CN105142086A - 一种mems麦克风芯片、传声器和音频设备 - Google Patents

一种mems麦克风芯片、传声器和音频设备 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种MEMS麦克风芯片，由底部到顶部依次包括基底层、第一绝缘层、振膜层、第二绝缘层和背极层；振膜层的振膜有效振动区的周边连接有振膜固定部；背极层上设置有背极区，背极区通过第一切割线与背极层的其余部位相隔离，第一切割线在振膜层上的投影围绕在振膜有效振动区的周边，背极区通过其周边的背极固定部固定于第二绝缘层上方；振膜层上还设置有第二切割线，第二切割线围绕背极区在振膜层上的投影区域的外边缘以及振膜固定部的外边缘设置，使振膜层上位于第二切割线内的区域与位于第二切割线外的区域隔离，第二切割线外的振膜层不产生寄生电容，降低了寄生电容。本申请还公开了一种包括该MEMS麦克风芯片的传声器和音频设备。

Description

一种MEMS麦克风芯片、传声器和音频设备
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域，更具体地说，涉及一种MEMS麦克风芯片、传声器和音频设备。
背景技术
微型机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)麦克风是基于MEMS技术制造的麦克风，由于其具有封装体积小、可靠性高、成本低等优点，已广泛应用于各种语音设备中，例如手机、平板电脑、PDA、监听设备等电子产品。
灵敏度的大小是衡量一个MEMS麦克风芯片性能的重要因素之一，所述灵敏度的计算公式为：其中，S为灵敏度，Vb为偏压(biasvoltage)，△p为量测声压，d为空气间隙(AirGap),△d为振膜形变量，C0为量到的电容值，Cp为寄生电容,因此，可见，所述寄生电容Cp会直接影响所述MEMS麦克风芯片的灵敏度，当所述寄生电容增大时，所述灵敏度S减小，因此在设计所述MEMS麦克风芯片时会尽量降低其寄生电容，因此，如何降低所述MEMS麦克风芯片的寄生电容的大小，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种MEMS麦克风芯片、传声器和音频设备，用于解决现有技术中MEMS麦克风芯片的寄生电容大的问题。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种MEMS麦克风芯片，由底部到顶部依次包括基底层、第一绝缘层、振膜层、第二绝缘层和背极层，所述基底层上设置有声腔；所述振膜层上覆盖于所述声腔的部位为振膜有效振动区，所述振膜有效振动区的周边连接有振膜固定部，所述振膜有效振动区通过所述振膜固定部固定于所述第一绝缘层上方；所述背极层上设置有背极区，所述背极区通过第一切割线与所述背极层的其余部位相隔离，所述第一切割线在所述振膜层上的投影围绕在所述振膜有效振动区的周边，所述背极区通过其周边的背极固定部固定于所述第二绝缘层上方；所述振膜层上还设置有第二切割线，所述第二切割线围绕所述背极区在所述振膜层上的投影区域的外边缘以及振膜固定部的外边缘设置，使振膜层上位于所述第二切割线内的区域与位于所述第二切割线外的区域隔离。
优选的，在上述的MEMS麦克风芯片中，所述背极区在所述振膜层上的投影区域的外边沿位于所述第二切割线以内，且所述第二切割线与该投影区域的外边沿之间的距离为5um～15um。
优选的，在上述的MEMS麦克风芯片中，所述第二切割线的线宽大于或等于1um。
优选的，在上述的MEMS麦克风芯片中，所述第二切割线的线宽为2um～5um。
优选的，在上述的MEMS麦克风芯片中，所述振膜固定部为连接于所述振膜有效振动区的外圈上的圆环结构。
优选的，在上述的MEMS麦克风芯片中，所述振膜固定部为连接于所述振膜有效振动区的外圈上的锯齿结构，所述背极固定部也为锯齿结构。
优选的，在上述的MEMS麦克风芯片中，所述振膜固定部和所述背极固定部的锯齿部位对应设置。
优选的，在上述的MEMS麦克风芯片中，所述振膜固定部和所述背极固定部的锯齿部位相间设置。
本发明还提供了一种传声器，包括MEMS麦克风芯片，所述MEMS麦克风芯片为上述任一项所述的MEMS麦克风芯片。
本发明还提供了一种音频设备，包括传声器，所述传声器为上述的传声器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明实施例提供的MEMS麦克风芯片，在振膜层上还设置有第二切割线，第二切割线围绕背极区在振膜层上的投影区域的外边缘以及振膜固定部的外边缘设置，使振膜层上位于第二切割线内的振膜层与位于第二切割线外的振膜层隔离。而第二切割线以外的振膜层不会产生寄生电容，背极区只与第二切割线以内的振膜层产生寄生电容，因此，通过减小背极区之下的振膜层的面积降低了寄生电容，提高了所述MEMS麦克风芯片的灵敏度。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一种MEMS麦克风芯片的俯视图；
图2为本申请实施例公开的一种MEMS麦克风芯片的俯视图；
图3为图2中C-C截面的剖视图；
图4为现有技术中的另一种MEMS麦克风芯片的俯视图；
图5为本申请实施例公开的一种MEMS麦克风芯片的俯视图；
图6为图5中MEMS麦克风芯片的局部放大示意图；
图7为图5的E-E截面的剖视图；
图8为图5的F-F截面的剖视图。
在图1-图8中，1为基底层、2为第一绝缘层、3为振膜层、301为振膜有效振动区、302为振膜固定部、4为第二绝缘层、5为背极层、501为背极区、502为背极固定部、6为第一电极、7为第二电极、a为第一切割线、b为第二切割线。
具体实施方式
本发明的核心是提供了一种MEMS麦克风芯片，能够降低寄生电容，提高灵敏度。
本发明还提供了一种应用该MEMS麦克风芯片的传声器和音频设备，提高了麦克风灵敏度。
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做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。
请参考图1和3，通常MEMS麦克风芯片由底层到顶层依次为：基底层1、第一绝缘层2、振膜层3、第二绝缘层4以及背极层5；其中，基底层1上设置有声腔，第一绝缘层2设置于基底层1上，且第一绝缘层2上对应声腔的部位为上下表面贯通的第一通孔；振膜层3设置于第一绝缘层2上方，通过第一绝缘层2与基底层1隔离，振膜层3由振膜有效振动区301和无效振动区组成，振膜有效振动区301即振膜层3上覆盖于声腔的部位，振膜有效振动区301之外的振膜层3为无效振动区，振膜有效振动区301的周边连接有振膜固定部302，振膜有效振动区301通过振膜固定部302固定于第一绝缘层2上方；第二绝缘层4设置于振膜层3上方，且第二绝缘层4上对应声腔的部位为上下表面贯通的第二通孔；背极层5设置于第二绝缘层4上方，背极层5上设置有背极区501，背极区501通过第一切割线a与背极层5的其余部位相隔离，第一切割线a向振膜层3上投影，则第一切割线a的投影围绕在振膜层3的振膜有效振动区301的周边，背极区501的周边为背极固定部502，背极固定部502为背极区的一部分，背极区501通过背极固定部502固定于第二绝缘层4上，背极区501的覆盖于声腔的部位开设有若干声孔；背极区501和振膜层3分别与设置在MEMS麦克风芯片上的第一电极6和第二电极7电连接。
申请人通过研究发现，寄生电容的大小与背极区501下方对应的无效振动区的面积有关，工作时，只要振膜层3的无效振动区与背极区501有上下对应的部分，则整个无效振动区所在的区域都会形成寄生电容，在背极区501尺寸固定的情况下，无效振动区的面积越大则寄生电容越大，参见图1，图1为现有技术中的MEMS麦克风芯片的俯视图，其中，第一切割线a所包围且位于振膜层3的投影内的区域为背极区501，中心阴影区域为振膜有效振动区301，振膜有效振动区301的周边连接有振膜固定部302，振膜固定部302之外为无效振动区，从图1中可以看出，背极区501的外围部分覆盖在了无效振动区上，则形成寄生电容的区域为整个振膜层3的无效振动区域，寄生电容较大，导致麦克风灵敏度降低。
针对于上述发现，本发明实施例提供了一种新的、寄生电容较小的MEMS麦克风芯片，参见图2和图3，该MEMS麦克风芯片由底部到顶部依次包括：基底层1、第一绝缘层2、振膜层3、第二绝缘层4以及背极层5，其设置与上面所述的MEMS麦克风芯片相同，不同的是，振膜层3上还设置有第二切割线b，第二切割线b围绕背极区501在振膜层3上的投影区域的外边缘以及振膜固定部302的外边缘设置，从图2中可以看出，第二切割线b包围于第一切割线a在振膜层3上的投影的外部。当然，第二切割线b可以是一条环绕的切割线，也可以在振膜固定部302的外围切割后，再围绕背极固定部502在振膜层3上的投影的外边缘切割，即第二切割线b为两部分组成，只要能够使振膜层3上位于第二切割线b内的振膜层3与位于第二切割线b外的振膜层3隔离，减小背极区501下方对应的无效振动区的面积，不让背极区501与整个无效振动区产生寄生电容即可。
由于在振膜层3上围绕背极区501在振膜层3上的投影的外边缘以及振膜固定部302的外边缘设置第二切割线b，使得背极区501投影内的振膜层3与背极区501投影外的振膜层3相隔离，而第二切割线b以外的振膜层3由于不与第二电极连接，因此不会产生寄生电容，背极区501只与第二切割线b以内的振膜层3产生寄生电容，因此，通过减小背极区501之下的振膜层3的无效振动区的面积降低了寄生电容，提高了所述MEMS麦克风芯片的灵敏度。
可以理解的是，在设计第二切割线b时，可以依据用户需要自行调整其与背极区501在振膜层3上的投影区域的外边沿之间的距离，并且，为了保证第二切割线b的设置不会对MEMS麦克风芯片的整体性能造成影响，本申请上述实施例中，第二切割线b与背极区501在振膜层3上的投影区域的外边沿之间应具有一定间隔，即背极区501在振膜层3上的投影区域的外边沿位于第二切割线b以内，优选的，第一切割线a在振膜层3上的投影与第二切割线b之间的距离为5um～15um。当然，并不局限于本实施例所列列举的数值范围。
可以理解的是，为了防止在对振膜层3进行切割的过程中虚切，或者由于第二切割线b的宽度过小，导致MEMS麦克风芯片在受热或其他原因变形后使得第二切割线b以外的振膜层3与第二切割线b以内的振膜层3相接触，本申请上述实施例中第二切割线b的宽度不小于1um，优选为2um至5um之间任意一数值。
如图2和图3所示，在本实施例中，振膜固定部302为连接于振膜有效振动区301的外圈上的圆环结构，固定时，将圆环状的振膜固定部302固定于第一绝缘层2上的第一通孔的周边，从而将振膜有效振动区301对应于声腔固定好。在进行第二切割线b切割时，沿振膜固定部302的边沿也进行切割，有利于振膜有效振动区与无效振动区的隔离。
在本实施例中，背极区501的背极固定部502的形状为沿背极区501的圆周边缘布置的锯齿结构，即第一切割线a的形状为锯齿形状，相邻锯齿之间存在一定间隔，锯齿的数量根据实际使用需求进行设定，在此不做具体限定。背极区501的形状并不局限于本实施例所列举的形状。
如图4-图8所示，本实施例提供了另一种MEMS麦克风芯片，它和上述实施例中的区别在于振膜固定部302的形状、第一切割线a和第二切割线b的布置上，其余设置均相同。具体的，振膜固定部302为连接于振膜有效振动区301的外圈上的锯齿结构，背极固定部502也为锯齿结构。振膜固定部302和背极固定部502的锯齿部位可对应设置，即振膜固定部302的每个锯齿部位均位于背极固定部502的每个锯齿部位在振膜层3上的投影内；或者振膜固定部302和背极固定部502的锯齿部位相间设置，即振膜固定部302的锯齿部位与背极固定部502的锯齿部位在振膜层3上的投影相间设置。
图4-图8给出了振膜固定部302和背极固定部502的锯齿部位相间设置的结构，在此结构下，振膜层3上的第二切割线b围绕图4所示的背极区501在振膜层3上的投影区域的外边缘以及振膜固定部302的外边缘进行切割，在此之前，振膜层3上的振膜有效振动区301已经与无效振动区隔离开，如图5、6和图8所示，只保留了锯齿状的振膜固定部302与振膜有效振动区301连接，如图5和图7所示，以便将振膜有效振动区301固定于第一绝缘层2上；为了减小振膜固定部302对应的背极层5上的面积(振膜固定部302对应的背极层5的非背极区的面积越大，寄生电容也会越大)，则第一切割线a除了采用如图2和图3所示的切割结构外，还需要沿振膜固定部302在背极层5上的投影区域的外边沿内侧进行切割，从而将振膜固定部302对应的背极层5的背极区501与非背极区隔离开，降低背极层5的非背极区产生的寄生电容。相比于图2和图3中的MEMS麦克风芯片，由于本实施例中的振膜固定部302的形状为具有间隔的锯齿结构，比圆环结构的振膜固定部302的面积小，背极区501之下的振膜层的无效振动区的面积变小，所产生的寄生电容更小。
当然，振膜固定部302和背极固定部502的形状根据实际需要自行设定，并不局限于上述实施例所描述的结构。
针对于本申请上述任意一项实施例公开的MEMS麦克风芯片，本申请还公开了一种传声器，传声器包括MEMS麦克风芯片，该MEMS麦克风芯片为本申请上述任意一项实施例公开的MEMS麦克风芯片。
此外，针对于上述传声器，本申请还公开了一种应用上述传声器的音频设备，所述音频设备可以为手机、平板电脑、笔记本、音箱等音频设备。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种MEMS麦克风芯片，由底部到顶部依次包括基底层(1)、第一绝缘层(2)、振膜层(3)、第二绝缘层(4)和背极层(5)，所述基底层(1)上设置有声腔；所述振膜层(3)上覆盖于所述声腔的部位为振膜有效振动区(301)，所述振膜有效振动区(301)的周边连接有振膜固定部(302)，所述振膜有效振动区(301)通过所述振膜固定部(302)固定于所述第一绝缘层(2)上方；所述背极层(5)上设置有背极区(501)，所述背极区(501)通过第一切割线(a)与所述背极层(5)的其余部位相隔离，所述第一切割线(a)在所述振膜层(3)上的投影围绕在所述振膜有效振动区(301)的周边，所述背极区(501)通过其周边的背极固定部(502)固定于所述第二绝缘层(4)上；其特征在于，所述振膜层(3)上还设置有第二切割线(b)，所述第二切割线(b)围绕所述背极区(501)在所述振膜层(3)上的投影区域的外边缘以及振膜固定部(302)的外边缘设置，使振膜层(3)上位于所述第二切割线(b)内的区域与位于所述第二切割线(b)外的区域隔离。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述背极区(501)在所述振膜层(3)上的投影区域的外边沿位于所述第二切割线(b)以内，且所述第二切割线(b)与该投影区域的外边沿之间的距离为5um～15um。
3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述第二切割线(b)的线宽大于或等于1um。
4.根据权利要求3所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述第二切割线(b)的线宽为2um～5um。
5.根据权利要求1-4任一项所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述振膜固定部(302)为连接于所述振膜有效振动区(301)的外圈上的圆环结构。
6.根据权利要求1-4任一项所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述振膜固定部(302)为连接于所述振膜有效振动区(301)的外圈上的锯齿结构，所述背极固定部(502)也为锯齿结构。
7.根据权利要求6所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述振膜固定部(302)和所述背极固定部(502)的锯齿部位对应设置。
8.根据权利要求6所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述振膜固定部(302)和所述背极固定部(502)的锯齿部位相间设置。
9.一种传声器，包括MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述MEMS麦克风芯片为权利要求1-8任一项所述的MEMS麦克风芯片。
10.一种音频设备，包括传声器，其特征在于，所述传声器为权利要求9所述的传声器。
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