CN102470396B - 塌陷模式电容性传感器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

塌陷模式电容性传感器

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***)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***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，以及缓冲放大器。

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1mm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。

附图说明

通过下文描述以及在附图中示出的示例实施例阐明本发明的这些和其他方面。

图1示出MEMS类型的电容性传感器的实例的基本示意图。

图2示意性地示出按照非塌陷模式操作的传感器的实施例。

图3示意性地说明根据本发明的示例实现按照塌陷模式操作的传感器的实施例。

图4示出根据本发明的具有分区段的膜的传感器的实施例。

图5示出根据本发明的具有分区段的膜的传感器的另一实施例。

图6示出具有单个未分区段的膜的传感器(左侧)、以及根据本发明的实施例的具有分区段的膜的传感器(右侧)的实例。

具体实施方式

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Δd产生信号。平行板电容器的电容等于

$C=\mathrm{\ϵ}\frac{A}{d}---\left(1\right)$

C是电容，A是电容器板的表面，d是间隙大小，ε是间隙中材料的介电常数。作为CMUT或麦克风的正常操作下的一次近似，声学信号造成d的变化，由Δd表示。

在图3的塌陷模式下，增大压力P带来的影响在于底电极21与桥23(桥23在内部或者在外部在上方或下方处包括顶电极)之间接触的接触区26增大，从而接触区26的表面A增大。这可以比非塌陷操作模式更灵敏，因为塌陷模式器件以极小的间隙“d”工作，造成相对较大的电容变化。

可以通过施加比膜的塌陷电压(collapse voltage)小的直流(DC)偏置电压，来操作电容性医学超声换能器，使得膜朝着底电极偏转。在非塌陷模式下，膜与衬底之间没有接触，从而最大位移发生在膜中心处。与之相反，在塌陷模式操作中，膜的中心可以始终与衬底接触。在圆形膜的情况下，沿着在毗邻衬底的膜中心与膜边缘之间形成的环，出现最大位移。在塌陷模式操作中，压力差可以稳定地作用于膜上，以使膜与底层接触。备选地，可以持续施加直流偏置电压。根据一个或多个实施例，可以初始将所所施加的压力差或偏置电压增大至超过塌陷压力差(collapse pressure difference)或塌陷电压，然后在不释放塌陷的膜的情况下减小压力差或偏置电压。

由于塌陷模式电容性传感器的信息在于塌陷区域边缘的尺寸，所以根据本发明一个或多个实施例的优化设计包括增大的边缘长度。在本发明一个或多个实施例中，将压力传感器或麦克风***成多个较小的器件或区段，每个器件或区段具有自己的塌陷或不完全塌陷的区域。由此，增大了所有塌陷或不完全塌陷区域的总体边缘长度。

根据一个或多个实施例，可以通过微机械加工，在半导体衬底上形成静电超声换能器。在这种实施例中，换能器包括由氮化硅或其他材料制成的分区段的膜。可以由绝缘支撑物将区段支撑在衬底表面之上。支撑物例如可以具有环或分立的柱或壁的形式，或者可以具有带多边形横截面的类似蜂巢的结构。衬底和膜限定了换能器的电极。

图4示出了根据本发明的电容性传感器的实施例，包括具有多个部分的分区段的膜。图4实施例实现为电容性医学超声换能器(CMUT)，并具有多个互连的泡状部分，类似于图3示意性示出的实施例。图4实施例包括硅晶片40上的底电极41、以及多个顶电极44，底电极41延伸至例如键合焊盘之类的用于底电极的电连接的连接焊盘42，顶电极44在闭合的“泡状”桥43上或内，每个桥43形成传感器膜的区段。图4仅示出了传感器的左侧部分，传感器继续至右侧，如图4右侧所示曲线所示出的，形成至少两个或更多个侧向布置的互连的传感器区段。至少在操作中，桥43的中心部分46与底电极41机械接触或与底电极41靠近。虽然存在机械接触，但是层堆叠被布置为使得底电极41与顶电极44之间没有电接触，以确保作为电容性换能器的功能。作为示例，可以向顶电极的与底电极相对的下侧、以及/或者向底电极的面向顶电极的上侧涂敷电绝缘层。顶电极44沿着桥43在公共底电极41上方延伸并向下延伸到电互连部分45，电互连部分45与电极44电连接。顶电极44还连接至例如键合焊盘之类的连接区(未示出)，例如如图3所示，该连接区用于将顶电极44电连接至外部。可选地，晶片40和桥43包围的内部腔室是利用这些部件密封的。

图5示出了根据本发明的电容性传感器的另一实施例，该实施例包括具有多个塌陷部分的分区段的膜。图5的实施例实现为电容性医学超声换能器(CMUT)，包括在多个分隔开的支撑物52上支撑的顶部膜55，可选地以相等高度和侧向距离，在公共底电极51上方提供支撑物52。膜55包括在膜55的内部、或在膜55的顶部上、或在膜55的底部的顶电极54。图5的实施例包括在硅晶片50上的底电极51，底电极51延伸至例如键合焊盘等用于底电极的电连接的连接焊盘51。膜55和顶电极54在支撑物52之间的各个部分分别形成可塌陷传感器膜的区段。图5仅示出了传感器的左侧部分，传感器继续至右侧，如图5右侧所示曲线所示出的，形成至少两个或更多个侧向布置的互连的传感器区段。至少在操作中，膜部分在支撑物52之间的各个部分56与底电极51接触或与底电极41靠近。顶电极54延伸到电连接区53，用于与控制或测量部分接触，控制或测量部分用于控制和/或检测在顶电极54与底电极51之间出现的电功率，例如电压和/或电流。由晶片50、支撑物52和膜55包围的内部腔室可选地通过这些部件密封。底电极51延伸至电连接区57，用于与上述控制和/或测量部分接触。

换能器的一些实施例可以具有50-200μm范围内的尺寸，并且可以用于产生超声波突发。

在示例实施例中，可以采用100kHz-10MHz范围内的谐振频率来激励换能器，以便换能器发出声音。可以由相同器件感测回波，并且可以评估时间延迟和/或消退，作为针对邻域中的材料和材料拓扑布局的度量。

这种器件的阵列可用在医学应用中，以创建光束控制(beam steer)功能。此外，在常见应用中，塌陷模式电容性期间可以用作致动器或传感器，并且例如可以用在水环境中以优化声学阻抗。

对于信噪比，有利的是将塌陷模式传感器的电容性膜***成较小的膜区段。

图6示出了直径为1mm的单个未分区段的膜60(左侧)、以及被分割成较小传感器或膜部分62的阵列的分区段的麦克风或压力传感器(右侧)的顶视图。在图6的实施例中，膜61具有例如1mm的直径，并被分割成例如19个区段62，这些区段以大致相等距离布置，并且直径例如为0.1mm。在本实施例或其他实施例中，可以任意地改变膜区段的数量和距离。

尽管MEMS麦克风的典型尺寸是500-1000μm，但根据一个或多个实施例的换能器或传感器(例如麦克风)可以具有相同尺寸，但是被分割成典型尺寸例如为50μm到200μm的器件或区段。作为示例，根据一个或多个实施例，膜可以具有2到50或5到20个膜区段。另外的优点在于，总谐振频率可以从几十kHz的范围增大到几百kHz(或者甚至MHz)范围，这增加了器件的总谐波失真。

分割的原理可以用于前述任何一种类型的电容性传感器，例如电声换能器(例如声学麦克风)、以及低、室内和高压范围等中的压力传感器等。

上述实施例提供了增大的信噪比，并且对于MEMS麦克风允许更鲁棒的配置。此外，制造工艺更加简单和快速。不需要贯穿晶片空腔。牺牲层蚀刻更简单，带来更高成品率。

上述实施例可以实现为例如麦克风器件或压力传感器等。根据一个或多个实施例，可以优化压力传感器，以达到例如105Pa范围中的恒定或缓慢改变的稳态压力、DC压力，并且可以优化麦克风，以达到μPa-mPa范围中的交替改变的AC压力。

通过对附图、公开和所附权利要求的学习，本领域技术人员在实施要求保护的发明时，可以理解并实现所公开实施例的其他变体。

单个单元或设备可以完成说明书或权利要求中记载的多个项的功能。说明书或权利要求中记载的措施和特征可以任意组合。

在附图或上述公开中的分离的实施例或从属权利要求中记载或示出的每个特征可以有利地与其他两个或更多个特征以任意组合方式而组合。

虽然在附图和前述说明中详细示出和描述了本发明，这些示例和描述应视为是示意性或示例性的，而非限制性的。本发明不限于公开的实施例。例如，可以在用于测量其他信号或参数的实施例中使用本发明。

通过对附图、公开和所附权利要求的学习，本领域技术人员在实施要求保护的发明时，可以理解并实现所公开实施例的其他变体。计算机程序可以存储或分布在适当介质上，例如光存储介质或固态介质，并且可以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线电信***。

测量过程、步骤和确定可以由一个或多个单元或设备执行。例如，控制和测量可以由单个单元这些，或者由任何其他数目的不同单元执行。根据上述特征对***和/或设备的计算和确定和/或控制可以实现为计算机程序的程序代码装置和/或专用硬件。

虽然在附图和前述说明中详细示出和描述了本发明，这些示例和描述应视为是示意性或示例性的，而非限制性的。本发明不限于公开的实施例。

通过对附图、公开和所附权利要求的学习，本领域技术人员在实施要求保护的发明时，可以理解并实现所公开实施例的其他变体。

在权利要求中，单词“包括”不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个或其他单元可以完成权利要求中多个项的功能。某些措施在互相不同的从属权利要求中记载这一事实不表示不能有利地使用这些措施的组合。

计算机程序可以存储或分布在适当介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的一部分提供的光存储介质或固态介质，并且可以其他形式分布，例如经由互联网或其他有线或无线电信***。

权利要求中的任何附图标记不应视为限制范围。

Claims (8)

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；底层，形成底电极；以及在上电极与底电极之间的绝缘层；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.根据权利要求1到3中任一项所述的电容性传感器，其中传感器是电声换能器。

6.根据权利要求1到3中任一项所述的电容性传感器，其中传感器是压力传感器。

7.一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。

8.根据权利要求7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。