具有应力解耦结构的MEMS器件的制作方法

本公开的实施例涉及用于热膜负载(thermal membrane load)的mems(微机电系统)器件，诸如具有应力解耦结构(例如，弹簧结构)的mems器件。特别地，实施例涉及一种用于将热致压缩应力转换为弹簧结构的局部弹簧位移的装置。

背景技术：

1、膜结构用于很多设备中，例如，这些设备需要测量可偏转结构(例如，压力传感器)或可偏转结构的主动偏转(例如，用于引导反射镜的可移动反射镜支架)。这种设备的操作可能导致或需要热生成(例如，用于生成红外光或通过用激光照明)。具有红外源的气体传感器通常使用黑体(或灰体)辐射器作为红外光的发射器，其中黑体的温度约为几百摄氏度。

2、去除热量可能是具有挑战性的，特别是在mems器件中，mems器件通常不使用风扇器件，并且甚至可能是密封的。过多的热量会导致热膨胀和热应力，如果应力由于热载荷(thermal loading)而变得压缩，则会导致屈曲或膨胀模式，这可能会阻碍设备的运行，并且甚至损坏设备。此外，热应力可能导致结构位移到膜结构与mems器件的其他结构(诸如背板或壳体)接触的程度。这种接触可能会对任一结构造成损坏，并且导致从膜结构到接触的另一结构的不受控制的热流。由于热流不受控制，膜结构可能表现出过度冷却和/或高度不对称的热分布。换言之，屈曲或膨胀模式可以大于膜结构本身的厚度，这通常是不期望的，并且因此可能导致与诸如电极等其他组件接触。在大顺应性(compliance)的情况下，由于传导和/或断裂，这可能导致局部冷却。这可能会影响需要明确定义的温度分布的mems器件(例如，红外光发射器)的操作。

3、解决热应力的一种方法是增加膜结构的刚度(stiffness)，以减轻热机械屈曲，诸如具有波纹的膜结构以及使用具有更高刚度的拉伸材料。然而，波纹通常构成添加性结构，其中添加有结构和材料以降低被加热的膜结构的顺应性。添加的热质量可能导致不想要的效果，诸如较低的调制速度。此外，波纹需要更高的工艺复杂性。

4、另一种方法是在膜结构(例如，红外发射器)中形成用于通风或热隔离的穿孔(perforation)。然而，高拉伸膜结构中的穿孔可以充当断裂发起位点，并且影响mems器件的寿命。

5、因此，在mems器件领域存在对具有更好寿命的膜结构的需求。

6、这种需求可以通过根据独立权利要求的mems器件来解决。

7、此外，从属权利要求中定义了mems器件的具体实现方式。

技术实现思路

1、根据一个实施例，提供了一种mems器件。该mems器件包括具有内膜区段(section)和外膜区段的悬置膜结构，其中外膜区段围绕内膜区段。该mems器件还包括在外膜区域中的可弹性形变的弹簧结构，其中弹簧结构被布置为将悬置膜结构中的热致压缩应力转换为(局部)弹簧位移。

2、因此，根据一个实施例，弹簧结构被配置为将影响悬置膜结构(并且因此影响内膜区段和外膜区段)的热致压缩应力转换为位移(并且因此转换为外膜区段)。结果，减小了内膜区段中的热致压缩应力。因此，降低了内膜区段的不期望的屈曲和断裂的风险。此外，由于热致压缩应力被转换为弹簧结构而不是膜结构的其他组件的形变，弹簧结构接触mems器件的其他部件(例如，mems器件的壳体)的机会增加。结果，直接来自内膜区段的直接散热减少，导致内膜区段的温度分布更加均匀。此外，散热是更可预测和可控制的，因为散热是经由弹簧结构发生的。mems器件对机械应力是稳健的，并且具有改进的寿命。mems器件可以在不需要附加掩模或工艺的情况下被制造。

3、根据一个实施例，提供了一种mems器件。该mems器件包括具有内膜区段和外膜区段的悬置膜结构，其中外膜区段围绕内膜区段。mems器件还包括在内膜区段与外膜区段之间的带状中间区域，其中中间区域通过一个或多个连接结构热和机械连接到散热器，该一个或多个连接结构机械和热耦合在中间区域结构与散热器之间。

4、因此，根据一个实施例，连接结构允许可以在膜中积聚的多余热量被转移到散热器。结果，可以减少热致应力和由此引起的损坏。由于连接结构耦合到中间区域而不是内膜区段和外膜区段，所以内膜区段和内膜区段的偏转不会被连接结构显著抑制。然而，内膜区段和外膜区段受益于由连接结构引起的热应力的减小。因此，内膜区段和外膜区段非常适合膜应用，同时具有降低的热应力。mems器件对机械应力是稳健的，并且具有改进的寿命。

5、从属权利要求中描述了另外的实施例。

技术特征：

1.一种mems器件(100)，包括：

2.根据权利要求1所述的mems器件(100)，其中所述弹簧结构(116)的至少侧表面积小于所述膜结构(110)的侧表面积的40％。

3.根据权利要求1或2所述的mems器件(100)，其中所述弹簧结构(116)所具有的机械刚度小于或等于所述剩余膜结构(110)的机械刚度的一半。

4.根据权利要求2或3所述的mems器件(100)，其中所述弹簧结构(116)形成在所述膜结构(110)的所述外膜区段(114)中的、局部受限的位移区域。

5.根据前述权利要求中任一项所述的mems器件(100)，其中所述弹簧结构(116)包括在所述外膜区段(114)中的沟槽结构、狭缝结构和排列孔结构中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的mems器件(100)，其中所述沟槽结构包括交叠沟槽或曲折形沟槽。

7.根据前述权利要求中任一项所述的mems器件(100)，其中所述膜结构(110)包括在所述内膜区段(112)中的穿孔结构，所述穿孔结构用于提供所述内膜区段(112)的比所述外膜区段(114)高的机械刚度并且用于将所述外膜区段(114)形成为所述弹簧结构(116)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的mems器件(100)，其中所述弹簧结构(116)包括由两个相邻并且横向间隔开的沟槽或狭缝(117a、117b)形成的至少一个弹簧元件(119)。

9.根据权利要求8所述的mems器件(100)，其中所述弹簧元件(119)在所述外膜区段(114)中被形成为条带或板簧，所述条带或板簧部分地围绕所述内膜区段(112)。

10.根据权利要求8或9所述的mems器件(100)，其中所述弹簧元件(119)在所述外膜区段(114)中平行于所述膜结构(110)的周向线或沿着膜偏转的轮廓线延伸。

11.根据前述权利要求中任一项所述的mems器件(100)，其中所述弹簧结构(116)包括分别由两个相邻并且横向间隔开的沟槽或狭缝(117)形成的多个弹簧元件(119)。

12.根据权利要求11所述的mems器件(100)，其中所述弹簧元件(119)被形成为平行的条带或板簧，并且部分地围绕所述内膜区段(112)。

13.根据权利要求11或12所述的mems器件(100)，其中所述弹簧元件(119)的宽度(w1，w2)被选择为提供所述弹簧单元的相等刚度、相等电阻和相等距离中的至少一种。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的mems器件(100)，其中所述弹簧元件(119)以图案分布在所述外膜区段(114)中，并且平行于所述膜结构(110)的周向线或沿着膜偏转的轮廓线延伸。

15.根据前述权利要求中任一项所述的mems器件(100)，其中所述悬置膜结构(110)被边缘夹持到支撑结构(150)或基板，并且横跨所述支撑结构(150)或基板中的至少腔(152)。

16.根据前述权利要求中任一项所述的mems器件(100)，其中所述悬置膜结构(110)包括被布置为通过电压的施加来加热的集成电阻器。

17.一种mems器件，包括：

18.根据权利要求17所述的mems器件，其中所述带状中间区域的侧表面积小于所述剩余膜结构的侧表面积的40％。

19.根据权利要求17或18所述的mems器件，其中所述带状中间区域通过两个相邻并且横向间隔开的分段结构与所述剩余膜结构横向分开，其中每个分段结构包括沟槽、交叠沟槽、曲折形沟槽、排列孔结构或其组合。

20.根据权利要求17至19中任一项所述的mems器件，其中所述带状中间区域在所述膜结构的所述内膜区域与所述外膜区域之间形成局部受限的散热器区域。

技术总结本公开涉及具有应力解耦结构的MEMS器件。提出了一种MEMS器件(100)，该MEMS器件(100)包括具有内膜区段(112)和外膜区段(114)的悬置膜结构(110)。外膜区段(114)围绕内膜区段(112)。膜结构(110)包括在外膜区段(114)中的可弹性形变的弹簧结构(116)，其中弹簧结构(116)被布置为将悬置膜结构(110)中的热致压缩应力转换为弹簧位移。技术研发人员：M·加德里,D·图姆波德受保护的技术使用者：英飞凌科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/20