CN104902410A - 一种硅电容式麦克风及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用柔性背极的硅电容式麦克风，背极与振膜形成相对的可动结构，即可变电容。使用柔性背极可以自由的定义背极和振膜，从而提供了更大的设计空间；根据振膜和背极的刚度分布情况及敏感运动振型需要，可在振膜和背极之间设置一个或多个不导电的连接振膜和背极的中部连接，从而允许制备更大尺寸的振膜；通过中部连接将振膜分成相对独立的几个部分，从而提供额外的可靠性；将中部连接做成支撑还可以将振膜做成各种形状；振膜和背极上都可以设置褶皱。本发明在兼容现有通用制备工艺水平的前提下，通过优化结构尺寸和振膜与背极的振型，提高了硅电容式麦克风的灵敏度、线性度、信噪比等性能指标，以及可靠性、环境适应性等工程指标。

Description

一种硅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，涉及一种硅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。为满足人民群众日益增长的物质文化需求，硅麦克风的体积、成本、信噪比等指标也在不断地优化提高。为了达到这一目的，有将多个电容麦克风并联以降低信噪比的，如US20100092020，US20120039499；有在振膜上设置褶皱以改变其物理性质的，如CN201320112230.8，US20060280319；有设置一个或多个锚区，以改变振膜的振动模式的，如CN201345734，CN101841758A；以及其他种种方法和设计。在这些设计中，多要求一个刚性背极和一个与其相对的柔性振膜。本发明的提出，解放了对背极的刚性的要求，使得振膜和背极的关系可以根据要求而交互定义，从而提供了更大的设计空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼容现有的设计技术并且能提供更大的电路设计自由度的硅电容式麦克风。为实现这一目的，本发明提供了一种硅电容麦克风，包括：外壳以及外壳内部的基板、两块柔性薄膜、集成电路，其中，

基板上设有一声腔，基板中部设有一个开孔；

两块柔性薄膜分别为振膜和柔性背极，其中，振膜被声压波激发时实现机械振动，振膜用于接收声音信号并将其转化为电信号；

柔性背极上设有开孔或开槽；

振膜和柔性背极上分别设置有用于引出电极的焊盘，柔性背极与振膜之间设有气隙，柔性背极、气隙与振膜构成一个电容器；

集成电路封装于硅电容式麦克风内部，集成电路用于处理电信号。

优选的，柔性背极的可动部分与振膜的可动部分之间设有中部连接。

优选的，中部连接为机械连接而非电气连接，从而可以优化振膜与/或背极的振动模式；

优选的，振膜的材料为导电多晶硅，通过淀积的工艺实现。

优选的，柔性背极的材料为导电多晶硅，通过淀积的工艺实现。

优选的，振膜和柔性背极的刚度相等或不相等。

优选的，柔性背极的刚度为振膜的刚度的1～30倍。

优选的，柔性背极上设置有褶皱，从而可以优化背极的振动模式，消除背极的内应力，提高麦克风的工作寿命和敏感度；

优选的，振膜上设置有褶皱，从而可以优化振膜的振动模式，消除振膜的内应力，提高麦克风的工作寿命和敏感度；

许多发明都提到了在振膜上设置褶皱，例如CN201320112230.8，US20060280319。这些设计虽然在一定程度上改善了振膜的性能，但是都没有考虑到改善背极的性能。通过使用本发明，可以进一步改善背极的各个工作参数，提高麦克风的总体寿命和敏感度，同时还提供了更大的设计空间。

优选的，按传感器设计需要自由地将两块柔性薄膜分别定义为振膜和柔性背极，其相应电气引线也按传感器设计需要自由定义。

优选的，振膜和柔性背极的尺寸范围均为：0.3mm×0.3mm～5mm×5mm。

优选的，中部连接物理的将振膜分割成近似独立的多个部分，从而在其中一部分损坏的时候依然能维持一定的工作性能。

优选的，中部连接为弱约束或强约束。

许多发明都提到了在振膜可动部分和背极之间可以设有一个或多个仅有机械连接、无电气连接的连接两者的结构，例如CN201345734，CN101841758A，US7824945，这些设计有的能提高灵敏度，有的能节约设计空间，然而这些发明都没有考虑到背极的振动。通过使用本发明，我们可以在兼容这些发明的优点基础上，进一步更好的提高灵敏度，并且提供更大的设计空间。

优选的，在振膜可动部分和柔性背极可动部分之间可以设有一个或多个仅有机械连接、无电气连接的连接两者的结构，物理的将振膜分割成近似独立的几个部分，从而在其中一部分损坏的时候仍然能够维持一定的工作功能；

优选的，在振膜可动部分和柔性背极可动部分之间可以设有一个或多个仅有机械连接、无电气连接的连接两者的结构，与制备工艺结合，根据性能需要可以实现如简支的弱约束或类似固支的强约束；

优选的，在振膜可动部分和柔性背极可动部分之间可以设有一个或多个仅有机械连接、无电气连接的连接两者的结构，通过不同的支撑可以实现各种形状的柔性背极和振膜，柔性背极和振膜的形状包括但不限于圆形、四叶苜蓿形、跑道形、圆倒角方形、八边形等。

优选的，本发明提供的硅电容式麦克风兼容通用硅电容麦克风制备工艺。

本发明还提供了一种硅电容式麦克风的制备方法，包括以下步骤：

(a).提供基板，

(b).在基板的表面采用淀积方法形成第一牺牲层；

(c).根据工艺需要蚀刻第一牺牲层；

(d).在第一牺牲层的表面淀积第二牺牲层；

(e).在第二牺牲层的表面淀积振膜并选择性地掩蔽和刻蚀振膜；

(f).在振膜表面淀积第三层牺牲层；

(g).在第三层牺牲层的表面淀积背极,可根据需要选择不同的淀积方案，从而获得不同特性的柔性背极。

(h).先选择性地掩蔽和刻蚀背极，在背极上形成开孔或开槽，同时设定通过第三层牺牲层形成的连接背极与振膜之间的边缘连接和中部连接部分；再以背极为掩膜，刻蚀第三牺牲层，使背极上开孔或开槽部分下方的振膜暴露出来；

(i).分别在背极和振膜上的暴露部分制作金属化电极，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；

(j).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；

(k).采用湿法刻蚀第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层，有选择性地去除基板与振膜的可动部分之间的第一牺牲层和第二牺牲层以及背极的可动部分与振膜的可动部分之间的第三牺牲层，释放结构。

本发明在兼容现有通用制备工艺水平的前提下，通过优化结构尺寸和振膜与背极的振型，提高了大批量制作的硅电容式麦克风的灵敏度、线性度、信噪比、寿命等性能指标，同时还提高了硅电容式麦克风的可靠性和环境适应性等工程指标。

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他的附图。

图1是本发明一个实施例的制备方法在基板上形成第一牺牲层的示意图；

图2是本发明一个实施例的制备方法刻蚀第一牺牲层的示意图；

图3是本发明一个实施例的制备方法淀积第二牺牲层和振膜并刻蚀振膜的示意图；

图4是本发明一个实施例的制备方法在振膜上形成第三牺牲层的示意图；

图5是本发明一个实施例的制备方法在第三牺牲层上形成背极的示意图；

图6是本发明一个实施例的制备方法在第三牺牲层上形成中部连接和边缘连接的示意图；

图7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8是本发明一个实施例的制备方法形成声腔的示意图；

图9是本发明一个实施例的制备方法制备的硅电容式麦克风的结构示意图；

图10是现有技术中的一种麦克风导电多晶硅振膜结构的剖视示意图；

图11是图10所示麦克风导电多晶硅振膜结构敏感变形情况的剖视示意图；

图12是在图10的基础上，本发明一个实施例的柔性背极和振膜变形情况的剖视示意图；

图13是现有技术中的一种带一个中部连接的麦克风导电多晶硅振膜结构的剖视示意图；

图14是图13所示麦克风导电多晶硅振膜结构敏感变形情况的剖视示意图；

图15是在图13的基础上，本发明一个实施例的带一个中部连接时柔性背极和振膜变形情况的剖视示意图；

图16是现有技术中的一种振膜带褶皱的麦克风导电多晶硅振膜结构的剖视示意图；

图17是图16所示麦克风导电多晶硅振膜结构敏感变形情况的剖视示意图；

图18是在图16的基础上，本发明一个实施例的振膜带褶皱时柔性背极和振膜变形情况的剖视示意图；

图19是本发明一个实施例的振膜和柔性背极均带褶皱时的麦克风导电多晶硅振膜结构的剖视示意图；

图20是图19所示麦克风导电多晶硅振膜结构敏感变形情况的剖视示意图；

图21是现有技术中的一种振膜带褶皱，且振膜和背极之间有一个连接的麦克风导电多晶硅振膜结构的剖视示意图；

图22是图21所示麦克风导电多晶硅振膜结构敏感变形情况的剖视示意图；

图23是在图21的基础上，本发明一个实施例的带一个中部连接和振膜带褶皱时的柔性背极和振膜变形情况的剖视示意图；

图24是本发明中一个实施例的振膜和柔性背极均带褶皱，且振膜和背极之间有一个连接的麦克风导电多晶硅振膜结构的剖视示意图；

图25是图24所示麦克风导电多晶硅振膜结构敏感变形情况的剖视示意图；

图26是本发明一个实施例的柔性背极上带褶皱，且振膜和背极之间有多个连接的麦克风导电多晶硅振膜结构的俯视图。

附图标记说明：201-基板；2012-第一牺牲层；202-第二牺牲层；203-振膜；204-第三牺牲层；2041-中部连接；2042-边缘连接；205-背极；206-振膜电极；207-背极电极。

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先介绍本发明一个实施例的硅电容式麦克风的制备方法，如图1-9所示，该制备方法包括以下步骤：

(a).提供基板201；

(b).在基板201的表面采用淀积方法形成第一牺牲层2012；

(c).根据工艺需要蚀刻第一牺牲层2012；

(d).在第一牺牲层2012的表面淀积第二牺牲层202；

(e).在第二牺牲层202的表面淀积振膜203并选择性地掩蔽和刻蚀振膜203；

(f).在振膜203表面淀积第三层牺牲层204；

(g).在第三层牺牲层204的表面淀积背极205,可根据需要选择不同的淀积方案，从而获得不同特性的柔性背极。

(h).先选择性地掩蔽和刻蚀背极205，在背极上形成多个开孔或开槽，同时设定通过第三层牺牲层204形成的连接背极与振膜之间的部分，即边缘连接2042和中部连接2041；再以背极205为掩膜，刻蚀第三层牺牲层204，使背极205上开孔或开槽部分下方的振膜暴露出来；

(i).分别在背极205和振膜203上的暴露部分制作金属化电极，并对振膜的电极206和背极的电极207分别作电气引出并制作焊盘；同样的，我们也可以定义205为振膜，203为背极，并且相应的制作焊盘并作电气引出。

(j).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；

(k).采用湿法刻蚀第一牺牲层2012、第二牺牲层202和第三牺牲层204，有选择性地去除基板201与振膜203的可动部分之间的第一牺牲层和第二牺牲层以及背极205的可动部分与振膜203的可动部分之间的第三牺牲层，释放结构。

其中，图1-9与步骤(a)-(k)的对应关系为：图1～(a)、(b)，图2～(c)，图3～(d)、(e)，图4～(f)，图5～(g)，图6～(h)，图7～(i)，图8～(j)，图9～(k)。

以下通过现有麦克风与本发明实施例作对比，说明本发明的技术方案。

（一）、不带中部连接时使用柔性背极后的改进效果

图10是现有技术中的一种麦克风导电多晶硅振膜结构的剖视示意图。

图11是图10所示麦克风导电多晶硅振膜结构敏感变形情况的剖视示意图，如图所示，在被声波激发时，其背极不随声波做机械振动。

图12是在图10的基础上，应用本发明，使用柔性背极后的振膜和背极变形情况的剖视示意图。如图中所示，在被声波激发时，不光振膜随声压而变形，其背极也随声压而变形，从而使得背极和振膜之间获得了更大的相对位移，从而提高了灵敏度。

（二）、带中部连接时使用柔性背极后的改进效果

图13是现有技术中另一种带连接的麦克风导电多晶硅振膜结构的剖视示意图。

图14是图13所示传统麦克风导电多晶硅振膜结构敏感变形情况的剖视示意图，如图所示，在被声波激发时，其背极和固定于背极的连接不随声波做机械振动。

图15是在图13的基础上，应用本发明，使用柔性背极后的振膜和背极变形情况的剖视示意图。如图中所示，在被声波激发时，不光振膜随声压而变形，其背极也随声压而变形，从而使得背极和振膜之间获得了更大的相对位移，从而提高了灵敏度。其固定于背极的连接也可以在垂直振膜平面方向移动，从而可以优化振型。

（三）、振膜带褶皱时使用柔性背极后的改进效果

图16是现有技术中的一种振膜带褶皱301的麦克风导电多晶硅振膜结构的剖视示意图。

图17是图16所示麦克风导电多晶硅振膜结构敏感变形情况的剖视示意图。

图18是在图16的基础上，应用本发明，使用柔性背极后的振膜和背极变形情况的剖视示意图，如图中所示，在被声波激发时，不光振膜随声压而变形，其背极也随声压而变形，从而使得背极和振膜之间获得了更大的相对位移，从而提高了灵敏度。

（四）、振膜和柔性背极均带褶皱时使用柔性背极后的改进效果

在制备电容麦克风时，通过使用柔性电容，可以在振膜和背极上均设置褶皱，如图19所示。当外界传来声压的时候，其变形如图20所示。如图20所示，不光振膜随声压而变形，其背极也随声压而变形，从而使得背极和振膜之间获得了更大的相对位移，从而提高了灵敏度；相比只在振膜上设计褶皱的发明，例如CN201320112230.8，US20060280319等，本发明可以在背极上也设置褶皱，从而优化背极的振型，从而进一步提高了灵敏度。

（五）、带中部连接和振膜带有褶皱时使用柔性背极后的改进效果

图21是现有技术中的一种在振膜上设置褶皱，且振膜和背极之间设置有一个连接的麦克风导电多晶硅振膜结构的剖视示意图；

图22是图21所示麦克风导电多晶硅振膜结构敏感变形情况的剖视示意图；

图23是在图21的基础上，应用本发明，使用柔性背极后的振膜和背极变形情况的剖视示意图。如图中所示，在被声波激发时，不光振膜随声压而变形，其背极也随声压而变形，从而使得背极和振膜之间获得了更大的相对位移，从而提高了灵敏度；

（六）、柔性背极上也带有褶皱时使用柔性背极后的改进效果

在制备电容麦克风时，通过使用柔性背极，可以在振膜和背极上均设置褶皱，且在振膜和背极之间设有一个连接，如图24所示。当外界传来声压的时候，其变形如图25所示。如图25所示，不光振膜随声压而变形，其背极也随声压而变形，从而使得背极和振膜之间获得了更大的相对位移，从而提高了灵敏度；相比只在振膜上设计褶皱的发明，例如CN201320112230.8，US20060280319等，本发明还可以在背极上也设置褶皱，从而优化背极的振型，从而进一步提高了灵敏度。相比在刚性背极上设置连接，从而固定了连接的位置的发明，例如CN201345734，本设计方案中的连接可以在垂直振膜法线方向移动，从而进一步优化了振型。

（七）、设置多个中部连接时使用柔性背极后的改进效果

在制备电容麦克风时，通过使用柔性背极，可以在背极上设置褶皱，且在振膜和背极之间设置多个连接，如图26所示。相比只在振膜上设计褶皱的发明，例如CN201320112230.8，US20060280319等，本发明还可以在背极上也设置褶皱，从而优化背极的振型，从而进一步提高了灵敏度。相比在刚性背极上设置连接，从而固定了连接的位置的发明，例如CN201345734，本设计方案中的连接可以在垂直振膜法线方向移动，从而进一步优化了振型。同时，不光在振膜上可以设置配合连接的褶皱，本设计还可以在背极上设置配合连接的褶皱，从而进一步优化了振型。

本发明在兼容现有通用制备工艺水平的前提下，通过优化结构尺寸和振膜与背极的振型，提高了大批量制作的硅电容式麦克风的灵敏度、线性度、信噪比、寿命等性能指标，同时还提高了硅电容式麦克风的可靠性和环境适应性等工程指标。

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 (16)

1.一种硅电容式麦克风，其特征在于，包括：外壳以及外壳内部的基板、两块柔性薄膜、集成电路，其中，

所述基板上设有一声腔，所述基板中部设有一个开孔；

两块所述柔性薄膜分别为振膜和柔性背极，其中，所述振膜被声压波激发时实现机械振动，所述振膜用于接收声音信号并将其转化为电信号；

所述柔性背极上设有开孔或开槽；

所述振膜和所述柔性背极上分别设置有用于引出电极的焊盘，所述柔性背极与所述振膜之间设有气隙，所述柔性背极、所述气隙与所述振膜构成一个电容器；

所述集成电路封装于所述硅电容式麦克风内部，所述集成电路用于处理所述电信号。

2.根据权利要求1所述的硅电容式麦克风，其特征在于，所述柔性背极的可动部分与所述振膜的可动部分之间设有中部连接。

3.根据权利要求2所述的硅电容式麦克风，其特征在于，所述中部连接为机械连接而非电气连接。

4.根据权利要求1所述的硅电容式麦克风，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。

5.根据权利要求1所述的硅电容式麦克风，其特征在于，所述柔性背极的材料为导电多晶硅，通过淀积的工艺实现。

6.根据权利要求1所述的硅电容式麦克风，其特征在于，所述振膜和所述柔性背极的刚度相等或不相等。

7.根据权利要求1所述的硅电容式麦克风，其特征在于，所述柔性背极的刚度为所述振膜的刚度的1～30倍。

8.根据权利要求1所述的硅电容式麦克风，其特征在于,所述振膜上设置有褶皱。

9.根据权利要求1所述的硅电容式麦克风，其特征在于,所述柔性背极上设置有褶皱。

10.根据权利要求1所述的硅电容式麦克风，其特征在于，按传感器设计需要自由地将两块所述柔性薄膜分别定义为所述振膜和所述柔性背极，其相应电气引线也按传感器设计需要自由定义。

11.根据权利要求1所述的硅电容式麦克风，其特征在于，所述振膜和所述柔性背极的尺寸范围均为：0.3mm×0.3mm～5mm×5mm。

12.根据权利要求2所述的电容式麦克风，其特征在于，所述中部连接物理的将所述振膜分割成近似独立的多个部分。

13.根据权利要求2所述的电容式麦克风，其特征在于，所述中部连接为弱约束或强约束。

14.根据权利要求2和3任一所述的硅电容式麦克风，其特征在于，所述柔性背极和所述振膜的形状为以下任意一种：圆形、四叶苜蓿形、跑道形、圆倒角方形、八边形。

15.根据权利要求1所述的硅电容式麦克风，其特征在于，所述硅电容式麦克风兼容通用硅电容麦克风制备工艺。

16.一种硅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；

根据工艺需要刻蚀所述第一牺牲层；

在所述第一牺牲层的表面淀积第二牺牲层；

在所述第二牺牲层的表面淀积振膜并选择性地掩蔽和刻蚀所述振膜；

在所述振膜表面淀积第三牺牲层；

在所述第三牺牲层的表面淀积背极；

先选择性地掩蔽和刻蚀所述背极，在所述背极上形成开孔或开槽，同时设定通过所述第三牺牲层形成的连接所述背极与所述振膜之间的中部连接和边缘连接部分，再以所述背极为掩膜，刻蚀所述第三层牺牲层，将所述背极上开孔或开槽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制作金属化电极，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、第二牺牲层和所述第三牺牲层，有选择性地去除所述基板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以及所述背极的可动部分与所述振膜的可动部分之间的第三牺牲层，释放结构。