CN101141832A - 单膜电容式传声器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明单膜电容式传声器芯片，涉及传声器技术，是一种单膜电容式传声器，利用单膜和基底形成电容结构。振膜通过悬梁的悬梁边框与悬梁支撑上表面相连，形成悬梁、振膜不在同一平面的立体振动结构；悬梁柔软，振膜坚硬，振动时，变形主要集中在悬梁上，振膜基本保持平动；振膜边缘设有的无数小孔改善频响特性，同时作腐蚀孔；另外，芯片上制作防震荡止挡。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，容易批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及传声器技术领域，特别是一种单膜电容式传声器芯片。
背景技术
半导体传声器芯片研究已有20多年的历史了，期间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。
对于电容式硅传声器，目前的报导和专利，多采用双膜电容结构，在硅片上利用微机械加工技术制作振膜和背极双膜，形成电容结构，其振膜柔软，背极坚硬。在声压的作用下，振膜产生形变，振膜与背极之间的电容值发生变化，电容变化值反映出声压的大小。对于单膜电容式硅传声器的研究、报导罕见，文献Fabrication ofsilicon condenser microphoneusing single wafer technology，Journal of microelectromechanical systems，VOL.1.No.3，1992，p147-154，报导了一种单膜电容式硅传声器，利用单膜和硅基底形成电容结构，单膜——振膜在声压的作用下，产生形变，感应声压大小。双膜电容式半导体传声器要在基底上制作双层自由薄膜，制作工艺比较复杂，而且面临着解决“软背极”、粘连等工艺问题。与双膜电容式半导体传声器相比，单膜电容式半导体传声器结构简单，容易实现，但已报导的单膜半导体电容式传声器存在着不足，主要表现在：一、灵敏度底：硅基底充当背极的功能，考虑声学要求，在基底上要留有声孔，受工艺限制，声孔位置须正对振膜的中间区域，而振膜的中间区域机械灵敏度高，边缘低，振膜中间位置的浪费，降低了传声器灵敏度，二、频响特性差：声孔只是正对振膜的中间，振膜振动时传声器有较差的频响特性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有单膜电容式传声器芯片技术中存在的问题，针对当前单膜电容式半导体传声器结构设计中存在的不足，提出了一种新结构，主要包括：悬梁、振膜、支撑、基底，基底之上是支撑、支撑之上是振膜与悬梁构成的振动结构，在基底正对振膜中部有一背腔，振膜边缘有复数个小孔。这种新结构，振膜被柔软的悬梁连接，振膜各处振动幅度一致，提高了灵敏度；振膜边缘设有无数小孔改善了频响特性。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种单膜电容式传声器芯片，为半导体传声器芯片，包括基底、悬梁支撑、止挡支撑、振膜、悬梁、止挡边框、悬梁边框以及上、下电极；
其中，基底中心有一贯通孔，为背腔，基底上表面固连有框状止挡支撑，止挡支撑上表面固连有框状止挡边框，止挡支撑中心和止挡边框中心的贯通孔相似，孔径大于背腔上口；
在止挡支撑中心和止挡边框中心的贯通孔周边设有贯通凹槽，在止挡支撑和止挡边框的一侧有贯通孔，贯通孔内基底上表面设有下电极；
振膜覆于背腔上，位于止挡支撑的中心贯通孔内，振膜边缘部分有多数个小孔，中心部与悬梁的一端导电固结；悬梁的另一端有悬梁边框，悬梁边框位于止挡支撑中心贯通孔周边的贯通凹槽内，其上表面固设有上电极，下表面与悬梁支撑绝缘式相连，悬梁支撑下表面绝缘式固接于基底上；
其振膜通过悬梁和悬梁的悬梁边框与悬梁支撑上表面相连，形成悬梁、振膜不在同一平面的立体振动结构；
振膜、悬梁和悬梁边框为导电层或者包含导电层的复合层；
悬梁柔软，振膜坚硬，在振动时，变形主要集中在悬梁上，振膜基本保持竖直方向的平动；
振膜中心与背腔上开口中心上下相对，振膜大于背腔上开口面积，振膜边缘部分有多数个小孔，小孔在背腔上开口以外的区域，小孔用于改善频响特性，同时作为腐蚀孔；
止挡边框上设有止挡，以防止芯片震荡时振膜脱落。
所述的单膜电容式传声器芯片，其所述基底为电阻率小于10-2Ω.cm的半导体材料硅。
所述的单膜电容式传声器芯片，其所述悬梁支撑与止挡支撑为绝缘材料。
所述的单膜电容式传声器芯片，其所述绝缘材料为氧化硅，是LTO、PSG、TEOS。
所述的单膜电容式传声器芯片，其所述悬梁、振膜不在同一平面的立体振动结构，为振膜在悬梁之下。
所述的单膜电容式传声器芯片，其所述悬梁、振膜不在同一平面的立体振动结构，为振膜在悬梁之上。
所述的单膜电容式传声器芯片，其所述振膜、悬梁、悬梁边框为掺磷或掺硼的多晶硅。
所述的单膜电容式传声器芯片，其所述悬梁为条状直梁。
所述的单膜电容式传声器芯片，其所述止挡，是在止挡边框中心的贯通孔周缘，均匀设有多数个向孔内水平伸进的齿状防震荡止挡，止挡位于振膜边缘部分的多数个小孔上方，其投影在振膜边缘部分以内，与振膜之间有空隙。
所述的单膜电容式传声器芯片，其所述止挡，是在止挡支撑中心和止挡边框中心的贯通孔周边的贯通凹槽通道上，设置多数个条状防震荡止挡，止挡两端与止挡边框固连，位于悬梁之上，与悬梁之间有空隙。
所述的单膜电容式传声器芯片，其所述振膜上，对振膜与悬梁连接点以内的区域，进行加厚。
所述的单膜电容式传声器芯片，其所述振膜和悬梁之间的间距为1-2微米。
本发明主要针对如何提高传声器芯片的灵敏度以及改善其频响特性，提出了一种具有特殊悬挂结构的单膜电容式传声器芯片，本发明芯片的悬梁和振膜不在同一平面，为立体结构，悬梁的位置在振膜之上或之下，悬梁连接振膜和周围边框，形成了振膜被悬梁支撑的结构，这种结构在振动时变形集中在柔软的悬梁上，振膜在振动方向上基本上保持平动，振膜各处机械灵敏度基本相同。
现有振膜边缘与基底之间有很小的间距，将导致传声器有较差的频响特性。本发明在振膜边缘设计复数个小孔用于改善频响特性，同时在工艺过程中这些小孔也作为腐蚀孔，通过小孔腐蚀振膜之下原有的牺牲层。
本发明由悬梁连接振膜和芯片基底，为了达到希望的灵敏度，悬梁结构很柔软，若芯片跌落，振膜容易发生脱落，本发明设计了抗震荡止挡。
本发明的硅传声器芯片结构，具有制作工艺简单，高灵敏度、低噪声、宽频带特性。
附图说明
图1为本发明单膜电容式传声器芯片俯视图；
图2为本发明单膜电容式传声器芯片沿图1虚线的剖面图；
图3为本发明单膜电容式硅传声器芯片仰视图；
图4为本发明另一种单膜电容式传声器芯片俯视图；
图5为本发明另一种单膜电容式传声器芯片沿图4虚线的剖面图；
图6为本发明另一种单膜电容式传声器芯片振膜层仰视图。
具体实施方式
本发明有多种不同形式的实施例，附图1-6所示为本发明两优选实例，下面对这两个实例进行详细说明。
实施例一
如图1-3所示为本发明实施例一，是本发明的一种单膜电容式传声器芯片结构，如图1、图2所示，其特点为悬梁在上、振膜在下的单膜结构，自下而上为：基底21、悬梁支撑22、止挡支撑23、振膜24、悬梁25及悬梁边框26、止挡27及止挡边框28，另外还有下电极29、上电极30，振膜24边缘和基底21构成电容结构。
其中，基底21中心有贯通孔，为背腔31，基底21上表面固连有框状止挡支撑23，止挡支撑23上表面固连有框状止挡边框28，止挡支撑23中心和止挡边框28中心的方形贯通孔相似，孔径大于背腔31上口。在止挡支撑23中心和止挡边框28中心的贯通孔周边四角设有贯通凹槽，在止挡支撑23和止挡边框28的一侧有贯通孔33。贯通孔33内基底21上表面设有下电极29。
振膜24覆于背腔31上，位于止挡支撑23的中心方形贯通孔内，振膜24和基底21之间有2-4um的间隙。振膜24边缘部分有复数个小孔32，中心部四角上表面分别与条形悬梁25的一端导电固结，构成立体振动结构，振膜24和悬梁25之间有1-2um的间隙；悬梁25的另一端有悬梁边框26，悬梁边框26位于止挡支撑23中心贯通孔四角的贯通凹槽内，其上表面固设有上电极30，下表面与悬梁支撑22非导电相连，悬梁支撑22非导电的固接于基底21上。
在止挡边框28中心的贯通孔周缘，均匀设有多数个向孔内水平伸进的齿状防震荡止挡27，止挡27位于振膜24边缘部分的复数个小孔32上方。
背腔31中心和振膜24的中心相对，背腔31上开口要小于振膜24面积。振膜24、悬梁25和基底21为导电材料或者包括导电层，振膜24与基底21在背腔31以外的区域形成电容，振膜24通过悬梁25与上电极30导电连接，下电极29和基底21导电连接。
基底21为半导体材料，可以是硅，为了形成上述的电容结构，基底21作为电容结构的一个电极板，要求具有良好的导电性，制作时选择电阻率小于10-2Ω.cm的硅片，或者对表面掺磷或者硼，形成n型或者p型导电层。对于硅材料基底21中心部的背腔31用体硅腐蚀工艺形成，如图3所示。
悬梁支撑22和止挡支撑23为绝缘体，可以是半导体材料氧化硅，氧化硅可以采用LTO、PSG、TEOS。
悬梁25可以是多种形状，这里以直梁为例，悬梁25由四个直梁组成，直梁的一端与振膜24中心部上表面固结；另一端和悬梁边框26相连，悬梁边框26与悬梁支撑22的上表面固结，为了减小寄生电容，减小悬梁边框26的面积。悬梁25和悬梁边框26选用的导电材料，可以是多晶硅，通过掺磷或者硼，形成n型或者p型导电层。
振膜24和悬梁25导电固结，振膜24在悬梁25连接点以内的区域，通过工艺实现，进行加厚，保证悬梁25振动时，振膜24保持良好的刚性，在振膜24边缘有复数个小孔32，小孔32位于背腔31上开口以外的区域。小孔32的作用是在振膜24振动时改善频响特性，同时，也可以作为腐蚀振膜24边缘和基底21之间原有牺牲层的牺牲孔。振膜24可以选用多晶硅，通过掺磷或者硼，形成n型或者p型导电层，作为电容的一个电极板。
为了保证芯片在震荡的时候，有抗冲击的能力，制作防震荡止挡27，止挡27和振膜24之间有空隙，止挡27垂直投影落在振膜24边缘以内。
当芯片受到声压的作用时，振膜24把受到的力传递给悬梁25，悬梁25产生变形，由于变形主要集中在悬梁25上，振膜24的在竖直方向上几乎保持平动。振膜24的变形量转换成电容值的变化，从而实现传感器的功能。
实施例二
如图4-6所示为本发明实施例二，是本发明中另一种单膜电容式传声器结构，如图4、图5所示，基本结构和所用材料与实施例一相同，自下而上为：基底21、悬梁支撑22、止挡支撑23、悬梁25和悬梁边框26、振膜24、止挡27及止挡边框28，另外还有下电极29、上电极30，振膜24边缘和基底21构成电容结构。其特点为振膜24在上、悬梁25在下的单膜结构，是将实施例一中的振膜24与悬梁25的结构，上下表面倒置，使悬梁25处于振膜24的下方。同时，将在止挡边框28中心的贯通孔周缘，均匀设置的多数个向孔内水平伸进的齿状防震荡止挡27去除，而在止挡支撑23中心和止挡边框28中心的贯通孔周边四角的贯通凹槽通道36上，设置多数个条状防震荡止挡27，止挡27两端与止挡边框28固连，位于悬梁25的上方。防震荡止挡27和悬梁25之间有空隙。
基底21为半导体材料，可以是硅，为了形成电容结构，基底21作为电容结构的一个电极板，要求具有良好的导电性，制作时选择电阻率小于10-2Ω.cm的硅片或者对表面掺磷或者硼，形成n型或者p型导电层。对于硅材料基底21中心部的背腔31用体硅腐蚀工艺形成，如图6所示。背腔31中心和振膜24的中心相对，背腔31上开口要小于振膜24的面积。
振膜24通过悬梁25与悬梁边框26、悬梁支撑22相连。悬梁25可以是多种形状，这里以直梁为例，悬梁25由四个直梁组成，直梁的一端与振膜24下表面固结；另一端和悬梁边框26相连，悬梁边框26与悬梁支撑22的上表面固结，为了减小寄生电容，减小悬梁边框26的面积。悬梁25和悬梁边框26选用导电材料，可以是多晶硅，通过掺磷或者硼，形成n型或者p型导电层。悬梁25和基底21之间的间距为1-2微米。
振膜24和悬梁25导电固结，振膜24在悬梁连接点以内的区域，通过工艺实现，进行加厚，保证悬梁25振动时，振膜24保持良好的刚性。在振膜24边缘部分有复数个小孔32，小孔32位于背腔31上开口以外的区域。小孔32的作用是在振膜24振动时改善频响特性，同时也可以作为腐蚀振膜24边缘和悬梁25、基底21之间原有牺牲层的牺牲孔。振膜24可以选用多晶硅，通过掺磷或者硼，形成n型或者p型导电层，作为电容的一个电极板。振膜24和悬梁25之间的间距为1-2微米。
当芯片受到声压的作用时，振膜24把受到的力传递给悬梁25，悬梁25产生变形，由于变形主要集中在悬梁25上，振膜24的在竖直方向上几乎保持平动。振膜24的平动位移量转换成电容值的变化，从而实现传感器的功能。
Claims (12)
1.一种单膜电容式传声器芯片，为半导体传声器芯片，包括基底、悬梁支撑、止挡支撑、振膜、悬梁、止挡边框、悬梁边框以及上、下电极；
其中，基底中心有一贯通孔，为背腔，基底上表面固连有框状止挡支撑，止挡支撑上表面固连有框状止挡边框，止挡支撑中心和止挡边框中心的贯通孔相似，孔径大于背腔上口；
在止挡支撑中心和止挡边框中心的贯通孔周边设有贯通凹槽，在止挡支撑和止挡边框的一侧有贯通孔，贯通孔内基底上表面设有下电极；
振膜覆于背腔上，位于止挡支撑的中心贯通孔内，振膜边缘部分有多数个小孔，中心部与悬梁的一端导电固结；悬梁的另一端有悬梁边框，悬梁边框位于止挡支撑中心贯通孔周边的贯通凹槽内，其上表面固设有上电极，下表面与悬梁支撑绝缘式相连，悬梁支撑下表面绝缘式固接于基底上；
其特征在于：
振膜通过悬梁和悬梁的悬梁边框与悬梁支撑上表面相连，形成悬梁、振膜不在同一平面的立体振动结构；
振膜、悬梁和悬梁边框为导电层或者包含导电层的复合层；
悬梁柔软，振膜坚硬，在振动时，变形主要集中在悬梁上，振膜基本保持竖直方向的平动；
振膜中心与背腔上开口中心上下相对，振膜大于背腔上开口面积，振膜边缘部分的多数个小孔在背腔上开口以外的区域，小孔用于改善频响特性，同时作为腐蚀孔；
止挡边框上设有止挡，以防止芯片震荡时振膜脱落。
2.如权利要求1所述的单膜电容式传声器芯片，其特征在于：所述基底为电阻率小于10-2Ω.cm的半导体材料硅。
3.如权利要求1所述的单膜电容式传声器芯片，其特征在于：所述悬梁支撑与止挡支撑为绝缘材料。
4.如权利要求3所述的单膜电容式传声器芯片，其特征在于：所述绝缘材料为氧化硅，是LTO、PSG、TEOS。
5.如权利要求1所述的单膜电容式传声器芯片，其特征在于：所述悬梁、振膜不在同一平面的立体振动结构，为振膜在悬梁之下。
6.如权利要求1所述的单膜电容式传声器芯片，其特征在于：所述悬梁、振膜不在同一平面的立体振动结构，为振膜在悬梁之上。
7.如权利要求1所述的单膜电容式传声器芯片，其特征在于：所述振膜、悬梁、悬梁边框为掺磷或掺硼的多晶硅。
8.如权利要求1所述的单膜电容式传声器芯片，其特征在于：所述悬梁为条状直梁。
9.如权利要求1或5所述的单膜电容式传声器芯片，其特征在于：所述止挡，是在止挡边框中心的贯通孔周缘，均匀设有多数个向孔内水平伸进的齿状防震荡止挡，止挡位于振膜边缘部分的复数个小孔上方，其投影在振膜边缘部分以内，与振膜之间有空隙。
10.如权利要求1或6所述的单膜电容式传声器芯片，其特征在于：所述止挡，是在止挡支撑中心和止挡边框中心的贯通孔周边的贯通凹槽通道上，设置多数个条状防震荡止挡，止挡两端与止挡边框固连，位于悬梁之上，与悬梁之间有空隙。
11.如权利要求1或7所述的单膜电容式传声器芯片，其特征在于：所述振膜上，对振膜与悬梁连接点以内的区域，进行加厚。
12.如权利要求1、5或6所述的单膜电容式传声器芯片，其特征在于：所述振膜和悬梁之间的间距为1-2微米。
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