Конструкция мембранного элемента преобразователя акустического давления емкостного типа

Полезная модель относится к микроэлектронике и может быть использована в конструкции микроэлектромеханических (далее - МЭМС) преобразователей микрофонов.
Известен микрофон по заявке США US2012/0091546 А1 (МПК H01L 29/84, H01L 21/02, опубл. 19.04.2012), содержащий мембранный элемент. Конструкция мембранного элемента микрофона, содержит подложку из монокристаллического кремния, подвижную мембрану из кремния, легированного фосфором, над подвижной мембраной с воздушным зазором неподвижно закреплен электрод.
Наиболее близким к предлагаемому решению (прототипом) является МЭМС устройство по международной заявке WO2009/024762 A2 (МПК В81В 3/00, опубл. 26.02.2009), содержащее подложку из монокристаллического кремния, в которой сформирована рамка в форме квадрата, с внутренним контуром в виде окружности, на которой расположена подвижная мембрана, над подвижной мембраной с воздушным зазором неподвижно закреплен электрод.
В прототипе не указаны материалы для изготовления элементов устройства.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в создании чувствительного элемента мембранного типа с высокой точностью и чувствительностью измерения.
Технический результат, получаемый при реализации заявляемого устройства, выражается в повышении чувствительности элемента мембранного типа при минимизации встроенных механических напряжений за счет подбора оптимальных материалов для изготовления элементов.
Для достижения вышеуказанного технического результата конструкция мембранного элемента преобразователя акустического давления емкостного типа, содержит подложку из монокристаллического кремния, в которой сформирована рамка из высоколегированного бором кремния в форме квадрата, с внутренним контуром в виде окружности, на которой расположена подвижная мембрана из аморфного кремния, легированного фосфором, над подвижной мембраной с воздушным зазором размещен электрод, который неподвижно закреплен на основании из оксида кремния.
Отличительными являются следующие признаки: материал рамки - высоколегированный бором кремний; материал мембраны - аморфный кремний, легированный фосфором; неподвижное закрепление электрода на основании из оксида кремния.
Причинно-следственная связь отличительных признаков с указанным техническим результатом заключается в следующем сочетании материала рамки в виде высоколегированного бором кремния и материала подвижной мембраны - аморфного кремния, легированного фосфором, позволяет снизить механические напряжения в структуре, тем самым повысить чувствительность и надежность МЭМС-преобразователя. Минимальные механические напряжения мембраны обеспечивают ее работу на квазилинейном участке преобразования с высокой чувствительностью.
В частном случае выполнения полезной модели электрод выполнен в виде жестко закрепленной перфорированной диафрагмы из поликристаллического кремния, снабженной выступами со стороны, обращенной к подвижной мембране. Выступы покрыты изолирующим слоем нитрида кремния.
Заявляемая полезная модель поясняется схемой устройства, представленной на фигуре 1. На фигуре 2 представлен вид со стороны подмембранного объема.
Конструкция мембранного элемента преобразователя акустического давления емкостного типа содержит подложку 1 из монокристаллического кремния, в которой сформирована рамка 2 из высоколегированного бором кремния в форме квадрата, с внутренним контуром в виде окружности, на которой расположена подвижная мембрана 3 из аморфного кремния, легированного фосфором, над подвижной мембраной с воздушным зазором 4 размещен электрод 5, который неподвижно закреплен на основании 6 из оксида кремния (фиг. 1, 2).
Устройство работает следующим образом. Подвижная мембрана 3 и электрод 5 с воздушным зазором 4 образуют переменный конденсатор. Под действием направленного акустического давления подвижная мембрана 3 приходит в движение, величина воздушного зазора 4 изменяется и, следовательно, изменяется электрическая емкость между подвижной мембраной и электродом.
Пример изготовления
Мембранный элемент преобразователя акустического давления изготавливают следующим образом. В качестве исходного материала для создания МЭМС-преобразователя используются подложки 1 монокристаллического кремния с двусторонней полировкой. На первом этапе через диэлектрическую маску проводится жидкостное анизотропное травления кремния в растворе КОН, в результате чего формируется промежуточная кремниевая мембрана. На следующем этапе маршрута проводят операция диффузию бора из жидкого источника на лицевой стороне пластины. Данная операция позволяет сформировать кремниевую рамку 2, это достигается за счет уменьшения скорости травления легированного бором кремния. Также данная операция позволяет снизить механические напряжения в структуре, тем самым повысить чувствительность и надежность МЭМС-преобразователя. На лицевой стороне формируют подвижную мембрану 3 в слое осажденного аморфного кремния, легированного фосфором. Далее на лицевой стороне осаждается оксид кремния, этот функциональный слой необходим для создания воздушного зазора 4 между основными элементами МЭМС подвижной мембраной 3 и электродом 5. В отличие от аналогов данный уменьшенный зазор позволяет увеличить чувствительность МЭМС-преобразователя. В жертвенном слое оксида кремния формируются функциональные элементы в виде выступов, обращенных к подвижной мембране. Выступы предотвращают соприкосновения элементов в процессе работы устройства. Затем проводится операция осаждения поликристаллического кремния, из которого формируется электрод, представляющий собой жестко закрепленную перфорированную диафрагму, с перфорацией по всей площади элемента.