CN101098569A - 半导体传声器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明半导体传声器芯片，涉及传声器芯片技术，是一种振膜在上、背极在下的电容式结构。振膜通过波纹状悬梁与周围边框、支撑相连，充分释放振膜的残余应力；振膜上设有无数阵列状微凹，用于支撑振膜以及减小漏声；振膜上设有的无数小孔，在制作传声器芯片时配合背极声孔释放振膜与背极之间原有的牺牲层。本发明具有高灵敏度、低噪声、频带宽的特性，芯片的体积小，制作工艺简单，容易批量实现。
Description
技术领域
本发明涉及传声器芯片技术领域，特别涉及一种具有减小残余应力的振膜的电容式传声器芯片。
背景技术
1983年Royer在硅片上制作出第一个传声器，引起了各界重视。各类传声器陆续在硅片上被开发实现。其中，最主要最热门的一种即电容式硅传声器。电容式硅微传声器不仅具有体积小、灵敏度高、频响特性好、噪声低等特点，更重要的是具有很宽工作温度，可适用于SMT等自动化生产线作业和恶劣的工作环境，是目前任何一种传声器所无法替代的，它将会开拓传声器更为广泛的应用空间。
电容式传声器芯片是在硅片上利用微机械加工技术制作出来的一种声传感器，其功能结构是由振膜和背极组成的电容。振膜的残余应力直接影响着传声器芯片的灵敏度，残余应力越大灵敏度越低，低残余应力振膜对制作传声器产品来讲至关重要。对低应力振膜的研究已有很多，从效果来看，采用自由振膜结构可以完全消除振膜的残余应力，但是同时还要考虑工艺实现难易问题。权衡工艺难度和振膜灵敏度的改善效果两个方面，采用低应力薄膜与衬底局部相连是不错的方法。美国专利5,452,268、5,146,435、中国公开专利200410100283.3以及文献(The11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators，Munich Germany，June，10-14，2001)皆描述了利用不同形状悬梁结构释放振膜残余应力的方法提高振膜的机械灵敏度，悬梁中都有直角结构。残余应力通过悬梁部分释放，但悬梁直角结构处的应力集中，容易发生断裂以及扭曲变形。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有传声器芯片技术中存在的问题，主要针对如何释放振膜中残余应力及悬梁结构应力集中的问题，提出了一种具有波纹状悬梁结构的振膜，振膜和背极形成的电容式结构。声波使振膜产生振动，通过电容结构把振动信号转换成电信号。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种半导体传声器芯片，为振膜在上、背极在下的结构，包括振膜、支撑、背极以及基底：
基底中间有背腔，基底上表面与背极下表面绝缘式固接；
背极上在背腔范围内有声孔，背极上表面与框式支撑下表面绝缘式固接，框式支撑的中孔大于背腔的内径；
支撑的上表面与振膜边框下表面相连；其振膜周边通过波纹状悬梁与边框、支撑相连，振膜周边内侧设有阵列排列的微凹和小孔，微凹向下凸起，与背极上表面之间有间隙；
在对振膜和背极组成的电容式结构加电压时，微凹防止振膜与背极粘连及减少悬梁处漏声；在制作传声器芯片时，小孔配合背极上声孔释放振膜和背极之间原有的牺牲层。
所述的传声器芯片，其所述基底为半导体材料硅。
所述的传声器芯片，其所述支撑为绝缘材料。
所述的传声器芯片，其所述绝缘材料为氧化硅。
所述的传声器芯片，其所述振膜为圆形或多角形。
所述的传声器芯片，其所述振膜上阵列排列的微凹和小孔，是交替排列；微凹和小孔为方形或圆形；小孔小于背极上的声孔；微凹和振膜为一体形成。
所述的传声器芯片，其所述振膜周边与波纹状悬梁之间至少有四个接触点。
所述的传声器芯片，其所述振膜或为绝缘材料制作，其表面设有薄模电极，薄模电极在微凹围成的范围之内，整个背极为导电层。
所述的传声器芯片，其所述背极或为绝缘材料制作，其表面设有薄模电极，薄模电极位于微凹在背极上投影限定的范围内，整个振膜为导电层。
所述的传声器芯片，其所述振膜和背极或都为绝缘材料制作，其表面各设有薄模电极，两薄模电极中心相对，振膜的薄模电极在微凹围成的范围之内，同时背极的薄模电极位于微凹在背极上投影限定的范围内。
本发明的波纹状悬梁连接振膜和周围边框，振膜上的残余应力通过波纹状悬梁在振膜的径向的变形来释放，悬梁部分不存在直角结构，皆为平滑的曲线，悬梁上应力分布不集中，解决了由于应力集中而造成悬梁破裂和变形的问题。
与无悬梁的振膜相比，施加工作电压后，上述振膜容易和背极粘连，利用微机电(MEMS)常用工艺在振膜边缘制作阵列排布的微凹用来保持加电后振膜与背极的距离，防止振膜与背极粘连；另外，悬梁处有空隙，会产生漏声，影响传声器低频灵敏度，制作密集分布的微凹可以减小悬梁处的漏声。
为了减小振膜振动时的声阻，在背极上制作声孔。本发明中声孔分布区域小于振膜覆盖区域，位于微凹在背极上投影的范围之内，其目的也是减小漏声。在振膜的边缘设置一些小孔，配合背极声孔释放振膜和背极之间原有的牺牲层。声孔分布形状与背极上声孔分布形状有关，两者上下分布互补。
此结构硅传声器芯片具有高灵敏度、低噪声、宽频带特性。
附图说明
图1为本发明电容式传声器芯片结构剖面图；
图2为本发明中圆形振膜电容式传声器芯片俯视图；
图3为本发明中多角形振膜电容式传声器芯片俯视图；
图4为本发明电容式硅传声器芯片仰视图；
图5a、图5b、图5c为本发明薄模电极分布示意图。
具体实施方式
本发明有多种不同形式的实施例，附图所示为本发明一优选实例，对此实例进行详细说明。
如图1所示，为本发明的电容式传声器芯片，其结构从上而下包括：振膜21、支撑22、背极23、基底24。振膜21和背极23为导电材料制作，形成电容结构；振膜21通过波纹状悬梁25(参见图2、图3)与支撑22相连；背极23上有声孔26；基底24中心部有背腔27，声孔26位于背腔27的范围内。
如图2所示，振膜21通过悬梁25与边框、支撑22相连，悬梁25为波纹状结构，振膜21为圆形结构。波纹状悬梁25和振膜21均匀相连，振膜21受到悬梁25的力均匀分布，振膜21不易变形和破裂，同时悬梁25呈波纹状，没有直角结构，悬梁25上应力分布不会集中。在振膜21残余应力的作用下，波纹状悬梁25在振膜21径向上产生微变形，这种微变形释放了振膜21上的残余应力。这种悬梁结构的释放效果主要与悬梁25的宽度以及悬梁25与振膜21连接点的数量有关，波纹状悬梁25的宽度越窄、接触点的数量越少，振膜残余应力释放效果越好，接触点的数量至少4个。
为了防止发明中电容结构加电粘连，在振膜21边缘上设有微凹28。微凹28和振膜21为一体，且微凹28与背极23分离，为微机电(MEMS)常用加工工艺形成的。微凹28成阵列状排布，为方形或圆形，密集微凹28可以有效的减小漏声。在微凹28阵列中间夹着阵列排布的小孔29，小孔29为方形或圆形，小孔29配合背极上声孔26去掉原来夹在振膜21与背极23之间的牺牲层，振膜上小孔29要小于背极上的声孔26。
振膜21的形状除了可以做成图2所示的圆形形状，也可以做成图3所示的多角形形状。这里以图2所示形状为例进行阐述，但是不局限于此。
支撑22为绝缘体，可以是半导体材料氧化硅。背极23下表面与基底24非导电相连。背极23设有方形或者圆形的声孔26，声孔26设在微凹28在背极上投影的范围内，声孔26的作用是在振膜21振动过程中减小声阻，背极23硬度要远远大于振膜21，在振膜21接受声波振动时，背极23要保持“刚性”。
基底24可以为半导体材料硅，对于硅材料基底24中心部的背腔27用体硅腐蚀工艺形成，声孔26在背腔27范围内，如图4所示。
为了形成电容，在振膜21和背极23包括导电电极，为了减小寄生电容及保证两电极之间的绝缘，两个电极中心相对，且在微凹28区域以及之外的区域不重叠。具体可以采取下面三种结构：
如图5a所示，振膜21的电极30在微凹28围成的范围之内，整个背极23为导电层；
如图5b所示，背极23的电极31位于微凹28在背极上投影限定的范围内，整个振膜21为导电层；
如图5c所示，振膜21的电极30在微凹28围成的范围之内，同时背极23的电极31位于微凹28在背极上投影限定的范围内。
本发明振膜21硬度远远小于背极23的硬度，在声波的作用下，振膜21产生振动，振膜21的电极30和背极23的电极31形成的电容容值发生变化，其变化量反应出声音的强弱。
Claims (10)
1.一种半导体传声器芯片，为振膜在上、背极在下的结构，包括振膜、支撑、背极以及基底：
基底中间有背腔，基底上表面与背极下表面绝缘式固接；
背极上在背腔范围内有声孔，背极上表面与框式支撑下表面绝缘式固接，框式支撑的中孔大于背腔的内径；
支撑的上表面与振膜边框下表面相连；其特征在于：
振膜周边通过波纹状悬梁与边框、支撑相连，振膜周边内侧设有阵列排列的微凹和小孔，微凹向下凸起，与背极上表面之间有间隙；
在对振膜和背极组成的电容式结构加电压时，微凹防止振膜与背极粘连及减少悬梁处漏声；在制作传声器芯片时，小孔配合背极上声孔释放振膜和背极之间原有的牺牲层。
2.如权利要求1所述的传声器芯片，其特征在于：所述基底为半导体材料硅。
3.如权利要求1所述的传声器芯片，其特征在于：所述支撑为绝缘材料。
4.如权利要求3所述的传声器芯片，其特征在于：所述绝缘材料为氧化硅。
5.如权利要求1所述的传声器芯片，其特征在于：所述振膜为圆形或多角形。
6.如权利要求1所述的传声器芯片，其特征在于：所述振膜上阵列排列的微凹和小孔，是交替排列；微凹和小孔为方形或圆形，小孔小于背极上的声孔；微凹和振膜为一体形成。
7.如权利要求1所述的传声器芯片，其特征在于：所述振膜周边与波纹状悬梁之间至少有四个接触点。
8、如权利要求1所述的传声器芯片，其特征在于：所述振膜或为绝缘材料制作，其表面设有薄模电极，薄模电极在微凹围成的范围之内，整个背极为导电层。
9、如权利要求1所述的传声器芯片，其特征在于：所述背极或为绝缘材料制作，其表面设有薄模电极，薄模电极位于微凹在背极上投影限定的范围内，整个振膜为导电层。
10、如权利要求1所述的传声器芯片，其特征在于：所述振膜和背极或都为绝缘材料制作，其表面各设有薄模电极，两薄模电极中心相对，振膜的薄模电极在微凹围成的范围之内，同时背极的薄模电极位于微凹在背极上投影限定的范围内。
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