CN103347808B - 硅基mems麦克风、包含该麦克风的系统和封装 - Google Patents
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Abstract
一种硅基MEMS麦克风包括硅基底（100）和支撑在该硅基底上的声学传感部（11），其中，在所述基底中形成有网络结构背孔（140），并且该网络结构背孔与所述声学传感部对齐；所述网络结构背孔包括多个网梁（141），该多个网梁彼此互联并且支撑在所述网络结构背孔的侧壁（142）上；所述多个网梁和所述侧壁界定了多个网孔（143），该多个网孔都具有锥形形状并且在所述硅基底的上部在所述声学传感部的附近汇合成一个孔。网状结构背孔有助于使例如抛掷试验中所产生的空气压力脉冲流线型化，从而减小对麦克风的声学传感部的冲击，并且也可以用作保护性过滤器以防止诸如颗粒等外部物质进入麦克风。
Description
技术领域
本发明涉及麦克风技术领域，具体说，涉及一种硅基MEMS麦克风。
背景技术
硅基MEMS麦克风，也就是所说的声学换能器，已经研发多年了。硅基MEMS麦克风由于其在小型化、性能、可靠性、环境耐用性、成本和批量生产能力方面的潜在优势而可以广泛地用于许多应用中，诸如手机、平板电脑、相机、助听器、智能玩具以及监视装置。
一般地说，硅基MEMS麦克风包括固定的穿孔背板和高顺应性振膜，在该背板和该振膜之间形成有空气间隙。构成可变空气间隙电容器的所述穿孔背板和所述顺应性振膜通常形成在单个硅基底上，其中之一通过形成在硅基底中的背孔直接向外部露出。
专利申请No.WO02/15636公开了一种声学换能器，该声学换能器具有被设置在盖子部件（等价于所述背板）和基底之间的振膜。由低应力多晶硅制成的振膜在基底中所形成的背孔的正上方，并且能够在平行于所述盖子部件的平坦表面的平面内横向移动。悬浮的振膜可自由地在其自身平面内移动，因此，能够释放其本征应力，从而产生非常一致的机械顺应性。
专利文献PCT/DE97/02740公开了一种小型化麦克风，其中，使用SOI基底来形成麦克风以及相关的CMOS电路。具体说，使用SOI基底的硅层来形成麦克风的背板，该背板在SOI基底中所形成的背孔的正上方，随后沉积的多晶硅薄膜用作麦克风的振膜，该多晶硅薄膜在所述背板的上方且两者之间有空气间隙，该多晶硅薄膜通过所述背板中的开孔和所述SOI基底中的背孔向外部露出。
当封装硅麦克风时，通常将其安装在印刷电路板（PCB）上，并使麦克风基底中所形成的背孔与PCB板上所形成的声孔对齐，使得外部声波能够容易地抵达麦克风的振膜并使其振动。例如，图1示出了常规的硅基MEMS麦克风封装的示例性结构的剖视图。如图1所示，在常规的MEMS麦克风封装中，MEMS麦克风10’和其它集成电路20安装在PCB板30上，并用盖子40封住，其中，MEMS麦克风10’的基底中所形成的背孔140’与PCB板30上所形成的声孔35对齐。如图1中的箭头所示的外部声波穿过PCB板30上的声孔35和麦克风10’的基底中的背孔140’，使麦克风10’的振膜振动。
然而，从上面的说明中可以看到，无论是单独的常规MEMS麦克风还是常规的MEMS麦克风封装，都存在着问题。对于在常规麦克风的基底中具有敞开的背孔和/或在PCB板上具有声孔的结构，常规麦克风的振膜由于例如抛掷试验中所引起的空气压力脉冲容易受到损害，另一方面，诸如颗粒等外部物质通过所述背孔和/或声孔容易陷在麦克风的内部。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种具有网状结构背孔的硅基MEMS麦克风，该网状结构背孔有助于使例如抛掷试验中所产生的空气压力脉冲流线型化，从而减小对麦克风的声学传感部的冲击，并且也可以用作保护性过滤器以防止诸如颗粒等外部物质进入麦克风。
在本发明的一个方面，提供一种硅基MEMS麦克风，其包括硅基底和支撑在该硅基底上的声学传感部，其中，在所述基底中形成有网络结构背孔，并且该网络结构背孔与所述声学传感部对齐；所述网络结构背孔包括多个网梁，该多个网梁彼此互联并且支撑在所述网络结构背孔的侧壁上；所述多个网梁和所述侧壁界定了多个网孔，该多个网孔都具有锥形形状并且在所述硅基底的上部在所述声学传感部的附近汇合成一个孔。
优选地，可以利用受控深槽反应离子刻蚀过程从所述硅基底的底部形成所述网络结构背孔。
优选地，所述多个网孔可以在所述网络结构背孔中均匀和/或对称分布。
优选地，所述网络结构背孔可以具有圆形形状、或方形形状、或长方形形状、或其它多边形形状。
所述麦克风的声学传感部至少可以包括：顺应性振膜；穿孔背板；以及形成在所述振膜和所述背板之间的空气间隙，其中，所述振膜和所述背板用来形成可变电容器的电极板。
在一个例子中，所述顺应性振膜可以由层叠在所述硅基底上并与该硅基底之间夹有氧化层的硅器件层的一部分来形成；所述穿孔背板可以位于所述振膜的上方，并可以由具有内嵌金属层的CMOS钝化层形成，其中所述金属层用作所述背板的电极板；以及所述麦克风的声学传感部还可以包括互联柱，该互联柱设置在所述振膜中心和所述背板中心之间以利用CMOS金属互联方法在力学上对所述振膜进行悬置并在电学上对所述振膜向外引线，以及所述振膜的周沿可自由振动。在这种情形中，优选地，所述网状结构背孔可以包括中心网梁，该中心网梁从所述硅基底的底部向顶部延伸，并附接到所述振膜的中心作为支撑锚。
在另一个例子中，所述顺应性振膜可以由层叠在所述硅基底上并与该硅基底之间夹有氧化层的硅器件层的一部分来形成；所述穿孔背板可以位于所述振膜的上方，并可以由具有内嵌金属层的CMOS钝化层形成，其中所述金属层用作所述背板的电极板；以及所述麦克风的声学传感部还可以包括互联柱，该互联柱设置在所述振膜边缘和所述背板边缘之间以利用CMOS金属互联方法在电学上对所述振膜向外引线，以及所述振膜的周沿是固定的。
在本发明的另一方面，提供一种麦克风系统，其包括集成在单个芯片上的上述任一硅基MEMS麦克风和CMOS电路。
在本发明的又一方面，提供一种麦克风封装，其包括：PCB板；安装在所述PCB板上的上述任一硅基MEMS麦克风；以及围住所述麦克风的盖子，其中，可以在所述PCB板和所述盖子中的任一上形成有声孔，并且该声孔与所述麦克风的网络结构背孔对齐。
尽管上面简述了各个实施例，但应该明白，不一定所有的实施例都包括同样的特征，在一些实施例中，上述一些特征并非必须，而是希望存在。下面将详细描述各种其它特征、实施例和益处。
附图说明
从下面结合附图对实施例的描述中，本发明的目的和特征将变得很清楚，在附图中：
图1是剖视图，示出了常规的硅基MEMS麦克风封装的一个示例性结构；
图2是剖视图，示出了本发明的第一实施例所述的硅基MEMS麦克风的结构；
图3是平面图，示出了从图2中的麦克风的硅基底的底部看时所述硅基底中形成的网状结构背孔的示例性图案；
图4是透视图，示出了从硅基底的底部看时图3中的网状结构背孔的简化结构；
图5是透视图，示出了从硅基底的顶部看时图3中的网状结构背孔的简化结构；
图6是剖视图，示出了本发明的第二实施例所述的硅基MEMS麦克风的结构；
图7是平面图，示出了从图6中的麦克风的硅基底的底部看时所述硅基底中形成的网状结构背孔的示例性图案；以及
图8是剖视图，示出了本发明所述的硅基MEMS麦克风封装的一个示例性结构。
具体实施方式
下面参考附图来描述要求保护的主题的各个方面，其中，附图中的图是示意性的，未按比例来画，并且在所有的附图中使用同样的附图标记来指示同样的元件。在下面的描述中，为了说明的目的，阐述了很多具体细节，以便提供一个或多个方面的透彻理解。然而很显然，在没有这些具体细节的情况下也可以实现这些方面。在其它情形中，公知的结构和器件以方框图形式来示出，以便于描述一个或多个方面。
一般地说，硅基MEMS麦克风（这里特别是指声学传感元件）可以包括硅基底和支撑在硅基底上的声学传感部。具体地说，所述麦克风的声学传感部可以至少包括顺应性振膜、穿孔背板以及形成在该振膜和该背板之间的空气间隙，其中，所述振膜和所述背板用来形成可变电容器的电极板。本发明的创造性概念如下：在基底中形成网状结构的背孔，并且该网状结构背孔与麦克风的声学传感部对齐，使得穿过所述网状结构背孔的外部声波能够流线型化，以便对麦克风声学传感部有较小的冲击，并且能够防止诸如颗粒等外部物质通过网状结构背孔进入麦克风中。详细地说，所述网状结构背孔可以包括多个网梁，这些网梁彼此互联并直接或间接地支撑在所述网状结构背孔的侧壁上。同时，所述多个网梁以及所述侧壁界定了多个网孔，这些网孔都具有锥形外形，并在硅基底的上部在声学传感部的附近汇合成一个孔。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例以说明上述麦克风的结构。
（第一实施例）
图2是剖视图，示出了本发明的第一实施例所述的硅基MEMS麦克风的结构。MEMS麦克风可以接收声学信号并将接收到的声学信号转换成电信号用于后续的处理和输出。如图2所示，本发明的第一实施例所述的硅基MEMS麦克风10可以包括硅基底100和支撑在硅基底100上的声学传感部11，其中，在硅基底100和声学传感部11之间夹有绝缘氧化物层120。麦克风10中的声学传感部11至少可以包括：导电性和顺应性振膜200、穿孔背板400以及空气间隙150。使用诸如绝缘体上硅薄膜（SOI）晶片上的顶部硅膜等硅器件层的一部分或者使用通过沉积过程形成的多晶硅（Poly-Si）薄膜来形成振膜200。穿孔背板400位于振膜200的上方，并使用内嵌金属层400b的CMOS钝化层来形成，其中金属层400b用作背板400的电极板。空气间隙150形成在振膜200和背板400之间。导电性和顺应性振膜200用作振动薄膜以及电极，该振动薄膜响应从外部抵达振膜200的外部声波而振动。背板400提供声学传感部11的另一个电极，并在其上形成有多个通孔430，通孔430用于空气通风，以减小振膜200开始振动时将遇到的空气阻尼。因此，振膜200用作一个电极板以与背板400的电极板构成可变电容器1000。
在图2所示的硅基MEMS麦克风10中，麦克风10的声学传感部11还可以包括设置在振膜200的中心和背板400的中心之间互联柱600，互联柱600使用CMOS金属互联方法，在力学上对振膜200进行悬置，在电学上对振膜200向外进行引线，并且振膜200的周沿可自由振动。在国际申请No.PCT/CN2010/075514中详细描述了上述声学传感部11的一个例子，该国际申请的相关内容通过引述结合于此。
此外，如图2所示，在本发明的第一实施例所述的硅基MEMS麦克风10中，在基底100中形成网状结构的背孔140，并且该背孔140与麦克风10的声学传感部11对齐，使得穿过网状结构背孔140的外部声波能够流线型化，以便对麦克风10的声学传感部11有较小的冲击，并且能够防止诸如颗粒等外部物质通过网状结构背孔140进入麦克风中。
图3是平面图，示出了从图2中的麦克风的硅基底的底部看时在该硅基底中形成的网络结构背孔的示例性图案。图4和图5为透视图，示出了分别从所述硅基底的底部和顶部看时图3中的网状结构背孔的简化结构。如图2-5所示，网络结构背孔140可以包括多个网梁141，这些网梁彼此互联并且直接或间接地支撑在网状结构背孔140的侧壁142上。同时，所述多个网梁141以及侧壁142界定了多个网孔143，这些网孔143都具有锥形外形，并且在硅基底100的顶部在声学传感部11的附近汇合成一个孔。
可以利用受控深槽反应离子刻蚀过程从所述硅基底的底部来形成网状结构背孔140。在所述受控深槽反应离子刻蚀过程中，通过调节诸如气体组分、气体流速、压强、电源功率等刻蚀条件，能够形成具有图2-5所示锥形外形的多个网孔143。事实上，在深槽反应离子刻蚀过程中，刻蚀过程和沉积过程并存，并且在不同的刻蚀条件下所述刻蚀过程和所述沉积过程可以交替主宰深槽反应离子刻蚀过程，从而在所述网孔的侧壁上交替产生刻蚀效应和沉积效应。在沉积为主的过程中，聚合物可以沉积在网孔143的侧壁上，从而保护侧壁不被进一步刻蚀。所以，仔细控制的深槽反应离子刻蚀过程可以产生具有锥形外形的网孔143，并且网孔143在硅基底的顶部最终汇合成一个孔。
由于网孔143在麦克风10的声学传感部11的附近汇合成一个孔，因此，振膜200有足够的空间进行振动。然而，在本实施例中，网状结构背孔140可以包括从硅基底100的底部向顶部延伸并且附接到振膜200的中心作为支撑锚的中心网梁141c。在本实施例中，中心网梁141c不会影响中心受限的振膜200的振动，而且既能对声学传感部11提供附加的支撑，又能增强网梁的强度。此外，所述网络结构背孔中的多个网孔在网络结构背孔中均匀或对称分布，使得声波能够均匀地流线型化，以确保振膜200的平衡振动。
（第二实施例）
图6是剖视图，示出了本发明的第二实施例所述的硅基MEMS麦克风的结构，图7是平面图，示出了从图6中的麦克风的硅基底的底部看时在该硅基底中形成的网络结构背孔的示例性图案。
将图6与图2对比，本发明的第二实施例所述的麦克风的声学传感部与第一实施例所述的麦克风的声学传感部的不同之处在于，在第二实施例中，麦克风10的声学传感部11还可以包括互联柱600，该互联柱600设置在振膜200的边缘和背板400的边缘之间以利用CMOS金属互联方法在电学上对振膜向外进行引线，以及振膜200的周沿是固定的。上述声学传感部11的一个例子在国际申请No.PCT/CN2010/075514中有详细的描述，其相关内容通过引述结合于此。
将图7与图3对比，本发明的第二实施例所述的网状结构背孔140与第一实施例所述的网状结构背孔的不同之处在于，在第二实施例中，网梁141都形成为其厚度（或者说高度）小于硅基底100的厚度，使得第二实施例所述的麦克风10中的振膜200有足够的空间进行振动。
尽管参考第一和第二实施例描述了两种网梁图案，但其它均匀和/或对称的网梁图案也是可以的，这点就不再详细描述了。
应该注意，所述网络结构背孔可以具有圆形形状、方形形状、长方形形状或其它多边形形状。
此外，本发明所述的任何硅基MEMS麦克风都能与CMOS电路集成在单个芯片上以形成麦克风系统。
在下文中，将参考图8简短地描述本发明所述的麦克风封装。
图8是剖视图，示出了本发明所述的硅基MEMS麦克风封装的一个示例性结构。如图8所示，本发明所述的麦克风封装包括上面有声孔的PCB板、本发明所述的硅基MEMS麦克风、以及盖子。
具体地说，在本发明所述的硅基MEMS麦克风封装中，如图8所示，本发明所述的硅基MEMS麦克风10和其它集成电路20安装在PCB板30上，并由盖子40围住，其中，MEMS麦克风10的基底100中所形成的本发明所述的网状结构背孔140与PCB板30上所形成的声孔35对齐。如图8中的箭头所示的外部声波穿过PCB板30上的声孔35和麦克风10的基底100中的网状结构背孔140，使麦克风10的振膜200振动。
应该注意，声孔35可以形成在盖子上，并与本发明所述的硅基MEMS麦克风封装中的麦克风的网状结构背孔对齐。
前面提供的本发明的描述能使本领域中的任何技术人员制造或使用本发明。对于本领域中的技术人员来说，对所述公开作各种修改是很显然的，并且在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以将这里所界定的一般原理运用到其它变型中。因此，本公开不是用来限制在这里所描述的例子上，而是用来与符合这里所公开的原理和新特征的最宽范围一致。
Claims (10)
1.一种硅基MEMS麦克风，包括硅基底和支撑在该硅基底上的声学传感部，其中，在所述基底中形成有网络结构背孔，并且该网络结构背孔与所述声学传感部对齐；所述网络结构背孔包括多个网梁，该多个网梁彼此互联并且支撑在所述网络结构背孔的侧壁上；所述多个网梁和所述侧壁界定了多个网孔，该多个网孔都具有锥形形状并且在所述硅基底的上部在所述声学传感部的附近汇合成一个孔。
2.根据权利要求1所述的硅基MEMS麦克风，其中，利用受控深槽反应离子刻蚀过程从所述硅基底的底部形成所述网络结构背孔。
3.根据权利要求1所述的硅基MEMS麦克风，其中，所述多个网孔在所述网络结构背孔中均匀和/或对称分布。
4.根据权利要求1所述的硅基MEMS麦克风，其中，所述网络结构背孔具有圆形形状、或方形形状、或长方形形状、或其它多边形形状。
5.根据权利要求1-4中的任一权利要求所述的硅基MEMS麦克风，其中，所述麦克风的声学传感部至少包括：
顺应性振膜；
穿孔背板；以及
空气间隙，该空气间隙形成在所述振膜和所述背板之间，
其中，所述振膜和所述背板用来形成可变电容器的电极板。
6.根据权利要求5所述的硅基MEMS麦克风，其中，
所述顺应性振膜由层叠在所述硅基底上并与该硅基底之间夹有氧化层的硅器件层的一部分来形成；
所述穿孔背板位于所述振膜的上方，并由具有内嵌金属层的CMOS钝化层形成，其中所述金属层用作所述背板的电极板；以及
所述麦克风的声学传感部还包括互联柱，该互联柱设置在所述振膜中心和所述背板中心之间以利用CMOS金属互联方法在力学上对所述振膜进行悬置并在电学上对所述振膜向外引线，以及所述振膜的周沿可自由振动。
7.根据权利要求6所述的硅基MEMS麦克风，其中，所述网络结构背孔包括中心网梁，该中心网梁从所述硅基底的底部向顶部延伸，并附接到所述振膜的中心。
8.根据权利要求5所述的硅基MEMS麦克风，其中，
所述顺应性振膜由层叠在所述硅基底上并与该硅基底之间夹有氧化层的硅器件层的一部分来形成；
所述穿孔背板位于所述振膜的上方，并由具有内嵌金属层的CMOS钝化层形成，其中所述金属层用作所述背板的电极板；以及
所述麦克风的声学传感部还包括互联柱，该互联柱设置在所述振膜边缘和所述背板边缘之间以利用CMOS金属互联方法在电学上对所述振膜向外引线，以及所述振膜的周沿是固定的。
9.一种麦克风系统，包括集成在单个芯片上的权利要求1-8中的任一权利要求所述的硅基MEMS麦克风和CMOS电路。
10.一种麦克风封装，包括：PCB板；安装在所述PCB板上的权利要求1-8中的任一权利要求所述的硅基MEMS麦克风；以及围住所述麦克风的盖子，其中，在所述PCB板和所述盖子中的任一上形成有声孔，并且该声孔与所述麦克风的网络结构背孔对齐。
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