CN112995860A - 微机电系统的麦克风结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微机电系统的麦克风结构。微机电系统麦克包括半导体基板，基板具有第一开口。介电层设置在基板上并具有介电开口。振膜位于介电开口内，由周边区域的介电层所支撑，其中振膜具有振膜开口。背板设置在振膜上方的介电层上。突出结构设置在背板上，并朝向振膜突出。至少一个空气阀板固定在振膜开口内的突出结构的一端。当气流受到压力时，空气阀板会被启动。

Description

微机电系统的麦克风结构
技术领域
本发明是涉及一种半导体制造，且特别是涉及一种微机电系统(micro-electro-mechanical-system,MEMS)的麦克风。
背景技术
由于半导体制造技术的发展，麦克风通过设计已大大缩小了尺寸。微机电系统麦克风是电子设备中用于感测例如通信语音之类的声音信号的常用设备。
微机电系统麦克风感测声音信号的方式是根据振膜(diaphragm)，振膜会以一频率响应来自于声音信号的空气压力，从而与声音信号的频率和振幅相对应的振动，声音信号随后被转换成电的信号以用于之后的周围电子设备中。
微机电系统麦克风的振膜是有弹性的，以便于响应气压。在这种情况下，如果微机电系统麦克风的振膜突然受到了过高的压力，则可能会受到损害。振膜上突然的气压平衡仍然是目前要解决的问题。
因此，如何设计微机电系统麦克风的振膜在本领域仍然在发展中。
发明内容
本发明提供一种微机电系统麦克风的结构。微机电系统麦克风不需要具有排气
本发明提供一种微机电系统麦克风结构。微机电系统麦克风的振膜设计具有一空气阀板结构，以便能平衡突然的气压。振膜可因此受到进一步的保护。
在一个实施例中，本发明提供了一种微机电系统麦克风结构，包括半导体基板，该基板具有第一开口。介电层设置在基板上，具有介电开口。振膜位在介电开口内并由在外围区域的介电层所支撑，其中，振膜具有振膜开口。背板设置在振膜上方的介电层上。突出结构设置在背板上，朝向振膜突出。至少一个空气阀板固定在振膜的振膜开口内的突出结构的一端上。当受到气流的压力时，空气阀板会被启动。
在一个实施例中，本发明还提供了一种微机电系统麦克风结构，包括基板，基板上的介电层和介电层上的背板。振膜包括由介电层支撑的感测部分，以响应来自声音信号的压力变化，其中，感测部分至少包括振膜开口。至少一个空气阀板设置在振膜开口内与感测部分相同的高度处。当受到来自声音信号以外的气流时，具有弹簧部分的空气阀板被启动。
在一个关于微机电系统麦克风结构的实施例中，空气阀板包括：固定在背板上的底板；摆动板；弹簧接头，连接在底板和摆动板之间。摆动板会响应于气流的压力而振动。
附图说明
包含附图以提供对本发明的进一步理解，且附图并入在本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，且与描述一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明一实施例描绘的微机电系统麦克风结构的剖面示意图；
图2是本发明一实施例描绘的微机电系统麦克风的一部分的透视俯视示意图；
图3是本发明一实施例描绘的微机电系统麦克风的一部分的透视俯视示意图；
图4是本发明一实施例描绘的操作状态下的微机电系统麦克风的剖面示意图；
图5是本发明一实施例描绘的操作状态下的微机电系统麦克风的剖面示意图；
图6A至图6C是本发明一实施例描绘的空气阀板的保护机制图；
图7是本发明一实施例描绘的微机电系统麦克风的剖面示意图和剖面顶视图；及
图8A至图8C是本发明一实施例描绘的空气阀板的保护机制图。
附图标号说明
100:基板
102:介电层
104:振膜
106:空气阀板
106A:弹簧接头
106B:摆动板
108、108A、108:狭缝
114:通风孔
110:突出结构
112:背板
112A、114:通风孔
150、152:开口
具体实施方式
本发明是提供一种微机电系统麦克风结构。微机电系统麦克风的振膜具有空气阀板，可以防止突然的气压所造成可能的影响与损坏。
本发明提供用于描述的多个实施例，但是本发明不限于所提供的多个实施例。此外，可以在实施例之间进行适当的结合。
微机电系统麦克风的振膜用于从声音信号的振幅和频率中感测空气压力的变化。为了对声音信号敏感，振膜非常的柔软，因而可能会过度弯曲。在这种情况下，机械强度可能不足以抵抗突然的空气压力，在这种情况下，振幅会过大以致无法驱动振膜。由于空气压力突然过高，振膜可能会损坏。
本发明提出了一种使用振膜实现的空气阀板，以释放突然的气压，同时空气流(通常是不预期的气流)被微机电系统麦克风接收。
图1是依据本发明一实施例描绘的微机电系统麦克风结构的剖面示意图。图2是依据本发明一实施例描绘的微机电系统麦克风的一部分的透视俯视图。
请参阅图1和图2，提供例如硅基板的基板100作为结构基础。介电层102设置在基板100上。振膜104由在外围区域的介电层102所支撑。基板100具有开口，而介电层102也具有与基板100的开口相对应的介电开口，一同构成为整体开口。振膜104可以由介电开口将其释放出来，使得振膜104的中央感测部分被暴露出来。振膜104具有开口150，被保留来形成振膜104的开口150内的空气阀板106。
在一个实施例中，在同一个的图案化过程空气阀板106可以和振膜104是相同的材料。在一个实施例中，取决于振膜104的实际形成方式，振膜104可以是单层或多种材料的堆栈层。然而，空气阀板106被图案化以与振膜104分离，空气阀板106被局部地设置在开口150内。空气阀板106的数量可以是一个或多个。详细的结构将在稍后进一步描述。
空气阀板106通过突出结构110固定到介电层102上，其中，背板112设置在介电层102上以提供保护和作为电极板。突出结构110位于背板112和空气阀板106之间，从而空气阀板106固定到介电层102上。背板112具有通风孔112A和通风孔114。通风孔114对应于空气阀板106。
图1所示为空气阀板106结构的剖面示意图，而图2所示为空气阀板106的平面视图。空气阀板106包括一个基部，通过突出结构110牢固地固定在背板112上。在一个实施例中，空气阀板106还包括弹簧接头106A和摆动板106B。弹簧接头106A连接在基部和摆动板106B之间。由于弹簧接头106A的弹簧作用，摆动板可以摆动响应通过振膜102的开口150以及通风孔114的空气流。振膜102的开口150内的空气阀板106到振膜102之间具有狭缝108。
在一个实施例中，空气阀板106的基部具有开口152的环形结构，如图2所示。开口152中配置有摆动板106B，其中狭缝108A是介于摆动板106B和空气阀板106的基部之间。图4至图6C稍后将描述示例中的操作机制。
在一个实施例中，空气阀板106的基部是环形结构。为了支撑空气阀板106的基部，在一些实施例中，突出结构110可以是单个部分，多个部分或环状结构，其对应于空气阀板106的基部的环状结构，但是本发明不仅限于这些多个实施例。在图2的示例中，突出结构100具有两个部分，其沿着空气阀板106的基部的两侧分布，从而牢固地固定空气阀板106。而在一个例子中，摆动板106B可响应于突然的气流的空气压力而摆动。如前所述，示例中的狭缝108和狭缝108A可以与制造期间的振膜104的切割部分相同。狭缝108、108A可以是窄的，使得振膜104通常可在没有太多空气泄漏的情况下接收声音信号。空气阀板106在受到足够大的压力的空气流时会被启动，该压力足以根据弹簧接头106A的弹性强度来使摆动板106B摆动。然而，本发明不仅限于实施例。如还注意到的，空气阀板106的基部的环形结构的几何形状不限于矩形。它可以是圆形或任何合适的形状以适应摆动板106B。
图3是依据本发明一实施例描绘的微机电系统麦克风的一部分的透视俯视图。请参阅图3，它是类似图2的结构，但突出结构110被修改为环形结构。在这个实施例中，突出结构110对应于空气阀板106的基部并且围绕空气阀板106的摆动板106B。
在本发明实施例的空气阀板106的基础上，进一步描述了空气的释放机制。图4是依据本发明一实施例描绘的操作状态下的微机电系统麦克风的剖面示意图。
请参阅图4，当突然的气流(如粗箭头所示)进入微机电系统麦克风的背板112时。气流可进入通风孔112A和通风孔114。通风孔112A基本上是用于接收声音信号，而在操作期间通风孔112A也用来为振膜104提供压力平衡。在示例中，除了声音信号之外，气流还可以进入通风孔112A并到达振膜104，在振膜104中，振膜104经受气流并因此弯曲。然而，一部分空气流可以进入通风孔114并到达空气阀板106。
在这种情况下，进入背板112的通风孔114的气流将启动空气阀板106，其中摆动板106B会因为弹簧接头106A与空气阀板106的基部连接而弯曲。基部固定在背板112处的突出结构110上。狭缝108和狭缝108A开得够大以让空气流过,如细箭头所示。通常，振膜104的外围区域是易碎且容易损坏的部分。空气阀板106在外围区域被执行释放气流，特别是对于突然过高的空气流。
图5是依据本发明一实施例描绘的操作状态下的微机电系统麦克风的剖面示意图。请参阅图5，气流可以从基板100的开口进入，类似于图4的机制会被启动。狭缝108和狭缝108A开得够大以让空气流过。
图6A至图6C是依据本发明一实施例描绘的空气阀板的保护机制图。请参阅图6A至图6C，也如同图5所示，描述了摆动板在回应气流时的细节。以来自基板的气流为例，空气阀板106的剖面状态如图6A中沿AA线所示。如图6B所示，空气阀板106的基部通过突出结构110固定在背板112上，使得基部基本上不被气流移动。气流到达空气阀板106的摆动板106B。由于弹簧接头106A，空气阀板106向上摆动。狭缝108打开，使得相对于空气阀板106的气流的一部分可以流过。由于空气阀板106，振膜104承受气流时的压力可以减小。
请进一步参阅图6C，示出了空气阀板106沿图6A中的BB线的状态。摆动板106B被提起来使得狭缝108能有效地打开，以释放气流。
图7是依据本发明一实施例描绘的微机电系统麦克风的剖面示意图和剖面顶视图。请参阅图7，图的上半部是微机电系统麦克风的剖面结构。图的下半部是根据另一实施例的空气阀板106的平面图。
实施例中的空气阀板106可由两部分组成。一部分是非环形结构的实心部，也就是没有中空部分，作为基部，固定到突出结构110上，然后固定到背板112上。另一部分是摆动板106B，摆动板106B不被基部包围。在一个实施例中，基部是以矩形部分作为示例。作为示例，突出结构110也是单独一个杆，以支撑空气阀板106的基部。摆动板106B作为另一组件，并通过弹簧接头106A连接至基部。弹簧机制类似于图1中的结构，但进一步修改了空气阀板106。狭缝108围绕空气阀板106。此外，狭缝108A是围绕摆动板106B的狭缝108的一部分。在该实施例中，狭缝108还包括作为狭缝108B的一部分，其围绕着空气阀板106的基部。在该实施例中，空气阀板106的两个实心片通过弹簧接头106B相连。在此，实心片是其中没有中空部的片，并非环形结构。在该示例中，突出结构110也可以是单个部分或多个部分。然而，可以不排除突出结构110的环形结构，其中环形结构垫仍然支撑空气阀板106的基部。
需注意的是，狭缝108包括空气阀板106的腰部处的一部分，该部分对应于用于将摆动板106B和基部分开的弹簧接头106B。
就制造过程而言，在一个实施例中，空气阀板106和振膜104可以是材料层，并且可以在相同的图案化制作工艺中形成。然而，本发明不限于形成空气阀板106的特定方法。
图8A至图8C是依据本发明一实施例描绘的空气阀板的保护机构图。请参阅图8A至图8C，图8B中的结构是沿着图8A中的AA线切割的剖面结构，而图8C中的结构是沿着图8A中的BB线切割的剖面结构。与图6A至图6C类似，气流可有效地通过狭缝108释放。换言之，可以以各种方式修改空气阀板106，但是空气阀板106固定在背板上而不与振膜104一起移动，因而可以提高释放气流的效率。
关于以上的描述，本发明提供了一种微机电系统麦克风结构，包括半导体基板，该基板具有第一开口。介电层设置在基板上，具有介电开口。振膜在介电开口内并且由在外围区域的介电层所支撑，其中，振膜具有振膜开口。背板设置在振膜上方的介电层上。突出结构设置在背板上，朝向振膜突出。至少一个空气阀板固定在振膜开口内的突出结构的一端。当气流受到压力时，空气阀板会被启动。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，突出结构包括一个局部部分、多个局部部分或闭合环形部分，以支撑空气阀板的底板。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，空气阀板包括：固定在突出结构上的底板；摆动板；弹簧接头，连接在底板和摆动板之间，其中摆动板会响应于气流的压力而振动。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，底板是具有开口的环形结构，并且摆动板位于开口内并通过弹簧接头连接到底板。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，突出结构包括一个局部部分、多个局部部分或一个支撑空气阀板的底板的环形部分。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，振膜开口的几何形状与底板的周边一致。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，空气阀板在环形结构和摆动板之间有一个狭缝。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，底板是第一实心件，摆动板是第二实心件，而弹簧接头连接第一实心件和第二实心件。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，突出结构包括至少一个局部部件，用于支撑空气阀板的底板。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，振膜开口的几何形状与第一实心件和第二实心件的一体外围相符。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，空气阀板具有狭缝以包围空气阀板的内部部分，其中狭缝具有断开部分以提供弹簧效应，使得内部部分可摆动响应气流的压力。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，空气阀板具有作为腰部的狭缝，以限定为第一部件和第二部件，其中第一部件固定在突出结构上。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，多个空气阀板分布在振膜的外围区域。
在一个实施例中，本发明还提供了一种微机电系统麦克风结构，包括基板，基板上的介电层和介电层上的背板。振膜包括由介电层支撑的感测部分，以响应来自声音信号的压力变化，其中，感测部分至少包括振膜开口。至少一个空气阀板设置在振膜开口内与感测部分相同的高度处。当受到除了声音信号以外的气流时，具有弹簧部分的空气阀板会被启动。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，空气阀板包括：固定在背板上的底板；摆动板；弹簧接头，连接在底板和摆动板之间，其中摆动板会响应于气流的压力而振动。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，空气阀板具有狭缝以包围空气阀板的内部部分，其中狭缝具有断开部分以提供弹簧效应，使得内部部分可摆动响应气流。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，空气阀板具有作为腰部的狭缝，以限定为第一部件和在该腰部处接合的第二部件，其中第一部件固定在背板上。
在一实施例中，关于微机电系统麦克风，多个空气阀板分布在振膜的外围区域。
对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在不脱离本发明的范畴或精神的情况下对本发明的结构进行各种修改和变化。鉴于前文，希望本发明涵盖对本发明的修改和变化，条件是所述修改和变化落在所附权利要求书及其等效物的范围内。

Claims (18)

1.一种微机电系统的麦克风结构，其特征在于，包括：
基板，具有在所述基板中的第一开口；
介电层，设置在所述基板上，具有介电开口；
振膜，在所述介电开口内，由周边的所述介电层支撑，其中所述振膜具有振膜开口；
背板，设置在所述介电层上，在所述振膜的上方；
突出结构，设置在所述背板上，朝向所述振膜突出；以及
至少一个空气阀板，固定于所述振膜开口内的所述突出结构的一端，其中所述空气阀板在承受有压力的气流时会被启动。
2.如权利要求1所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述突出结构包括一个局部部分、多个局部部分或闭合环形部分，支撑所述空气阀板的底板。
3.如权利要求1所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述空气阀板包括：
底板，固定于所述突出结构；
摆动板；以及
弹簧接头，连接在所述底板和所述摆动板之间，其中所述摆动板会响应于气流的压力而振动。
4.如权利要求3所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述底板是具有开口的环形结构，并且所述摆动板位于所述开口内并通过所述弹簧接头连接到所述底板。
5.如权利要求4所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述突出结构包括一个局部部分、多个局部部分或一个支撑所述空气阀板的底板的环形部分。
6.如权利要求5所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述振膜开口的几何形状与所述底板的周边一致。
7.如权利要求5所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述空气阀板在所述环形结构和所述摆动板之间具有一个狭缝。
8.如权利要求4所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述底板是第一实心件，所述摆动板是第二实心件，而所述弹簧接头连接所述第一实心件和所述第二实心件。
9.如权利要求8所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述突出结构包括至少一个局部部件，用于支撑所述空气阀板的所述底板。
10.如权利要求8所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述振膜开口的几何形状与所述第一实心件和所述第二实心件的一体外围相符。
11.如权利要求1所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述空气阀板具有狭缝以包围所述空气阀板的内部部分，其中所述狭缝具有断开部分以提供弹簧效应，使得所述内部部分可摆动响应气流的压力。
12.如权利要求1所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述空气阀板具有作为腰部的狭缝，以定义出第一部件和第二部件，其中所述第一部件固定在所述突出结构上。
13.如权利要求1所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，多个空气阀板分布在所述振膜的外围区域。
14.一种微机电系统的麦克风结构，其特征在于，包括:
基板；
介电层，设置在所述基板上；
背板，在所述介电层上；以及
振膜，其中所述振膜包括:
感测部分，由所述介电层所支撑，用以响应来自声音信号的压力变化，其中所述感测部分至少包括振膜开口；以及
至少一个空气阀板，设置在所述振膜开口内与所述感测部分相同的高度处，当受到除了声音信号以外的气流时，具有弹簧部分的所述空气阀板会被启动。
15.如权利要求14所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述空气阀板包括：
底板，固定在所述背板上；
摆动板；以及
弹簧接头，连接在所述底板和所述摆动板之间，其中所述摆动板会响应于气流的压力而振动。
16.如权利要求14所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述空气阀板具有狭缝以包围所述空气阀板的内部部分，其中所述狭缝具有断开部分以提供弹簧效应，使得所述内部部分可摆动响应气流。
17.如权利要求14所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，所述空气阀板具有作为腰部的狭缝，以限定为第一部件和在所述腰部处接合的第二部件，其中所述第一部件固定在所述背板上。
18.如权利要求14所述的微机电系统的麦克风结构，其特征在于，多个空气阀板分布在所述振膜的外围区域。
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