CN104602172A - 一种电容式麦克风及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电容式麦克风及其制备方法，电容式麦克风包括：基板，其上具有一声腔；振膜，设置于声腔上部并与基板固连，被声压波激发时实现机械振动；背极，位于振膜上部，其上具有多个开孔和开槽；背极与振膜上分别设置有用于引出电极的焊盘，背极与振膜之间设置有固定的气隙，背极、气隙与振膜构成一个电容器，其中，在振膜的可动部分和与之相对的背极的可动部分之间，边缘处设有相对于基板固定的边缘连接，中部区域设有一个或多个连接振膜和背极的结构作为中部连接。

Description

一种电容式麦克风及其制备方法

技术领域

本发明涉及麦克风领域，具体而言，涉及一种电容式麦克风及其制备方法。

背景技术

微机电（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）麦克风或称硅麦克风，因其体积小、适于表面贴装等优点而被广泛用于平板电子装置的声音采集，例如：手机、MP3、录音笔和监听器材等。相关技术中，电容式麦克风包括基底、背极板和振膜。其中，振膜是电容式麦克风的核心部件，既需要灵敏地敏感声压信号并将之转化为电信号，又需要在外界风压吹击、跌落冲击的应力和内部加工工艺释放应力作用后保持性能基本不变地正常工作。其背极也根据实现的制作工艺不同，分为刚性背极和柔性背极。振膜上受到约束包括多种连接和支撑形式，是决定振膜敏感振型并抑制其它不需要振型的关键技术，直接与电容式麦克风的灵敏度、线性度、信噪比、吸合电压、敏感电容、动态响应等指标相关。

传统的硅微麦克风一般限于在振膜与固定的刚性基板和相对基板静止的刚性背极之间构造多种相对约束，这种约束方式由于基板和刚性背极在敏感运动中相对静止，设计较为简便，但灵活性也受限。因此，有必要针对此问题提供一种新型的在振膜与背极之间约束的结构方案，并且为保证新结构方案的可替代性，所提供的新方案需以与已有MEMS制备工艺兼容的方式实现。

为了适应硅微麦克风的灵敏度、线性度、信噪比、吸合电压、敏感电容、动态响应等指标，现有技术在可动的振膜部分与不可动的背极和基板之间提出了多种设置约束的方式。

例如，中国专利CN201345734给出了一种在振膜中心连向固定的刚性背极的结构方案，虽然这种方案因为振膜周缘未被固定，灵敏度较高，但也同样因为周缘未固定，在振膜电极引出上却有额外困难：如果通过振膜与下方固定的刚性背极导电连接，再通过固定的刚性背极分块划分导电区域引出，则会引入由此带来的工艺成本升高和平板电容模型的不理想；如果通过在振膜正中央上方制作电极引出，则要求固定的刚性背极承受引线时的冲击力而不致于结构损坏，同时由于引线在麦克风结构中心，会引入额外的寄生参数和引线长度等问题。

又如中国专利CN101841758A，通过将振膜划分为圆形内膜和环形外膜的方式，分别与周缘处的基板固定，从而通过综合内外振膜对应的第一、第二电极的信号来提高性能。但是，这种技术方案在振膜尺寸较大时针对振膜本身刚度下降的约束手段有限，无法适应振膜尺寸较大时的高性能要求。

中国专利CN1498513A和欧洲专利EP1469701B1，以及早期的美国专利US5146435、美国专利US5452268，提出了从声腔边缘开始覆盖整个声腔上方的凸微观结构方案，并通过背极边缘的多个固支区域集来约束振膜。

上述方案虽然均能取得振膜敏感运动振型优化效果，但对于较大尺寸的振膜而言，由于振膜仅与声腔边缘处的固定基板或固定背极存在机械连接，根据圣维南原理，即使将声腔边缘处振膜周缘全部固定住，对振膜中心处刚度仍然影响甚微，无法通过设计手段对振型予以有效调整。

美国专利US8477983在固定的刚性背极技术路线下提出共用背极电极，制作多个麦克风单元的技术方案。这在总体振膜尺寸较大时，相当于应用多个小尺寸麦克风来合成一个麦克风的情况。由于各麦克风单元之间存在完全约束而互不相关，这种方案在实际应用中存在各麦克风单元之间的一致性问题，换言之，这种MEMS结构对麦克风性能指标的提高存在效率损失。

美国专利US20130177180通过在正对固定的刚性背极的可动振膜上设置档块兼支撑的方式，来通过接触式约束边缘固定的振膜。这种约束方式虽然使得麦克风工作方式变得更加灵活，性能指标也可以有所提高，但在实际麦克风工作时有可能遇到振动、潮湿等复杂工况，这种接触式约束在复杂工况下较为不可靠，会引入麦克风输出信号不必要的波动。

发明内容

本发明提供一种电容式麦克风及其制备方法，用以在现有工艺水平下改善振膜振型，从而优化灵敏度、线性度、信噪比、吸合电压、敏感电容、动态响应等指标。

为达到上述目的，本发明提供了一种电容式麦克风，包括：

基板，其上具有一声腔；

振膜，设置于声腔上部并与基板固连，被声压波激发时实现机械振动；

背极，位于振膜上部，其上具有多个开孔和开槽；

背极与振膜上分别设置有用于引出电极的焊盘，背极与振膜之间设置有固定的气隙，背极、气隙与振膜构成一个电容器，其中，在振膜的可动部分和与之相对的背极的可动部分之间，边缘处设有相对于基板固定的边缘连接，中部区域设有一个或多个连接振膜和背极的结构作为中部连接。

较佳的，振膜的厚度为0.1-2微米，气隙的宽度为0.01～20微米。

较佳的，振膜的材料为导电多晶硅，通过淀积的工艺实现。

较佳的，背极是柔性的或刚性的。

较佳的，柔性的背极材料为导电多晶硅，通过淀积的工艺实现。

较佳的，中部连接为机械式连接而非电气连接。

较佳的，振膜的可动部分与背极的可动部分之间的一个或多个中部连接在振膜和背极所在平面俯视图上呈对称分布。

为达到上述目的，本发明还提供了一种电容式麦克风的制备方法，包括以下步骤：

在基板的表面采用淀积方法形成第一牺牲层；

在第一牺牲层的表面淀积振膜并选择性地掩蔽和刻蚀振膜，得到振膜结构；

在振膜表面采用淀积方法形成第二牺牲层；

在第二牺牲层的表面淀积背极；

先选择性地掩蔽和刻蚀背极，在背极上形成多个开孔和开槽，同时设定通过第二牺牲层形成的连接背极与振膜之用的中部连接部分；再以背极为掩膜，刻蚀第二层牺牲层，将背极上开孔部分下方的振膜暴露出来；

分别在背极和振膜上的暴露部分形成电极，并对振膜的电极和背极的电极分别作电气引出并制作焊盘；

在基板背面选择性地掩蔽和刻蚀，形成声腔，声腔从基板上对应于设置振膜的中心区域贯穿整个基板；

采用湿法刻蚀第一牺牲层和第二牺牲层，有选择性地去除基板、背极的可动部分与振膜的可动部分之间的第一牺牲层和第二牺牲层，释放结构。

本发明的技术方案使得以现有工艺水平可以实现在多晶硅振膜及与其正对的柔性或刚性背极之间灵活地设置机械连接，进一步提高灵敏度、线性度、信噪比等指标，从而既无需像一些刚性背极方案一样要求相应工艺配合，也无需像中国专利CN101841758A一样划分振膜。换言之，使得高性能的电容式麦克风可在现有通用工艺水平下也可以大规模生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是现有技术的麦克风导电多晶硅振膜结构与背极的敏感变形情况的剖视示意图；

图2是本发明一个实施例的麦克风振膜结构与背极的敏感变形情况的剖视示意图；

图3是本发明优选实施例的一种中部连接排布俯视示意图；

图4是本发明优选实施例的另一种中部连接排布俯视示意图；

图5是本发明优选实施例的又一种中部连接排布俯视示意图；

图6是本发明优选实施例的再一种中部连接排布俯视示意图；

图7是本发明一个实施例的制备方法在基板上形成牺牲层的示意图；

图8是本发明一个实施例的制备方法在牺牲层上形成振膜结构的示意图；

图9是本发明一个实施例的制备方法在振膜上形成牺牲层的示意图；

图10是本发明一个实施例的制备方法在牺牲层上形成背极的示意图；

图11是本发明一个实施例的制备方法形成中部连接的示意图；

图12是本发明一个实施例的制备方法制作电极焊盘的示意图；

图13是本发明一个实施例的制备方法形成声腔的示意图；

图14是本发明一个实施例的制备方法制备的电容式麦克风的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为现有技术的麦克风导电多晶硅振膜结构与背极的敏感变形情况的剖视示意图；如图1所示，现有技术中，为使硅电容麦克风的多晶硅振膜的灵敏度较高以达到应用要求，多将其厚度值取得较薄，一般在0.1～2微米的范围。这样，振膜的刚度较低，灵敏度较高。但是如图1所示，柔性背极和振膜在受到声压波激发时发生变形，从原始形状2051和2031向2052和2032变化。通常的变形背极和变形振膜的形状使得电容的相对变化主要发生在振膜中央位置，边缘位置的位移较小。这样，可以发现两者的相对变形虽然占据了两者之间的固定区域即原牺牲层的间隙空间，但由于主要变形仅发生在中央位置，电容变化的效率受到了限制。这是由于振膜较薄后，中央区域薄膜的刚度相对边缘设计和下降过的支撑部分差距不明显。相关力学理论指出，同一片振膜上刚度随着半径的梯度变化较小，也会使得发生敏感运动的应变随着半径的变化率波动不大；换言之，此时位移分布是由边缘到中心缓慢增加的。

在这样的力学模型下，根据圣维南原理，如果要让位移分布在中心处都较大而平缓，而在边缘处陡然减小到固定锚区位置，从而得到较高的灵敏度、信噪比和线性度指标，就需要采取如增加中心处的膜厚等手段以硬化其中心区域来达到相应目标。但受整体刚度、应力分布和工艺可行性等因素影响，将振膜厚度增加的工艺将难度大成本高，与本发明希望以低成本工艺大批量生产高性能产品的初衷是背道而驰的。

相关力学理论指出，在按一定方案设置了中部连接2041的振膜结构可以在力学模型上被认为是划分的多块较小振膜，从而可通过对每块小振膜的刚度分布设计，达到图2的较大变形效率的效果。由于柔性背极刚度远大于振膜，这种中部连接2041的设置使得振膜203和背极205除共同的较小位移外，较高效率的两者变形之差可通过此约束相应刚度分布调整来得到。其中根据圣维南原理，中部连接2041的约束设置使得振膜厚度对刚度分布的影响减弱，而各划分后的子振膜在局部区域的力学行为更接近其作为较小尺寸的振膜的情形。

正是应用了此原理，以美国专利US20130177180为代表的诸多方案，或在振膜上设置突起来增大吸合后振膜刚度，或制作多个子麦克风，利用刚性背极并将其进一步刚化和应用。本发明反其道而行之，通过在振膜与柔性的背极上设置可动的中部连接2041，来达到优化柔性背极麦克风性能的目的。从而在避开使用前者的复杂工艺之余，使用现有的低成本工艺大批量加工更高性能的产品成为可能。

图14是本发明一个实施例的电容式麦克风的结构示意图；图2是本发明一个实施例的麦克风振膜结构与背极的敏感变形情况的剖视示意图；如图所示，该电容式麦克风包括：

一块基板201，其上具有一个声腔；一块振膜203，设于声腔上部并与基板201固连，被声压波激发时实现机械振动；一块背极205，位于振膜203上部，该背极205上有多个开孔和开槽；其中，振膜203与背极205上分别设有电极引出的焊盘206和207以作电气连接之用；背极205与振膜203之间设置有固定的气隙，气隙宽度为0.01～20微米；背极205、气隙与振膜203构成一个电容器。其中，除边缘连接2042之外，在振膜203可动部分和与其相对的背极205的部分之间设有一个或多个连接振膜203和背极205的结构，即中部连接2041。

中部连接2041与边缘连接2042在对称布局的基本原则下可以根据振膜203与背极205之间的相对振型优化需要，有多种体现形式，而约束的强度与中部连接2041的单元尺寸、残余应力及连接结合紧密程度有关。图3是本发明优选实施例的一种中部连接排布俯视示意图；图4是本发明优选实施例的另一种中部连接排布俯视示意图；图5是本发明优选实施例的又一种中部连接排布俯视示意图；如图3～图6所示，振膜203的形状可以为圆形或其它对称形状；当中部连接2041为多个时，多个中部连接2041按轴对称或近似轴对称方式布置，以使多个中部连接2041在振膜203和背极205所在平面的俯视图上呈对称分布。因为对称图形有助于残余应力和敏感变形划分更均匀，可提高产品的一致性，这样可以使得振膜振型被对称地优化，有助于优化振型后使位移与变形分布更均匀，获得更高的变形效率和线性度。此外，还可以与其它调整振膜形状和参数的技术结合，以获得更好的优化效果。

振膜203厚度为0.1～2微米，因为如果振膜203厚度太薄，则残余应力分布不均匀，振膜203的变形情况不可控，优化振型效果有限；如果振膜203厚度太厚，则灵敏度较低，难于达到实际应用要求。

背极205可以是柔性的，也可以是刚性的。即使背极205是柔性的，即其自然形态2051与受力变化形态2052不重合，也可以通过合理设置中部连接2041来调整振膜203的振型2032，使得背极变化形态2052与振膜振型2032之差通过中部连接2041优化后灵敏度、线性度、信噪比、吸合电压、敏感电容、动态响应等指标均得到提高。

振膜203的材料可以是通过淀积的工艺实现的导电多晶硅；柔性背极205的材料也可以是通过淀积的工艺实现的导电多晶硅；在振膜203的可动部分与背极205的可动部分之间的中部连接2041，仅为机械连接，而无电气连通。这样做是为了在电路引线时获得便利。

振膜203的可动部分与背极205的可动部分之间设有的一个或多个连接两者的中部连接2041，可通过与制备工艺结合，根据性能需要实现如简支的弱约束或类似固支的强约束。实现约束的强度与中部连接2041的单元尺寸、残余应力及连接结合紧密程度有关，这样也可以增大调整振型时的灵活性。

例如，振膜203与背极之间中部连接2041和边缘连接2042，可通过有选择性地去除牺牲层的工艺实现。这样可以使得中部连接2041结构的实现工艺与现有的工艺相容，仅需调整相关的牺牲层去除图形即可实现。这样，可以在原有的低成本工艺基础上调整导电多晶硅振膜203的振型，控制其张力、顺性和变形情况，使得简单工艺实现的大面积多晶硅振膜203的变形情况受振膜厚度影响降低，不但动态响应和高阶振型抑制更好，更有着更高的灵敏度、信噪比和线性度，从而达到以较低成本和高成品率生产高性能麦克风的目的。用选择性去除牺牲层204的方式构造振膜203与背极205之间的中部连接2041和边缘连接2042，其目的并非单纯的划分应力与变形，还要求各子振膜在应力释放后灵敏度更趋于一致，并易于电极引出。中部连接2041的区域形状优选为圆形，这是因为本发明的主要目的是优化振膜203与背极205之间的相对振型，圆形效率最高。

与上述方法实施例相适应，以下为本发明一个实施例的电容式麦克风的制备方法实施例，如图7-14所示，该制备方法包括以下步骤：

(a).提供基板201；

(b).在基板201的表面淀积二氧化硅牺牲层202；

(c).在牺牲层202的表面淀积振膜203并选择性地掩蔽和刻蚀振膜203；

(d).在振膜203表面淀积第二层牺牲层204；

(e).在第二层牺牲层204的表面淀积背极205；

(f).先选择性地掩蔽和刻蚀背极205，在背极上形成多个开孔和开槽以达到较好的性能，同时定义第二层牺牲层204最后需留作连接背极与振膜之用的部分，即边缘连接2042和中部连接2041；再以背极205为掩膜，刻蚀第二层牺牲层204，使背极205上开孔部分下方的振膜层暴露；

(g)在背极205和振膜203上的暴露部分，制作金属化电极，对振膜电极206和背极电极207分别作电气引出并制作焊盘；

(h)在基板背面选择性地掩蔽和刻蚀，制作声腔，声腔从基板上对应于设置振膜的中心区域贯穿整个基板；

(i).湿法刻蚀牺牲层，有选择性地去除基板201、背极205与振膜203的可动部分之间的第一牺牲层和第二牺牲层，释放结构。最终制备的电容式麦克风结构如图14所示。

在上述实施例中，在振膜和背极之间增加特殊的约束方式，以及使用与低成本导电多晶硅淀积通用工艺兼容的MEMS工艺，能在现有工艺水平下，提高硅电容麦克风的灵敏度、线性度、信噪比、吸合电压、敏感电容、动态响应等指标，从而在保持产品生产效率、可靠性、良率和成本基本不变的基础上提高产品性能，拓宽产品的应用场合，增加产品竞争力。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种电容式麦克风，其特征在于，包括：

基板，其上具有一声腔；

振膜，设置于所述声腔上部并与所述基板固连，被声压波激发时实现机械振动；

背极，位于所述振膜上部，其上具有多个开孔和开槽；

所述背极与所述振膜上分别设置有用于引出电极的焊盘，所述背极与所述振膜之间设置有固定的气隙，所述背极、所述气隙与所述振膜构成一个电容器，其中，在所述振膜的可动部分和与之相对的所述背极的可动部分之间，边缘处设有相对于所述基板固定的边缘连接，中部区域设有一个或多个连接所述振膜和所述背极的结构作为中部连接。

2.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述振膜的厚度为0.1-2微米，所述气隙的宽度为0.01～20微米。

3.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述振膜的材料为导电多晶硅，通过淀积的工艺实现。

4.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述背极是柔性的或刚性的。

5.根据权利要求4所述的电容式麦克风，其特征在于，所述柔性的背极材料为导电多晶硅，通过淀积的工艺实现。

6.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述中部连接为机械式连接而非电气连接。

7.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述振膜的可动部分与所述背极的可动部分之间的一个或多个所述中部连接在所述振膜和所述背极所在平面俯视图上呈对称分布。

8.一种电容式麦克风的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在基板的表面采用淀积方法形成第一牺牲层；

在所述第一牺牲层的表面淀积振膜并选择性地掩蔽和刻蚀所述振膜，得到振膜结构；

在所述振膜表面采用淀积方法形成第二牺牲层；

在所述第二牺牲层的表面淀积背极；

先选择性地掩蔽和刻蚀所述背极，在所述背极上形成多个开孔和开槽，同时设定通过所述第二牺牲层形成的连接所述背极与所述振膜之用的中部连接部分；再以所述背极为掩膜，刻蚀所述第二层牺牲层，将所述背极上开孔部分下方的所述振膜暴露出来；

分别在所述背极和所述振膜上的暴露部分形成电极，并对所述振膜的电极和所述背极的电极分别作电气引出并制作焊盘；

在所述基板背面选择性地掩蔽和刻蚀，形成声腔，所述声腔从所述基板上对应于设置所述振膜的中心区域贯穿整个所述基板；

采用湿法刻蚀所述第一牺牲层和所述第二牺牲层，有选择性地去除所述基板、所述背极的可动部分与所述振膜的可动部分之间的所述第一牺牲层和所述第二牺牲层，释放结构。