CN107404698B - Mems结构 - Google Patents

Abstract

公开了一种MEMS结构。所述MEMS结构包括：衬底；可动部件，所述可动部件位于所述衬底上；固定部件，所述固定部件位于所述可动部件上，并且与所述可动部件彼此相对，以形成电容极板；互连部件，包括与所述固定部件相同层面的第一部分和从所述第一部分向下延伸并与可动部件连接的第二部分；以及保护部件，所述保护部件与所述可动部件隔开预定距离,从而在所述可动部件运动振幅大于该预定距离时提供保护，延长该MEMS结构的使用寿命。

Description

MEMS结构

技术领域

本发明涉及MEMS(微机电系统)结构，更具体地，涉及包含振膜的MEMS结构。

背景技术

MEMS器件是在微电子技术基础上发展起来的采用微加工工艺制作的电子机械器件，已经广泛地用作传感器和执行器。例如，MEMS器件可以是硅电容麦克风。硅电容麦克风通常包括衬底、背极板和振膜，其中振膜是硅电容麦克风的核心部件，该振膜灵敏地响应声压信号并将之转化为电信号。在硅电容麦克风中，背极板是固定部件，振膜是可动部件。振膜的全部或部分可以自由振动。与硅电容麦克风类似，基于电容特性的MEMS传感器以及大部分的MEMS执行器均包括固定部件和可动部件。

在现有技术中，为了提高MEMS结构可动部件的灵敏度，采取图1a和1b示出的结构。图1a和1b示出根据现有技术的MEMS结构的俯视图和截面图。该MEMS结构例如是硅电容麦克风，包括衬底110、位于衬底110上的振膜层120、位于振膜层120的第二部分上的支撑层130、位于支撑层130上的背极板140以及互连部件150，该振膜层120包括第一部分121和第二部分122，该互连部件150包括与背极板140相同层面的第一部分和从所述第一部分向下延伸并与振膜层120连接的第二部分，这样通过互连部件150实现振膜层120的机械连接和电连接，使振膜层第一部分121得以悬空，提高MEMS可动部件例如是振膜层的灵敏度。

在上述的MEMS结构中，由于振膜层得以悬空而提高了灵敏度，但当振膜层受到向下运动的冲击时往往会因为振幅过大导致振膜层的损坏。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种使用寿命长的MEMS结构。

为解决上述技术问题，本发明包括：

衬底；

可动部件，所述可动部件位于所述衬底上；

固定部件，所述固定部件位于所述可动部件上，并且与所述可动部件彼此相对，以形成电容极板；以及

互连部件，包括与所述固定部件相同层面的第一部分和从所述第一部分向下延伸并与可动部件连接的第二部分。

优选地，所述MEMS结构还包括：

保护部件，所述保护部件与所述可动部件隔开预定距离,从而在所述可动部件运动振幅大于该预定距离时提供保护。

优选地，所述MEMS结构为MEMS麦克风，所述可动部件和固定部件分别为所述MEMS麦克风的振膜层和背极板，其中，所述衬底包括声腔，所述振膜层通过所述声腔与外部连通以接收声音信号。

优选地，所述振膜层在所述声腔上方全部或部分悬空。

优选地，所述保护部件与所述互连部件连接。

优选地，所述互连部件延伸至所述振膜层的下方，所述保护部件为固定在所述互连部件第二部分下端的阻尼块。

优选地，所述保护部件为所述衬底位于所述声腔的周边向上凸起的部分。

优选地，所述衬底包括从声腔边缘向声腔中心延伸的横向延伸部分，所述保护部件位于所述横向延伸部分。

优选地，所述保护部件为大致圆柱或方柱。

优选地，所述的MEMS结构还包括位于所述衬底与所述固定部件之间的支撑层，其中，所述互连部件的第一部分至少部分地在所述支撑层上横向延伸。

根据本发明的MEMS结构，在利用互连部件实现振膜层全部或部分悬空的基础上增加了保护部件，实现增强灵敏度的同时又延长了实用寿命。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1a和1b分别示出根据现有技术的MEMS结构的俯视图和截面图。

图2a和2b分别示出根据本发明第一实施例的MEMS结构的俯视图和截面图。

图3a、3b和3c分别示出根据本发明第二实施例的MEMS结构的俯视图、底视图和截面图。

图4a至4d分别示出根据本发明第三实施例的MEMS结构的分解图、俯视图、底视图和截面图。

图中，110、衬底；111、声腔；112、横向延伸部分；120、振膜层；121、振膜层第一部分；122、振膜层第二部分；130、支撑层；140、背极板；150、互连部件；160、保护部件。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。

应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“A直接在B上面”或“A在B上面并与之邻接”的表述方式。在本申请中，“A直接位于B中”表示A位于B中，并且A与B直接邻接。

在本申请中，术语“MEMS结构”指在制造MEMS器件的各个步骤中形成的整个MEMS结构的统称，包括已经形成的所有层或区域。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

在下文中将以硅电容麦克风为例说明本发明的MEMS结构。可以理解，采用类似的方法能够制造与硅电容麦克风类似结构的各种类型的MEMS传感器和执行器。

图2a和2b分别示出根据本发明第一实施例的MEMS结构的俯视图和截面图，其中图2a中的线AA示出截面图的截取位置。该MEMS结构例如是硅电容麦克风，包括衬底110、衬底包括的声腔111、位于衬底110上的振膜层120、位于振膜层120的上的背极板140、位于背极板140与衬底110之间的支撑层130以及互连部件150，该互连部件150包括与背极板140相同层面的第一部分和从所述第一部分向下延伸并与振膜层120连接的第二部分，这样通过互连部件150实现振膜层120的机械连接和电连接，使振膜层120得以悬空，提高振膜层120的灵敏度。

衬底110包括相对的第一表面和第二表面。衬底110例如为体硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底等，在一些实施例中，衬底110还包括其他结构层，MEMS麦克风的功能层形成于所述结构层上。

振膜层120由导电材料(例如掺杂的多晶硅、金属或合金)组成。在本实施例中，振膜层120与背极板140组成MEMS麦克风的工作电容，振膜层120的第一表面与背极板140的第二表面相对，第二表面暴露于衬底110中形成的声腔111中。

支撑层130的材料例如为氧化硅或氮化硅。该支撑层130例如设置在背极板140的周边，在本实施例中，支撑层130为设置在衬底110和背极板140之间的环状。

互连部件150包括与背极板140相同层面的第一部分和从所述第一部分向下延伸并与振膜层120连接的第二部分，互连部件150的第二部分与振膜层120的接触位置根据振膜约束点来设置，例如，根据振膜120的声学特性模拟结果，如果限制点可能在振膜层接近中间的位置，则在振膜层中设置附加的约束梁可能是不现实的。相反，利用在支撑层上形成的互连部件150，可以精确地限定互连部件150的第二部分接触振膜层的位置，从而可以在所需的振膜位置，利用互连部件150的机械连接位置设置约束点。

背极板140由导电材料(例如掺杂的多晶硅、金属或合金)组成。在本实施例中，振膜层120和背极板140均为圆形。互连部件150的第一部分为条状，背极板140的周边具有与互连部件150相对应的开口。因而，在环形周边的不同位置，互连部件150和背极板140分别接触支撑层130的同一表面，其中互连部件150位于背极板140的开口中。振膜层120由于互连部件150的固定得以悬空，提高了振膜层120的灵敏度。背极板140具有相对的第一表面和第二表面，第二表面与振膜层120的第一表面相对，并且形成空间，用于容纳空气等介质。在硅电容麦克风中，振膜层120与背极板140一起构成电容的一对极板。

在工作中，外部的声音信号经由声腔111到达振膜层120的第二表面，使得振膜层120随着声音信号振动，从而改变振膜层120与背极板140之间的电容，将声音信号转变为电信号。

与图1a和1b所示的现有MEMS结构不同，根据本发明第一实施例的MEMS结构，还包括保护部件160，保护部件160与互连部件150连接，并与振膜层120之间相隔一定距离，当振膜层120运动振幅大于该预定距离时可提供保护作用。在本实施例中，互连部件150的第二部分延伸至振膜层120的下方，保护部件160为阻尼块，其与互连部件150第二部分的下端连接，并与振膜层120之间相隔一定距离。

在上述的实施例中，保护部件160位于振膜层120的下方。在替代的实施例中，在背极板140上设置开口，保护部件160与互连部件150连接时，其位于振膜层120的上方，背极板140上的开口用于方便保护部件160的形成。

在上述的实施例中，声音信号从声腔到达振膜层120的第二表面。在替代的实施例中，背极板140设置有多个孔，声音信号也可以从所述多个孔到达振膜层120的第一表面。

图3a、3b和3c分别示出根据本发明第二实施例的MEMS结构的俯视图、底视图和截面图，其中图3a中的线AA示出截面图的截取位置。该MEMS结构例如是硅电容麦克风，包括衬底110、衬底包括的声腔111、位于衬底110上的振膜层120、位于振膜层120的上的背极板140、位于背极板140与衬底110之间的支撑层130以及互连部件150，该振膜层120包括在声腔111上方悬空的第一部分121和在支撑层130内部的第二部分122，该互连部件150包括与背极板140相同层面的第一部分和从所述第一部分向下延伸并与振膜层120连接的第二部分，这样通过互连部件150实现振膜层120的机械连接和电连接，使振膜层第一部分121得以悬空，提高振膜层120的灵敏度。

以下将描述第二实施例与第一实施例的不同之处，对二者的相同之处不再详述。

在本实施例中，保护部件160处于振膜层120悬空的第一部分121的下方，并与振膜层120之间相隔一定距离，当振膜层120运动振幅大于该预定距离时可提供保护作用。在本实施例中，衬底110截面形状、声腔111截面形状为圆形，保护部件160为声腔111的周边向上凸起的部分，其形状大致为圆柱。保护部件160可采用与衬底110相同的材料。

图4a至4d分别示出根据本发明第三实施例的MEMS结构的分解图、俯视图、底视图和截面图，其中图4b中的线AA示出截面图的截取位置。该MEMS结构例如是硅电容麦克风，包括衬底110、位于衬底110上的振膜层120、位于振膜层120上的背极板140、背极板140与衬底110之间的支撑层130以及互连部件150。其中，互连部件150包括与背极板140相同层面的第一部分和从所述第一部分向下延伸并与振膜层120连接的第二部分。

以下将描述第三实施例与第一实施例的不同之处，对二者的相同之处不再详述。

在本实施例中，支撑层130为上表面与背极板140接触下表面与衬底110接触的方形环状支撑层。振膜层120和背极板140均为方形。互连部件150的第一部分为板状，第二部分包括一对从第一部分延伸至振膜层120相对称斜向布置的板。背极板140的周边具有与互连部件150相对应的开口。因而，在环形周边的不同位置，互连部件150和背极板140分别接触支撑层130的同一表面，其中互连部件150位于背极板140的开口中。振膜层120通过互连部件150的固定得以整体悬空。

如图4c根据本实施例的底视图，衬底110包括从声腔111边缘向声腔111中心延伸的横向延伸部分112，保护部件160就位于横向延伸部分112，其在振膜层120下方且预留一定距离，当振膜层120运动振幅大于该预定距离时可提供保护作用。在本实施例中，衬底110截面形状与声腔111截面形状为大致方形，衬底110包括向中心的横向延伸部分112为方柱，保护部件160也为方柱。

在上述实施例中，对各部件的形状多采用圆形或方形，可以理解的是，部件的形状不限于圆形或方形，其他例如多边形或椭圆形的形状也都应该落入本发明的保护范围内。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种MEMS结构，其特征在于，包括：

衬底；

可动部件，所述可动部件位于所述衬底上；

固定部件，所述固定部件位于所述可动部件上，并且与所述可动部件彼此相对，以形成电容极板；

互连部件，包括与所述固定部件相同层面的第一部分和从所述第一部分向下延伸并与可动部件连接用于悬空所述可动部件的第二部分，所述互连部件和所述可动部件的接触位置根据所述可动部件约束点设置；以及

保护部件，设置在所述可动部件上方和/或下方且所述保护部件与所述互连部件相连，所述保护部件与所述可动部件隔开预定距离,从而在所述可动部件运动振幅大于该预定距离时提供保护。

2.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述MEMS结构为MEMS麦克风，所述可动部件和固定部件分别为所述MEMS麦克风的振膜层和背极板，

其中，所述衬底包括声腔，所述振膜层通过所述声腔与外部连通以接收声音信号。

3.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述振膜层在所述声腔上方全部或部分悬空。

4.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述互连部件延伸至所述振膜层的下方，所述保护部件为固定在所述互连部件第二部分下端的阻尼块。

5.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，还包括：位于所述衬底与所述固定部件之间的支撑层，其中，所述互连部件的第一部分至少部分地在所述支撑层上横向延伸。