CN110351641A - 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麦克风，包括基板，具有基板开口。支撑介电层设置在所述基板上，围绕所述基板开口。振膜由所述支撑介电层支撑，位于所述基板开口上方，其中当所述振膜在停止操作状态时，所述振膜有似碗状结构朝向所述基板开口弯曲成凸出形状。背板设置在所述支撑介电层上且在所述振膜的上方，其中所述背板包含多个通孔在对应所述基板开口的区域。

Description

微机电系统麦克风
技术领域
本发明涉及一种微机电系统技术，且特别是涉及一种微机电系统麦克风。
背景技术
微机电系统例如是微机电系统麦克风已经很普遍，其是由于相对于传统的驻极体电容式麦克风(Electret Condenser Microphone,ECM)有更优良的性能。微机电系统麦克风的特征包含:薄与小的尺寸；表面安装元件可轻易通过焊料流而组装；以及高的稳定性及环境抵抗力。特别是，大量缩小尺寸的微机电系统麦克风适合多种的应用。
关于微机电系统麦克风的感应能力，微机电系统麦克风包含振膜电容器，其中振膜当作接地，可以随着在空气中传递的声波而响应振动。对应声波的电容值的变化于是在后端的电路被转换成电性信号。在此机制中，振膜的振动表现之主要因素以决定感应能力。换句话说，振膜在感应声波信号上是扮演重要的角色。
决定振膜电容器的电容值的一因素是电容器的两个电极板之间的距离。然而在微机电系统麦克风中，当作接地电极的振膜与当作电压电极的背板之间的距离一般是很小。
况且，振膜是在周围被固定但是中间区域是振动能力的最大的区域。也就是，振膜的振动不是均匀的移动程度。这也造成感应失真，不是正比响应声波信号。
如何提升振膜电容器的感应品质在设计微机电系统麦克风上是一个重要的议题。
发明内容
本发明是关于微机电系统麦克风，其中所提供的振膜电容器的振膜结构可以降低感应失真以及更可增加电容值。
在一实施例中，本发明提供一种微机电系统麦克风，包括基板，具有基板开口。支撑介电层设置在所述基板上，围绕所述基板开口。振膜由所述支撑介电层支撑，位于所述基板开口上方，其中当所述振膜在停止操作状态时，所述振膜有似碗状结构朝向所述基板开口弯曲成凸出形状。背板设置在所述支撑介电层上且在所述振膜的上方，其中所述背板包含多个通孔在对应所述基板开口的区域。
在一实施例中，本发明又提供一种微机电系统麦克风，包括基板，具有基板开口。支撑介电层设置在所述基板上，围绕所述基板开口。背板由所述支撑介电层支撑且在所述基板开口的上方，其中所述背板包含多个通孔在对应所述基板开口的区域。振膜由所述支撑介电层支撑，对应所述基板开口在所述背板上方，其中当所述振膜在停止操作状态时，所述振膜有似碗状结构相对所述基板开口朝外弯曲成凸出形状。保护层设置在所述支撑介电层上，且对应所述基板开口有开口。
根据一实施例，在所述的微机电系统麦克风中，所述振膜在被所述支撑介电层所支撑的区域是距离所述背板有第一间隙，以及所述振膜的所述凸出形状的凸顶是距离所述背板有第二间隙，其中所述第二间隙至少是所述第一间隙的5/4倍。
根据一实施例，在所述的微机电系统麦克风中，所述振膜的直径愈大则所述第二间隙就更大。
根据一实施例，在所述的微机电系统麦克风中，所述振膜的周围区域有弹簧结构。
根据一实施例，在所述的微机电系统麦克风中，所述弹簧结构由所述振膜的中心区域延伸到所述支撑介电层的侧壁。
根据一实施例，在所述的微机电系统麦克风中，所述振膜的所述周围区域有多个裂缝开口，如此构成所述弹簧结构。
根据一实施例，在所述的微机电系统麦克风中，所述保护层的周围区域是设置在所述支撑介电层上。
根据一实施例，在所述的微机电系统麦克风中，所述振膜是导电体。
根据一实施例，在所述的微机电系统麦克风中，所述振膜是连接到地电压端，以及所述背板在对应所述基板开口的一导电层是连接到操作电压。
根据一实施例，在所述的微机电系统麦克风中，所述振膜包含堆迭的多层以产生应力，如此形成所述似碗状结构。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明的一种微机电系统麦克风的剖面结构示意图；
图2为本发明的一种微机电系统麦克风在操作时的剖面结构示意图；
图3为本发明的一种微机电系统麦克风的剖面结构示意图；
图4为本发明的一种微机电系统麦克风在操作时的剖面结构示意图；
图5为本发明的一种微机电系统麦克风的剖面结构示意图；
图6为本发明的一种微机电系统麦克风不同尺寸的剖面结构示意图；
图7为本发明的一种微机电系统麦克风含有周边弹簧的剖面结构示意图；
图8A为本发明的一种微机电系统麦克风的弹簧结构的上视结构示意图；
图8B为本发明的一种微机电系统麦克风的振膜的剖面结构示意图；
图9与图10为本发明的一种微机电系统麦克风的振膜的上视结构示意图；
图11为本发明一实施例的一种微机电系统麦克风的剖面结构示意图。
附图标号说明
90:开口
100:基板
102:支撑介电层
104:振膜
106:弹簧结构
108:保护层
110:背板
112:通孔
204、204a、207、208:振膜
206:弹簧结构
206’:开口
具体实施方式
本发明提供微机电系统麦克风，其中可以提升振膜的效能。
所提供的多个个实施例是用来说明本发明，但不是要限制本发明。
图1是依照本发明的一种微机电系统麦克风的剖面结构示意图。参阅图1，本发明对一般的微机电系统麦克风进行探究，其中微机电系统麦克风包括基板100，例如示硅基板，具有基板开口90。支撑介电层102是设置在基板100上，且围绕基板开口90。振膜104由支撑介电层102所支撑，在基板开口90上方。在一实施例中，当振膜104是在操作停止状态下，振膜104是平坦面。背板110是设置在支撑介电层102上，位于振膜104上方。背板110在对应基板开口90的区域包含多个通孔112。背板110也包含保护层108及在保护层108上的导电层，其被整合在一起。保护层108设置在支撑介电层102上。振膜104可以包含弹簧结构106，其至少允许振膜104可以更自由振动，以响应声波信号，且防止支撑介电层102在接合部的断裂。
图2是依照本发明的一种微机电系统麦克风在操作时的剖面结构示意图。参阅图2，以直接方式来形成微机电系统麦克风的振膜104，此振膜104一般是延伸成平坦面的结构。对于振膜104的这样结构，在本发明探究微机电系统麦克风后，有观察到一些问题。当在振膜104与背板110之间施加操作电压Vpp时，振膜104是被弯折而朝向背板，如振膜104a所示的状态。这被引起的弯折现象是由于振膜104的可挠性，而由在在振膜104与背板110之间的电场所引起。
从电路来看，振膜104电容性的全部阻抗Rair是由垂直阻抗Rv与间隙阻抗Rg的总合，以Rair＝Rg+Rv来表示。热噪声是与全部阻抗Rair相关。如一般所知，Rg是正比于1/g3,g是空气间隙。为了减少热噪声而提高信噪比(SNR)，在对微机电系统麦克风施加操作电压后，空气间隙g需要大值。
要增加空气间隙g的一个方法是支撑介电层102可以变厚。然而，较厚的介电层，例如大于4微米，在介电质沉积时很可能会容易破裂。另外，假设振膜面积为了提高信噪比而加大，为了适应在相同拉入电压下由于振膜强度降低，空气间隙也需要加大。因此，要得到高信噪比，对于当前平坦面的振膜，其制造流程会趋于更复杂。
图3是依照本发明的一种微机电系统麦克风的剖面结构示意图。参阅图3，为了增加振膜104与背板110之间的间隙，振膜204于本实施例在操作停止状态下可以有似碗状的形状，其可以在振膜204的中间区域产生较大的间隙。在本实施例，弹簧结构206也会被形成在周围区域，以接合支撑介电层102。另外，弹簧结构206的强度是取决于弹簧结构的几何条件。所要的弹簧强度可以通过弹簧结构所设定的几何条件来调整。可了解地、假设弹簧强度过低，振膜204的性能会被影响。
似碗状的振膜204可以通过控制隔膜材料的沉积以达到具有渐变应力的薄膜来形成。换句话说，振膜204是由应力渐变的多个次层所迭置而成。在移除对应基板开口90的介电材料而释放振膜204后，具有分布在多个次层的渐变应力的振膜204会形成似碗状的振膜204。其结果，振膜204有似碗状的结构。而且凸向基板开口90。似碗状的振膜204在中间区域具有较大的间隙，其不需要增加在振膜204与背板110之间的介电厚度。
图4是依照本发明的一种微机电系统麦克风在操作时的剖面结构示意图。参阅图4，关于操作，操作电压Vpp施加于振膜204与背板110之间。因为振膜204具有似碗状的结构，其凸向基板开口90，在操作电压Vpp被施加后，振膜204会被背板110吸引到如振膜204a所示的位置。然而，似碗状的结构仍是维持。
图5是依照本发明的一种微机电系统麦克风的剖面结构示意图。参阅图5，关于振膜204的似碗状结构，其可以根据实际的设计来调整。空气间隙g，也称为参考碗深度，相对于平坦的振膜是被定义为在被埋入在支撑介电层102的区域的振膜204与背板110之间的间隙。振膜204有碗深度g2。依照调整，振膜207可以是较少的碗深度g1，振膜208可以是较大的碗深度g3。然而于一实施例，碗深度g1的实施例可以是5/4(＝1+1/4)g或是更大。
图6是依照本发明的一种微机电系统麦克风不同尺寸的剖面结构示意图。参阅图6，更加地，碗深度也需要根据振膜204的尺寸来调整。基本上，较大尺寸的振膜204会有较大的直径。相对较小直径的振膜204有空气间隙g及附加的凹陷Δg1，如此碗深度是g+Δg1。类似地、相对较大直径的振膜204有空气间隙g及附加的凹陷Δg2，如此碗深度是g+Δg2。较大的振膜会是较可挠。如此、此Δg2的值一般是大于Δg1的值。
图7是依照本发明的一种微机电系统麦克风含有周边弹簧的剖面结构示意图。参阅图7，振膜204也含有弹簧结构206以提升振膜振动的效能。另外，弹簧结构可以减少振膜在被支撑介电层102所支撑的区域的破裂机率。然而，如果弹簧结构过软则弹簧效果可能无法维持。一般性地，弹簧结构206的相邻两条的移位y不会大于振膜204的厚度a，如此可以避免声音感应力在低频时下降。如所注意到，碗深度g1、g2、g3是指由振膜204的凸顶点到背板的距离，其中凸顶点一般是指位于振膜204的中心。在面结构的例子，弹簧的相邻两个部分在倾斜的状态是有移位y，其不会大于振膜204的厚度。
图8A是依照本发明的一种微机电系统麦克风的弹簧结构的上视结构示意图。参阅图8，其所示的是弹簧结构206的上视结构。似碗状的振膜204是由多个弹簧所支撑。弹簧从中间区域向边缘蜿蜒到达支撑介电层102的侧壁。此多个弹簧可以减少在振膜204与支撑介电层102之间的边界的应力。弹簧结构206以外的周边区域是埋入到支撑介电层102中。
图8B是依照本发明的一种微机电系统麦克风的振膜的剖面结构示意图。参阅图8，其是图8A沿着割线I-I的弹簧结构206的剖面结构。由于弹簧结构206的蜿蜒结构，在剖面结构来看是会有多条。
图9与图10是依照本发明的一种微机电系统麦克风的振膜的上视结构示意图。参阅图9，弹簧结构206不限于图8A的结构，而可以被修改成其它蜿蜒的结构。相邻两个蜿蜒的弹簧结构206也可以有共用的一部分。一般性地，多个开口206’是形成在振膜204的周边区域，以形成弹簧结构206。
参阅图10，对弹簧结构206的其它修改可以改变开口206’的不同图案。换句话说，弹簧结构206的蜿蜒结构不需要仅被限制在所举的实施例。
又更进一步对图3的微机电系统麦克风的修改，图11依照本发明一实施例的一种微机电系统麦克风的剖面结构示意图。参阅图11，振膜204与背板110的位置相对于图3的微机电系统麦克风可以互换，其中基本的结构还是相同。微机电系统麦克风包括基板100，具有基板开口90。支撑介电层102设置在所述基板100上，围绕所述基板开口90。背板110由所述支撑介电层102支撑且在所述基板开口90的上方。背板110包含多个通孔112在对应所述基板开口90的区域。振膜204由所述支撑介电层102支撑，对应所述基板开口90在所述背板110上方。当振膜204在停止操作状态时，振膜204有似碗状结构相对所述基板开口90朝外弯曲成凸出形状。保护层设置在所述支撑介电层102上，且对应所述基板开口90有开口，以暴露振膜204。
振膜204的特性也是似碗状，类似于图3的结构。在此实施例中，背板110是低于振膜204，而基板100当作结构基础。碗深度的特征以及弹簧结构206是相似于前描述。
本发明以提出振膜204的形成含有似碗状结构，振膜是由背板往外凸出，如此增加背板与振膜之间在中间区域的间隙。其至少可以降低热噪声。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (20)

1.一种微机电系统麦克风，包括：
基板，具有基板开口；
支撑介电层，设置在所述基板上，围绕所述基板开口；
振膜，由所述支撑介电层支撑，位于所述基板开口上方，其中当所述振膜在停止操作状态时，所述振膜有似碗状结构朝向所述基板开口弯曲成凸出形状；以及
背板，设置在所述支撑介电层上且在所述振膜的上方，其中所述背板包含多个通孔在对应所述基板开口的区域。
2.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜在被所述支撑介电层所支撑的区域是距离所述背板有第一间隙，以及所述振膜的所述凸出形状的凸顶是距离所述背板有第二间隙，其中所述第二间隙至少是所述第一间隙的5/4倍。
3.如权利要求2所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜的直径愈大则所述第二间隙就更大。
4.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜的周围区域有弹簧结构。
5.如权利要求4所述的微机电系统麦克风，其中所述弹簧结构由所述振膜的中心区域延伸到所述支撑介电层的侧壁。
6.如权利要求4所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜的所述周围区域有多个裂缝开口，如此构成所述弹簧结构。
7.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中所述背板包含保护层，所述保护层的周围区域是设置在所述支撑介电层上。
8.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜是导电体。
9.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜是连接到地电压端，以及所述背板在对应所述基板开口的一导电层是连接到操作电压。
10.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜包含堆迭的多层以产生应力，如此形成所述似碗状结构。
11.一种微机电系统麦克风，包括：
基板，具有基板开口；
支撑介电层，设置在所述基板上，围绕所述基板开口；
背板，由所述支撑介电层支撑且在所述基板开口的上方，其中所述背板包含多个通孔在对应所述基板开口的区域；
振膜，由所述支撑介电层支撑，对应所述基板开口在所述背板上方，其中当所述振膜在停止操作状态时，所述振膜有似碗状结构相对所述基板开口朝外弯曲成凸出形状；以及
保护层，设置在所述支撑介电层上，且对应所述基板开口有开口。
12.如权利要求11所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜在被所述支撑介电层所支撑的区域是距离所述背板有第一间隙，以及所述振膜的所述凸出形状的凸顶是距离所述背板有第二间隙，其中所述第二间隙至少是所述第一间隙的5/4倍。
13.如权利要求12所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜的直径愈大则所述第二间隙就更大。
14.如权利要求11所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜的周围区域有弹簧结构。
15.如权利要求14所述的微机电系统麦克风，其中所述弹簧结构由所述振膜的中心区域延伸到所述支撑介电层的侧壁。
16.如权利要求14所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜的所述周围区域有多个裂缝开口，如此构成所述弹簧结构。
17.如权利要求11所述的微机电系统麦克风，其中所述背板包含保护层，所述保护层的周围区域是设置在所述支撑介电层上。
18.如权利要求11所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜是导电体。
19.如权利要求11所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜是连接到地电压端，以及所述背板在对应所述基板开口的一导电层是连接到操作电压。
20.如权利要求11所述的微机电系统麦克风，其中所述振膜包含堆迭的多层以产生应力，如此形成所述似碗状结构。
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