CN104853300A - 一种应用柔性背极的硅电容麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于应用柔性背极的硅电容麦克风，包括基底、振膜和柔性背极，所述柔性背极与所述振膜形成可变电容，其中，所述柔性背极因残余应力导致的翘曲小于或等于20微米，所述柔性背极上设置有波纹或加强筋，并且所述柔性背极上还设置有开孔或开槽。在现有工艺水平下，硅电容麦克风的灵敏度、线性度、信噪比、敏感电容、动态响应等性能指标和产品环境适应性，由于应用本发明的设计手段而得以提高。

Description

一种应用柔性背极的硅电容麦克风

技术领域

本发明涉及硅麦克风的设计与制造领域，特别涉及一种应用柔性背极的硅电容麦克风。

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，硅电容麦克风包括基底、背极和振膜。其中，振膜与背极是硅电容麦克风的核心部件之一，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。

背极与振膜形成相向的可动结构之后，两者在声学信号和外界干扰下的相对运动情况，直接与硅电容麦克风的灵敏度、线性度、信噪比、吸合电压、敏感电容、动态响应等指标相关，也决定了产品的环境适应性。

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运动方式，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。

本发明通过将背极的刚度设置得更低来引入振膜和柔性背极协同工作的结构，使得背极与振膜形成相向的可动电容，同时设置背极和振膜的参数，扩大了设置硅电容麦克风结构参数时的自由度。从而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背极之间灵活地设置敏感运动的方式，规避甚至合理利用膜片翘曲等工艺缺陷，以更进一步提高灵敏度、线性度、信噪比、敏感电容、动态响应等指标，并增强产品的环境适应性。换言之，使得硅电容麦克风在成本基本不变甚至有所降低的前提下提高性能和环境适应性，从而优化产品性价比，拓宽产品应用范围。

发明内容

本发明提供了应用柔性背极的硅电容麦克风，能在现有工艺水平下改善振膜振型，规避工艺中的膜片翘曲，膜片易碎等不利因素，从而优化灵敏度、线性度、信噪比、敏感电容、动态响应等指标，提高产品的环境适应性。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于应用柔性背极的硅电容麦克风，包括基底、振膜和背极，所述背极与振膜形成相向的可动结构，即可变电容，其中所述背极的自振频率，可以低于振膜的自振频率，也可以等于或大于某一振膜单元的自振频率，但不超过各振膜单元的自振频率最大值的5倍。背极的自振频率决定于背极的刚度，如果其自振频率低于麦克风工作频率范围(一般为音频范围20～20kHz)，则会在输入声音信号频率较高时使硅麦克风无法以正确的相位响应输入信号，而背极自振频率高于各振膜单元的自振频率最大值的5倍时，就与刚性背极的概念非常接近了，这样设置的背极在使用本发明技术方案时，存在背极较脆而易碎的工艺可靠性问题，因为背极的厚度与工艺难度和成本相关，而设计的芯片尺寸决定背极平面形状尺寸的前提下，提高背极刚度唯一的办法是增加其张应力，而张应力过大虽然会带来背极刚度的提高，也会带来背极较脆而易碎的风险。

优选的硅电容麦克风，其在受加工工艺影响，有残余应力导致振膜和背极的翘曲时，可通过设置工艺参数的方法，来减少振膜和背极的翘曲对频响曲线和麦克风电学模型的影响，背极上平整处最高点与最低点高度差在0.2～20微米，即所述柔性背极因残余应力导致的翘曲小于或等于20微米。在刚性背极结构中，在振膜由于工艺中的残余应力释放而翘曲时，因背极刚性大，在应力释放过程中基本无翘曲的缘故，背极相对振膜的电容分布和敏感运动方式会受到较明显干扰。使用柔性背极时，由于背极与振膜的刚度、厚度、应力等参数相似，可以使振膜和背极发生的翘曲程度相近，从而相互抵消后使其相对翘曲减少，从而减少振膜和背极的翘曲对频响曲线和麦克风电学模型的非理想性影响。

优选的硅电容麦克风，在背极上设置波纹或加强筋。已有技术中，多见在振膜上设置波纹或加强筋以优化敏感运动振型和刚性分布的方案。对于刚性背极而言，由于其刚度很高，设置的波纹或加强筋对背极刚度几乎没有影响，而在柔性背极上设置波纹或加强筋，可以与其开孔、开槽和突起等结构一同决定背极的刚性分布，从而达到优化敏感运动振型的技术效果。

优选的硅电容麦克风，在背极上设置多个突起，且所述多个突起具有不同的高度。由于振膜和柔性背极之间相对敏感运动振型既受振膜振型又受柔性背极振型影响，相对运动不均匀，故在背极上设置的多个突起所需要的最优化的高度并不一致，可根据敏感运动的需要在背极上设置的多个突起，其突起高度大于一种。

优选的硅电容麦克风，其中在背极上通过在振膜边缘上方设置凹陷或开槽，并划分主要区域与非主要区域的方式，设置到振膜边缘不同相对高度和防撞强度的背极材料。对于柔性背极而言，可以通过在背极上设置开槽的方式划分出位于振膜上方的主要区域与非主要区域，主要区域的背极与振膜之间构成敏感结构运动的相对电容，而非主要区域的背极则可以起到辅助作用，通过设置到振膜边缘不同相对高度和防撞强度的背极材料，从而使麦克风遇到外界风压吹击、跌落冲击的应力和内部加工工艺释放应力作用后不被损坏，并保持性能基本不变地正常工作。

优选的硅电容麦克风，其中在背极上设置多个孔或槽，且在所述背极上至少存在一个带状区域，位于所述带状区域中的每个孔或槽的面积比位于背极上其他区域内的最大的孔或槽的面积小5％以上。一般地，设置较小的孔和槽，会使附近的材料强度上升。在一条带状区域中设置较小的孔或槽，会形成与一条加强筋类似的技术效果。在背极中设置这样的孔或槽，会有助于背极受到较大冲击时的结构生存，特别地，在柔性背极中通过设置这样的孔或槽，相当于改变了带状区域中的结构强度和应力释放条件，所以还可以达到控制和调整应力释放后的背极翘曲程度的技术效果。

由于采用上述技术方案，应用柔性背极到硅电容麦克风产品中，本发明的有益效果是：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，改善产品的环境适应性，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。

附图说明

图1是本发明的硅电容麦克风的振膜和柔性背极与敏感变形的剖视示意图；

图2是本发明一个实施例的在柔性背极上设置波纹和加强筋的俯视示意图；

图3是本发明另一实施例的在柔性背极上设置不同高度突起的剖视示意图；

图4是本发明又一实施例的设置到振膜边缘不同相对高度和防撞强度的背极材料的俯视示意图；

图5是本发明再一实施例的在柔性背极上设置小孔带状区域的俯视示意图。

具体实施方式

本发明提供了应用柔性背极的硅电容麦克风，能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，同时提高产品的环境适应性。下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

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运动方式，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。

为此，本发明提出了一种用于应用柔性背极的硅电容麦克风，包括基底、振膜和背极，所述背极与振膜形成相向的可动结构，即可变电容，其中所述背极的自振频率，可以低于振膜的自振频率，也可以等于或大于某一振膜单元的自振频率，但不超过各振膜单元的自振频率最大值的5倍。背极的自振频率决定于背极的刚度，如果其自振频率低于麦克风工作频率范围(一般为音频范围20～20kHz)，则会在输入声音信号频率较高时使硅麦克风无法以正确的相位响应输入信号，而背极自振频率高于各振膜单元的自振频率最大值的5倍时，就与刚性背极的概念非常接近了，这样设置的背极在使用本发明技术方案时，存在背极较脆而易碎的工艺可靠性问题，因为背极的厚度与工艺难度和成本相关，而设计的芯片尺寸决定背极平面形状尺寸的前提下，提高背极刚度唯一的办法是增加其张应力，而张应力过大虽然会带来背极刚度的提高，也会带来背极较脆而易碎的可靠性风险。

请参考图1，将背极2051的厚度设置得更薄，并使其刚度和自振频率更接近振膜2031后，会使硅电容麦克风的敏感结构受加工工艺影响，出现残余应力导致振膜2051和背极2031的翘曲。虽然在事先通过牺牲层2042的部分去除形成了振膜2051和背极2031之间的电容间隙，但在结构释放后，由于两者的刚度、厚度、应力等参数相似，可以使振膜和背极发生的翘曲程度相近，相互抵消后其相对翘曲较小，相对间隙更接近牺牲层2042的预置间隙。相比之下，在传统的刚性背极结构中，由于仅有振膜2031由于工艺中的残余应力释放而翘曲，但背极是刚性基本无翘曲，背极相对振膜的电容分布和敏感运动方式会受到程度较大的非理想性影响。另一方面，由于静电钳位效应，在受到敏感信号激励后，不但振膜2031会变化到2032位置，柔性的背极2051也会变化到2052位置，这样的电容变化相对刚性无变化的背极方案而言，增加了麦克风的敏感电容变化程度，即提高了灵敏度。

图2是本发明的一个实施例的在柔性背极上设置波纹和加强筋的俯视示意图。已有技术中，多见在振膜上设置波纹或加强筋以优化敏感运动振型和刚性分布的方案。对于刚性背极而言，由于其刚度很高，设置的波纹或加强筋对背极刚度几乎没有影响，而在柔性背极上设置波纹或加强筋，可以与其开孔、开槽和突起等结构一同决定背极的刚性分布，从而达到优化敏感运动振型的技术效果。

图3是本发明另一实施例的在柔性背极上设置不同高度突起的剖视示意图。由于振膜和柔性背极之间相对敏感运动振型既受振膜振型又受柔性背极振型影响，相对运动不均匀，故在背极上设置的多个突起所需要的最优化的高度并不一致，可根据敏感运动的需要在背极上设置的多个突起，其突起高度大于一种。如本实施例即根据硅麦克风产品工作的最大声压级的需要，按照尽量增大结构变形空间的原则，由低到高设置了251、252、253三种高度的突起。

图4是本发明又一实施例的设置到振膜边缘不同相对高度和防撞强度的背极材料的俯视示意图。如前文所述，由于使用了柔性背极并存在由于加工工艺引入的翘曲，柔性背极主要区域205和非主要区域225在可动振膜203的边缘将由于约束、尺寸、形状的不同，在相近的应力释放条件下存在不同程度的翘曲。可以结合设置凹陷的技术手段，设置到振膜边缘不同相对高度和防撞强度的背极材料。这样使得振膜203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能生存下来而不断裂，并保持性能基本不变地继续正常工作。此外，如图4所示，在本实施例中，为防止柔性背极受到冲击后在平面内发生较大形变以致损坏，在开槽中设置了较窄区域以起限位作用。

图5是本发明再一实施例的在柔性背极上设置小孔带状区域的俯视示意图。一般地，设置较小的开孔和开槽，会使附近的材料强度上升。在一条带状区域中设置较小的开孔或开槽，会形成与一条加强筋类似的技术效果。在背极中设置这样的开孔或开槽，会有助于背极受到较大冲击时的结构生存，特别地，在柔性背极中通过设置这样的开孔或开槽，相当于改变了带状区域中的结构强度和应力释放条件，所以还可以达到控制和调整应力释放后的背极翘曲程度的技术效果。在优选的技术方案中，由于孔的边缘更便于避免应力集中，在以设置加强筋为目标的技术方案中可在相应带状区域中设置面积较小的开孔；而由于槽的尺寸形状对应力释放刚度的影响更便于计算，在以设置翘曲程度为目标的技术方案中可设置面积较小的开槽。本实施例中通过在8个带状区域(包括带状区域501-504形成的米字型以及位于米字型四边的带状区域505-508)上设置小孔的方式，为柔性背极引入了加强筋，增加了背极强度。

可见，由于采用本发明的技术手段，能在现有工艺水平下，通过设置柔性背极的技术手段，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，同时提高产品的环境适应性，甚至通过减少背极厚度来降低产品成本，从而拓宽硅电容麦克风产品的应用场合，增加其市场竞争力。

此外，说明书和权利要求书中的术语“顶”，“底”，“上”，“下”，“左”，“右”等(如果存在)用于说明性目的且不一定用于描述永久的相对位置。可以理解的是如此使用的术语可在适当情况下互换，使得本文所述的本发明的实施例能够在例如不同于上述或本文中所述的方向的其他方向上进行操作。例如由于本发明中振膜和背极的刚度和自振频率相近，在必要时二者的定义可以相互交换。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于应用柔性背极的硅电容麦克风，包括基底、振膜和柔性背极，所述柔性背极与所述振膜形成可变电容，其特征在于，所述柔性背极因残余应力导致的翘曲小于或等于20微米，所述柔性背极上设置有波纹或加强筋，并且所述柔性背极上还设置有开孔或开槽。

2.根据权利要求1所述的硅电容麦克风，其特征在于，在所述柔性背极上设置有多个突起，且所述多个突起具有不同的高度。

3.根据权利要求1所述的硅电容麦克风，其特征在于，所述背极上通过设置凹陷或开槽的方式划分为主要区域与非主要区域，位于所述主要区域的背极材料和位于所述非主要区域的背极材料之间具有不同的相对高度和不同的防撞强度。

4.根据权利要求1所述的硅电容麦克风，其特征在于，所述柔性背极上设置有多个孔或槽，且在所述背极上至少存在一个带状区域，位于所述带状区域内的每个孔或槽的面积比位于所述柔性背极其它区域内的最大的孔或槽的面积小5％以上。