CN106303867A - Mems麦克风 - Google Patents

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Abstract

一种MEMS麦克风，包括叠加层，叠加层贴于用做振膜的上极板或下极板的中间区域，相当于增加了振膜中间的厚度，可以有效限制振膜中心区域的变形。当振膜发生振动而移动时，与传统结构麦克风相比，振膜的中间区域显得更为平整；在振膜移动相同距离的情况下，振膜中间区域较为平整的电容结构显然电容较大，即电容的变化量更大，从而使灵敏度更高。

Description

MEMS麦克风
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种MEMS麦克风。
背景技术
MEMS麦克风芯片的研究已经有20多年了，在此期间有很多类型的麦克风芯片研发出来，其中有压阻式、压电式和电容式等，其中电容式的MEMS麦克风应用最为广泛。电容式MEMS麦克风拥有以下优点：体积小、灵敏度高、频率特性好、噪声低等。除此之外，电容式MEMS麦克风还具有很宽的工作温度，可以在很恶劣的环境下工作。电容式麦克风又分为双膜电容结构和单膜电容结构，其中大部分设计都采用双膜结构。
电容式硅基MEMS麦克风通常由背板和振膜组成。其中振膜具有一定柔韧性，可通过空气使振膜振动；而背板具有一定刚性，并且布满孔洞，也称为声孔。空气可穿过这些声孔，使振膜振动，背板不随空气的振动而振动。背板和振膜构成了一个平板电容，声音通过空气使柔韧的振膜振动，从而使平板电容的电容值发生变化。这种电容值的变化为外围电路提供了一种可供探测的电信号，从而实现了从声音信号到电信号的转换。MEMS器件，包括硅基麦克风，通常是采用集成电路制造技术来生产的。硅基麦克风在助听器和移动通讯设备等领域有着非常广阔的应用前景。
对电容式硅基MEMS麦克风来说，是一种通过振膜变形实现电容变化的可变电容结构。灵敏度是衡量MEMS麦克风的一项重要指标。振膜尺寸、形变的大小以及形变的形状决定了硅基麦克风的灵敏度大小。在其他设计结构不变的情况下，如果想缩小芯片面积，就必然会降低MEMS麦克风的灵敏度。
发明内容
基于此，有必要提供一种在不缩小芯片面积的情况下提高灵敏度的MEMS麦克风。
一种MEMS麦克风，包括基底、支撑部、叠加层、上极板和下极板，所述基底设有贯通中间的开口，所述下极板跨设于所述开口，所述支撑部固定于所述下极板上，所述上极板贴于所述支撑部上，所述支撑部、所述上极板和所述下极板之间形成容腔，所述叠加层贴于所述上极板或下极板的中间区域，所述上极板和所述下极板之间绝缘。
在其中一个实施例中，所述上极板为柔韧性薄膜，所述下极板为坚硬性薄膜，所述叠加层贴于所述上极板的中间区域；或者
所述上极板为坚硬性薄膜，所述下极板为柔韧性薄膜，所述叠加层贴于所述下极板的中间区域。
在其中一个实施例中，所述叠加层的材质包括多晶硅、氮化硅、Alpha硅和金属中的一种。
在其中一个实施例中，所述叠加层的形状包括圆形、椭圆形、多边形中的一种。
在其中一个实施例中，所述上极板或下极板设有多个声孔。
在其中一个实施例中，所述上极板和所述下极板包含导电层。
在其中一个实施例中，所述支撑部包含用于使所述上极板和所述下极板之间绝缘的第一绝缘层。
在其中一个实施例中，所述支撑部包括环形结构、多边框形结构中的一种。
在其中一个实施例中，所述支撑部包括了一个独立于所述支撑部主体的支撑柱。
在其中一个实施例中，还包括上电极和下电极，所述上电极和所述下电极的材质包括P型硅或N型硅中的一种，所述上电极和所述上极板电连接，所述下电极和所述下极板电连接。
上述MEMS麦克风，包括叠加层，叠加层贴于用做振膜的上极板或下极板的中间区域，相当于增加了振膜中间的厚度，可以有效限制振膜中心区域的变形。当振膜发生振动而移动时，与传统结构麦克风相比，振膜的中间区域显得更为平整；在振膜移动相同距离的情况下，振膜中间区域较为平整的电容结构显然电容较大，即电容的变化量更大，从而使灵敏度更高。
附图说明
图1是其中一实施例MEMS麦克风的俯视图；
图2是沿图1中A-A’线的侧面剖视图；
图3是另一实施例MEMS麦克风的俯视图；
图4是沿图3中A-A’线的侧面剖视图；
图5是传统MEMS麦克风和具备叠加层的MEMS麦克风振动时的简单结构图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
图1是其中一实施例MEMS麦克风的俯视图，图2是沿图1中A-A’线的侧面剖视图。
一种MEMS麦克风，包括基底100、支撑部200、上极板300、下极板400、叠加层600。基底100的材料在本实施例中为Si，还可以为其他半导体或半导体的化合物，例如Ge、SiGe、SiC、SiO2或Si3N4中的一种。基底上还可以设有第二绝缘层，下极板400跨接于第二绝缘层上，第二绝缘层的作用在于使基底100和下极板400相互绝缘。
基底100设有贯通中间的开口120，下极板400跨设于开口120，支撑部200固定于下极板400上，上极板300贴于支撑部200上，支撑部200、上极板300和下极板400之间形成容腔500，叠加层600贴于上极板300或下极板400的中间区域，上极板300和下极板400之间绝缘。
叠加层600的材质可以包括多晶硅、氮化硅、Alpha硅和金属(例如Al、W、Ti)中的一种，当然也可以与所贴的上极板300或下极板400的材料相同，甚至可以是一体形成。叠加层600的厚度也可以与所贴的上极板300或下极板400的厚度相当，目的在于增加振膜的厚度。叠加层600的形状在本实施例中为圆形，在其他实施例中还可以是椭圆形或多边形，例如方形、正六边形、正八边形等，还可以是不规则图形。
在图1和图2显示的实施例中，叠加层600贴于上极板300对向容腔500的一面上，此时上极板300作为振膜，下极板400作为背板。在一些实施例中，叠加层600还可以贴于上极板300背向容腔500的一面上。图3是另一实施例MEMS麦克风的俯视图，图4是沿图3中A-A’线的侧面剖视图。在图3和图4显示的实施例中，叠加层600贴于下极板400对向容腔500的一面上，此时上极板300作为背板，下极板400作为振膜。在一些实施例中，叠加层600还可以贴于下极板400背向容腔500的一面上。
见图1和图2，当上极板300作为振膜而下极板400作为背板时，上极板300为柔韧性薄膜，下极板400为坚硬性薄膜；见图3和图4，当上极板300作为背板而下极板400作为振膜时，上极板300为坚硬性薄膜，下极板400为柔韧性薄膜。坚硬性薄膜不容易受到声波振动而形变，柔韧性薄膜容易受到声波振动而形变。作为振膜的上极板300或下极板400，设有多个均匀分布的声孔700。当然声孔700也可以非均匀分布，例如声孔700在上极板300或下极板400的中间区域较为集中。柔韧性薄膜的材质包括Si、Ge、SiGe、SiC，或者Al、W、Ti，或者Al、W、Ti的氮化物中的一种。上极板300和下极板400包含导电层，上极板300和下极板400可以是整体都是导电材质的结构，也可以是包含了导电层的复合层结构。
支撑部200、上极板300和下极板400之间形成容腔500，容腔500实际上是由牺牲层经过释放而来的，在释放过程中，牺牲层被腐蚀掉，形成空腔(容腔500)。
支撑部200包含了第一绝缘层220，第一绝缘层220的存在使得上极板300和下极板400之间相互绝缘。支撑部200可以是整体都是绝缘材质的结构，也可以是包含了绝缘层的复合层结构。在本实施例中支撑部200为方框形结构，中间设有贯通的开口280，支撑部200的开口280比基底100的开口120略大，见图1和图3。支撑部200包括了一个独立于支撑部200方框形结构主体的支撑柱240，支撑柱240与方框形结构主体之间存在间隔260(空隙)，支撑柱240主要用于设置上电极800，而间隔260的作用则是使电极800与支撑部200的方框形结构主体有所隔离，从而使得电极800与支撑部200的方框形结构主体上大面积的上极板300有所隔离，降低寄生电容的影响。支撑部200上还设有缺口250，用于暴露支撑部200下的下极板400以制造下电极900。缺口250在本实施例中为通孔结构，在其他实施例中还可以是在支撑部200边上的缺口。
在其他实施例中，支撑部200还可以是其他多边框形结构，例如正六边形框形结构、正八边形框形结构，或者是圆环形结构。
MEMS麦克风还包括上电极800和下电极900，上电极800和下电极900的材质包括P型硅(例如掺杂有硼杂质的硅)或N型硅(例如掺杂有磷杂质的硅)中的一种。上电极800位于支撑柱240上的上极板300上和上极板300电连接，下电极900位于支撑部200上的缺口250中并与下极板400电连接。
最后需要说明的是，基底100是表示一种提供支撑的支撑结构，并不一定表示基底100是一个单独的构件。基底100可以表示为多层结构，其多层结构可以是通过外延、淀积或键合等工艺形成。
可以理解，图1～图4中的图示是对MEMS麦克风的一些主要结构的简单示例，并不代表器件的全部结构。
上述MEMS麦克风，包括叠加层，叠加层贴于用做振膜的上极板或下极板的中间区域，相当于增加了振膜中间的厚度，可以有效限制振膜中心区域的变形。图5是传统MEMS麦克风和具备叠加层的MEMS麦克风振动时的简单结构图，对比两图可以看出，当振膜发生振动而移动时，与传统结构麦克风相比，振膜的中间区域显得更为平整；在振膜移动相同距离的情况下，振膜中间区域较为平整的电容结构显然电容较大，即电容的变化量更大，从而使灵敏度更高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种MEMS麦克风，其特征在于，包括基底、支撑部、叠加层、上极板和下极板，所述基底设有贯通中间的开口，所述下极板跨设于所述开口，所述支撑部固定于所述下极板上，所述上极板贴于所述支撑部上，所述支撑部、所述上极板和所述下极板之间形成容腔，所述叠加层贴于所述上极板或下极板的中间区域，所述上极板和所述下极板之间绝缘。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述上极板为柔韧性薄膜，所述下极板为坚硬性薄膜，所述叠加层贴于所述上极板的中间区域；或者
所述上极板为坚硬性薄膜，所述下极板为柔韧性薄膜，所述叠加层贴于所述下极板的中间区域。
3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述叠加层的材质包括多晶硅、氮化硅、Alpha硅和金属中的一种。
4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述叠加层的形状包括圆形、椭圆形、多边形中的一种。
5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述上极板或下极板设有多个声孔。
6.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述上极板和所述下极板包含导电层。
7.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述支撑部包含用于使所述上极板和所述下极板之间绝缘的第一绝缘层。
8.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述支撑部包括环形结构、多边框形结构中的一种。
9.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述支撑部包括了一个独立于所述支撑部主体的支撑柱。
10.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括上电极和下电极，所述上电极和所述下电极的材质包括P型硅或N型硅中的一种，所述上电极和所述上极板电连接，所述下电极和所述下极板电连接。
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