用于垂直电极换能器的系统和方法与流程

本发明一般地涉及微加工的换能器，并且在特定实施例中涉及一种用于垂直电极换能器的系统和方法。

背景技术：

换能器将信号从一个域转换到另一个域，并且经常被用作传感器。例如，声换能器在声信号和电信号之间转换。麦克风是将声波(即，声信号)转换成电信号的一种类型的声换能器，并且扬声器是将电信号转换成声波的一种类型的声换能器。

基于微机电系统(mems)的传感器包括使用显微机械加工技术产生的换能器的家族。通过在换能器中测量物理状态的变化并且传送将要由连接到mems传感器的电子设备处理的信号，一些mems(诸如，mems麦克风)从环境搜集信息。一些mems(诸如，mems微型扬声器)在换能器中将电信号转换成物理状态的变化。可使用与用于集成电路的那些显微机械加工制造技术类似的显微机械加工制造技术来制造mems装置。

作为示例，电容mems麦克风包括背板电极和与背板电极平行地布置的薄膜。背板电极和薄膜形成平行板电容器。背板电极和薄膜由布置在衬底上的支撑结构支撑。

电容mems麦克风能够在与背板电极平行地布置的薄膜转化声压波(例如，语音)。背板电极被穿孔，从而声压波穿过背板同时由于形成在薄膜上的压力差而使薄膜振动。因此，薄膜和背板电极之间的气隙随着薄膜的振动而变化。薄膜相对于背板电极的位置的变化引起薄膜和背板电极之间的电容的变化。电容的这种变化响应于薄膜的移动而被变换成输出信号，并且形成转化的信号。

使用类似的结构，电压信号可被施加在薄膜和背板之间以便使薄膜振动并且产生声压波。因此，电容板mems结构可用作微型扬声器。

对于电容mems传感器，在存在适度物理信号或冲击的情况下，可偏转板之一可偏转，直至接触相邻板。在这种情况下，施加于所述板的电压可使所述板保持彼此接触。这种现象可被称为“吸合”。在电容mems传感器中，吸合可影响传感器的性能并且可导致所述装置的降低的性能或故障。

技术实现要素：

根据实施例，一种操作具有薄膜的微机电系统(mems)换能器的方法包括：使用第一对静电驱动电极在薄膜的平面外偏转和第一对静电驱动电极上的电压之间转化。第一对静电驱动电极被形成在薄膜上，沿平面外方向延伸，并且在第一对静电驱动电极之间形成可变电容。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在参照下面结合附图进行的描述，在所述附图中：

图1图示实施例mems换能器系统的系统方框图；

图2a和2b图示实施例mems换能器的示意性侧视图和顶视图；

图3a和3b图示处于偏转的实施例mems换能器的示意性侧视图；

图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i和4j图示在实施例加工过程中的不同步骤的实施例mems换能器的剖视图；

图5图示另一实施例mems换能器的剖视图；

图6a和6b图示在另一实施例加工过程中的不同步骤的另一实施例mems换能器的剖视图；

图7图示又一实施例mems换能器的剖视图；

图8a和8b图示再一实施例mems换能器的示意性侧视图和顶视图；

图9图示操作实施例mems换能器的实施例方法的方框图；

图10图示形成实施例mems换能器的实施例方法的方框图；

图11a、11b、11c、11d、11e、11f和11g图示在另一实施例加工过程中的不同步骤的另一实施例mems换能器的剖视图；和

图12图示另外的实施例mems换能器的剖视图。

除非另外指示，否则不同附图中的对应数字和符号通常指代对应的部分。附图被绘制以清楚地图示实施例的相关方面，并且未必按照比例绘制。

具体实施方式

以下详细地讨论各种实施例的制造和使用。然而，应该理解，在本文中描述的各种实施例在各种特定情况下适用。讨论的特定实施例仅说明用于制造和使用各种实施例的特定方式，并且不应该在限制的范围中被解释。

在特定情况下关于各种实施例(也就是说，mems换能器，并且更具体地讲，mems声换能器)进行描述。在本文中描述的各种实施例中的一些实施例包括mems换能器系统、mems麦克风、mems微型扬声器、mems换能器(包括垂直静电电极和形成在可偏转mems薄膜上的可移动电极)。在其它实施例中，各方面也可根据如本领域所已知的任何方式被应用于涉及将物理信号转换到另一个域的任何类型的换能器的其它应用。

在包括例如电容麦克风和微型扬声器的通常应用中，mems换能器包括薄膜或膜片和背板或反电极。如上所述，在这种装置中存在吸合或塌陷的可能性。另外，随着偏转增加，即使不发生吸合，当膜片撞击传统麦克风中的反电极时，也可发生夹紧。另外，在一些应用中，薄膜的垂直移动受形成在薄膜和背板之间的气隙限制。因此，可由包括薄膜和背板的换能器引入某些性能限制。

根据在本文中描述的各种实施例，mems换能器包括薄膜，所述薄膜具有形成为从薄膜延伸离开的垂直电极对。薄膜的偏转使垂直电极对移动，从而每个垂直电极对中的每个电极的某个部分相对于垂直电极对中的另一电极移动得更加靠近在一起或进一步分离。当每个电极对中的电极相对于彼此移动时，电极结构的电容变化。因此，使换能器薄膜偏转的入射在换能器薄膜上的物理信号(诸如，例如声信号)在每个电极对产生可测量的电信号。类似地，施加于电极对的电压在垂直电极之间产生静电力，所述静电力使换能器薄膜偏转并且产生物理信号(诸如，例如声信号)。这种实施例可在没有任何背板或反电极的情况下操作。在各种实施例中，所述垂直结构和形状根据杠杆机构与薄膜一起操作，所述杠杆机构允许薄膜的较大偏转而不会表现出吸合或夹紧。

图1图示实施例mems换能器系统100的系统方框图，mems换能器系统100包括mems换能器102、专用集成电路(asic)104和信号处理器106。根据各种实施例，mems换能器102通过环境耦合器108被耦合到mems换能器系统100的周围环境。mems换能器系统100可包括装置壳体112。在各种实施例中，环境耦合器108由装置壳体112中的端口(诸如，声音端口)提供。

在各种实施例中，mems换能器102和asic104被包括在子封装110中。在一些实施例中，子封装110是单个集成电路(ic)管芯，所述单个ic管芯包括一起集成在同一半导体管芯中的mems换能器102和asic104二者。在其它实施例中，子封装110是电路板(诸如，印刷电路板(pcb))，所述电路板具有附连到所述电路板的针对mems换能器102和asic104的分开的ic。在这种实施例中，子封装110还可包括保护mems换能器102和asic104的装置盖或封装。子封装110被包括在装置壳体112内，并且环境耦合器108提供mems换能器系统100的周围环境和子封装110中的mems换能器102之间的物理耦合。因此，子封装110还可包括端口，诸如声音端口。

根据各种实施例，mems换能器102包括可偏转结构(诸如，薄膜)，所述可偏转结构包括用于在可偏转结构的物理偏转和电信号之间转化的至少一个垂直电极对。在一些实施例中，mems换能器102不包括任何背板。在一些实施例中，通过在垂直电极对将可偏转结构的偏转感测为电信号，mems换能器102用作传感器。在特定实施例中，通过感测由入射在可偏转结构上的声信号引起的可偏转结构的偏转，mems换能器102用作mems麦克风。在其它实施例中，通过使用施加于垂直电极对的电压信号引起可偏转结构的偏转，mems换能器102用作致动器。在特定实施例中，通过引起产生声信号的可偏转结构的偏转，mems换能器102用作mems微型扬声器。

根据各种实施例，asic104用作mems换能器102的接口电路。在这种实施例中，asic104可包括读出电路，所述读出电路具有用于放大转化的电信号的放大器。在一些实施例中，asic104还可包括用于将偏置电压施加于垂直电极对的偏置电路。asic104可包括用于驱动在垂直电极对的电压信号以便产生可偏转结构的一系列特定偏转的驱动电路。因此，当mems换能器102是传感器(诸如，麦克风)时，asic104可包括读出电路，并且当mems换能器102是致动器(诸如，微型扬声器)时，asic104可包括驱动电路。

在各种实施例中，信号处理器106向asic104发送信号以及从asic104接收信号以操作mems换能器102。信号处理器可产生驱动信号，所述驱动信号产生声信号，或者信号处理器可解释电信号以产生声信号的数字表示。在各种实施例中，信号处理器106可以是例如专用数字信号处理器(dsp)、通用微处理器或音频处理器。在一些实施例中，信号处理器106被包括在装置壳体112中。在替代实施例中，信号处理器106位于装置壳体112外部，并且可被包括在耦合到asic104的分开的系统中。

图2a和2b图示实施例mems换能器120的示意性侧视图和顶视图，mems换能器120包括薄膜122、垂直电极对124、锚定器126、接触线128a和接触线128b。根据各种实施例，垂直电极对124附连到薄膜122并且从薄膜122延伸离开。垂直电极对124每个包括电极130a和电极130b。薄膜122被固定在锚定器126，锚定器126可以是例如衬底或衬底上的支撑结构。在一些实施例中，薄膜122是圆形的，如图中所示，并且围绕薄膜122的圆周被固定到锚定器126。

在各种实施例中，当电压被施加在电极130a和电极130b之间时，在电极130a和电极130b之间产生将电极130a和电极130b吸引在一起的静电力。当电极130a和电极130b基于静电力一起弯曲时，薄膜122也弯曲以适应电极130a和电极130b的弯曲，这导致薄膜122的偏转。在这种实施例中，电压信号可被施加于电极130a和电极130b以产生薄膜122的偏转以便产生物理信号。例如，可在薄膜122产生声信号，所述声信号包括通过以特定频率激发薄膜122而产生的各种频率。因此，垂直电极对124可被驱动以便产生声信号，并且mems换能器120可用作mems微型扬声器。在一些实施例中，mems换能器120是被一起驱动以便产生具有较大声压级(spl)的声信号的这种微型扬声器的阵列的一部分。

在一些实施例中，入射在薄膜122上的物理信号引起薄膜122的偏转。薄膜122的偏转产生电极130a和电极130b相对于彼此的移动，并且改变电极130a和电极130b之间的电容。读出电路可测量当电容在电极130a和电极130b之间变化时产生的电压信号。在这种实施例中，可通过薄膜122和垂直电极对124转化入射在薄膜122上的物理信号(诸如，声信号)以基于物理信号产生电压信号。因此，垂直电极对124可基于入射的声信号产生电压信号，并且mems换能器120可在一些实施例中用作mems麦克风。

根据各种实施例，接触线128a被耦合到电极130a，并且接触线128b被耦合到电极130b。可由绝缘体134a包围电极130a或使电极130a绝缘，并且可由绝缘体134b包围电极130b或使电极130b绝缘。在各种实施例中，通路132a可穿过薄膜122以便以电气方式将接触线128a耦合到电极130a，并且通路132b可穿过薄膜122以便以电气方式将接触线128b耦合到电极130b。

根据一些实施例，薄膜122可成波纹状，如图中所示。在这种实施例中，薄膜122中的弯曲或波纹可增加薄膜122的柔韧性。在各种实施例中，可包括任何数量的波纹。在特定实施例中，包括的波纹的数量从10个波纹到50个波纹变化。如图中所示，在一些实施例中，垂直电极对124可被形成在波纹谷中。在替代实施例中，垂直电极对124被形成在波纹峰或高地中。在其它实施例中，薄膜122可以是平坦的并且不包括波纹。

在特定实施例中，薄膜122可形成有层应力，所述层应力在薄膜122被释放时产生薄膜122的静止偏转。例如，薄膜可包括具有本征应力的层，或者可包括具有不平衡的层应力的不同结构。在这种实施例中，当薄膜122在加工过程期间被释放时，内部层应力使薄膜122偏转至静止位置，其中在薄膜122中具有某种弯转或弯曲。

根据特定实施例，垂直电极对124还可沿向上方向形成(未示出)。如图2b中所示，在一些实施例中，mems换能器120包括圆形且同心的三个垂直电极对124。在其它实施例中，仅使用单个垂直电极对124。在另外的各种实施例中，垂直电极对的数量可从1个垂直电极对到50个垂直电极对变化。在特定实施例中，每个波纹可包括垂直电极对。另外，在一些替代实施例中，可在每个波纹上使用超过一个垂直电极对。

在各种实施例中，薄膜122可具有圆形形状，如图中所示。在其它实施例中，薄膜122可包括其它形状(诸如，矩形形状)，如以下在本文中另外所述。例如，薄膜122可以是矩形的并且在一侧或两侧被锚定。在这种实施例中，垂直电极对124可被布置为跨越薄膜122的平行线。在一些实施例中，垂直电极对124被布置为薄膜122上的同心圆形电极。在其它实施例中，垂直电极对124可按照其它布置方式布置，诸如布置为沿着薄膜122的平行线。

根据各种实施例，接触线128a以电气方式耦合到接触焊盘136a，并且接触线128b以电气方式耦合到接触焊盘136b。接口电路(诸如，以上参照图1描述的asic104)可被耦合到接触焊盘136a和136b以便向mems换能器120提供驱动信号或从mems换能器120读出信号。

根据各种实施例，薄膜122可包括用于均衡薄膜122上的低频压力变化的通气孔(未示出)。在各种实施例中，通气孔可被形成在薄膜的中心或形成在圆周附近。在其它实施例中，通气孔可被布置在薄膜122的任何部分中或布置在连接到薄膜122的衬底或支撑结构中。

在特定实施例中，mems换能器120可在滑动操作模式下操作或被结构化为在滑动操作模式下操作。在这种实施例中，通过在电极130a和电极130b之间施加电压来致动电极130a和电极130b，直至电极端部彼此接触。绝缘体134a和绝缘体134b保持电极130a和电极130b之间的电绝缘以便防止短路。当电极130a和电极130b在电极端部触碰时，因为分离距离小，所以小电压变化在电极130a和电极130b之间施加增加的静电力。施加于电极130a和电极130b的增加的静电力使电极挤压在一起，并且在薄膜122上产生增加的力。在一些实施例中，机械连接(诸如，绝缘材料)可连接电极130a和电极130b的电极端部以便在滑动模式下提供操作。

在电极端部触碰或者在电极130a和电极130b的电极端部之间存在机械连接的实施例中，施加于电极130a和电极130b之间的增加的电压使沿着电极130a和电极130b的轴的部分移动得更加靠近在一起。例如，当电极端部自由移动时，电极130a和电极130b用作固定-自由梁并且主要在电极端部具有最大偏转，但当电极端部固定(通过触碰或添加的机械连接)时，电极130a和电极130b用作固定-固定梁并且主要在沿着电极130a和电极130b的轴的中心区域中具有最大偏转。

图3a和3b图示处于偏转的实施例mems换能器140和mems换能器141的示意性侧视图。根据各种实施例，mems换能器140在薄膜144中的每个波纹的井中包括单个垂直电极对142。薄膜144被图示为具有三个波纹井，但其它实施例可包括任何数量的波纹。另外，各种实施例可包括像没有任何波纹的平面薄膜的薄膜144。图3a概括地图示处于偏转的mems换能器140并且图示未偏转的mems换能器140。

在各种实施例中，mems换能器141类似于mems换能器140，其中在薄膜144中的每个波纹的井中添加了第二垂直电极对142。在这种实施例中，每个波纹井包括两个垂直电极对142。图3b概括地图示处于偏转的mems换能器141并且图示未偏转的mems换能器141。在没有任何波纹的实施例中，每个垂直电极对142分隔开某个距离。垂直电极对142可按照在薄膜144上分隔开的子集被分组在一起，或者垂直电极对142可针对每个电极对均匀地分隔开。一些实施例仅包括单个垂直电极对142。在其它实施例中，垂直电极对142的数量可从1个垂直电极对142到50个垂直电极对142变化。mems换能器140和mems换能器141是实施例mems换能器的示意性图示，并且可包括如在本文中参照其它实施例所述的特征和结构。

图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i和4j图示在实施例加工过程中的不同步骤的实施例mems换能器的剖视图。图4a描绘结构200，结构200包括衬底220和硅酸乙酯(teos)台面222。在这种实施例中，teos台面222被形成在衬底220上。通过沉积teos层并且以光刻方式对teos层进行图案化以形成teos台面222，可形成teos台面。

图4b描绘结构202，结构202包括衬底220和teos台面222，其中沟槽224被形成在衬底220中。根据各种实施例，通过光刻图案化过程来形成沟槽224。在特定实施例中，光致抗蚀剂层被沉积，通过掩模曝光，并且根据掩模的曝光的图案显影。一旦光致抗蚀剂已被显影，执行蚀刻过程以蚀刻光致抗蚀剂被去除所在的沟槽224。在一些实施例中，蚀刻步骤可使用各向异性蚀刻来形成沟槽224的垂直侧壁。例如，深反应离子蚀刻(drie)技术可被用于蚀刻沟槽224。在其它实施例中，可执行bosch过程蚀刻以形成沟槽224。在替代实施例中，蚀刻步骤可使用各向同性蚀刻，所述各向同性蚀刻具有在侧壁上形成蚀刻掩模的多个中间步骤。在各种实施例中，沟槽224可被蚀刻到衬底220中，具有高达30µm的深度。特别地，沟槽224在衬底220中的深度从1µm到20µm变化。

图4c描绘结构204，结构204包括衬底220、teos台面222和氧化物层226。根据各种实施例，氧化物层226被形成在衬底220的表面上并且作为沟槽224的侧壁和底部的衬里。在一些实施例中，氧化物层226可以是氧化硅。在替代实施例中，氧化物层226可以是另一类型的氧化物、氮化物或氧氮化物。在一些实施例中，热生长氧化物层226。在其它实施例中，氧化物层226按照与teos台面222相同的方式被形成为teos氧化物。

图4d描绘结构206，结构206包括衬底220、teos台面222、氧化物层226和氮化物层228。根据各种实施例，氮化物层228被形成在衬底220和氧化物层226的表面上并且也作为沟槽224的侧壁和底部的衬里。在特定实施例中，氮化物层228是氮化硅。在替代实施例中，氮化物层228可以是另一类型的氮化物、氧化物或氧氮化物。在完成的mems换能器中，氮化物层228可形成垂直电极之间的电绝缘。另外，氮化物层228可提供将薄膜连接在一起的结构支撑件。

图4e描绘结构208，结构208包括衬底220、teos台面222、氧化物层226、氮化物层228和多晶硅材料230。根据各种实施例，多晶硅材料230被沉积在氮化物层228上并且填充沟槽224。在一些实施例中，可利用化学气相沉积(cvd)过程沉积多晶硅材料230。在特定实施例中，在低压cvd(lpcvd)过程中沉积多晶硅材料230。在各种替代实施例中，替代于多晶硅或除了多晶硅之外，多晶硅材料230被实现为另一类型的导电材料或半导体材料。例如，在一些替代实施例中，多晶硅材料230可被实现为金属。

图4f描绘结构210，结构210包括衬底220、teos台面222、氧化物层226、氮化物层228和被图案化成电极232a和电极232b的多晶硅材料230。根据各种实施例，如参照结合图4b形成沟槽224类似所述，使用光刻过程和蚀刻将多晶硅材料230图案化。在各种实施例中，多晶硅材料230被图案化成两个电极，即电极232a和232b。在一些实施例中，例如，如以上参照图2a和2b所述，位于左侧的电极232a可环绕延伸到位于右侧的电极232a作为圆形电极。在其它实施例中，多晶硅材料230可被图案化以形成任何数量的电极。

图4g描绘结构212，结构212包括衬底220、teos台面222、氧化物层226、氮化物层228、被图案化成电极232a和电极232b的多晶硅材料230以及氮化物层234。根据各种实施例，氮化物层234被沉积在氮化物层228和多晶硅材料230上。在各种实施例中，氮化物层可由与以上参照氮化物层228所述的相同的材料形成。

图4h描绘结构214，结构214包括衬底220、teos台面222、氧化物层226、氮化物层228、被图案化成电极232a和电极232b的多晶硅材料230、氮化物层234以及触点236a和触点236b。根据各种实施例，触点236a和触点236b分别形成与电极232a和232b的电触点。可利用金属化过程形成触点236a和触点236b。在这种实施例中，可使用光刻过程和蚀刻来形成氮化物层234中的开口。一旦形成氮化物层234中的开口，可通过金属化和图案化过程形成触点236a和触点236b。在各种实施例中，触点236a和触点236b可由铝、铂或金形成。在替代实施例中，触点236a和触点236b可由铜形成。在其它实施例中，触点236a和触点236b可由多晶硅形成。

图4i描绘结构216，结构216包括具有腔238的衬底220、teos台面222、氧化物层226、氮化物层228、被图案化成电极232a和电极232b的多晶硅材料230、氮化物层234以及触点236a和触点236b。根据各种实施例，在衬底220中在电极232a和电极232b下方形成腔238。使用bosch蚀刻过程在衬底220中形成腔238。在这种实施例中，使用各向同性蚀刻并且随后在蚀刻的侧壁上形成钝化层或蚀刻掩模，从背面反复地蚀刻衬底220。重复该过程，直至从背面蚀刻穿过衬底220。在这种实施例中，氧化物层226用作蚀刻停止层以保护多晶硅材料230。

图4j描绘结构218，结构218包括具有腔238的衬底220、氧化物层226、氮化物层228、被图案化成电极232a和电极232b的多晶硅材料230、氮化物层234以及触点236a和触点236b。根据各种实施例，在释放蚀刻期间在腔238中去除氧化物层226。在这种实施例中，氧化物层226存在于氮化物层228和衬底220之间。在释放蚀刻之后，氮化物层228、多晶硅材料230和氮化物层234一起形成mems换能器的薄膜。电极232a和电极232b形成垂直电极对240。在各种实施例中，结构218是mems换能器。

在各种实施例中，薄膜可具有在释放蚀刻之后引起偏转的层应力。在这种实施例中，氮化物层228和多晶硅层230可被形成以便产生在释放蚀刻之后引起偏转的压缩层应力。在各种实施例中，另外的材料或技术可被用于产生在释放蚀刻之后引起偏转的层应力。本领域普通技术人员将会容易地理解产生层应力(诸如，本征层应力)所需的考虑因素或修改，所述层应力在释放蚀刻之后将会产生薄膜的未偏置偏转。

根据各种实施例，以上参照图1、2a、2b、3a和3b描述了mems换能器(即，结构218)的操作。例如，垂直电极对240可如以上参照图2a和2b中的垂直电极对124所述操作。如前所述，实施例mems换能器可包括任何数量的垂直电极对。结构218仅包括两个垂直电极对240，但其它实施例可仅包括单个垂直电极对或超过两个垂直电极对。另外，结构218包括通过teos台面222的图案化形成的波纹。在其它实施例中，teos台面222被省略，并且结构218被形成为具有没有任何波纹的平面薄膜。在各种实施例中，以上参照图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i和4j描述的过程步骤也可被应用于与结构218相比具有更多或更少波纹的mems换能器。

在各种实施例中，垂直电极对240可从薄膜向下延伸高达30µm的距离。在特定实施例中，垂直电极对240从薄膜向下延伸从1µm到20µm变化的距离。在各种实施例中，腔238是圆形腔，并且薄膜是围绕圆周固定到氧化物层226的圆形薄膜。腔238的直径和薄膜的对应直径从500µm到2mm变化。在替代实施例中，腔238的直径和薄膜的对应直径处于这个范围之外。在特定实施例中，腔238的直径和薄膜的对应直径是1mm。

图5图示另一实施例mems换能器219的剖视图，所述另一实施例mems换能器219包括：衬底220；氧化物层226；电极232a和电极232b，包括多晶硅材料230、氮化物层228和氮化物层234；以及触点236a和触点236b。根据各种实施例，mems换能器219类似于图4j中的结构218，其中添加了更多的垂直电极对240和对应波纹。使用与以上参照图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i和4j所述的相同的加工序列形成mems换能器219，但包括用于形成四个（而不是两个）垂直电极对240的修改的掩模。在各种实施例中，相同的加工过程可被用于在mems换能器中形成具有圆形或平行线配置的任何数量的垂直电极对240。在这种实施例中，如以上参照图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i和4j所述，通过分别在替代实施例中包括或省略teos台面，可包括或省略最后的薄膜中的波纹。

根据各种实施例，电极232a包括通过触点236a耦合在一起的多个垂直电极和耦合到触点236a的导电耦合器(未示出)。类似地，电极232b包括通过触点236b耦合在一起的多个垂直电极和耦合到触点236b的导电耦合器(未示出)。另外，在一些实施例中，电极232a和电极232b中的每个垂直电极可以是圆形的，如以上参照图2a和2b中的mems换能器120所述。在替代实施例中，电极232a和电极232b可被进一步划分为可被耦合到分开的电气连接的多个垂直电极。因此，电极232a和电极232b每个可分别解耦合以形成电极232a、232b、232c、232d等。在这种实施例中，可实现任何数量的垂直电极。在各种实施例中，垂直电极或电极232a和电极232b可以是形成在薄膜上的同心圆形电极或形成在薄膜上的平行线电极。

图6a和6b图示在另一实施例加工过程中的两个不同步骤的另一实施例mems换能器的剖视图。根据各种实施例，图6a和6b描绘与以上参照图4b描述的结构202对应的在第一步骤之后的结构250和在实施例加工序列中的最后步骤之后的结构251。以上参照图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i和4j描述的加工序列被类似地应用以形成图6b中的结构251。在这种实施例中，除了形成沟槽260之外，如以上参照图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i和4j所述，应用层和过程步骤。

根据各种实施例，可如以上参照沟槽224所述同时并且按照相同的方式形成沟槽260。另外，沟槽260可被形成以便提供深沟槽波纹。在特定实施例中，以上参照图4a描述的teos台面222可被省略，并且沟槽260可被替代地形成。在形成沟槽260之后，如参照图4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i和4j所述继续加工过程以便产生结构251，结构251与结构218具有相同的层堆栈，但替代于由于teos台面222而导致的凸起波纹，包括由于沟槽260而导致的深沟槽波纹。因此，以上参照图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i和4j描述了结构251的层以及形成所述层的对应方法。

根据各种实施例，沟槽260可具有与沟槽224相同的深度。在替代实施例中，沟槽260可具有不同深度。在各种实施例中，沟槽260可被蚀刻到衬底220中，具有高达30µm的深度。特别地，沟槽260在衬底220中的深度从1µm到20µm变化。在各种实施例中，沟槽260的宽度是沟槽224的宽度的三倍或更宽。在一些实施例中，沟槽260的宽度超过沟槽224的宽度的两倍，但小于沟槽224的宽度的三倍。在特定实施例中，沟槽260的宽度小于沟槽224的宽度的两倍。在特定实施例中，沟槽224的宽度从1µm到5µm变化。在特定实施例中，沟槽224的宽度取决于在为绝缘层(例如，氮化物层228)提供空间的同时在机械上稳定的最后结构(例如，多晶硅材料230)的厚度。例如，沟槽224的宽度可被设置为多晶硅材料230的厚度加氮化物层228的厚度的两倍。作为特定示例，对于2µm厚的多晶硅材料加500nm厚的氮化物层，可使用3µm(2µm 2∙500nm)的沟槽宽度。

图7图示又一实施例mems换能器252的剖视图，所述又一实施例mems换能器252包括：衬底220；氧化物层226；电极232a和电极232b，包括多晶硅材料230、氮化物层228和氮化物层234；以及触点236a和触点236b。根据各种实施例，mems换能器252类似于图6b中的结构251，其中添加了更多的垂直电极对240和对应的深沟槽波纹。使用如以上参照图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i、4j、6a和6b所述的相同的加工序列形成mems换能器252，但包括用于形成四个（而不是两个）垂直电极对240的修改的掩模。在各种实施例中，相同的加工过程可被用于在mems换能器中形成具有圆形或平行线配置的任何数量的垂直电极对240。

图8a和8b图示再一实施例mems换能器270的示意性侧视图和顶视图，所述再一实施例mems换能器270包括衬底272、支撑结构274、薄膜276和垂直电极对280。根据各种实施例，薄膜276是在衬底272中形成在腔284上方的片状薄膜。薄膜276可以是沿着一个边缘固定到支撑结构274的矩形或正方形薄膜。在其它实施例中，薄膜276具有不同的非矩形形状，诸如例如沿着半圆形或半椭圆形的直径固定到支撑结构274的半圆形或半椭圆形形状。垂直电极对280从薄膜276向下延伸，并且每个垂直电极对280包括电极282a和电极282b。图8a图示侧视图，并且示出从薄膜276向下延伸的每个垂直电极对280的电极282a和电极282b。电极282a和电极282b可以是在绝缘材料278中包围或包裹的导电电极。在各种实施例中，电极282a和电极282b可由多晶硅形成，并且绝缘材料278可由氮化硅形成。在替代实施例中，电极282a和电极282b可由任何类型的导电材料形成，并且绝缘材料278可由任何类型的电绝缘材料形成。在一些实施例中，薄膜276和电极282a和电极282b由相同的材料形成。在替代实施例中，薄膜276和电极282a和电极282b由不同的材料形成。

根据各种实施例，触点286a和触点286b分别通过形成在绝缘材料278中的通路288以电气方式耦合到电极282a和电极282b。为了说明的目的，在各种实施例中，图4b中的电极282a和电极282b的顶表面未被示出为具有绝缘材料278，但这些表面被绝缘材料278覆盖。

根据各种实施例，支撑结构274可以是绝缘层。在一些实施例中，支撑结构274由氮化物、氧化物或氧氮化物形成。在特定实施例中，支撑结构274是氧化硅。例如，支撑结构274可被形成为用于背面蚀刻的蚀刻停止层，所述背面蚀刻被执行以在衬底272中产生腔284。在各种实施例中，以上参照图4a、4b，4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i、4j、5、6a、6b和7描述的加工序列和步骤以及相关材料也可被应用以形成mems换能器270。在一些实施例中，如本领域技术人员将会容易地理解，可包括与mems换能器270相关的修改。

图9图示操作实施例mems换能器的实施例方法的方框图。根据各种实施例，操作方法300是操作mems换能器的方法，所述mems换能器具有薄膜，所述薄膜具有形成在薄膜上的第一对静电驱动电极，第一对静电驱动电极沿平面外方向延伸并且在第一对静电驱动电极之间形成可变电容。操作方法300包括步骤302，步骤302包括使用第一对静电驱动电极在薄膜的平面外偏转和第一对静电驱动电极上的电压之间转化。在这种实施例中，转化可包括感测或致动。具体地讲，可通过第一对静电驱动电极上的电压的对应变化来感测薄膜的平面外偏转。类似地，通过将对应电压施加于第一对静电驱动电极以产生致动，可致动薄膜的平面外偏转。在各种实施例中，感测薄膜的平面外偏转可被用于实现mems麦克风。在一些实施例中，致动薄膜的平面外偏转可被用于实现mems微型扬声器。在各种实施例中，另外的步骤可被添加到操作方法300。

图10图示形成实施例mems换能器的实施例方法的方框图。形成的方法310包括步骤312-324。根据各种实施例，步骤312包括：在衬底中形成沟槽。一旦沟槽已被形成在衬底中，步骤314包括：在沟槽中并且在衬底上形成电极层并且电极层与衬底接触。步骤316包括：在电极层中对第一电极和第二电极进行图案化。在这种实施例中，第一电极和第二电极被形成在沟槽中。

根据各种实施例，步骤318包括：在第一电极和第二电极之间形成绝缘层。第一电极、第二电极和绝缘层一起形成mems换能器的薄膜。步骤320包括形成接触第一电极的第一导电线，并且步骤322包括形成接触第二电极的第二导电线。步骤324包括：在衬底中在第一电极和第二电极下方蚀刻腔。根据各种实施例，另外的步骤可被添加到形成的方法310，并且在替代实施例中，各种步骤可被重新布置。在各种实施例中，步骤312-324可包括如以上参照图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i和4j所述的特征或另外的步骤。

根据在本文中参照其它附图描述的各种实施例，可偏转薄膜中所包括的垂直电极对通常指向向下朝着形成在支撑衬底中的腔。在其它实施例中，各种垂直电极对也可沿向上方向指向。在特定实施例mems换能器中，薄膜包括多个垂直电极对，其中每一对在沿向上方向指向和沿向下方向指向之间交替。

具体地讲，图11a、11b、11c、11d、11e、11f和11g图示在另一实施例加工过程中的不同步骤的另一实施例mems换能器的剖视图。图11a描绘结构400，结构400包括衬底420、氧化物层422和氮化物层424。衬底420可包括以上参照衬底220描述的材料中的任何材料。氧化物层422可以是氧化硅。在特定实施例中，氧化物层422是teos氧化物层。在其它实施例中，氧化物层422可以是另一类型的绝缘材料。在一些实施例中，氧化物层422具有从100nm到2µm变化的厚度。在特定实施例中，氧化物层422具有500nm的厚度。在其它实施例中，氧化物层422可具有不同的厚度。类似地，在一些实施例中，氮化物层424具有从1nm到200nm变化的厚度。在特定实施例中，氮化物层424具有50nm的厚度。在其它实施例中，氮化物层424可具有不同的厚度。

在各种实施例中，氮化物层424和氧化物层422一起形成蚀刻停止层。在一些实施例中，氮化物层424可以是最后的薄膜的一部分。在其它实施例中，氧化物层422和氮化物层424可用其它介电或结构材料替换。

图11b描绘结构402，结构402包括形成在氮化物层424上的氧化物翼片426。在各种实施例中，氧化物翼片426可由许多材料(诸如，聚合物、氧化物、氮化物或氧氮化物)形成。在一个实施例中，氧化物翼片426被形成为teos氧化物。形成氧化物翼片426可包括：应用光致抗蚀剂(或其它厚的可图案化层)，对光致抗蚀剂进行图案化以包括沟槽，并且在图案化的沟槽中形成teos氧化物。在另一实施例中，形成氧化物翼片426可包括：形成teos氧化物，应用光致抗蚀剂，对光致抗蚀剂进行图案化，并且在氧化物翼片426周围蚀刻teos氧化物。在替代实施例中，可使用本领域技术人员已知的其它加工步骤并且根据在氧化物翼片426中使用的材料形成氧化物翼片426。在各种实施例中，氧化物翼片426具有从1µm到10µm变化的高度、从500nm到3µm变化的宽度和从3µm到30µm变化的(氧化物翼片之间的)间距。在特定实施例中，氧化物翼片426具有5µm的高度、1µm的宽度和10µm的间距。在替代实施例中，氧化物翼片426具有在这些范围之外的其它尺寸。

图11c描绘结构404，结构404包括形成在氮化物层424和氧化物翼片426上的多晶硅层428。在各种实施例中，多晶硅层428可被沉积为共形层。例如，可使用lpcvd过程沉积多晶硅层428。在各种实施例中，多晶硅层428是多晶硅。在其它实施例中，多晶硅层428可以是另一导电材料(诸如，金属)。例如，在各种实施例中，多晶硅层428可以是铝、铜、金、铂或这种金属的合金。

图11d描绘结构406，结构406包括形成在氮化物层424和氧化物翼片426上的多晶硅层428，其中多晶硅层428被从氧化物翼片426的顶部去除。在各种实施例中，多晶硅层428可被使用化学机械抛光(cmp)过程从氧化物翼片426的顶部去除，所述化学机械抛光(cmp)过程仅去除多晶硅层428的覆盖氧化物翼片426的顶部。在这种实施例中，支撑填充材料可被用于在cmp过程期间填充在氧化物翼片426周围以及在氧化物翼片426之间的区域。填充材料可在cmp过程期间提供支撑，并且可在完成cmp过程之后被去除。在其它实施例中，多晶硅层428可例如使用光刻过程进行图案化。

图11e描绘结构408，结构408包括通路430，通路430形成为穿过多晶硅层428、氮化物层424和氧化物层422到衬底420中。在各种实施例中，通过光刻过程形成通路430以便形成与结构406中的各种层的触点。在形成触点的步骤期间，可执行其它图案化以便如参照通路430所示那样形成触点。

图11f描绘结构410，结构410包括形成在衬底420中的腔432。在各种实施例中，通过bosch蚀刻过程形成腔432。在替代实施例中，可通过另一类型的蚀刻过程形成腔432。例如，当衬底420由各种替代衬底材料(诸如，聚合物)形成时，可使用替代蚀刻过程。

图11g描绘结构412，结构412包括垂直电极对434。在各种实施例中，通过释放蚀刻由多晶硅层428形成垂直电极对434，所述释放蚀刻去除氧化物层422的位于垂直电极对434下方的部分以及垂直电极对434的每个垂直电极之间的氧化物翼片426。在释放蚀刻之后，多晶硅层428和氮化物层424一起形成释放的薄膜436，所述释放的薄膜436具有朝上的垂直电极对434。如以上参照其它附图所述，释放的薄膜436可具有各种形状，诸如圆形或矩形。在另一实施例中，绝缘层(未示出)可被沉积在多晶硅层428上。在各种实施例中，绝缘层可由氧化物、氮化物或氧氮化物形成。另外，如以上参照图2a、2b、5和7所述，例如，在其它实施例中，结构412可包括任何数量的垂直电极对434。

图12图示另外的实施例mems换能器500的剖视图，所述另外的实施例mems换能器500包括朝下的垂直电极对512和朝上的垂直电极对514。根据各种实施例，可通过组合以上描述的加工序列来形成mems换能器500。例如，以上参照图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i和4j描述的加工序列可与参照图11a、11b、11c、11d、11e、11f和11g描述的加工序列组合。在这种实施例中，衬底502可具有设置在顶表面上的氧化物层504，其中诸如通过使用bosch蚀刻过程来在衬底502和氧化物层504中形成腔518。氮化物层508可被夹在多晶硅层506和多晶硅层510之间。朝下的垂直电极对512被形成在多晶硅层506中，并且朝上的垂直电极对514被形成在多晶硅层510中。

根据各种实施例，可使用以上参照其它附图中的其它实施例描述的任何技术或任何技术的组合来形成mems换能器500。具体地讲，mems换能器500的任何结构或材料可包括以上参照其它附图中的其它实施例描述的任何材料。例如，朝下的垂直电极对512、朝上的垂直电极对514或两种电极对都可包括被设置在表面上的绝缘层，诸如以上参照图8a和8b中的绝缘材料278所述。本领域技术人员将会容易地理解在本文中描述的实施例的许多组合和修改。

根据实施例，一种操作具有薄膜的mems换能器的方法包括：使用第一对静电驱动电极在薄膜的平面外偏转和第一对静电驱动电极上的电压之间转化。第一对静电驱动电极被形成在薄膜上，沿平面外方向延伸并且在第一对静电驱动电极之间形成可变电容。其它实施例包括：对应的系统和设备，每个都被配置为执行各种实施例方法。

在各种实施例中，在薄膜的平面外偏转和第一对静电驱动电极上的电压之间转化包括：通过将电压施加于第一对静电驱动电极来在第一对静电驱动电极之间产生静电力；通过基于静电力移动第一对静电驱动电极来在第一对静电驱动电极处在薄膜上产生力；以及基于所述力使薄膜偏转。在一些实施例中，在薄膜的平面外偏转和第一对静电驱动电极上的电压之间转化还包括通过使薄膜偏转来产生声信号。在另外的实施例中，在薄膜的平面外偏转和第一对静电驱动电极上的电压之间转化包括：使薄膜偏转；以及基于使薄膜偏转而在第一对静电驱动电极处产生电压信号。在这种实施例中，在薄膜的平面外偏转和第一对静电驱动电极上的电压之间转化还可包括基于电压信号确定入射在薄膜上的声信号。

根据实施例，一种mems换能器包括：可偏转薄膜；和第一电极对，位于可偏转薄膜上。第一电极对具有可变电容并且包括第一和第二可移动电极，第一和第二可移动电极具有可变分离距离并且相对于彼此可移动。可变电容取决于所述可变分离距离。其它实施例包括：对应的系统和设备，每个都被配置为执行各种实施例方法。

在各种实施例中，mems换能器还包括：第二电极对，位于可偏转薄膜上，其中第二电极对具有可变电容并且包括第三和第四可移动电极，第三和第四可移动电极具有可变分离距离并且相对于彼此可移动。在这种实施例中，可变电容取决于第三可移动电极和第四可移动电极的可变分离距离。另外，在这种实施例中，第一电极对位于可偏转薄膜的底表面上朝下并且第二电极对位于可偏转薄膜的顶表面上朝上。

在各种实施例中，第一电极对被配置为基于可偏转薄膜的偏转来调整可变分离距离。在一些实施例中，mems换能器还包括：接口电路，以电气方式耦合到第一电极对并且被配置为基于可变分离距离的变化产生代表入射在可偏转薄膜上的声信号的电信号。可偏转薄膜可包括层应力，所述层应力被配置为在未偏置状态期间使可偏转薄膜从中立位置沿第一方向偏转。在另外的实施例中，mems换能器还包括接口电路，所述接口电路以电气方式耦合到第一电极对并且被配置为：通过将电压施加于第一电极对来在第一电极对之间产生静电力；通过基于静电力调整可变分离距离来在第一电极对处在可偏转薄膜上产生力；以及基于所述力使可偏转薄膜偏转。

在各种实施例中，第一电极对包括形成在可偏转薄膜上的多个电极对，其中所述多个电极对中的每个电极对具有相应可变电容并且包括第一相应可移动电极和第二相应可移动电极。在这种实施例中，第一相应可移动电极和第二相应可移动电极具有相应可变分离距离并且相对于彼此可移动。另外，所述相应可变电容取决于所述相应可变分离距离。

在各种实施例中，mems换能器还包括：电绝缘材料，使第一可移动电极与第二可移动电极电绝缘。在这种实施例中，所述电绝缘材料是氮化硅。在一些实施例中，mems换能器还包括：衬底，包括腔，其中所述可偏转薄膜由衬底支撑并且第一电极对位于所述腔上方。

在各种实施例中，所述可偏转薄膜是圆形的并且围绕可偏转薄膜的圆周被固定到衬底上的支撑结构。可按照同心圆形成第一可移动电极和第二可移动电极。在另外的实施例中，所述可偏转薄膜是矩形的并且沿着可偏转薄膜的一个边缘被固定到衬底上的支撑结构。可按照平行线形成第一可移动电极和第二可移动电极。

在各种实施例中，所述可偏转薄膜在第一平面中延伸并且具有第一层厚度，第一可移动电极被形成在可偏转薄膜上，垂直于第一平面延伸第一距离，第二可移动电极被形成在可偏转薄膜上，垂直于第一平面延伸第一距离，并且所述第一距离大于第一层厚度。在一些实施例中，所述第一层厚度小于或等于1微米并且第一距离大于或等于1微米并且小于或等于25微米。

根据实施例，一种mems换能器包括：波纹薄膜；和第一同心电极对，与波纹薄膜接触。第一同心电极对包括以同心方式形成的第一圆形电极和第二圆形电极，并且具有随着第一圆形电极和第二圆形电极之间的分离距离而变化的可变电容。其它实施例包括：对应的系统和设备，每个都被配置为执行各种实施例方法。

在各种实施例中，mems换能器还包括：第二同心电极对，与波纹薄膜接触。在这种实施例中，第二电极对包括以同心方式形成的第三圆形电极和第四圆形电极，并且具有随着第三圆形电极和第四圆形电极之间的分离距离而变化的可变电容。另外，第一同心电极对位于波纹薄膜的底表面上朝下并且第二同心电极对位于波纹薄膜的顶表面上朝上。

在各种实施例中，mems换能器还包括：衬底，包括腔，其中所述波纹薄膜位于所述腔上方。在一些实施例中，所述波纹薄膜是圆形的并且在圆周固定到衬底上的支撑结构。第一同心电极对可包括与波纹薄膜接触的多个同心电极对，其中所述多个同心电极对中的每个同心电极对包括以同心方式形成的第一相应圆形电极和第二相应圆形电极，并且具有随着第一相应圆形电极和第二相应圆形电极之间的相应分离距离而变化的相应可变电容。

在各种实施例中，所述波纹薄膜包括多个波纹，并且所述多个同心电极对中的同心电极对被形成在所述多个波纹中的每个波纹中。在一些实施例中，所述波纹薄膜具有小于或等于1微米的层厚度，并且第一同心电极对从波纹薄膜延伸离开大于或等于1微米并且小于或等于25微米的距离。

在各种实施例中，mems换能器还包括：电绝缘材料，连接到第一圆形电极和第二圆形电极，其中所述电绝缘材料使第一圆形电极与第二圆形电极绝缘。在一些实施例中，所述波纹薄膜和第一同心电极对由多晶硅形成。所述波纹薄膜可包括层应力，所述层应力被配置为在未施加外力的情况下使波纹薄膜从中立位置沿第一方向偏转。

根据实施例，一种形成mems换能器的方法包括：在衬底中形成沟槽；在沟槽中并且在衬底上形成电极层并且电极层与衬底接触；在电极层中对第一电极和第二电极进行图案化；在第一电极和第二电极之间形成绝缘层；形成接触第一电极的第一导电线；形成接触第二电极的第二导电线；以及在衬底中在第一电极和第二电极下方蚀刻腔。在这种实施例中，第一电极和第二电极被形成在沟槽中，并且第一电极、第二电极和绝缘层形成薄膜。其它实施例包括：对应的系统和设备，每个都被配置为执行各种实施例方法。

在各种实施例中，该方法还包括：在形成电极层之前在衬底处形成波纹图案化元件。在一些实施例中，该方法还包括：在形成电极层之前在沟槽中形成蚀刻掩模；以及在衬底中蚀刻腔之后对蚀刻掩模进行蚀刻以释放薄膜。在另外的实施例中，形成绝缘层包括：在形成电极层之前在沟槽中沿着侧壁和底表面形成第一绝缘层；以及在电极层中对第一电极和第二电极进行图案化之后在第一电极和第二电极上形成第二绝缘层。形成电极层以及形成绝缘层可包括形成层应力，所述层应力引起在释放蚀刻之后电极层和绝缘层的偏转。

在本文中描述的各种实施例的优点可包括：mems换能器包括可偏转薄膜，而没有相对于薄膜偏移的穿孔的背板或刚性感测电极。这种实施例mems换能器可有益地避免吸合或电压塌陷，并且可具有减少的噪声、增加的灵敏度和操作的大幅度和频率范围。

尽管已参照说明性实施例描述本发明，但这种描述不旨在以限制性意义被解释。在参照所述描述时，说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它实施例将会对于本领域技术人员而言是清楚的。因此，旨在所附权利要求包括任何这种修改或实施例。