CN109005490A - Mems电容式麦克风 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS电容式麦克风，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；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；在衬底上位于真空腔一侧的位置设置有与振膜构成电容器结构的下电极，振膜与下电极之间的电场为100‑300V/μm。本发明的麦克风，可以在真空腔内形成高电场而不会造成击穿的问题，大大提高了本发明MEMS麦克风的灵敏度；真空腔可以降低声阻对振膜振动的影响，提高麦克风的信噪比；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。

Description

MEMS电容式麦克风
技术领域
本发明涉及声电转换领域，更具体地，涉及一种MEMS电容式麦克风的机构，尤其是一种具有高SNR的电容式麦克风结构。
背景技术
现在的MEMS麦克风，无论是电容式的感测结构还是压电式的感测结构，均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电容式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电容式麦克风，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；
在所述第一衬底上位于真空腔一侧的位置设置有与振膜构成电容器结构的下电极，其中，所述振膜与下电极之间的电场为100-300V/μm。
可选地，所述振膜采用绝缘材质，在所述振膜上设置有与下电极构成电容器结构的上电极。
可选地，所述振膜采用复合结构，所述上电极设置在振膜的复合结构中。
可选地，振膜上的上电极通过引线与第一衬底上的电路布图导通。
可选地，所述振膜的机械灵敏度为0.02至0.9nm/Pa。
可选地，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电路集成在第一衬底上。
可选地，在所述振膜远离真空腔一侧的中部区域设置有补强部。
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。
可选地，在所述第一衬底远离真空腔的一侧设置有用于外接的焊盘。
本发明的MEMS麦克风，由于振膜与第一衬底围成了真空腔，使得可以在真空腔内形成高电场而不会造成击穿的问题，大大提高了本发明MEMS麦克风的灵敏度。
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是本发明麦克风其中一种封装方式的示意图。
图4是本发明麦克风第三实施方式的结构示意图。
图5是图4实施例中麦克风的动作原理示意图。
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。如有必要，在间隔部3与第一衬底1之间还设置有绝缘层10，在此不再具体说明。
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材质来提升振膜的刚性。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，例如高压电容检测结构。
在本发明一个具体的实施方式中，电容检测结构包括设置在第一衬底1上的下电极5，该下电极5与振膜构成了可以输出变化电信号的电容器结构。
在本发明另一个具体的实施方式中，振膜2可以采用绝缘材质，在振膜2上设置有上电极6，下电极5与振膜2上的上电极6构成了可以输出变化电信号的电容器结构。上电极6、下电极5可通过本领域技术人员所熟知的MEMS沉积、刻蚀工艺形成，在此对其不再具体说明。
下电极5可以设置在第一衬底1上位于真空腔4一侧的位置上。可选的是，设置钝化层将下电极5掩埋起来。上电极6可以设置在振膜2上位于真空腔4一侧的位置，或者设置在振膜2上远离真空腔4一侧的位置。
还可以是，振膜2可以采用复合结构，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，通过牺牲孔将覆盖层下方的牺牲层腐蚀掉；之后在覆盖层的上方沉积一层填充层，以将覆盖层上的牺牲孔封闭住，形成真空腔。上电极6可以设置在振膜2的复合结构中，在此不再具体说明。
通过振膜2振动时上电极6与下电极5之间的间隔变化，使得电容器结构可以输出变化的电信号。这种电容器的工作原理属于本领域技术人员的公知常识。
本发明的MEMS麦克风，由于振膜2与第一衬底1围成了真空腔4，使得可以在真空腔4内形成高电场而不会造成击穿的问题，尤其采用刚性高的振膜2。在本发明中，上电极6与下电极5之间的电场为100-300V/μm，也就是说，在几微米的真空间隙内可达几百伏特，是传统麦克风电场的10至100倍。由此可大大提高本发明MEMS麦克风的灵敏度。高电场可通过外部偏置电压施加，或者通过在振膜2或其相应的第一衬底1上形成的驻极体施加，在此不再具体说明。
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。
在本发明一个可选的实施方式中，在振膜2远离真空腔一侧的中部区域设置有补强部15，参考图4。补强部15用于强化振膜2中部区域的刚性，其可以看成是中心增厚层，材质和振膜2的材质相同，也可以不同。
参考图5，通过在振膜2的中心区域设置补强部15，使得振膜2在振动时，被补强部15补强的振膜2区域可以同步向第一衬底1方向发生偏转，振膜2的中心区域作类似上下平动的活塞运动，而不是传统振膜的弧形弯曲运动方式，这提高了电容器检测的变化量。
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2，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上对应振膜中部区域的位置形成有将振膜2露出的空腔。
在制造时，例如通过表面微加工或者体硅微加工的工艺将一部分间隔部、下电极形成在第一衬底1上，将振膜2以及振膜2上的上电极、另一部分间隔部形成在第二衬底11上，然后通过键合的工艺在真空环境中将两部分间隔部键合在一起，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2所示的结构，在该结构中，第二衬底可以起到保护振膜的作用，也提高了麦克风安装的灵活性。
本发明的麦克风，振膜2上的上电极6可以通过引线连接到第一衬底1的引脚上或者电路布图中。由于振膜2与第一衬底1之间还有间隔部3，因此在导通的时候，引线的一端与上电极6导通，另一端在振膜2上延伸至间隔部3的位置，并穿过间隔部3连接到第一衬底1的电路布图中。
具体地，参考图1，引线包括在振膜2上延伸的第一导电部7，以及在间隔部3中延伸的第二导电部8，第一导电部7的一端与上电极6导通，另一端在振膜2上延伸至间隔部3的位置，并与第二导电部8导通在一起。第二导电部8贯穿间隔部3的上下两端，从而将上电极6的信号引到第一衬底1的电路布图中。
由于下电极5设置在第一衬底1上，因此下电极5可以直接通过引线导通到第一衬底1的电路布图中，在此不再具体说明。
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内的电路布图将电容器的输出端与ASIC电路9导通起来，使得电容器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3，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，外接的引脚可以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。
在本发明另一个具体的实施方式中，可以将振膜2的边缘与第一衬底通过塑封体封装起来，只将振膜2悬空的区域露出。
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 (10)

1.一种MEMS电容式麦克风，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；
在所述第一衬底上位于真空腔一侧的位置设置有与振膜构成电容器结构的下电极，其中，所述振膜与下电极之间的电场为100-300V/μm。
2.根据权利要求1所述的MEMS电容式麦克风，其特征在于：所述振膜采用绝缘材质，在所述振膜上设置有与下电极构成电容器结构的上电极。
3.根据权利要求2所述的MEMS电容式麦克风，其特征在于：所述振膜采用复合结构，所述上电极设置在振膜的复合结构中。
4.根据权利要求2所述的MEMS电容式麦克风，其特征在于：振膜上的上电极通过引线与第一衬底上的电路布图导通。
5.根据权利要求1所述的MEMS电容式麦克风，其特征在于：所述振膜的机械灵敏度为0.02至0.9nm/Pa。
6.根据权利要求4所述的MEMS电容式麦克风，其特征在于：所述振膜和第一衬底之间的初始间隙为1-100μm。
7.根据权利要求1所述的MEMS电容式麦克风，其特征在于：还包括ASIC电路，所述ASIC电路集成在第一衬底上。
8.根据权利要求1所述的MEMS电容式麦克风，其特征在于：在所述振膜远离真空腔一侧的中部区域设置有补强部。
9.根据权利要求1所述的MEMS电容式麦克风，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。
10.根据权利要求1所述的MEMS电容式麦克风，其特征在于：在所述第一衬底远离真空腔的一侧设置有用于外接的焊盘。
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