CN101371614A - 用于电容式传声器隔膜的支撑设备 - Google Patents

Abstract

一种传声器，该传声器包括由基板支撑的隔膜组件。所述隔膜组件包括至少一个托架、隔膜、以及至少一个弹簧，所述弹簧将所述隔膜联接至所述至少一个托架使得所述隔膜与所述至少一个托架隔开。在所述基板和所述至少一个托架之间的绝缘体(或分离的绝缘体)使所述隔膜和所述基板电绝缘。

Description

用于电容式传声器隔膜的支撑设备

技术领域

本发明总体上涉及传声器，更具体地，本发明涉及用于传声器隔膜的支架。

背景技术

微机电系统(“MEMS”，此后称为“MEMS”器件)被广泛用于各种应用中。例如，当前普遍实现MEMS器件作为传声器来将声频信号转换为电信号、作为陀螺仪来检测飞行器的俯仰角、以及作为加速度计来选择性地展开汽车中的气囊。用简化的术语讲，这种MEMS器件典型地具有悬挂在基板上的可动结构，以及关联电路，该关联电路感知悬挂结构的运动并将感知到的运动数据传送至一个或更多外部器件(例如，外部计算机)。外部器件处理感知数据以计算出被测量的特征(例如，俯仰角或加速度)。

MEMS传声器正日益用于更多数量的应用。例如，MEMS传声器经常用于便携式电话和其他此类器件。然而，要渗透更多市场，重要的是获得满意的灵敏度和与更多传统传声器匹配的信噪比。

MEMS传声器典型地包括薄隔膜电极和定位在薄隔膜电极旁边的固定的感知电极。隔膜电极和固定的感知电极与可变电容器的极板相似地起作用。传声器操作期间，电荷排列在隔膜电极和固定的感知电极上。当隔膜电极响应声波振动时，隔膜电极和固定的感知电极之间的距离变化引起与声波对应的电容变化。这些电容中的变化因此产生代表声波的电子信号。最终，可对该电子信号进行处理以将声波在例如扬声器上再现。

图1示出本领域公知的微传声器的总体结构。其中，该微传声器包括隔膜102和桥电极(即背板)104。隔膜102和背板104作为用于电容电路的电极起作用。如图所示，背板104可被穿孔以允许声波到达隔膜102。可选地或另外地，可使声波通过其他通道到达隔膜。任意情况下，声波都会引起隔膜振动，并且该振动可被感知作为隔膜102和桥104之间的电容变化。该微传声器典型地包括在隔膜102后面的实质空腔106以允许隔膜102自由移动。

许多MEMS传声器采用完全锚固在其周缘的隔膜，与鼓的头部类似。这种隔膜会出现很多问题。例如，在有声波的情况下，这种隔膜倾向于弯曲而不会上下一致地移动，如图2A所示。这种弯曲会消极地影响传声器的灵敏度，特别是由于内张力以及隔膜部分和固定的感知电极部分之间的距离变化引起的隔膜的限量位移。这种隔膜也会受灵敏度至应力(例如，热膨胀)的影响，所述应力会扭曲隔膜的形状并会影响隔膜的机械完整性和传声器产生的声音质量。

某些MEMS传声器具有通过多个弹簧以可移动的方式与其基础固定构件(此后称为的“托架”)连接的隔膜。弹簧倾向于使隔膜上下一致地移动(即，与柱塞相似)，如图2B所示。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种传声器，具有：基板；由所述基板支撑的隔膜组件，所述隔膜组件包括至少一个托架、隔膜和将所述隔膜联接至所述至少一个托架的至少一个弹簧，所述隔膜与所述至少一个托架隔开；以及至少一个绝缘体，所述绝缘体在所述基板和所述至少一个托架之间以使所述隔膜和所述基板电绝缘。

各种可选实施方式中，所述基板和隔膜可电容耦合以形成可变电容器的固定板和可动板。各托架可联接至绝缘体，所述绝缘体与所述基板联接。所述隔膜可被穿孔和/或成波纹状。所述隔膜和所述至少一个托架之间的空间可在所述隔膜的标称平面中。所述隔膜可与所述至少一个托架应力隔离。所述至少一个托架可包括围绕所述隔膜的单个整体托架或可包括多个不同的托架。所述至少一个绝缘体可包括氧化物。所述隔膜组件可包括多晶硅。所述至少一个绝缘体可直接或间接地形成在所述基板上，并且所述至少一个托架可直接或间接地形成在所述至少一个绝缘体上。所述基板可由绝缘硅晶片的硅层形成。所述基板可包括多个通孔，该情况下所述通孔可允许声波从所述基板的背侧到达所述隔膜。该传声器可包括响应于隔膜运动产生信号的电子电路。该电子电路可直接或间接地形成在所述基板上。

根据本发明的另一方面，提供一种传声器，该传声器包括：基板；隔膜；用于以可移动的方式将所述隔膜联接至所述基板的支撑装置，该支撑装置包括用于与所述基板固定联接的托架装置和用于以可移动的方式将所述隔膜联接至所述托架装置并将所述隔膜与所述托架装置隔开的悬挂装置；以及用于使所述隔膜和所述基板电绝缘的绝缘体装置。

各种可选实施方式中，所述传声器可进一步包括用于将所述基板和所述隔膜电容耦合以形成可变电容器的固定板和可动板的装置。所述传声器可另外地或可选地包括用于允许声波从所述基板的背侧到达所述隔膜的装置。所述传声器可另外地或可选地包括用于响应于隔膜运动产生信号的装置。

附图说明

从以下参照附图对本发明的进一步的说明可更充分地理解本发明的前述优点，其中：

图1示出本领域公知的微传声器的总体结构；

图2A示意性地示出鼓状MEMS传声器隔膜的弯曲动作；

图2B示意性地示出附有弹簧的MEMS传声器隔膜的柱塞式动作；

图3示意性地示出可根据本发明的说明性的实施方式生产的MEMS传声器；

图4示意性地示出根据本发明的说明性的实施方式构形的图3的传声器的平面图；

图5示出根据示例性实施方式构形的具体的传声器的平面图照片；

图6示出在图5中示出的弹簧的局部放大平面图图片；

图7示意性地示出根据本发明的说明性的实施方式构形的传声器的横截面视图和局部俯视图，所述隔膜处于未释放状态；并且

图8示意性地示出根据本发明的说明性的实施方式构形的传声器的横截面视图和局部俯视图，所述隔膜处于释放状态。

为了便于解释特定图的黑白复印件，用下列图例识别不同的材料：“S”表示单晶硅；“O”表示氧化物；“P”表示多晶硅；“M”表示金属；并且“Pass”表示钝化材料诸如氮化物。

除非上下文另有提示，相似元件用相似数字表示。同样，除非另有所指，附图不必按比例绘制。

具体实施方式

本发明的实施方式中，MEMS传声器包括由基板支撑的隔膜组件。该隔膜组件包括至少一个托架、隔膜、以及至少一个弹簧，所述弹簧将所述隔膜联接至所述至少一个托架使得所述隔膜与所述至少一个托架隔开。在所述基板和所述至少一个托架之间的绝缘体(或分离的绝缘体)使所述隔膜和所述基板电绝缘。所述托架可被直接联接至所述绝缘体并且所述绝缘体可被直接联接至所述基板；可选地，一种或多种另外的材料可将所述绝缘体与所述基板和/或所述托架分开。在所述隔膜和所述基板互相电绝缘的情况下，所述隔膜和所述基板可电容耦合并因此可用作可变电容器的两个极板以将声频信号转换为电信号。

图3示意性地示出根据本发明的说明性的实施方式的未封装的MEMS传声器10(也称为“传声器芯片10”)。其中，传声器10包括支撑并与包括隔膜14的隔膜组件形成可变电容器的固定的背板12(所述隔膜组件和背板12的连接细节在下面讨论)。说明性的实施方式中，背板12由单晶硅形成，包括隔膜14的隔膜组件由沉积的多晶硅形成，并且背板12和所述隔膜组件之间的绝缘体由氧化物形成。该示例中，背板12由绝缘硅(SOI)晶片20的顶部硅层形成所以靠在基础氧化物层和基部硅层上。为了便于操作，背板12具有多个通孔16，通孔16通向经过所述基础氧化物层和基部硅层形成的背侧空腔18。使用和封装传声器10使得声波经背侧空腔18和通孔16到达隔膜14。

音频信号引起隔膜14振动，因此产生变化的电容。片上电路或片下电路将该变化的电容转换成可进一步处理的电信号。要注意的是对图3所示的传声器10的讨论只是出于说明的目的。因此可与本发明的说明性的实施方式一起采用具有与图3所示的传声器10类似或不类似的结构的其他MEMS传声器。

图4示意性地示出根据说明性的实施方式构形的传声器10的平面图。该示例性的传声器10具有许多与图3所示的特征相同的特征。具体地，如图所示，传声器10包括基板20，基板20具有多个托架22(该实例中是四个托架)，托架22经由多个弹簧24支撑隔膜14。与隔膜14不相似的是，每个托架22与基板20固定联接。说明性的实施方式中，电绝缘材料(例如，氧化物)层将每个托架22联接至基板20并使每个托架22与基板20电绝缘。

其中，这种布置在至少一个托架22和隔膜14之间形成膨胀空间26。因此，如果受到应力，隔膜14可自由膨胀到该空间26内。相应地，在预期的应力下，隔膜14不会与托架22机械接触(这种接触会降低系统性能)。

图5示出根据说明性的实施方式构形的具体的传声器10的平面图照片，而图6示出图5所示的一个弹簧24的局部放大平面图图片。要注意的是具体的传声器10是本发明的各种实施方式的示例。相应地，不应认为对具体组件的讨论诸如弹簧24的形状和数量是对本发明各种实施方式的限制。

如图所示，传声器10具有圆环形隔膜14和四个径向延伸但是周向成形的弹簧24，弹簧24在(多个)托架22和隔膜14的外周缘之间形成空间26。该示例中，所述隔膜组件包括围绕隔膜14的单个整体托架22。除设置提到的膨胀空间26外，弹簧24也应在向下移动时减轻隔膜弯曲(即，在隔膜14从其顶部看呈凹状时)。相应地，由此，隔膜14应与不具有空间26或弹簧24的现有技术相比以更一致的方式向基板20移动。例如，隔膜14可以接近柱塞的方式上下移动。相应地，隔膜14应可更自如地上下移动，并且隔膜14的内表面的更多区域应可用来产生基础信号。

图7示意性地示出根据本发明的说明性的实施方式构形的传声器10的横截面视图和局部俯视图，所述隔膜处于未释放状态。该图示意性地示出上述的多个特征，诸如隔膜14和基板20之间的空间，以及隔膜14和托架22之间的空间。该图中，示出所述隔膜具有氧化物下层，该氧化物下层后来被移除以释放所述隔膜。图8示意性地示出根据本发明的说明性的实施方式构形的传声器的横截面视图和局部俯视图，所述隔膜处于释放状态(即，已将所述氧化物下层移除)。

本发明的特定实施方式中，微传声器可由硅或绝缘硅(SOI)晶片形成。如本领域所公知，SOI晶片包括通常称为器件层的顶部硅层、中间绝缘体(氧化物)层和典型地比所述顶部硅层厚很多(例如，大约650微米)的底部硅层。由硅或SOI晶片形成的顶层在本发明的某些实施方式中可较薄(例如，大约10微米厚)或在其他实施方式中较厚(例如，大约50微米厚)。本发明的特定实施方式中，所述固定的感知电极(在此也称为“背板”)可由所述晶片的顶部硅层形成，并且所述隔膜可形成为悬挂在所述顶部硅层上方。穿孔可形成在所述固定的感知电极中以允许声波从所述晶片的底部到达所述隔膜。在所述顶部硅层的背侧上的绝缘层(例如，氧化物层)，可用作蚀刻停止层用于控制所述固定感知电极的加工，该绝缘层可以是SOI晶片的固有氧化物层或沉积在硅晶片上的氧化物层。

用于从SOI晶片形成微传声器的示例性工艺包括经过毛胚SOI晶片的顶部硅层至所述中间氧化物层内以及可选地经过至所述底部硅层的蚀刻沟槽。然后用氧化物垫衬所述沟槽。然后将多晶硅材料沉积以填充有衬沟槽并覆盖所述顶部硅。所述多晶硅材料被构图并蚀刻以形成各种后来将被移除的牺牲结构。将另外的氧化物材料沉积。多晶硅材料被沉积和构图以形成包括传声器隔膜和悬挂弹簧的隔膜组件。将氧化物沉积并蚀刻孔以暴露所述背板部分和隔膜组件部分。将金属沉积并构图以在所述隔膜上形成用于排列电荷的电极、在所述背板上形成用于排列电荷的电极、以及多个粘合衬垫。在粘合衬垫和所述电极之间可有多个电连接。然后将钝化层(例如，被氮化物层覆盖的氧化物层，所述氮化物层是用于集成电路的标准钝化层)沉积。蚀刻所述钝化层以暴露所述粘合衬垫并暴露所述隔膜。将光致抗蚀剂材料沉积然后构图以暴露未来底座区域。然后通过蚀刻移除所述未来底座区域上的氧化物。将剩余的光致抗蚀剂材料移除，并且通过包括蚀刻、碾磨和抛光的几种方法中的任一种使所述底部硅层可选地从大约650微米变薄至大约350微米。将光致抗蚀剂材料沉积在所述晶片的前侧上以形成光致抗蚀剂底座。也将光致抗蚀剂材料沉积在所述晶片的背侧上并构图以画出背侧空腔的轮廓。所述背侧空腔通过蚀刻掉所述底部硅层至所述中间氧化物层的一部分形成。示例性的实施方式中，封装后的所述背侧空腔体积大约是1立方毫米。将所述中间氧化物层在所述空腔内的一部分移除以暴露所述牺牲多晶硅结构。例如通过将所述多晶硅经过所述背侧空腔暴露在XeF₂气体中或另一种适合的硅刻蚀剂中将所述牺牲多晶硅结构移除。要注意的是XeF₂气体可能移除部分暴露的底部硅层，尽管这样通常是不期望的。例如通过放在适当的液体中将所述隔膜后面的氧化物移除。然后，例如在干蚀刻剂(非液体)中移除前侧的光致抗蚀剂材料(包括所述基座)。这样基本释放了所述隔膜和相关的结构。要注意的是所述底座用于在释放期间支撑脆弱的传声器结构并且不是在所有实施方式中都需要，特别是如果是用蒸汽HF而不是液体来移除所述氧化物。

用于从有规则的硅晶片形成微传声器的示例性工艺包括将氧化物层沉积在所述硅晶片上。然后，将多晶硅材料构图并蚀刻以形成所述隔膜组件。将氧化物材料沉积，并且蚀刻孔以暴露所述基板部分和所述隔膜组件部分。将金属沉积并构图以形成粘合衬垫和用于在所述传声器隔膜及背板上排列电荷的电极。在所述粘合衬垫和一个或多个所述电极之间可有电连接。将钝化层(例如，由氮化物层覆盖的氧化物层，所述氮化物层是用于集成电路的标准钝化层)沉积。将所述钝化层蚀刻以暴露所述粘合衬垫。将所述钝化层在所述传声器结构上方的部分移除并且将在所述多晶硅结构上方并且部分在所述多晶硅结构下方的氧化物移除以形成抗蚀剂底座区域。通过包括蚀刻、碾磨和抛光所述背侧的几种方法中的任一种使所述硅晶片的背侧可选地从大约650微米变薄至大约350微米，并且将一层氧化物沉积在所述晶片的背侧上。将光致抗蚀剂材料沉积在所述晶片的前侧上，并且将所述晶片背侧上的氧化物构图。将光致抗蚀剂材料沉积并构图在所述晶片的背侧上，并且沟槽蚀刻至所述硅晶片内。将所述光致抗蚀剂材料从所述前侧和背侧移除，并且在所述前侧上形成新的光致抗蚀剂材料层用于保护。然后用已存在的氧化物作为硬掩模在所述晶片的背侧蚀刻空腔。然后经过所述硅层进一步将所述沟槽蚀刻至所述传声器区域的抗蚀剂底座区域。例如通过暴露在HF气体中将经过所述空腔暴露的氧化物移除。将剩余的光致抗蚀剂材料从所述晶片的前侧移除，从而释放所述传声器结构。最后，可将硼硅玻璃对准并阳极粘合至所述晶片的背侧。可在粘合前在所述玻璃中对传声器孔进行超声切割。

也要注意的是这些描述的工艺只是示例性的。对于具体的实现而言，可采用更少的、另外的、或不同的步骤或工艺。某些情况下，与已描述的材料不同的材料可能适用于具体的步骤或工艺。实际上不可能描述可在本发明的各种实施方式中使用的材料和工艺的每一个组合和排列。因此，本发明旨在包括所有此类材料和工艺，所述材料和工艺包括已描述的材料和工艺的适当变体。此外，上述类型的微传声器可连同惯性传感器和/或电子电路一起形成在同一晶片上并可以多种形状因素封装。

也要注意的是本发明不限于任意具体形状、结构或组合的传声器隔膜。所述传声器可以是例如圆形的或方形的、实心的或穿有一个或多个孔、和/或扁平的或成波纹状。不同的隔膜结构可能需要与已描述的的工艺不同的或另外的工艺。例如，另外的工艺可用于在所述隔膜中形成孔或波纹。上述各种实施方式中，所述隔膜组件是多晶硅，但是也可以使用其他材料。

也要注意的是本发明不限于任意具体类型或数量的用于将所述隔膜联接至所述至少一个托架的弹簧。本发明的实施方式可使用不同类型和数量的弹簧。

也要注意的是本发明不限于任意具体类型的在所述基板和所述至少一个托架之间的绝缘体。上述各种实施方式中，所述绝缘体是一种氧化物，但是也可使用其他类型的绝缘体。

也要注意的是本发明不限于任意具体类型的封装。

尽管以上讨论披露了本发明的各种示例性实施方式，但对本领域的技术人员显而易见的是在不偏离本发明的真实范围的情况下可作出将实现本发明某些优点的各种变型。

Claims (22)

1.一种传声器，包括：

基板；

由所述基板支撑的隔膜组件，所述隔膜组件包括至少一个托架、隔膜、以及将所述隔膜联接至所述至少一个托架的至少一个弹簧，所述隔膜与所述至少一个托架隔开；以及

至少一个绝缘体，所述至少一个绝缘体位于所述基板和所述至少一个托架之间，以使所述隔膜和所述基板电绝缘。

2.如权利要求1所述的传声器，其中所述基板和所述隔膜电容耦合，以形成可变电容器的固定板和可动板。

3.如权利要求1所述的传声器，其中每个托架都联接至绝缘体，并且该绝缘体联接至所述基板。

4.如权利要求1所述的传声器，其中所述隔膜被穿孔。

5.如权利要求1所述的传声器，其中所述隔膜成波纹状。

6.如权利要求1所述的传声器，其中所述隔膜在不弯曲时具有一平面，所述至少一个弹簧在所述隔膜的平面的方向上在所述隔膜和所述至少一个托架之间产生空间。

7.如权利要求1所述的传声器，其中所述隔膜与所述至少一个托架应力隔离。

8.如权利要求1所述的传声器，其中所述至少一个托架包括围绕所述隔膜的单个整体托架。

9.如权利要求1所述的传声器，其中所述至少一个托架包括多个不同的托架。

10.如权利要求1所述的传声器，其中所述至少一个绝缘体包括氧化物。

11.如权利要求1所述的传声器，其中所述隔膜组件包括多晶硅。

12.如权利要求1所述的传声器，其中所述至少一个绝缘体直接或间接地形成在所述基板上。

13.如权利要求12所述的传声器，其中所述至少一个托架直接或间接地形成在所述至少一个绝缘体上。

14.如权利要求1所述的传声器，其中所述基板由绝缘硅晶片的硅层形成。

15.如权利要求1所述的传声器，其中所述基板包括若干通孔。

16.如权利要求15所述的传声器，其中所述通孔允许声波从所述基板的背侧到达所述隔膜。

17.如权利要求1所述的传声器，进一步包括响应于隔膜运动产生信号的电子电路。

18.如权利要求17所述的传声器，其中所述电子电路直接或间接地形成在所述基板上。

19.一种传声器，包括：

基板；

隔膜；

用于以可移动的方式将所述隔膜联接至所述基板的支撑装置，所述支撑装置包括托架装置和悬挂装置，所述托架装置用于与所述基板固定联接，所述悬挂装置用于以可移动的方式将所述隔膜联接至所述托架装置并将所述隔膜与所述托架装置隔开；以及

绝缘体装置，所述绝缘体装置用于使所述隔膜和所述基板电绝缘。

20.如权利要求19所述的传声器，进一步包括用于将所述基板和所述隔膜电容耦合以形成可变电容器的固定板和可动板的装置。

21.如权利要求19所述的传声器，进一步包括用于允许声波从所述基板的背侧到达所述隔膜的装置。

22.如权利要求19所述的传声器，进一步包括用于响应于隔膜运动产生信号的装置。

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