CN102264020A - 微机电电容式麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种微机电电容式麦克风，其振膜为一刚性振膜，并设置于一弹性元件上，使得刚性振膜得以借弹性元件的弹性作用平行于一背极板的法向量方向位移，从而获致刚性振膜与背极板间的电容变化。

Description

微机电电容式麦克风

技术领域

本发明涉及一种微机电电容式麦克风，尤其涉及一种具有刚性振膜的微机电电容式麦克风。

背景技术

电子产品的发展趋势一向朝体积轻薄、效率提升的方向前进，麦克风的演进亦不例外。麦克风用以接收声音并将其转换为电气信号，在日常生活中应用广泛，例如装置于电话、手机、录音笔等。以电容式麦克风为例，声音的变化会以音波形式迫使薄膜结构产生相对应的变形，薄膜结构的变形会导致电容发生变化，因此，可借感测电容变化而读出压差值而获知声音的变化。

相较于传统驻极电容式麦克风(electret condenser microphone，ECM)，微机电(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)式麦克风可利用集成电路的工艺技术，将机械元件与电子元件整合于一半导体材料上，借此制作出微型的麦克风，于是渐成微型麦克风的主流。微机电式麦克风除重量轻、体积小、省电外，还具备的优点包括：其可利用表面黏着(surface mount)方式生产、能够忍受较高的回焊温度(reflow temperature)、易于与互补式金属氧化物半导体(CMOS)工艺以及其它音讯电子装置整合，以及具有较佳的抗射频(RF)和电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)的特性。

图1示出了一现有微机电电容式麦克风1的构造示意图，其包括一背极板(back-plate)2、一振膜(membrane or diaphragm)3以及一间隔件4。其中，该间隔件4设置于背极板2与振膜3之间，使振膜3与背极板2相互绝缘隔离并平行设置，彼此分别形成一平行电容板结构的上电极与下电极；背极板2对应振膜3处开设有多个音孔(air hole)5，这些音孔5贯通背极板2，并连通开设于一硅基板6的一背腔(back chamber)7。

分别对该背极板2与振膜3施加电压，可使其电性相异并带有电荷，形成一电容结构。根据平行电极板的电容公式：C＝εA/d(其中，ε为介电系数(dielectric constnt)、A为两电极板重合面积、d为两电容板的间距(gap))，可知两电容板间的间距变化将改变电容值。借此，当一音波作用于振膜3而造成该振膜3振动、形变时，振膜3与背极板2之间的间距将会改变，使得电容随之变化而可转换成电气信号输出。位于振膜3与背极板2之间受扰动、压缩的空气，则可自该些音孔5释放至该背腔7，避免气压变动过大而损坏可挠的振膜3和背极板2的结构。

请配合参阅图2，其示出了一微机电电容式麦克风1的封装示意图。该微机电电容式麦克风1设置于一基板8，并封装于一金属盖体9形成的容置空间内。其中，微机电电容式麦克风1的振膜3与背极板2分别电性连接至一转换芯片10，使背极板2与振膜3之间的电容变化可通过该转换芯片10转换成电气信号而输出。

习用于微机电电容式麦克风的振膜均为可挠式振膜，其利用音压造成振膜形变的特性来获致与背极板间的间距改变，借以改变电容值。然而，以薄膜沉积可挠式振膜的工艺温度极高，且因材料彼此间的热膨胀系数互有差异，如此将使得振膜在制造的过程中累积程度不一的张应力或压应力。残存于振膜的应力会导致振膜翘曲，形成皱折而不平整，导致其影响感测的精准度；更进一步地，麦克风的灵敏度(sensitivity)与振膜的残留应力呈现反比关系，因此过高的应力残留将导致灵敏度降低。为此，美国专利第US5490220号的“Solid state condenser and microphone devices”提出一种无固定边界的悬浮振膜，利用一悬臂梁来支撑振膜，使振膜悬浮借以释放温度效应造成的应力；美国专利第US5870482号的“Miniaturesilicon condenser microphone”则延伸应用设计出大型平板振膜仅固定一边的结构。

由于可挠式振膜于形变时无法随时与背极板保持平行，因此振膜与背极板之间的间距变化估算不易，精确度较为不足。再者，由于麦克风的灵敏度正比于驱动电压，因此，欲提升灵敏度而提高驱动电压时，现有的可挠式振膜容易发生崩溃(collapse)效应，贴附于背极板而导致麦克风失效。

发明内容

因此，本发明的目的在于解决上述问题，进而提出一种精确度、灵敏度高且制造容易的微机电电容式麦克风。

为了实现前述目的，本发明通过一刚性振膜与一弹性元件的搭配，使得刚性振膜可平行于背极板位移。所提出的微机电电容式麦克风包括一基座、一背极板、一弹性元件以及一刚性振膜；其中，该基座开设一背腔；该背极板与该弹性元件设置于该基座，该背极板还开设有多个音孔，且该些音孔连通该背腔；该刚性振膜设置于该弹性元件，并平行且对应该背极板设置。借此，当一音波作用于该刚性振膜时，该刚性振膜可借弹性元件的弹性作用而平行于该背极板的法向量方向位移。

本发明的刚性振膜借弹性元件的弹性作用或形变而位移，并于位移时保持与背极板间的平行关系。借此，刚性振膜与背极板间的电容变化仅与两者间的间距相关，如此可提升麦克风于感测、接收音量时的灵敏度与准确度。有关本发明的详细技术内容及优选实施例，配合附图说明如后。

附图说明

本发明的实施方式结合附图予以描述：

图1为现有微机电电容式麦克风芯片的构造示意图；

图2为现有微机电电容式麦克风的封装示意图；

图3-1为本发明的微机电电容式麦克风一实施例的立体示意图；

图3-2为本发明的微机电电容式麦克风一实施例的立体剖视图；

图4为本发明的微机电电容式麦克风一实施例的动作示意图；

图5-1至图5-9为本发明的微机电电容式麦克风一实施例的流程示意图；及

图6为上述实施例于不同频率下的输出结果图。

具体实施方式

本发明提出了一种微机电电容式麦克风，其利用刚性振膜搭配弹性元件，使刚性振膜可平行并相对一背极板位移。有关本发明的详细说明及技术内容，现配合附图说明如下：

请参阅图3-1与图3-2所示，在本发明的一实施例中，所提出的微机电电容式麦克风20包括一基座21、一刚性振膜22、一弹性元件23以及一背极板24。其中，该背极板24设置于基座21上，背极板24设有贯通背极板24的多个音孔25；该基座21对应于背极板24的位置包括一背腔26，使得该些音孔得以连通该背腔26。该刚性振膜22固定于该弹性元件23而平行设置于背极板24一侧。因此，该背极板24可相对于刚性振膜22形成一固定端，该刚性振膜22则可因弹性元件23的弹性作用而位移，借以相对该背极板24形成一活动端。因此，当一音波作用于刚性振膜22而使刚性振膜22相对背极板24位移时，该刚性振膜22可始终与背极板24保持平行而平行于背极板24法向量方向(即Z轴方向)位移。因此，根据前述平行电极板电容公式，刚性振膜22与背极板24之间的电容变化便可改写为ΔC＝εA/(d-Δx)。其中，Δx为刚性振膜22受音压(acoustic pressure)作用后的位移量，d为刚性振膜22受音压作用前与背极板24的原始间距。故，相较于现有的可挠式振膜上各点与背极板24间的间距改变量不同，本发明的电容变化与Δx有关，如此可提供更大的电容变化量输出，有效提升麦克风的灵敏度。

请配合参阅图3-2，在上述的实施例中，该基座21例如为一硅基板，其上开设圆形的背腔26；该弹性元件23是呈十字平板交叉形态，四端固定于该基座21的背腔26边缘；该刚性振膜22成一圆形，并通过一支撑件27(anchor)固设于弹性元件23的十字交叉处，使刚性振膜22平行于弹性元件23所构成的平面；该支撑件27相对于弹性元件23的另一端固定于刚性振膜22的圆心，使支撑件27承固刚性振膜22时得以保持该刚性振膜22的物理平衡，并辅助刚性振膜22进行热工艺时的应力释放。

该背极板24固定设置于该基座21的背腔26一侧，开设多个音孔25并预留有弹性元件23的设置空间。借此，刚性振膜22可平行设置于背极板24上方，两者形成平行电容板结构。请再参阅图4，微机电电容式麦克风20于运作时，刚性振膜22与背极板24可分别输入正负电压，使其带有电性相异的电荷而为平行板电容。当刚性振膜22的一表面承受声音作用时，来自声音的压力可传递至弹性元件23致使其形变，使得刚性振膜22朝向背极板24位移(Z轴方向)，而改变两者间的电容。借此，经由外部电路的分析与运算，可将声音信号转变为电气信号而输出。

在上述实施例中，该微机电电容式麦克风20可进一步包括至少一绝缘件28(显示于图4)，该绝缘件28设置于刚性振膜22与背极板24之间，例如设置于刚性振膜22面对背极板24侧或该背极板24面对刚性振膜22侧，如图4所示的位于背极板24上的两绝缘件28分别设置于背极板24的相异两端。当刚性振膜22承受过大的声压而导致刚性振膜22朝背极板24的位移量过大时，该绝缘件28可提供一缓冲效果并作为刚性振膜22与背极板24之间的电性分隔，避免刚性振膜22与背极板24产生电性接触而损坏。

在上述实施例中，该刚性振膜22可包括多个结构加强部(图中未示)，该些结构加强部例如为加强肋(reinforced rib)，可设置于刚性振膜22一侧，用以加强刚性振膜22整体的结构强度并保持刚性振膜22的刚性。实务上，实现上述加强部的方式例如利用沟槽回填技术。

同理，在上述的另一实施例中，该背极板24可包括多个结构加强部29，该些结构加强部29例如为加强肋，可设置于该背极板24背对于刚性振膜22的一侧，用以加强背极板24整体的结构强度并保持背极板24的刚性。

为方便说明与了解，上述将功能不同的结构、元件分开定义。然而，须说明的是，上述所述及的结构或元件可互相独立分离而组装，或是借由微机电或半导体工艺，利用蚀刻、微影、回填等该领域知悉的技术直接制作而成，例如应用MOSBE的微机电技术平台工艺技术来制造本发明提出的微机电电容式麦克风20，其相关的平台技术可参阅2005年发表的“The Molded Surface-micromachiningand Bulk Etching Release(MOSBE)Fabrication Platform on(111)Sifor MOEMS”(Journal of Micromechanics and Microengineering，vol.15，pp.260-265)，在此不加赘述。

请再参阅图5-1至图5-9的制造上述微机电电容式麦克风20一实施例的流程示意图，该些图式示出了沿图3-1中线段K-K’的截面示意，且在不影响本发明的实施与了解下，省略掉于不同元件中的电性布线流程。首先，准备一用于制做基座21的基材，例如为一硅基板30，如图5-1所示；接着在该硅基板30上定义背极板24的设置位置，并于其上蚀刻出用于形成前述结构加强部29的沟槽31，如图5-2；接着，于该硅基板30上沉积一层多晶硅(poly-silicon)层32，该多晶硅层32回填该些沟槽31，以形成背极板24的结构加强部29结构，如图5-3。紧接着，于该多晶硅层32的预设位置蚀刻出弹性元件23与音孔25的位置，并同时定义出背极板24的尺寸范围，如图5-4；该背极板24可借助该些结构加强部29保持其表面平整与结构刚性，该弹性元件23则可通过多晶硅层的厚度改变或材料选择，调整自身的弹性。

然后，于背极板24上形成前述的绝缘件28，该些绝缘件28的材质例如为氮化硅(silicon nitride，如Si₃N₄)，如图5-5所示；接着，于背极板24上方形成一中间层33并同时定义出支撑件27的形成位置，该支撑件27的形成位置位于弹性元件23上方，如图5-6，该中间层33例如为二氧化硅(SiO₂)；而后，于该中间层33上再沉积一多晶硅层34，该多晶硅层34用以定义出刚性振膜22与支撑件27，如图5-7；接续地，自硅基板30底侧蚀刻出背腔26，如图5-8；最后，蚀刻去除该中间层33，使刚性振膜22借助该支撑件27设置于弹性元件23上，并平行于背极板24，如图5-9。

图6示出了上述实施例的频率反应测试结果，是将前述的微机电电容式麦克风20电性连接至一电容读出芯片(capacitance readoutIC)(MS3110)，并置于一半音波暗室(semi-anechoic chamber)收取扬声机(loudspeaker)的信号结果。由图可知，在声准位(sound-level)为94dB下，上述微机电电容式麦克风20实施例的频率感测范围介于10～20,000Hz之间。灵敏度(sensitivity)约为12.63mV/Pa或-37.97dB/Pa。以微机电工艺制造出的微机电电容式麦克风20，除灵敏度高外，更兼具体积小、低成本等优点。相较于现有的可挠式振膜难以处理应力残留的问题，刚性振膜22不易残留应力，可获致较佳的感测灵敏度。

需再特别说明定义的是，本发明中刚性振膜22并非纯然以材料的硬度来定义，而须搭配微机电电容式麦克风的电容感测原理而加以定义。因此，所谓的刚性振膜22是指振膜不借助自身的形变来改变与背极板24间的电容值，而须搭配一弹性元件23，并藉弹性元件23的弹性或形变来改变与背极板24间的电容值，故所述的弹性元件23也不以上述实施例所显示者为限。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，非欲局限本发明的专利保护范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所为的等效变化与修饰，均同理包含于本发明的权利保护范围。

Claims (10)

1.一种微机电电容式麦克风，其特征在于，所述微机电电容式麦克风(20)包括：

一基座(21)，所述基座(21)开设一背腔(26)；

一背极板(24)，所述背极板(24)设置于所述基座(24)上，并开设有多个音孔(25)，且这些音孔(25)连通所述背腔(26)；

一弹性元件(23)，所述弹性元件(23)设置于所述基座(21)上；以及

一刚性振膜(22)，所述刚性振膜(22)设置于所述弹性元件(23)上，并平行于且对应于所述背极板(24)而设置；

因此，当一音波作用于所述刚性振膜(22)时，所述刚性振膜(22)能够借助弹性元件(23)的弹性作用而平行于所述背极板(24)的法向量方向位移。

2.根据权利要求1所述的微机电电容式麦克风，其特征在于，所述微机电电容式麦克风(20)还包括一支撑件(27)，所述支撑件(27)设置于所述弹性元件(23)与所述刚性振膜(22)之间，借以将所述刚性振膜(22)承固于所述弹性元件(23)上。

3.根据权利要求2所述的微机电电容式麦克风，其特征在于，所述刚性振膜(22)为圆形，且所述支撑件(27)承固于所述刚性振膜(22)的圆心处。

4.根据权利要求1所述的微机电电容式麦克风，其特征在于，所述刚性振膜(22)还包含设置于所述刚性振膜(22)的一侧的多个结构加强部。

5.根据权利要求1所述的微机电电容式麦克风，其特征在于，所述背极板(24)还包括设置于所述背极板(24)的一侧的多个结构加强部(29)。

6.根据权利要求1所述的微机电电容式麦克风，其特征在于，所述基座(21)的材质为硅。

7.根据权利要求1所述的微机电电容式麦克风，其特征在于，所述刚性振膜(22)与所述背极板(24)的材质为多晶硅。

8.根据权利要求1所述的微机电电容式麦克风，其特征在于，所述微机电电容式麦克风(20)还包括至少一绝缘件(28)，所述绝缘件(28)设置于所述刚性振膜(22)与所述背极板(24)之间，用以避免所述刚性振膜(22)电性接触所述背极板(24)。

9.根据权利要求8所述的微机电电容式麦克风，其特征在于，所述绝缘件(28)的材质为氮化硅。

10.一种微机电电容式麦克风，其特征在于，所述微机电电容式麦克风(20)包括一背极板(24)、一弹性元件(23)以及一刚性振膜(22)；其中，所述刚性振膜(22)设置于所述弹性元件(23)上，所述刚性振膜(22)与所述背极板(24)对应且平行设置；因此，当一音波作用于所述刚性振膜(22)时，所述刚性振膜(22)能够借助弹性元件(23)的弹性作用而平行于所述背极板(24)的法向量方向位移。

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