一种可调节通风窗口的MEMS结构、其制作方法及气体传感器与流程

本技术涉及微机械，特别涉及一种可调节通风窗口的mems结构、其制作方法及气体传感器。

背景技术：

1、微机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)是采用微电子技术和微机械加工技术，在半导体材料基础上制作的微型传感器或微型执行器。随着气体传感器的发展，越来越多的气体传感器被用在智能家居、汽车电子、工业制造、环境监测等领域中。在气体传感器中，光声腔的工作状况直接影响到探测的精度，如何提升探测精度来保证光声腔能正常工作且有较长的工作寿命就成为了亟待解决的问题。通过在光声腔上增加一个可调节的通风开口，在测量时关闭通风开口，可有效减少外界噪音对内部麦克风的影响。

2、现有的方案中，可调节的通风开口是通过膜层之间静电吸附的方式来调节通风开口的开闭，但是在静电吸附的过程中会出现如膜层碰撞损伤、膜层吸附后无法分离等问题，造成器件损坏或导致探测精度大幅降低，严重影响传感器的正常运行，缩短了使用寿命。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提出一种可调节通风窗口的mems结构、其制作方法及气体传感器，利用静电力驱动来调节通风窗口，实现膜层无接触工作，可有效解决现有静电吸合制动导致膜层接触而产生膜层接触位置损伤，减少工作寿命，以及膜层之间发生黏附，使得器件失效等问题。

2、一方面，本技术提供一种可调节通风窗口的mems结构，包括：衬底，开设有贯穿所述衬底的厚度方向的背腔；固定膜，固定设置于所述衬底，且对应所述背腔的位置开设有第一窗口；移动膜，相对沿所述固定膜可平移地设置，且对应所述第一窗口开设有第二窗口，所述移动膜在所述平移方向的至少一侧固设有被动电极；至少一驱动电极，固定连接于所述衬底的正面，并可与所述被动电极之间产生沿所述平移方向的静电力，以驱使所述移动膜相对所述固定膜平移；其中，所述平移方向垂直于所述衬底的厚度方向，所述移动膜在所述第一窗口与所述第二窗口相互错开的位置以及所述第一窗口与所述第二窗口至少部分重合的位置之间平移。

3、在一实施例中，所述固定膜与所述衬底之间在所述厚度方向上具有第一空隙，所述移动膜与所述固定膜之间在所述厚度方向上具有第二空隙。

4、在一实施例中，所述衬底上设有第一电极和第二电极，所述第一电极与所述被动电极电连接，以为所述被动电极输入正电或负电，所述第二电极与所述驱动电极电连接，以为所述驱动电极输入正电或负电。

5、在一实施例中，所述移动膜的相对两侧均设有所述被动电极，所述驱动电极设置两个，分别设于两个所述被动电极的外侧，所述移动膜相对所述固定膜在两个所述驱动电极之间做平移运动。

6、在一实施例中，所述被动电极为第一梳齿，所述驱动电极包括电极主体及连接于所述电极主体一侧的第二梳齿，所述第一梳齿与所述第二梳齿相互交错排布。

7、在一实施例中，所述电极主体包括连接在所述衬底上的第一主体膜层、包覆于所述第一主体膜层外的第二主体膜层及连接于所述第二主体膜层上的第三主体膜层，所述第二梳齿与所述第三主体膜层连接。

8、在一实施例中，所述移动膜和所述固定膜位于对应空隙一侧的表面上最高点与最低点之间的差值小于等于该空隙间距的5％。

9、在一实施例中，所述第二空隙的间距为40nm～300nm。

10、在一实施例中，所述衬底上设有若干固定支点，所述移动膜通过若干悬臂梁分别连接于若干所述固定支点并可活动地悬置于所述固定膜上。

11、在一实施例中，所述固定支点包括连接在所述衬底上的第一膜层、包覆于所述第一膜层外的第二膜层及连接于所述第二膜层上的第三膜层，所述悬臂梁与所述第三膜层连接。

12、在一实施例中，其中一所述固定支点与所述第一电极连接。

13、在一实施例中，所述第一窗口和所述第二窗口均设置多个，且尺寸相同。

14、在一实施例中，所述移动膜和所述固定膜的尺寸相同，所述mems结构的通风窗口具有关闭状态和通风状态，在所述关闭状态时，所述移动膜与所述固定膜重合，所述第一窗口与所述第二窗口相互错开，在所述通风状态时，所述移动膜相对所述固定膜偏移，所述第一窗口与所述第二窗口重合。

15、另一方面，本技术还提供一种气体传感器，包括外壳、电路板及与所述电路板电连接的光发生元件、声感测元件、如上所述的可调节通风窗口的mems结构，所述电路板设于所述外壳，所述外壳内形成有光声腔，所述光发生元件、所述声感测元件和所述mems结构均设于所述光声腔内，所述外壳上设有与所述光声腔连通的气孔，所述mems结构盖设于所述气孔内侧，且所述背腔与所述气孔连通。

16、在一实施例中，所述外壳包括支撑结构和连接于所述支撑结构上的盖结构，所述电路板集成于所述支撑结构上，所述气孔开设于所述盖结构与所述支撑结构相对的侧壁上，所述光发生元件和所述声感测元件分别固定连接于所述支撑结构上，且所述声感测元件和所述mems结构均位于所述气孔的轴向上。

17、在一实施例中，所述声感测元件封装于一管壳中，所述管壳固定至所述支撑结构上并与所述光声腔连通。

18、在一实施例中，所述外壳包括支撑结构和连接于所述支撑结构上的盖结构，所述电路板集成于所述支撑结构上，所述气孔开设于所述盖结构与所述支撑结构相对的侧壁上，所述光发生元件固定连接于所述支撑结构上，所述mems结构封装于筒壳中，所述声感测元件封装于管壳中，所述筒壳固定连接于所述气孔周围的内壁上，所述管壳固定连接于所述筒壳背离所述气孔的一侧并与所述筒壳连通，且所述管壳与所述光声腔连通，所述声感测元件和所述mems结构均位于所述气孔的轴向上。

19、在一实施例中，所述外壳包括支撑结构和连接于所述支撑结构上的盖结构，所述电路板集成于所述支撑结构上，所述气孔开设于所述支撑结构上，所述光发生元件固定连接于所述支撑结构上，所述声感测元件封装于一管壳中，所述管壳固定至所述支撑结构上并与所述光声腔连通。

20、在一实施例中，所述光发生元件包括发热器、滤光片和支撑壁，所述发热器固定连接于所述支撑结构上，所述支撑壁围设于所述发热器外并固定连接于所述支撑结构上，所述滤光片支撑固定在支撑壁上；所述声感测元件为麦克风。

21、另一方面，本技术还提供一种如上所述的可调节通风窗口的mems结构的制作方法，包括以下步骤：

22、s1：在衬底的正面上淀积第一牺牲层，通过刻蚀对所述第一牺牲层进行图形化，从而在所述衬底上形成第一牺牲部、第一膜层、第一主体膜层，其中所述第一牺牲部对应所述mems结构中的第一空隙；

23、s2：在所述第一牺牲层上淀积结构层，通过刻蚀对所述结构层进行图形化，从而在所述第一牺牲部上形成固定膜、在所述第一膜层上形成第二膜层、在所述第一主体膜层上形成第二主体膜层；

24、s3：在所述结构层上淀积第二牺牲层，通过刻蚀对所述第二牺牲层进行图形化，从而在所述固定膜上形成第二牺牲部、在所述第二膜层外侧形成第三牺牲部，其中所述第二牺牲部对应所述mems结构中的第二空隙；

25、s4：在所述第二牺牲层上淀积导电层，通过刻蚀对所述导电层进行图形化，从而在所述第二牺牲部上形成移动膜、被动电极、悬臂梁、引线、在所述第二膜层上形成第三膜层、在所述第二主体膜层上形成第三主体膜层及第二梳齿；

26、s5：在所述导电层上图形化电极形状并制作出第一电极和第二电极；

27、s6：在所述导电层上淀积第三牺牲层；

28、s7：在所述衬底的背面制作背腔；

29、s8：释放上述可动结构，制得所述mems结构。

30、在一实施例中，所述第一牺牲层、所述第二牺牲层和所述第三牺牲层均为氧化硅，所述结构层、所述导电层均为多晶硅。

31、在一实施例中，所述步骤s3包括：对所述第二牺牲层进行抛光处理，以将所述第二牺牲层减薄到目标厚度，并使得所述第二牺牲层表面平整。

32、在一实施例中，所述步骤s7包括：在所述衬底的背面淀积氮化硅并图形化作为硬掩模或者使用耐碱光刻胶对背面做光刻，用四甲基氢氧化铵碱性溶液或氢氧化钾溶液腐蚀所述衬底的背面形成所述背腔。

33、在一实施例中，所述步骤s8包括：使用气态氢氟酸通过干法释放所述可动结构，所述可动结构包括所述第一牺牲层、所述第二牺牲层和所述第三牺牲层中能够与所述气态氢氟酸接触的部分。

34、综上所述，本技术提供一种可调节通风窗口的mems结构、其制作方法及气体传感器，采用电极之间通过静电力平移驱动的方式驱使移动膜相对固定膜平移，实现通风窗口在关闭状态和通风状态之间切换。在关闭状态时，第一窗口与第二窗口相互错开，由于固定膜与移动膜之间的空隙很小，基本可以隔绝mems结构两侧气体交换，此时光声腔内部的声波以及外界的噪声会在固定膜和移动膜上被反射回去，提高了气体传感器的系统信噪比；在通风状态时，第一窗口与第二窗口至少部分重合，允许mems结构两侧气体流通。此外，通过标定施加的电压可以控制第一窗口与第二窗口重合的面积，能够形成不同的通气效果，例如控制气体交换速率，实现外界环境噪声测试和标定等功能。且本技术的制作方法采用成熟的mems工艺，便于大规模量产。