路。封装体108可以包括PCB，该PCB具有MEMS裸片102和附接至PCB的ASIC 104。在其它实施例中，ASIC 104和MEMS裸片102可以集成在相同的基底或者相同的半导体裸片上。在各个实施例中，MEMS裸片102和ASIC 104可以形成在基底上，该基底是除了半导体之外的材料，诸如导体或者绝缘体，以及在更具体的示例中，例如是聚合物。在一些实施例中，ASIC 104和MEMS裸片102，诸如通过倒装芯片键合或者晶片键合，一起直接地附接在封装体108中。
[0031]如下文进一步描述的，实施例MEMS麦克风可以具有薄膜和背极板(或者具有两个背极板)，该薄膜和背极板与例如穿过声音端口到达外部环境的空气直接接触。在一些实施例中，温度感测元件形成在薄膜或者背极板上，并且也与来自外部环境的空气直接接触。附加地，温度感测元件可以与附接至支撑MEMS裸片102的PCB的热生成元件分离，这是因为在其上或者在其中形成有温度感测元件的薄膜或者背极板从基底悬置，这减少或者消除了来自PCB的热传递。在一些实施例中，对于形成在MEMS裸片102的基底上或者在其中的温度感测元件而言，可以发生相似的有益效果。
[0032]图2图示了包括双背极板麦克风结构的实施例MEMS裸片102a的截面图，这是如在上文中参照图1描述的MEMS裸片102的一个实施例实施方式。根据各个实施例，双背极板麦克风形成在基底110上、在空腔112之上，并且包括底背极板114、薄膜116、和顶背极板118。顶背极板和底背极板114和118可以是由多个层形成的穿孔刚性结构。在一些实施例中，顶背极板和底背极板114和118中的每一个包括形成在顶绝缘层与底绝缘层之间的导电层。在一个具体实施例中，导电层由多晶硅形成，并且顶绝缘层和底绝缘层由氮化硅(SiN)形成。在其它实施例中，也可以使用其它材料。在一些实施例中，薄膜116可以由多个层形成，诸如包括导电材料和非导电材料的两个或者多个层。
[0033]根据一些实施例，底背极板114包括环形电阻器120作为温度感测元件。在具体实施例中，环形电阻器120由被绝缘材料诸如SiN围绕的多晶硅形成。在一些实施例中，可以称为热敏电阻器120的环形电阻器120，可以形成为半导电材料，诸如多晶硅，或者可以形成为金属。环形电阻器120可以形成在覆在空腔112上面的有源声学感测区域中，或者形成在覆在基底110上面的无源感测区域中。在其它实施例中，环形电阻器120可以形成为在薄膜116或者顶背极板118上的温度感测元件(未示出)。
[0034]在各个具体实施例中，包括底背极板114、薄膜116、和顶背极板118的双背极板麦克风形成在结构层123和124中。结构层123和124可以是正硅酸乙酯(TEOS)或者其它可图案化的材料。接触焊盘126、128、130和132提供通过结构层123和124分别至基底110、底背极板114、薄膜116和顶背极板132的电连接。接触焊盘126、128、130和132可以由导电材料形成，诸如半导体的金属。隔离或者绝缘层122也可以形成在接触焊盘126、128、130和132之上。虽然在图2中未示出，但是环形电阻器120可以耦合至形成在结构层124中的附加的接触焊盘134和136，如进一步参照图3所描述的。
[0035]图3图示了如在上文中参照图2描述的实施例MEMS裸片102a的顶视图。根据各个实施例，顶背极板118、薄膜116、和底背极板114(未示出)形成在基底110上、在空腔112(未示出)之上。在这种实施例中，也可以称为热敏电阻器120的环形电阻器120，示出为形成在顶背极板118中、在接触焊盘134与136之间。顶背极板118包括穿孔138，并且通过接触焊盘132而被电接触。接触焊盘126电连接至基底110，并且接触焊盘130电耦合至薄膜116。出于简化图示起见，忽略了结构层123和124。
[0036]出于简化图示起见，在图3中，顶背极板118图示有环形电阻器120，该环形电阻器120形成为该背极板的部分，例如，形成在该背极板中或者在该背极板上；而在图2中，底背极板114图示有环形电阻器120。在各个实施例中，环形电阻器120可以形成在顶背极板118或者底背极板114中或者在其上。在另外的实施例中，环形电阻器120可以形成在顶背极板和底背极板114和118两者上。在一些实施例中，环形电阻器120可以形成在薄膜116上或者在其中。
[0037]根据一些实施例，环形电阻器120包括在绝缘材料142与144之间的导电材料140。在具体实施例中，绝缘材料142和144是SiN，并且导电材料140是多晶硅。在其它实施例中，例如，导电材料140可以由其它半导电材料或者金属形成，并且例如，绝缘材料142和144可以由其它绝缘体形成。在特定实施例中，导电材料140是铂。根据各个实施例，释放线146绘出了从薄膜116和顶背极板118的固定部分释放的薄膜116和顶背极板118的部分。在一些实施例中，释放线146绘出了，与在释放线146外部的无源声学感测区域相区别的、在释放线146内部的有源声学感测区域。
[0038]在各个实施例中，环形电阻器120可以是如图所示的环形形状结构。在其它实施例中，热敏电阻器120可以形成为任何形状，作为直线电阻器或者弯曲电阻器。在一些实施例中，热敏电阻器120可以形成为以圆形或者之字形跨背极板或者薄膜的弯曲电阻器延伸。在替代实施例中，热敏电阻器120可以是放置在背极板或者薄膜的任何部分中的短的直线电阻器。
[0039]在如参照图2和图3描述的各个实施例中，环形电阻器120的电阻可以取决于温度。通过在接触焊盘134和136处向环形电阻器120提供电压或者电流，来确定温度、或者生成与温度成比例的温度信号。测量对应的电流或者电压，并且电阻的变化影响了由于温度变化的作用而测得的电流或者电压。通过使用该信息，可以确定温度。在一些实施例中，执行校准序列，以便确定或者表征在来自环形电阻器120的测得的信号与温度之间的关系。在这种实施例中，将在接触焊盘134和136上的信号用于测量耦合至实施为环形电阻器120的温度感测元件的外部环境的温度。
[0040]图4图示了包括双背极板麦克风结构的另一实施例MEMS裸片102b的截面图，这是如在上文中参照图1描述的MEMS裸片102的另一实施例实施方式。根据各个实施例，MEMS裸片102b包括与在上文中参照图2和图3描述的层和结构相似的层和结构。参照MEMS裸片102a的说明也适用于在MEMS裸片102b中的相同编号的元件，不同之处在于，在一些实施例中，底背极板114、薄膜116和顶背极板118不包括环形电阻器120。根据各个实施例，在MEMS裸片102b中的温度感测元件实施为在基底110中的扩散电阻器。在这种实施例中，基底110的电阻也取决于温度。可变电源154供应可变电流或者电压，并且分别测量在接触焊盘126与背接触150之间的对应电压或者电流。背接触150形成在基底110的背部分，并且接触152可以耦合至背接触152，用于测量在接触焊盘126和背接触150之间的电压或者电流。
[0041 ]图5图示了包括双背极板麦克风结构的又一实施例MEMS裸片102c的顶视图，这是如在上文中参照图1描述的MEMS裸片102的又一实施例实施方式。双背极板麦克风结构包括顶背极板118、薄膜116、和形成在基底110上的底背极板114(未示出)。根据各个实施例，MEMS裸片102c包括热敏电阻器160，该热敏电阻器160形成在基底110上并且耦合在接触焊盘162与164之间。在这种实施例中，顶背极板118、薄膜116和底背极板114(未示出)如在上文中参照图2和图3的描述一样地操作。在一些实施例中，顶背极板118、薄膜116和底背极板114(未示出)不包括环形电阻器120或者用于环形电阻器120的接触焊盘。
[0042]在各个实施例中，热敏电阻器160由具有取决于温度的电阻的材料形成。在一些实施例中，例如，热敏电阻器160形成为金属，诸如铂。在其它实施例中，例如，热敏电阻器160形成为半导体，诸如多晶硅。热敏电阻器160也可以称为电阻温度检测器(RTD)160。在一个特定实施例中，例如，RTD 160仅由金属形成，诸如铂或者金。如在上文中参照图3和图4描述的，为了生成与温度成比例的信号，在接触焊盘162和164处向热敏电阻器160供应电压或者电流。测量由此产生的电流或者电压，以便确定导致电阻变化的温度变化。在各个实施例中，可以如在上文中的描述一样地执行校准序列。
[0043]图6图示了包括双背极板麦克风结构的又一实施例MEMS裸片102d顶视图，这是如在上文中参照图1描述的MEMS裸片102的又一实施例实施方式。根据各个实施例，MEMS裸片102d的温度感测元件是感测极板(S卩，顶背极板118、薄膜116和底背极板114(未示出))中的一个的薄层电阻。接触焊盘170、172、174和176形成有至感测极板的电耦合，用于测量薄层电阻。接触焊盘170、172、174和176耦合至感测极板的不同部分。
[0044]根据各个实施例，通过使用在本领域中已知的方法来确定薄层电阻。与在上文中的描述相似地，相应的感测极板的电阻取决于温度。由此，这样执行测量，从而该测量使用电阻变化来确定温度变化。
[0045]在一些实施例中，顶背极板118和底背极板114可以包括穿孔，如图2、图3和图4所示。在其它实施例中，顶背极板和底背极板118和114不包括穿孔，如图5和图6所示。在特定实施例中，顶背极板和底背极板118和114包括在顶背极板和底背极板118和114的圆周周围的通风口 148，如图5和图6所示。
[0046]图7图示了包括双背极板麦克风结构的MEMS裸片102e的又一实施例的截面图，这是如在上文中参照图1描述的MEMS裸片120的另一实施例实施方式。根据各个实施例，MEMS裸片102e包括与在上文中参照图2和图3描述的层和结构相似的层和结构。参照MEMS裸片102a的说明也适用于在MEMS裸片102e中的相同编号的元件，不同之处在于，在一些实施例中，底背极板114、薄膜116和顶背极板118不包括环形电阻器120。根据各个实施例，在MEMS裸片102e中的温度感测元件实施为悬置在基底110之上的电阻性元件或者热敏电阻器157。在这种实施例中，热敏电阻器157的电阻取决于温度。可以在接触焊盘156与背接触158之间测量热敏电阻器157的电阻。
[0047]在各个实施例中，热敏电阻器157形成在结构层124的缺口159中、在基底110之上。在一些实施例中，热敏电阻器可以由与此处参照其它附图描述的顶背极板118相同的材料形成。结构层123和124、热敏电阻器157和接触焊盘156和158，可以利用表面微加工技术形成在基底110上。在各个实施例中，热敏电阻器157由具有取决于温度的电阻的材料形成。在一些实施例中，例如，热敏电阻器157形成为金属，诸如铂。在其它实施例中，例如，热敏电阻器157形成为半导体，诸如多晶硅。在具体实施例中，热敏电阻器157也可以称为电阻温度检测器(RTD)157。在一个特定实施例中，例如，RTD 157仅由金属形成，诸如铂或者金。如在上文中参照图3和图4描述的，为了生成与温度成比例的信号，在接触焊盘156和158处向热敏电阻器157供应电压或者电流。测量由此产生的电流或者电压，以便确定导致电阻变化的温度变化。在各个实施例中，可以如在上文中的描述一样地执行校准序列。
[0048]图8图示了用于MEMS裸片的实施例制造过程200的框图，包括步骤202至222。根据各个实施例，制造过程200在步骤202中以基底开始。例如，基底可以由半导体诸如硅、或者另一材料诸如聚合物形成。在步骤204中，在基底上形成蚀刻停止层。例如，蚀刻停止层可以是正硅酸乙酯(TEOS)。在步骤206中，通过形成用于第一背极板的层并且将其图案化，来形成第一背极板。如图所示，在一些实施例中，步骤206也包括:在第一背极板中或者在其上形成温度感测元件。作为示例，步骤206可以包括:沉积绝缘层诸如SiN;沉积导电层诸如多晶硅;将导电层图案化;沉积另一绝缘层诸如SiN;以及将由此产生的堆叠层图案化。该图案化可以包括光刻过程以产生第一背极板结构，其中穿孔和热敏电阻器形成在背极板中，例如，诸如在上文中参照图2和图3所描述的。
[0049]在其它实施例中，想象结构变化例和材料替代物。例如，热敏电阻器可以形成为在第一背极板上的附加元件，并且可以由金属形成。在一些替代实施例中，第一背极板可以由任何数量的层形成，导电的或者绝缘的。例如，在一些实施例中，第一背极板可以包括多个金属、半导体、或者电介质的层。可以将介电层用于使温度感测元件与麦克风传感器分离。在一个实施例中，在第一背极板的顶部上的介电材料和导电材料的层堆叠可以包括有温度感测元件，在这种实施例中，例如，该温度感测元件可以由多晶硅或金属的层形成。在一些实施例中，第一背极板可以由绝缘体上硅(SOI)或者金属和介电层形成。在不同的实施例中，当将第一背极板图案化时，该图案化可以包括在第一背极板中或者在其上形成环形电阻器或者其它结构。
[0050]在各个实施例中，步骤208包括形成结构材料(诸如，TE0S)并且将其图案化。执行在步骤208中的形成和图案化，以便提供用于薄膜的间距。可以将结构层图案化，以便形成用于薄膜的防粘凸块。附加地，在步骤208中形成的结构层可以包括多次沉积以及平面化步骤，诸如化学机械抛光(CMP)。步骤210包括:形成薄膜层并且将薄膜图案化。例如，薄膜层可以由多晶硅形成。在其它实施例中，例如，薄膜层可以由其它导电材料形成，诸如掺杂的半导体或者金属。在步骤210中的将薄膜层图案化可以包括:例如，光刻过程，该光刻过程限定出薄膜形状或者结构。薄膜可以包括在步骤208中形成的基于防粘凸块的结构。在一些实施例中，如图所示，在步骤210中形成的薄膜也可以包括形成在薄膜层或者多个薄膜层中或者在其上的感测元件。在具体实施例中，薄膜可以由多个层形成，并且热敏电阻器可以形成在薄膜层中或者在其上。在各个实施例中，例如，薄膜可以形成有根据如在上文中参照在步骤206中形成的第一背极板描述的材料层的任何配置的温度感测元件。
[0051 ]在各个实施例中，步骤212包括:形成附加的结构材料(诸如，TE0S)并且将其图案化。与步骤208相似，可以在步骤212中形成结构材料并且将其图案化，以使第二背极板与薄膜间隔开、并且在第二背极板中提供防粘凸块。步骤214包括:形成第二背极板的层并且将其图案化。在一些实施例中，在步骤214中的形成并且图案化包括:例如，层的沉积和光刻图案化。在各个实施例中，步骤214可以包括与在上文中参照步骤206中形成的第一背极板描述的相似特征，并且相同的说明也适用。由此，在各个实施例中，步骤214可以包括:在第二背极板中或者在其上形成温度感测元件，诸如热敏电阻器，如图所示。步骤214也可以包括:在步骤212的结构材料上形成电阻性元件或者热敏电阻器。例如，热敏电阻器可以包括如参照热敏电阻器157描述的任何材料。在具体实施例中，热敏电阻器可以由与第二背极板相同的层形成。可以添加附加步骤至制造过程200(未示出)以通过诸如蚀刻，在热敏电阻器与步骤202的基底之间的结构材料中形成缺口，诸如在上文中参照图7所描述的。
[0052]在各个实施例中，在步骤214之后，步骤216包括:形成附加结构材料并且将其图案化。结构材料可以是TEOSο在一些实施例中，可以将结构材料沉积为牺牲材料或者掩膜材料，用于随后的蚀刻或者图案化步骤。步骤218包括:形成接触焊盘并且将其图案化。在步骤28中的形成接触焊盘并且将其图案化可以包括:对在现有层中的接触孔进行蚀刻，以设置至第二背极板、薄膜、第一背极板、基底和温度感测元件的开口。在特定实施例中，温度感测元件是热敏电阻器，该热敏电阻器可以具有用于两个接触焊盘的两个开口，该开口至热敏电阻器形成在其中或者在其上的任何结构。在形成至每个相应结构或者层的开口之后，可以通过在开口中沉积导电材料(诸如，金属)、并且将导电材料图案化、以形成分离接触焊盘，来形成接触焊盘。步骤218也可以包括:在金属化层中或者在接触焊盘之间形成温度感测元件。例如，可以在附加的接触焊盘之间形成具有取决于温度的电阻的电阻性元件。在一个特定实施例中，在步骤218中，在接触焊盘之间形成铂接线。在另一实施例中，步骤218也可以包括:形成背接触，用于测量基底的扩散电阻，如在上文中参照图4所描述的。
[0053]在各个实施例中，步骤220包括:执行背面蚀刻，诸如Bosch蚀刻。背面蚀刻在基底中形成空腔，以便形成至制造的麦克风和温度传感器的声音端口、或者形成参照空腔。步骤222包括:执行释放蚀刻以去除结构材料，保护并且固定第一背极板、薄膜、和第二背极板。在一些实施例中，在步骤222中的释放蚀刻之后，薄膜可以自由移动。
[0054]在一些替代实施例中，可以在第一背极板、第二背极板、或者薄膜上形成作为温度感测元件的二极管。在特定实施例中，可以对制造过程200进行修改，以包括仅仅单个背极板和薄膜。本领域的技术人员将容易地了解，可以对在上文中描述的总体制造序列做出各种修改以便提供本领域的技术人员已知的各种有益效果和修改，同时仍然包括本发明的各个实施例。在一些实施例中，例如，制造序列200可以实施为形成具有与单个背极板MEMS麦克风相似的结构的微型扬声器。
[0055]图9图示了包括在封装体108中的MEMS裸片102和ASIC104的实施例传感器系统101的示意图。根据各个实施例，MEMS裸片102包括麦克风180和热敏电阻器182，如与在上文中描述的相似，并且ASIC 104包括耦合至麦克风180的运算放大器184、和耦合至热敏电阻器182的运算放大器186。在各个实施例中，热敏电阻器182可以实施为如在上文中描述的任何其它类型的温度感测元件。运算放大器184基于从麦克风180接收的经换能的信号来生成麦克风输出电压Vmic，并且运算放大器186基于从热敏电阻器182接收的温度信号来生成温度输出电压Vtemp。在一些实施例中，通过包括电阻器Rl和R2的分压电阻电路来供应运算放大器186的第一输入，并且通过至低电源电压GND的参考、通过电阻器R3，来供应放大压缩器186的第二输入。运算放大器184可以接收电源电压VDD。电源电压VDD、麦克风输出电压Vmic、温度输出电压Vtemp和低电源电压GND中的每一个，可以通过引脚耦合至芯片外结构，诸如至PCB，或者可以耦合至在ASIC 104中的其它元件。
[0056]在各个实施例中，ASIC104可以包括多个接口电路，并且运算放大器184和186仅仅是一个示例。本领域的技术人员将容易地了解，可以利用多种变型和修改，来实施用于被包括在ASIC 104中的麦克风180和热敏电阻器182的接口电路。进一步地，ASIC 104可以包括各个偏置电路、吸合(pull-1n)或者误差检测器、或者用于实施其它功能的电路。在各个实施例中，麦克风180和热敏电阻器182通过声音端口 106耦合至外部环境。
[0057]图10图示了包括步骤302和304的实施例操作方法300的框图。根据各个实施例，操作方法300是操作传感器的方法。步骤302包括:基于与外部环境的接口来生成经换能的声学信号，并且步骤304包括:基于与外部环境的接口来生成温度信号。在这种实施例中，在相同的单个微制造裸片处，生成经换能的声学信号和温度信号两者。在特定实施例中，在具有集成温度感测元件的MEMS麦克风中生成经换能的声学信号和温度信号。在一些实施例中，操作方法300可以包括附加的步骤。
[0058]图11图示了包括MEMS裸片402、IC 404、处理器408和通信电路410的实施例电子系统400的系统框图。根据各个实施例，电子系统400可以是移动电子装置，诸如平板计算机或者移动电话。MEMS裸片402如在上文中参照MEMS裸片102的描述相似地发挥作用。MEMS裸片402包括集成在单个裸片上并且通过声音端口 406耦合至外部环境的MEMS麦克风和温度感测元件，如与参照声音端口 106的描述相似的。MEMS裸片402也耦合至IC 404，其可以如在上文中参照ASIC 104的描述一样地发挥作用。在替代实施例中，IC 404也集成在MEMS裸片402上。
[0059]在各个实施例中，MEMS裸片402耦合至PCB 412并且被包含在外壳416内部。例如，外壳416可以是平板计算机或者移动电话的主体。显示器414也可以耦合至PCB 412。在一些实施例中，处理器408和通信电路410耦合至PCB 412。通信电路410通过通信路径418通信，该通信路径418是无线通信路径。在替代实施例中，通信路径418是有线连接。
[0060]在各个实施例中，MEMS裸片402根据在外壳416外部的外部环境生成经换能的声学信号和温度信号，并且通过IC 404和PCB 412将生成的信号提供至处理器408。在各个替代实施例中，例如，电子系统400是有线装置，诸如工作站、个人计算机、或者用于特定应用(诸如，工业、医学或者航空应用)的计算系统。
[0061 ]图12图示了又一实施例MEMS裸片500的截面图。根据各个实施例，MEMS裸片500是压阻换能器或者压电换能器，其包括基底502、结构材料504、薄膜506和空腔512。设置在薄膜506上或者被包括在其内的是压电换能器510。压电换能器510可以实施为压电材料或者压阻材料。
[0062]在各个实施例中，在周围环境中的压力变化或者声学信号导致薄膜506偏转。对于压阻材料而言，偏转改变了压电换能器510的电阻，并且通过读出电极(未示出)来测量该电阻。对于压电材料而言，偏转导致压电换能器510生成电压，该电压被供应至读出电子设备(未示出)。
[0063]根据各个实施例，MEMS裸片500也包括温度感测元件。温度感测元件可以实施为电阻性元件508，该电阻性元件508可以形成在薄膜506的任何部分上。例如，电阻性元件508可以实施温度感测元件，如在上文中参照在图2和图3中的环形电阻器120所描述的。在另一实施例中，电阻性元件514可以形成在缺口516之上以便实施温度感测元件，如在上文中参照在图7中的电阻性元件157所描述的。在一些实施例中，可以省略缺口 516，并且电阻性元件514可以形成在结构材料504之上或者直接地形成在基底502上。使用压电换能器的各种另外的修改和配置是可能的。本领域的技术人员将了解，使用集成温度感测元件的这种修改和配置，如此处所描述的，均被包括在各个实施例的范围内。
[0064]图13图示了又一实施例MEMS裸片520的截面图。根据各个实施例，MEMS裸片520是光学换能器，该光学换能器包括基底522、背极板524、结构层526、薄膜528和空腔536。激光器532和光电二极管534设置在基底522上，基底522通过空气缺口 544与背极板524间隔开。背极板524包括或者支撑衍射光栅538。在这种实施例中，激光器532朝着衍射光栅538和薄膜528发射光束。背极板524可以由在提供了用于空气缺口 544的结构的基底522上的间隔件或者基底(未示出)来支撑。
[0065]在各个实施例中，在周围环境中的压力变化或者声学信号导致薄膜528偏转或者振动。薄膜528的振动影响了在衍射光栅538与薄膜528之间的距离，这又对朝着光电二极管534发射回的光的强度进行了调制。由此，光电二极管534生成与薄膜528的偏转有关的电子信号。用于光学MEMS换能器的各种修改例或者替代配置是本领域的技术人员已知的，并且这种修改被包括在各个实施例中。
[0066]根据各个实施例，MEMS裸片520也包括温度感测元件。温度感测元件可以实施为电阻性元件530，该电阻性元件530可以形成在薄膜528的任何部分上。例如，电阻性元件530可以实施温度感测元件，如在上文中参照在图2和图3中的环形电阻器542所描述的。在另一实施例中，电阻性元件540可以形成在缺口542之上以便实施温度感测元件，如在上文中参照在图7中的电阻性元件157所描述的。缺口 542可以形成在结构层526中或者在背极板524的材料或结构中。在一些实施例中，可以省略缺口 542，并且电阻性元件540可以形成在结构层526上或者直接地形成在背极板524的材料或结构上。使用光学换能器的各个另外的修改和配置是可能的。本领域的技术人员将了解，使用集成温度感测元件的这种修改和配置，如此处描述的，均被包括在各个实施例的范围内。
[0067]在此处描述的各个实施例中，主要参照双背极板MEMS麦克风。在附加的实施例中，单个背极板MEMS麦克风包括各种实施例集成温度感测元件。本领域的技术人员将容易地了解，可以如何根据单背极板麦克风结构来修改此处参照双背极板MEMS麦克风描述的结构。进一步地，在一些实施例中，非基于电容性的声学传感器可以与温度感测元件集成在一起。例如，压电或者光学麦克风可以实施有集成温度感测元件，如此处所描述的。附加地，驻极体麦克风也可以被包括在此处描述的实施例中。在另外的替代实施例中，例如，其它MEMS传感器可以包括集成温度传感器，如此处所描述的，诸如，具有可偏转感测结构并且在该感测结构中具有集成温度感测元件的MEMS。在一个实施例中，基于MEMS的微型扬声器可以在基底中或者在微型扬声器自身的可偏转薄膜中包括集成温度感测元件。
[0068]根据一个实施例，换能器包括集成在单个裸片上的微制造元件，该微制造元件包括声学换能器和温度感测器。换能器也包括接口 1C，该接口 IC耦合至微制造元件并且电耦合至声学换能器和温度传感器。本方面的其它实施例包括被配置为执行对应方法的动作或步骤的对应系统或设备。
[0069]实施方式可以包括以下特征中的一个或者多个。在各个实施例中，声学换能器包括麦克风，并且麦克风包括声音端口、具有声学耦合至声音端口的第一有源区域的薄膜、和与薄膜间隔开并且对准的第一背极板。第一背极板可以包括与第一有源区域间隔开并且对准的第二有源区域。在一些实施例中，麦克风进一步包括与薄膜间隔开并且对准的第二背极板，其中第二背极板在与第一背极板相反的方向上与薄膜间隔开。温度传感器可以形成在第二有源区域中的背极板上、或者在第一有源区域中的薄膜上。
[0070]在各个实施例中，温度传感器包括形成在背极板或者薄膜上的在第一接触与第二接触之间的电阻性材料。电阻性材料形成有长度和宽度，其中长度是宽度的至少五倍。在一个实施例中，电阻性材料包括金属或者半导体。温度传感器可以形成在背极板上在第二有源区域外部或者在薄膜上在第一有源区域外部。在一个实施例中，微制造部件包括基底，并且温度传感器形成在该基底中。在另一实施例中，微制造元件包括基底，并且温度传感器包括形成在基底上的在两个接触焊盘之间的电阻性元件。在一个实施例中，电阻性元件包括金属或者半导体材料。在又一实施例中，微制造元件包括基底和在基底之上的具有缺口的结构层，并且温度传感器包括形成在结构层上并且跨在结构层中的缺口的在两个接触焊盘之间的电阻性元件。
[0071]在各个实施例中，温度传感器包括热敏电阻器、电阻温度检测器(RTD)、热电耦和二极管中的一个。温度传感器可以包括声学换能器的感测极板，其中感测极板被配置有用于测量感测极板的薄层电阻的接触。在一个实施例中，声学换能器包括微型扬声器。在一些实施例中，接口 IC集成在单个裸片上。在各个实施例中，声学换能器包括压电换能器、压阻换能器或者光学换能器。在一些实施例中，与外部环境的接口包括耦合至单个微制造裸片的声音端口。
[0072]根据一个实施例，操作传感器的方法包括:在单个微制造裸片处，基于与外部环境的接口，生成经换能的声学信号，并且也包括:在单个微制造裸片处，基于与外部环境的接口，生成温度信号。本方面的其它实施例包括对应的系统或设备，其中每个都被配置为执行对应方法的动作或步骤。
[0073]实施方式可以包括以下特征中的一个或者多个。在各个实施例中，与外部环境的接口包括耦合至单个微制造裸片的声音端口。单个微制造裸片可以包括:基底、由基底支撑并且声学耦合至与外部环境的接口的薄膜、和与薄膜间隔开并且对准的感测极板。在一些实施例中，单个微制造裸片包括形成在薄膜或者感测极板上的温度传感器。
[0074]在各个实施例中，生成经换能的声学信号包括:在感测极板与薄膜之间生成电压信号，该电压信号基于入射在薄膜上的声学信号而变化。在一些实施例中，生成温度信号包括:生成与温度依赖的电阻性元件的电阻成比例的信号。
[0075]根据一个实施例，换能器包括:支撑结构，该支撑结构包括至外部环境的开口；薄膜，该薄膜声学耦合至开口；背极板，该背极板与薄膜间隔开并且对准；以及温度感测元件，该温度感测元件形成在薄膜或者背极板上。本方面的其它实施例包括对应的系统或者设备，其中每个都被配置为执行对应方法的动作或者步骤。
[0076]实施方式可以包括以下特征中的一个或者多个。在各个实施例中，温度感测元件包括形成在背极板或者薄膜上的在第一接触与第二接触之间的电阻性材料。在这种实施例中，电阻性材料形成有长度和宽度，其中长度是宽度的至少五倍。在一些实施例中，电阻性材料包括金属或者半导体。支撑结构包括基底，并且薄膜和背极板形成在该基底上。开口可以包括在基底中的空腔，并且薄膜和背极板可以形成在该空腔之上。
[0077]在各个实施例中，背极板包括多种材料，该材料布置为使有源声学感测区域与无源声学感测区域电隔离。在一些实施例中，温度感测元件形成在背极板的有源声学感测区域上。在一个实施例中，薄膜包括多种材料并且温度感测元件形成在薄膜上。在一个实施例中，换能器包括微型扬声器，其中微型扬声器包括薄膜和背极板。
[0078]根据一个实施例，电子装置包括外壳，该外壳包括开口，该开口配置为允许通过该开口的流体连通;微制造换能器，该微制造换能器集成在外壳内部的单个裸片上;有线或无线的通信电路，该有线或无线的通信电路在外壳内部；以及处理器，该处理器在外部内部。微制造换能器包括声学换能器和温度传感器，并且微制造换能器流体耦合至开口。进一步地，处理器耦合至微制造换能器和有线或无线的通信电路。本方面的其它实施例包括对应的系统或者设备，其中每个都被配置为执行对应的方法的动作或者步骤。
[0079]根据一个实施例，集成装置包括集成在单个裸片上的微制造元件。微制造元件包括基底、在基底之上的具有缺口的结构层、两个接触焊盘、和温度传感器，该温度传感器包括形成在结构层上并且跨在结构层中的缺口的在两个接触焊盘之间的电阻性元件。本方面的其它实施例包括对应系统或者设备，其中每个都被配置为执行对应方法的动作或者步骤。
[0080]实施方式可以包括以下特征中的一个或者多个。在各个实施例中，微制造元件进一步包括集成在单个裸片上的声学换能器。在一个实施例中，集成装置进一步包括接口 IC，该接口 IC耦合至微制造元件、并且电耦合至声学换能器和温度传感器。
[0081]根据一个实施例，制造换能器的方法包括:在基底之上形成可偏转薄膜，并且在基底处形成温度感测元件。本方面的其它实施例包括每个都被配置为执行对应方法的动作或者步骤的对应系统或者设备。
[0082]实施方式可以包括以下特征中的一个或者多个。在各个实施例中，形成温度感测元件包括:在薄膜上在两个接触焊盘之间形成电阻性层。在一些实施例中，该方法进一步包括:在基底之上形成与薄膜间隔开并且对准的背极板。在一个实施例中，形成温度感测元件包括:在背极板上形成在两个接触焊盘之间的电阻性层。
[0083]在各个实施例中，形成温度感测元件包括:在基底中形成温度感测元件。在其它实施例中，形成温度感测元件包括:在基底上形成温度感测元件。形成温度感测元件可以包括:在基底之上形成具有缺口的结构层，并且，在结构层上并且跨在结构层中的缺口形成电阻性元件。
[0084]根据此处描述的各个实施例，优点可以包括:添加了在微制造声学传感器的功能，减小了用于包括麦克风和温度传感器的系统的形状因子，并且在降低了热噪声的同时改进了环境温度感测。在一些实施例中，一个优点可以包括:由于与外部环境的紧密耦合，所以可以对外部空气温度进行快速和精确的测量。一些实施例包括以下这样的优点:由于温度感测元件是集成在MEMS麦克风裸片中、而不是在应用系统中的其它位置处，所以不要求附加硅区域。
[0085]虽然已经参照图示性实施例对本发明进行了描述，但是本说明不旨在被解释为限制意义。图示性实施例的各种修改和组合、以及本发明的其它实施例，在参考本说明时，对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。因此，旨在使随附权利要求书囊括任何这种修改例或者实施例。
【主权项】
1.一种换能器，包括: 微制造元件，所述微制造元件集成在单个裸片上，所述微制造元件包括声学换能器和温度传感器；以及 接口 1C，所述接口 IC耦合至所述微制造元件，并且电耦合至所述声学换能器和所述温度传感器。2.根据权利要求1所述的换能器，其中所述声学换能器包括麦克风，所述麦克风包括: 声音端口 ； 薄膜，所述薄膜包括声学耦合至所述声音端口的第一有源区域；以及 第一背极板，所述第一背极板与所述薄膜间隔开并且对准，其中所述第一背极板包括与所述第一有源区域间隔开并且对准的第二有源区域。3.根据权利要求2所述的换能器，其中所述麦克风进一步包括与所述薄膜间隔开并且对准的第二背极板，所述第二背极板在与所述第一背极板相反的方向上与所述薄膜间隔开。4.根据权利要求2所述的换能器，其中所述温度传感器形成在所述背极板上在所述第二有源区域中、或者在所述薄膜上在所述第一有源区域中。5.根据权利要求4所述的换能器，其中所述温度传感器包括形成在所述背极板或者所述薄膜上的在第一接触与第二接触之间的电阻性材料，所述电阻性材料形成有长度和宽度，其中所述长度是所述宽度的至少五倍。6.根据权利要求5所述的换能器，其中所述电阻性材料包括金属或者半导体。7.根据权利要求2所述的换能器，其中所述温度传感器形成在所述背极板上在所述第二有源区域外部、或者在所述薄膜上在所述第一有源区域外部。8.根据权利要求1所述的换能器，其中所述微制造元件包括基底，并且所述温度传感器形成在所述基底中。9.根据权利要求1所述的换能器，其中所述微制造元件包括基底，并且所述温度传感器包括形成在所述基底上的在两个接触焊盘之间的电阻性元件。10.根据权利要求9所述的换能器，其中所述电阻性元件包括金属或者半导体器材料。11.根据权利要求1所述的换能器，其中 所述微制造元件包括基底、和在所述基底之上的具有缺口的结构层，以及 所述温度传感器包括形成在所述结构层上并且跨在所述结构层中的所述缺口的在两个接触焊盘之间的电阻性元件。12.根据权利要求1所述的换能器，其中所述温度传感器包括热敏电阻器、电阻温度检查器(RTD)、热电偶和二极管中的一个。13.根据权利要求1所述的换能器，其中所述温度传感器包括所述声学换能器的感测极板，其中所述感测极板配置有用于测量所述感测极板的薄层电阻的接触。14.根据权利要求1所述的换能器，其中所述声学换能器包括微型扬声器。15.根据权利要求1所述的换能器，其中所述接口IC集成在所述单个裸片上。16.根据权利要求1所述的换能器，其中所述声学换能器包括压电换能器、压阻换能器或者光学换能器。17.一种操作传感器的方法，所述方法包括: 在单个微制造裸片处，基于与外部环境的接口，生成经换能的声学信号；以及 在所述单个微制造裸片处，基于与所述外部环境的所述接口，生成温度信号。18.根据权利要求17所述的方法，其中与所述外部环境的所述接口包括耦合至所述单个微制造裸片的声音端口。19.根据权利要求17所述的方法，其中所述单个微制造裸片包括: 基底； 薄膜，所述薄膜由所述基底支撑，并且声学耦合至与所述外部环境的所述接口 ；以及 感测极板，所述感测极板与所述薄膜间隔开并且对准。20.根据权利要求19所述的方法，其中所述单个微制造裸片包括形成在所述薄膜或者所述感测极板上的温度传感器。21.根据权利要求19所述的方法，其中生成所述经换能的声学信号包括:在所述感测极板与所述薄膜之间生成电压信号，所述电压信号基于入射在所述薄膜上的声学信号而变化。22.根据权利要求17所述的方法，其中生成所述温度信号包括:生成与温度依赖的电阻性元件的电阻成比例的信号。23.—种换能器，包括: 支撑结构，所述支撑结构包括至外部环境的开口 ； 薄膜，所述薄膜声学耦合至所述开口 ； 背极板，所述背极板与所述薄膜间隔开并且对准；以及 温度感测元件，所述温度感测元件形成在所述薄膜或者所述背极板上。24.根据权利要求23所述的换能器，其中所述温度感测元件包括形成在所述背极板或者所述薄膜上的在第一接触与第二接触之间的电阻性材料，所述电阻性材料形成有长度和宽度，其中所述长度是所述宽度的至少五倍。25.根据权利要求24所述的换能器，其中所述电阻性材料包括金属或者半导体。26.根据权利要求23所述的换能器，其中所述支撑结构包括基底，以及其中所述薄膜和所述背极板形成在所述基底上。27.根据权利要求26所述的换能器，其中所述开口包括在所述基底中的空腔，其中所述薄膜和所述背极板形成在所述空腔之上。28.根据权利要求23所述的换能器，其中所述背极板包括多种材料，所述材料布置为使有源声学感测区域与无源声学感测区域电隔离。29.根据权利要求28所述的换能器，其中所述温度感测元件形成在所述背极板的所述有源声学感测区域上。30.根据权利要求23所述的换能器，其中所述薄膜包括多种材料，并且所述温度感测元件形成在所述薄膜上。31.根据权利要求23所述的换能器，其中所述换能器包括微型扬声器，所述微型扬声器包括所述薄膜和所述背极板。32.—种电子装置，包括: 外壳，所述外壳包括开口，所述开口配置为允许通过所述开口的流体连通； 微制造换能器，所述微制造换能器集成在所述外壳内部的单个裸片上，其中所述微制造换能器包括声学换能器和温度传感器，以及其中所述微制造换能器流体耦合至所述开P； 有线或无线的通信电路，所述有线或无线的通信电路在所述外壳内部；以及 处理器，所述处理器在所述外壳内部，所述处理器耦合至所述微制造换能器和所述有线或无线的通信电路。33.—种集成装置，包括: 微制造元件，所述微制造元件集成在单个裸片上，其中所述微制造元件包括: 基底； 结构层，所述结构层在所述基底之上，具有缺口 ； 两个接触焊盘，以及 温度传感器，所述温度传感器包括形成在所述结构层上并且跨在所述结构层中的所述缺口的在所述两个接触焊盘之间的电阻性元件。34.根据权利要求33所述的集成装置，其中所述微制造元件进一步包括集成在所述单个裸片上的声学换能器。35.根据权利要求34所述的集成装置，进一步包括接口IC，所述接口 IC耦合至所述微制造元件、并且电耦合至所述声学换能器和所述温度传感器。36.一种制造换能器的方法，所述方法包括: 在基底之上形成可偏转薄膜，以及 在所述基底处形成温度感测元件。37.根据权利要求36所述的方法，其中形成所述温度感测元件包括:在所述薄膜上、在两个接触焊盘之间，形成电阻性层。38.根据权利要求36所述的方法，进一步包括:在与所述薄膜间隔开并且对准的所述基底之上形成背极板。39.根据权利要求38所述的方法，其中形成所述温度感测元件包括:在所述背极板上、在两个接触焊盘之间，形成电阻性层。40.根据权利要求36所述的方法，其中形成所述温度感测元件包括:在所述基底中形成所述温度感测元件。41.根据权利要求36所述的方法，其中形成所述温度感测元件包括:在所述基底上形成所述温度感测元件。42.根据权利要求36所述的方法，其中形成所述温度感测元件包括: 在所述基底之上形成具有缺口的结构层，以及 在所述结构层上、并且跨在所述结构层中的所述缺口，形成电阻性元件。
【文档编号】H04R31/00GK105848080SQ201610074312
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年2月2日
【发明人】U·克伦拜恩, A·德厄
【申请人】英飞凌科技股份有限公司