CN107105377A - 一种mems麦克风 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS麦克风，包括衬底以及位于衬底上方的振膜、背极；在所述振膜的边缘位置形成有多个梳齿部，所述多个梳齿部间隔分布在振膜的周向方向上；其中，所述振膜上相邻两个梳齿部之间的位置通过绝缘层连接在衬底上；所述振膜上的梳齿部至少部分地与衬底重叠在一起，二者之间具有间隙并被构造为供气流通过的气流流通通道。本发明的麦克风，具有更好的抗冲击能力，而且还可以避免粉尘的入侵。

Description

一种MEMS麦克风
技术领域
本发明涉及声学领域，更具体地，涉及一种MEMS麦克风。
背景技术
MEMS感测组件现已应用普及在消费性电子产品中，如何加快产品生产工艺是目前零组件供货商关注的焦点，例如手机生产组装过程中所产生的灰尘碎削通过气枪直接清理，是目前成本最低的方案。因此对MEMS传感器必须提出大声压或大气压的抗吹气改善方案，避免在组装过程，因气枪清理导致麦克风发生破裂失效。
目前的改善方案为在MEMS麦克风的振膜上设置泄压孔或者泄压阀结构。但是泄压孔的结构会减少振膜的有效面积。在振膜中部区域设置的泄压阀结构会受到尺寸的限制，其泄压能力有限；而且还会直接影响振膜的振动特性，尤其影响振膜的低频特性；振膜的动态稳定性比较差。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种MEMS麦克风的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS麦克风，包括衬底以及位于衬底上方的振膜、背极；在所述振膜的边缘位置形成有多个梳齿部，所述多个梳齿部间隔分布在振膜的周向方向上；其中，所述振膜上相邻两个梳齿部之间的位置通过绝缘层连接在衬底上；所述振膜上的梳齿部至少部分地与衬底重叠在一起，二者之间具有间隙并被构造为供气流通过的气流流通通道。
可选地，所述振膜包括振膜主体以及多个间隔分布在振膜主体边缘、且相对于振膜主体边缘凸起的连接部，所述梳齿部设置在振膜主体上位于相邻两个连接部之间的位置；所述振膜的连接部通过绝缘层连接在衬底上。
可选地，所述振膜主体与连接部通过MEMS工艺一体成型。
可选地，所述每个梳齿部包括至少一个通过刻蚀振膜形成的泄气阀瓣。
可选地，所述泄气阀瓣呈矩形、扇形、椭圆形、梯形或者S型。
可选地，在所述泄气阀瓣上设置有牺牲孔。
可选地，所述振膜上梳齿部至振膜中心之间的部分与衬底重叠在一起。
可选地，所述振膜上梳齿部位置与衬底之间的间隙为1-2μm。
可选地，所述梳齿部的自由端延伸至振膜的外侧边缘，并与所述振膜的外侧边缘齐平，或者相对于振膜的外侧边缘呈内缩状态。
可选地，所述梳齿部的自由端相对于振膜的外侧边缘呈径向凸起状态。
本发明的麦克风，由于振膜的梳齿部区域与衬底之间形成了连通外界的气流流通通道，振膜受到的声压可以通过该气流流通通道快速进行泄压，以迅速均衡麦克风内外腔体的气压。而且气流流通通道可以根据自身的受压情况发生形变，从而可实时依据受到的过载声压来调整气流流通通道通的尺寸，提供泄压路径以此保护振膜。
本发明的气流流通通道通还实现了MEMS麦克风低频性能的调控。同时由于振膜的结构设计，使得该气流流通通道可以大大提高麦克风的抗冲击能力，并可有效遮蔽粉尘、微粒，避免粉尘微粒入侵对本身芯片产生伤害。
本发明的发明人发现，在现有技术中，泄压孔或者泄压阀结构的泄压能力有限，而且会影响麦克风的声学性能。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是本发明麦克风从振膜与衬底连接位置的剖面图。
图2是本发明振膜的结构示意图。
图3是图2中梳齿部的局部放大图。
图4至图6是本发明麦克风三种不同的操作状态。
图7是本发明振膜另一实施结构的示意图。
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。
参考图1，本发明提供了一种MEMS麦克风，其包括衬底1以及位于衬底1上方的振膜2、背极5。衬底1的中部区域形成有背腔，所述振膜2通过第一绝缘层3支撑在衬底1的上方，从而保证振膜2与衬底1之间的绝缘，并使振膜2的中部区域悬置在衬底1背腔的上方。背极5上设置有多个贯通孔50，其通过第二绝缘层4支撑在振膜2的上方，该第二绝缘层4不但可以保证背极5与振膜2之间的相互绝缘，还可以使背极5与振膜2之间具有一定的间隙。背极5与振膜2之间构成了可以将声音信号转换为电信号的电容器结构。
本发明的麦克风采用MEMS工艺制造，衬底1可选用单晶硅材质，振膜2与背极5均可以采用多晶硅材质，第一绝缘层3、第二绝缘层4均可以采用二氧化硅材质，这种麦克风的结构及其制造工艺均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2、图3，本发明提供的振膜2，在其边缘位置形成有多个梳齿部22，该梳齿部22可以是在振膜2边缘位置通过刻蚀形成的至少一个泄气阀瓣220。泄气阀瓣220的数量可以是一个、两个、三个或者更多个，具体根据实际设计要求而定。所述泄气阀瓣220可以呈矩形、扇形、椭圆形、梯形或者S型等本领域技术人员所熟知的泄气阀门结构。
本发明的梳齿部22可以设置在振膜2的内部，例如，所述泄气阀瓣220形成在振膜2的边缘区域，其自由端依然位于振膜2内。
在本发明另一个具体的实施方式中，所述梳齿部22的自由端延伸至振膜2的外侧边缘，在制作的时候，蚀刻的缝隙贯穿振膜2的边缘，从而形成所述泄气阀瓣220，并将泄气阀瓣220的自由端释放出来，参考图2、图3。本发明泄气阀瓣220的自由端可以与振膜2的外侧边缘齐平，也就是说，振膜2中心至泄气阀瓣220自由端的径向尺寸与振膜2中心至振膜2边缘的径向尺寸一致。也可以是，本发明泄气阀瓣220的自由端相对于振膜2的外侧边缘呈径向内缩状态，也就是说，振膜2中心至泄气阀瓣220自由端的径向尺寸小于振膜2中心至振膜2边缘的径向尺寸。
当然，对于本领域的技术人员而言，所述梳齿部22的自由端相对于振膜2的外侧边缘也可以呈径向凸起的状态。也就是说，梳齿部22的自由端延伸至振膜2边缘的外侧，参考图7。
本发明的多个梳齿部22间隔分布在振膜2的周向方向上，从而实现振膜周边方向上泄压的均匀性。例如当振膜2为圆形时，多个梳齿部22可以均匀分布在振膜2的圆周方向上。梳齿部22的数量可以根据实际需求而定，例如可以选择如图2所示的六个。
本发明的MEMS麦克风，所述振膜2上相邻两个梳齿部22之间的位置通过第一绝缘层3连接在衬底1上，并且所述振膜2上的梳齿部22至少部分地与衬底1重叠在一起。由于振膜2与衬底1之间的连接点位于相邻两个梳齿部22之间，而梳齿部22的区域与衬底1之间并没有第一绝缘层3，这就使得梳齿部22的区域与衬底1之间具有一定的间隙，该间隙被构造为供气流通过的气流流通通道6。该间隙的尺寸例如可以为1-2μm，具体需要根据ASIC芯片所提供的偏压来决定。
图1为本发明麦克风沿振膜2与衬底1连接位置的剖面图，图4为本发明麦克风沿振膜2梳齿部22位置的剖面图。振膜2边缘的梳齿部22区域是悬空在衬底1的上方，这就使得围成的气流流通通道6可以连通到麦克风的外侧，从而便于泄压。
对于本领域的技术人员而言，MEMS麦克风是通过逐层沉积、逐层刻蚀以及后续的腐蚀得到的。也就是说，振膜层的下方原本是一整层的第一绝缘层。梳齿部22与衬底1之间的第一绝缘层可以通过泄气阀瓣220之间的间隙进行腐蚀。本发明优选的是，在所述泄气阀瓣220上设置有牺牲孔221，参考图3。该牺牲孔221的设置不但有利于第一绝缘层的快速腐蚀，而且还可以提高泄气阀瓣220自身的泄压能力。
本发明的振膜2可以是一圆形振膜，在本发明一个优选的实施方式中，参考图2，所述振膜2包括振膜主体20以及多个间隔分布在振膜主体20边缘的连接部21，该连接部21相对于振膜主体20边缘呈径向凸起的状态，使得整个振膜2呈齿轮状。所述振膜2的连接部21通过第一绝缘层3连接在衬底1上，从而实现振膜2整体在衬底1上的支撑、连接。
所述梳齿部22形成在振膜主体20上位于相邻两个连接部21之间的位置。本发明的振膜主体20、连接部21、梳齿部22均可以通过刻蚀的方式在同一振膜层上形成，这种MEMS工艺属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
本发明气流流通通道6的结构设计使其具有三种操作状态，参考图4至图6。
图4示出了本发明气流流通通道6的第一种操作状态，当振膜2在正常的工作状态时，气流会通过气流流通通道6流出，从而可以满足调控麦克风低频性能的需求。
图5示出了本发明气流流通通道6的第二种操作状态，当振膜2受到微量的过载声压，例如受到0.2-0.4MPa的过载声压时，振膜2上的梳齿部22会被鼓起，从而使得气流流通通道6形成一个扩口的结构，以便于快速泄压，保证振膜2不受过载声压的损坏。
图6示出了本发明气流流通通道6的第三种操作状态，当振膜2受到较大的过载声压，例如受到0.4-0.8MPa的过载声压时，由于振膜2边缘仅部分与衬底1连接在一起，这就使得较大的过载声压会使振膜2受压并发生位移，从而提供最大的泄压路径；同时振膜2上的梳齿部22会被鼓起，从而使得气流流通通道6形成一个扩口的结构，以便于快速泄压，保证振膜2不受过载声压的损坏。
本发明的麦克风，由于振膜2的梳齿部22区域与衬底1之间形成了连通外界的气流流通通道6，振膜2受到的声压可以通过该气流流通通道6快速进行泄压，以迅速均衡麦克风内外腔体的气压。而且气流流通通道6可以根据自身的受压情况发生形变，从而可实时依据受到的过载声压来调整气流流通通道通的尺寸，提供泄压路径以此保护振膜2。
本发明的气流流通通道通还实现了MEMS麦克风低频性能的调控。同时由于振膜2的结构设计，使得该气流流通通道6可以大大提高麦克风的抗冲击能力，并可有效遮蔽粉尘、微粒，避免粉尘微粒入侵对本身芯片产生伤害。
本发明的麦克风，振膜2上梳齿部22与衬底1的重叠尺寸决定了气流流通通道6的横向长度。所述梳齿部22可以部分地与衬底1重叠在一起。优选的是，所述梳齿部22全部与衬底1重叠在一起。
更优选的是，所述振膜2上梳齿部22至振膜2中心之间的部分与衬底1重叠在一起。也就是说，不但梳齿部22全部与衬底1重叠在一起，振膜2上梳齿部22至振膜2中心之间的区域也部分地延伸到衬底1的上方，并参与气流流通通道6的形成。这大大延长了气流流通通道6的横向尺寸，在受到较大的过载声压时，有利于驱动振膜2整体发生位移，以提供最大的泄压路径。并且较长的气流流通通道6，可有效地避免粉尘微粒入侵至芯片的内部。
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 (10)

1.一种MEMS麦克风，其特征在于：包括衬底(1)以及位于衬底(1)上方的振膜(2)、背极(5)；在所述振膜(2)的边缘位置形成有多个梳齿部(22)，所述多个梳齿部(22)间隔分布在振膜(2)的周向方向上；其中，所述振膜(2)上相邻两个梳齿部(22)之间的位置通过绝缘层连接在衬底(1)上；所述振膜(2)上的梳齿部(22)至少部分地与衬底(1)重叠在一起，二者之间具有间隙并被构造为供气流通过的气流流通通道(6)。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述振膜(2)包括振膜主体(20)以及多个间隔分布在振膜主体(20)边缘、且相对于振膜主体(20)边缘凸起的连接部(21)，所述梳齿部(22)设置在振膜主体(20)上位于相邻两个连接部(21)之间的位置；所述振膜(2)的连接部(21)通过绝缘层连接在衬底(1)上。
3.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述振膜主体(20)与连接部(21)通过MEMS工艺一体成型。
4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述每个梳齿部(22)包括至少一个通过刻蚀振膜(2)形成的泄气阀瓣(220)。
5.根据权利要求4所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述泄气阀瓣(220)呈矩形、扇形、椭圆形、梯形或者S型。
6.根据权利要求4所述的MEMS麦克风，其特征在于：在所述泄气阀瓣(220)上设置有牺牲孔(221)。
7.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述振膜(2)上梳齿部(22)至振膜(2)中心之间的部分与衬底(1)重叠在一起。
8.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述振膜(2)上梳齿部(22)位置与衬底(1)之间的间隙为1-2μm。
9.根据权利要求1至8任一项所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述梳齿部(22)的自由端延伸至振膜(2)的外侧边缘，并与所述振膜(2)的外侧边缘齐平，或者相对于振膜(2)的外侧边缘呈内缩状态。
10.根据权利要求1至8任一项所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述梳齿部(22)的自由端相对于振膜(2)的外侧边缘呈径向凸起状态。
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