CN114697841A - Mems麦克风及其振膜结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MEMS麦克风及其振膜结构，所述振膜结构包括：第一振膜，为导电材质，所述第一振膜的边缘用于与MEMS麦克风的支撑层连接；第二振膜，为导电材质，宽度小于所述第一振膜的宽度从而不与所述MEMS麦克风的支撑层接触；以及连接件，为导电材质，第一端连接所述第一振膜，第二端连接所述第二振膜；在所述第一振膜和第二振膜中，所述第二振膜用于朝向所述MEMS麦克风的背板设置。本发明当MEMS麦克风工作中的声压作用在振膜结构上时，第一振膜发生振动，并通过连接件带动第二振膜振动，第二振膜无论中间还是边缘区域与背板之间的距离都是相同的，所以振动时电容变化更具线性，可以减少麦克风的总谐波失真。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别是涉及一种MEMS麦克风的振膜结构，还涉及一种MEMS麦克风。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)器件通常是采用集成电路制造技术来生产的。硅基麦克风在助听器和移动通讯设备等领域有广阔的应用前景。MEMS麦克风芯片的研究已经有20多年了，在此期间有很多类型的麦克风芯片研发出来，其中有压阻式、压电式和电容式等，其中电容式的MEMS麦克风应用最为广泛。
示例性的电容式MEMS麦克风的振膜由于四周被固定住，当声压作用在振膜上时，振膜发生弧形形变，即振膜的中心区域形变较大(距离背板更近或更远)，而边缘区域形变则较小，因此会导致这种振膜结构的麦克风输出的线性度较差。
发明内容
基于此，有必要提供一种线性度较好的MEMS麦克风及其振膜结构。
一种MEMS麦克风的振膜结构，包括：
第一振膜，为导电材质，所述第一振膜的边缘用于与MEMS麦克风的支撑层连接；
第二振膜，为导电材质，宽度小于所述第一振膜的宽度从而不与所述MEMS麦克风的支撑层接触；以及
连接件，为导电材质，第一端连接所述第一振膜，第二端连接所述第二振膜；
在所述第一振膜和第二振膜中，所述第二振膜用于朝向所述MEMS麦克风的背板设置。
在其中的一个实施例中，所述第一振膜的边缘包括多个向外侧突出的锚点，所述第一振膜通过各锚点与所述支撑层连接。
在其中的一个实施例中，所述第二振膜为圆形薄膜。
一种MEMS麦克风，包括下电极层、支撑层及上电极层，所述支撑层设于所述下电极层和上电极层之间，且所述下电极层和上电极层之间的部分位置不设置支撑层从而形成空腔，所述下电极层和上电极层的其中之一为振膜结构、另一为背板，所述振膜结构包括：
第一振膜，为导电材质，所述第一振膜的边缘与所述支撑层连接；
第二振膜，为导电材质，位于所述第一振膜与背板之间的空腔中且不与周围的所述支撑层接触；以及
连接件，为导电材质，第一端连接所述第一振膜，第二端连接所述第二振膜。
在其中的一个实施例中，所述第二端连接所述第二振膜的中心。
在其中的一个实施例中，所述第一端连接所述空腔在第一振膜表面的正投影的中心。
在其中的一个实施例中，所述第二振膜平行于所述背板设置。
在其中的一个实施例中，所述背板上开设有多个声孔。
在其中的一个实施例中，所述第一振膜为柔性薄膜，所述背板为刚性薄膜。
在其中的一个实施例中，所述第一振膜比所述第二振膜柔软。
在其中的一个实施例中，还包括基板，所述下电极层设于所述基板上。
在其中的一个实施例中，还包括设于所述基板和下电极层之间的绝缘层。
在其中的一个实施例中，还包括：
第一焊盘，设置在所述上电极层的上表面；
第二焊盘，设置所述下电极的上表面。
在其中的一个实施例中，所述第一振膜为圆形薄膜。
在其中的一个实施例中，所述第一振膜的边缘与所述支撑层形成环形接触并连接在一起。
在其中的一个实施例中，所述第一振膜的边缘包括多个向外侧突出的锚点，所述第一振膜通过各锚点与所述支撑层连接。
在其中的一个实施例中，所述第二振膜为圆形薄膜。
在其中的一个实施例中，所述第二振膜是刚性薄膜，所述连接件是刚性的连接柱。
在其中的一个实施例中，所述支撑层为绝缘材质的牺牲层。
在其中的一个实施例中，所述MEMS麦克风为电容式MEMS麦克风。
上述MEMS麦克风及其振膜结构，MEMS麦克风工作中的声压作用在振膜结构上时，第一振膜发生振动，并通过连接件带动第二振膜振动，第二振膜无论中间还是边缘区域与背板之间的距离都是相同的，所以振动时电容变化更具线性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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的附图。
图1为一种示例性的电容式MEMS麦克风在声压作用于振膜上时的形变示意图；
图2是一实施例中MEMS麦克风的振膜结构的示意图；
图3是一实施例中全固支结构的第一振膜的示意图；
图4是一实施例中非全固支结构的第一振膜的示意图；
图5是另一实施例中非全固支结构的第一振膜的示意图；
图6是一实施例中MEMS麦克风的剖面结构示意图；
图7是另一实施例中MEMS麦克风的剖面结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
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的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“竖直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三，甲、乙、丙等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。
这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例，这样可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造技术导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不表示器件的区的实际形状，且并不限定本发明的范围。
图1示出了一种示例性的电容式MEMS麦克风在声压作用于振膜上时的形变示意图。其中虚线为振膜形变后的形状轮廓，可以看到由于振膜四周和周围的支撑层是刚性连接的，因此振膜的中心区域形变较大(距离背板更近)，而边缘区域形变则较小。这种振膜结构的麦克风输出的线性度较差；另外，由于边缘区域的振膜发生的形变量较小，没有有效利用，麦克风的灵敏度较低。
图2是一实施例中MEMS麦克风的振膜结构的示意图。所述振膜结构包括第一振膜110、第二振膜120及连接件112。第一振膜110为导电材质，第一振膜110设置在MEMS麦克风上时，其边缘与MEMS麦克风的支撑层连接。
第二振膜120也为导电材质。由于第二振膜120在麦克风工作时需要随着声压在支撑层的空腔中上下振动，因此第二振膜120在平面上需要比该空腔小以实现振动时不与周围的支撑层接触。相应地，在本申请的一个实施例中，第二振膜120的宽度小于第一振膜110的宽度从而不与MEMS麦克风的支撑层接触。
连接件112同样为导电材质。在图2所示的实施例中，连接件112为连接柱，连接柱的一端连接第一振膜110，另一端连接第二振膜120。第二振膜120朝向MEMS麦克风的背板设置，即第二振膜120比第一振膜110更靠近所述背板。
上述MEMS麦克风的振膜结构，当MEMS麦克风工作中的声压作用在振膜结构上时，第一振膜110发生振动，并通过连接件112带动第二振膜120振动，第二振膜120无论中间还是边缘区域与背板之间的距离都是相同的，所以振动时电容变化更具线性，可以减少麦克风的总谐波失真。并且上述振膜结构的结构简单，工艺上更容易实现。
在本申请的一个实施例中，第一振膜110是一层柔性薄膜，具体可以是具有张应力并可导电的柔韧性薄膜。在周围空气发生振动时，可发生一定程度的形变。
在本申请的一个实施例中，由于需要通过连接件112带动第二振膜120振动，因此连接件112为刚性材质。
在本申请的一个实施例中，为了保证第二振膜120在振动时能够平行于MEMS麦克风的背板，因此第二振膜120为刚性材质；并且连接件112垂直于第一振膜110设置，第二振膜120垂直于连接件112设置。可以理解的，第一振膜110比第二振膜120和连接件112要柔软。
在本申请的一个实施例中，连接件112与第一振膜110的连接位置为所述空腔在第一振膜100表面的正投影的中心。由于第一振膜110的中心区域在振动时的形变最大，因此这样设置能够使得麦克风有较高的灵敏度，由于有效利用了第一振膜110的边缘区域，在实现相同灵敏度情况下，所需的芯片面积更小，可以降低生产成本。
在本申请的一个实施例中，连接件112与第二振膜120的连接位置为第二振膜120的中心。
第一振膜110可以是全固支结构也可以是非全固支结构。图3是第一振膜110为全固支结构的一实施例中，第一振膜110的示意图。当第一振膜110为全固支结构时，第一振膜110的边缘区域与麦克风的支撑层为环形接触并连接在一起，即第一振膜110的外围一圈为与支撑层的连接部。在图3所示的实施例中，第一振膜110为圆形薄膜。
当第一振膜110为非全固支结构时，第一振膜110的边缘包括多个向外侧突出的锚点，第一振膜110通过各锚点与麦克风的支撑层连接在一起。非全固支结构的第一振膜110可以为十字形、海星形、病毒形、多边形等。图4和图5分别是非全固支结构的两个实施例中第一振膜110的示意图。
本申请相应提供一种具有上述振膜结构的MEMS麦克风。在本申请的一个实施例中，MEMS麦克风可以是电容式MEMS麦克风，包括下电极层、支撑层及上电极层，支撑层设于下电极层和上电极层之间，且下电极层和上电极层之间的部分位置不设置支撑层从而形成空腔，下电极层和上电极层分别作为平板电容的一极。图6是一实施例中MEMS麦克风的剖面结构示意图，在该实施例中，振膜结构作为上电极层，背板210作为下电极层，振膜结构可以为前述任一实施例所述的振膜结构。在本申请的一个实施例中，所述振膜结构包括：
第一振膜110，为导电材质，第一振膜110的边缘与支撑层130连接。
第二振膜120，为导电材质，位于第一振膜110与背板210之间的空腔201中，且不与周围的支撑层130接触。
连接件112，为导电材质，第一端连接第一振膜110，第二端连接第二振膜120。
上述MEMS麦克风，当工作中声压作用在振膜结构上时，第一振膜110发生振动，并通过连接件112带动第二振膜120振动，第二振膜120无论中间还是边缘区域与背板210之间的距离都是相同的，所以振动时电容变化更具线性，可以减少麦克风的总谐波失真。并且上述振膜结构的结构简单，工艺上更容易实现。
在图6所示的实施例中，MEMS麦克风还包括基板100，下电极层(在图6中为背板210)设于基板100上。在本实施例中，基板100的材料为Si，基板100的材料还可以为其他半导体或半导体的化合物，例如Ge、SiGe、SiC、SiO2或Si3N4中的一种。基板100的中部开设有背腔，背腔与支撑层130的空腔201对应设置，即背腔设于空腔201的正下方。
在图6所示的实施例中，MEMS麦克风还包括设于基板100与下电极层之间的绝缘层220。绝缘层220用于使基板100和下电极层相互绝缘。在本申请的一个实施例中，绝缘层220还作为背腔刻蚀的刻蚀停止层。在本申请的一个实施例中，绝缘层220为氧化硅层。
在图6所示的实施例中，MEMS麦克风还包括第一焊盘118和第二焊盘218。第一焊盘118设置在上电极层的上表面，可以远离上电极层的中间区域设置在支撑层130的上方。第二焊盘218设置在暴露的下电极层上，同样远离下电极层的中间区域设置。在本申请的一个实施例中，第一焊盘118和第二焊盘218均由金属构成。第一焊盘118和第二焊盘218可以在MEMS麦克风封装打线时将上电极层和下电极层引出。
在本申请的一个实施例中，第一振膜110是一层柔性薄膜，具体可以是具有张应力并可导电的柔韧性薄膜。在周围空气发生振动时，可发生一定程度的形变。参见图6，实线和虚线的振膜结构分别表示振膜结构在两个不同的形变量下的形状和位置。
在本申请的一个实施例中，由于需要通过连接件112带动第二振膜120振动，因此连接件112为刚性材质。
在本申请的一个实施例中，为了保证第二振膜120在振动时能够平行于背板210，因此第二振膜120为刚性材质；并且，第二振膜120平行于背板210设置。
在本申请的一个实施例中，背板210是可导电的刚性薄膜，并且背板210开设有多个特定尺寸的声孔，声波可以通过声孔传导至第一振膜110。在本申请的一个实施例中，声孔在背板210上均匀分布；在其他实施例中，声孔也可以非均匀分布，例如在背板210的中间区域更为集中。
下电极层和上电极层均为导电层。在本申请的一个实施例中，所述振膜结构和背板210均为多晶硅材质。在淀积多晶硅，形成多晶硅层时，可以改变多晶硅淀积时的工艺参数、控制其厚度以及杂质的掺杂量等等，进而形成所需的柔性或刚性的结构。在其他实施例中，振膜结构和背板210也可以是包含了导电层的复合层结构，例如含有以下材质中的一种或多种：Si、Ge、SiGe、SiC、Al、W、Ti，或者Al/W/Ti的氮化物。在本申请的一个实施例中，第一振膜110比第二振膜120、连接件112及背板210柔软。
在本申请的一个实施例中，支撑层130为牺牲层，空腔实际上是由牺牲层经过释放而来的，在释放过程中，空腔位置处的牺牲层被腐蚀掉，形成空腔。在本申请的一个实施例中，支撑层130的厚度为3-5微米。在本申请的一个实施例中，支撑层130采用绝缘材质。在本申请的一个实施例中，空腔为圆柱体空腔；在其他实施例中，空腔也可以是长方体或其他形状。
在本申请的一个实施例中，连接件112与第一振膜110的连接位置为所述空腔在第一振膜100表面的正投影的中心。由于第一振膜110的中心区域在振动时的形变最大，因此这样设置能够使得麦克风有较高的灵敏度，由于有效利用了第一振膜110的边缘区域，在实现相同灵敏度情况下，MEMS麦克风所需的芯片面积更小，可以降低麦克风的生产成本。
在本申请的一个实施例中，连接件112与第二振膜120的连接位置为第二振膜120的中心。
第一振膜110可以是全固支结构也可以是非全固支结构。图3是第一振膜110为全固支结构的一实施例中，第一振膜110的示意图。当第一振膜110为全固支结构时，第一振膜110的边缘区域与支撑层130形成环形接触并连接在一起，即第一振膜110的外围一圈为与支撑层130的连接部。在图3所示的实施例中，第一振膜110为圆形薄膜。
当第一振膜110为非全固支结构时，第一振膜110的边缘包括多个向外侧突出的锚点，第一振膜110通过各锚点与麦克风的支撑层连接在一起。非全固支结构的第一振膜110可以为十字形、海星形、病毒形、多边形等。图4和图5分别是非全固支结构的两个实施例中第一振膜110的示意图。
图7是另一实施例中MEMS麦克风的剖面结构示意图，其与图6所示实施例的主要区别在于：振膜结构作为下电极层，背板210作为上电极层。图7同样用实线和虚线绘出了的振膜结构在两个不同的形变量下的形状和位置。图7所示实施例的其他结构可以参见上文对图6所示实施例的介绍，此处不再赘述。可以理解的，图6和图7是对MEMS麦克风的一些主要结构的示例，MEMS麦克风除了图中示出的结构外，还可以有其他结构。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
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申请专利范围的限制。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 (10)
1.一种MEMS麦克风的振膜结构，其特征在于，包括：
第一振膜，为导电材质，所述第一振膜的边缘用于与MEMS麦克风的支撑层连接；
第二振膜，为导电材质，宽度小于所述第一振膜的宽度从而不与所述MEMS麦克风的支撑层接触；以及
连接件，为导电材质，第一端连接所述第一振膜，第二端连接所述第二振膜；
在所述第一振膜和第二振膜中，所述第二振膜用于朝向所述MEMS麦克风的背板设置。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风的振膜结构，其特征在于，所述第一振膜的边缘包括多个向外侧突出的锚点，所述第一振膜通过各锚点与所述支撑层连接。
3.一种MEMS麦克风，包括下电极层、支撑层及上电极层，所述支撑层设于所述下电极层和上电极层之间，且所述下电极层和上电极层之间的部分位置不设置支撑层从而形成空腔，其特征在于，所述下电极层和上电极层的其中之一为背板、另一为振膜结构，所述振膜结构包括：
第一振膜，为导电材质，所述第一振膜的边缘与所述支撑层连接；
第二振膜，为导电材质，位于所述第一振膜与背板之间的空腔中且不与周围的所述支撑层接触；以及
连接件，为导电材质，第一端连接所述第一振膜，第二端连接所述第二振膜。
4.根据权利要求3所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一振膜的边缘与所述支撑层形成环形接触并连接在一起；或
所述第一振膜的边缘包括多个向外侧突出的锚点，所述第一振膜通过各锚点与所述支撑层连接。
5.根据权利要求3所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第二端连接所述第二振膜的中心，所述第一端连接所述空腔在第一振膜表面的正投影的中心。
6.根据权利要求3所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述背板上开设有多个声孔。
7.根据权利要求3所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一振膜比所述第二振膜柔软。
8.根据权利要求3所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括基板，所述下电极层设于所述基板上。
9.根据权利要求3所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第二振膜平行于所述背板设置。
10.根据权利要求3所述的MEMS麦克风，其特征在于，还包括：
第一焊盘，设置在所述上电极层的上表面；
第二焊盘，设置所述下电极的上表面。
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