CN106535071B - Mems麦克风与环境传感器的集成装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS麦克风与环境传感器的集成装置及其制造方法，在衬底上依次设置有麦克风的第一下电极、振膜、第一上电极，在所述衬底上还设置有第二下电极以及通过绝缘部支撑在第二下电极上方且对环境敏感的第二上电极，所述第二下电极与第二上电极构成了环境传感器电容器结构。本发明的集成装置，将MEMS麦克风的电容结构、环境传感器的电容结构集成在同一个衬底上，这就将麦克风和环境传感器集成在同一个芯片上，提高了MEMS麦克风和环境传感器的集成度，可以大大降低整个封装结构的尺寸；而且可以在衬底上同时制作出MEMS麦克风和环境传感器，提高了生产的效率。

Description

MEMS麦克风与环境传感器的集成装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，更具体地，涉及一种MEMS麦克风及环境传感器的集成装置；本发明还涉及一种对MEMS麦克风、环境传感器进行集成的制造方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展，手机、笔记本电脑等电子产品的体积在不断减小，而且人们对这些便携电子产品的性能要求也越来越高，这就要求与之配套的电子零部件的体积也必须随之减小。

传感器作为测量器件，已经普遍应用在手机、笔记本电脑或者可穿戴等电子产品上。在现有的工艺结构中，压力传感器和MEMS麦克风分别以两个独立的单体形式被封装在PCB板上，然后进行DB、WB等一系列工艺，这种封装形式的尺寸较大，不利于在消费类电子产品应用。目前的问题是，各传感器的封装工艺已经比较成熟，工艺能力已经接近极限，很难再根据系统厂商的要求进一步缩减芯片的尺寸。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种MEMS麦克风与环境传感器的集成装置的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS麦克风与环境传感器的集成装置，包括衬底，在所述衬底上依次设置有麦克风的第一下电极、振膜、第一上电极，所述第一下电极、振膜、第一上电极之间通过绝缘部支撑；所述第一下电极、振膜、第一上电极构成了差分式的麦克风电容器结构，所述衬底上设置有与第一下电极对应设置的背腔；在所述衬底上还设置有第二下电极以及通过绝缘部支撑在第二下电极上方且对环境敏感的第二上电极，所述第二上电极与第二下电极之间形成的腔体为密封腔体，所述第二下电极与第二上电极构成了环境传感器电容器结构；其中，所述第一上电极、第二上电极采用相同的材质一体成型，所述第一下电极、第二下电极采用相同的材质一体成型。

可选地，在所述第一上电极上设置有第一导通孔，或/和在第一下电极上设置有第二导通孔。

可选地，在所述振膜上设置有第三导通孔。

可选地，所述第一下电极、第二下电极与衬底之间还设置有第一绝缘层。

可选地，在所述衬底上还设置有ASIC电路，所述ASIC电路设置在衬底上位于第二下电极下方的位置。

可选地，还包括用于将麦克风电容器结构、环境传感器电容器结构的电信号引入ASIC电路的导电部。

可选地，所述绝缘部包括支撑在第一上电极、振膜之间的第二绝缘层，以及支撑在振膜与第一下电极之间的第三绝缘层，且所述第二绝缘层、第三绝缘层共同支撑在第二上电极、第二下电极之间。

可选地，所述第一下电极、第二下电极通过第一绝缘层键合在衬底上，所述第三绝缘层的下端键合在第一下电极、第二下电极上。

可选地，所述环境传感器为压力传感器或温度传感器或湿度传感器。

根据本发明的另一方面，还提供了一种上述集成装置的制造方法，包括以下步骤：

a)提供上电极层，在上电极层上位于麦克风的区域设置第一上电极的第一导通孔；

b)在上电极层上沉积第二绝缘层，在第二绝缘层的上方沉积振膜层，刻蚀所述振膜层以在麦克风区域形成振膜；

c)在振膜层的上方沉积第三绝缘层；刻蚀环境传感器区域的第三绝缘层、振膜层、第二绝缘层，形成腔体；

d)提供衬底和包括第一下电极和第二下电极的下电极层，所述下电极层通过第一绝缘层键合在衬底上，并在下电极层上位于麦克风的区域设置第二导通孔；

e)将第三绝缘层与下电极层键合在一起；

f)对上电极层进行减薄处理，形成第一上电极和第二上电极；

g)对位于第一下电极下方位置的第一绝缘层、衬底进行刻蚀，以形成背腔；

h)对麦克风区域的第二绝缘层、第三绝缘层进行腐蚀，以释放出麦克风的第一下电极、振膜、第一上电极。

本发明的集成装置，将MEMS麦克风的电容结构、环境传感器的电容结构集成在同一个衬底上，这就将麦克风和环境传感器集成在同一个芯片上，提高了MEMS麦克风和环境传感器的集成度，可以大大降低整个封装结构的尺寸；而且可以在衬底上同时制作出MEMS麦克风和环境传感器，提高了生产的效率。

本发明的发明人发现，在现有技术中，压力传感器和MEMS麦克风分别以两个独立的单体形式被封装在PCB板上，然后进行DB、WB等一系列工艺，这种封装形式的尺寸较大，不利于在消费类电子产品应用。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明集成装置的剖面图。

图2至图8是本发明集成装置的制造工艺流程图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了减小封装的整体尺寸，本发明提供了一种MEMS麦克风与环境传感器的集成装置，其包括衬底1，在所述衬底1的上端设置有MEMS麦克风电容结构以及环境传感器电容结构，使得可以将MEMS麦克风与环境传感器集成在同一个芯片上。

本发明的环境传感器可以是压力传感器、温度传感器、湿度传感器等用于检测周围环境的传感器等，其敏感电极为随外界环境变化而发生相应形变的敏感膜材料，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。

参考图1，具体地，本发明的集成装置，在所述衬底1上依次设置有麦克风的第一下电极3a、振膜5a、第一上电极7a，所述第一下电极3a、振膜5a、第一上电极7a之间通过绝缘部进行支撑。本发明的衬底1可以采用硅衬底材料，第一下电极3a、振膜5a、第一上电极7a可以选用本领域技术人员所熟知的材料制成，例如可以选择单层或者多层复合的单晶硅、多晶硅材料等。其中为了保证第一下电极3a与衬底1之间的绝缘，在所述第一下电极3a与衬底1之间还设置有第一绝缘层2a，该第一绝缘层2a可以采用二氧化硅或者本领域技术人员所熟知的其它材料。

上述的绝缘部包括支撑在第一上电极7a、振膜5a之间的第二绝缘层6a，以及支撑在振膜5a与第一下电极3a之间的第三绝缘层4a；所述第一上电极7a通过第二绝缘层6a支撑在振膜5a上，振膜5a通过第三绝缘层4a支撑在第一下电极3a上，从而可以保证第一上电极7a与振膜5a之间、振膜5a与第一下电极3a之间具有一定的间隔，使的第一上电极7a、振膜5a、第一下电极3a可以构成平板电容器结构。

具体地，所述第一上电极7a与振膜5a构成了第一平板电容器结构，所述振膜5a与第一下电极3a构成了第二平板电容器结构，该第一平板电容器结构、第二平板电容器结构公用一麦克风的敏感膜，使得第一平板电容器结构与第二平板电容器结构形成了差分电容器结构，由此可以抑制麦克风的噪音，提高麦克风信号的精度。MEMS麦克风电容结构的动作原理属于本领域技术人员的公知常识，在此不再进行赘述。

当然，为了使MEMS麦克风的电容结构发挥作用，所述衬底1上与第一下电极3a对应的位置设置有背腔1a，使得该第一下电极3a可以悬置在背腔1a的上方，这属于本领域技术人员的公知常识，在此对其不再具体说明。

本发明的麦克风，可以对第一上电极7a进行图案化，以在第一上电极7a上形成有第一导通孔70a，通过该第一导通孔70a使得外界的声音可以经过第一上电极7a并作用在位于第一上电极7a与第一下电极3a之间的振膜5a上，以使振膜5a发挥其功能。或者，可以对第一下电极3a进行图案化，以在第一下电极3a上形成第二导通孔30a，通过该第二导通孔30a使得外界的声音可以经过第一下电极3a并作用在位于第一上电极7a与第一下电极3a之间的振膜5a上，以使振膜5a发挥其功能。当然，对于本领域的技术人员而言，可以在第一上电极7a、第一下电极3a上分别设置第一导通孔70a、第二导通孔30a，这不但可以实现声音的进入，而且还可以均衡麦克风电容器结构与外界的气压，以保证振膜5a的灵敏度。

在本发明一个优选的实施方式中，在所述振膜5a上设置有第三导通孔50a，该第三导通孔50a可以与第一、第二导通孔配合在一起，实现电容器结构内与外界的气压均衡，而且通过在振膜5a设置第三导通孔50a还可以调节振膜5a的振动频率，以满足设计的需求。

本发明的集成装置，在所述衬底1上还设置有第二下电极3b以及通过绝缘部支撑在第二下电极3b上方的第二上电极7b，具体地，所述第二下电极3b与衬底1之间通过第一绝缘层2a进行绝缘保护，所述第二上电极7b可通过第二绝缘层6a、第三绝缘层4a支撑在所述第二下电极3b上，使得第二上电极7b与第二下电极3b之间具有一定的间隙，二者构成了环境传感器的平板电容器结构。

第二上电极7b与第一上电极7a采用相同的材质一体成型，第二下电极3b与第一下电极3a采用相同的材质一体成型，使得可以同时在衬底1上制作麦克风、环境传感器结构。所述第二上电极7b采用对环境敏感的材质，例如当本发明的环境传感器为压力传感器时，第二上电极7b选用对压力敏感的材质，当第二上电极7b受到外界的压力时，第二上电极7b发生变形，从而改变了第二上电极7b与第二下电极3b之间的距离，最终将变化的电信号输出。其中，所述第二上电极7b与第二下电极3b之间形成的腔体9b为密封的腔体，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。

本发明的集成装置，将MEMS麦克风的电容结构、环境传感器的电容结构集成在同一个衬底上，这就将麦克风和环境传感器集成在同一个芯片上，提高了MEMS麦克风和环境传感器的集成度，可以大大降低整个封装结构的尺寸；而且可以在衬底上同时制作出MEMS麦克风和环境传感器，提高了生产的效率。

在本发明一个优选的实施方式中，在所述衬底1上还预先设置有ASIC电路8，所述ASIC电路8设置在衬底1上位于第二下电极3b下方的位置，使得ASIC电路8可以与衬底1的背腔1a错开。

本发明的集成装置，还包括用于将麦克风电容器结构、环境传感器电容器结构的电信号引入ASIC电路8的导电部(视图未给出)，例如可通过沉积、刻蚀导电层的方式形成连接ASIC电路8与麦克风电容器结构、环境传感器电容器结构的导电部，从而可以将麦克风电容器结构、环境传感器电容器结构输出的电信号传递至ASIC电路8中进行处理。

由于预先在衬底1上形成了ASIC电路8，为了保护ASIC电路8不受损坏，在制作该集成装置的时候，所述第一下电极3a、第二下电极3b可以通过第一绝缘层2a键合在衬底1上，所述第三绝缘层4a的下端与第一下电极3a、第二下电极3b通过键合的方式连接在一起，由此可以避免高温对ASIC电路8带来的损坏。

本发明还提供了一种MEMS麦克风与环境传感器的集成装置的制造方法，包括以下步骤：

a)提供上电极层7，参考图2，所述上电极层7可以采用单晶硅材质，在上电极层7上位于麦克风的区域设置第一上电极的导通孔70a，第一导通孔70a的数量、形状、尺寸根据实际需求进行选择，在此不再具体说明；

b)在上电极层7上沉积第二绝缘层6a，参考图3，该第二绝缘层6a填充在第一导通孔70a中，并覆盖在整个上电极层7的上端面；在第二绝缘层6a的上方沉积振膜层5，此时可以对该振膜层5进行刻蚀，定义出麦克风振膜5a的图形；

c)在振膜层5的上方继续沉积第三绝缘层4a，参考图4；刻蚀环境传感器区域的第三绝缘层4a、振膜层5、第二绝缘层6a，以形成腔体9b，参考图5；通过对环境传感器区域的第三绝缘层4a、振膜层5、第二绝缘层6a进行刻蚀，从而可以将底端的上电极层7露出，该上电极层7露出的位置可作为环境传感器的第二上电极7b使用；

在该步骤之前，优选的是，对振膜层5进行刻蚀，形成第三导通孔50a，之后再在振膜层5的上方继续沉积第三绝缘层4a；

d)提供衬底1以及下电极层3，将下电极层3通过第一绝缘层2a键合在衬底1上，参考图6，例如可以采用硅-硅键合的方式，这属于本领域技术人员的公知常识；在下电极层3上位于麦克风的区域设置第一下电极的第二导通孔30a，参考图7；第二导通孔30a的数量、形状、尺寸根据实际需求进行选择，在此不再具体说明；

e)将第三绝缘层4a与下电极层3键合在一起，参考图8；

f)对上电极层7进行减薄处理，将上电极层7减薄至预定的厚度，参考图8；此时上电极层7的部分位置将腔体9b密封起来，上电极层7的该部位构成了环境传感器的第二上电极7a；

g)对位于第一下电极3a下方位置的第一绝缘层2a、衬底1进行刻蚀，以形成背腔1a，从而使得第一下电极3a可以悬置在背腔1a的上方；

h)对麦克风区域的第二绝缘层6a、第三绝缘层4a进行腐蚀，以形成并释放出麦克风的第一下电极3a、振膜5a、第一上电极7a，从而得到本发明的集成装置，参考图1；这种通过腐蚀释放的工艺属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种MEMS麦克风与环境传感器的集成装置，其特征在于：包括衬底(1)，在所述衬底(1)上依次设置有麦克风的第一下电极(3a)、振膜(5a)、第一上电极(7a)，所述第一下电极(3a)、振膜(5a)、第一上电极(7a)之间通过绝缘部支撑；所述第一下电极(3a)、振膜(5a)、第一上电极(7a)构成了差分式的麦克风电容器结构，所述衬底(1)上设置有与第一下电极(3a)对应设置的背腔(1a)；在所述衬底(1)上还设置有第二下电极(3b)以及通过绝缘部支撑在第二下电极(3b)上方且对环境敏感的第二上电极(7b)，所述第二上电极(7b)与第二下电极(3b)之间形成的腔体(9b)为密封腔体，所述第二下电极(3b)与第二上电极(7b)构成了环境传感器电容器结构；其中，所述第一上电极(7a)、第二上电极(7b)采用相同的材质一体成型，所述第一下电极(3a)、第二下电极(3b)采用相同的材质一体成型，所述第一上电极(7a)、第二上电极(7b)连接，所述第一下电极(3a)、第二下电极(3b)连接；

在所述第一上电极(7a)上设置有第一导通孔(70a)，或/和在第一下电极(3a)上设置有第二导通孔(30a)；在所述振膜(5a)上设置有第三导通孔(50a)；

该第三导通孔(50a)可以与第一导通孔(70a)、第二导通孔(30a)配合在一起，以实现麦克风电容器结构内与外界的气压均衡和调节振膜(5a)的振动频率。

2.根据权利要求1所述的集成装置，其特征在于：所述第一下电极(3a)、第二下电极(3b)与衬底(1)之间还设置有第一绝缘层(2a)。

3.根据权利要求2所述的集成装置，其特征在于：在所述衬底(1)上还设置有ASIC电路(8)，所述ASIC电路(8)设置在衬底(1)上位于第二下电极(3b)下方的位置。

4.根据权利要求3所述的集成装置，其特征在于：还包括用于将麦克风电容器结构、环境传感器电容器结构的电信号引入ASIC电路(8)的导电部。

5.根据权利要求2所述的集成装置，其特征在于：所述绝缘部包括支撑在第一上电极(7a)、振膜(5a)之间的第二绝缘层(6a)，以及支撑在振膜(5a)与第一下电极(3a)之间的第三绝缘层(4a)，且所述第二绝缘层(6a)、第三绝缘层(4a)共同支撑在第二上电极(7b)、第二下电极(3b)之间。

6.根据权利要求5所述的集成装置，其特征在于：所述第一下电极(3a)、第二下电极(3b)通过第一绝缘层(2a)键合在衬底(1)上，所述第三绝缘层(4a)的下端键合在第一下电极(3a)、第二下电极(3b)上。

7.根据权利要求1至6任一项所述的集成装置，其特征在于：所述环境传感器为压力传感器或温度传感器或湿度传感器。

8.一种如权利要求1至7中任一项所述集成装置的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)提供上电极层(7)，在上电极层(7)上位于麦克风的区域设置第一上电极(7a)的第一导通孔(70a)；

b)在上电极层(7)上沉积第二绝缘层(6a)，在第二绝缘层(6a)的上方沉积振膜层(5)，刻蚀所述振膜层(5)以在麦克风区域形成振膜(5a)；

c)在振膜层(5)的上方沉积第三绝缘层(4a)；刻蚀环境传感器区域的第三绝缘层(4a)、振膜层(5)、第二绝缘层(6a)，形成腔体(90b)；

d)提供衬底(1)和包括第一下电极(3a)和第二下电极(3b)的下电极层(3)，所述下电极层(3)通过第一绝缘层(2a)键合在衬底(1)上，并在下电极层(3)上位于麦克风的区域设置第二导通孔(30a)；

e)将第三绝缘层(4a)与下电极层(3)键合在一起；

f)对上电极层(7)进行减薄处理，形成第一上电极(7a)和第二上电极(7b)；

g)对位于第一下电极(3a)下方位置的第一绝缘层(2a)、衬底(1)进行刻蚀，以形成背腔(1a)；

h)对麦克风区域的第二绝缘层(6a)、第三绝缘层(4a)进行腐蚀，以释放出麦克风的第一下电极(3a)、振膜(5a)、第一上电极(7a)。

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