MEMS膜片及MEMS传感器芯片的制作方法

本发明涉及微机电系统（mems,micro-electro-mechanicalsystem）技术领域，特别涉及一种mems膜片及mems传感器芯片。

背景技术：

微机电传感器已广泛应用于各种声学接收器或力的传感器上，其体积小、低耗电、高灵敏度等特性，成为设计上的目标，且根据理论模拟的结果可知，残留应力的影响对于声学传感器中的振动薄膜的机械灵敏度影响甚大。

微机电装置包括的电容式传感器结构一般为一感测膜搭配一背极，形成两平行板电容板结构以感测振动或压力变化。其中，感测膜的材料特性决定组件感度性能，但于半导体加工过程所产生的热残留应力无法避免。而现有的制程技术仍无法精准的控制薄膜应力，进而微机电装置的灵敏度较低或灵敏度变异。

因此，如何提供一种释放应力效果好、机械灵敏度高的感测膜，成了业界亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种机械灵敏度高的mems膜片。

本发明还提出一种应用上述mems膜片的mems传感器芯片。

本发明提供一种mems膜片，包括感测部和围绕在所述感测部外围的外围部，所述外围部与所述感测部之间设有若干外槽和若干内槽，所述若干外槽呈环形排布在所述外围部的内边缘，所述外槽的末端朝向内侧延伸，所述若干内槽呈环形排布在所述感测部的外边缘，所述内槽的末端朝向内侧延伸，每一所述内槽对应相邻两所述外槽末端的部位向内凹陷从而形成内凹段。

优选地，每一所述外槽包括至少一第一圆弧段，每一所述内槽包括至少一第二圆弧段，所述第一圆弧段与所述第二圆弧段共圆心。

优选地，每一所述内槽还包括至少一倾斜段，所述倾斜段相对所述第二圆弧段朝向所述感测部的内侧倾斜延伸。

优选地，所述外槽的末端设有第一弯折部，所述第一弯折部包括弧形段，直线段或所述弧形段与所述直线段的组合，所述第一弯折部分别延伸至相应内槽的凹陷内；所述内槽的末端设有第二弯折部，所述第二弯折部包括弧形段，直线段或所述弧形段与所述直线段的组合。

优选地，所述第一弯折部的末端为圆弧型末端；或者所述第二弯折部的末端为圆弧型末端。

优选地，相邻两所述外槽之间形成第一连接臂，相邻两所述内槽之间形成第二连接臂，所述若干外槽与所述若干内槽之间形成环形连接臂，所述第一连接臂从所述环形连接臂的外边缘往外延伸并与所述外围部连接，所述第二连接臂从所述环形连接臂的内边缘往内延伸并与所述感测部连接，所述第一连接臂与所述第二连接臂在所述环形连接臂的周向上相互错开。

优选地，所述环形连接臂具有均匀的径向宽度；或者所述环形连接臂与所述第二连接臂相邻的部位的径向宽度大于所述环形连接臂其他部位的径向宽度。

优选地，所述外槽的数量小于等于6个，当所述mems膜片受到外部压力时，所述感测部基本呈平面状且沿垂直膜片的方向相对所述外围部运动。

优选地，每一外槽在所述膜片的径向上对应一对相邻内槽，位于所述一对相邻内槽之间的第二连接臂正对或偏离所述对应外槽的周向中部。

优选地，所述第一连接臂的最小周向宽度大于所述第二连接臂的最小周向宽度。

本发明提供一种mems传感器芯片，所述mems传感器芯片包括上述mems膜片。

综上所述，本发明提供一种mems膜片，该膜片在感测部与外围部之间设置若干外槽和若干内槽，外槽的末端朝向内侧延伸，内槽的末端朝向内侧延伸。外槽与内槽之间形成环形连接臂，相邻两外槽之间形成第一连接臂，相邻两内槽之间形成第二连接臂。若干外槽呈环形排布在外围部的内边缘，若干内槽呈环形排布在感测部的外边缘，且每一内槽对应相邻两外槽末端的部位向内凹陷，如此设计可增大膜片的感测部的有效面积，增大电容值，具有更好的声学传感性能。

在一些实施例中，所述外槽的数量小于等于6个，当mems膜片受到外部压力如声压作用时，感测部可相对外围部做活塞式运动即运动过程中感测部基本呈平面状，从而提高运动过程中形成于膜片与背极板之间的电容的变化率，从而提升mems传感器芯片的灵敏度。

当mems膜片受到较大压强作用时感测部基本呈平面状且沿垂直膜片的方向相对外围部运动，及时释放应力，并可将外界机械力量如较大压强释放，膜片不与外界机械力量抵抗，因而提高了mems膜片及mems传感器芯片的机械可靠度。

在一些实施例中，第一连接臂和第二连接臂在周向上错开以及外槽末端和内槽末端的圆弧型设计可减小应力集中，呈弯曲状延伸的外槽末端和内槽末端使得感测部的机械灵敏度提高，增加了膜片的可靠性。

在一些实施例中，环形连接臂和第二连接臂带动感测部位移，而环形连接臂和第二连接臂位于远离固支点处，不受固支点位置因半导体工艺变异而影响，因此感测部的运动对固支点位置变化不敏感，从而可提高mems膜片感测的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的mems膜片为结构设计e-1的示意图。

图2为本发明的mems膜片为结构设计e-2的示意图。

图3为图2中mems膜片呈平面状垂直运动的示意图。

图4为本发明的mems膜片为结构设计e-3的示意图。

图5为图4中mems膜片呈平面状垂直运动的示意图。

图6为图4中内槽凹陷区域的放大示意图。

图7为圆弧型末端的放大示意图。

具体实施方式

在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或组件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某组件”时，本发明并不限定该组件的数量为一个，也可以包括多个。

如图1所示，为本发明在一实施例中mems膜片的结构示意图。该mems膜片10应用于微机电装置中，例如应用在微机电传感器中、微机电电容式麦克风中。mems膜片10包括感测部12和外围部14，其中，感测部12位于mems膜片10的内侧，外围部14位于mems膜片10的外侧并围绕在感测部12外围。感测部12用于感测外部的压力，例如感测声压，当应用于微机电电容式麦克风时，感测部12受到声压作用时将相对背板运动，从而使得感测部与背板之间的电容发生变化从而产生相应的电信号。外围部14用于连接与支撑感测部12。

感测部12与外围部14之间的区域设有若干外槽16和若干内槽18，若干外槽16呈环形且间隔设置于外围部14的内边缘，若干外槽16共同界定一外圆，若干内槽18呈环形且间隔设置于感测部12的外边缘，若干内槽18共同界定一内圆。本实施例中，上述外圆与内圆共圆心。若干外槽16与若干内槽18之间形成环形连接臂20，外围部14通过环形连接臂20与感测部12连接。环形连接臂20把外围部14和感测部12分隔开来，避免在外围部14发生变形时将弹性形变产生的力传递到感测区域，以提高感测部12的稳定性，同时也提高了mems膜片10的线性输出的稳定性。环形连接臂20的宽度可以根据实际设计需求而定，用于分散应力，减小mems膜片10上应力集中。

在一些实施例中，如图1所示的mems膜片结构设计e-1，环形连接臂20具有均匀的径向宽度，也即若干外槽16的内外边缘均沿外圆圆周方向延伸，若干内槽18的内外边缘均沿内圆圆周方向延伸。

在另一些实施例中，如图2-3的mems膜片结构设计e-2和图4-6的mems膜片结构设计e-3，环形连接臂20还可以具有变化的径向宽度，例如，在应力较大的区域增加其径向宽度从而增加其刚性，例如，环形连接臂20在靠近内槽18和/或外槽16的端部处的宽度大于远离端部处的宽度。在所示的实施例中，环形连接臂20在靠近内槽18的端部处的径向宽度大于远离端部处的径向宽度。

本实施例中，感测部12、环形连接臂20和外围部14三者可以为一体成型。mems膜片10的材质可以采用碳基聚合物、硅、氮化硅、多晶硅、二氧化硅、碳化硅、砷化物、碳，以及锗、镓、钛、金、铁、铜、铬、钨、铝、铂、镍、钽等金属或其合金。mems膜片10的形状可以为方形，圆形，或者其他形状，本实施例中，以圆形进行说明。也就是说，外围部14也呈圆形。

在一些实施例中，如设计e-1、设计e-2和设计e-3，若干外槽16与若干内槽18互相之间为对称设计。例如，若干外槽16和若干内槽18同时关于感测部12的至少一直径方向对称，也即膜片整体关于感测部12的至少一直径方向对称。

在另一些实施例中，若干外槽16与若干内槽18互相之间为非对称设计，也即膜片整体关于感测部12的任一直径方向均不对称。

经过仿真计算分析得知，本发明上述实施例的膜片相对于现有技术，具有灵敏度较高、机械可靠度较佳等优点。然而，将上述实施例进行比较分析得知，在同等条件下，当内槽18与外槽16为对称设计时，膜片的灵敏度更高；当内槽18与外槽16为非对称设计时，膜片的刚性、机械强度及机械可靠度较佳。

应当指出的是，上述外侧和内侧是相对于整个mems膜片10的中心部位来说的，上述朝向外侧即为远离所述膜片中心部位的方向，上述朝向内侧即为指向膜片中心部位的方向。由于本实施例中若干外槽16共同界定外圆，若干内槽18共同界定内圆，且外圆与内圆共圆心，外围部14和感测部12也均为圆形，因此，该圆心也为外围部14和感测部12的圆心，也可以说是mems膜片10的圆心，上述各圆心均为同一圆心。mems膜片10的中心部位也可以理解为圆心部位。

在一些其他实施方式中，外围部14和感测部12的形状也可以为非圆形，如为方形等，若干外槽16和若干内槽18分别形成方形，外围部14和感测部12的中心可以与若干外槽16和若干内槽18形成的方形的中心同心，当然也可以不同心。

外槽16和内槽18的数量可以根据具体的设计需求及实际使用情况设置为多个。

外槽16和内槽18的数量可以相同，也可以不同。优选地，二者数量相同。

外槽16的数量可以为奇数，也可以为偶数，内槽18的数量可以为奇数，也可以为偶数。本实施例中，二者均为偶数。进一步地，外槽16的数量优选为六个或六个以下。再进一步地，优选为四个。可以理解地，同等大小的膜片，外槽16的数量越小，意味着感测部受到的约束越少，每段槽的长度越长，位于相邻内外槽末端之间的环形连接臂的长度越长，膜片受外力作用时感测部的运动越接近活塞式运动模式即直上直下运动模式。在本发明的一些实施例中，外槽16的数量小于等于六个，例如可为六个、五个、四个、三个或两个，内槽18的数量小于等于六个，例如可为六个、五个、四个、三个或两个。

在如图1-6所示的实施例中，外槽16和内槽18的数量均设置为四个。

四个外槽16沿周向均匀地间隔排布，且每个外槽16的形状和结构一致。四个内槽18沿周向均匀地间隔排布，且每个内槽18的形状和结构一致。下面仅对一个外槽16和一个内槽18的形状和结构进行说明。

每一外槽16的两末端均设有第一弯折部22，第一弯折部22朝向膜片的内侧延伸，每一内槽18对应相邻两外槽16末端的部位也即第一弯折部22处向内凹陷从而形成内凹段18b。如此设计可增大膜片的感测部12的有效面积，增大膜片与背极板之间的电容值，具有更好的声学传感性能。

优选地，第一弯折部22可以包括弧形段，直线段或弧形段与直线段的组合。也就是说，外槽16的末端可以呈弯曲状朝向内侧延伸，也可以呈直线状朝向内侧延伸，还可以先呈弯曲状再呈直线状或者先呈直线状再呈弯曲状朝向内侧延伸等等延伸方式。

请同时参考图7，在所示的实施例中，每一外槽16的两末端均设有第一弯折部22。为了降低应力集中，第一弯折部22的末端可以为圆弧型末端a。

第二弯折部24也可以包括弧形段，直线段或弧形段与直线段的组合。也就是说，内槽18的末端可以呈弯曲状朝向内侧延伸，也可以呈直线状朝向内侧延伸，还可以先呈弯曲状再呈直线状或者先呈直线状再呈弯曲状朝向内侧延伸等等延伸方式。

在所示的实施例中，每一内槽18的两末端均设有第二弯折部24。为了降低应力集中，第二弯折部24的末端可以为圆弧型末端a。

在如图1-3所示的实施例中，即设计e-1和e-2，外槽16末端的第一弯折部22朝向内侧延伸，且第一弯折部22为弧形段与直线段的组合，即第一弯折部22先呈弯曲状圆滑过渡再呈直线状朝向内侧延伸。内槽18末端的第二弯折部24朝向内侧延伸，且第二弯折部24也为弧形段与直线段的组合，即第二弯折部24先呈弯曲状圆滑过渡再呈直线状朝向内侧延伸。

在如图4-6所示的实施例中，即设计e-3，外槽16末端的第一弯折部22朝向内侧延伸，且第一弯折部22为两段弧形段和两段直线段的组合，即第一弯折部22先呈弯曲状圆滑过渡再呈直线状朝向内侧延伸，然后再呈弯曲状圆滑过渡再呈直线状朝向相邻的另一第一弯折部22方向延伸，整体呈l型或类似l型。经仿真计算分析得知，相比设计e-2，设计e-3第一弯折部22如此设计可具有更高的机械灵敏度，而且膜片在承受同等外力冲击、压力、声压或空气吹落等外力时可进一步降低应力。

在设计e-1和e-2中，每一外槽16包括至少一第一圆弧段16a，每一内槽18包括至少一第二圆弧段18a和至少一内凹段18b。内凹段18b相对第二圆弧段18a朝向感测部12的内侧延伸，第一圆弧段16a与第二圆弧段18a共圆心。每一第一弯折部22的末端分别延伸至相应内槽18的内凹段18b所形成的凹陷30内。应当理解的是，内凹段18b所形成的凹陷30属于环形连接臂20的一部分，也就是说，环形连接臂20对应内凹段18b的部分朝向感测部12的内侧延伸。

在设计e-2和e-3中，与设计e-1的区别在于，每一内槽18还包括至少一倾斜段18c，倾斜段18c相对第二圆弧段18a朝向感测部12的内侧倾斜延伸以增加环形连接臂20于此处的径向宽度从而增加其机械强度。

经过仿真测试及数据分析得知，本发明外槽16末端向内延伸以及内槽18向内凹陷等设计形式，相比外槽末端向外延伸，在同样的膜片尺寸下可增大膜片感应区的有效感应面积，因而增大膜片与背极板之间的电容值，提升膜片的升学感测性能。

如图1所示，每一外槽16包括一个第一圆弧段16a，第一圆弧段16a与第一弯折部22之间圆滑过渡连接。每一内槽18由一个内凹段18b、分别连接在该内凹段18b两端的两个第二圆弧段18a构成，内凹段18b与第二圆弧段18a之间圆滑过渡连接，第二圆弧段18a与第二弯折部24之间圆滑过渡连接。

如图2所示，每一外槽16包括一个第一圆弧段16a，第一圆弧段16a与第一弯折部22之间圆滑过渡连接。每一内槽18由一个内凹段18b、分别连接在该内凹段18b两端的两个第二圆弧段18a和分别连接在两个第二圆弧段18a端部的两个倾斜段18c构成，内凹段18b与第二圆弧段18a之间圆滑过渡连接，倾斜段18c与第二弯折部24之间圆滑过渡连接。

如图4和6所示，每一外槽16包括一个第一圆弧段16a，第一圆弧段16a与第一弯折部22之间圆滑过渡连接，第一弯折部22的两个直线段之间圆滑过渡连接。每一内槽18由一个内凹段18b、分别连接在该内凹段18b两端的两个第二圆弧段18a和分别连接在两个第二圆弧段18a端部的两个倾斜段18c构成，内凹段18b与第二圆弧段18a之间圆滑过渡连接，倾斜段18c与第二弯折部24之间圆滑过渡连接。

相邻两外槽16之间形成第一连接臂26，相邻两内槽18之间形成第二连接臂28，在所示的实施例中，每一第一连接臂26的结构和形状相同，周向宽度也相同；每一第二连接臂28的结构和形状相同，周向宽度也相同。第一连接臂26从环形连接臂20的外边缘往外延伸，第二连接臂28从环形连接臂20的内边缘往内延伸，且第一连接臂26与第二连接臂28在环形连接臂20的周向上相互错开。

如前所述，若干外槽16与若干内槽18互相之间为对称设计，例如，若干外槽16和若干内槽18同时关于感测部12的至少一直径方向对称。具体而言，本实施例中，每一第一连接臂26对应于相应内槽18的内凹段18b的位置，每一第二连接臂28对应于相应外槽16的第一圆弧段16a的中心位置，每一内凹段18b均设置在对应内槽18的中心位置，也即每一内槽18的两个第二圆弧段18a的形状和结构相同，周向宽度也相同，每一第一弯折部22与对应内凹段18b侧壁之间的间隔距离相同。在设计e-3中，倾斜段18c连接第二弯折部24的一端朝向感测部12的内侧倾斜，且各内槽18的倾斜段18c倾斜的方向和角度均相同，因此，第二连接臂28朝向感测部12的内侧方向偏离对应外槽16的中心位置，且偏离距离相同。

结合图1、图2和图4来看，设计e-1的膜片、设计e-2的膜片和设计e-3的膜片的内槽数量和外槽数量皆为偶数，膜片均关于相对的两第二连接臂28之间的连线所在的直径方向对称，并同时关于相对的两第一连接臂26或两相对的内凹段18b之间的连线所在的直径方向对称。在其他实施例中，内槽数量和外槽数量也可以为奇数，膜片也可以对称或不对称。

在设计e-1中，环形连接臂20具有均匀的径向宽度，内凹段18b与第二圆弧段18a连接部位的圆弧角曲率较小；在设计e-2和e-3中，环形连接臂20与第二连接臂28相邻的部位的径向宽度大于环形连接臂20其他部位的径向宽度，例如通过将内槽18末端的部位朝向内侧倾斜形成倾斜段18c和/或将外槽16的对应部位朝向外侧拱起实现，内凹段18b与第二圆弧段18a连接部位的圆弧角曲率较大。

根据mems膜片10具体的设计需求及实际使用情况，第一连接臂26的周向宽度可以设置为大于，等于或小于第二连接臂28的周向宽度。本实施例中，第一连接臂26的周向宽度大于第二连接臂28的周向宽度。

因此，外围部14通过第一连接臂26、环形连接臂20及第二连接臂28与感测部12连接成整体。

当mems膜片10受到外部压力作用时，感测部12朝向受力方向沿垂直膜片的方向相对外围部14呈平面状运动。从另一角度来说，感测部12的外边缘与外围部14的内边缘之间所形成的间隙基本是均匀的，如图3和5所示。此时第二连接臂28随同感测部12一起做垂直运动，环形连接臂20翘曲连接在第一连接臂26与第二连接臂28之间。

使用过程中，mems膜片通过固支点固定至mems麦克风等应用场景，上述实施例的mems膜片，环形连接臂20和第二连接臂28带动感测部12位移，而环形连接臂20和第二连接臂28位于远离固支点处，不受固支点位置因半导体工艺变异而影响，因此感测部12的运动对固支点位置变化不敏感，从而提高mems膜片感测的稳定性和可靠性。

综上所述，本发明提供一种mems膜片，该膜片在感测部与外围部之间设置若干外槽和若干内槽，外槽的末端朝向内侧延伸，内槽的末端朝向内侧延伸。外槽与内槽之间形成环形连接臂，相邻两外槽之间形成第一连接臂，相邻两内槽之间形成第二连接臂。若干外槽呈环形排布在外围部的内边缘，若干内槽呈环形排布在感测部的外边缘，且每一内槽对应相邻两外槽末端的部位向内凹陷，如此设计可增大膜片感测部的有效面积，增大电容值，具有更好的声学传感性能。

在一些实施例中，所述外槽的数量小于等于6个，当mems膜片受到外部压力如声压作用时，感测部可相对外围部做活塞式运动即运动过程中感测部基本呈平面状，从而提高运动过程中形成于膜片与背极板之间的电容的变化率，从而提升mems传感器芯片的灵敏度。

当mems膜片受到较大压强时感测部呈平面状沿垂直膜片的方向相对外围部运动，此时外槽与内槽及连接臂形成压力释放路径，可将外界机械力量释放，膜片不与外界机械力量抵抗，因而提高了mems膜片及mems传感器芯片的机械可靠度。第一连接臂和第二连接臂在周向上错开以及外槽末端和内槽末端的圆弧型设计可减小应力集中，呈弯曲状延伸的外槽末端和内槽末端使得感测部的机械灵敏度提高，增加了膜片的可靠性。

本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。