CN112492486B - 麦克风芯片、mems麦克风及电子装置 - Google Patents

麦克风芯片、mems麦克风及电子装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种麦克风芯片、MEMS麦克风及电子装置，所述麦克风芯片包括衬底、振膜、背极及立柱；其中，所述衬底设有沿上下向贯通的背腔；所述振膜设置在所述衬底的上端，所述振膜包括与所述衬底连接的连接部，以及与所述连接部连接并罩盖所述背腔的感应部；所述背极设于所述振膜上，所述背极与所述振膜的感应部之间间隔形成有与所述背腔连通的振动腔；所述立柱构造在所述振膜的感应部的上表面。本发明的麦克风芯片，能够减少麦克风芯片的振膜和背极粘接/吸附的情况的出现。

Description

麦克风芯片、MEMS麦克风及电子装置
技术领域
本发明涉及麦克风技术领域，特别涉及一种麦克风芯片。
背景技术
微型机电系统(Micro Electro Mechanical System)麦克风(简称为MEMS麦克风)，通常应用到电子装置中作为声电转换装置。MEMS麦克风的壳体内配置有麦克风芯片，该麦克风芯片的振膜和背极之间相隔一定的距离形成平板电容器。然而，振膜和背极之间的距离较小，在制造麦克风芯片过程中进行湿发蚀刻工艺时，或者在麦克风芯片工作过程中，振膜容易发生较大幅度的振动而触碰到背极，进而与该背极黏连或吸附在一起，这样容易导致麦克风芯片功能失效或报废，严重制约了MEMS麦克风的成品率和可靠性。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种麦克风芯片，旨在减少麦克风芯片的振膜和背极粘接/吸附的情况的出现，提高麦克风芯片功能的稳定性。
为实现上述目的，本发明提出一种麦克风芯片，所述麦克风芯片包括衬底、振膜、背极及立柱；其中，所述衬底设有沿上下向贯通的背腔；所述振膜设置在所述衬底的上端，所述振膜包括与所述衬底连接的连接部，以及与所述连接部连接并罩盖所述背腔的感应部；所述背极设于所述振膜的上方，所述背极与所述振膜的感应部之间间隔形成有与所述背腔连通的振动腔；所述立柱构造在所述振膜的感应部的上表面。
可选地，所述感应部的上表面设置有多个所述立柱，多个所述立柱间隔排布在所述感应部上。
可选地，多个所述立柱沿其长度方向朝同一侧呈倾斜设置。
可选地，所述立柱相对于所述感应部的上表面倾斜的角度为70.5°。
可选地，所述立柱设置为棱柱体。
可选地，所述感应部具有中心区，以及环绕在所述中心区的外周并与所述连接部连接的环周区；其中：所述中心区设置有多个所述立柱；所述环周区设置有振纹及用于将所述背腔和所述振动腔连通的泄气孔。
可选地，所述感应部的中心区形成有沉槽；多个所述立柱均形成在所述沉槽内，并自所述沉槽向所述振动腔凸出。
可选地，所述背极包括绝缘层及嵌设在所述绝缘层的内侧的导体层；所述背极设置有与所述振动腔连通的音孔，所述音孔将所述绝缘层和所述导体层均贯穿。
本发明还提供一种MEMS麦克风，所述MEMS麦克风包括PCB基板、壳体、ASIC芯片及麦克风芯片；其中，所述壳体罩盖在所述PCB基板上，以与所述PCB基板围合形成有封装腔，所述壳体或所述PCB基板设置有进声孔；所述ASIC芯片安装于所述封装腔内，并与所述PCB基板电性连接；所述麦克风芯片安装于所述封装腔内，与所述ASIC芯片电性连接，所述麦克风芯片的背腔与所述进声孔对应。所述麦克风芯片包括衬底、振膜、背极及立柱；其中，所述衬底设有沿上下向贯通的背腔；所述振膜设置在所述衬底的上端，所述振膜包括与所述衬底连接的连接部，以及与所述连接部连接并罩盖所述背腔的感应部；所述背极设于所述振膜的上方，所述背极与所述振膜的感应部之间间隔形成有与所述背腔连通的振动腔；所述立柱设置在所述振膜的感应部的上表面。
本发明还提供一种电子装置，所述电子装置包括电子装置本体和MEMS麦克风；所述MEMS麦克风安装于所述电子装置本体。所述MEMS麦克风包括壳体和麦克风芯片。所述麦克风芯片包括衬底、振膜、背极及立柱；其中，所述衬底设有沿上下向贯通的背腔；所述振膜设置在所述衬底的上端，所述振膜包括与所述衬底连接的连接部，以及与所述连接部连接并罩盖所述背腔的感应部；所述背极设于所述振膜的上方，所述背极与所述振膜的感应部之间间隔形成有与所述背腔连通的振动腔；所述立柱设置在所述振膜的感应部的上表面。
本发明的技术方案，通过在麦克风芯片的振膜的感应部设置立柱，以在振膜的感应部发生较大幅度的振动时供背极接触抵持，以避免振膜的感应部整个上表面与背极接触，从而减小减少麦克风芯片的振膜和电极板接触粘接/吸附在一起的情况出现，进而减少麦克风芯片功能失效或报废的情况出现，有效提高MEMS麦克风的成品率和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明麦克风芯片一实施例的结构示意图；
图2为图1中A处的放大图；
图3为图1中振膜上的立柱的结构示意图；
图4为图2中立柱相对于振膜的感应部倾斜的结构示意图；
图5为本发明麦克风芯片制造过程中的部分结构示意图；
图6为本发明麦克风芯片的立柱另一实施例的结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 衬底 300 背极
110 背腔 310 绝缘层
200 振膜 320 导体层
210 感应部 330 金属件
211 沉槽 301 振动腔
212 振纹 302 音孔
213 泄气孔 400 第一绝缘层
220 连接部 500 第二绝缘层
230 立柱
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种麦克风芯片的实施例，所述麦克风芯片可以应用在麦克风上，用以感应声音并将其转换成电信号。所述麦克风可以应用在电子装置上，所述电子装置可以是手机、平板、笔记本电脑、传感器等电子设备。
请参阅图1和图2，本发明麦克风芯片的一实施例中，麦克风芯片10包括衬底100、振膜200、背极300及立柱230；其中，衬底100设置有沿上下向贯通的背腔110；振膜200设置在衬底100上，振膜200包括与衬底100连接的连接部210，以及与连接部210连接并罩盖背腔110的感应部220；背极300设置在振膜200的上方，并与振膜200的感应部220间隔形成有与背腔110连通的振动腔301；立柱230构造在感应部220的上表面。
具体说来，麦克风芯片10的衬底100为(111)晶面的双抛单晶硅衬底或SOI衬底或锗衬底(其中“(111)”表示为晶面指数)，所述单晶硅衬底的大切边为<110>晶向。振膜200罩盖在衬底100的背腔110的上端，振膜200的连接部210与衬底100连接固定；振膜200的感应部220则罩盖背腔110，用于感应声音。背极300位于振膜200的上侧，并与振膜200的感应部220之间的振动腔301。背极300与振膜200连接组成一个平板电容器。
当麦克风芯片10工作时，外部声音传播到该麦克风芯片10的背腔110中，麦克风芯片10的振膜200在声波的作用下产生振动，从而改变振膜200和背极300之间的距离，而使该平板电容器的电容值发生改变，进而将声波信号转化为电信号。
对于麦克风芯片10的振动腔301和背腔110的截面形状，可选地，振动腔301和背腔110的截面为矩形、梯形、倒梯形的任意一种；具体在此，振动腔301和背腔110的截面均为矩形。而对于衬底100和振膜200及背极300三者的连接方式，则可选地，在振膜200的连接部210的下表面与衬底100之间设置有第一绝缘层400，以使此两者通过该第一绝缘层400连接；并在背极300的下表面和振膜200的连接部210的上表面之间设置有第二绝缘层500，以使此两者通过该第二绝缘层500连接。所述第一绝缘层400或第二绝缘层500的材料可以包括但不限于SiO2、Si3N4的一种或两种；具体在此，第一绝缘层400和第二绝缘层500的材料为SiO2。
在振膜200的感应部220的上表面设置立柱230，该立柱230用以在制造麦克风芯片10时采用湿发蚀刻方式释放出振动腔301的工艺过程中，或者麦克风芯片10工作的过程中，在振膜200的感应部220发生较大幅度的振动时供背极300接触抵持，以避免振膜200的感应部220整个上表面与背极300接触，从而减小减少麦克风芯片10的振膜200和背极300接触粘接/吸附在一起的情况出现。
以麦克风芯片10工作时为例，在振膜200的感应部220发生较大幅度的振动时，振膜200上的立柱230先接触到背极300，从而与背极300抵持而将背极300和振膜200的感应部220间隔分开，从面接触变成局部接触甚至点接触，从而有效减小振膜200和背极300接触面积，进而减少振膜200和电极板接触粘接/吸附在一起的情况出现。
本发明的技术方案，通过在麦克风芯片10的振膜200的感应部220设置立柱230，以在振膜200的感应部220发生较大幅度的振动时供背极300接触抵持，以避免振膜200的感应部220整个上表面与背极300接触，从而减小减少麦克风芯片10的振膜200和背极300接触粘接/吸附在一起的情况出现，进而减少麦克风芯片10功能失效或报废的情况出现，提高了麦克风芯片10功能的稳定性，也就相应提高MEMS麦克风的成品率和可靠性。
请参阅图1至图3，对于立柱230而言，立柱230的数量可以是一个或多个(两个亦或者是两个以上)，具体可以根据麦克风芯片10的大小进行合理配置。在本实施例中，立柱230有多个，多个立柱230间隔排布于感应部210的上表面，多个立柱230的高度一致。多个立柱230可以零散排布，也可以呈阵列状规则排布，还可以呈相互错位排布。立柱230与振膜200一体成型设置。
请参阅图1至图3，在一实施例中，振膜200的感应部210具有中心区，以及环绕在其中心区外周并与连接部220连接的环周区。在此考虑到该感应部210的中心区通常发生的振动幅度较大，较容易与背极300粘接吸附。因此，将多个立柱230设置在感应部210的中心区，以通过该立柱230阻拦感应部210的中心区和背极300接触粘接。具体在感应部210的中心区形成有沉槽211；多个立柱230均形成在沉槽211内，并自沉槽211向振动腔301凸出.
具体说来，振膜200的感应部210还应当设置有振纹212和泄气孔213，振纹212和泄气孔213可设置在感应部210的中心区或环周区均可。在本实施例中，在感应部210的环周区设置有振纹212和泄气孔213；其中，振纹212呈凹凸状设计；泄气孔213将背腔110和振动腔301连通。
请参阅图1至图3，至于立柱230的具体形状，立柱230呈棱柱体设置，立柱230的垂直于其长度方向的横截面四边形设置，且立柱230的横截面所对应的外切圆的直径自其底端到其顶端保持一致。具体地，立柱230的外周壁包括有四个侧面，每个侧面为晶面指数为111的晶面(即<111>晶面)。
请参阅图2至图4，基于上述任意一实施例，多个立柱230沿其长度方向朝同一侧呈倾斜设置。当立柱230与背极300板接触抵持时，立柱230向振膜200的感应部220施加的垂直于其厚度方向的作用力为一分力，从而使得振膜200受到的作用力较小，避免振膜200发生较大的幅度振动而损坏。
请参阅图3至图5，基于上述任意一实施例，在振膜200的感应部220上构造形成朝同一侧倾斜的立柱230的具体方式，可选用湿法腐蚀的方式形成。该制造方法主要步骤包括：第一步，提供一种半导体单晶衬底((111)晶面的双面抛光的单晶硅衬底，晶圆的大切边晶向为<111>晶向)，在该衬底表面制备出薄膜掩膜，并刻蚀出窗口阵列，露出窗口阵列内的半导体单晶衬底表面；第二步，通过窗口阵列，对半导体单晶衬底进行干法刻蚀，形成具有一定深度的腐蚀坑10b以及隔槽10c(其中，增加所述隔槽10c，可使得后续在相邻腐蚀坑10b之间的立柱生成位置10a所形成的各个立柱230均为相互独立的单体，两两立柱230不黏连，避免出现两个立柱230黏连的情况)；第三步，采用各向异性腐蚀溶液对该半导体单晶衬底进行湿法腐蚀，形成立柱状微纳结构(即立柱230)；第四步，移除薄膜掩膜，继而在半导体单晶衬底的表面制备出薄膜，在立柱状微纳结构表面制备出黑介质薄膜即可。
也就是说，在制造过程中，在薄膜掩膜的保护下，采用各向异性腐蚀溶液对衬底100进行湿法腐蚀，通过控制掩膜层的窗口形状、大小以及腐蚀时间，即可得到上述形状的立柱230。其中，各向异性腐蚀溶液包括但不限于KOH溶液、TMAH溶液的一种。在本实施中，所采用的各向异性腐蚀液为KOH溶液。
通过上述用湿法腐蚀方式在振膜200上构造形成立柱230之后，该立柱230的每个侧面形成一个晶面，晶面的稳定性更强；并且，多个立柱230的长度方向也与振膜220的感应部220的上表面形成一致的倾斜角度。请参阅图4，图4中的θ表示为立柱230相对于振膜200的感应部220上表面倾斜所成的角度。可选地，立柱230相对于感应部220的上表面倾斜的角度为70.5°。
当然，在其他实施例中，在不同湿法腐蚀方式条件下，多个立柱230也存在倾斜方向相异的情况。例如，请参阅图6，以相邻的四排立柱为一组为例，其中：第一排和第三排的多个立柱朝同一方向倾斜，且排布相对较为稀疏；第二排的多个立柱按照第一方向和第二方向依次交替地倾斜设置，所述第一方向为自第二排的立柱朝向第一排立柱的方向，第二方向为自第二排立柱朝背离所述第一排立柱的方向；相近地，第四排的多个立柱按照第二方向和第一方向依次交替地倾斜设置，所述第一方向为自该第四排立柱朝向所述第三排立柱的方向，第二方向自第四排立柱背离所述第三排立柱的方向。
请参阅图1至图3，基于上述任意一实施例，对于背极300的结构，背极300包括绝缘层310及嵌设在绝缘层310内侧的导体层320；背极300设置有与振动腔301连通的音孔302，音孔302将绝缘层310和导体层320均贯穿。
具体说来，背极300的音孔302可作为振动腔301的释放孔，所述601音孔302的形状可以为圆形、多边形(如四边形、五边形或六边形等)、十字花孔中的任意一种。在本实施例中，音孔302的形状为正六边形。至于导体层320，导体层320的材料为掺杂多晶硅或金属的一种。绝缘层310的材料包括但不限于SiO2、Si3N4的一种或两种。在本实施例中，绝缘层310的材料为Si3N4。
进一步地，背极300还包括嵌设在绝缘层310内用于与外界电路连接的多个金属件330，其中至少一个金属件330通过连接线与振膜200电性连接。金属件330的材料包括但不限于Cr/Au或Ti-W/Au中的一种。具体在此，金属件330的材料为Cr/Au。
本发明还提供一种MEMS麦克风，所述MEMS麦克风包括PCB基板、壳体、ASIC芯片及麦克风芯片；其中，所述壳体罩盖在所述PCB基板上，以与所述PCB基板围合形成有封装腔，所述壳体或所述PCB基板设置有进声孔；所述ASIC芯片安装于所述封装腔内，并与所述PCB基板电性连接；所述麦克风芯片安装于所述封装腔内，并与所述ASIC芯片电性连接，所述麦克风芯片的背腔与所述进声孔对应。麦克风芯片10的具体结构参照上述实施例，由于本MEMS麦克风采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
本发明还提供一种电子装置，所述电子装置包括电子装置本体和MEMS麦克风；其中，所述MEMS麦克风安装于所述电子装置本体内。所述MEMS麦克风的具体结构参照上述实施例，由于本电子装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。所述电子装置可以是传感器、手机、平板、笔记本电脑等电子设备。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种麦克风芯片，其特征在于，所述麦克风芯片包括：
衬底，所述衬底设有沿上下向贯通的背腔；
振膜，所述振膜设置在所述衬底的上端，所述振膜包括与所述衬底连接的连接部，以及与所述连接部连接并罩盖所述背腔的感应部；
背极，所述背极设于所述振膜的上方，所述背极与所述振膜的感应部之间间隔形成有与所述背腔连通的振动腔；以及
多个立柱，多个所述立柱间隔排布在所述振膜的感应部的上表面；多个所述立柱为与所述振膜一体成型且相对于所述振膜的上表面倾斜的立柱状微纳结构。
2.如权利要求1所述的麦克风芯片，其特征在于，多个所述立柱沿其长度方向朝同一侧呈倾斜设置。
3.如权利要求2所述的麦克风芯片，其特征在于，所述立柱相对于所述感应部的上表面倾斜的角度为70.5°。
4.如权利要求1至3任意一项所述的麦克风芯片，其特征在于，所述立柱设置为棱柱体。
5.如权利要求1至3任意一项所述的麦克风芯片，其特征在于，所述感应部具有中心区，以及环绕在所述中心区的外周并与所述连接部连接的环周区；其中：
所述中心区设置有多个所述立柱；
所述环周区设置有振纹及用于将所述背腔和所述振动腔连通的泄气孔。
6.如权利要求5所述的麦克风芯片，其特征在于，所述感应部的中心区形成有沉槽；多个所述立柱均形成在所述沉槽内，并自所述沉槽向所述振动腔凸出。
7.如权利要求1至3任意一项所述的麦克风芯片，其特征在于，所述背极包括绝缘层及嵌设在所述绝缘层内侧的导体层；所述背极设置有与所述振动腔连通的音孔，所述音孔将所述绝缘层和所述导体层均贯穿。
8.一种MEMS麦克风，其特征在于，所述MEMS麦克风包括：
PCB基板；
壳体，所述壳体设置在所述PCB基板上，以与所述PCB基板围合形成有封装腔；其中，所述壳体或所述PCB基板设置有进声孔；
ASIC芯片，所述ASIC芯片安装于所述封装腔内，并与所述PCB基板电性连接；以及
如权利要求1至7任意一项所述的麦克风芯片，所述麦克风芯片安装于所述封装腔内，并与所述ASIC芯片电性连接，所述麦克风芯片的背腔与所述进声孔对应。
9.一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括：
电子装置本体；以及
如权利要求8所述的MEMS麦克风，所述MEMS麦克风安装于所述电子装置本体。
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