CN108924720A - Mems麦克风 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS麦克风，包括第一衬底以及通过间隔部支撑在第一衬底上方的振膜，第一衬底、间隔部、振膜围成了真空腔；振膜在大气压力下的静态偏转距离小于振膜与第一衬底之间的距离；振膜、第一衬底中，其中一个设置了磁性薄膜，另一个上设置了与磁性薄膜配合的磁阻传感器，磁阻传感器被配置为在振膜的振动过程中感应磁性薄膜的磁场变化而输出变化的电信号。本发明的MEMS麦克风，提高了麦克风的信噪比，大大降低MEMS麦克风的整体尺寸。

Description

MEMS麦克风
技术领域
本发明涉及声电转换领域，更具体地，涉及一种MEMS麦克风的机构，尤其是一种具有高SNR的麦克风结构。
背景技术
现在主流的MEMS麦克风均采用电容式的感测结构，包括衬底以及形成在衬底上的背极板、振膜，背极板与振膜之间具有间隙，使得背极板、振膜构成了平板式的电容器感测结构。
为了充分利用振膜的机械灵敏度，麦克风需要设计一个具有环境压力的巨大后腔，以确保流动空气的刚性远远振膜。背腔的容积通常远大于1mm3，例如通常设计为1-15mm3。而且麦克风芯片在封装的时候，需要开放其腔体。这就限制了MEMS麦克风最小尺寸封装的设计(>3mm3)。
这是由于如果后腔容积过小，则不利于空气的流通，这种空气的刚性则会大大降低振膜的机械灵敏度。另外，为了均压，背极板上通常会设计密集的通孔，由于空气粘度造成的间隙或穿孔中的空气流动阻力成为MEMS麦克风噪声的主导因素，从而限制了麦克风的高信噪比性能。
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，包括第一衬底以及通过间隔部支撑在第一衬底上方的振膜，所述第一衬底、间隔部、振膜围成了真空腔；其中，振膜在大气压力下的静态偏转距离小于振膜与第一衬底之间的距离；
振膜、第一衬底中，其中一个设置了磁性薄膜，另一个上设置了与磁性薄膜配合的磁阻传感器，所述磁阻传感器被配置为在振膜的振动过程中感应磁性薄膜的磁场变化而输出变化的电信号。
可选地，所述磁阻传感器为巨磁阻传感器或者隧道磁阻传感器。
可选地，所述磁性薄膜设置在第一衬底上位于真空腔一侧的位置；所述磁阻传感器设置在振膜上位于真空腔的一侧，或者设置在振膜上远离真空腔的一侧。
可选地，所述磁性薄膜设置在第一衬底上位于真空腔一侧的位置；所述振膜采用复合结构，所述磁阻传感器设置在振膜的复合结构中。
可选地，所述磁阻传感器设置在第一衬底上位于真空腔一侧的位置；所述磁性薄膜设置在振膜上位于真空腔的一侧，或者设置在振膜上远离真空腔的一侧。
可选地，所述磁阻传感器设置在第一衬底上位于真空腔一侧的位置；所述振膜采用复合结构，所述磁性薄膜设置在振膜的复合结构中。
可选地，所述振膜的机械灵敏度为0.02至0.9nm/Pa，所述振膜和第一衬底之间的初始间隙为1-100μm。
可选地，还包括ASIC电路，所述ASIC电路形成在第一衬底上。
可选地，在所述振膜远离真空腔的一侧还设置有第二衬底，所述第二衬底上对应振膜中部区域的位置形成有将振膜露出的空腔。
本发明的MEMS麦克风，振膜与第一衬底之间围成了真空腔，真空腔内的空气粘度远远低于环境压力中的空气粘度，从而可以降低声阻对振膜振动的影响，提高了麦克风的信噪比。另外，由于该结构的MEMS麦克风不需要较大容积的背腔，因此可以大大降低MEMS麦克风的整体尺寸，增强了麦克风的可靠性。
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
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明麦克风第一实施方式的结构示意图。
图2是本发明麦克风第二实施方式的结构示意图。
图3是本发明麦克风第三实施方式的结构示意图。
图4是本发明麦克风第四实施方式的结构示意图。
图5是本发明麦克风第五实施方式的结构示意图。
图6是本发明麦克风第六实施方式的结构示意图。
图7是本发明麦克风的工作原理示意图。
图8是本发明麦克风其中一种制造工艺的示意图。
图9是本发明麦克风其中一种封装方式的示意图。
具体实施方式
为了使本发明解决的技术问题、采用的技术方案、取得的技术效果易于理解，下面结合具体的附图，对本发明的具体实施方式做进一步说明。
参考图1，本发明提供了一种MEMS麦克风，其包括第一衬底1以及通过间隔部3支撑在第一衬底1上方的振膜2，第一衬底1、间隔部3、振膜2围成了真空腔4。
本发明的第一衬底1可以采用单晶硅或者本领域技术人员所熟知的其它材质，并可通过逐层沉积、图案化、牺牲的工艺形成间隔部3以及通过间隔部3支撑在第一衬底1上的振膜2，真空腔4例如可由低压等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在200-350℃下进行密封。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。其中真空腔4优选小于1kPa，这使得真空腔4中的残余气体粘度大大低于标准压力下的空气粘度。
由于振膜2与第一衬底1之间形成了低于大气压力的真空腔，因此振膜2在大气压力下且无声压时会发生静态偏转，即振膜2会朝向第一衬底1的方向发生静态偏转。为了防止振膜2静态时偏转至与第一衬底1接触，设计该振膜2的静态偏转距离要小于振膜2与第一衬底1之间的距离。这主要可以通过改变振膜2的刚性和/或改变振膜2与第一衬底1之间的距离来实现。
例如可以加厚振膜2的尺寸，当然也可以通过选择合适的振膜2材质来提升振膜2的刚性。例如可以通过设计使得振膜2具有0.02至0.9nm/Pa的机械灵敏度。也就是说，每受1Pa的压力，振膜2则会发生0.02-0.9nm的偏转，这种振膜2的刚性是传统振膜的10-100倍，使得振膜2足够坚硬以抵抗外界的大气压力。
振膜2和第一衬底1之间的相应初始间隙可以设计在1-100μm的范围内，配合上述刚性的振膜2，使得在大气压力下不会发生振膜2塌陷的问题。
为了提高MEMS麦克风的灵敏度，MEMS麦克风可以采用高灵敏度的检测构件。在本发明一个具体的实施方式中，高灵敏度的检测构件可以采用根据磁场变化而输出电信号的磁阻传感器6，例如巨磁阻传感器(GMR)或者隧道磁阻传感器(TMR)。通过采用高灵敏度的磁阻传感器来获得检测的电信号，可以补偿由于振膜刚性带来的对麦克风整体灵敏度的影响，保证了轻薄化麦克风的声学性能。
参考图1，在第一衬底1上位于真空腔4一侧的位置设置有磁性薄膜5，磁性薄膜5可以直接采用磁性材质，也可以是形成薄膜后对该薄膜进行充磁。在本发明一个具体的实施方式中，磁性薄膜5可以采用CoCrPt或者CoPt材质。
该磁性薄膜5可以通过沉积或者本领域技术人员所熟知的其它手段形成在第一衬底1上。具体在制作的时候，可以首先在第一衬底1上沉积一层绝缘层10，然后通过沉积、图案化处理形成磁性薄膜5，为了保护磁性薄膜5，还可以在绝缘层10上沉积一层将磁性薄膜5覆盖住的钝化层，绝缘层、钝化层可以选用本领域技术人员所熟知的材质，在此对其不再具体说明。
参考图1的实施例，磁阻传感器6设置在振膜2上位于真空腔的一侧，磁阻传感器6与位于第一衬底1上的磁性薄膜5对应设置。为了将磁阻传感器6的电信号引到第一衬底1上，可以在振膜2上位于真空腔的一侧设置引线部7，该引线部7一端与磁阻传感器6连接，另一端在振膜2上延伸至间隔部3的位置，并通过间隔部3中设置的导电结构连接到第一衬底1的焊盘或者电路布图中。
参考图7，当振膜2受到外界的声压时，振膜2向第一衬底1的方向发生形变，此时振膜2上的磁阻传感器6靠近磁性薄膜5，从而使得磁阻传感器6可以感应磁场的变化，从而输出变化的电信号，实现了声电的转换。
本发明的MEMS麦克风，振膜2与第一衬底1之间围成了真空腔，真空腔内的空气粘度远远低于环境压力中的空气粘度，从而可以降低声阻对振膜2振动的影响，提高了麦克风的信噪比。另外，由于该结构的MEMS麦克风不需要较大容积的背腔，因此可以大大降低MEMS麦克风的整体尺寸，增强了麦克风的可靠性。
参考图2的实施例，在该实施例中，磁阻传感器6设置在振膜2上远离真空腔4的一侧。参考图2的视图方向，磁阻传感器6设置在振膜2的外侧或者上侧，磁阻传感器6与磁性薄膜5之间虽然有振膜2阻隔，但是磁性薄膜5的磁场依然可以穿过振膜2并被磁阻传感器6感应到，因此不会影响到MEMS麦克风的性能。
也可以将磁性薄膜5设置在振膜2上，将磁阻传感器6设置在第一衬底1上。参考图3示出的实施例，磁阻传感器6设置在第一衬底1上位于真空腔4一侧的位置，磁性薄膜5设置在振膜2上位于真空腔4一侧的位置，磁阻传感器6的位置与磁性薄膜5的位置相对应，使得磁阻传感器6可以处于较高灵敏的磁场变化位置。图4示出的实施例中，磁性薄膜5设置在振膜2上远离真空腔4一侧的位置，换言之，磁性薄膜5设置在振膜2的外侧或者上侧。
由于磁阻传感器6设置在第一衬底1上，引线部7的一端与磁阻传感器6连接，另一端直接延伸至第一衬底1的相应焊盘或者引脚位置，以将磁阻传感器6与第一衬底1的电路布图导通起来。
在本发明一个可选的实施方式中，振膜2可以采用复合结构，参考图5，例如为了形成真空腔，需要首先在牺牲层上设置一层具有牺牲孔的覆盖层20，通过牺牲孔将覆盖层20下方的牺牲层腐蚀掉；之后在覆盖层20的上方沉积一层填充层21，以将覆盖层20上的牺牲孔封闭住，形成真空腔。
在上述的实施例中，磁阻传感器6或者磁性薄膜5可以设置在填充层21上，最终沉积一层钝化层22进行保护。使得磁阻传感器6或者磁性薄膜5形成在振膜2的复合结构中。
需要注意的是，本发明各实施例的高灵敏度的检测构件中，磁阻传感器6、磁性薄膜5可以设置有一个；也可以设置有多个，呈阵列排布，以提高检测构件的性能。
本发明的MEMS麦克风，除了采用表面微加工或者体硅微加工的工艺制造，还可以采用键合的工艺。参考图6，在振膜2远离真空腔4的一侧还设置有第二衬底11，该第二衬底11上对应振膜2中部区域的位置形成有将振膜2露出的空腔。
参考图8，在制造时，例如通过表面微加工或者体硅微加工的工艺将磁阻传感器6、第一间隔部30形成在第一衬底上，将振膜2以及振膜2上的磁性薄膜5、第二间隔部31形成在第二衬底上，然后通过键合的工艺使第一间隔部30、第二间隔部31键合在一起，最后对第二衬底进行处理。该第二衬底可以完全去除；也可以形成如图6所示的结构，在该结构中，第二衬底可以起到保护振膜2的作用，也提高了麦克风安装的灵活性。
在本发明一个可选的实施方式中，参考图1，第一衬底1上可以集成麦克风的ASIC电路9，可以通过第一衬底1上或者第一衬底1内的电路布图将磁阻传感器6与ASIC电路9导通起来，使得磁阻传感器6输出的电信号可以经过ASIC电路9进行处理。
本发明的MEMS麦克风，由于不需要较大容积的背腔，使得可以完全采用晶圆级封装(WLP)，无需传统的PCB板封装，该麦克风可以直接安装到外部终端上。在本发明一个具体的实施方式中，参考图6，在第一衬底1远离真空腔4的一端形成有焊盘13，并可通过金属化通孔12将位于第一衬底1上方的电信号引到焊盘13上，使得MEMS麦克风可以通过焊盘13直接安装。
在本发明另一个具体的实施方式中，参考图9，引脚形成在第一衬底的上表面(邻近振膜的一侧)，可通过凸点焊接(植锡球)的方式直接将麦克风安装到外部终端上。
当然，本发明的MEMS麦克风还可以采用传统封装的结构，例如设置由电路板以及壳体围成的封装结构，MEMS麦克风安装在封装结构内，形成传统的顶部封装结构或者顶部封装结构，最终以麦克风模组的形式再安装到外部的终端上。
本发明已通过优选的实施方式进行了详尽的说明。然而，通过对前文的研读，对各实施方式的变化和增加也是本领域的一般技术人员所显而易见的。申请人的意图是所有这些变化和增加都落在了本发明权利要求所保护的范围中。
相似的编号通篇指代相似的元件。为清晰起见，在附图中可能有将某些线、层、元件、部件或特征放大的情况。
本文中使用的术语仅为对具体的实施例加以说明，其并非意在对本发明进行限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)均与本发明所属领域的一般技术人员的理解相同。

Claims (9)

1.一种MEMS麦克风，其特征在于：包括第一衬底以及通过间隔部支撑在第一衬底上方的振膜，所述第一衬底、间隔部、振膜围成了真空腔；其中，振膜在大气压力下的静态偏转距离小于振膜与第一衬底之间的距离；
振膜、第一衬底中，其中一个设置了磁性薄膜，另一个上设置了与磁性薄膜配合的磁阻传感器，所述磁阻传感器被配置为在振膜的振动过程中感应磁性薄膜的磁场变化而输出变化的电信号。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述磁阻传感器为巨磁阻传感器或者隧道磁阻传感器。
3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述磁性薄膜设置在第一衬底上位于真空腔一侧的位置；所述磁阻传感器设置在振膜上位于真空腔的一侧，或者设置在振膜上远离真空腔的一侧。
4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述磁性薄膜设置在第一衬底上位于真空腔一侧的位置；所述振膜采用复合结构，所述磁阻传感器设置在振膜的复合结构中。
5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述磁阻传感器设置在第一衬底上位于真空腔一侧的位置；所述磁性薄膜设置在振膜上位于真空腔的一侧，或者设置在振膜上远离真空腔的一侧。
6.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述磁阻传感器设置在第一衬底上位于真空腔一侧的位置；所述振膜采用复合结构，所述磁性薄膜设置在振膜的复合结构中。
7.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述振膜的机械灵敏度为0.02至0.9nm/Pa，所述振膜和第一衬底之间的初始间隙为1-100μm。
8.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：还包括ASIC电路，所述ASIC电路形成在第一衬底上。
9.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：在所述振膜远离真空腔的一侧还设置有第二衬底，所述第二衬底上对应振膜中部区域的位置形成有将振膜露出的空腔。
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