专利名称：塌陷模式电容性传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及电容性感测或用于电容性感测的设备、方法和程序，如电声换能器，例如适合生理测量的超声设备或压力传感器等。
背景技术：
通常，小型硅电容式麦克风，例如电容性MEMS (微电子机械系统)麦克风，可以与 CMOS电路集成并通过批处理来制造，批处理使器件间的变化小很多。此外，小型硅电容式麦克风的形状因子与当前技术的手持设备架构兼容，不需要用于电偏置的驻极体，这使小型硅电容式麦克风比常规的驻极体麦克风更易焊接到印刷电路板PCB上。然而，很难以非常小的体积来达到高灵敏度和低噪声。此外，常规的硅电容性麦克风始终需要贯穿晶片蚀刻，以实现膜与背板层之间的分离，这是耗费时间和高成本的工艺。典型地，电容式麦克风系统可以由四个元件构成固定的穿孔的背板，高柔度的可移动的膜或隔膜(它们一起形成可变气隙电容器的两个板)，电压偏置源，以及缓冲放大
ο图1示出了这种电容性麦克风1的基本结构(左侧)和硅晶片5上的三种可能实现方式(右侧)。麦克风1包括隔膜或膜2、背板3和背腔室4。在图1的左侧视图中示出的背腔室4可以实现在芯片封装中或晶片5上。膜2应该是高柔度的并相对于背板3精确定位的，背板应该保持固定并对于通过它的空气流呈现最小阻力。使用集成电路材料在尺寸小于Imm的麦克风中实现所有上述特性是相当有挑战性的。集成电路薄膜中的典型应力水平如果没有在完成的隔膜或膜2中释放，则比隔膜会由于过度硬化或屈曲而变得不可用时的应力水平高很多倍。对于给定的隔膜材料和厚度，柔度趋于随着尺寸减小而快速降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改进的功能性的电容性传感器。根据一个或多个实施例，提供了一种电容性传感器，用于测量例如声音或压力等物理参数。该传感器可以包括可移动膜，形成上电极；以及底层，形成底电极；其中该传感器配置为按照塌陷模式驱动，其中使可移动膜与底层接触。可移动膜与底层之间的接触区域的大小被配置为取决于待测量的物理参数，例如物理参数的强度和/或频率，传感器的输出信号取决于接触区域的大小。根据一个或多个实施例，将可移动膜分割成多个较小的区段，每个区段被配置为与底层接触，每个较小区段的接触区域的大小取决于待测量的物理参数的值或大小，例如物理参数的强度和/或频率，传感器的输出信号取决于可移动膜的区段或所有区段与底层之间的接触区域的大小的总量。根据一个或多个实施例，可移动膜的每个区段可以形成为泡状部分的上部，该泡状部分围绕封闭体积。备选地，根据一个或多个实施例，电容性传感器可以包括用于支撑可移动膜的支撑物，膜的区段形成在支撑物之间的部分中。 可移动膜可以包括上电极，该上电极是布置在膜内部或在膜的上部外侧或下部外侧处的导电层。根据一个或多个实施例，可以在上电极与底电极之间提供电绝缘层。因此，可以有效地避免底电极和上电极之间的电接触。根据一个或多个实施例，传感器可以是可选地用于测量声音的电声换能器，或者是压力传感器。根据一个或多个实施例，提供了一种电容性传感器的制造方法，电容性传感器用于测量例如声音或压力等物理参数。该方法包括特征形成底层，底层形成底电极；在底层上形成用作膜支撑物的层部分和牺牲层；形成用作膜的上层，膜形成上电极；以及在膜支撑物之间蚀刻牺牲层，以提供在膜下面的多个空腔，作为膜区段。根据本发明的至少一些实施例或者可选地所有实施例以非常小的体积达到高灵敏度和低噪声。此外，贯穿晶片蚀刻不是必需的。此外，相比于MEMS麦克风，一个或多个实施例提供了增强的信噪比并允许更鲁棒的配置。此外，制造工艺可以简化和更加快速。不需要贯穿晶片空腔。牺牲层蚀刻更简单， 带来了更高成品率。根据一个或多个实施例，对于压力变化的灵敏度较高，提供了良好的压力测量。根据一个或多个实施例的塌陷模式传感器还提供了对声音的良好灵敏度。此外，由于分割，可以避免、减小或控制麦克风膜中的应力。一些或更多的所述实施例涉及所谓“塌陷模式”下的电容性换能器，并可以用于检测或测量声音或压力。通过将可移动元件分割成较小的部分来改进或优化该换能器。这种分割对于塌陷模式的电容性传感器是有益的。简要
通过一些附图和示例进一步阐明本发明，附图和示例不是要限制本发明范围。本领域技术人员将理解可以组合多个实施例。本发明的目的是提供一种具有改进的功能性的电容性传感器。根据一个或多个实施例，提供了一种电容性传感器，用于测量例如声音或压力等物理参数。该传感器可以包括可移动膜，形成上电极；以及底层，形成底电极；其中该传感器配置为按照塌陷模式驱动，其中使可移动膜与底层接触。可移动膜与底层之间的接触区域的大小被配置为取决于待测量的物理参数，例如物理参数的强度和/或频率，传感器的输出信号取决于接触区域的大小。根据一个或多个实施例，将可移动膜分割成多个较小的区段，每个区段被配置为与底层接触，每个较小区段的接触区域的大小取决于待测量的物理参数的值或大小，例如物理参数的强度和/或频率，传感器的输出信号取决于可移动膜的区段或所有区段与底层之间的接触区域的大小的总量。根据一个或多个实施例，可移动膜的每个区段可以形成为泡状部分的上部，该泡状部分围绕封闭体积。备选地，根据一个或多个实施例，电容性传感器可以包括用于支撑可移动膜的支撑物，膜的区段形成在支撑物之间的部分中。可移动膜可以包括上电极，该上电极是在膜内部或在膜的上部外侧或下部外侧处的导电层。根据一个或多个实施例，可以在上电极与底电极之间提供电绝缘层。因此，可以有效地避免底电极和上电极之间的电接触。根据一个或多个实施例，传感器可以是可选地用于测量声音的电声换能器，或者是压力传感器。根据一个或多个实施例，提供了一种电容性传感器的制造方法，电容性传感器用于测量例如声音或压力等物理参数。该方法包括以下特征形成底层，底层形成底电极；在底层的顶部上形成用作膜支撑物的层部分和牺牲层；形成用作膜的上层，膜形成上电极； 以及在膜支撑物之间蚀刻牺牲层，以提供在膜下面的多个空腔，作为膜区段。根据本发明的至少一些实施例或者可选地所有实施例以非常小的体积达到高灵敏度和低噪声。此外，贯穿晶片蚀刻不是必需的。此外，相比于MEMS麦克风，一个或多个实施例提供了增强的信噪比并允许更鲁棒的配置。此外，制造工艺可以简化和更加快速。不需要贯穿晶片空腔。牺牲层蚀刻更简单， 带来了更高成品率。根据一个或多个实施例，对于压力变化的灵敏度较高，提供了良好的压力测量。根据一个或多个实施例的塌陷模式传感器还提供了对声音的良好灵敏度。此外，由于分割，可以避免、减小或控制麦克风膜中的应力。一些或更多的所述实施例涉及所谓“塌陷模式”下的电容性换能器，并可以用于检测或测量声音或压力。通过将可移动元件分割成较小的部分来改进或优化该换能器。这种分割对于塌陷模式的电容性传感器是有益的。详细
以上描述了图1所示的电容性传感器的基本电路图。图2示意性示出了电容性医学超声换能器(CMUT)，包括硅晶片10上的底电极 11，底电极11延伸到键合焊盘或连接区12 ；以及顶电极14，顶电极14位于闭合的“泡状” 闭合式桥13上或中。顶电极14沿着桥13延伸，向下延伸到晶片10以及连接焊盘15。根据一个或多个实施例，电容性医学超声换能器CMUT设备可以用在“塌陷模式” 下，其中将膜下拉至或接近底电极。这意味着由于顶电极和底电极之间施加的偏置电压，或者由于大气压力(内部是低压并封闭的)，顶部膜向下弯曲或者完全塌陷到晶片表面上，如图3所示。作用在膜上的声学力或压力由箭头P代表。图3示意性示出的电容性医学超声换能器(CMUT)包括在硅晶片20上延伸到连接焊盘22 (例如用于底电极的电连接的键合焊盘)的底电极21、以及在闭合的“泡状”闭合式桥23上或中的顶电极24。顶电极24沿着桥23延伸，向下延伸到晶片20的表面并延伸到连接区25 (例如用于顶电极24的电连接的键合焊盘)。由晶片27和桥23包围的内部腔室 27可选的是由这些部件密封的。图2和3示出了正常模式的电容性换能器(图2)与塌陷模式的电容性换能器(图 3)的功能差异。该功能差异在于在图2所示电气上等同于麦克风操作的正常情况下，间隙变化 Ad产生信号。平行板电容器的电容等于
权利要求
1.一种电容性传感器，用于测量物理参数，该电容性传感器包括可移动膜，形成上电极；以及底层，形成底电极；其中该传感器配置为按照塌陷模式驱动，其中使可移动膜与底层接触，可移动膜与底层之间的接触区域的大小被配置为取决于待测量的物理参数，传感器的输出信号取决于接触区域的大小，其中，将可移动膜分割成多个较小的区段，每个区段被配置为与底层接触，每个较小区段的接触区域的大小取决于待测量的物理参数，传感器的输出信号取决于可移动膜的区段与底层之间的接触区域的大小的总量。
2.根据权利要求1所述的电容性传感器，其中可移动膜的每个区段形成为泡状部分的上部，该泡状部分围绕着封闭空间。
3.根据权利要求1所述的电容性传感器，包括用于支撑可移动膜的支撑物，膜的区段形成在支撑物之间的部分中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电容性传感器，其中可移动膜包括上电极，该上电极是布置在膜内部或在膜的上部外侧或下部外侧处的导电层。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电容性传感器，其中在上电极与底电极之间提供电绝缘层。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电容性传感器，其中传感器是电声换能器。
7.根据权利要求1到5任一项所述的电容性传感器，其中传感器是压力传感器。
8.一种电容性传感器的制造方法，该电容性传感器用于测量物理参数，该方法包括 形成底层，底层形成底电极；在底层的顶部上形成用作膜支撑物的层部分以及牺牲层；形成用作膜的上层，膜形成上电极；以及在膜支撑物之间蚀刻牺牲层，以提供在膜下方的多个空腔，作为膜区段。
9.根据权利要求8所述的电容性传感器的制造方法，其中使用薄膜硅工艺技术来制造该电容性传感器。
全文摘要
一种电容性传感器，配置用于塌陷模式，例如用于测量声音或压力，其中可移动元件被分割成较小部分。该电容性传感器提供了增大的信噪比。
文档编号B06B1/02GK102470396SQ201080029537
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月30日 优先权日2009年7月2日
发明者海尔特·伦格瑞斯, 特温·范利庞, 雷奥特·沃尔特杰尔 申请人:Nxp股份有限公司