CN101489170A - 自检测硅微机械电容式麦克风及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
自检测硅微机械电容式麦克风,包括敏感膜和底板、硅基体;敏感膜的周边固定在硅基体上;底板上分布有通气孔,底板通过连接座固定在硅基体上,底板位于敏感膜的正上方,底板和敏感膜之间有空气隔层;各支板分别通过连接支座固定在硅基体上,支板分别通过连接支座与一引线端连接;敏感膜上设有敏感膜引线端。制备所述的麦克风的方法是:制备处三层的敏感膜;在敏感膜上干法刻蚀开引线窗口;制备形成空气隔层的空间;制备底板;在硅基体上腐蚀出声波传入通道;释放出敏感膜和第一支板、第二支板、第三支板。本发明具有能实现电学自检测、结构简单、成本低廉、有利于工业化大生产的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机械声学传感器及其制备方法,特别是一种自检测硅微机械电容式麦克风及其制备方法。
技术背景
采用微机械加工手段和微电子批量生产方式制作的微机械电容式麦克风具有体积小、成本低、高精度、可靠性高和批量制造等优点,因而具有较强的工业化应用前景。微机械电容式麦克风包括一个薄的导电敏感膜和一个坚硬的导电底板,分别作为电容式麦克风的两个电极,敏感膜和底板间存在一间隙,微机械电容式麦克风工作时,敏感膜感受声压,挠曲并发生振动,使麦克风工作电容发生变化,通过检测麦克风工作电容的变化来测量声音信号。
从90年代初期开始,全世界上许多高校和研究机构都积极地开展了硅微机械麦克风的研究,并有多种器件获得成功。W.Kuhnel和G.Hess在一块硅片上制作麦克风的敏感膜,在另一块硅片上制作麦克风的底板,采用键合的方式构成敏感膜和底板的间隙从而形成麦克风的工作电容(W.Kuhnel and G.Hess,Sensors and Actuators.vol.A32.pp.560-564.1992)。P.R.Scheeper,W.Olthuis和P.Bergveld在单一硅片上集成制作了硅微机械麦克风,采用牺牲层技术构成敏感膜和底板的间隙而形成麦克风的工作电容。(P.R.Scheeper,W.Olthuis,and P.Bergveld,Sensors andActuators,vol.A40,pp.179-186.1994)。
微机械电容式麦克风的技术性能指标主要有三个:灵敏度,频率带宽和最大直流偏置电压。传统的微机械电容式麦克风成品的性能指标检测较为复杂,灵敏度和频率带宽的检测采用声学检测的方法,具体的做法是将微机械电容式麦克风和标准的麦克风同时放入一标准的声源中,调节声源产生在不同声强和频率的声音信号,用专门的测量电路测出微机械电容式麦克风的电容变化。最大直流偏置电压的测量采用在麦克风电极两端加直流电压,用专门的仪器测量麦克风电容的变化,找出使麦克风电容突然增大的临界电压即为最大直流偏置电压。因此,针对于批量生产而言,传统的微机械电容式麦克风成品检测需要专门的检测设备,检测效率较为低下,不利于工业化大生产。
发明内容
为解决现有的微机械电容式麦克风成品检测需要专门的检测设备,成本高、检测效率较为低下的缺点,本发明提供了一种能实现电学自检测、结构简单、成本低廉、有利于工业化大生产的自检测硅微机械电容式麦克风及其制备方法。
自检测硅微机械电容式麦克风,包括作为电容极板的敏感膜和金属铜底板、设有声波传入通道的硅基体;所述的敏感膜的周边通过第一绝缘层固定在所述的硅基体上,所述的敏感膜的底面朝向所述的声波传入通道;所述的底板上分布有通气孔,所述的底板通过连接座固定在所述的硅基体上,所述的底板位于所述的敏感膜的正上方,所述的底板和所述的敏感膜之间有空气隔层;所述的连接座与所述的硅基体之间设有第二绝缘层;
其特征在于:所述的底板由第一支板、第二支板、第三支板拼接而成,所述的第一支板和所述的第二支板之间有第一间隙,所述的第二支板和第三支板之间有第二间隙;所述的支板分别通过连接支座固定在所述的硅基体上,所述的支板分别通过所述的连接支座与一引线端连接;所述的敏感膜上设有敏感膜引线端。
进一步,所述的通气孔呈蜂窝状排列。
进一步,所述的敏感膜为正方形,所述的底板的边长为所述的敏感膜的边长的80%。
进一步,所述的敏感膜依次包括第一氮化硅层、掺杂硼的多晶硅层,第二氮化硅层。
进一步,所述的绝缘层为氧化硅层。
进一步,所述的硅基体上设有封装接点。
所述的自检测硅微机械电容式麦克风的制备方法,包括一下几个步骤:
(1)在硅片的正面通过低压化学气相淀积(Low PressureChemical Vapour Deposition,简称LPCVD)一层3μm厚的低应力氧化硅,并致密化;紧接着LPCVD一层0.1μm厚的氮化硅;
(2)在所述的氮化硅的上再LPCVD一层0.4μm厚的多晶硅,用离子注入的方法在多晶硅中掺杂硼形成导电体;并将多晶硅干法刻蚀成正方形的敏感膜区域;
(3)在所述的多晶硅上再LPCVD另一层0.1μm厚的氮化硅从二形成三层的敏感膜;
(4)在硅片背面干法刻蚀开背面腐蚀窗口,硅片正面的敏感膜上干法刻蚀开引线窗口;
(5)将2.5μm厚的光刻胶FH6800L作为牺牲层涂在硅片正面,光刻形成图形,用来构成麦克风敏感膜与底板之间的间隙;
(6)在牺牲层光刻胶图形上溅射50nm钛和300nm铜作为电镀金属的粘结层和种子层,在种子层铜上涂20μm厚的电镀模型胶4620,光刻形成图形,用低温电镀铜技术电镀生成15μm厚的第一支板、第二支板、第三支板;
(7)用夹具保护硅片正面,硅基体用KOH溶液腐蚀出背腔,作为声波传入通道;
(8)用BOE溶液腐蚀去除裸露处的氧化硅层,用Actone溶液去除电镀模型胶,用Ronetch PS铜腐蚀液去除去处种子层铜,用HF溶液去除粘结层钛,用MS2001溶液去除牺牲层胶,最后释放出麦克风敏感膜和第一支板、第二支板、第三支板。
本发明的技术构思是:麦克风工作时,将第一支板、第二支板、第三支板连接在一起形成金属铜底板,所述的底板与敏感膜共同构成电容式麦克风的工作电容。当敏感膜感受从声波传入通道中传入的声音压力时,敏感膜挠曲,麦克风工作电容发生变化,通过检测工作电容变化的情况来检测声音信号。底板上的通气孔、第一间隙、第二间隙和敏感膜与底板间的空气隔层使敏感膜和金属铜底板之间的空气压膜阻尼近似地等于临界阻尼,使麦克风工作在靠近临界阻尼的小阻尼状态,提高麦克风工作的频率带宽。三块支板拼接后的边长小于正方形敏感膜的边长,这样可以提高麦克风工作电容与寄生电容之比,提高麦克风工作的灵敏度。麦克风检测时,在第二支板与敏感膜间加测式电压,将第一支板、第三支板短路后与敏感膜构成一检测电容,通过测量不同测式电压下的检测电容值,可间接地判定微机械电容式麦克风的灵敏度,频率带宽和最大直流偏置电压的合格与否,从而实现了硅微机械电容式麦克风的电学自检测。
本发明具有能实现电学自检测、结构简单、成本低廉、有利于工业化大生产的优点。
附图说明
图1为本发明的示意图
图2为本发明的剖视图
图3为本发明的敏感膜的剖视图
具体实施方式
实施例一
参照图1-3
所述的自检测硅微机械电容式麦克风的制备方法,包括一下几个步骤:
(1)在硅片的正面通过低压化学气相淀积(Low PressureChemical Vapour Deposition,简称LPCVD)一层3μm厚的低应力氧化硅,并致密化;紧接着LPCVD一层0.1μm厚的氮化硅;
(2)在所述的氮化硅的上再LPCVD一层0.4μm厚的多晶硅,用离子注入的方法在多晶硅中掺杂硼形成导电体;并将多晶硅干法刻蚀成正方形的敏感膜区域;
(3)在所述的多晶硅上再LPCVD另一层0.1μm厚的氮化硅从二形成三层的敏感膜;
(4)在硅片背面干法刻蚀开背面腐蚀窗口,硅片正面的敏感膜上干法刻蚀开引线窗口;
(5)将2.5μm厚的光刻胶FH6800L作为牺牲层涂在硅片正面,光刻形成图形,用来构成麦克风敏感膜与金属铜底板之间的间隙;
(6)在牺牲层光刻胶图形上溅射50nm钛和300nm铜作为电镀金属的粘结层和种子层,在种子层铜上涂20μm厚的电镀模型胶4620,光刻形成图形,用低温电镀铜技术电镀生成15μm厚的第一支板、第二支板、第三支板;
(7)用夹具保护硅片正面,硅基体用KOH溶液腐蚀出背腔,作为声波传入通道;
(8)用BOE溶液腐蚀去除裸露处的氧化硅层,用Actone溶液去除电镀模型胶,用Ronetch PS铜腐蚀液去除去处种子层铜,用HF溶液去除粘结层钛,用MS2001溶液去除牺牲层胶,最后释放出麦克风敏感膜和第一支板、第二支板、第三支板。
实施例二
参照图1-3
自检测硅微机械电容式麦克风,包括作为电容极板的敏感膜1和金属铜底板、设有声波传入通道的硅基体3;所述的敏感膜1的周边通过第一绝缘层固定在所述的硅基体3上,所述的敏感膜1的底面朝向所述的声波传入通道4;所述的底板上分布有通气孔24,所述的底板通过连接座固定在所述的硅基体4上,所述的底板位于所述的敏感膜1的正上方,所述的底板和所述的敏感膜1之间有空气隔层6;所述的连接座与所述的硅基体3之间设有第二绝缘层;
所述的底板由第一支板21、第二支板22、第三支板23拼接而成,所述的第一支板21和所述的第二支板22之间有第一间隙25,所述的第二支板22和第三支板23之间有第二间隙26;所述的支板21、22、23分别通过连接支座51、52、53固定在所述的硅基体3上,所述的支板21、22、23分别通过所述的连接支座51、52、53与一引线端211、221、231连接;所述的敏感膜1上设有敏感膜引线端11。
进一步,所述的通气孔24呈蜂窝状排列。
进一步,所述的敏感膜1为正方形,所述的底板的边长为所述的敏感膜1的边长的80%。
进一步,所述的敏感膜1依次包括第一氮化硅层12、掺杂硼的多晶硅层13,第二氮化硅层14。
进一步,所述的绝缘层为氧化硅层。
进一步,所述的硅基体3上设有封装接点31。
本发明的技术构思是:麦克风工作时,将第一支板21、第二支板22、第三支板23连接在一起形成金属铜底板,所述的底板与敏感膜1共同构成电容式麦克风的工作电容。当敏感膜1感受从声波传入通道4传入的声音压力时,敏感膜1挠曲,麦克风工作电容发生变化,通过检测工作电容变化的情况来检测声音信号。底板上的通气孔24、第一间隙25、第二间隙26和敏感膜1与底板间的空气隔层6使敏感膜1和底板之间的空气压膜阻尼近似地等于临界阻尼,使麦克风工作在靠近临界阻尼的小阻尼状态,提高麦克风工作的频率带宽。三块支板拼接后的边长小于正方形敏感膜1的边长,这样可以提高麦克风工作电容与寄生电容之比,提高麦克风工作的灵敏度。麦克风检测时,在第二支板22与敏感膜1间加测式电压,将第一支板21、第三支板23短路后与敏感膜1构成一检测电容,通过测量不同测式电压下的检测电容值,可间接地判定微机械电容式麦克风的灵敏度,频率带宽和最大直流偏置电压的合格与否,从而实现了硅微机械电容式麦克风的电学自检测。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举,本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式,本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (7)
1、自检测硅微机械电容式麦克风,包括作为电容极板的敏感膜和金属铜底板、设有声波传入通道的硅基体;所述的敏感膜的周边通过绝缘层固定在所述的硅基体上,所述的敏感膜的底面朝向所述的声波传入通道;所述的底板上分布有通气孔,所述的底板通过连接座固定在所述的硅基体上,所述的底板位于所述的敏感膜的正上方,所述的底板和所述的敏感膜之间有空气隔层;所述的连接座与所述的硅基体之间为绝缘层;
其特征在于:所述的底板由第一支板、第二支板、第三支板拼接而成,所述的第一支板和所述的第二支板之间有第一间隙,所述的第二支板和第三支板之间有第二间隙;所述的支板分别通过连接支座固定在所述的硅基体上,所述的支板分别通过所述的连接支座与一引线端连接;所述的敏感膜上设有敏感膜引线端。
2、如权利要求1所述的自检测硅微机械电容式麦克风,其特征在于:所述的通气孔呈蜂窝状排列。
3、如权利要求2所述的自检测硅微机械电容式麦克风,其特征在于:所述的敏感膜为正方形,所述的金属铜底板的边长为所述的敏感膜的边长的80%。
4、如权利要求3所述的自检测硅微机械电容式麦克风,其特征在于:所述的敏感膜依次包括第一氮化硅层、参杂硼的多晶硅层,第二氮化硅层。
5、如权利要求4所述的自检测硅微机械电容式麦克风,其特征在于:所述的绝缘层为低应力氧化硅层。
6、如权利要求5所述的自检测硅微机械电容式麦克风,其特征在于:所述的硅基体上设有封装接点。
7、如权利要求1所述的自检测硅微机械电容式麦克风的制备方法,包括一下几个步骤:
(1)在硅片的正面通过低压化学气相淀积(Low PressureChemical Vapour Deposition,简称LPCVD)一层3μm厚的低应力氧化硅,并致密化;紧接着LPCVD一层0.1μm厚的氮化硅;
(2)在所述的氮化硅的上再LPCVD一层0.4μm厚的多晶硅,用离子注入的方法在多晶硅中掺杂硼形成导电体;并将多晶硅干法刻蚀成正方形的敏感膜区域;
(3)在所述的多晶硅上再LPCVD另一层0.1μm厚的氮化硅从而形成三层的敏感膜;
(4)在硅片背面干法刻蚀开背面腐蚀窗口,硅片正面的敏感膜上干法刻蚀开引线窗口;
(5)将2.5μm厚的光刻胶FH6800L作为牺牲层涂在硅片正面,光刻形成图形,用来构成麦克风敏感膜与底板之间的间隙;
(6)在牺牲层光刻胶图形上溅射50nm钛和300nm铜作为电镀金属的粘结层和种子层,在种子层铜上涂20μm厚的电镀模型胶4620,光刻形成图形,用低温电镀铜技术电镀生成15μm厚的第一支板、第二支板、第三支板;
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20120822 |