CN110022519A - 微机电系统麦克风 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微机电系统(MEMS)麦克风，包括一基板、一背板、一振膜、一第一绝缘突起以及多个第二绝缘突起。背板设置在基板的一侧。振膜设置在基板与背板之间并可相对于背板移动。第一绝缘突起和第二绝缘突起形成在背板面向振膜的一侧上。其中，第一绝缘突起永久性地连接并固定到振膜，且在振膜与每一第二绝缘突起之间形成有一气隙。

Description

微机电系统麦克风
技术领域
本发明涉及一种声能传感器(acoustic transducer)；特别是涉及一种微机电系统(micro-electro-mechanical system(MEMS))麦克风。
背景技术
目前的趋势是制造纤薄、小巧、轻便和高性能的电子装置，包括麦克风。麦克风可以用于接收声波并将声信号转换为电信号。麦克风被广泛应用于日常生活以及安装在例如电话、手机和录音笔等电子产品中。在一电容式麦克风(capacitive microphone)中，声压(acoustic pressure)的变化(即，由声波导致的环境大气压力的局部压力偏差)迫使振膜(diaphragm)相应地变形，并且振膜的变形引起了电容变化。因此，可以通过检测由电容变化引起的电压差来得到声波的声压的变化。
与传统驻极体电容式麦克风(electret condenser microphones(ECM))的不同在于，微机电系统(MEMS)麦克风的机械和电子元件可以利用集成电路(IC)技术整合在一半导体材料上来制造微型麦克风。MEMS麦克风具有例如小尺寸、轻巧和低功耗等优点，因此已成为微型麦克风的主流。
虽然现有的MEMS麦克风已经足以应付其需求，然而仍未全面满足。举例来说，在MEMS麦克风中可检测到的声波的兼容(compatible)声压范围(即，动态范围)仍然需要改进。动态范围与最大兼容声压(即，声学过载点(acoustic overload point)，下文中简称作“AOP”)有关，其由MEMS麦克风的谐波失真率(即，总谐波失真(total harmonicdistortion)，下文中简称作“THD”)决定。另一方面，如果振膜的弹性系数较小(即，刚性(stiffness)较低)，它可以用来感测较小的声压(即，具有较高的灵敏度)，但振膜的THD将相应地被牺牲(即，AOP将降低)。因此，无法同时实现MEMS麦克风的高AOP和高灵敏度(即，无法实现更宽的动态范围)。
发明内容
有鉴于前述现有问题点，本发明的一目的在于提供一种微机电系统(MEMS)麦克风，其可以同时实现高AOP和高灵敏度(sensitivity)。
本发明一些实施例提供一种MEMS麦克风。MEMS麦克风包括一基板、一背板、一振膜、一第一绝缘突起以及多个第二绝缘突起。背板设置在基板的一侧。振膜设置在基板与背板之间并可相对于背板移动。第一绝缘突起和第二绝缘突起形成在背板面向振膜的一侧上，其中，第一绝缘突起永久性地(permanently)连接并固定到振膜，且在振膜与每一第二绝缘突起之间形成有一气隙(air gap)。
在一些实施例中，第一绝缘突起位于振膜的中央区域，且第二绝缘突起位于振膜的围绕中央区域的环形区域。
在一些实施例中，第二绝缘突起以同心圆排列的多个环形突起(annularprotrusions)。
在一些实施例中，第二绝缘突起的突起高度从第二绝缘突起靠近振膜的中央区域的位置到第二绝缘突起靠近振膜的环形区域的外边缘的位置逐渐减小。
在一些实施例中，第二绝缘突起以同心圆排列的多个个别的岛状突起(individual island-shaped protrusions)。
在一些实施例中，振膜包括多个以同心圆排列的长孔(long apertures)，其中相邻圆中的长孔交替排列，用以调整振膜的刚性。
在一些实施例中，MEMS麦克风还包括一介电层，设置在基板与振膜之间以及在振膜与背板之间，用以夹持振膜的周边部分。所述振膜的长孔位于介电层附近。
在一些实施例中，振膜包含至少一通气孔，配置成允许声波通过。
在一些实施例中，振膜包括至少一通气阀，配置成允许声波通过。所述通气阀具有响应于通过通气阀的声波的声压的变化而可变的(variable)一开口面积。
在一些实施例中，振膜包括至少一通气孔以及至少一通气阀，配置成允许声波通过。所述通气阀具有响应于通过通气阀的声波的声压的变化而可变的一开口面积。
在一些实施例中，背板具有一凹槽，形成在背板的与第一侧相对的一第二侧上并对应于第一绝缘突起。一保护层设置以覆盖凹槽。
在一些实施例中，保护层包括导电材料。
在一些实施例中，第一绝缘突起连接到背板与振膜的中心的一实心柱。
在一些实施例中，第一绝缘突起连接到背板与振膜的中心的一空心柱。
在一些实施例中，振膜包括具有一固定的开口面积的一通气孔，配置成允许声波通过，其中通气孔与空心柱的一空心部分对准。
在一些实施例中，振膜包括具有一可变的开口面积的一通气阀，配置成允许声波通过，其中通气阀与空心柱的一空心部分对准。
在一些实施例中，背板包含一导电层以及覆盖导电层的一绝缘层。导电层和绝缘层分别位于背板的第一侧以及与第一侧相对的一第二侧。第一绝缘突起和第二绝缘突起与绝缘层是一体成形并朝向振膜突出。
在一些实施例中，背板的绝缘层包含一第一绝缘层以及堆叠在第一绝缘层上的一第二绝缘层。
在一些实施例中，MEMS麦克风还包括一附加绝缘层，连接在第一绝缘突起与振膜之间。
附图说明
图1为一些实施例，一微机电系统(MEMS)麦克风的剖视图；
图2A、图2B分别为一些实施例，由另一视角观察的图1中的振膜、第一绝缘突起以及第二绝缘突起的配置示意图；
图3为一些实施例，一MEMS麦克风的剖视图；
图4为一些实施例，一MEMS麦克风的剖视图；
图5为一些实施例，由另一视角观察的图4中的振膜中的通气孔的配置示意图；
图6为一些实施例，一MEMS麦克风的剖视图；
图7A、图7B、图7C分别为一些实施例，由另一视角观察的图5中的振膜中的通气阀的不同形状的示意图；
图8为一些实施例，一MEMS麦克风的剖视图；
图9为一些实施例，一MEMS麦克风的剖视图；
图10为一些实施例，一MEMS麦克风的剖视图。
符号说明
10～MEMS结构；
11～基板；
11A～开口部分；
12～介电层；
12A～开口部分；
13～背板；
13A～声孔；
131～导电层；
132～绝缘层；
1321～第一绝缘层；
1322～第二绝缘层；
133～(第一)绝缘突起；
134～第二绝缘突起；
14～振膜；
141～长孔；
142～通气孔；
143～通气阀；
1431～挠偏部分；
15～电极层；
16～保护层；
17～附加绝缘层；
D～凹槽；
G～气隙；
H～空心部分；
M～MEMS麦克风；
R1～中央区域；
R2～环形区域；
S1～第一侧；
S2～第二侧。
具体实施方式
以下说明本发明的优选实施例。此说明的目的在于提供本发明的总体概念而并非用以局限本发明的范围。本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。
在以下说明中，所称的方位“上”、“下”，仅是用来表示相对的位置关系，并非用来限制本创作。当述及一第一元件位于一第二元件上时，可能包括第一元件与第二元件直接接触或间隔有一或更多其他元件的情形。
另外，以下公开不同范例可能重复使用相同的参考符号及/或标记。这些重复是为了简化与清晰的目的，并非用以限定所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。为了简单和清楚起见，各种特征可能以不同比例任意绘制。再者，在实施例中未绘示或描述的元件为所属技术领域中具有通常知识者所知的形式。
在本发明中，根据各种示例性实施例，提供一种用于检测声波并可将声波(声信号)转换为电信号的微机电系统(MEMS)麦克风。特别地，本发明实施例中的MEMS麦克风可以通过以下描述的各种特征来同时实现高AOP(即，实现更宽的动态范围)和高灵敏度。下面讨论了一些实施例的变化。在各个附图和说明性实施例中，相同的参考符号用于表示相同的元件。
图1显示根据一些实施例，一MEMS麦克风M的剖视图。要了解的是，为了清楚起见，图1中所描绘的MEMS麦克风M是被简化的，以更好地理解本发明的发明概念。在一些实施例中，可以在MEMS麦克风M中加入其他附加特征，并且在MEMS麦克风M的其他实施例中也可以替换或消除下面描述的一些特征。如图1所示，MEMS麦克风M为一电容式麦克风且包括一MEMS结构10，MEMS结构10包括一基板11、一介电层12、一背板13、一振膜14以及一电极层15。
基板11配置用以在其一侧上支撑介电层12、背板13、振膜14以及电极层15。基板11可具有一开口部分11A，其允许由MEMS麦克风M接收的声波(例如图1中所示的箭头)通过及/或进入MEMS结构10。基板11可以由硅或类似的材料制成。
介电层12设置在基板11与振膜14之间以及在振膜14与背板13之间，从而可以在基板11、振膜14以及背板13之间提供彼此的部分隔离。此外，介电层12围绕背板13和振膜14设置，使得背板13和振膜14的边缘处可以被介电层12夹持(clamped)。再者，介电层12可具有对应于基板11的开口部分11A的一开口部分12A，以便允许声波通过振膜14和背板13然后离开MEMS结构10。介电层12可以由氧化硅或类似的材料制成。
背板13设置在基板11的一侧的固定元件。背板13可以具有足够的刚性(stiffness)，使得当声波通过背板13时它不会弯曲或移动。在一些实施例中，背板13是一坚硬的多孔元件，包括多个声孔(acoustic holes)13A，每个声孔13A穿过背板13(例如图1所示)。声孔13A配置成允许声波通过。
在一些实施例中，如图1所示，背板13包括一导电层131以及覆盖导电层131以进行保护的一绝缘层132。导电层131和绝缘层132分别位于背板13面向振膜14的一第一侧S1以及背板13的与第一侧S1相对的一第二侧S2。导电层131可以由多晶硅或类似的材料制成，且绝缘层132可以由氮化硅或类似的材料制成。
在一些实施例中，MEMS结构10通过电极层15的若干电极垫(pads)电连接到一电路(图未示)，电极层15设置在背板13上并电连接到导电层131和振膜14。在一些实施例中，电极层15的材料包括铜、银、金、铝或其合金。
振膜14可相对于背板13移动或移位。振膜14配置用以感测由MEMS麦克风M接收的声波。
振膜14相对于背板13的位移变化引起了振膜14与背板13之间的电容变化。然后，通过与振膜14和背板13连接的一电路将电容变化转换成一电信号，并且通过电极层115将电信号从MEMS麦克风M传出。
在一些实施例中，如图1所示，一第一绝缘突起(first insulating protrusion)133设置或形成在背板13面向振膜14的第一侧S1上，并且第一绝缘突起133永久性地(permanently)连接并固定到振膜14。在一些实施例中，第一绝缘突起133与绝缘层132一体成形并朝向振膜14突出。第一绝缘突起133可为连接到背板13和振膜14(例如，振膜14的中心)的一实心柱(solid column)，使得第一绝缘突起133可以支撑振膜14并且增加振膜14的刚性，从而增加MEMS麦克风M的AOP。
在一些实施例中，一附加(additional)绝缘层17还设置并连接在第一绝缘突起133与振膜14之间，如图1所示。附加绝缘层17可以包括与介电层12相同的材料或另一种绝缘材料。然而，在不同实施例中也可能省略附加绝缘层17。
另一方面，为了增加振膜14的灵敏度，还可以在振膜14中设置多个长孔(longapertures)141。在一些实施例中，在振膜14中的长孔141以同心圆排列且位于介电层12附近(例如位于背板13的导电层131与介电层12之间)，并且相邻圆中的长孔交替排列(参照图1及图2A)，使得所述长孔141可以用作为振膜14中的弹簧以减少振膜14的刚性。在一些替代实施例中，由长孔141形成的同心圆的数量可以多于两个。通过此种结构特征，可以实现MEMS麦克风M的高灵敏度。
另外，在振膜14中的长孔141也可用于减轻(relieve)振膜14上的应力(stress)。
在一些实施例中，如图1所示，多个第二绝缘突起134还设置或形成在背板13的第一侧S1上，且在振膜14与每一第二绝缘突起134之间形成有一气隙(air gap)G。此外，在振膜14与每个第二绝缘突起134之间的气隙G大小可能相同(但不限于此)。
图2A、图2B分别显示根据一些实施例，由另一视角观察的图1中的振膜14、第一绝缘突起133以及所述第二绝缘突起134的配置示意图。如图所示，第一绝缘突起133可位于振膜14的一中央区域R1，且所述第二绝缘突起134可位于振膜14的一环形区域R2，其中环形区域R2围绕中央区域R1。另外，所述第二绝缘突起134可为以同心圆排列的多个环形突起(参照图2A)，或者第二绝缘突起134可为以同心圆排列的多个个别的岛状突起(参照图2B)。然而，应可理解的是，也可以对本发明实施例进行许多变化和修改。
请再参照图1，为了形成第一绝缘突起133和所述第二绝缘突起134，背板13的绝缘层132可以包括一第一绝缘层1321以及堆叠在第一绝缘层1321上的一第二绝缘层1322。在一些实施例中，第一、第二绝缘层1321和1322可以包括相同的材料或不同的材料。在一些实施例中，还设置一保护层16以覆盖一凹槽D，凹槽D形成于第二侧S2上并对应于第一绝缘突起133。保护层16可以包括导电材料(例如铝)或其他种材料。
图3显示根据一些替代实施例，一MEMS麦克风M的剖视图。图3中的MEMS麦克风M与图1、图2A及图2B中的MEMS麦克风M之间的差异在于，所述第二绝缘突起134(可能是环形突起或者个别的岛状突起)的突起高度从第二绝缘突起134靠近振膜14的中央区域R1(参照图2A及图2B)的一位置到第二绝缘突起134靠近振膜14的环形区域R2(参照图2A及图2B)的外边缘的一位置逐渐减小(如图3所示)。
通过这些结构特征，当通过电极层15施加一预定电压时，背板13的导电层131与振膜14会彼此靠近。更具体而言，当在背板13与振膜14之间施加大于一预定伏特(V)的电压时，振膜14的环形区域R2的部分开始朝向第二绝缘突起134移动，并且当施加的电压逐渐增加时，振膜14的环形区域R2的部分将依序地与具有不同突起高度的第二绝缘突起134接触。如此一来，可以可控制地选择或调整振膜14的可相对于背板13移位的部分(即，未固定到背板13的部分)，使得MEMS麦克风M的振膜14的灵敏度为可调的(可通过调整振膜14的固定范围来调整)。而当施加电压消除时，可以解除振膜14的环形区域R2的部分的固定状态。
图4显示根据一些替代实施例，一MEMS麦克风M的剖视图。如图所示，MEMS麦克风M的振膜14中的长孔141(参照图1至图3)由多个通气孔(vent holes)142取代。图5显示根据一些实施例，由另一视角观察的图4中的振膜14中的通气孔142的配置示意图。如图所示，在振膜14中形成有四个圆形通气孔142。然而，应可理解的是，也可以对本发明实施例进行许多变化和修改。
图6显示根据一些替代实施例，一MEMS麦克风M的剖视图。如图所示，图6中的MEMS麦克风M与图4中的MEMS麦克风M之间的差异在于，振膜14中的多个通气孔142(参照图4)由多个通气阀(vent valves)143取代。
每个通气阀143具有响应于通过其的声波的声压的变化而可变的(variable)一开口面积。更具体而言，通气阀143包括至少一挠偏部分(deflection portion)1431(参照图7A至图7C)，且挠偏部分1431响应于撞击在振膜14上的声波的声压的变化而相对于振膜14的本体为可挠偏的(如图6中的箭头所示)。图7A至图7C分别显示根据一些实施例，由另一视角观察的图5中的振膜14中的通气阀143的不同形状的示意图。如图所示，通气阀143的挠偏部分1431可能是矩形(图7A)、扇形(图7B)或多边形(图7C)。然而，应可理解的是，也可以对本发明实施例进行许多变化和修改。
图8显示根据一些替代实施例，一MEMS麦克风M的剖视图。如图所示，图8中的MEMS麦克风M与图1、图2A及图2B中的MEMS麦克风M之间的差异在于，第一绝缘突起133改成其中具有空心部分H的一空心柱(hollow column)，并且省略了保护层16。此空心的第一绝缘突起133可以连接到背板13和振膜14(例如，振膜14的中心)以减少振膜14的意外变形，如同上述图1中的实心的绝缘突起133的作用。
图9显示根据一些替代实施例，一MEMS麦克风M的剖视图。如图所示，图9中的MEMS麦克风M与图8中的MEMS麦克风M之间的差异在于，振膜14还包括一通气孔142或一通气阀143，其与第一绝缘突起133的空心部分H对准。
本发明实施例具有以下优点：通过在背板与振膜之间设置至少一个第一绝缘突起以连接和支撑振膜的中央区域，可以减少振膜在移动期间的意外变形，从而增加了振膜的AOP。然而，在一些替代实施例中(如图10所示)，也可以省略所述第一绝缘突起(例如图1至图4、图6及图8至图9中所示的第一绝缘突起133)，并改将上述附加绝缘层17设置且连接在背板13的第一侧S1与振膜14之间，以支撑振膜的中央区域及增加振膜的AOP。
此外，还可以在振膜中设置一些长孔并将所述长孔以同心圆排列，使得长孔可以用作为振膜中的弹簧(在一些替代实施例中，也可以以多个通气孔及/或通气阀来替代所述长孔)以减少振膜的刚性，从而增加振膜的灵敏度。因此，所提供的MEMS麦克风可以同时实现高AOP和高灵敏度。
以上虽然详细描述了实施例及它们的优势，但应该理解，在不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，对本发明可作出各种变化、替代和修改。例如，本领域技术人员将容易理解的是，本文叙述的许多特征、功能、制作工艺及材料可被改变，而仍然在本发明的范围内。此外，本申请的范围不旨在限制于说明书中所述的制作工艺、机器、制造、物质组成、工具、方法和步骤的特定实施例。作为本领域的普通技术人员将容易地从本发明中理解，根据本发明，可以利用现有的或今后将被开发的、执行与在本发明所述的对应实施例基本相同的功能或实现基本相同的结果的制作工艺、机器、制造、物质组成、工具、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些制作工艺、机器、制造、物质组成、工具、方法或步骤包括它们的范围内。此外，每一个权利要求构成一个单独的实施例，且不同权利要求和实施例的组合都在本发明的保护范围内。

Claims (20)

1.一种微机电系统麦克风，其特征在于，包括：
基板；
背板，设置在该基板的一侧；
振膜，设置在该基板与该背板之间并可相对于该背板移动；以及
第一绝缘突起和多个第二绝缘突起，形成在该背板面向该振膜的第一侧上，其中该第一绝缘突起永久性地连接并固定到该振膜，且在该振膜与每一该第二绝缘突起之间形成有一气隙。
2.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中该第一绝缘突起位于该振膜的中央区域，且该些第二绝缘突起位于该振膜的环形区域，该环形区域围绕该中央区域。
3.如权利要求2所述的微机电系统麦克风，其中该些第二绝缘突起以同心圆排列的多个环形突起。
4.如权利要求3所述的微机电系统麦克风，其中该些第二绝缘突起的突起高度从该第二绝缘突起靠近该振膜的该中央区域的位置到该第二绝缘突起靠近该振膜的该环形区域的外边缘的位置逐渐减小。
5.如权利要求2所述的微机电系统麦克风，其中该些第二绝缘突起以同心圆排列的多个个别的岛状突起。
6.如权利要求5所述的微机电系统麦克风，其中该些第二绝缘突起的突起高度从该第二绝缘突起靠近该振膜的该中央区域的位置到该第二绝缘突起靠近该振膜的该环形区域的外边缘的位置逐渐减小。
7.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中该振膜包含多个以同心圆排列的长孔，相邻圆中的该些长孔交替排列，用以调整该振膜的刚性。
8.如权利要求7所述的微机电系统麦克风，还包括介电层，设置在该基板与该振膜之间以及在该振膜与该背板之间，用以夹持该振膜的周边部分，且该振膜的该些长孔位于该介电层附近。
9.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中该振膜包含至少一通气孔，配置成允许声波通过。
10.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中该振膜包含至少一通气阀，配置成允许声波通过，且该至少一通气阀具有响应于通过该至少一通气阀的声波的声压的变化而可变的开口面积。
11.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中该振膜包含至少一通气孔以及至少一通气阀，配置成允许声波通过，且该至少一通气阀具有响应于通过该至少一通气阀的声波的声压的变化而可变的一开口面积。
12.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中该背板具有凹槽，形成在该背板的与该第一侧相对的第二侧上并对应于该第一绝缘突起，且一保护层是设置以覆盖该凹槽。
13.如权利要求12所述的微机电系统麦克风，其中该保护层包括导电材料。
14.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中该第一绝缘突起连接到该背板与该振膜的中心的实心柱。
15.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中该第一绝缘突起连接到该背板与该振膜的中心的空心柱。
16.如权利要求15所述的微机电系统麦克风，其中该振膜包含具有固定的开口面积的通气孔，配置成允许声波通过，且该通气孔与该空心柱的空心部分对准。
17.如权利要求15所述的微机电系统麦克风，其中该振膜包含具有可变的开口面积的通气阀，配置成允许声波通过，且该通气阀与该空心柱的空心部分对准。
18.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中该背板包含导电层以及覆盖该导电层的绝缘层，且该导电层和该绝缘层分别位于该背板的该第一侧以及与该第一侧相对的第二侧，其中该第一绝缘突起和该些第二绝缘突起与该绝缘层一体成形并朝向该振膜突出。
19.如权利要求18所述的微机电系统麦克风，其中该背板的该绝缘层包含第一绝缘层以及堆叠在该第一绝缘层上的第二绝缘层。
20.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，还包括附加绝缘层，连接在该第一绝缘突起与该振膜之间。
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