CN102045615A

CN102045615A - 麦克风

Info

Publication number: CN102045615A
Application number: CN2010105183462A
Authority: CN
Inventors: 伊丽丝·博尼马-西尔金斯; 西玛·塔拉松; 雷姆科·皮亚恩伯格; 特温·范利庞; 海尔特·伦格瑞斯
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2011-05-04
Also published as: US8588435B2; EP2320678B1; EP2320678A1; US20110123052A1

Abstract

本发明提供了一种麦克风以及一种制造这种麦克风的方法。麦克风包括：衬底管芯(24)；以及从衬底管芯形成的麦克风(20)和加速度计(22)。加速度计适于提供用于对衬底管芯的机械振动加以补偿的信号。

Description

麦克风

技术领域

本发明涉及一种麦克风，具体涉及一种电容性麦克风。

背景技术

图1示意性示出了已知电容性麦克风的操作原理。由于隔膜10上的压力差，声压波1使隔膜10振动。这改变了隔膜10与后板11之间的气隙间隔。对于良好的全向性能，隔膜的背面面对声学上封闭的后腔室12。需要后腔室中的小孔14来补偿大气压的缓慢变化。

为了检测隔膜的移动，将隔膜放置在平行板电容器装置中。为此，隔膜具有导电表面，背板也是导电的，被放置为产生气隙。由于声压差对气隙的调制，与声压成比例的电可检测信号是可用的。

隔膜和后板通常是以硅MEMS工艺制造的，而后腔室通常由器件封装来限定。

对于需要小型化的应用来说，例如，对于移动电话或者对于其他手持设备中的PCB安装，MEMS麦克风是尤为感兴趣的。

这些问题没有解决的一个问题是“体噪声(body noise)”抑制。

由于机械振动，麦克风电容器的两个平行板将会有相对移动，这导致检测到不期望的电信号。在麦克风上引起电输出的机械振动的这种干扰效应称作“体噪声”。体噪声主要由隔膜的挠曲(deflection)引起；后板响应于机械振动的挠曲要小得多。

体噪声的一个示例是移动电话自身的扬声器(或接收机)向麦克风中的串扰。这种效应具有非线性传递函数，因此无法通过对麦克风输出信号自己进行信号处理来补偿这种效应。

发明内容

根据本发明，提供了一种麦克风，包括：

衬底管芯(die)24；以及从衬底管芯形成的麦克风20和加速度计22，其中，加速度计适于提供用于对衬底管芯的机械振动加以补偿的信号。

因此，实施例提供了与麦克风在同一管芯上的加速度计，使得可以经由电信号减去来消除声音信号中的机械振动。此外，加速度计使得为麦克风模块提供了加速度计的设备具有新功能。例如，可以通过晃动设备来终止设备的现用功能，和/或可以通过翻转设备来启用/禁用设备的功能。

可以采用与制造麦克风所使用的工艺相同的工艺来制造加速度计，使得不需要附加的工艺步骤。

此外，可以将加速度计定位在靠近MEMS麦克风的地方，而不改变MEMS麦克风管芯的物理尺寸，使得不需要附加的硅面积。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造麦克风的方法，包括：提供衬底管芯；以及从衬底管芯新城麦克风和加速度计，其中，加速度计适于提供用于对衬底管芯的机械振动加以补偿的信号。

形成步骤可以包括：形成MEMS电容性麦克风，所述MEMS电容性麦克风包括通过气隙与传感器隔膜分开的后板；以及形成包括悬浮质量块(suspended mass)的MEMS电容性加速度计。

附图说明

现在将参考附图来描述本发明的示例，其中：

图1示意性地示出了已知电容性麦克风的操作原理；

图2示出了根据本发明实施例的示例性管芯布局的平面图；

图3A至3G示出了根据本发明实施例的制造MEMS麦克风的方法；

图4A-4F是根据本发明不同实施例的管芯布局的示意性平面图；以及

图5A-5D示出了根据本发明不同实施例的加速度计配置。

具体实施方式

附图不是按比例绘制的，一些尺寸可能已被放大(例如，厚度尺寸)以使附图更清楚地示出不同组件。

图2示出了根据实施例的示例性管芯布局的平面图，其中，将MEMS电容性麦克风20和电容性加速度计22组合在单个衬底管芯24上。与制造传统MEMS麦克风相比，不需要附加的掩模来实现伴随的电容性加速度计22。因此，可以将电容性加速度计22添加到MEMS麦克风传感器20中，而没有任何附加的制造成本。

麦克风模块中的加速度计还提供了对于还没有包括加速度计的器件有利的附加功能性。

因此，加速度计22与麦克风20经历相同的机械振动，优选地将加速度计22定位在相同管芯24上靠近麦克风的地方。对于信号处理，如果加速度计22的悬浮质量块对机械振动的频率响应与麦克风类似，其中所述麦克风在可听频率范围(高达20kHz)内具有线性响应，则这种布置也是方便的。

图2中所示的示例的加速度计22是质量弹簧系统，所述质量弹簧系统通过表面微机械加工被制造在麦克风传感器层堆叠中。这提供了若干选项，其中的一些示例如下：

(i)可以将加速度计质量弹簧系统全部制造在麦克风后板层中。那么加速度计的刚性反电极是由硅制成的，麦克风隔膜也是由硅制成的，此外与麦克风传感器的间隙类似地在电极之间制造间隙。以下将参考图3A-3G来更详细地描述该特定示例。

(ii)可以将加速度计质量弹簧系统制造在麦克风后板、“牺牲”氧化物和隔膜层一起的组合中。在这种情况下，仅在麦克风中而不在加速度计中蚀刻“牺牲”氧化物。那么加速度计的刚性反电极由SOI晶片的硅衬底来提供，蚀刻SOI晶片的掩埋式氧化物以在电极之间形成间隙。

(iii)与以上选项(ii)类似，不同之处在于，当加速度计质量块在上述三层中时，这些层中只有一层或两层用于加速度计弹簧。

现在参考图3A-3G，将描述根据本发明实施例的制造MEMS麦克风的方法，其中，将加速度计质量弹簧系统全部制造在麦克风后板层中(根据上述选项(i))。

首先，如图3A所示，过程以提供绝缘体上硅(SOI)晶片衬底30为开始。本文中，SOI晶片衬底30包括夹在上部硅层(Si)34与下部硅层36之间的二氧化硅层(SiO₂)32。

接下来，将上部Si层34图案化，以便提供如图3B所示的第一部分34a和第二部分34b。Si层34的第一部分34a将成为麦克风隔膜，Si层34的第二部分34b将成为加速度计的固定电极。SOI晶片30确保了该层的应力是低张力的，以便产生灵敏的麦克风，这是因为麦克风灵敏度是由隔膜中的(张力)应力来确定的。

如图3C所示，在图案化的上部层34上沉积附加的二氧化硅(SiO₂)(例如，TEOS或LPCVD)层38，随后以多晶硅层40来覆盖二氧化硅层38。如稍后示出的，多晶硅层40中在Si层34的第一部分34a上方的区域将形成麦克风的后板，多晶硅层40中在Si层34的第二部分34b上方的区域将形成加速度计的悬浮质量块。

然后如图3D所示，在多晶硅层40中(使用例如活性离子蚀刻(reactive ion etching)工艺)蚀刻孔42。这些孔42是为后续的牺牲层蚀刻工艺而提供的。此外，这些孔42还用于制造麦克风的声学上透明的后板。

接下来，如图3E所示，使用深度活性离子蚀刻(DRIE，Deep Reactive Ion Etching)，或备选地使用KOH或TMAH中的湿各向异性蚀刻，蚀刻掉下部硅(Si)层36的一部分，以便在麦克风的位置处形成空腔44。

然后如图3F所示，通过孔42来进行牺牲层蚀刻工艺，以去除SiO2层38的一部分。这Si层34的第一部分34a与多晶硅层40在该第一部分34a上方的区域脱节，从而从Si层34的第一部分34a形成隔膜部分46，并从多晶硅层40在该第一部分34a上方的区域形成后板48。此外，多晶硅层40在Si层34的第二部分34b上方的区域与Si层34脱节，以便形成加速度计的悬浮质量块50。

因此，图3G所示的最终结构包括MEMS电容性麦克风(在左侧)和MEMS电容性加速度计(在右侧)。在隔膜46与后板48的导电表面之间的电容Csound提供了对入射声音信号和器件的机械振动的测量。类似地，在悬浮质量块50与Si层34的第二部分34b的导电表面之间的电容Cacc提供了麦克风的机械振动(由标记为“a”的箭头指示)的测量。

将意识到，与仅制造MEMS麦克风相比，上述制造工艺不需要附加的掩模。

优选地，将形成适合与麦克风安装在相同管芯上并靠近麦克风的加速度计，以便限制所需的附加空间的量。

现在参考图4A-4F，本发明的实施例包括被定位在硅管芯51的中心的圆形麦克风后板48。围绕麦克风隔膜部分46提供四个接合焊盘52a-52d。

提供四个接合焊盘52a-52d以操作麦克风和加速度计两者。第一接合焊盘52a提供与麦克风隔膜部分46的电连接，第二接合焊盘52b提供与麦克风后板48触点的电连接，第三接合焊盘52c提供体接触，第四接合焊盘52d提供与加速度计质量块50的电连接。

如果在顶部硅层的图案化阶段，麦克风隔膜没有与固定的加速度计电极分开，则麦克风隔膜层中的固定加速度计电极(Si层34的第二部分34b的导电表面)可以被形成为与麦克风的公共电极(与图3B所示不同)。在这种情况下，固定的加速度计电极不需要分开的接合焊盘。相应地，备选实施例可以包括少于4个的焊盘。此外，其他备选方案甚至可以包括多于四个的焊盘，以便使麦克风和加速度计电容的读出更容易。

与仅有麦克风的管芯相比，图4A-4F所示的实施例并不需要附加的硅面积。还可以认为提高管芯尺寸使得可以将更大尺寸的加速度计与麦克风集成在相同管芯上。还可以在与管芯布局相关联的优点和与附加硅成本相关联的缺点之间进行权衡。

在存在麦克风和四个接合焊盘52a-52d的情况下，可以将加速度计定位在管芯的拐角处或沿着管芯的边缘。图4A-4F示出了若干示例性配置。

在图4A-4F的所有实施例中，加速度计是弹性地悬浮的质量块。加速度计可以是圆盘(如麦克风隔膜一样)，但是加速度计也可以是矩形(或方形)形状、多边形形式或部分环形的。加速度计可以沿着其整个边缘悬浮(如麦克风隔膜一样)，或者仅沿着特定的边缘悬浮(例如，如同在相对边缘处钳住的梁一样)。

如图4F所示，还可以希望在管芯上提供多于一个加速度计。从而加速度计质量块的层(麦克风后板层)中形成的电接触可以使得相同的接合焊盘52c用于多个加速度计。然而，为了提高性能，优选地两个加速度计可以是实质上相同的。

除了上述内容之外，加速度计还将优选地被形成为对结构的生长方向上(即，与层的平面垂直)的机械振动灵敏(因为麦克风主要对该方向上的振动灵敏)，而对声音不灵敏。

为了实现仅在与层结构垂直的方向上的灵敏度，优选地加速度计悬浮被设计为在结构的生长方向上可弯曲(flexible)，而对于平面内机械振动而言不可弯曲(inflexible)(即，不灵敏)。可以通过设计一种弹性悬浮，使得该弹性悬浮仅在期望的方向上可弯曲(高柔度，低弹簧常数)，而在其他方向上坚硬(低柔度，高弹簧常数)，来满足这种需求。

通过将加速度计的质量块设计为具有比麦克风隔膜的面积小的面积，可以使加速度计比麦克风对声音更不灵敏。较小的面积降低了对声压的灵敏度，通过对加速度计质量块打孔(使加速度计质量块脱节的牺牲层蚀刻也需要对加速度计质量块打孔)，甚至可以使质量块实质上声学透明。

还可以有利的是形成加速度计，使得加速度计具有在麦克风预期声音带宽(典型地20kHz)以上的谐振频率。这在可听频率范围内提供了线性响应。此外，由于较高的谐振频率提供了对加速度/振动的较低灵敏度，所以可以限制谐振频率。因此，加速度计的谐振频率的优选范围可以是在25kHz和100kHz之间的范围。

质量弹簧系统的基础谐振频率由质量弹簧系统的质量和弹簧常数来确定。如果在麦克风后板层中形成加速度计质量块，则材料密度和层厚度不能用作设计参数。因此，质量块仅可以由该质量块的面积来调整(如在第一需求中阐述的，可以由管芯上的间隔(space)来限制)。弹簧常数取决于弹性悬浮的几何结构和层中的应力。再次地，材料密度和层厚度可以由麦克风隔膜制造工艺来限定，从而将调整限于悬浮的平面内几何结构。

在图5A-5D中，示出了若干示例性加速度计配置，利用这些加速度计配置可以实现频率匹配。所有的配置都基于梁状结构55，所述梁状结构55被定位为沿着硅管芯的边缘邻近麦克风(如同图4c所示的配置一样)。如上所述，梁的长度和宽度可以被选择为使得加速度计具有预定的质量。用于牺牲层蚀刻工艺并且用于使加速度计声学透明的加速度计质量块打孔，被示意性地示为在梁状结构55中形成的多个孔/孔径58。

在图5A中，四个直梁59(两对梁59在质量块的相对端部)使质量块58悬浮。因此，弹性悬浮仅在期望的方向上(与图平面垂直)可弯曲，而在其他方向上坚硬，梁55的宽度比层厚度大。

考虑层中的应力，可以通过适当地选择梁宽度和长度以及梁的数目来实现期望的基础相应频率(如图5B所示)。

图5C和5D示出了配置，对于这些配置，由于用于释放应力的悬浮的几何结构，谐振频率对层中的应力的依赖性更小。

已得到分析模型，以预测图5A所示的加速度计设计的灵敏度和谐振频率。设计参数描述了中心质量块(长度为L_mass，宽度为W_mass)和四个悬浮的梁，每个悬浮的梁具有长度L_beam和宽度W_beam。为了验证分析模型的可应用性，针对相同的配置将分析结果与有限元计算相比较。由于加速度计被制造在麦克风后板层中，所以对于后板层而言已知的已知规范被用作如下：3μm厚的多晶硅层，其中初始平面内应力为180MPa。穿孔占中心质量块面积的30％。

以下表1详细描述了(对于图5A的示例)灵敏度和谐振频率f0对加速度计几何结构的相依性的估计结果。

表1

从表1的前两行，示出了较大质量块的效应。通过增大质量块长度L_mass和质量块宽度W_mass，谐振频率f₀减小，灵敏度(每加速度的电容变化，以aF/g＝10^-18F/g为单位)增大。由于电容器面积增大，平衡电容C₀也增大。在表1的最后一列，相对于C₀来表示灵敏度。

在表1的第三行和第四行，悬浮梁的几何结构改变。可以看出，梁变得越长且越窄(即，更可弯曲)，谐振频率越低而灵敏度越高。

以上表1中的所有设计几何结构都被定尺寸为使得这些设计几何结构适合与麦克风安装在相同管芯上并靠近麦克风。此外应清楚，这些几何结构允许在从25kHz-100kHz的期望频率范围内调整谐振频率。

由于多晶硅层中的初始应力(在当前MEMS麦克风中是180MPa)，具有被钳住的边缘(即，没有弹性悬浮：L_beam＝0)的加速度计将典型地具有过高的谐振频率。可以通过增大结构的尺寸来减小这种钳住-钳住(clamped-clamped)结构的谐振频率，然而为了实现100kHz以下的f0，加速度计的质量块长度L_mass应当超过麦克风管芯的长度(1500μm)。因此，对于适合被安装在麦克风旁边并且被制造在具有这种高初始应力(＞100MPa)的层中的加速度计，可以需要弹性悬浮实现25kHz＜f₀＜100kHz。

通过研究附图、说明书和所附权利要求，实践要求包含的本发明的本领域技术人员可以理解并实现所公开的实施例的其他变体。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤。权利要求中的任何参考标记不应构成对范围的限制。

Claims

1.一种麦克风，包括：

衬底管芯(24)；以及

从衬底管芯形成的麦克风(20)和加速度计(22)，其中，加速度计适于提供用于对衬底管芯的机械振动加以补偿的信号。

2.根据权利要求1所述的麦克风，其中，加速度计(22)是包括悬浮质量块(50)的MEMS电容性加速度计，麦克风(20)是包括后板(48)的MEMS电容性麦克风，所述后板(48)通过气隙与传感器隔膜(46)分开。

3.根据权利要求1或2所述的麦克风，其中，加速度计(22)适于具有实质上与麦克风(20)对机械振动的频率响应相等的频率响应。

4.根据权利要求1、2或3所述的麦克风，其中，衬底管芯(24)包括多个层，麦克风(20)的至少一部分和加速度计(22)的至少一部分是从衬底管芯的至少一个层形成的。

5.根据引用权利要求2的权利要求4所述的麦克风，其中，悬浮质量块(50)和后板(46)是从相同层形成的。

6.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的麦克风，其中，衬底管芯(24)包括多晶硅层。

7.根据权利要求2至6中任一项权利要求所述的麦克风，其中，悬浮质量块(50)的面积比传感器隔膜(46)的面积小。

8.根据权利要求2至7中任一项权利要求所述的麦克风，其中，悬浮质量块(50)被穿孔以便实质上声学透明。

9.一种制造麦克风的方法，包括：

提供衬底管芯；

从衬底管芯形成麦克风和加速度计，

其中，加速度计适于提供用于对衬底管芯的机械振动加以补偿的信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，形成步骤包括：形成包括通过气隙与传感器隔膜(46)分开的后板(48)的MEMS电容性麦克风，以及形成包括悬浮质量块(50)的MEMS电容性加速度计。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，衬底管芯(24)包括多个层，麦克风(20)的至少一部分和加速度计(22)的至少一部分是从衬底管芯的至少一层形成的。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，形成麦克风和加速度计的步骤包括：

将多层衬底管芯的上部层(34)图案化，以限定上部层(34)的第一部分(34a)和第二部分(34b)；

在上部衬底层(34)上沉积牺牲层(38)和后板层(40)；

蚀刻后板层(40)以在上部衬底层(34)的第一部分(34a)和第二部分(34b)上方限定开口(42)；

去除牺牲层(38)在上部衬底层(34)的第一部分(34a)和第二部分(34b)上方的部分，从而从上部衬底层(34)的第二部分(34b)上方的后板层(40)形成悬浮质量块(50)；以及

去除多层衬底(30)的下部层(32)在上部衬底层(34)的第一部分(34a)下方的部分(44)，从而从上部衬底层(34)的第一部分(34a)形成传感器隔膜(46)，并从上部衬底层(34)的第一部分(34a)上方的后板层(40)形成后板(48)。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，衬底管芯(24)包括多晶硅层。