微机电系统器件
技术领域
本发明涉及微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)领域，尤其涉及一种微机电系统器件。
背景技术
MEMS器件利用薄膜的形变来实现机械能与电能的转换时，若薄膜的形变程度较大，一旦超出薄膜的应力承受能力，薄膜将会破裂而导致器件失效。如MEMS麦克风具有振膜和背板，振膜和背板之间形成有空腔，振膜和背板构成一电容，背板设计有声孔，气流通过声孔进入空腔，使振膜或背板产生形变，从而使电容值发生变化，实现声电转换。由于振膜和背板非常薄，当气流较大时，振膜或背板的形变程度达到一定程度后会破裂，致使MEMS麦克风失效。
发明内容
基于此，有必要针对MEMS器件中感应薄膜形变程度较大时容易破裂的技术问题，提出一种新的MEMS器件。
一种微机电系统器件，包括：
衬底；
第一牺牲层，设于所述衬底上，所述衬底开设有贯穿所述衬底和所述第一牺牲层的背腔；
第一导电薄膜，设于所述第一牺牲层上且覆盖所述背腔；
第二牺牲层，设于所述第一导电薄膜上，所述第二牺牲层开设有贯穿所述第二牺牲层的空腔；
第二导电薄膜，设于所述第二牺牲层上且覆盖所述空腔；
其特征在于，还包括：
叠设的限幅层和隔离层，所述限幅层开设有第一通孔，所述隔离层开设有第二通孔，所述第一通孔的正投影位于所述第二通孔内且所述第一通孔的孔径小于所述第二通孔的孔径；所述限幅层的正投影与所述空腔的开口区域部分重合，所述第一通孔的正投影也与所述空腔的开口区域部分重合；所述限幅层位于所述第一导电薄膜与所述第一牺牲层之间且所述隔离层位于所述限幅层与所述第一导电薄膜之间，和/或，所述限幅层位于所述第二导电薄膜上且所述隔离层位于所述限幅层与所述第二导电薄膜之间。
上述MEMS器件，包括覆盖空腔底部的第一导电薄膜和覆盖空腔顶部的第二导电薄膜，当气流进入空腔后，第一导电薄膜和第二导电薄膜均可能朝背离空腔的一侧发生形变。在本申请中，在第一导电薄膜和/或第二导电薄膜背离空腔的一侧设置限幅层，即在第一导电薄膜和/或第二导电薄膜形变凸起的一侧设置限幅层，该限幅层开设有正对空腔的第一通孔，且限幅层的正投影与空腔的开口区域部分重合，第一通孔的正投影也与空腔的开口区域部分重合。同时，在限幅层和相邻导电薄膜之间还设置有隔离层，隔离层开设有第二通孔，第一通孔的正投影位于第二通孔内，且第一通孔的孔径小于第二通孔的孔径，即在正对空腔开口的区域内，部分限幅层延伸至该区域内且呈悬浮状态，限幅层并未贴附于相邻的导电薄膜上，限幅层与相邻的导电薄膜之间具有第一间距的空气间隙。由于限幅层与相邻导电薄膜产生形变的部分并未接触，因此不会影响导电薄膜的应力，导电薄膜仍具有较好的灵敏度，而当导电薄膜发生形变时，由于在导电薄膜凸起的一侧设置有限幅层，当导电薄膜形变到一定程度后，该限幅层延伸至正对空腔开口区域的悬浮部分将阻挡相邻导电薄膜的形变，从而避免导电薄膜过度形变而破裂。
在其中一个实施例中，所述限幅层开设有单个所述第一通孔，所述第一通孔的正投影位于所述空腔开口区域内，所述限幅层的正投影与所述空腔开口区域的重叠区域呈等宽环形。
在其中一个实施例中，所述限幅层开设有单个所述第一通孔，所述限幅层围成所述第一通孔的侧壁具有朝所述第一通孔的中心凸起的凸起臂，所述凸起臂的正投影延伸至所述空腔的开口区域。
在其中一个实施例中，所述限幅层具有多个所述凸起臂，相邻所述凸起臂的间距相等，且各所述凸起臂的正投影延伸至所述空腔开口区域内的长度相等。
在其中一个实施例中，所述微机电系统器件为微机电麦克风，所述第一导电薄膜和所述第二导电薄膜中的其中一个为背板，另一个为振膜，所述背板上开设有声孔。
在其中一个实施例中，所述限幅层为氮化硅层、多晶硅层、单晶硅层中任意一种单膜层或多种叠加至一起的复合膜层。
在其中一个实施例中，所述第一导电薄膜和所述第二导电薄膜为掺杂的多晶硅薄膜。
在其中一个实施例中，所述第一牺牲层、所述第二牺牲层和所述支撑层的材料相同。
在其中一个实施例中，所述衬底为硅衬底，所述第一牺牲层、所述第二牺牲层和所述支撑层为氧化硅层或聚酰亚胺层。
在其中一个实施例中，所述微机电系统器件还包括第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第一导电薄膜连接，所述第二电极与所述第二导电薄膜连接。
附图说明
图1为本申请一实施例中MEMS器件的剖视图；
图2为本申请另一实施例中MEMS器件的剖视图；
图3为本申请又一实施例中MEMS器件的剖视图；
图4a为本申请一实施例中限幅层的俯视图；
图4b为本申请另一实施例中限幅层的俯视图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一：
如图1所示，该MEMS器件包括衬底100，衬底100上设有第一牺牲层200，衬底100开设有贯穿衬底100和第一牺牲层200的背腔，第一牺牲层200上设有第一导电薄膜300，第一导电薄膜300覆盖上述背腔，第一导电薄膜300上设有第二牺牲层400，第二牺牲层400开设有贯穿第二牺牲层400的空腔410，第二牺牲层400上设有第二导电薄膜500，第二导电薄膜500覆盖上述空腔410；MEMS器件还包括限幅层和隔离结构，限幅层位于第二导电薄膜上且隔离结构位于限幅层与第二导电薄膜之间，定义位于第二导电薄膜500上的限幅层为第二限幅层720，并定义位于第二导电薄膜500与该第二限幅层720之间的隔离层为第二隔离层620，具体为，第二导电薄膜500上设有第二隔离层620，第二隔离层620开设有第二通孔，第二隔离层620上设有第二限幅层720，第二限幅层720开设有第一通孔，第一通孔的正投影位于第二通孔的正投影区域内，且第一通孔的孔径小于第二通孔的孔径，即第二限幅层720具有超出第二隔离层620的部分。同时，第一通孔正对上述空腔410，第一通孔的正投影与空腔410的开口区域部分重合，第二限幅层720的正投影也与空腔410的开口区域部分重合，定义正对空腔410开口的区域为区域R，需要说明的是，正对空腔410开口区域的区域R为空腔410的开口区域在整个空间的正投影区域，即第二限幅层720延伸至正对空腔410开口的区域R内，也即，部分第二限幅层720延伸至空腔410顶部开口的正上方并呈悬浮状态。
在本实施例中，第一导电薄膜300和第二导电薄膜500分别覆盖于空腔410的底部和顶部，当气流进入空腔410后，第一导电薄膜300和第二导电薄膜500均会发生形变，具体是朝向背离空腔410的一侧凸起。在第二导电薄膜500上设置第二隔离层620并在第二隔离层620上设置第二限幅层720，其中，第一通孔的正投影位于第二通孔的正投影区域内，且第一通孔的孔径小于第二通孔的孔径，即第二限幅层720具有超出第二隔离层620的部分，而第二限幅层720的正投影与空腔410的开口区域部分重合，即第二限幅层720超出第二隔离层620的部分延伸至正对空腔410顶部开口的区域R内且处于悬浮状态，其与第二导电薄膜500并未接触，因此，第二隔离层620和第二限幅层720的设置并不会影响第二导电薄膜500的应力。当第二导电薄膜500产生形变并凸起至与第二限幅层720接触时，第二限幅层720延伸至区域R内的悬浮部分会阻挡第二导电薄膜500继续形变，从而避免第二导电薄膜500因过度形变而破裂。
在上述实施例中，第二通孔的孔径可大于或等于空腔的开口宽度，即第二隔离层620的正投影位于第二牺牲层400区域内，如此可以使第二隔离层620完全支撑于第二牺牲层400上，有利于膜层之间的应力匹配。
实施例二：
实施例二与实施例一的不同之处在于限幅层和隔离层的位置不同。如图2所示，在本实施例中，限幅层位于第一导电薄膜300和第一牺牲层200之间且隔离层位于限幅层与第一导电薄膜300之间，为区分实施例二与实施例一中的限幅层和隔离层的位置不同，定义位于第一导电薄膜300和第一牺牲层200之间限幅层为第一限幅层710，并定义位于第一限幅层与第一导电薄膜300之间的隔离层为第一隔离层610。本实施例中的MEMS器件的具体结构为：衬底100上设有第一牺牲层200，衬底100开设有贯穿衬底100和第一牺牲层200的背腔，第一牺牲层200上设有第一限幅层710，第一牺牲层200开设有第一通孔，且第一通孔与上述背腔相连通，第一限幅层710上设有第一隔离层610，第一隔离层610也开设有与背腔相连通的第二通孔，第一隔离层610上设有第一导电薄膜300，第一导电薄膜300覆盖上述背腔，第一导电薄膜300上设有第二牺牲层400，第二牺牲层400开设有贯穿第二牺牲层400的空腔410，第二牺牲层400上设有第二导电薄膜500，第二导电薄膜500覆盖上述空腔410；其中，上述第一通孔的正投影位于第二通孔内，且第一通孔的孔径小于第二通孔的孔径；同时，第一限幅层710开设的第一通孔正对上述空腔410，第一限幅层710的正投影与空腔410的开口区域重合，即第一限幅层710延伸至正对空腔410开口的区域R内，也即第一限幅层710延伸至空腔410底部开口的正下方。
在本实施例中，在第一导电薄膜300背离空腔410的一侧设置第一隔离层610和第一限幅层710，其中，第一限幅层710开设有第一通孔，第一隔离层610开设有第二通孔，第一通孔的正投影位于第二通孔内，且第一通孔的孔径小于第二通孔，使得第一限幅层710具有超出第一隔离层610的部分，第一限幅层710超出第一隔离层610的部分延伸至正对空腔410底部开口的区域R内且处于悬浮状态，其与第一导电薄膜300并未接触，因此，第一隔离层610和第一限幅层710的设置并不会影响第一导电薄膜300的应力。当第一导电薄膜300产生形变并凸起至与第一限幅层710接触时，第一限幅层710延伸至区域R内的悬浮部分会阻挡第一导电薄膜300继续形变，从而避免第一导电薄膜300因过度形变而破裂。
在上述实施例中，第一隔离层610上开设的第二通孔的孔径小于或等于空腔410的开口宽度，使得第二牺牲层400完全支撑于第一隔离层610上，有利于膜层之间应力的匹配。
实施例三：
实施例三与实施例一的不同之处在于，MEMS器件既具有位于第二导电薄膜上的限幅层，且限幅层与第二导电薄膜之间设置有隔离层，也具有位于第一导电薄膜与第一牺牲层之间的限幅层，且限幅层与第二导电薄膜之间设置有隔离层，即MEMS器件既具有第二限幅层和第二隔离层，还具有第一限幅层和第一隔离层。如图3所示，在本实施例中，MEMS器件的具体结构为：衬底100上设有第一牺牲层200，衬底100开设有贯穿衬底100和第一牺牲层200的背腔，第一牺牲层200上设有第一限幅层710，第一牺牲层200开设有第一通孔，且该第一通孔与上述背腔相连通，第一限幅层710上设有第一隔离层610，第一隔离层610也开设有与背腔相连通的第二通孔，第一隔离层610上设有第一导电薄膜300，第一导电薄膜300覆盖上述背腔，第一导电薄膜300上设有第二牺牲层400，第二牺牲层400开设有贯穿第二牺牲层400的空腔410，第二牺牲层400上设有第二导电薄膜500，第二导电薄膜500覆盖上述空腔410，第二导电薄膜500上设有第二隔离层620，第二隔离层620开设有第二通孔，第二隔离层620上设有第二限幅层720，第二限幅层720开设有第一通孔；在上述结构中，第一限幅层710上开设的第一通孔的正投影位于第一隔离层610的第二通孔内，且第一通孔的孔径小于第二通孔的孔径，第一限幅层710的正投影与空腔410开口的区域部分重合，即第一限幅层710延伸至空腔410底部开口的正下方；第二限幅层720上开设的第一通孔的正投影位于第二隔离层620的第二通孔内，且第一通孔的孔径小于第二通孔的孔径，第一限幅层720的正投影与空腔410开口的区域部分重合，即第一限幅层710延伸至空腔410底部开口的正上方。
在本实施例中，部分第一限幅层710延伸至区域R内且处于悬浮状态，其与第一导电薄膜300并未接触，部分第二限幅层720延伸至区域R内且处于悬浮状态，其与第二导电薄膜500并未接触，因此，第一隔离层610和第一限幅层710以及第二隔离层620和第二限幅层720的设置并不会影响第一导电薄膜300和第二导电薄膜500的应力。当第一导电薄膜300产生形变并凸起至与第一限幅层710接触时，第一限幅层710延伸至区域R内的悬浮部分会阻挡第一导电薄膜300继续形变，从而避免第一导电薄膜300因过度形变而破裂，当第二导电薄膜500产生形变并凸起至与第二限幅层720接触时，第二限幅层720延伸至区域R内的悬浮部分会阻挡第二导电薄膜500继续形变，从而避免第二导电薄膜500因过度形变而破裂。因此，在本实施例中，可以同时保护第一导电薄膜300和第二导电薄膜500。
在以上各实施例中，限幅层的形状具有多种设计。在一实施例中，如图4a所示，限幅层开设有单个第一通孔，第一通孔的正投影位于控腔开口区域(图中虚线框所围区域)内，限幅层的正投影与空腔开口区域的重叠区域呈环形，且该环形为宽度为d1的等宽环形。在本实施例中，限幅层仅设计一个较大的通孔，制备工艺相对更容易实现，且大通孔对气流的影响较好，因此对于器件的频率特性影响较小，同时，限幅层延伸至空腔开口区域处的部分呈等宽环形，即限幅层对各处导电薄膜的限幅作用均匀，限幅效果较好。在另一实施例中，如图4b所示，限幅层开设单个第一通孔，且限幅层围成第一通孔的侧壁具有朝向第一通孔中心凸起的凸起臂，凸起臂的正投影延伸至空腔的开口区域(图中虚线所围区域)。在本实施例中，通过设置凸起臂，凸起臂延伸至空腔开口区域，利用凸起臂进行限幅，可以减小限幅层延伸至空腔开口区域内的面积，进一步增大第一通孔的孔径，从而进步一减小限幅层对气流的影响，降低限幅层对器件频率特征的影响。在一具体实施例中，限幅层具有多个凸起臂，相邻凸起臂之间的间距相等，且凸起臂延伸至空腔开口区域的长度相等，为d2。在本实施例中，凸起臂长度相同且均匀设置，使得限幅层对导电薄膜的限幅作用更加均匀，凸起臂可为四个，也可为更多，可以理解的，凸起臂数量越多，限幅层对导电薄膜的限幅作用越均匀，限幅效果越好。
以上各实施例中的MEMS器件可为MEMS麦克风，上述结构中的第一导电薄膜300和第二导电薄膜500中的其中一个为背板，另一个为振膜，且背板上开设有声孔。参见图1所示，第一导电薄膜300为背板，第二导电薄膜500为振膜，第一导电薄膜300上开设有声孔。参见图2所示，第一导电薄膜300为振膜，第二导电薄膜500为背板，第二导电薄膜500上开设有声孔。
以上各实施例中的MEMS器件还包括第一电极810和第二电极820，其中，第一电极810与第一导电薄膜300连接并引出，第二电极820与第二导电薄膜500连接并引出，通过第一电极810和第二电极820，可连接上述结构与外部电路，以实现感应信号的传递。
在以上各实施例中，对于衬底、第一牺牲层、第二牺牲层、第一导电薄膜、第二导电薄膜、隔离层和限幅层的材料具有多种选择。其中，第一牺牲层、第二牺牲层和各支撑层的材料相同，便于在制造工艺中一步完成上述膜层的刻蚀。具体的，衬底为半导体衬底，具体可为硅衬底。第一牺牲层、第二牺牲层和支撑层为绝缘层，具体可为氧化硅层或聚酰亚胺层。第一导电薄膜和第二导电薄膜具有导电性，具体可为半导体导电薄膜或金属薄膜，当为半导体导电薄膜时，具体可为掺杂的多晶硅薄膜。由于限幅层与导电薄膜通过隔离层隔离，因此对限幅层的绝缘性没有要求，限幅层可为氮化硅层、多晶硅层、单晶硅层中的任意一种单层膜层，也可为上述多种膜层叠加至一起的复合膜层。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
