CN103688556A - 具有微机械麦克风结构的元件 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于实现具有微机械麦克风结构的麦克风结构元件的膜片结构的衬底侧的过载保护的可能性，所述过载保护尽可能小地妨碍麦克风结构的阻尼特性。所述麦克风结构包括膜片结构（2），所述膜片结构具有至少一个声激励膜片（11），所述膜片结构构造在所述半导体衬底（1）上方的膜片层中。所述膜片结构跨越衬底后侧中的至少一个声孔（13）。固定的、声音可穿透的对应元件（14）在所述膜片层上方构造在所述结构元件（10）的层结构中。按照本发明，在所述膜片结构（2）的外边缘区域上至少构造隆起部（17），所述隆起部突出于所述声孔（13）的边缘区域，从而所述声孔（13）的所述边缘区域用作衬底侧的、用于所述膜片结构（2）的止挡。

Description

具有微机械麦克风结构的元件

技术领域

本发明涉及一种具有微机械的麦克风结构的元件，所述麦克风结构在半导体衬底上的层结构中实现。所述麦克风结构包括膜片结构，所述膜片结构具有声激励膜片，其中，所述膜片结构构造在所述半导体衬底上方的膜片层中并且跨越衬底后侧中的至少一个声孔。此外，所述膜片结构包括固定的、声音可穿透的对应元件，所述对应元件构造在所述膜片层上方的层结构中，并且所述膜片结构包括衬底侧的、用于所述膜片结构的过载保护。

背景技术

在麦克风膜片的边缘区域中经常构造结构件、例如弹性元件，所述膜片通过所述结构件连接到结构元件的层结构中。这样的悬挂一方面具有的功能在于接收薄膜片结构中的由于制造和温度引起的机械应力并且防止该固有应力导致膜片变形。弹性悬挂此外有助于麦克风使用信号的最大化，因为膜片结构的由声压引起的变形优选也在弹性元件的区域中出现，而膜片基本上平面平行地偏转。

然而麦克风结构元件的膜片结构不仅对于声音引起的压力波动而且对于麦克风结构元件在生产过程中和使用期间遭受的压力波动和加速度（例如当设有麦克风结构元件的器具落到地板上时）做出反应。在此可能出现过载情况，所述过载情况导致膜片结构的损坏。特别易受影响的是膜片结构的边缘区域，因为在该区域中出现最大的变形或最大的应力。在这里讨论的麦克风结构元件中，通过布置在膜片结构上方的对应元件限制膜片在一个方向上的偏转。为了在另一方向上限制膜片偏转，设有衬底侧的过载保护。

在文献US2002/0067663A1中描述了开始所述类型的麦克风结构元件，其微机械麦克风结构在半导体衬底上方的层结构中实现。膜片结构在此构造在膜片层中，所述膜片层通过衬底表面上的介电层和一个窄的空气间隙相对于半导体衬底电隔离。膜片结构的圆形膜片跨越衬底后侧中的基本上方形的声孔，该声孔由衬底后侧朝膜片金字塔形地逐渐变小，从而膜片的外边缘和声孔的边缘区域至少部分地重叠。由此声孔的边缘区域形成衬底侧的、用于膜片结构的止挡。通过另一空气间隙隔离地，一个穿孔的对应元件布置在膜片结构上方并且形成结构元件表面中的底座式的隆起。

通过膜片的外边缘与金字塔形的声孔的边缘区域的重叠阻尼由声音引起的膜片运动——并且从而也阻尼麦克风的输出信号。重叠越大，阻尼程度越高。因为这样的阻尼通常是不期望的，但是有效的过载保护需要一定的最小重叠，所以在文献US2002/0067663A1中公开的衬底侧的止挡仅仅有条件地适合作为用于麦克风结构元件的膜片结构的过载保护。

发明内容

本发明提出了一种用于实现用于开始所述类型的麦克风结构元件的膜片结构的衬底侧的过载保护的可能性，所述过载保护尽可能不妨碍麦克风结构的阻尼特性。所有要求保护的实现形式基于的构思在于，使用声孔的边缘区域作为衬底侧的止挡，而不会相比于膜片面显著减小声孔的开口面积。

在以独立权利要求1要求保护的实现形式中，在膜片结构的外部边缘区域上构造隆起部，所述隆起部突出于所述声孔的边缘区域，从而所述声孔的边缘区域通过隆起部用作衬底侧的、用于所述膜片结构的止挡。

可以简单地将该隆起部连同膜片的弹性悬挂从膜片层构造出，从而该隆起部在制造技术方面不需要附加的耗费。该隆起部可以简单地以向外突出的手指状的接片的形式实现，或者也可以具有任意其他的与结构元件大小和形状一致的几何结构。视隆起部的宽度而定，如果构造在所述膜片结构的外边缘上的隆起部设有通孔，则可以有利地作用于麦克风结构的阻尼性能。

在麦克风性能方面证实有利的是，衬底后侧中的声孔的直径显著大于麦克风膜片的直径。在这种情况下，膜片结构上的隆起部必须相对长，以便满足其作为衬底侧的、用于膜片结构的过载保护的功能。然而这在实践中被证实为有问题的，因为在非常薄的膜片结构中由于制造所限而出现机械应力，所述机械应力导致膜片结构的弯曲。膜片结构的几何结构引起的是，隆起部的弯曲通常显著大于麦克风膜片的弯曲。视隆起部的几何结构和布置而定，隆起部的弯曲甚至会如此之大，以至于显著妨碍所述结构元件的麦克风功能。在按照本发明的结构元件的一个特别有利的实施形式中考虑到该问题，其方法是，在所述膜片结构的外边缘上的隆起部之间构造接片式的连接元件。所述连接元件改变膜片结构内的应力关系并且通过其在隆起部之间的布置而反作用于隆起部的弯曲，而不会妨碍膜片敏感性。所述连接元件此外有助于各个隆起部的保护和稳定。也就是说，在过载情况中出现的力借助于连接元件均匀地分布到所有隆起部上，从而几乎不引起膜片结构的断裂。

有利地，接片与隆起部和其他膜片结构一起在膜片层中产生和露出，从而不会引起附加的制造耗费。在此接片——就像隆起部那样——也可以设有通孔，以便改善麦克风结构的阻尼性能。

对于膜片结构的前述的隆起部替换或附加地，按照本发明的另一要求保护的实现形式，在所述声孔的边缘区域中构造梁式的结构件，所述结构件一直伸到所述膜片结构下面，从而所述梁式的结构件用作衬底侧的、用于所述膜片的止挡。

该梁式的结构件有利地如此窄，使得该结构件仅仅轻微地减小声孔的开口面积。该结构件可以简单地通过相应地掩蔽衬底后侧在各向异性的刻蚀方法中与衬底中的声孔一起产生，这同样不要求值得一提的、制造技术方面的附加耗费。在这种情况下，所述梁式的结构件在所述声孔的边缘区域中基本上在所述衬底的整个厚度上延伸。视膜片的形状和大小而定，可以证实为有利的是，在所述声孔的边缘区域中构造至少一个梁式的接片，所述接片从所述声孔的一侧延伸至对置的侧，从而膜片也在中间区域中具有衬底侧的止挡。

当然，这两个止挡形式也可以有利地相互组合。

附图说明

如已经在前面所讨论的那样，存在不同的可能性来以有利的方式设计并且改进本发明的教导。为此一方面参照后置于独立权利要求的权利要求，并且另一方面参照根据附图对本发明的多个实施例的以下说明。

图1a示出了按照本发明的结构元件10的后侧的俯视图，具有在膜片结构上的外隆起部；

图1b示出了结构元件10的麦克风结构的示意性截面图；

图2a示出了按照本发明的结构元件101的后侧的俯视图，具有在膜片结构上的外隆起部和在这些隆起部之间的接片式的连接元件；

图2b示出了结构元件101的麦克风结构的示意性截面图；

图3示出了另一按照本发明的结构元件102的后侧的俯视图，具有在膜片结构上的外隆起部和在这些隆起部之间的接片式的连接元件；

图4a示出了按照本发明的结构元件20的后侧的俯视图，具有在声孔的边缘区域中的梁式的结构件；

图4b示出了姐欧股元件20的麦克风结构的示意性截面图；

图5a示出了按照本发明的第一结构元件30的后侧的俯视图，具有在声孔的区域中的网格结构；

图5b示出了按照本发明的第二结构元件40的后侧的俯视图，具有在声孔的区域中的网格结构。

具体实施方式

在图1a和1b中示出的MEMS麦克风结构元件10的麦克风结构在半导体衬底1上的层结构中实现。该麦克风结构包括膜片结构2，在这里示出的实施例中，所述膜片结构具有圆形的声激励膜片11，所述膜片用作麦克风电容器的可偏转的电极。该麦克风结构通过四个弹性元件12连接到所述结构元件10的层结构中。图1a示出了膜片结构2的布局，而图1b示出了结构元件10的层结构。

整个膜片结构2以相对薄的膜片层构造在半导体衬底1上方，该膜片层可以由一个或也可以由多个材料层组成。相应地，弹性元件12由与膜片11相同的材料组成。弹性悬挂的布局、也就是说弹性元件12的数量、布置和形状根据膜片11的大小和形状选择，从而使得由于制造和温度引起的在薄膜片结构2中出现的应力基本上由弹性元件12接收并且不导致膜片11的变形。由此，膜片11的声压敏感性主要通过膜片的弯曲强度确定。此外，膜片11的弹性悬挂有助于麦克风使用信号的最大化，因为膜片结构2的由声压引起的变形优选也在弹性元件12的区域中出现，而对于测量能力做出贡献的膜片11与麦克风电容器的对应电极几乎平面平行地偏转。

膜片结构2横跨半导体衬底1的后侧中的圆柱形的声孔13。在膜片层上的层结构中构造一个固定的、声音可穿透的对应元件14，该对应元件用作麦克风电容器的对应电极的承载件。对应元件14在膜片11上方的区域中具有一些穿孔状的通孔15，所述通孔用于麦克风结构的去阻尼。因为声孔13的直径在本实施例中大于膜片11的直径，所以弹性悬挂在此连接到对应元件14上。连接位置在图1b中以16表示。如果声孔仅仅在膜片的区域上延伸，那么弹性悬挂同样可以良好地在衬底侧连接到层结构中。

对应元件14限制膜片11的向上的偏转并且因此至少在该侧上用作过载保护。为了实现膜片结构2的衬底侧的过载保护，在此在膜片结构2的外边缘区域上构造隆起部17，所述隆起部突出于声孔13的边缘区域，从而所述声孔13的所述边缘区域总体上用作衬底侧的、用于隆起部17并且从而用于膜片结构2的止挡。隆起部17如膜片11和弹性元件12那样从所述层结构的膜片层构造出。

在这里所示的实施例中，膜片结构2包括四个这样的隆起部17，它们手指状地向外突出。所述隆起部17分别设置在弹性元件12与膜片11的连接位置上。然而在该位置上必须明确指出的是，隆起部17的数量和布置也可以与弹性元件12的数量和位置无关地选择。因此，隆起部不必强制地从弹性元件12向外突出，而是可以在相应设计弹性悬挂的情况下例如也直接与膜片11连接并且从那儿向外突出。隆起部17的形状也可以是不同的，只要其与声孔13的几何结构相协调并且声孔13的边缘区域形成衬底侧的、用于隆起部17的止挡即可。在这里所示的实施例中，膜片结构的隆起部17具有穿孔状的通孔18。这些通孔18一方面有助于麦克风结构的去阻尼。另一方面，这些通孔用作在对膜片结构进行刻蚀时的刻蚀入口。

图2a和2b示出了MEMS麦克风结构元件101，其麦克风结构基本上相应于在图1a和1b中示出的MEMS麦克风结构元件10。所以对于相同的构件也使用相同的附图标记。为了阐明这些构件，请参照前面对附图1a和1b的描述。

如MEMS麦克风结构元件10的情况那样，MEMS麦克风结构元件101的膜片结构2也具有圆形的声激励膜片11，其通过四个弹性元件12连接到所述结构元件101的层结构中并且连接到膜片结构上方的对应元件14上。膜片11位于半导体衬底1中的圆柱形的声孔13的上方。与图1a和1b中示出的实施例不同之处在于，声孔13的直径在此显著大于膜片11的直径。

膜片11上方的固定的、声音可穿透的对应元件14限制膜片的向上的偏转并且因此至少在该侧上用作过载保护。衬底侧的过载保护——如在MEMS麦克风结构元件10的情况下那样——由膜片结构2的外边缘区域上的四个隆起部171的相互作用和声孔13的边缘区域组成，因为这些隆起部171突出于声孔13的边缘区域。

图2a示出了膜片结构2的布局，而图2b示出了结构元件101的层结构。

相对长的、手指状的隆起部171——以及膜片11和弹性元件12——由层结构的相比于半导体衬底1薄的膜片层构造出。由于制造和温度的原因，在整个膜片结构2中出现或大或小的应力，所述应力导致相应的结构部件的或大或小的弯曲。为了反作用于膜片结构2的隆起部171的这样的变形，所述四个隆起部171在这里示出的实施例中通过接片式的连接元件191连接。连接元件191圆环形地环绕具有弹性元件12的膜片11。所述隆起部之间的这种连接元件的数量、几何结构和布置主要取决于麦克风结构的几何参数，特别是取决于膜片的大小和形状、声孔的大小和形状以及膜片结构的外边缘上的隆起部的形状、数量和布置。因此可以例如有意义的是，仅仅在膜片结构的圆周上在每第二个隆起部之间设有一个连接元件，或者所有隆起部在膜片结构的圆周上甚至通过一个双环结构连接。

如已经所提及的那样，连接元件191的环形结构在MEMS麦克风结构元件101的情况下如膜片11那样是圆形的并且与该膜片同心地设置。而且在这一点上还可以实现变型方案，这通过图3阐述。在此示出的MEMS麦克风结构元件102与图2a和2b的MEMS麦克风结构元件101的不同之处仅仅在于隆起部172之间的连接元件192的布置和形状。连接元件192在此分别连接两个隆起部172的自由端部并且形成基本上方形的、用于圆形膜片11的框架。

图4a和4b同样示出了MEMS麦克风结构元件20，其在半导体衬底1上的层结构中实现。在此，麦克风结构也包括膜片结构2，所述膜片结构具有圆形的声激励膜片21，所述膜片用作麦克风电容器的可偏转的电极并且通过四个弹性元件22连接到结构元件20的层结构中。

图4a示出了膜片结构2的布局，该膜片结构——如在结构元件10的情况中那样——以相对薄的膜片层构造在半导体衬底1上方并且跨越半导体衬底1的后侧中的圆柱形的声孔23。在膜片层上方的层结构中构造一个固定的、声音可穿透的对应元件24，该对应元件用作麦克风电容器的对应电极的承载件并且限制膜片21的向上偏转。在此，膜片21的弹性悬挂也通过四个连接位置26与对应元件24连接。对应元件24在膜片21上方的区域中具有穿孔状的通孔25，用于麦克风结构的去阻尼。

衬底侧的、用于结构元件20的膜片结构2的过载保护以梁式的结构件27的形式实现，该结构件构造在声孔23的边缘区域中并且一直伸到膜片21的下面，从而梁式的结构件27形成衬底侧的、用于膜片21的止挡29。在图4b中示出了结构元件20的层结构。图4b示出了衬底侧的止挡29的作用方式。

在这里示出的实施例中，梁式的结构件27与声孔23一起在一个从衬底后侧开始的沟槽工艺中产生。在此，衬底后侧根据具有边缘区域中的梁式结构件27的声孔23的形状被掩蔽。因此该梁式的隆起部在衬底1的整个厚度上延伸。结构元件20包括四个这样的梁式结构件27，它们分别大约布置一个弹性元件22的中间并且从声孔23的边缘开始向内突出。然而在此必须明确指出的是，梁式的结构件27的数量和布置可以与弹性元件22的数量和位置无关地选择。结构件27的宽度和长度也可以是不同的，只要该结构件形成衬底侧的、用于膜片21的止挡并且麦克风结构元件20具有要求的声学特性即可。

因此，图5a和5b示出了两个结构元件变型30和40，其仅仅在声孔边缘区域中的梁式结构件的形状方面不同于图4a和4b中示出的MEMS麦克风结构元件20。结构元件30包括两个在声孔边缘区域中的梁式结构件37，它们分别由声孔的一侧延伸至对置的侧并且因此将声孔分为四个圆弧形的子开口331至334。在结构元件40的情况下，在声孔43的区域中具有一个网格式的结构，该网格式的结构由四个在整个声孔43上延伸的梁式结构件47形成，该梁式结构件具有区段式的增厚部。因为结构元件30和40在其他方面与结构元件20是相同的，所以在其他结构元件部分方面请参照图4a和4b的描述。

Claims (7)

1.一种结构元件（10），其具有微机械麦克风结构，所述麦克风结构在半导体衬底（1）上的层结构中实现并且至少包括：

·膜片结构（2），所述膜片结构具有声激励膜片（11），其中，所述膜片结构（2）构造在所述半导体衬底（1）上方的膜片层中并且跨越衬底后侧中的声孔（13）的至少一部分；

·衬底侧的、用于所述膜片结构（2）的过载保护；

·固定的、声音可穿透的对应元件（14），所述对应元件构造在所述膜片层上方的层结构中；

其特征在于，在所述膜片结构（2）的外边缘区域上构造向外突出的隆起部（17），所述隆起部突出于所述声孔（13）的边缘区域，从而所述声孔（13）的边缘区域用作衬底侧的、用于所述膜片结构（2）的止挡。

2.根据权利要求1的结构元件（10），其特征在于，构造在所述膜片结构（2）的外边缘区域上的隆起部（17）设有通孔（18）。

3.根据权利要求1或2所述的结构元件（101），其特征在于，在所述膜片结构（2）的外边缘区域上的隆起部（171）之间构造接片式的连接元件（191）。

4.根据权利要求3所述的结构元件，其特征在于，所述膜片结构的隆起部之间的所述接片式的连接元件设有通孔。

5.特别是根据权利要求1至4之一所述的结构元件（20），其具有微机械的麦克风结构，所述麦克风结构在半导体衬底（1）上的层结构中实现并且至少包括：

·膜片结构（2），所述膜片结构具有声激励膜片（21），其中，所述膜片结构（2）构造在所述半导体衬底（1）上方的膜片层中并且跨越衬底后侧中的至少一个声孔（23）；

·衬底侧的、用于所述膜片结构（2）的过载保护；

·固定的、声音可穿透的对应元件（24），所述对应元件构造在所述膜片层上方的层结构中；

其特征在于，在所述声孔（23）的边缘区域中构造梁式的结构件（27），所述结构件一直伸到所述膜片结构（2）下面，从而所述梁式的结构件（27）用作衬底侧的、用于所述膜片（21）的止挡。

6.根据权利要求5所述的结构元件（20），其特征在于，所述声孔（23）的边缘区域中的所述梁式的结构件（27）基本上在所述衬底（1）的整个厚度上延伸。

7.根据权利要求5或6所述的结构元件（30），其特征在于，在所述声孔的边缘区域中构造至少一个梁式的接片（37），所述接片从所述声孔的一侧延伸至对置的侧。

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