CN110290450B - 微机电传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机电传感器，包括一电极板、一振膜结构、一支撑结构以及一泄压膜层。电极板具有一导电部。振膜结构间隔设置在所述电极板的一侧且具有一感测膜层。支撑结构配置在振膜结构与电极板之间并围绕一电性耦合区及一气体流动区。支撑结构包括有内墙及外墙。内墙围绕气体流动区的外缘，外墙围绕在电性耦合区的外缘。泄压膜层遮挡于气体流动区。

Description

微机电传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种微机电传感器。
背景技术
微机电传感器的振动膜，可能因为环境中的强风或是门板挤压空气所产生的瞬间高压而损坏。现今为避免微机电传感器内外的压力差过大的情况，会在传感器的振动膜上增加多个泄压孔，当传感器的内外部承受较大的气压变化时，可借由多个泄压孔调整传感器内外的压力平衡。
然而，考虑到增加泄压孔可能影响振动膜的弹性及传感器的感测性能，仅能在不影响感测功效的前提下增加少量且面积较小的泄压孔，其调节瞬间高压作用的功效较为不足。因此，现有采用泄压孔的技术手段，仍无法避免压力差造成振动膜损坏的可能性。
发明内容
基于此，针对上述问题，有必要提供一种微机电传感器，可大幅改善瞬间压差所造成的振动膜损坏情形且无需增加额外制程，以降低制作成本。
一种微机电传感器，包括：
一电极板，具有一导电部；
一振膜结构，间隔设置在所述电极板的一侧且具有一感测膜层；
一支撑结构，配置在所述振膜结构与所述电极板之间并围绕一电性耦合区及一气体流动区，所述支撑结构包括有一内墙及一外墙，所述内墙围绕所述气体流动区的外缘，所述外墙围绕在所述电性耦合区的外缘；以及
一泄压膜层，遮挡于所述气体流动区。
在其中一个实施例中，当气压施加于所述振膜结构时，所述泄压膜层的变形量大于所述感测膜层的变形量。
在其中一个实施例中，所述气体流动区为电绝缘区域，所述电性耦合区环绕配置在所述气体流动区的外侧。
在其中一个实施例中，所述气体流动区为电绝缘区域，所述气体流动区环绕配置在所述电性耦合区的外侧。
在其中一个实施例中，所述电极板还具有一排气部，所述排气部对应配置于所述气体流动区上，所述导电部对应配置于所述电性耦合区上。
在其中一个实施例中，所述排气部为穿孔，连通所述气体流动区，使得所述内墙与所述泄压膜层共同形成一半开放空间。
在其中一个实施例中，所述穿孔的一孔径小于所述内墙所环绕出的一内径。
在其中一个实施例中，所述排气部包括多个穿孔，所述排气部、所述泄压膜层与所述内墙共同定义出所述气体流动区。
在其中一个实施例中，所述泄压膜层还包括多个长条状间隙。
在其中一个实施例中，所述长条状间隙包括中央间隙以及沿着所述泄压膜层周缘配置的周缘间隙。
在其中一个实施例中，所述泄压膜层为所述振膜结构的一部分，且所述泄压膜层与所述振膜结构的材料相同。
在其中一个实施例中，所述泄压膜层为所述电极板的一部分，且所述泄压膜层与所述导电部的材料相同。
在其中一个实施例中，所述泄压膜层的厚度小于所述导电部的厚度。
在其中一个实施例中，所述振膜结构还包括一导引孔，所述导引孔配置在所述振膜结构的中央处。
在其中一个实施例中，所述微机电传感器还具有另一泄压膜层，配置于所述气体流动区上，相对于所述泄压膜层的另一侧。
本发明的微机电传感器透过支撑结构隔离出相互独立的气体流动区以及电性耦合区。当微机电传感器的内部或外部产生气压变化时，气体作用并通过气体流动区以排出至环境中或是进入微机电传感器内，借此调整微机电传感器内外的压力平衡，进而大幅改善振膜结构因传感器内部或外部的瞬间气压变化所造成的损坏情况。
进一步的，微机电传感器的气体流动区与电性耦合区如果没有相互隔离时，电性耦合区所对应的振膜结构会因大范围的泄气而导致低频的响应下降，因此本发明支撑结构的内墙可确保泄压区域被隔绝在电性耦合区之外，避免影响电性耦合区的感测能力。此外，气体流动区具备较大面积的泄压路径，可快速平衡微机电传感器的内外压力差，以提升微机电传感器可靠度与使用灵敏度。
附图说明
图1是依照本发明一实施例的微机电传感器的剖面示意图；
图1A是图1的微机电传感器的泄压动作示意图；
图1B是图1的微机电传感器的仰视示意图；
图1C是图1B的微机电传感器的泄压膜层的平面示意图；
图2本发明另一实施例的微机电传感器的剖面示意图；
图3是依照本发明另一实施例的微机电传感器的剖面示意图；
图4A是本发明另一实施例的微机电传感器的剖面示意图；
图4B是图4A的微机电传感器增加另一泄压膜层的泄压动作示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
图1是依照本发明一实施例的微机电传感器的剖面示意图。图1A是图1的微机电传感器的泄压动作示意图。图1B是图1的微机电传感器的仰视示意图。图1C是图1B的微机电传感器的泄压膜层的平面示意图。
麦克风(收音设备)是一种将声压能量转换为电能的装置，用以能将声压转换成电讯号，并通过后端的讯号处理以达到放大音量、滤波、改变音频等相关用途。目前市面上的麦克风可粗分为电容式麦克风、动圈式麦克风以及驻电极体式麦克风等种类，各类麦克风的声压能量转换方式均不同。
本实施例的微机电传感器100例如是应用在电容式麦克风。简言之，电容式麦克风的振膜受声压作用而变形造成电容值改变，前端读取电路将电容变化转换为电压输出，再经由后端电路放大器将电压输出讯号提高到所需的强度。
参考图1至图1C，本发明的微机电传感器100，包括电极板110、振膜结构120、支撑结构130以及泄压膜层140。
电极板110具有排气部111及导电部112。电极板110例如是介电材料，包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、上述材料的组合或其他类似的材料，导电部112进一步包括有电极层，电极层材料例如是多晶硅(poly-silicon)、掺杂多晶硅、金属、金属化合物或其他类似的导电材料等，透过半导体制程例如低压化学气相沈积法、电浆辅助化学气相沈积法、高密度电浆化学气相沈积法、物理气相沈积法或其他类似沈积方法形成于导电部112面对振膜结构120的一侧面上。
在本实施例中，排气部111配置在电极板110的中央处，且被导电部112所环绕。振膜结构120间隔设置在电极板110的一侧且具有感测膜层122。支撑结构130配置在振膜结构120与电极板110之间并将微机电传感器划分形成电性耦合区EA及气体流动区FA。支撑结构130包括有内墙IW及外墙OW。内墙IW围绕在气体流动区FA的外缘，以隔离气体流动区FA与电性耦合区EA。外墙OW围绕在电性耦合区EA的外缘。进一步而言，排气部111对应配置于气体流动区FA上，导电部112对应配置于电性耦合区EA上。
参考图1，本实施例的泄压膜层140为振膜结构120的一部分，且泄压膜层140与振膜结构120的材料相同。详细而言，泄压膜层140位于内墙IW内且悬空对位于排气部111。振膜结构120的感测膜层122配置在内墙IW与外墙OW之间且对应于导电部112。当感测膜层122受到音压作用，而朝向导电部112变形，感测膜层122与导电部112之间的电容值将产生变动，并借此转换为相应的电讯号。
补充而言，由于感测膜层122与泄压膜层140之间配置有内墙IW，使得两者为相互隔离。当电性耦合区EA所对应的感测膜层122进行声压感测时会产生振动，支撑结构130的内墙IW可将气体流动区FA隔绝在电性耦合区EA之外，避免影响电性耦合区EA的感测能力。
进一步而言，电性耦合区EA环绕配置在气体流动区FA的外侧，且气体流动区FA为电绝缘区域。故能避免泄压膜层140与气体流动区FA产生电容效应，进而影响微机电传感器100的感测功效。泄压膜层140是可连通地覆盖在气体流动区FA上，当泄压膜层140未受外力推挤变形时，泄压膜层140处于密闭状态，反之泄压膜层140切换为开启状态以连通气体流动区FA与外部环境。
参考图1及图1A，本实施例的排气部111例如包括不超出内墙IW的多个穿孔TH，且排气部111、泄压膜层140与内墙IW共同定义出气体流动区FA。
进一步而言，泄压膜层140还包括多个长条状间隙。多个长条状间隙包括中央间隙G1以及沿着泄压膜层140周缘配置的周缘间隙G2。
详细而言，透过中央间隙G1及多个周缘间隙G2的设置，使得泄压膜层140的刚性小于感测膜层122的刚性。当环境中的气压P(瞬间高压)施加于振膜结构120时，基于刚性的差别，泄压膜层140的变形量大于感测膜层122的变形量，使泄压膜层140朝向电极板110变形，以连通气体流动区FA与外部环境。因此，大部分的气压P依序通过泄压膜层140、气体流动区FA以及排气部111后，再排出微机电传感器100。而非全部作用在感测膜层122上，以此避免气压P(瞬间高压)造成振膜结构120损坏的情形。
图2本发明另一实施例的微机电传感器的剖面示意图。
请配合参考图1及图2。图2的微机电传感器100A与图1的微机电扬声器100的差异在于，电极板110a的排气部111为一穿孔TH，连通所述气体流动区FA，使得支撑结构130a的内墙IW与泄压膜层140a共同形成一半开放空间。其中，穿孔TH的孔径D1小于内墙IW所环绕出的内径D2。补充而言，穿孔TH具备较大的孔径D1，可增加气压P的泄压速度。
图3是依照本发明另一实施例的微机电传感器的剖面示意图。请配合参考图1及图3。图3的微机电传感器100B与图1的微机电扬声器100的差异在于，气体流动区FA为电绝缘区域，且环绕配置在电性耦合区EA的外侧。电极板110b的排气部111b为环状孔RH，且对应连通气体流动区FA。详细而言，振膜结构120b具有泄压膜层140b以及感测膜层122b。感测膜层122b配置在支撑结构130b的内墙IW内，且泄压膜层140b配置在内墙IW与外墙OW之间。
图4A是本发明另一实施例的微机电传感器的剖面示意图。图4B是图4A的微机电传感器增加另一泄压膜层的剖面示意图。
请配合参考图1及图4A。图4A的微机电传感器100C与图1的微机电扬声器100的差异在于，微机电传感器100C具有另一泄压膜层150c，本实施例的泄压膜层150c是电极板110c的一部分。振膜结构120c还包括一导引孔GH，配置在振膜结构120c的中央处且对应于电极板110c的泄压膜层150c。其中感测膜层122c配置在内墙IW与外墙OW之间且环绕在导引孔GH外围，则气压P会直接通过导引孔GH、气体流动区FA并作用于泄压膜层150c，以完成泄压动作。
此外，电极板110c的导电部112c具有至少一导电层L，且泄压膜层150c的材料与至少一导电层L的材料相同，泄压膜层150c的厚度W1小于导电部112c的厚度W2且气体流动区FA为电绝缘区域，泄压膜层150c覆盖于气体流动区FA上。
参考图4B，微机电传感器100C的振膜结构120c具有泄压膜层140c(与图1的泄压膜层140相近)及另一泄压膜层150c(与图4A的泄压膜层150c相同)。泄压膜层140c配置于支撑结构130c的内墙IW中且间隔对位另一泄压膜层150c。其中泄压膜层150c配置于气体流动区FA上相对于泄压膜层140c的另一侧。因此，另一泄压膜层150c、泄压膜层140c与气体流动区FA共同形成一封闭空间。补充而言，微机电传感器100C具备两泄压膜层150c、140c，当微机电传感器100C未受到环境气压P作用时，其气体流动区FA具有较佳的密封特性。
综上所述，本发明的微机电传感器透过支撑结构将振膜结构隔离成相互独立的气体流动区以及电性耦合区。当微机电传感器的内部或外部产生气压变化时，气体作用并通过气体流动区以排出至环境中或是进入微机电传感器内，借此调整微机电传感器内外的压力平衡，进而大幅改善振膜结构因传感器内部或外部的瞬间气压变化所造成的损坏情况。
进一步而言，微机电传感器的气体流动区与电性耦合区如果没有相互隔离时，电性耦合区所对应的振膜结构会因大范围的泄气而导致低频的响应下降，因此本发明支撑结构的内墙可确保泄压区域被隔绝在电性耦合区之外，避免影响电性耦合区的感测能力。此外，气体流动区具备较大面积的泄压路径，可快速平衡微机电传感器的内外压力差，以提升微机电传感器可靠度与使用灵敏度。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种微机电传感器，其特征在于，包括：
一电极板，具有一导电部及一排气部；
一振膜结构，间隔设置在所述电极板的一侧且具有一感测膜层；
一支撑结构，配置在所述振膜结构与所述电极板之间并围绕一电性耦合区及一气体流动区，所述支撑结构包括有一内墙及一外墙，所述内墙围绕所述气体流动区的外缘，所述外墙围绕在所述电性耦合区的外缘，所述气体流动区为电绝缘区域，所述电性耦合区环绕配置在所述气体流动区的外侧；以及
一泄压膜层，遮挡于所述气体流动区；
其中所述排气部对应配置于所述气体流动区上，所述导电部与所述感测膜层对应配置于所述电性耦合区的相对两侧。
2.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，当气压施加于所述振膜结构时，所述泄压膜层的变形量大于所述感测膜层的变形量。
3.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述排气部为穿孔，连通所述气体流动区，使得所述内墙与所述泄压膜层共同形成一半开放空间。
4.根据权利要求3所述的微机电传感器，其特征在于，所述穿孔的一孔径小于所述内墙所环绕出的一内径。
5.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述排气部包括多个穿孔，所述排气部、所述泄压膜层与所述内墙共同定义出所述气体流动区。
6.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述泄压膜层还包括多个长条状间隙。
7.根据权利要求6所述的微机电传感器，其特征在于，所述长条状间隙包括中央间隙以及沿着所述泄压膜层周缘配置的周缘间隙。
8.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述泄压膜层为所述振膜结构的一部分，且所述泄压膜层与所述振膜结构的材料相同。
9.根据权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述泄压膜层为所述电极板的一部分，且所述泄压膜层与所述导电部的材料相同。
10.根据权利要求9所述的微机电传感器，其特征在于，所述泄压膜层的厚度小于所述导电部的厚度。
11.根据权利要求9所述的微机电传感器，其特征在于，所述振膜结构还包括一导引孔，所述导引孔配置在所述振膜结构的中央处。
12.根据权利要求9所述的微机电传感器，其特征在于，所述微机电传感器还具有另一泄压膜层，配置于所述气体流动区上，相对于所述泄压膜层的另一侧。
13.一种微机电传感器，其特征在于，包括：
一电极板，具有一导电部及一排气部；
一振膜结构，间隔设置在所述电极板的一侧且具有一感测膜层；
一支撑结构，配置在所述振膜结构与所述电极板之间并围绕一电性耦合区及一气体流动区，所述支撑结构包括有一内墙及一外墙，所述内墙围绕所述电性耦合区的外缘，所述外墙围绕在所述气体流动区的外缘，所述气体流动区为电绝缘区域，所述气体流动区环绕配置在所述电性耦合区的外侧；以及
一泄压膜层，遮挡于所述气体流动区；
其中所述排气部对应配置于所述气体流动区上，所述导电部与所述感测膜层对应配置于所述电性耦合区的相对两侧。
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