CN101494814B

CN101494814B - 压变电容装置

Info

Publication number: CN101494814B
Application number: CN2008100046404A
Authority: CN
Inventors: 简欣堂; 李炯毅; 刘娉婷
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-01-21
Also published as: CN101494814A

Abstract

一种薄膜压变电容装置，包括具有支持结构的薄膜与具有悬臂结构的背板。在薄膜与背板之间至少具有一突起结构，而背板则具有挖空的结构。此薄膜与背板相互平行，而挖空的结构具有至少一悬臂结构。此突起结构与悬臂结构形成支撑体，当一压力传输至薄膜时，突起结构会与悬臂结构接触，而因突起结构的下压而产生形变，薄膜因此而有位移的变形量，电容的电场分布于薄膜与背板四周之间。此突起结构可形成于上述薄膜表面或是悬臂结构的表面上。

Description

压变电容装置

技术领域

本发明是有关于一种压变电容装置，且特别是有关于一种具有低弹簧系数结构的压变电容装置，其具有高灵敏度与变形量的效能。

背景技术

电容式麦克风芯片以硅微细加工技术与集成电路(IC)工艺技术整合而成的压变电容装置(Acoustic Transducer)，具有质量轻、体积小、信号品质佳等优点，在民生家电产品应用上，由于手机的需求日益增大且声音品质要求日益增高，加上助听器的市场与技术已开始蓬勃发展，电容式麦克风芯片已经渐渐成为麦克风芯片的主流。就市场的角度而言，根据Digitimes公司市场趋势报告中关于形动电话手机部分，预估2004年北美麦克风芯片(Microphone Chips)市场，将达五亿个的水准，而从2004年到2009年每年将以20％朝向市场稳定成长。手机上的麦克风的应用属于目前市场上的主流。

由于以硅为基材的积体电路工艺较便宜大量地使用于电子产品中，及其应用领域不断的向外扩张，将来更有大量的应用会以硅为基材的工艺制作，并搭配CMOS工艺将读取电路直接整合于一颗芯片上，加上台湾已成为全球第一大半导体代工厂约为目前市场的60～70％的代工率，将来势必可量产并加速其商品化时程。因此若在麦克风的布局上，要避开与区隔各家大厂的元件设计，必须先取得元件端的新颖设计与制造先机，才能赢得在麦克风元件市场上的优势，与瓜分占有率的能力。

目前麦克风元件结构的应用在产品的量产上，仅限于少许几种的结构，这也是由于目前踏入MEMS(Microelectromechanical Systems)麦克风的厂商只有少许数几家厂商的故，如Knowles公司、Infineon公司或是Sonion公司等，而市面上大部分的封装方式仍以Knowles开发的设计为主。

请参照图1到图3，其绘示Knowles公司的麦克风结构设计。此压变电容装置(Acoustic Transducer)10包括导电薄膜(Conductive Diagram)12与具有穿孔的构件(Perforated Member)40，由基底30所支撑，而通过空气间隙(AirGap)20所隔离。而一个非常薄的空气间隙22则存在导电薄膜12与基底30之间，以便让此薄膜12能够自由地上下移动，以便减轻薄膜材质内在的应力(Intrinsic Stress)，并且使薄膜12从基底30减少震动(Decouple)。而许多的突起(Indentation)13则形成于薄膜12的下，以避免薄膜12与基底30之间的碰撞。

薄膜12的横向移动被构件40的支持部41所限制，而此可当成是薄膜12与构件40之间适当的启始空间，而此支持部41可以是圆环(Ring)构造或是许多凸块(Bump)构造。若支持部41是圆环构造，则当薄膜12靠在支持部41上时，则会形成紧密的声音密封空间，会导致压变电容装置具有控制非常好的低频下降率(Roll-off)。薄膜12与基底30之间具有一个介电层31。而导电电极(Conducting Electrode)42是固定在不导电的构件40下。而此构件40具有数个孔洞21，而薄膜12也有数个孔洞，用以与构件40的孔洞21形成声音流动的通路14。

Knowles公司的麦克风结构设计主要是针对背板(back plate)的指撑式结构设计，来增加背板的强度，以减少背板阻抗。而薄膜(Membrane)采减少残留应力(residual stress)的设计方式，采取一般的圆形薄膜设计。薄膜仅做于简单的支撑，其结构虽能避免残留应力的问题与较高的自然频率响应，但是其设计的有效变形量与灵敏度仍尚嫌不足。

请参照图4，其绘示Knowles公司的另一麦克风结构设计。基本上与图1-3的结构雷同，唯一的差异是此薄膜12是通过数个弹簧结构(Spring)11连接到基底30之上，以便减轻薄膜内在应力(Intrinsic Stress)，以及从基底30或是装置封装后所产生的应力。

传统麦克风元件设计采用简单固定的薄膜设计，虽然有增加薄膜灵敏度的设计方法，如指撑式(Finger)结构，请参照图5所示，其中薄膜510具有指撑的结构。或者是皱折式(corrugated)结构，请参照图6所示，其中薄膜610具有皱折的结构。但是大部分的设计皆有其缺点，指撑式的薄膜，其薄膜较软较为灵敏，但是却是具较低的共振频率响应，而且易于断裂。皱折式薄膜设计，虽可以有效降低残留应力的影响，使薄膜灵敏度变的较大，但是其工艺较复杂，加工不易，且增加灵敏度有限。

发明内容

本发明提出一种具有压变电容装置，其具有创新的薄膜设计图形与结构，可通过支撑结构(Support Structure)即可制作出类似弹簧般的结构效应，而增加薄膜的灵敏度。

本发明提出一种具有压变电容装置，利用弹簧结构概念，在感测基板上制作特殊的结构可与薄膜的突起结构当支撑，架构出类似悬臂(Cantilever Beam)弹簧的结构，以提升麦克风的性能。

本发明提出的压变电容装置，包括薄膜与背板。在薄膜与背板之间至少具有一突起结构，而背板则为挖空的结构，此薄膜与背板相互平行，而挖空的结构具有至少一悬臂结构。此突起结构与悬臂结构形成支撑体，当一压力传输至薄膜时，突起结构会与悬臂结构接触，而因突起结构的下压而产生形变，薄膜因此而有位移的变形量，电容的电场分布于薄膜与背板四周之间。此突起结构可形成于上述薄膜表面或是悬臂结构的表面上。该悬臂结构与该突起结构以光刻工艺制造。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1～图3是习知的麦克风结构设计。

图4是另一种习知的麦克风结构设计。

图5是习知麦克风结构中一种具有指撑式(Finger)结构的薄膜设计。

图6是习知麦克风结构中一种具有皱折式(corrugated)结构的薄膜设计。

图7是说明本发明优选实施例的由悬臂结构与突起结构形成弹簧效应的悬臂弹性体的压变电容装置结构示意图。

图8是说明本发明另一优选实施例的由悬臂结构与突起结构形成弹簧效应的悬臂弹性体的压变电容装置结构示意图。

图9是说明本发明另一优选实施例的由悬臂结构与突起结构形成弹簧效应的悬臂弹性体的压变电容装置结构侧视图。

主要元件符号说明

10：压变电容装置

12：导电薄膜(Conductive Diagram)

40：具有穿孔的构件

30：基底

20、22：空气间隙

41：支持部

31：介电层

11：弹簧结构

510、610：薄膜

710：基板

712：挖空结构

720：背板

722：导电层

724：悬臂结构

730：薄膜(Membrane)

732：突起结构

910：基板

920：背板

930：薄膜(Membrane)

932：弹性结构图案

具体实施方式

本发明提出一种具有压变电容装置，其具有创新的薄膜设计图形与结构，可通过支撑结构(Support Structure)即可制作出类似弹簧般的结构效应，而增加薄膜的灵敏度。而利用弹簧结构概念，在感测基板上制作特殊的结构可与薄膜的突起结构当支撑，架构出类似悬臂(Cantilever Beam)弹簧的结构，以提升麦克风的性能。

利用基板层制造出弹簧支撑结构的概念，在突起支撑与弹性体结构的部分，皆与习知现有的技术，例如Charles Stark Draper Lab.与Knowles公司所提出的结构不同。Charles Stark Draper Lab.所提出是具有拉撑式的弹簧结构设计，而Knowles公司所提出的是不具有支撑弹簧的结构设计。另外，本发明所提出具有压变电容装置，基板中间具有一挖空结构，如此不需要传统的多个孔径面积相当小的音孔(Acoustic hole)，因此可大幅降低工艺上的困难度，并减少感测时震度阻尼(Damping)所产生的干扰(Noise)问题。此新型的弹簧结构设计，将会有效地增加薄膜的灵敏度，有助于达到结构简易，低干扰且低残留应力的目的。而本发明所提出的压变电容装置，目的在于提供一个创新且结构简易的声音传送感测器，同时有效的增加薄膜位移量的大小，并且电容感测的信号输出有更大的效能。

本发明所提出的一种压变电容装置结构组成，包括基板与其上的背板与薄膜(Diaphragm)。其中基板与背板的平板结构上不需要多个音孔(Acoustichole)，只需要一个挖空结构，挖空结构的四周为电容感测的表面。在背板的挖空结构上具有背板所延伸特殊的悬臂(Cantilever Beam)结构设计。而在薄膜与背板之间具有单一或多个突起(Indentation)结构，作为薄膜支撑之用。而每一个悬臂结构与突起结构形成一组类似弹簧效应的弹性体，于薄膜与背板之间将有多组类似弹簧效应的弹性体结构，称的为悬臂弹性体。

当压力传送至薄膜时，薄膜会产生变形，而薄膜与背板之间的突起结构以及悬臂结构之间，会因为突起结构的压力影响而大幅变形，此时薄膜平板会因此而产生上下位移的变形，如此将会增加两平板间的变形与位移量，也增加了平板间的电容变化值，此设计将大大增加薄膜的灵敏度与线性度。而麦克风的薄膜与背板间的电容变化，是利用薄膜与基板挖空结构四周平板感测其间的电容值，电容信号将通过导电设计将感测的信号传送出去。

本发明所提出的一种压变电容装置，可应用于压力感测器、加速度感测器或超声波感测器的封装等等装置上。

而上述的形变薄膜传感单元以及背板结构可以使用一个或多个材料所组成，包括以碳为基质的聚合物(Carbon-based polymers)、硅(Silicon)、氮化硅(Silicon nitride)，多晶硅(Polycrystalline silicon)、非晶硅(Amorphoussilicon)、二氧化硅(Silicon dioxide)、碳化硅(Silicon carbide)、锗(Germanium)、镓(Gallium)、砷化物(Arsenide)、碳(Carbon)、钛(Titanium)、金(Gold)、铁(Iron)、铜(Copper)、铬(Chromium)、钨(Tungsten)、铝(Aluminum)、铂(Platinum)、镍(Nickel)、钽(tantalum)或其合金等等。

本发明所提出由悬臂结构与突起结构形成类似弹簧效应的悬臂弹性体的压变电容装置，其架构在一实施例中请参照图7所示。在基板(substrate)710上具有两层平行板的结构，一为背板720，而另以一为感测的薄膜(Membrane)730。基板710的平板结构上不需要多个音孔(Acoustic hole)，只需要一个挖空结构712，挖空结构712的四周为电容感测的表面。在基板710 的挖空结构712上具有背板720所延伸特殊的悬臂(Cantilever Beam)结构724设计。此悬臂结构724可以是任何形式的延伸构造，只要能提供上下形变的结构皆适用于本发明悬臂的结构，例如桥状结构等等。

而薄膜730表面上具有单一或多数个突起(Indentation)结构732，将作为薄膜730支撑之用，以便在薄膜730变形时能与背板结构720接触而产生更大的变形量。如前所述，在另外选择实施例中，此单一或多数个突起(Indentation)结构732也可形成于悬臂结构724上，并非受限于此。此突起结构732高度决定背板结构720与薄膜730的平行间距。在图7的实施例中，突起结构732与背板结构720相连接是当压力传送薄膜730时，薄膜730会产生变形，而薄膜730的突起结构732将与背板720所延伸的悬臂结构724相接触后，悬臂结构724会因为突起结构的压力影响而大幅变形，而此时薄膜730也会因应施以的压力而变形，如图7所示，此时薄膜730会因此而产生上下位移的变形，而将增加薄膜730与背板结构720之间的变形与位移量，也增加了两平板间的电容变化值。

前述提及基板710的挖空结构712四周为电容感测的表面，如图7所示，一导电层722铺设于挖空结构712的四周，也就是背板结构720的表面而面对薄膜730的一面734，以形成压变电容装置内电容的电场区域。

本发明所提出由悬臂结构与突起结构形成类似弹簧效应的悬臂弹性体的压变电容装置，其架构在另一实施例中请参照图8所示。此结构与图7的差异在于基板710上两层平行板的位置。图7的背板720相对于垂直基板710向上的方向位于下方，而薄膜730位于上方。为方便说明，相同元件则以相同的标号表示。图8的实施例中，薄膜730面对背板720的表面上具有一个或多数个突起结构732，将作为薄膜730支撑之用，以便在薄膜730变形时能与背板结构720接触而产生更大的变形量。

在图8的实施例中，突起结构732与背板结构720相连接是当压力传送薄膜730时，薄膜730的突起结构732将与背板720所延伸的悬臂结构724相接触后，悬臂结构724会因为突起结构的压力影响而大幅变形，而此时薄膜730也会因应施以的压力而变形，如此将增加薄膜730与背板结构720之间的变形与位移量，也增加了两平板间的电容变化值。在此实施例中，导电层722铺设于背板结构720的表面而面对薄膜730的一面734，以形成压变电容装置内电容的电场区域。如前所述，在另外选择实施例中，此单一或多数个突起(Indentation)结构732也可形成于悬臂结构724上，并非受限于此。

在又一实施例中，请参考图9所示，主要是说明本发明所提出由悬臂结构与突起结构形成类似弹簧效应的悬臂弹性体的压变电容装置结构侧视图。在基板910上具有两层平行板的结构，一为背板920，而另以一为感测的薄膜930。基板910的平板结构上至少具有一个挖空结构，挖空结构的四周为电容感测的表面。在基板910的挖空结构上具有背板所延伸特殊的悬臂(Cantilever Beam)结构设计。此悬臂结构可以是任何形式的延伸构造，只要能提供上下形变的结构皆适用于本发明悬臂的结构，例如桥状结构等等。而薄膜930则具桥状的弹性结构图案932，如图9所示，而薄膜930面对背板920的表面上具有单一或多数个突起(Indentation)结构，将作为薄膜支撑的用，以便在薄膜变形时能与背板结构920接触而产生更大的变形量。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种压变电容装置，其特征是包含：

薄膜；

背板，具有挖空的结构，该薄膜与该背板相互平行，该挖空的结构具有至少一悬臂结构；以及

至少一突起结构，位于该薄膜与该背板之间，其中，该突起结构与该悬臂结构形成支撑体，当压力传输至薄膜时，该突起结构会与该悬臂结构接触，而该薄膜因该突起结构的下压而产生形变，该薄膜因此而有位移的变形量，电容的电场分布于该薄膜与该背板四周之间。

2.如权利要求1所述的压变电容装置，其中该悬臂结构是桥状结构。

3.如权利要求1所述的压变电容装置，其中该薄膜是具有桥状的弹性结构图案。

4.如权利要求1所述的压变电容装置，其中该突起结构高度决定该背板与该薄膜间的平行间距。

5.如权利要求1所述的压变电容装置，其中该背板位于该薄膜之上。

6.如权利要求1所述的压变电容装置，其中该薄膜位于该背板之上。

7.如权利要求1所述的压变电容装置，其中该突起结构形成于该薄膜之上。

8.如权利要求1所述的压变电容装置，其中还包括基板，该薄膜与该背板之一制作于该基板上。

9.如权利要求1所述的压变电容装置，其中该悬臂结构与该突起结构以光刻工艺制造。

10.如权利要求8所述的压变电容装置，其中该悬臂结构、该基板与该薄膜使用一个或多个材料所组成，所述材料包括以碳为基质的聚合物(Carbon-based polymers)、硅(Silicon)、氮化硅(Silicon nitride)，多晶硅(Polycrystalline silicon)、非晶硅(Amorphous silicon)、二氧化硅(Silicondioxide)、碳化硅(Silicon carbide)、锗(Germanium)、镓(Gallium)、砷化物(Arsenide)、碳(Carbon)、钛(Titanium)、金(Gold)、铁(Iron)、铜(Copper)、铬(Chromium)、钨(Tungsten)、铝(Aluminum)、铂(Platinum)、镍(Nickel)、钽(tantalum)或其合金。

11.如权利要求1所述的压变电容装置，其应用于压力感测器、加速度感测器与超声波感测器的封装。

12.如权利要求1所述的压变电容装置，其中该压力是声压。

13.如权利要求1所述的压变电容装置，其中该薄膜位移的变形量与该悬臂突起结构的形变形成电容量的改变。

14.一种压变电容装置，其特征是包含：

薄膜；

至少一突起结构，位于该薄膜与该背板之间，其中，该突起结构与该悬臂结构形成支撑体，当压力传输至薄膜时，该突起结构会与该薄膜接触，而该薄膜因该突起结构的下压而产生形变，该薄膜因此而有位移的变形量，电容的电场分布于该薄膜与该背板四周之间，

其中该突起结构形成于该背板的该悬臂结构上。

15.一种薄膜支撑结构，其特征是包含：

薄膜；

至少一突起结构，位于该薄膜与该背板之间，其中，该突起结构与该悬臂结构形成支撑体，当压力传输至薄膜时，该悬臂结构会因该突起结构的下压而产生形变，该薄膜因此而有位移的变形量。

16.如权利要求15所述的薄膜支撑结构，其中该悬臂结构是桥状结构。

17.如权利要求15所述的薄膜支撑结构，其中该薄膜是具有桥状的弹性结构图案。

18.如权利要求15所述的薄膜支撑结构，其中该突起结构高度决定该背板与该薄膜间的平行间距。

19.如权利要求15所述的薄膜支撑结构，其中该背板位于该薄膜之上。

20.如权利要求15所述的薄膜支撑结构，其中该突起结构形成于该薄膜之上。

21.如权利要求15所述的薄膜支撑结构，其中该突起结构形成于该背板的该悬臂结构上。

22.如权利要求15所述的薄膜支撑结构，其中该薄膜位于该背板之上。

23.如权利要求15所述的薄膜支撑结构，其中还包括基板，该薄膜与该背板之一制作于该基板上。

24.如权利要求15所述的薄膜支撑结构，其中该悬臂结构与该突起结构以光刻工艺制造。

25.如权利要求23所述的薄膜支撑结构，其中该悬臂结构、该基板与该薄膜使用一个或多个材料所组成，所述材料包括以碳为基质的聚合物(Carbon-based polymers)、硅(Silicon)、氮化硅(Silicon nitride)，多晶硅(Polycrystalline silicon)、非晶硅(Amorphous silicon)、二氧化硅(Silicondioxide)、碳化硅(Silicon carbide)、锗(Germanium)、镓(Gallium)、砷化物(Arsenide)、碳(Carbon)、钛(Titanium)、金(Gold)、铁(Iron)、铜(Copper)、铬(Chromium)、钨(Tungsten)、铝(Aluminum)、铂(Platinum)、镍(Nickel)、钽(tantalum)或其合金。

26.如权利要求15所述的薄膜支撑结构，其应用于压力感测器、加速度感测器与超声波感测器的封装。

27.如权利要求15所述的薄膜支撑结构，其中该压力是声压。

28.如权利要求15所述的薄膜支撑结构，其为电容结构，电容的电场分布于该薄膜与该背板四周之间。

29.如权利要求28所述的薄膜支撑结构，其中该薄膜位移的变形量与该悬臂突起结构的形变形成该电容电容量的改变。