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膜片及包含mems膜片的mems传感器芯片。

背景技术：

微机电传感器广泛应用于各种声学接收器或者力的传感器上，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，本发明提出一种可降低应力值的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。

一方面，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，相邻两所述外槽之间形成第一连接臂，所述若干内槽呈环形排布在所述感测部的外边缘，相邻两所述内槽之间形成第二连接臂，所述第一连接臂和第二连接臂至少其中之一设有加强筋结构。

在一些实施方式中，所述加强筋结构凸出设置于所述第一连接臂和/或第二连接臂的外表面。

在一些实施方式中，所述加强筋结构呈箭头状或鱼骨状。

在一些实施方式中，呈箭头状或鱼骨状的所述加强筋结构包括头部，所述头部指向所述膜片的外侧或者内侧。

在一些实施方式中，设于第二连接臂处的加强筋结构的头部延伸至所述感测部内。

在一些实施方式中，所述加强筋结构包括主筋和连接于所述主筋两侧的侧筋，所述侧筋与所述主筋之间呈夹角，所述夹角大于0度小于等于90度。

在一些实施方式中，所述呈鱼骨状的加强筋结构的侧筋中，连接于所述主筋一端部的侧筋为主侧筋，其余侧筋称为辅助侧筋，主侧筋的臂长大于辅助侧筋的臂长；或者

主侧筋与相邻辅助侧筋之间的间距小于相邻辅助侧筋之间的间距。

在一些实施例方式中，所述加强筋结构的末端为圆弧状。

在一些实施方式中，所述外槽的末端朝向所述膜片的外侧或内侧延伸形成第一弯折部，所述内槽的末端朝向所述膜片的内侧延伸形成第二弯折部。

在一些实施方式中，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，所述第一弯折部朝向相应内凹段延伸。

在一些实施方式中，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。

在一些实施方式中，所述若干外槽与所述若干内槽之间形成环形连接臂，所述环形连接臂通过所述第一连接臂连接至所述外围部，通过所述第二连接臂连接至所述感测部，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。

在一些实施方式中，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。

另一方面，本发明还提供一种mems传感器芯片，包括如上所述的mems膜片。

本发明实施例提供的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。在第一连接臂和/或第二连接臂处设置加强筋结构，可加强连接臂处抵抗外部机械力量、机械冲击等等外力，如气压力、声压等压力，有效减小膜片的应力值。

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。当mems膜片受到较大压力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。

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。

附图说明

图1为本发明的mems膜片在一实施例中的结构示意图。

图2为本发明的mems膜片在另一实施例中的结构示意图。

图3为本发明的mems膜片在再一实施例中的结构示意图。

图3a为图3的方框部分的放大示意图。

图4为本发明的mems膜片在又一实施例中的结构示意图。

图5为本发明的mems膜片在另再一实施例中的结构示意图。

图6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，优选地位于mems膜片10的中央位置，外围部14位于mems膜片10的外侧并围绕在感测部12的外围。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，并通过固支点与周边组件如mems传感器芯片的基座固定连接。

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(外围部14的外边缘图未示)，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将外围部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。

环形连接臂20可具有均匀的径向宽度，也可以具有变化的径向宽度。在如图1-5所示的实施例中，环形连接臂20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，内槽18于靠近其端部处向内倾斜而形成倾斜段，也即内槽18除了圆弧段之外还包括倾斜段，环形连接臂20在对应倾斜段处的径向宽度大于对应圆弧段处的径向宽度。

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。

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。图1所示的实施例中，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，膜片受外力如声压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的数量小于六个，例如可为五个、四个、三个或两个，内槽18的数量小于六个，例如可为五个、四个、三个或两个。本申请所称的活塞式运动是指运动过程中，感测部12能基本保持平面状，更进一步地，运动过程中，感测部12外边缘及靠近外边缘的区域的运动幅度与感测部12中心区域的运动幅度的差值与感测部12中心区域的运动幅度之比小于30％。

在如图1-5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。

若干外槽16的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。若干内槽18的末端设有第二弯折部24，第二弯折部24朝向膜片的内侧延伸。第一弯折部22和第二弯折部24的设置可利于膜片10残余应力的释放，从而降低膜片的残余应力。

应当理解的是，上述第一弯折部22及第二弯折部24的延伸方向仅为本发明的一种实施方式，但本发明不对此限定，在其他实施例中，第一弯折部和第二弯折部也可以有其他延伸方向设计，例如第一弯折部22朝向外侧延伸，第二弯折部24朝向外侧延伸。

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中心部位的方向，上述朝向内侧即为指向中心部位的方向。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。

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6，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。为了进一步降低应力集中，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1-5所示的实施例中，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。

每一内槽18对应相邻两外槽16末端的部位向内凹陷。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所围成的区域30内。应当理解的是，内凹段18b所形成的区域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。

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。

如图1-5所示，相邻两外槽末端16之间形成第一连接臂26，相邻两内槽末端18之间形成第二连接臂28。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。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连接至感测部12。

第一连接臂26和第二连接臂28至少其中之一处设有加强筋结构，所述加强筋结构可用来抵抗外部压力从而降低外部压力最终在膜片上产生的应力。mems膜片10具有相反的正面和背面11，本发明如图1-5所示的实施例中，所述加强筋结构均设置在mems膜片10的背面11上。当然，在其他的实施例中，所述加强筋结构均也可以设置在mems膜片10的正面上。

加强筋结构可以仅设置在第一连接臂26处，例如设置在所有第一连接臂26处，或者设置在部分第一连接臂26处；也可以仅设置在第二连接臂28处，例如设置在所有第二连接臂28处，或者设置在部分第二连接臂28处；或者同时设置在第一连接臂26和第二连接臂28处，例如设置在所有第一连接臂26和第二连接臂28处，或者设置在部分第一连接臂26处，所有第二连接臂28处，或者设置在所有第一连接臂26处，部分第二连接臂28处。

在一些实施例方式中，加强筋结构设置为箭头状或鱼骨状。更具体地，当加强筋结构呈箭头状时，加强筋结构31包括第一筋杆32和连接于第一筋杆32一端部两侧的侧筋，第一筋杆32位于两侧筋34内侧。两侧筋34呈v型结构，构成箭头状加强筋结构的头部，并关于第一筋杆32对称。

当加强筋结构呈鱼骨状时，加强筋结构36包括主筋38和位于主筋38两侧的若干侧筋，若干侧筋相对筋杆38倾斜，更具体而言，若干侧筋分别与主筋38之间呈夹角，所述夹角大于0度小于等于90度。优选地侧筋的倾斜方向相同即同侧的侧筋相互平行。连接于主筋38一端部的侧筋40a称为主侧筋，构成鱼骨状加强筋结构的头部，其余侧筋40b称为辅助侧筋40b，主侧筋40a的臂长大于辅助侧筋40b的臂长。在所示的实施例中，鱼骨状加强筋结构36设置三个辅助侧筋40b，其中一辅助侧筋40b靠近主侧筋40a设置，三个辅助侧筋40b之间间隔距离相同，且大于辅助侧筋40b与主侧筋40a之间的间距。

在如图1所示的实施例中，在所有第二连接臂28的外表面凸出设置箭头状加强筋结构31，且箭头指向膜片的内侧。

在如图2所示的实施例中，在所有第二连接臂28的外表面凸出设置鱼骨状加强筋结构36，且头部指向膜片的内侧，在一些实施例中，构成鱼骨状加强筋结构36头部的主侧筋40a位于第二连接臂28内侧并延伸至感测部12。

应当指出的是，上述设加强筋结构36的外表面优选为mems膜片的背面11。可以理解地，上述设加强筋结构36的外表面也可以为mems膜片的正面。

在一些实施例中，mems膜片的背面11为朝向背极板的面，在另一些实施例中，mems膜片的背面11为背离背极板的面。

在如图3所示的实施例中，在所有第一连接臂26处设置箭头状加强筋结构31，且箭头指向膜片的外侧；在所有第二连接臂28处设置鱼骨状加强筋结构36，且头部指向膜片的内侧，构成鱼骨状加强筋结构36头部的主侧筋40a位于第二连接臂28内侧并延伸至感测部12。

在如图4所示的实施例中，在所有第一连接臂26处设置鱼骨状加强筋结构36，且鱼骨头部指向膜片的外侧；在所有第二连接臂28处设置鱼骨状加强筋结构36，且鱼骨头部指向膜片的内侧。

在如图5所示的实施例中，在所有第一连接臂26处设置鱼骨状加强筋结构36，且鱼骨头部指向膜片的内侧；在所有第二连接臂28处设置鱼骨状加强筋结构36，且鱼骨头部指向膜片的内侧。

通过仿真分析发现，加强筋结构36的设置对于膜片的机械灵敏度并没有实质降低，而对于膜片的应力可大大降低。对两个同样大小同样材质基本相同的结构但一个具有本申请的加强筋结构的膜片而另一个未设加强筋结构的膜片进行仿真分析发现，具有本申请的加强筋结构的膜片的应力相对未设加强筋结构的膜片的应力可降低接近3％，而机械灵敏度降低不到1％。

应当指出的是，上述将加强筋结构设置在第一连接臂26和/或第二连接臂28处可以包含多种情况，例如，加强筋结构完全设置在连接臂内，或者加强筋结构一部分在连接臂内，另一部分伸出连接臂外。

在如图1-5所示的实施例中，每一第一连接臂26位于对应于相应内槽18的内凹段18b的位置，每一第二连接臂28位于对应于相应外槽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。因此，若干外槽16、若干内槽18以及加强筋结构整体为对称设计，例如，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。在所示的实施例中，膜片整体例如关于相对的两第一连接臂26或相对的两第二连接臂28之间的连线所在的直径方向对称。

在如图1-5所示的实施例中，侧筋皆为直线状。可以理解地，在其他实施方式中，侧筋也可以为弯曲状。

在另一些实施例中，若干外槽16、若干内槽18以及加强筋结构也可以设置为非对称设计。

可以理解地，在其他实施例中，加强筋结构也可以设计为其他形状，只要其能抵抗外部压力/冲击从而降低膜片应力即可。

在如图1-5所示的实施例中,外槽16末端的第一弯折部22和内槽18末端的第二弯折部24皆向内延伸；在其他的实施例中，外槽16末端的第一弯折部22和内槽18末端的第二弯折部24也可以向外延伸。

在所示的实施例中，加强筋结构的末端为圆弧状设计，也即主筋和侧筋的末端均为圆弧状末端，可降低应力集中。

本发明实施例的mems膜片10，外槽数量较少也即位于外槽之间的第一连接臂26的数量较少，从而膜片的外围部14对于感测部12的约束就较少。当mems膜片10受到外部压力时，感测部12朝向受力方向沿垂直膜片的方向相对外围部14呈活塞式运动，进而提高膜片与背极板之间的电容变化率，提升灵敏度。在一些实施例中，运动过程中，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均匀，也即膜片未发生倾斜。第二连接臂28随同感测部12一起运动，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。

当mems膜片10受到外部压力时，环形连接臂20和第二连接臂28带动感测部12运动，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。

加强筋结构的设置，可加强连接臂处抵抗外部机械力量、机械冲击等等外力，如气压力、声压等压力，有效减小膜片的应力值。加强筋可设置在mems膜片的背面或正面上，加强筋的形状可以设计为箭头状、鱼骨状或二者组合。

在一些实施例中，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，增大膜片与背极板之间电容值，可进一步提升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，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。