MEMS声换能器、MEMS麦克风、MEMS微型扬声器、扬声器阵列以及用于制造声换能器的方法

摘要

一种MEMS声换能器，包括具有从中穿过的空腔，以及包括多个在衬底空腔上方进行延伸的传导穿孔背板部分的传导背板单元。布置在相邻的传导穿孔背板部分之间的背板单元上的电介质间隔体，以及由电介质间隔体所支撑并且在传导穿孔背板部分上进行延伸的一个或多个石墨烯薄膜。

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及MEMS（MEMS=微电子机械系统）声换能 器、MEMS麦克风、MEMS微型扬声器、扬声器阵列以及用于制造 声换能器的方法，尤其涉及包括石墨烯薄膜的MEMS声换能器、 MEMS麦克风和微型扬声器。

背景技术

使用MEMS技术实施的麦克风和微型扬声器通常使用硅来实 现。MEMS麦克风/微型扬声器可以通过提供具有被硅质薄膜所覆盖 的空腔的硅质衬底来实现。在MEMS麦克风中，小幅薄膜位移相对 基准电极而被电容地感应，并且在MEMS微型扬声器中，该薄膜通 过例如用于提供大行程位移的两个定子之间的静电驱动而被静电地 驱动。

发明内容

一种MEMS声换能器，包括具有从中穿过的空腔的衬底，包括 多个在衬底空腔上方进行延伸的传导穿孔背板部分的传导背板单 元，布置在相邻的传导穿孔背板部分之间的该背板单元上的电介质 间隔体，以及被该电介质间隔体所支撑并且在该传导穿孔背板部分 上进行延伸的一个或多个石墨烯薄膜。

一种MEMS微型扬声器，包括传导衬底，其包括在该衬底前侧 形成的多个空腔，以及在该多个空腔上进行延伸并且由该衬底以及 该空腔周围的衬底部分以电绝缘方式所支撑的一个或多个石墨烯薄 膜。

一种扬声器阵列，包括衬底，该衬底包括在该衬底前侧形成的 多个空腔以及多个微型扬声器，其中每个微型扬声器包括在该多个 空腔中的一个或多个上进行延伸并且由该衬底以及该空腔周围的衬 底部分以电绝缘方式所支撑的一个或多个石墨烯薄膜。

一种用于制造声换能器的方法，包括将石墨烯薄膜沉积在衬底 上，并且构造一个或多个MEMS结构。

附图说明

图1示出了指示石墨烯在与硅进行比较时的机械属性的表格；

图2示出了在顶部包括石墨烯薄膜的麦克风的实施例；

图3示出了在底部具有石墨烯薄膜的麦克风的另一个实施例；

图4示出了具有双背板结构的麦克风的另一个实施例，该双背 板结构包括具有被包夹在其间的薄膜的两个背板；

图5示出了在顶部包括多薄膜麦克风结构的MEMS麦克风的另 一个实施例；

图6示出了在底部包括多薄膜麦克风结构的MEMS麦克风；

图7示出了包括多薄膜麦克风结构的MEMS麦克风，该多薄膜 麦克风结构具有双背板结构，该结构包括具有被包夹在其间的薄膜 的两个背板；

图8以顶部视图示出了蜂巢结构的背板的示例；

图9示出了包括石墨烯薄膜的微型扬声器的实施例；

图10，包括图10（a）和10（b），示出了具有不同形状的空腔 的示例，其中图10（a）示出了具有阶梯形横截面的空腔，并且其中 图10（b）示出了具有倾斜空腔壁的空腔的示例；

图11示出了包括允许薄膜的对称驱动的石墨烯薄膜的微型扬声 器的另一个实施例；

图12示出了依据一个实施例的扬声器阵列的示意性表示形式；

图13（a）示出了如关于图2所描述的实施例中的“多部分”薄 膜的示例；

图13（b）示出了如关于图9所描述的实施例中的“多部分”薄 膜的示例；

图14，包括图14（a）至14（d），示出了用于实现石墨烯薄膜 的各种选择，其中图14（a）示出了单层石墨烯材料，图14（b）示 出了多层石墨烯材料，图14（c）示出了化学官能化的单层石墨烯， 而图14（d）示出了纯石墨烯层和化学官能化的石墨烯层的合成物；

图15示出了针对石墨烯薄膜指示薄膜顺应度对比薄膜厚度的表 格；

图16示出了依据本发明实施例的表面微加工的压力传感器，其 使用石墨烯薄膜和阱部电极作为压力敏感元件；

图17示出了依据本发明实施例的表面微加工的压力传感器，其 使用石墨烯薄膜作为压力敏感元件并被集成到金属叠层BEOL中；

图18（a）至18（k）示出了用于制造与图3相类似的在底部具 有其石墨烯薄膜的声换能器的实施例；

图19（a）和19（b）示出了用于制造与图18相类似（只是该过 程开始于不同衬底）的声换能器的实施例；

图20（a）至20（f）示出了用于制造与图9相类似的声换能器 的实施例；

图21示出了用于获得图11所示的设备的第二晶片或衬底；和

图22示出了用于制造与图21相类似（只是使用了不同的衬底） 的声换能器的实施例。

具体实施方式

在下文中，将以进一步的细节对本发明的实施例进行描述。相 应附图中所示出的具有相同或相似功能的要素将具有与之相关联的 相同附图标记。

传统上，MSMS麦克风/微型扬声器以硅技术进行制造。硅微加 工的麦克风是包括在声场中移动的柔性薄膜以及被称作背板的静态 穿孔电极的电容换能器。在压力过度的情况下，该薄膜会经受到高 达10bar的压力差。在该情况下，通常的薄膜会由于其断裂强度过 低而失效。

反向换能器是需要被驱动从而实现大行程位移的微型扬声器， 例如通过电容驱动以驱动大幅空气位移并因此驱动可接受的声压。

为了解决硅麦克风薄膜中的压力过度的问题，可能在麦克风前 部插入阻尼垫圈，然而这引入了额外的不期望出现的噪声。这还可 能增加麦克风的前部体积，然而这增加了包括该麦克风的应用中所 需的空间。解决压力过度问题的另外的可能方式是经由弹簧支撑的 薄膜或者通过提供排气通道来提供透气，然而这需要特殊的设计以 及结构的低应力梯度。用于实施透气的另一种可能方式是通过薄膜 中在压力下打开的副翼实施透气，然而这需要附加的设计面积并且 应力梯度也是关键所在。

在硅微型扬声器中，例如能够通过提供曲折定子扬声器由包括 吸合（pull-in）结构的多晶硅薄膜生成大的声压。

因此，需要提供一种有所改进的MEMS麦克风/微型扬声器。

本发明的实施例提供了一种包括由石墨烯所制成的薄膜（而不 是硅薄膜或多晶硅薄膜）的MEMS麦克风/MEMS扬声器。石墨烯的 机械特性对于生产非常高柔度和大断裂强度的麦克风薄膜而言是有 利的，由此允许设计相对任何大行程位移均具有鲁棒性的高度敏感 的麦克风。另一方面，微型扬声器可以从高柔度所获得的益处在于， 可以减少用于获得高行程的驱动电压，同时高的断裂强度降低了故 障风险并且实现了高耐久性。依据实施例，可以通过形成两个或更 多单层石墨烯膜或层的叠层而增大石墨烯薄膜的强度。

石墨烯是表现出高疏水性的纯碳化合物，其对于防止薄膜在包 括润湿法工艺的制造过程期间被刺破是有利的，并且还避免了在完 成设备中被刺破。疏水性可以例如通过氟化作用而对石墨烯进行部 分或完全的化学官能化而改变，其中完全氟化导致了所谓的疏水性 有所增大的氟化石墨烯（flurographene）。而且，可以执行氢化作用 并且完全氢化导致了亲水性适当升高的石墨烯。此外，氧化是可能 的，并且完全的氧化导致石墨烯氧化物具有大幅减小的疏水性。还 可以依据实施例使用经化学修改的单层石墨烯膜或者由被包夹在经 化学修改的石墨烯膜之间的石墨烯所构成的复合膜。

图1示出了指示石墨烯在与硅进行比较时的机械属性的表格。 可以看出，在其杨氏模量、断裂强度、泊松比（Poisson ratio）和密 度的数值方面，石墨烯胜过硅。因此，出于以上所概述的原因，在 以MEMS技术实现麦克风/微型扬声器时使用石墨烯作为薄膜材料 是有利的。

图2示出了在顶部具有薄膜的包括石墨烯薄膜的麦克风的实施 例。麦克风100包括例如硅衬底的衬底102，其具有形成于其中的空 腔104。空腔104从衬底102上的第一表面106延伸至衬底上与第一 表面相对的第二表面108。第一表面106也被称作衬底102的前侧， 而第二表面108也被称作衬底102的背侧。在衬底的前侧106上布 置有电介质间隔体层110。电介质间隔体层110被布置在衬底102 的前侧106上以便包围空腔104并且从空腔向衬底102的外围112 进行延伸。电介质间隔体层110可以始终向外围112延伸，或者如 图2右手部分所示出的，可以被布置为使得其在衬底的具体部分从 外围112凹进。麦克风100进一步包括传导穿孔背板114，其包括外 围区114a和穿孔区114b。背板114可以由多晶硅形成，并且穿孔区 114b包括多个通过背板114延伸的空腔114c。背板114被布置为使 得其穿孔区114b被布置为在衬底102的空腔104上延伸或者跨过其 进行延伸，并且背板114的外围区114a被布置在电介质间隔体层110 上。麦克风100包括形成在背板114的外围区114a上的另外的电介 质间隔体层116。依据实施例，电介质间隔体层116并不延伸到空腔 104上方的区域中并且至少部分覆盖背板114的外围区114a。该麦 克风包括在背板上方被间隔体116所支撑的石墨烯薄膜120。石墨烯 薄膜120以在空腔104上方延伸并且还在传导穿孔背板114上方延 伸的方式被布置在衬底102上。该麦克风包括与背板114的外围区 114a相接触的第一电极122。此外，第二电极与石墨烯薄膜120相 接触。在图2的实施例中，第二电极124被布置在与石墨烯薄膜120 相接触的电介质间隔体上。如箭头126所描绘的，石墨烯薄膜120 可根据压力变化而在垂直方向偏离。利用可以由相应金属垫所形成 的电极122和124，可以检测薄膜的垂直位移。

此外，可以通过提供从背板缩进在背板114和薄膜120之间的 空隙128的防刺穿凸块或者通过为背板设置如SAMS涂层或OTS涂 层的防刺穿涂层而对图2中所描绘的MEMS结构进行保护以防止刺 穿。

在下文中，将给出用于制造图2所描绘的麦克风100的示例。 该工艺流程以在其上沉积例如500nm厚度的阻止氧化层的衬底102 作为开始。厚度大约为1μm的多晶硅层连同例如具有100nm厚度的 SiN层一起被沉积在氧化层上。这种层结构定义了背板114。在沉积 了用于背板114的材料之后，执行背板构建工艺以便在背板114的 穿孔区114b中打开空腔114c。在背板构建之后，具有大约1至5μm 厚度的电介质材料被沉积在背板上并且被构建形成图2中所描绘的 另外的电介质间隔体116。在构建间隔体116之后，形成了金属焊盘 122、124。在此之后，对衬底102执行背侧空腔蚀刻，即从衬底的 背侧108向其前侧蚀刻出空腔104而使得空腔104到达提供在前侧 上的阻止氧化层。通过进一步的蚀刻工艺去除空腔区域中的阻止氧 化层。在此之后，通过将石墨烯材料传输至间隔体116和焊盘124 而提供石墨烯薄膜120。依据实施例，石墨烯在输送晶片上进行构建 并且在与包括麦克风结构的其余元件的目标晶片对准时完成传输。

依据可替换的工艺，衬底102、背板114、间隔体116和金属焊 盘122、124如以上所描述地形成，然而并不构建间隔体116。在此 之后，执行背板空腔蚀刻以便从衬底102的背侧108形成空腔104 而并不从前侧去除阻止氧化层。随后，执行石墨烯传输处理以及使 用常规的照相平板印刷工艺构建出石墨烯层。在此之后，从衬底背 侧通过阻止氧化层和穿孔开孔114c执行牺牲氧化蚀刻，由此去除穿 孔区114b和石墨烯薄膜120之间的区域中的电介质间隔体116而因 此定义出空气间隙128。

图3示出了具有石墨烯薄膜的麦克风的另一个实施例，其与图2 的不同之处在于示出了在底部具有薄膜的麦克风。如可以从图3所 看到的，该结构基本上对应于图2的结构，区别在于薄膜120现在 由在衬底102上所形成的电介质间隔体110所支撑，并且具有在背 板114和薄膜120之间布置的附加间隔体116的背板114被接合到 薄膜120上，更具体地是接合到包围空腔104的衬底区域所支撑的 薄膜的外围部分120a。石墨烯薄膜120进一步具有在空腔104上方 延伸的中心区120b。该中心区120b进一步利用在薄膜120和背板 114之间的空气间隙128与穿孔区114b相对布置。因此，在图3中， 薄膜120被包夹在衬底和背板之间。当提供非传导性衬底102时， 薄膜120可以被直接安装到衬底，即可以省略层110。

图3中所描绘的麦克风可以通过提供衬底102被制造，该衬底 102可以设置有定义出层110的阻止氧化层。然而，如以上所提到的， 在其它情况下这并非是必需的，而且对于处理步骤而言，由于硅衬 底102的蚀刻将在石墨烯层120上停止，所以这也并非是必须的。 石墨烯被沉积到衬底102上或者被传输到包括要被制造的多个麦克 风结构的整个晶片上，随后进行石墨烯构建步骤，除非石墨烯已经 在传输层上进行过构建。在此之后，如以上所描述的，沉积间隔体 116并且在间隔体116上沉积背板114并对其进行构建。随后形成焊 盘122和124。在此之后，依据第一种可能性，从背侧蚀刻出空腔 104并且通过用于形成空气间隙128的牺牲氧化蚀刻工艺去除部分 电介质间隔体116。此外，可以将防刺穿涂层应用于背板。可替换地， 该蚀刻工艺可以以用于去除部分层116以便定义空气间隙128的牺 牲氧化蚀刻作为开始，随后进行用于定义空腔104的背侧蚀刻，其 可以包括附加的阻止氧化蚀刻，假设这样的附加氧化层110已经被 布置在衬底表面上。随后，可以将防刺穿涂层应用于背板。

图4示出了作为图2和3中所描绘的实施例的组合的麦克风100 的另一个实施例，其中提供了包括具有被包夹在其间的薄膜的两个 背板的双背板结构。已经关于图2和3进行了描述的要素已经在图4 中被指定以相同的附图标记并且省略对其新的描述。当与图2相比 较时，图4中所描绘的麦克风100包括布置在薄膜120的外围120a 上的附加电介质间隔体130。间隔体130支撑与背板114相类似的另 外的背板132，其中其包括包围穿孔区132b的外围区132a，该穿孔 区132b包括多个空腔或开口132c。以以上所描述的方式布置背板 132在薄膜120的中心区120b中在石墨烯薄膜120的上表面与背板 132之间导致了空气间隙134。另外的背板132以外围区132a和穿 孔区132与背板114的相应分区相对准并且开口/空腔132c也与开口 114c相对准的方式进行布置和构建。此外，另外的背板132在其外 围区132a上设置有另外的电极136。

图4所描绘的麦克风100可以通过将以上关于图2和3所定义 的工艺步骤进行合并来制造。

图5示出了包括多薄膜麦克风结构的MEMS麦克风的另一个实 施例。当与关于图2至4所描述的实施例相比较时，背板114和电 介质间隔体116有所修改。更具体地，背板114包括多个穿孔区 114b₁、114b₂和114b₃，其中每个穿孔区包括相应的开口/空腔114c₁、 114c₂和114c₃。最外侧的穿孔区114b₁和114b₃与背板114的外围区 114a相邻并且通过分别布置在第一和第二穿孔区114b₁和114b₂之间 以及第二和第三穿孔区114b₂和114b₃之间的中间区114d₁和114d₂而彼此分离。

电介质层116被构建为使得其包括布置在背板114的外围区 114a上的外围区116a。另外，层116被构建为使得形成第一柱体116b₁和第二柱体116b₂，其中第一柱体116b₁形成在背板114的第一中间 区114d₁上，并且第二柱体116b₂形成在第二中间区114d₂上。

石墨烯薄膜120由电介质间隔体116所支撑，更具体地，其被 形成为使得其外围部分120a由间隔体116的外围部分116b所支撑。 薄膜120包括在衬底102的空腔104上方延伸的可偏转区域120b₁至120b₃。薄膜120进一步被柱体116b₁和116b₂所支撑，由此定义 了利用设置于其间的相应空气间隙128₁至128₃而与背板114的相应 穿孔区114b₁至114b₃相对布置的相应可偏转薄膜部分120b₁至 120b₃。因此，当与图2至4的实施例相比较时，在图5的实施例中， 薄膜120被分为多个薄膜，也就是均利用间隔体116的外围区116a 和/或柱体116b₁、116b₂所单独悬浮的薄膜部分120b₁至120b₃。

图5的配置是有利的，因为通过提供多薄膜麦克风，由于石墨 烯材料的顺应性非常高，所以使用多个悬浮薄膜由于允许获得整体 MEMS设备高的总体顺应性而会是有益的。由小薄膜120b₁至120b₃所获得的信号被线性相加，从而例如当提供9个薄膜时，敏感度相 对于单个薄膜增大9倍。另外，噪声如下相加：sum(noise_i²)^1/2，由此 在与单个薄膜相比时产生了1/3的噪声（例如，-9.5dB）。

图5的实施例示出了如图2那样在顶部具有多个薄膜的多薄膜 麦克风，然而以与以上关于图3所描述的相类似的方式，背板114 可以被提供在顶部，由此提供如图6中进一步详细示出的使得其薄 膜处于底部的多薄膜麦克风。而且，还可以在图5的实施例中提供 如关于图4所描述的附加背板，由此提供如图7中进一步详细示出 的具有被包夹在相应背板之间的多薄膜的双背板多薄膜麦克风。当 与图5相比时，图7所描绘的麦克风100包括附加的电介质间隔体 130，其外围区130a处于薄膜120的外围120a上。间隔体130包括 柱体130b₁、130b₂并且支撑与背板114相类似的另外的背板132，其 包括外围区132a和穿孔区132b₁至132b₃，其中每个穿孔区包括多个 空腔或开口132c₁至132c₃。背板132还包括支撑柱体130b₁、130b₂的中间区132d₁、132d₂。以以上所描述的方式布置背板132导致在 薄膜120的中心区120b₁至120b₃中在石墨烯薄膜120的上表面和背 板132之间形成了空气间隙134₁至134₃。另外的背板132以其外围 区和其穿孔区与背板114的相应分区相对准并且开口/空腔也互相对 准的方式进行布置和构建。此外，另外的背板132在其外围区132a 上设置有另外的电极136。

依据一个实施例，图5中所描绘的多薄膜麦克风可以由布置在 蜂巢结构中的直径50μm的子单元所构成，该蜂巢结构建立了具有直 径大约为1mm的活动区域的MEMS。

图8以顶部视图示出了蜂巢结构的背板示例。背板114包括多 个单元138₁至138₇。单元138₁至138₇中的每一个具有相同结构并且 每个单元包括穿孔背板部分/分区，其在图8中作为示例性部件指示 出了单元138₃的穿孔区114b₃。在图8中，背板的穿孔区114a和中 间区114d并不可见，因为图8中的这些区域被电介质间隔体116所 覆盖。在图8中，示出了电介质间隔体的外围区域116a以及布置在 相应穿孔区114b之间的柱体116b₁和116b₂。

在图8所示的实施例中，每个腔室具有大约50μm的直径。每个 腔室具有六边形形状，并且穿孔区中的背板以每个腔室包括六边形 形状的外边框140和内边框142的方式进行构建，这两个边框关于 彼此同中心地进行布置。两个边框140、142通过在腔室的中心区146 连接至彼此并且从中心146延伸至外边框140的相应角同时还在内 边框142的角部上方进行延伸的相应杆体144所连接。利用这种配 置，在外边框140和内边框142和杆体144之间以及内边框142和 中心146和杆体144之间的区域中形成了相应的开口/空腔114c。在 图8所描绘的实施例中，外边框具有大于内边框142的水平厚度的 水平厚度，并且杆体144逐渐变细而使得其水平厚度在从外边框140 的角向中心146的方向有所减小。

在图8所示的实施例中，已经描述了具有蜂巢结构的背板单元， 该蜂巢结构具有多个六边形腔室。然而，要注意的是，本发明可以 以不同方式来实施。背板单元可以包括任意形状的腔室，例如，传 导背板单元的腔室可以包括圆形周界或弯曲形状（例如，圆形）或 者多边形形状（例如，方形或三角形）。

以上对图2至8的描述涉及麦克风100，然而相同的结构可以被 实现为微型扬声器。当实现微型扬声器时，信号生成器被连接在相 应电极122、124和136之间以便以所期望的方式施加用于使得薄膜 120发生偏转的驱动信号。

图9示出了包括石墨烯薄膜的微型扬声器的实施例。已经关于 之前附图进行了描述的部件具有与之相关联的相同附图标记并且省 略了对其的附加描述。

如能够从图9看到的，与其它实施例不同，衬底102包括从衬 底102的前侧406延伸至衬底102的背侧108的多个空腔/开口104₁至104₃。衬底102包括外围区102a以及相应的中间区102b₁至102b₂。 空腔104₁至104₃通过中间区102b₁至102b₂而彼此分离。更具体地， 第一空腔104₁布置在外围区102a和第一中间区102b₁之间，而第三 空腔104₃则布置在外围区102a和第二中间区102b₂之间。第二空腔 104₂布置在两个中间区102b₁和102b₂之间。在衬底102的前侧106 提供有电介质间隔体层110，其被构建为包括布置在衬底102的外围 区102a上的外围区110a。另外，电介质间隔体层110包括布置在衬 底102的中间区102b₁、102b₂上的多个柱体110b₁和110b₂。由石墨 烯材料所形成的薄膜120由电介质间隔体层110所支撑，更具体地， 它由其外围区110a以及相应柱体110b₁和110b₂所支撑。通过这种 配置，薄膜120包括外围的固定区120a以及三个可偏转区120b₁至 120b₃，它们能够如箭头126₃所示垂直偏转而导致可移动部分如在 120b₁’至120b₃’所指示的形变。在图8中，作为示例，相应空腔104₁至104₃的横向尺寸为200μm，并且还描绘了当薄膜部分偏转时的电 场线。

在图9中，衬底120是传导衬底并且在其外围区布置了电极150。 另外，如之前所描述的实施例中，该薄膜具有与之相接合的电极124。 在两个电极124和128之间，连接了包括AC信号源152a和DC信 号源152b的信号生成器152以便对薄膜进行驱动而造成如图9中所 描绘的偏转。

由于石墨烯薄膜120的高度顺应性，依据图9的实施例，该薄 膜可以相对其衬底的空腔被驱动而无需提供所构建并穿孔的背板。 虽然图9示出了排成一行的3个空腔，但是所要注意的是，该结构 可以包括例如以阵列排列的多个空腔。

在图9中，空腔104₁至104₃被示为“垂直”空腔，即空腔壁垂 直于衬底的前侧和后侧延伸。然而，其它形状的空腔也是可能的。 图10示出了具有不同形状的空腔的示例。在图10（a）中，空腔104₁至104₃具有阶梯形状的横截面，其中衬底102的前侧106的直径较 大而背侧108的直径较小。例如，空腔较大直径的部分可以为如图9 所示的200μm，然而较小直径的部分则仅具有50μm的直径。该结构 允许场强度有所增加。图10（a）中所示的结构可以通过氧化物间隔 体而使用前侧设计的空腔的处理获得，或者通过相结合的前侧和背 侧凹槽蚀刻以及后续石墨烯沉积而获得。

图10（b）示出了具有倾斜空腔壁的空腔的示例，其中空腔被形 成为使得空腔直径在从前表面106向后表面108的方向中有所减小。 可以通过例如使用KOH或TMAH对空腔进行非均质蚀刻而获得具 有倾斜凹槽壁的凹槽104₁至104₃。

图11示出了允许薄膜的对称驱动的包括石墨烯薄膜的微型扬声 器的另一个实施例。从关于图9所描述的微型扬声器开始，图11的 微型扬声器包括附加的衬底或板202，其包括通过衬底202从其前侧 206向其背侧208延伸的多个空腔204₁至204₃。与第一衬底102一 样，第二衬底202也包括外围区202a以及分开相应空腔的中间区 202b₁和202b₂。如能够从图11所看到的，第二衬底202的外围区202a 关于第一衬底102的外围区102a凹进以便露出电极124和150。衬 底202被布置为使得空腔204₁至204₃以及中间区202b₁至202b₂与 衬底102的相对应开口和中间部分对准。另外的衬底202利用布置 在薄膜120和衬底202之间的附加电介质间隔体层210而被布置在 石墨烯薄膜120上。更具体地，另外的电介质间隔体层210包括被 包夹在薄膜的外围区120a和另外衬底202的外围区202a之间的外 围区210a。此外，电介质层210包括处于衬底202的相应中间部分 202b₁和202b₂上的柱体210b₁和210b₂。衬底202在其背侧206上包 括另外的电极220。在电极150和220之间连接有AC信号生成器 150a，并且DC信号生成器150b连接在电极124和AC信号生成器 150a之间。

图11的配置允许石墨烯薄膜如偏转部分120b₁’至120b₃’以及 120b₁’’至120b₂’’所描绘的向上和向下对称偏转。

依据实施例，可以以以上所描述的方式在衬底上形成多个微型 扬声器而形成例如要在数字声音重构装置中使用的具有独立驱动薄 膜的扬声器阵列。

图12示出了依据一个实施例的扬声器阵列的示意性表示形式。 阵列200包括衬底102，其包括在衬底102的前侧中形成的多个空腔 （例如，参见亦在以上所描述的空腔104₁至104₃）。为了定义阵列 的相应微型麦克风202，提供多个石墨烯薄膜120而以如以上所描述 的方式在多个空腔104中的一个或多个上进行延伸。每个薄膜120 具有其电极124从而相应微型扬声器202的石墨烯薄膜120能够被 独立驱动。

要注意的是，虽然图12明确涉及微型扬声器的阵列，但是依据 实施例，也可以以上述方式在衬底上形成多个麦克风而形成具有独 立薄膜的麦克风阵列。

在以上所描述的实施例中，石墨烯薄膜120已经被描述并描绘 为在衬底的外围区之间进行延伸的单个薄膜，然而要注意的是，其 它实施例可以使用两个或更多的石墨烯薄膜来实现。图13（a）示出 了用于在如关于图2所描述的实施例中提供“多部分”（multipart） 薄膜的示例。如所能够看到的，示意性示出的薄膜120由在第一穿 孔背板区114b₁上方延伸的第一薄膜120₁所形成，并且其包括在第 二和第三穿孔背板的部分114b₂和114b₃上方延伸的第二薄膜120₂。 如在160所示出的，两个薄膜120₁和120₂互相连接。

图13（b）示出了与图9相类似的微型扬声器的示例，其中不同 于单个石墨烯薄膜而提供了三个薄膜120₁至120₃。第一薄膜120₁在 第一空腔104₁的上方从衬底102的外围区102a延伸至第一中间区 102b₁。第二薄膜120₂在第二空腔104₂上方延伸并且第三薄膜120₃在第三和第四空腔104₃和104₄上方延伸。如在160₁和160₂所描绘 的，薄膜互相连接。

图14示出了以上关于优选实施例所描绘的用于实现石墨烯薄膜 120的各种选项。图14（a）示出了包括单层石墨烯材料的石墨烯薄 膜120。图14（b）示出了包括多层石墨烯材料的石墨烯薄膜120， 在图14（b）中为三层i、ii和iii。图14（c）示出了包括例如氟化 石墨烯的化学官能化的单层石墨烯的石墨烯薄膜120。图14（d）示 出了作为纯石墨烯层和化学官能化石墨烯层的化合物的石墨烯薄膜 120，例如处于两个如图14（c）所描述的化学官能化单层石墨烯之 间的图14（a）中所描绘的单层石墨烯的组合形式。

图15示出了针对石墨烯薄膜指示薄膜顺应度对比薄膜厚度的表 格。如所能够看到的，使用石墨烯薄膜是有利的，因为尽管薄膜厚 度小但实现了高的顺应度由此避免了常规的硅质薄膜中如以上所讨 论的问题。

图16和17示出了使用石墨烯薄膜作为压力敏感部件的依据本 发明实施例的表面微加工压力传感器，其具有阱电极（图16）或者 被集成到金属叠层BEOL（无半导体效应）中。

图16示出了具有阱电极的压力换能器300的实施例。压力换能 器300包括例如硅衬底的衬底302，其具有第一表面306（前侧）和 与第一表面相对的第二表面308（背侧）。在前侧306中形成阱电极 309，例如通过在阱中引入掺杂物以便获得所期望的传导性。在衬底 302的前侧306上布置有电介质间隔体层310。电介质间隔体层310 包括在阱电极309之外布置在衬底102的前侧106上的第一或外围 部分310a，以及与第一部分310a横向间隔开来并且布置在阱电极 309上的第二部分310b。可替换地，电介质间隔体层310的第二部 分也可以布置在电极309之外。该传感器包括石墨烯薄膜320，该石 墨烯薄膜320由衬底302上方的间隔体310的相应部分310a、310b 利用其相应外围区320a进行支撑而使得其中心的可偏转部分320b 利用其间的间隙328与阱电极309相对布置。该传感器包括与阱电 极309相接触的第一电极322，以及与石墨烯薄膜320相接触的第二 电极324。利用可以由相应金属焊盘或线路所形成的电极322和324， 可以检测到由于所施加的压力而导致的薄膜320的垂直位移。

图17示出了被集成到金属叠层BEOL（无半导体效应）中的压 力换能器300的实施例。与图16的传感器类似，图17的压力换能 器300也包括衬底302。与图16中不同，在图17中，在衬底302 的前侧上形成电介质层330。在层330背离衬底302的表面上形成例 如金属电极的电极332。在层330上布置电介质间隔体层310。在图 17中，电介质间隔体层310包括（定义间隔328的）空腔，并且第 一或外围部分310a被布置在层330上并且部分覆盖电极332。石墨 烯薄膜320由电极332上方的间隔体310的外围部分310a利用其外 围区320a进行支撑而使得其中心的可偏转部分320b利用其间的间 隙328与电极332的暴露区域相对布置。该传感器包括形成于层310 上并且经由通路334与电极332相接触的第一电极322，以及与石墨 烯薄膜320相接触的第二电极324。利用可以由相应金属焊盘或线路 所形成的电极322和324，能够检测到由于所施加的压力而导致的薄 膜320的垂直位移。

在下文中，将对本发明对用于制造声换能器的实施例进行描述。

在迄今为止所使用的常规处理中，石墨烯被沉积在具有不同种 子层（例如，金属）的晶片上。MEMS设备使用单独晶片进行构造。 在该处理中的某点，石墨烯层将被传输至MEMS晶片。这样的常规 方法是不利的，因为其必须提供附加晶片或衬底以便沉积及构建石 墨烯层。例如由于可能向层中引入张力的传输问题，石墨烯的机械 参数在被传输至MEMS晶片之后并未被妥善定义。此外，需要适当 定义与石墨烯层的电接触。

依据实施例，这样的缺陷和问题得以被避免。依据本发明的实 施例，通过将石墨烯材料沉积在衬底上并且通过使用已经具有提供 于其上的石墨烯材料的衬底构造一个或多个MEMS结构来制造声换 能器。换句话说，石墨烯被沉积于其上的晶片或衬底是MEMS晶片 或衬底。该方法由于不需要附加晶片或衬底而是有利的，石墨烯的 机械参数通过沉积而被妥善定义，任何传输问题都得以被避免，并 且与石墨烯层的电接触也已经完善。

依据一个实施例，石墨烯层可以被沉积在衬底上所形成的金属 表面上（例如，金属层）。这可以通过例如碳氢化合物的碳源的催 化分解或者在金属层块中分解的碳被隔离到金属表面来执行。依据 另一个实施例，石墨烯层可以被沉积在由衬底上的金属层和电介质 层所形成的金属电介质界面。这可以通过经金属膜散播到金属层和 电介质层之间的界面的例如碳氢化合物的碳源的催化分解或者在金 属层块中分解的碳被隔离到金属层和电介质层之间的界面来执行。 在两个实施例中，在石墨烯层沉积之后都形成了附加的MEMS组件。

在下文中，将参考图18对用于制造与图3相类似的使得其石墨 烯薄膜处于底部的声换能器的实施例进行描述。将使用与图3中相 同的附图标记。

图18（a）示出了衬底102。在衬底102的前侧106，形成例如 SiO₂层的绝缘层110。在绝缘层110背离衬底102的表面上形成例如 Cu层或Ni层的金属层111。在金属层111背离绝缘层110的表面上 沉积石墨烯材料120。

在石墨烯材料120的沉积之后，如图18（b）所示，在石墨烯层 120上形成电介质间隔体或牺牲层116，并且在牺牲层116上形成传 导层114。

传导层114随后被形成图案而形成外围区114a、穿孔区114b以 及通过层114延伸的多个空腔114c。图18（c）中示出了所产生的 包括传导穿孔背板114的结构。

随后，如图18（d）所示，牺牲层116被形成图案以便从衬底 102的外围112凹进。在对牺牲层116进行构建之后，如图18（e） 所示，石墨烯层120被形成图案以便也从衬底102的外围112凹进。 如所能够看到的，石墨烯层120被形成图案而使得其一部分在牺牲 层116以外延伸从而得以被暴露（并不被牺牲层116所覆盖）。

随后，如图18（f）所示，金属层111被形成图案以便从衬底102 的外围112凹进。金属层111被形成图案而使得第一部分111a比第 二部分111b更接近于衬底外围112。此外，金属层111被形成图案 而使得第一部分仅部分被石墨烯层120所覆盖，而第二部分111b则 完全被石墨烯层120所覆盖。

在下一个步骤，如图18（g）所示，绝缘层110被形成图案而使 得其外围区110a的至少一部分从衬底102的外围112凹进，由此暴 露出衬底102的前侧106的一部分106a。

如图18（h）所示，形成例如金属焊盘的触点。触点122形成在 背板114的外围区114a上。触点124形成在金属层111的第一部分 111a上。附加触点125形成在衬底102的暴露部分106a上。

如图18（i）所示，衬底102在衬底102的中心区102c从其背 侧106进行蚀刻以便定义出从背侧106向绝缘层110延伸的空腔 104。

在图18（j）中，示出了进一步蚀刻处理的结果，其从衬底的背 侧108完成并且去除了绝缘层110的中心部分110c以及金属层111 的中心部分111c。该蚀刻处理在石墨烯层120停止，由此暴露出石 墨烯薄膜120中心的可偏转部分120b的下表面。因此，空腔104从 衬底的背侧108延伸至石墨烯层120。

在从背侧进行蚀刻之后，进行从衬底前侧的蚀刻。蚀刻通过背 板114的空腔114c进行，由此去除了牺牲层116的中心部分116c 以便定义出间隙128，由此完成了具有如图18（k）所示结构的设备。

在下文中，参考图19中与图18相类似的用于制造声换能器的 实施例。该处理基本上与以上所描述的相同，其区别在于该处理以 图19（a）所示的在其前侧106上形成有例如SiO₂层的绝缘层110 的衬底102开始。在绝缘层110背离衬底102的表面上，使用例如 Cu层或Ni层的金属层111沉积石墨烯材料120。

在实质上对应于关于图18所描述的处理之后，获得了如图19 （b）所示的完成设备。当与图18（k）比较时，其差异在于已经构 建了金属层111而使得其仅在石墨烯层120的一部分上得以保留并 且带有薄膜触点124。

在下文中，将参考图20对用于制造与图9相类似的声换能器的 实施例进行描述。将使用与图9中相同的附图标记。

图20（a）示出了衬底102。在衬底102的前侧106上形成例如 SiO₂层的绝缘层110。在绝缘层110背离衬底102的表面上，形成例 如Cu层或Ni层的金属层111。在金属层111背离绝缘层110的表 面上沉积石墨烯材料120。

如图20（b）所示，石墨烯层120被形成图案从而也从衬底102 的外围112凹进。

在下一个步骤，如图20（c）所示，金属层111被形成图案而使 得其外围区111c的至少一部分从衬底102的外围112凹进，由此暴 露出绝缘层110的一部分110a。

随后，如图20（d）所示，绝缘层110被形成图案而使得其外围 区110a的至少一部分从衬底102的外围112凹进，由此暴露出衬底 102的前侧106的一部分106a。还形成例如金属焊盘的触点。触点 124形成在金属层111的第一部分111a上，而触点152形成在衬底 102的暴露部分106a上。

如图20（e）所示，衬底102在衬底102的中心区102c从其背 侧106进行蚀刻以便定义出从后侧106延伸至绝缘层110的空腔104₁至104₃以及中间区102b₁和102b₂。

从衬底的后侧108进行进一步的蚀刻处理，其去除了绝缘层110 和金属层111的中心部分。该蚀刻处理在石墨烯层120停止，由此 暴露出石墨烯薄膜120的中心可偏转部分102b₁至102b₃的下表面。 因此，空腔现从衬底的背侧108延伸至石墨烯层120，由此完成了 具有如图20（f）所示结构的设备。

为了获得如图11所示的设备，提供如图21所示的第二晶片或 衬底，其例如通过晶片键合而被设置在图20（f）的结构上。图21 的衬底通过在衬底202的前侧206上设置绝缘层210并且在后侧208 上设置金属层220而获得。对衬底202进行蚀刻以形成空腔204₁至 204₃而使得当将衬底202布置在石墨烯层120上时，衬底中的空腔 互相对准。

图22示出了用于制造与图20相类似的声换能器的实施例。该 处理基本上与以上所描述的相同，其区别在于该处理以图19（a）所 示的在其前侧106上形成有例如SiO₂层的绝缘层110的衬底102开 始。在绝缘层110背离衬底102的表面上沉积石墨烯材料120。在石 墨烯材料的表面上形成例如Cu层或Ni层的金属层111。

在实质上对应于关于图20所描述的处理之后，获得了如图22 所示的完成设备。当与图20（f）比较时，其差异在于已经构建了金 属层111而使得其仅在石墨烯层120的一部分上得以保留并且带有 薄膜触点122。

在进一步的实施例中，可以将如图21所示的附加衬底布置在 图22的设备上。

虽然已经以装置为背景对一些方面进行了描述，但是这些方面 显然还表示对相对应方法的描述，其中模块或设备对应于方法步骤 或方法步骤的特征。同样，以方法步骤为背景所描述的方面也表示 对于相对应模块或事项或者相对应装置的特征的描述。

以上所描述的实施例仅是为了说明本发明的原理。所要理解的 是，这里所描述的布置形式和细节的修改和变化对于本领域技术人 员将是显而易见的。因此，其意在仅由所附专利权利要求的范围所 限制而并不被通过对本文的实施例的描述和解释所给出的具体细节 所限制。