CN110603819B - Mems声音传感器、mems麦克风及电子设备 - Google Patents

Abstract

一种MEMS声音传感器，用于通过空气声压变化和机械振动中的至少一种来检测声音，所述MEMS声音传感器包括：背板；振膜，与所述背板相对设置且与所述背板之间存在间隙；所述振膜与所述背板构成电容结构；以及连接柱，包括相对设置的第一端和第二端；所述连接柱的第一端与所述背板固定连接；所述连接柱的第二端与所述振膜的中间区域电性连接，以将所述振膜悬挂于所述背板上；其中，所述振膜的边缘区域设置有至少一个质量块；所述背板上设置有开口；所述开口用于以裸露所述质量块以使得所述质量块与所述背板之间存在间隙，或者所述开口作为所述背板上的声孔。

Description

MEMS声音传感器、MEMS麦克风及电子设备

技术领域

本发明涉及麦克风技术领域，特别是涉及一种MEMS声音传感器及其制备方法、MEMS麦克风及电子设备。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)麦克风是基于MEMS技术制造的电能换声器，具有体积小、频响特性好以及噪声低等优点。随着电子设备的小型化发展，MEMS麦克风被越来越广泛地运用到这些设备上。MEMS声音传感器是MEMS麦克风中的关键器件，其性能直接影响整个MEMS麦克风的性能。传统的MEMS声音传感器的灵敏度较低，无法满足用户的使用需求。

发明内容

根据本申请的各种实施例，提供一种MEMS声音传感器、MEMS麦克风及电子设备。

一种MEMS声音传感器，用于通过空气声压变化和机械振动中的至少一种来检测声音，所述MEMS声音传感器包括：

背板；

振膜，与所述背板相对设置且与所述背板之间存在间隙；所述振膜与所述背板构成电容结构；以及

连接柱，包括相对设置的第一端和第二端；所述连接柱的第一端与所述背板固定连接；所述连接柱的第二端与所述振膜的中间区域电性连接，以将所述振膜悬挂于所述背板上；

其中，所述振膜的边缘区域设置有至少一个质量块；所述背板上设置有开口；所述开口用于以裸露所述质量块以使得所述质量块与所述背板之间存在间隙，或者所述开口作为所述背板上的声孔。

一种MEMS麦克风，包括印刷电路板、设置于所述印刷电路板上的MEMS声音传感器和设置于所述印刷电路板上的集成电路；所述MEMS麦克风采用如前述任一实施例所述的MEMS声音传感器。

一种电子设备，包括设备本体以及设置在所述设备本体上的MEMS麦克风；所述MEMS麦克风采用如前所述的MEMS麦克风。

本申请的一个或多个实施例的细节在下面的附图和描述中提出。本申请的其他特征、目的和优点将从说明书、附图以及权利要求书变得明显。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为第一实施例中的MEMS声音传感器的剖视图。

图2为第二实施例中的MEMS声音传感器的剖视图。

图3为第三实施例中的MEMS声音传感器的剖视图。

图4为第四实施例中的MEMS声音传感器的剖视图。

图5为一实施例中形成质量块中的第二子部分的示意图。

图6为第五实施例中的MEMS声音传感器的剖视图。

图7为一实施例中的振膜的结构示意图。

图8为一实施例中的MEMS麦克风的结构示意图。

图9为另一实施例中的MEMS麦克风的结构示意图。

图10为又一实施例中的MEMS麦克风的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”以及“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，需要说明的是，当元件被称为“形成在另一元件上”时，它可以直接连接到另一元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一元件或者同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。

图1为一实施例中的MEMS声音传感器的结构示意图。该MEMS声音传感器也可以称之为MEMS传感器或者MEMS芯片。该MEMS声音传感器用于通过空气声压变化和机械振动中的至少一种来检测声音,也即该MEMS声音传感器可以对声音所引起的空气声压变化进行检测来实现声音检测，也可以通过对声音或者机械外力所引起的振动来实现声音检测。可以理解，本案中所指的振动以由于声音或者机械外力所引起的骨头比如耳骨或者其他固体的振动为例。

该MEMS声音传感器包括背板100、振膜200和连接柱300。背板100也可以称之为背极板。振膜200与背板100相对设置，且二者之间形成有间隙10。间隙10内并不填充其他物质，为空气间隙。振膜200与背板100构成电容结构。在本实施例中，并不对振膜200的形状进行特别限定。例如，振膜200可以为圆形、方形等形状。连接柱300包括相对设置的第一端300a和第二端300b。其中，第一端300a与背板100固定连接。第二端300b与振膜200的中间区域连接，且与振膜200为电性连接。连接柱300通过第二端300b与振膜200连接，从而将振膜200悬挂于背板上。悬挂后的振膜200四周的边缘区域无需其他固定结构来对其进行支撑固定，从而可以较大程度提高整个振膜200的灵敏度，满足人们的使用需求。在本实施例中，振膜200的边缘区域设置有至少一个质量块210。在本案中，边缘区域是相对于中间区域而言的，也即边缘区域为远离连接柱300的区域。在本实施例中，背板100上对应于质量块210的区域开设有开口110，以裸露并释放该质量块210，并使得质量块210与背板100之间存在间隙112。

当声音引起空气声压变化时，空气会经过背板100上的开口110，并经过间隙112进入到背板100和振膜200之间的间隙10中，从而使得振膜200在该气压或者声压的作用下发生振动、或者振膜200下方气压变化直接推动振膜200使得振膜200发生振动，电容结构会产生变化的电容，实现对声波的探测。可以通过ASIC(Application Specific IntegratedCircuit，集成电路)芯片对该变化的电容信号进行处理并输出声电转换后的电信号。当气压或者声压引起电容变化时，由于振膜200的边缘区域设置有质量块210，即便是较小气压变化也能够产生较大的力矩，从而使得振膜200产生较为明显的振动，极大地提高了MEMS声音传感器的灵敏度。并且，由于空气可以直接由开口110进入，并经由质量块210与背板100之间的间隙112进入引起振膜200的振动，因此背板100可以不开设声孔，从而使得背板100中的电极面积较大，确保MEMS声音传感器具有高电容变化，进一步提高了检测过程的灵敏度。其中，质量块210与背板100之间的间隙112可以根据需要进行设置，以尽可能降低空气进出间隙10时存在的阻尼效应。

当上述MEMS声音传感器与人体传导声音的骨头(比如耳骨、声带等)直接或者间接接触(通常是振膜200所在一侧靠近耳骨)时，由于说话过程中相应的骨头会发生机械振动，该机械振动会引起振膜200发生振动。由于振膜200的边缘区域设置有质量块210，从而即便是较小的机械振动也能够引起振膜200的振动，实现对该声音的检测，也即该MEMS声音传感器具有较高的灵敏度。本实施例中的MEMS声音传感器能够作为振动传感器工作，从而在用户处于嘈杂环境中时，可以将其与人体的声音传导组织(如耳骨)进行接触，通过检测人说话时引起的固态物质的振动实现对声音的检测，整个检测过程中不会受到环境噪声的干扰，使得整个MEMS声音传感器具有较高的信噪比。

参见图1，在一实施例中，上述MEMS声音传感器还包括基板410和第一绝缘层430。其中，基板410可以直接为硅衬底。可以理解，基板410也还可以为其他基底结构，比如SOI基底。基板410上形成有背洞412，以便露出振膜200的下表面。第一绝缘层430用于实现背板100与基板410之间的绝缘，同时将背板100固定在基板410上。第一绝缘层430包围振膜200。第一绝缘层430可以为介电氧化层，比如采用二氧化硅等。基板410上还形成有制备振膜200时形成的材料层440以及用于隔离材料层440和基板410的介电氧化层420。振膜200可以此采用单晶珪、多晶硅、氮化硅、富硅氮化硅、硅锗化合物(SiGe)或者金属等。其中，金属可以为铝(Al)、铝铜合金(AlCu)、铂(Pt)以及金(Au)等。因此，材料层440也可以采用前述任意一种材料。当振膜200采用氮化硅或者富硅氮化硅作为材料时，还需要在表面加一层导电材料当做振膜200的电极。在本实施例中，振膜200与基板410完全隔离，也即振膜200完全由连接柱300进行悬挂连接，而无需借用其他的固定结构对振膜200的周边进行固定。悬挂式的振膜200的周边都是悬空的，可以释放残余应力，从而使得振膜200具有较高的灵敏度。在一实施例中，振膜200进行了必要的掺杂或者离子注入。掺杂可以为N型掺杂也可以为P型掺杂，从而使得振膜200具有较好的导电性能。在一实施例中，当背板100中的导电层采用多晶硅或者硅锗化合物时，同样需要掺杂或者离子注入(doping or ion implantation)，使得背板具有较好的导电性能。

振膜200中的质量块210包括第一部分212和第二部分214中的至少一种。其中，第一部分212形成于振膜200的上表面，第二部分214形成于振膜200的下表面。在本案中，以振膜200朝向背板100的一面为上表面，远离背板100的一面为下表面。质量块210可以根据需要进行选择性设置，比如仅仅设置第一部分212或者第二部分214，也可以同时设置。第一部分212和第二部分214的质量可以调整，从而实现对整个质量块210的质量调整，进而实现对整个MEMS振动传感器的感应频段的调整。在本实施例中，MEMS声音传感器的频率检测范围为20Hz～20KHz。在图1中，质量块210同时包括第一部分212和第二部分214。

在一实施例中，背板100包括第一导电层130以及包覆第一导电层130的保护层。具体地，参见图1，背板100包括依次层叠设置的第一保护层120、第一导电层130和第二保护层140。其中，第一保护层120位于背板100上靠近振膜200的一侧。第一导电层130为图形化层。第二保护层140则形成在第一保护层120上并完全覆盖第一导电层130，也即第一导电层130被第一保护层120和第二保护层140所包裹。开口110贯穿整个第一保护层120和第二保护层140，从而将外部的声音信号通过间隙112传递至间隙10，并使得振膜200发生振动；或者外部的声音信号由振膜200的下方穿过间隙10后再穿过开口110。第一保护层120和第二保护层140均钝化层，确保设置在两层中的第一导电层130可以与空气中的腐蚀性气体隔离，并且可以避免在不良环境如潮湿环境下的背板100和振膜200之间的漏电。第一保护层120和第二保护层140可以采用氮化硅(silicon nitride)、富硅氮化硅(si-rich siliconnitride)。在一实施例中，第一保护层120和第二保护层140表面必须是或者处理成非亲水性，也即第一保护层120和第二保护层140的表面均为非亲水性表面。例如若有很薄的氧化硅材料没有完全被移除干净，因而附在保护层上，也会造成保护层具亲水性(hydrophilic)；或者是保护层氮化硅(silicon nitride)、富硅氮化硅(si-rich siliconnitride)本身半导体工艺完毕后，还是具有一定程度的亲水性，这时候我们可以对MEMS传感器做防粘涂料(anti-stiction coating)，改变保护层表面特性，使其变成非亲水表面。

图形化的第一导电层130包括背板电极132和振膜200的引出电极134。第一导电层130可以为多晶硅层、硅锗化合物(SiGe)层或者金属层。其中，金属层的金属可以为铝(Al)、铝铜合金(AlCu)、铂(Pt)以及金(Au)等。在本实施例中，第一导电层130和振膜200的材料均为多晶硅(poly Si)。上述MEMS声音传感器上还形成有背板焊盘510和振膜焊盘520，如图1所示。背板焊盘510形成在背板电极132上，振膜焊盘520则形成在引出电极134上，以分别实现背板电极、振膜200与外部的电气连接。

在一实施例中，质量块210的第一部分212与背板100的第一导电层130在同一工艺步骤中形成，也即通过对形成在振膜200上方的第一绝缘层430以及第一保护层120进行刻蚀直至达到振膜200停止，然后进行导电层的填充(比如填充多晶硅polysilicon)，一体形成用于制备第一部分212以及背板100中的导电层。由于需要填充前面刻蚀的槽洞，此时形成的导电层的厚度较厚，此时需要用CMP(Chemical Mechanical Polishing process,机械化学研磨制程)或者硅刻蚀制程把形成的导电层刻蚀到想要的背板电极的厚度。此时，第一部分212和第一导电层130是一体结构，需要通过刻蚀工艺在背板电极层上形成开口110以将第一导电层130与第一部分212进行分离，进而形成质量块210与背板100之间的间隙112。间隙112可以自定义，间隙112大，可以降低空气阻尼。在一实施例中，还可以根据质量块210的第一部分212的厚度来生成导电层，然后再将导电层刻蚀到背板电极的厚度，并将第一部分212与背板100分离开来。此时第一部分212的高度可以低于导电层所在的平面，如图2所示。在其他的实施例中，背板100上除了形成开口110之外，还可以开设有声孔150，如图3所示，从而可以进一步降低空气阻尼。

在一实施例中，第二部分214与振膜200在同一工艺步骤中形成。具体地，在形成振膜200之前，先对对应区域的介电氧化层420进行部分刻蚀，或者完全刻蚀甚至刻蚀至基板410的硅衬底上。刻蚀过程的终点可以根据第二部分214的质量进行确定。在刻蚀完成后，在基板410的上方形成用于制备振膜200的材料层，在形成过程中会将该刻蚀区域进行填充，从而形成均具有该第二部分214的振膜200。

在另一实施例中，第二部分214包括第一子部分214a和第二子部分214b，如图4所示。其中，第一子部分214a与前一实施例中形成第二部分214的方法相同，与振膜200在同一工艺步骤中形成。第二子部分214b则通过对基板410进行刻蚀得到，参见图5。具体地，先用定义有质量块210的形状的掩膜版对基板410进行刻蚀，在基板410上对应位置形成具有质量块形状的凸起414，然后对整个振膜200所在区域进行同步刻蚀，直至刻蚀至介电氧化层420时停止刻蚀，从而形成质量块210的第二子部分214b。第二子部分214b和第一子部分214a以及振膜200、第一部分212形成一个整体，此时质量块210具有较大的质量，且位于边缘区域，从而使得整个MEMS声音传感器具有较高的灵敏度。

在一实施例中，MEMS声音传感器中形成的质量块210仅仅包括第二部分214。也即在本实施例中，振膜200的上表面不需要形成质量块，背板100上也无需开设用于裸露质量块的开口。此时，开设在背板100上的开口110作为背板100的声孔，以降低阻尼，如图6所示。

在一实施例中，振膜200包括多个相互独立运动的膜片220，如图7所示。图7为振膜的结构示意图。在本实施例中，振膜200包括四个对称分布的膜片220，并且每个膜片220具有相同的结构，也即其上形成有相同的质量块210。通过将振膜200设置为多个独立运动的膜片220，可以进一步提高振动检测过程中的灵敏度。在一实施例中，振膜200上的各膜片220至少两个具有不同的结构，也即为不对称分布。此时，不同膜片220上均设置有质量块210，每个膜片220上的质量块210可以相同也可以不同，其被设置到对应于膜片220的频率检测范围，比如频率检测范围为20Hz～20KHz。例如，可以在振膜200中设置有对应于低频的第一膜片、对应于中频的第二膜片以及对应于高频的第三膜片，从而可以利用低频的第一膜片来实现100Hz～1KHz的频率检测，第二模块来实现1KHz～10KHz的频率检测，而第三膜片则实现10KHz～20KHz的频率检测。在其他的实施例中，不同的膜片220对应于不同的频段，从而使得MEMS声音传感器具有较宽的频段检测范围，实现满足用户对多频段的检测需求。

在一实施例中，各膜片220之间设置有绝缘层以实现各膜片220之间的电性绝缘，使得各膜片220能够相互独立对相应频段的声音进行检测。各膜片220均通过连接柱300引出至背板100上的对应的引出电极134中，以通过引出电极134连接至相应的焊盘。此时连接柱300中同样包括多个相互电性绝缘的引出区域，背板100中也设置有多个引出电极134以将每个膜片220引出至相应的焊盘，也即此时各膜片220具有相互独立的电路路径。在其他的实施例中，各膜片220也可以采用同一电路路径进行引出。此情況下，负责感测对应频率波段的膜片220与背板100形成电容，产生变容变化讯号，从而由ASIC芯片相应去处理该变化讯号。其他频率波段的膜片220，电容变化讯号较小，ASIC此时不去处理。

在一实施例中，第二端300b的部分材料嵌入振膜200。第二端300b与振膜200电性连接，从而使得连接柱300可以通过引出电极134将振膜200所在电极进行引出。第二端300b至少部分的材料嵌入是指连接柱300上部分的层体结构嵌入振膜200中或者连接柱300上所有的层体结构都嵌入振膜200中。在本实施例中，连接柱300可以嵌入振膜200内部或者嵌入并贯穿振膜200。因此，连接柱300的第二端300b可以部分不进行嵌入，而部分嵌入振膜200内或者嵌入并贯穿振膜200。连接柱300的第二端300b还可以全部均进行嵌入，但是部分嵌入振膜200内，其余则嵌入并贯穿振膜200。可以理解，连接柱300的第二端300b也可以全部嵌入振膜200内或者全部嵌入并贯穿振膜200。在本实施例中，连接柱300的形状、结构和数目均不作特别限定。例如，连接柱300的横截面可以为圆形、矩形、椭圆形、半圆等，只要其能够起到支撑悬挂作用即可。在本案中均以连接柱300为圆柱形为例进行说明。连接柱300的数目可以一个也可以为两个以上。连接柱300的数目也可以根据MEMS声音传感器的尺寸进行确定，比如随着MEMS声音传感器的尺寸的增大相应的增加连接柱300的数目或者调整连接柱300的横截面积等。

上述MEMS声音传感器，连接柱300采用嵌入振膜200的方式将振膜200悬挂在背板100上，实现振膜200和背板100之间的相对固定。由于将连接柱300嵌入振膜200，使得连接柱300具有与振膜200的垂直接合面积和水平接合面积，也即增加了连接柱300与振膜200之间的接合面积，具有较好的机械连接强度，从而可以提高振膜200的抗吹击与抗跌落、滚动、滚筒测试等机械冲击力量的性能。并且，悬挂后的振膜200四周无需其他固定结构来对其进行支撑固定，从而可以较大程度提高整个振膜200的灵敏度，满足人们的使用需求。

传统的MEMS声音传感器，其振膜机械灵敏度易受半导体工艺残留应力影响，个别MEMS声音传感器容易有变异的情况，造成灵敏度一致性下降，甚至有振膜应力分布不均，造成不稳定(bi-stable)形变的可能性产生，使得最终MEMS麦克风声学性能在使用上有不稳定的情况，甚至超出规格。本申请中的MEMS声音传感器能有较高的机械强度，能够提升抗各种机械冲击力量的能力，利用悬吊式并强化连接柱300与振膜200的结合强度，使振膜200能够自由地顺应外界的机械冲击力量，使振膜200成为一种柔性振膜(compliancediaphragm)，不与外界机械冲击力量抵抗。并且本申请中的振膜200无外围的固定点或者固支点(diaphragm anchor)，也即振膜外围全部切开，此设计可使半导体工艺造成的残留应力释放，大大提高MEMS声音传感器的性能一致性与可生产制造性，放宽生产制造的制造公差容忍度，使生产制造良率更高。在其他的实施例中，也可以在振膜200的周边设置一些类似弹簧的连接结构，与基板410进行连接。可以理解，本实施例中的连接柱300嵌入振膜200从而将振膜200悬挂至背板100的结构并不限于图1所示的结构中，还可以适用于其他比如具有双背板或者双振膜的MEMS声音传感器中。

在一实施例中，连接柱300为一个。具体地，连接柱300位于振膜300的中心。其中，振膜200为圆形，连接柱300为圆柱，也即连接柱300的中心轴与振膜200的圆心相交。通过将连接柱300设置成关于振膜200的中心对称，可以使得声压从开口110或者振膜200进入间隙10后能够产生最对称的压力作用在振膜200上，以提高振膜200的灵敏度。

在一实施例中，连接柱300可以为多个。多个连接柱300关于振膜200的中心对称分布，从而使得振膜200的各处受力均匀。例如，连接柱300可以为四个，对称分布在振膜200的中心四周。在一实施例中，多个连接柱300均设置在振膜200的中心至边缘的距离的二分之一区域以内，从而确保对振膜200起到较好的支撑性能并确保振膜200具有较高的灵敏度。

在一实施例中，连接柱300中嵌入振膜200的深度大于或等于振膜200的厚度的三分之一，使得连接柱300具有与振膜200的垂直接合面积和水平接合面积，也即增加了连接柱300与振膜200之间的接合面积，从而确保振膜200与连接柱300之间抵抗外界机械冲击的能力更强，满足振膜200的抗吹击与抗跌落、滚动以及滚筒测试等机械冲击力量的性能要求。

参见图1，在本实施例中，连接柱300包括相互间隔设置的第二绝缘层310和第二导电层320。由于连接柱300为圆柱，因此第二绝缘层310和第二导电层320投影在振膜200上的形状也即其俯视图均为环形结构。第二绝缘层310和第二导电层320的层数可以根据需要设置，通常从连接柱300的中心起依次为第二绝缘层310、第二导电层320、第二绝缘层310……直至最外层的第二导电层320。在图1所示的实施例中，第二导电层320和第二绝缘层310均为两层。其中，第二绝缘层310在制备时与基板410上方的第一绝缘层430在同一道工序中进行制备得到，本实施例中仅仅是为了进行区分将其分别命名为第一绝缘层430和第二绝缘层310。因此，第一绝缘层430和第二绝缘层310的材料相同，均为介电氧化层。

第二导电层320的第一端与引出电极134一体形成并电连接。第二导电层320的第二端嵌入振膜200。第二导电层320的第二端可以嵌入振膜200内部，也可以嵌入并贯穿振膜200。在本实施例中，振膜200、第二导电层320以及第一导电层130的材料相同，例如均为多晶硅。因此，第二导电层320嵌入振膜200时属于同种材料的嵌入，不会带来阻抗问题，从而无需额外增加相应的阻抗匹配结构，整体的导电性能较好。

第二导电层320可以包括两种类型，即包括第一类型导电层和第二类型导电层。其中，第一类型导电层的第二端嵌入到振膜200内，其嵌入深度大于或者等于振膜200的厚度的三分之一并小于振膜200的厚度。第二类型导电层的第二端则嵌入并贯穿整个振膜200。连接柱300中的第二导电层320可以全部为第一类型导电层也可以全部为第二类型导电层。可以理解，连接柱300中的第二导电层320也可同时包含有第一类型导电层和第二类型导电层。在图1中，所有的第二导电层320包括第一类型导电层和第二类型导电层。在图6中，所有的第二导电层320均为第二类型导电层。

在一实施例中，第二绝缘层310同样可以嵌入振膜200内部，从而进一步增加连接柱300与振膜200的接合面积，提高连接柱300连接振膜200的机械强度。第二绝缘层310并不会嵌入并贯穿振膜200，也即第二绝缘层310嵌入的深度大于振膜200的厚度的三分之一且小于振膜200的厚度。当第二绝缘层310嵌入并贯穿振膜200时，在释放介电氧化层420(例如为氧化硅时)的时候，就会攻击到第二绝缘层310的材料，会使贯穿振膜200的第二绝缘层310的材料被蚀刻而不存在。

在一实施例中，连接柱300还包括设置在最外围的第三保护层(图中未示)。第三保护层的第一端与第一保护层120一体形成，第三保护层的第二端与振膜200连接或者嵌入到振膜200。增加第三保护层可以提高振膜200与连接柱300的接合面积，从而提高连接的机械强度。第三保护层与第一保护层120具有相同的材料，均可以为氮化硅或者富硅氮化硅。在本实施例中，第一保护层120、第二保护层140和第三保护层均采富硅氮化硅。利用这种介电材料包住背板100上的第一导电层130和连接柱300中的第二导电层320，可以防止电荷残留在连接柱300外侧与背板100下方。若有电荷残留，则使得MEMS声音传感器没办法有正常的电荷存在两个电极板上，此时MEMS声音传感器没办法正常工作，灵敏度会降低，甚至超出规格。

在一实施例中，振膜200上远离背板100的一面形成有凸起230。凸起230与振膜200为一体形成，也即二者为一整体结构。连接柱300上的第二类型导电层会延伸至该凸起230内，从而进一步增加了连接柱300与振膜200的接合面积，提高了振膜连接的机械强度。第二类型导电层延伸至凸起230内。凸起230包裹住第二类型导电层延伸至该区域内的部分。在图1中，从仰视角度来看，凸起230为中空的环形结构。在其他的实施例中，当连接柱300为方形时，凸起230也可以为中空的方形结构，或者整面结构如图6所示。凸起230的厚度可以不做限制。具体地，在形成振膜200之前，先对形成的介电氧化层420进行部分刻蚀，或者完全刻蚀甚至刻蚀至基板410的硅衬底上。由于振膜200上远离背板100的一面对应的区域最终会被刻蚀掉形成背洞412，从而使得凸起230的厚度并不会对整体性能产生影响。在刻蚀完成后，在基板410的上方形成用于制备振膜200的材料层，在形成过程中会将该刻蚀区域进行填充，从而形成均具有该凸起230的振膜200。通过直接在振膜200上形成凸起230可以在一定程度提高振膜200的刚性。

在一实施例中，连接柱300还包括承载340，如图1所示。承载部340与振膜200上远离背板100的一面连接。承载部340至少与连接柱300中的部分第二类型导电层连接，形成铆钉结构。连接柱300嵌入振膜200可以提供水平方向上的作用力以实现对振膜200的固定，而承载部340的增加可以增大与振膜200的水平接触面积，可以增加在竖直方向上的支撑力，从而使得在两个方向上具有支撑力，使得连接柱300的支撑强度较强，振膜200的稳固性较好。在制备过程中，连接柱300中的第二导电层320的边缘位于承载部340的边缘内，因此在制备过程中能有较大的对准误差容忍度，工艺比较好做，不会出现脱裂或者刻蚀难对准的问题。

在一实施例中，上述MEMS声音传感器可以作为加速度传感器，用来实现对加速度的检测。具体地，可以根据MEMS声音传感器的电容变化来实现对作用在质量块210上的外力的检测，从而根据质量块210的质量计算得到当前的加速度。通过上述MEMS声音传感器来作为加速度传感器，可以实现MEMS声音传感器的多功能化，并且具有相对于传统的梳齿状的加速度传感器更为简单的结构，且振膜200和背板100都是整面结构，具有极高的电容。

本申请一实施例还提供一种MEMS麦克风，如图8所示。该MEMS麦克风包括印刷电路板610以及设置在印刷电路板610上的MEMS声音传感器620和集成电路630。集成电路630也可以称之为ASIC芯片。其中，该MEMS声音传感器620采用前述任一实施例所述的MEMS麦克风。本案并不对MEMS麦克风的结构做特别限定。

在一实施例中，该MEMS麦克风采用倒装工艺(flip chip)进行封装，也即MEMS声音传感器620和集成电路630均采用倒装工艺集成在印刷电路板610上。具体地，MEMS声音传感器620和集成电路630通过不打线的方式直接与印制电路板610上的焊盘连接。比如在本案中，MEMS声音传感器620和集成电路630通过锡球640连接在印制电路板610上，从而实现MEMS声音传感器620和集成电路630与印制电路板610的电性连接。采用这种倒装工艺，可以避免由于引线接合所引起的噪声问题，从而使得整个MEMS麦克风具有较高的信噪比(Signal-Noise Ratio，SNR)。可以理解，为加强MEMS声音传感器620以及集成电路630与印制电路板610之间连接的稳固性，也可以增加其他的固定方式对其进一步进行固定，比如，采用封装胶来进行固定。

上述MEMS麦克风还包括封装壳体650。封装壳体650与印制电路板610相互配合形成用于容纳MEMS声音传感器620和集成电路630的容纳空间。在本实施例中，封装壳体650和印制电路板610上均未设置有供气流穿过的穿孔。此时，上述MEMS麦克风作为用于通过对说话过程中引起的骨头(如耳骨)或者固体物质的振动进行检测来实现对声音的检测并转换为电信号输出。此时，将印制电路板610所在的一侧靠近耳骨或者其他固体物质，从而使得振膜200非常靠近振动源(图8～图10中，箭头表示振动源)，整个传导路径较短，极大地增强了在倒装结构下的传感信号的有效性，使得MEMS麦克风具有较高的信噪比。

在其他的实施例中，也可以在封装壳体650上靠近MEMS声音传感器620的区域设置用于供气流穿过的穿孔652,如图9所示。在其他的实施例中，也可以直接在印制电路板610上开设穿孔612，如图10所示。此时，MEMS麦克风中的MEMS声音传感器620即可根据声压或者气压变化引起的电容变化来进行声音检测，也可以根据振动所引起的电容变化来进行声音检测。集成电路630可以根据预设算法对检测到的信号进行处理后并输出。

本申请一实施例还提供一种电子设备，包括设备本体以及设置在设备本体上的MEMS麦克风。该MEMS麦克风采用前述任一实施例所述的MEMS声音传感器制备得到。该电子设备可以为手机、数码相机、笔记本电脑、个人数字助理、MP3播放器、助听器、电视、电话、会议系统、有线耳机、无线耳机、录音笔、录音设备、线控器等等。

可以理解，本案中所有的附图的尺寸不代表实际比例，且仅仅为示意图。

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申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (23)

1.一种MEMS声音传感器，用于通过空气声压变化和机械振动中的至少一种来检测声音，所述MEMS声音传感器包括：

背板；

振膜，与所述背板相对设置且与所述背板之间存在间隙；所述振膜与所述背板构成电容结构；以及

连接柱，包括相对设置的第一端和第二端；所述连接柱的第一端与所述背板固定连接；所述连接柱的第二端与所述振膜的中间区域电性连接，以将所述振膜悬挂于所述背板上；

其中，所述振膜的边缘区域设置有至少一个质量块；所述背板上设置有开口；所述开口用于裸露所述质量块以使得所述质量块与所述背板之间存在间隙，或者所述开口作为所述背板上的声孔；

所述背板包括依次层叠于所述振膜上方的第一保护层、图形化的第一导电层和第二保护层；

所述第一导电层包括彼此分开的背板电极和所述振膜的引出电极；所述连接柱包括相互间隔设置的第二导电层和第二绝缘层；所述第二导电层的第一端与所述引出电极一体形成；所述第二导电层的第二端嵌入所述振膜内或者嵌入并贯穿所述振膜；

所述第二导电层包括第二类型导电层；所述振膜上远离所述背板的一面形成有一体化的凸起；所述第二类型导电层的第二端延伸至所述凸起内。

2.根据权利要求1所述的MEMS声音传感器，其特征在于，还包括基板和第一绝缘层；所述背板设置在所述基板上方且通过所述第一绝缘层与所述基板绝缘；所述基板上设置有背洞，以裸露所述振膜；所述振膜与所述基板完全分离。

3.根据权利要求2所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述质量块包括第一部分和第二部分中的至少一种；所述第一部分形成于所述振膜上朝向所述背板的一面；所述第二部分形成于所述振膜上背离所述背板的一面。

4.根据权利要求3所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述质量块至少包括所述第一部分，所述开口用于裸露所述质量块并形成所述质量块和所述背板之间的间隙。

5.根据权利要求4所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述背板上还开设有声孔。

6.根据权利要求3所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述质量块仅包括所述第二部分，所述开口作为开设在所述背板上的声孔。

7.根据权利要求3所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述背板包括导电层以及包覆所述导电层的保护层；所述第一部分与所述背板的导电层所在的材料层在同一工艺步骤中形成。

8.根据权利要求3所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第二部分与所述振膜所在的材料层在同一工艺步骤中形成。

9.根据权利要求3所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第二部分包括第一子部分和第二子部分；所述第一子部分与所述振膜所在的材料层在同一工艺步骤中形成；所述第二子部分通过对所述基板进行刻蚀得到。

10.根据权利要求2所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述振膜包括多个相互独立运动的膜片；每个所述膜片上设置有至少一个质量块；所述膜片上的质量块被设置到对应于所述膜片的频率检测范围。

11.根据权利要求10所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述振膜上至少包括第一膜片、第二膜片和第三膜片；所述第一膜片的频率检测范围为100Hz～1KHz；所述第二膜片的频率检测范围为1KHz～10KHz;所述第三膜片的频率检测范围为10KHz～20KHz。

12.根据权利要求10所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述振膜中的各膜片具有不同的频率检测范围。

13.根据权利要求1所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述连接柱的第二端至少部分的材料嵌入所述振膜且与所述振膜电性连接，以将所述振膜悬挂于所述背板上。

14.根据权利要求1所述的MEMS声音传感器，其特征在于，第二保护层设置在所述第一保护层上且覆盖所述第一导电层；所述开口贯穿所述第一保护层和所述第二保护层。

15.根据权利要求14所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第二导电层还包括第一类型导电层；所述第一类型导电层的第二端嵌入至所述振膜内。

16.根据权利要求15所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述连接柱还包括承载部；所述承载部至少与部分所述第二类型导电层的第二端连接以形成铆钉结构对所述振膜进行承载。

17.根据权利要求14～16任一所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述第二绝缘层的第一端与所述第一保护层连接；所述第二绝缘层的第二端嵌入所述振膜内。

18.根据权利要求14～16任一所述的MEMS声音传感器，其特征在于，所述连接柱还包括设置在最外围的第三保护层；所述第三保护层的第一端与所述第一保护层一体形成；所述第三保护层的第二端与所述振膜连接或者嵌入所述振膜。

19.根据权利要求1～16任一所述MEMS声音传感器，其特征在于，所述MEMS声音传感器作为加速度传感器。

20.一种MEMS麦克风，包括印刷电路板、设置于所述印刷电路板上的MEMS声音传感器和设置于所述印刷电路板上的集成电路；其特征在于，MEMS声音传感器采用如权利要求1～19任一所述的MEMS声音传感器。

21.根据权利要求20所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述MEMS声音传感器和所述集成电路采用倒装工艺集成在所述印刷电路板上。

22.根据权利要求20所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括封装壳体；所述封装壳体与所述印刷电路板相互配合形成用于容纳所述MEMS声音传感器和所述集成电路的容纳空间；

所述封装壳体和所述印刷电路板上均未开设供气流穿过的穿孔，或者所述封装壳体和所述印刷电路板中至少有一个在靠近所述MEMS声音传感器的区域开设有供气流穿过的穿孔。

23.一种电子设备，包括设备本体以及设置在所述设备本体上的MEMS麦克风；其特征在于，所述MEMS麦克风采用如权利要求20～22任一所述的MEMS麦克风。

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