包括可变形结构的MEMS设备以及MEMS设备的制造方法与流程

本公开涉及一种包括可变形结构的mems设备以及mems设备的制造方法。

背景技术：

1、众所周知，压电材料使得能够从电能转换为机械能，或从机械能转换为电能。

2、具体地，已知mems(微机电系统)设备具有一个或多个具有压电层(例如，薄膜类型)的可变形结构(例如，悬置在腔之上的结构，诸如悬臂)，并且其作为致动器、传感器或能量收集器来操作。

3、事实上，当mems设备充当传感器或能量收集器时，这些可变形结构由于作用在它们上的外力而以弹性方式发生机械变形，并且这导致压电层的相应弹性机械变形，其通过正向压电效应而被偏置，从而在它们之间生成电势差，这是测量(传感器应用)或驱动电负载(能量收集应用)所需的。相反，当mems设备充当致动器时，压电层被电偏置(例如，通过在它们的两边施加电势差)，使得通过反向压电效应，它们将以弹性方式发生机械变形，从而生成可变形结构的相应弹性机械变形，这导致后者对外部环境施加致动力。

4、已知mems设备中包括的已知类型的可变形结构的一个示例在图1中被表示在由相互正交的轴x、轴y和轴z定义的三轴笛卡尔系中，由附图标记10来标示。详细地，图1示出了可变形结构10处于静止状态，即，在没有提供电偏置或施加外力的情况。

5、具体地，可变形结构10(例如，悬臂)在主延伸方向上具有其主延伸部(通过平行于图1中的轴x的示例来表示)，并且具有在主延伸方向上彼此相对的第一端10’和第二端10”。例如，可变形结构10可以经由第一端10’而被固定(因此被约束)到mems设备(未示出)的锚固结构(或固定结构)，并且可以经由第二端10”耦合到mems设备的震动质量块，其未被示出并且被配置为在与主延伸方向正交并且此处作为示例考虑通过平行于轴z的振荡方向上振荡。

6、可变形结构10包括主体12(由诸如硅的半导体材料制成)，其具有在振荡方向(即，沿轴z)上彼此相对的第一表面12a和第二表面12b，以及压电结构14，其在第一表面上延伸12a。具体而言，主体12是满的；即，它不具有掩埋腔。第二表面12b形成可变形结构10的底表面10b，而压电结构14限定可变形结构10的顶表面10a。

7、更详细地，并且以未示出的方式，压电结构14可以包括导电材料(例如，诸如银或金的金属)的第一电极和第二电极以及压电材料(例如，pzt)的压电层，压电层沿轴z布置在第一电极和第二电极之间。例如，第一电极在压电层和主体12之间的第一表面12a上延伸，而第二电极相对于第一电极在压电层的另一侧上延伸。

8、可变形结构10具有中性平面16，该中性平面16是弯曲负载沿轴z产生的法向应力为零的点的轨迹。详细地，中性平面16与可变形结构10的中平面基本重合，平行于xy平面。换言之，鉴于通常压电结构14沿轴z的厚度远小于(例如，小约5％)主体12沿轴z的厚度，并且压电结构14的弹性性质与主体的12的弹性性质没有太大区别，中性平面16与可变形结构10的顶表面10a和底表面10b的距离基本相等。

9、包括可变形结构10的mems设备因此既可用作传感器或能量收集器(通过在第一和第二电极之间获取压电层中由平行于轴z的方向作用的外力引起的电势差，该外力导致可变形结构10沿轴z偏转)两者，也可以用作致动器(通过将压电层偏置，以引起其变形并因此使得可变形结构10沿轴z偏转)。

10、图2相比之下示出了在变形状态下，即，在存在提供电偏置或施加外力的情况下的可变形结构10。在图2中，可变形结构10处于与图1中的可变形结构10的静止位置不同的变形位置。在图2所示的示例中，其中第一端10’被约束到锚固结构，而第二端10”可以自由振荡(例如，由于与其耦合的震动质量块的振荡移动而振荡，从而形成悬臂的尖端)，第一端10’处于与静止状态相同的位置，而第二端10”处于与静止状态的位置不同的位置，并且特别是沿轴z呈现位移(或机械偏转)z’。换言之，可变形结构10沿轴z偏转(即，它具有沿轴z的弯矩)，以引起第二端10”沿轴z的位移z’，并由此引起可变形结构10绕轴y的旋转，该旋转在图2中经由旋转角度θ来标识。详细地，在静止状态下，端10’和10”沿轴z相互对准，而在变形条件下，端10’和10”沿轴z相互未对准(即，它们沿轴z的高度彼此不同)，并且沿轴z按变形距离(或，更简单地，变形)彼此分开布置，变形距离等于位移z’；此外，旋转角度θ例如被限定在与轴x平行的轴和可变形结构10的第二端10”切向的之间。

11、众所周知，该mems设备在能量转换中的有效性，无论是作为致动器(从电能到机械能)还是作为传感器或能量收集器(从机械能到电能)，均经由机电耦合因子(或系数、参数)emcfψ来表示。具体地，当mems设备作为致动器操作时，适用数学关系z’∝ψ·δv(其中δv是跨压电层提供的电势差，ψ是emcf，并且z’是反向压电效应生成的位移)，并且当mems设备作为传感器或能量收集器操作时，适用数学关系q∝ψ·z’(其中z’是沿轴z作用的外力引起的位移，ψ是emcf，并且q是正向压电效应生成的电荷)。因此，当mems设备作为致动器操作时，位移z’与emcfψ成比例，并且当mems设备作为传感器操作时，由mems设备生成的检测电流与emcfψ成比例，并且当mems设备作为能量收集器操作时，由mems设备生成的电力与由mems设备生成的负载电流的平方成比例(其中负载电流与emcfψ成比例)，并且因此与emcfψ的平方成比例。

12、因此，如何增加emcfψ来实现优化mems设备的操作是显而易见的。然而，已知增加emcfψ会如何带来一系列困难。

13、事实上，以下数学关系适用：

14、其中

15、其中ezx是可变形结构10的横向有效压电常数，hpiezo-neutrax是压电结构14与中性平面16之间的距离(例如，测量中性平面16和第二电极的表面之间，该表面沿轴z与压电层相对于第二电极相对)，lbeam是可变形结构10沿轴x的最大长度，dθ/dz是由位移z’引起的第二端10”绕轴y的旋转，并且acap是由压电结构14形成的电容器的面积(在与由轴x和y限定的平面xy平行的方向上测量)。

16、为了增加emcf，可以增加以下参数：

17、ezx，通过标识用于产生可变形结构10的新材料；

18、τ，其取决于可变形结构10的弯曲方式并且可以被优化，但总是意味着与可变形结构10的其它重要参数(例如，acap，可变形结构10的振荡频率，mems设备的满量程频段)的优化的权衡；

19、acap，通过增加专用于压电结构14的面积，即使可能需要对应增加mems设备的尺寸并引起可变形结构10的重要参数(例如，可变形结构10的振荡频率、mems设备的满量程频带(full-scale band))的变化；以及

20、hpiezo-neutrax；然而，随着主体12(固体材料，诸如硅)的厚度沿轴z增加，mems设备的刚度增加并且因此谐振频率也增加，导致mems设备的操作有效性降低。

21、通常，能够改进emcfψ的已知解决方案是利用对材料的修改或可变形结构10的设计的优化。例如，这包括开发新的高性能压电材料(例如，使用钪掺杂aln或使用铌或锰掺杂pzt)或以其他方式改进设计(例如，向第二端10”逐渐变细的可变形结构10的形状)来提高mems设备的灵敏度。然而，新材料的使用需要研究和开发的大量努力(在经济方面和时间方面两者)，并且根据mems设备的有效应用，设计的优化可能会产生不同的效果，这意味着需要在mems设备的重要参数或性质上达成妥协(例如，在灵敏度和强度之间以及满量程频带和最大变形之间)。

技术实现思路

1、本公开的至少一个实施例提供了一种将克服现有技术的缺点的mems设备和mems设备的制造方法。

2、根据本公开，提供了一种如所附权利要求中所限定的mems设备和mems设备的制造方法。

3、在至少一个实施例中，mems设备包括：半导体主体，限定主腔，并且形成锚固结构；以及第一可变形结构，具有沿第一轴的主延伸方向，并且沿第一轴彼此相对的第一端和第二端。第一可变形结构经由第一端被固定到锚固结构，以被悬置在主腔之上。第二端被配置为相对于锚固结构在与第二轴平行的振荡方向振荡，第二轴与第一轴正交。第一可变形结构包括主体和压电结构，主体具有第一外表面和沿第二轴与第一外表面相对的第二外表面，压电结构在主体的第一外表面之上延伸。主体包括底部部分和顶部部分，底部部分和顶部部分被耦合在一起，并且沿第二轴界定主体的第一掩埋腔，第一掩埋腔沿第二轴与压电结构对准。主体的顶部部分限定主体的第一外表面，并且主体的底部部分限定主体的第二外表面。主体的顶部部分沿第二轴的最大厚度小于主体的底部部分沿第二轴的最小厚度。

4、在至少一个实施例中，一种制造方法形成mems设备。mems设备包括半导体主体，半导体主体限定主腔，并且形成锚固结构。mems设备包括第一可变形结构，其具有沿第一轴的主延伸方向，并且具有沿第一轴彼此相对的第一端和第二端。第一可变形结构经由第一端被固定到锚固结构，以被悬置在主腔之上。第二端被配置为相对于锚固结构在与第一轴正交的第二轴平行的振荡方向上振荡。制造方法包括以下步骤：在半导体材料的衬底的第一表面上形成第一可变形结构的主体，主体包括半导体材料，并且具有沿第二轴彼此相对的第一外表面和第二外表面。半导体主体包括衬底。过程包括以下步骤：在主体中形成第一掩埋腔，第一掩埋腔由主体的耦合在一起的底部部分和主体的顶部部分沿第二轴界定。主体的顶部部分限定主体的第一外表面。主体的底部部分限定主体的第二外表面。主体的顶部部分沿第二轴的最大厚度小于主体的底部部分沿第二轴的最小厚度。过程包括以下步骤：在第一外表面上形成第一可变形结构的压电结构。压电结构沿第二轴与第一掩埋腔对准。过程包括以下步骤：从衬底的第二表面开始，在衬底中形成主腔，以限定锚固结构，并且使得第一可变形结构经由第一端被固定到锚固结构并且被悬置在主腔之上，衬底的第二表面沿第二轴与衬底的第一表面相对。