CN115243170A - 一种微机电系统传感器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开实施例公开了一种微机电系统传感器及电子设备。所述微机电系统传感器包括衬底层、第一电极层和支撑层，所述支撑层设置于所述第一电极层和所述衬底层之间，以使所述第一电极层与所述衬底层之间形成悬空间隙。本公开实施例的一个技术效果在于，通过设置所述支撑层于所述第一电极层和所述衬底层之间，以形成悬空间隙。在提高所述第一电极层和所述衬底层之间的距离的同时，也使减小了介质介电常数ε，从而增加了整个传感器有效电容的输出。

Description

一种微机电系统传感器及电子设备

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)技术领域，更具体地，本发明涉及一种微机电系统传感器及电子设备。

背景技术

现有的语音加速度传感器通常会存在过大的CP(耦合电容)值，有效信号受到过大CP的影响而准确度较低，极大的干扰了信号处理，无法实现耳机在嘈杂环境中的高清拾音与降噪处理。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种新型的微机电系统传感器及电子设备，旨在解决现有技术中的至少一个问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种微机电系统传感器。该微机电系统传感器包括：

衬底层和第一电极层；

支撑层，所述支撑层设置于所述第一电极层和所述衬底层之间，以使所述第一电极层与所述衬底层之间形成悬空间隙；

第二电极层，所述第二电极层设置于所述第一电极层远离所述衬底层的一侧并与所述第一电极层相对。

可选地，所述支撑层的厚度范围为1至20微米。

可选地，所述支撑层的厚度范围为5至10微米。

可选地，所述支撑层为氧化硅层或者氮化硅层。

可选地，所述第二电极层开设有通气孔，所述通气孔和所述悬空间隙相对。

可选地，所述第二电极层包括第一质量块、第二质量块和支撑部，所述支撑部与所述第一电极层相抵，所述第一质量块和所述第二质量块连接于所述支撑部的两侧，所述第一质量块的质量大于所述第二质量块的质量。

可选地，该微机电系统传感器还包括盖板，所述盖板设置于所述第二电极层远离所述衬底层的一侧，所述盖板与所述第二电极层形成真空腔室。

可选地，所述微机电系统传感器为加速度传感器和麦克风。

可选地，所述微机电系统传感器为麦克风，所述第一电极层为背极板，所述第二电极层为振膜。

根据本发明的另一个方面，提供了一种电子设备。该电子设备包括上述任意一项所述的一种微机电系统传感器。

本公开实施例的一个技术效果在于，通过设置所述支撑层于所述第一电极层和所述衬底层之间，以使所述第一电极层与所述衬底层之间形成悬空间隙。在提高所述第一电极层和所述衬底层之间的距离的同时，也使减小了所述第一电极层和所述衬底层之间的介电常数ε，从而提高了微机电系统传感器的测试精度。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本公开实施例的一种微机电系统传感器的结构示意图；

图2是本公开实施例的一种微机电系统麦克风的结构示意图。

附图标记说明：

1、衬底层；2、第一电极层；3、支撑层；4、悬空间隙；5、第二电极层；51、通气孔；52、第一质量块；53、第二质量块；54、支撑部；6、盖板。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种微机电系统传感器。微机电系统传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的等特点。微机电系统传感器常用于医疗、汽车、电子产品等领域。

如图1所示，本发明提供的这种微机电系统传感器包括衬底层1、第一电极层2、第二电极层5和支撑层3。所述支撑层3设置于所述第一电极层2和所述衬底层1之间，以使所述第一电极层2与所述衬底层1之间形成悬空间隙4。所述第二电极层5设置于所述第一电极层2远离所述衬底层1的一侧并与所述第一电极层2相对，所述第一电极层2和所述第二电极层5之间形成间隙。

本发明提供的这种微机电系统传感器为电容式传感器，所述第二电极层5设置于所述第一电极层2远离所述衬底层1的一侧并与所述第一电极层2相对，所述第一电极层2和所述第二电极层5形成电容器。

电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容变化量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。

电容式传感器在工作中会产生CP(耦合电容)，CP主要是由于下电极与基板之间形成电容器效应产生，该耦合电容会严重干扰有效电容的输出，极大的降低和干扰传感器的整体声学性能。CP值越大，传感器的有效信号越弱。由于电容式传感器结构的限制，CP无法从根本上消除，只能通过结构设计，减小CP值，从而相对提高有效信号，以提高传感器的整体声学性能。根据平板电容器原理，电容C＝ε*ε₀*S/d，即电容C与介质介电常数ε成正比，与两个极板之间的距离d成反比。故，可通过减小介质介电常数ε或者增大两个极板之间的距离d以减小电容C，从而减小CP值，相对提高有效信号，提高传感器的精度。

如图1所示，本公开实施例将所述支撑层3设置于所述第一电极层2和所述衬底层1之间。避免了在所述衬底层1上面直接形成所述第一电极层2，而是先在衬底层1上形成一层所述支撑层3，再于所述支撑层3上面形成所述第一电极层2，使得所述第一电极层2与所述衬底层1之间夹设有一层所述支撑层3。所述支撑层3的存在使得所述第一电极层2与所述衬底层1之间存在一定的距离，该距离取决于所述支撑层3的厚度。

本发明通过于所述第一电极层2与所述衬底层1之间夹设所述支撑层3，使得所述第一电极层2与所述衬底层1之间不直接接触，而是存在一定的距离，该距离即为所述支撑层3的厚度。所述支撑层3的设置使得所述第一电极层2与所述衬底层1之间的距离从无到有。而根据电容器原理可知，当所述第一电极层2与所述衬底层1之间的距离从无到有时，所述第一电极层2与所述衬底层1之间的电容会减小，进而能够有效降低所述第一电极层2与所述衬底层1之间的CP值，保证所述微机电系统传感器有效电容的输出，提高所述微机电系统传感器的传感精度。

并且，所述支撑层3设置于所述第一电极层2和所述衬底层1之间，以使所述第一电极层2与所述衬底层1之间形成悬空间隙4。如图1所示，所述第一电极层2和所述衬底层1之间并非全部填充有所述支撑层3，而仅仅是利用所述支撑层3使得所述第一电极层2与所述衬底层1之间存在一定距离，所述第一电极层2与所述衬底层1之间存在有悬空间隙4，悬空间隙4可以是支撑层3内形成的一个大的间隙，也可以是支撑层3内形成的多个独立的小间隙。该悬空间隙4的存在，使得所述第一电极层2与所述衬底层1之间存在空气，利用空气较小的介质介电常数ε，使得所述第一电极层2与所述衬底层1之间的电容减小，进而能够有效降低所述第一电极层2与所述衬底层1之间的CP值，保证所述微机电系统传感器有效电容的输出，提高所述微机电系统传感器的传感精度。

本发明通过设置所述支撑层3于所述第一电极层2和所述衬底层1之间，以使所述第一电极层2与所述衬底层1之间形成悬空间隙4。在提高所述第一电极层2和所述衬底层1之间的距离的同时，也使所述第一电极层2和所述衬底层1之间存在空气，空气具有较小的介质介电常数ε。从而减小了所述第一电极层2和所述衬底层1之间的电容，有效降低了所述第一电极层2与所述衬底层1之间的CP值，保证所述微机电系统传感器有效电容的输出，提高所述微机电系统传感器的传感精度。

可选地，所述支撑层3的厚度范围为1至20微米。

如图1所示，所述支撑层3的厚度即为所述第一电极层2和所述衬底层1之间的距离，在加工过程中需要去除部分所述支撑层3以形成悬空间隙4。在本实施例中，可选所述支撑层3的厚度范围为1至20微米。在该厚度范围下，能够使得所述第一电极层2和所述衬底层1之间存在一定的距离，减小了所述第一电极层2和所述衬底层1之间的电容，进而有效降低了CP值，增加了所述微机电系统传感器有效电容的输出；同时，应避免所述支撑层3的厚度过大，避免应力变形。

其中，优选所述支撑层3的厚度范围为5至10微米。5至10微米的支撑层3的厚度，能够使得所述第一电极层2和所述衬底层1之间存在足够的距离，明显减小所述第一电极层2和所述衬底层1之间的电容。此外，也避免了支撑层3过厚带来的所述微机电系统传感器的尺寸增大。

可选地，所述支撑层3为氧化硅层或者氮化硅层。

在本实施例中，所述支撑层3为氧化硅层或者氮化硅层。即，所述支撑层3的材料可为氧化硅材料、氮化硅材料或者其他本领域技术人员常用的材料。比如支撑层3的材料可为氧化硅，氧化硅具有绝缘性，采用氧化硅制作支撑层3能够隔离所述第一电极层2和所述衬底层1，避免所述第一电极层2和所述衬底层1。同时，氧化硅成本较低，便于去除，提高了所述微机电系统传感器加工的简易性。

可选地，所述第二电极层5开设有通气孔51，所述通气孔51和所述悬空间隙4相对。

如图1所示，所述第二电极层5上有通气孔51，该通气孔51能够联通外界空气和所述第二电极层5下方的间隙，使得所述第二电极层5和所述第一电极层2之间为空气间隙。而设置所述通气孔51和所述悬空间隙4相对，使得外界空气能够通过所述通气孔51进入所述悬空间隙4中，即所述悬空间隙4中也填充空气。由于空气的介电常数ε较小，能够减小所述第一电极层2和所述衬底层1之间的电容，进而有效降低了所述第一电极层2与所述衬底层1之间的CP值，从而增加了整个传感器有效电容的输出，提高了微机电系统传感器的传感精度。

在一个实施例中，通气孔可以是多个，与多个悬空间隙4相对。所述第二电极层5上有多个独立的通气孔51，所述支撑层3内有多个独立的悬空间隙4，多个通气孔51与多个悬空间隙4相对。使得外界空气能够通过多个所述通气孔51均匀进入多个所述悬空间隙4中，能够减小所述第一电极层2和所述衬底层1之间的介电常数ε，有效降低所述第一电极层2与所述衬底层1之间的CP值，增加微机电系统传感器有效电容的输出。

可选地，所述第二电极层5包括第一质量块52、第二质量块53和支撑部54，所述支撑部54与所述第一电极层2相抵，所述第一质量块52和所述第二质量块53连接于所述支撑部54的两侧，所述第一质量块52的质量大于所述第二质量块53的质量。

如图1所示，所述第二电极层5包括第一质量块52、第二质量块53和位于所述第一质量块52和所述第二质量块53之间的支撑部54。所述支撑部54与所述第一电极层2相抵，即所述支撑部54下方与所述第一电极层2上方相接触。

所述第一质量块52和所述第二质量块53连接于所述支撑部54的两侧，所述第一质量块52的质量大于所述第二质量块53的质量。当然也可以所述第一质量块52的质量小于所述第二质量块53的质量，只需满足所述第一质量块52和所述第二质量块53质量不等即可，以使所述第一质量块52、所述第二质量块53和中间的所述支撑部54形成“跷跷板”结构。其中，可设计所述第一质量块52和所述第二质量块53在采用同种材料而体积不相同以使得两者质量不同，也可设计所述第一质量块52和所述第二质量块53在体积相同时分别采用不同材料形成以使得两者质量不同。

在本实施例中，参见图1，所述第一质量块52的质量大于所述第二质量块53的质量。当所述微机电系统传感器向上移动时，由于惯性力的存在，使得所述第一质量块52向下运动，所述第二质量块53向上运动，也就分别改变了所述第一质量块52和所述第二质量块53与所述第一电极层2的间距。当所述微机电系统传感器向下移动时，由于惯性力的存在，使得所述第一质量块52向上运动，所述第二质量块53向下运动，同样分别改变了所述第一质量块52和所述第二质量块53与所述第一电极层2的间距。

本实施例通过设置所述第一质量块52和所述第二质量块53的质量不同，使得所述微机电系统传感器在产生竖直方向的移动时，由于惯性力的存在，所述第一质量块52和所述第二质量块53能够向相反方向运动。进而所述第一质量块52和所述第一电极层2形成一套电容结构，所述第二质量块53和所述第一电极层2形成另一套电容结构，两套电容结构构成差分电容结构，提高了微机电系统传感器的测试精度。

第二电极层5包括第一质量块52、第二质量块53和位于所述第一质量块52和所述第二质量块53之间的支撑部54。其中，第一质量块52、第二质量块53和支撑部54可以设计为一个整体，三者共同形成整体质量块。此时，第一质量块52可以为整体质量块的左部，第二质量块53可以为整体质量块的右部，设置左部和右部质量不同以形成“跷跷板”结构。

可选地，该微机电系统传感器还包括盖板6，所述盖板6设置于所述第二电极层5远离所述衬底层1的一侧，所述盖板6与所述第二电极层5形成真空腔室。

如图1所示，所述盖板6位于所述第二电极层5远离所述衬底层1的一侧，即所述盖板6位于所述第二电极层5的上方。所述盖板6通过键合工艺制成且与所述第二电极层5形成真空腔室。一方面，所述盖板6能够保护所述微机电系统传感器内部的电极层，避免外界冲击对内部电极层的影响；另一方面，真空腔室的形成，也给所述第一质量块52和所述第二质量块53能够在惯性力的作用下反向运动提供了运动空间。

可选地，所述微机电系统传感器为加速度传感器和麦克风。

在本实施例中，微机电系统传感器可以为加速度传感器，比如语音加速度传感器。语音加速度传感器通常采用电容式加速度传感器，属于惯性式传感器范围。语音加速度传感器可采集人体在发声时的骨骼振动信号，通过芯片内的所述第一质量块52和所述第二质量块53分别对应所述第一电极层2之间的距离变化来收集振动信号，以改变语音加速度传感器电容值，再结合其他传感器信号，经过处理后能够提高语音通话等功能效果。并且，语音加速度传感器的振动频率远低于其固有频率，使得其输入与输出之间具有良好的线性关系，不容易损坏，使用寿命也较长。语音加速度传感器多应用于耳机、AR、VR等领域。

并且，该语音加速度传感器可用于Z轴单轴检测，可提高加速度传感器的灵敏度，降低应用该语音加速度传感器的电子设备的装配难度。

可选地，本方案提供的微机电系统传感器可以采用半导体气相沉积方法制成。其制备方法主要包括：

第一步，制作衬底层1；

第二步，在衬底层1上沉积制作支撑层3；

第三步，在支撑层3上沉积第一电极层2；

第四步，沉积第二电极层5。

下面详细介绍上述制备方法：

第一，以硅作为衬底层1，在衬底层1上沉积一层氧化硅或者氮化硅，并选择性地掩蔽和刻蚀得到支撑层3。

第二，沉积多晶硅，掺杂并退火得到第一电极层2。

第三，在第一电极层2上沉积牺牲层，这些牺牲层可以是低温沉积的氧化硅、氮化硅等。并且，在牺牲层上刻蚀形成凹槽，以便进一步沉积材料。

第四，在牺牲层上沉积多晶硅层以形成第二电极层5，并通过掺杂实现有效电路连接。

第五，在第二电极层5上进一步刻蚀凹槽并沉积铬镍铝等材料作为焊接点。可选地，所述第二电极层5上方可以设置两个焊接点，两个焊接点分别用于与第一电极层2和第二电极层5形成电连接。在其它实施方式中，也可以沉积更多焊接点，用于连接至第一电极层2或第二电极层5的不同区域。

第六，底部牺牲层释放，以使第二电极层5部分悬空。

第七，根据具体结构设计去除支撑层3的部分氧化硅或者氮化硅材料，以形成悬空间隙4。

第八，沉积得到盖板。

其中，支撑层3的部分材料的去除，可根据具体的支撑层3的材料选择，选择对应的材料进行去除。

在另一个实施例中，微机电系统传感器可以为麦克风或者其他针对降低基板与衬底之间的耦合电容需求的传感器。

微机电系统(MEMS)麦克风是基于MEMS技术制造的麦克风，简单的说，微机电系统麦克风利用半导体材料形成电容器，并将电容器集成在微硅晶片上。采用微机电工艺形成的微机电麦克风具有体积小、灵敏度高的特点，并且微机电麦克风具有良好的射频干扰(RFI)及电磁干扰(EMI)抑制能力。MEMS麦克风常用于中高端手机等电子设备中。

可选地，所述微机电系统传感器为麦克风，所述第一电极层2为背极板，所述第二电极层5为振膜。

如图2所示，当所述微机电系统传感器为麦克风时，所述第一电极层2为背极板，所述第二电极层5为振膜，所述支撑层3设置于所述第一电极层2和所述衬底层1之间，所述第一电极层2与所述衬底层1之间形成悬空间隙4。所述悬空间隙4与振膜上的通气孔51相对，以使所述悬空间隙4内填充空气。进而在抬高背极板与所述衬底层1之间的距离的同时，也减小了介电常数ε，使得电容减小，进而能够有效降低背极板与所述衬底层1之间的CP值，增加了麦克风有效电容的输出，提高了麦克风的测试精度和整体声学性能。

在本实施例的麦克风中，当声压作用于振膜时，振膜会随之振动，以改变振膜与背极板之间的电容，进而改变电容器的输出电压，使得麦克风将声音信号转化为电信号。

本发明还提供了一种电子设备。该电子设备包括上述任意一项所述的一种微机电系统传感器。应用上述微机电系统传感器的电子设备能够将声音信号转化为电信号。

上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种微机电系统传感器，其特征在于，包括：

衬底层(1)和第一电极层(2)；

支撑层(3)，所述支撑层(3)设置于所述第一电极层(2)和所述衬底层(1)之间，以使所述第一电极层(2)与所述衬底层(1)之间形成悬空间隙(4)；

第二电极层(5)，所述第二电极层(5)设置于所述第一电极层(2)远离所述衬底层(1)的一侧并与所述第一电极层(2)相对。

2.根据权利要求1所述的一种微机电系统传感器，其特征在于，所述支撑层(3)的厚度范围为1至20微米。

3.根据权利要求1所述的一种微机电系统传感器，其特征在于，所述支撑层(3)的厚度范围为5至10微米。

4.根据权利要求1所述的一种微机电系统传感器，其特征在于，所述支撑层(3)为氧化硅层或者氮化硅层。

5.根据权利要求1所述的一种微机电系统传感器，其特征在于，所述第二电极层(5)开设有通气孔(51)，所述通气孔(51)和所述悬空间隙(4)相对。

6.根据权利要求1所述的一种微机电系统传感器，其特征在于，所述第二电极层(5)包括第一质量块(52)、第二质量块(53)和支撑部(54)，所述支撑部54与所述第一电极层(2)相抵，所述第一质量块(52)和所述第二质量块(53)连接于所述支撑部(54)的两侧，所述第一质量块(52)的质量大于所述第二质量块(53)的质量。

7.根据权利要求1所述的一种微机电系统传感器，其特征在于，还包括盖板(6)，所述盖板(6)设置于所述第二电极层(5)远离所述衬底层(1)的一侧，所述盖板(6)与所述第二电极层(5)形成真空腔室。

8.根据权利要求1所述的一种微机电系统传感器，其特征在于，所述微机电系统传感器为加速度传感器和麦克风。

9.根据权利要求1所述的一种微机电系统传感器，其特征在于，所述微机电系统传感器为麦克风，所述第一电极层(2)为背极板，所述第二电极层(5)为振膜。

10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1至9中任意一项所述的一种微机电系统传感器。

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