CN115119121B - 振膜及mems麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种振膜及MEMS麦克风。振膜包括振膜本体及泄气结构，泄气结构包括多个依次连通的泄气缝；各泄气缝为轴对称结构，包括主泄气部和辅助泄气部，主泄气部包括依次连通的第一弧形段、第二弧形段、第三弧形段和第四弧形段，第一弧形段和第四弧形段的弧形凸起方向均朝向泄气缝的中轴线方向，第二弧形段和第三弧形段的弧形凸起方向背离泄气缝的中轴线方向；辅助泄气部包括两个对称设置的辅助泄气结构，各辅助泄气结构包括相互连通的第五弧形段和第六弧形段，第五弧形段的弧形凸起方向朝向泄气缝的中轴线方向，第六弧形段的弧形凸起方向背离泄气缝的中轴线方向，相邻的泄气缝的第六弧形段相互连通。本发明有助于提高振膜机械强度和灵敏度。

Description

振膜及MEMS麦克风

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及微机电器件，特别是涉及一种振膜及MEMS麦克风。

背景技术

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微型机电系统）麦克风也叫硅麦克风，是基于MEMS技术制造的麦克风，其是将一个电容器集成在硅晶圆上以实现声电信号的转换。由于MEMS麦克风具有体积小、功耗低、性能优异、一致性好、便于装配等优点，因而在智能手机和智能音箱设备上得到越来越广泛的引用。硅麦克风的核心部件是一层可以往复振动的柔性膜（又称振膜），柔性膜在声波的作用下产生振动，导致柔性膜和背板之间的距离发生变化，进而使电容系统的电容发生改变，从而将声波信号转化为电信号。在制造这种麦克风的过程中以及麦克风在长期工作中，柔性膜容易因受到高气压的反复冲击而损坏，影响MEMS麦克风的性能和使用寿命。如何在承受高气压冲击时不损坏，成为了设计硅麦克风的一个难点。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种振膜及MEMS麦克风，用于解决现有技术中的柔性膜容易因高气压的反复冲击而损坏，影响MEMS麦克风的性能等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种振膜，所述振膜包括振膜本体及设置于所述振膜本体上的泄气结构，所述泄气结构包括多个与所述振膜本体边缘相邻，且沿所述振膜本体的周向依次连通的泄气缝；各泄气缝为轴对称结构，包括主泄气部和辅助泄气部，所述主泄气部包括依次连通的第一弧形段、第二弧形段、第三弧形段和第四弧形段，第一弧形段和第四弧形段的弧形凸起方向均朝向泄气缝的中轴线方向，第二弧形段和第三弧形段的弧形凸起方向背离泄气缝的中轴线方向；所述辅助泄气部包括两个对称设置的辅助泄气结构，各辅助泄气结构包括相互连通的第五弧形段和第六弧形段，第五弧形段的弧形凸起方向朝向泄气缝的中轴线方向，第六弧形段的弧形凸起方向背离泄气缝的中轴线方向，相邻的泄气缝的第六弧形段相互连通，主泄气部位于两个第六弧形段的内侧，，且与辅助泄气部具有间距。

可选地，第一弧形段、第二弧形段、第三弧形段、第四弧形段、第五弧形段和第六弧形段均为半圆弧段，第一弧形段的弧形半径小于第二弧形段的弧形半径，第五弧形段的弧形半径小于第六弧形段的弧形半径。

可选地，第五弧形段距离振膜中心的距离小于第一形段距离振膜中心的距离。

可选地，各泄气缝沿所述振膜本体的周向均匀间隔分布。

可选地，第一弧形段和第二弧形段通过第一直线段相互连通，第二弧形段与第三弧形段通过第二直线段相互连通，第三弧形段与第四弧形段通过第三直线段相互连通。

可选地，所述辅助泄气部的各辅助泄气结构还包括第七弧形段，第七弧形段的弧形凸起方向朝向泄气缝的中轴线方向，第七弧形段的弧形半径小于第六弧形段的弧形半径，且第六弧形段未与第五弧形段相连通的一端与第七弧形段相连通，相邻的泄气缝的第七弧形段通过第四直线段相互连通。

可选地，第五弧形段和第六弧形段之间及第六弧形段和第七弧形段之间均通过直线段相连通。

可选地，所述泄气缝的宽度为0.2μm-3μm，第五弧形段的弧形半径为5μm-15μm。

可选地，第一弧形段和第五弧形段的独立端的端面均为弧形面。

本发明还提供一种MEMS麦克风，所述MEMS麦克风包括如上述任一方案中所述的振膜。

如上所述，本发明的振膜及MEMS麦克风，具有以下有益效果：本发明提供的振膜，其泄气缝包括由两个辅助泄气结构的两个弧形细缝围成的一个开放的椭圆形结构，此结构可以看作是一个位于振膜上的可压缩的四连杆，四连杆之间彼此连接，起到类似弹簧作用，可使得靠近边缘的振膜部分振幅增大，且可以提高振膜灵敏度，而辅助泄气部中间的主泄气部构成的半开放的弧形部作为主要的泄气通道，在振膜受到声压作用时，可在泄气不会扩大的前提下减少振膜变形导致的应力集中，可降低细缝两端撕裂的风险，提高振膜的机械强度，由此提高使用该振膜的器件，例如提高使用该振膜的MEMS麦克风的可靠性。

附图说明

图1显示为本发明提供的振膜的例示性结构示意图。

图2显示为图1中的泄气缝的放大结构示意图。

图3显示为图1中的泄气缝的泄气原理示意图。

图4显示为图1中相邻的泄气缝的连接关系示意图。

图5和6显示为泄气缝的对比结构示意图。

元件标号说明

1-振膜本体；2-泄气缝；21-主泄气部；211-第一弧形段；212-第二弧形段；213-第三弧形段；214-第四弧形段；215-第一直线段；216-第二直线段；217-第三直线段；22-辅助泄气结构；221-第五弧形段；222-第六弧形段；223-第七弧形段；224-第四直线段。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。

现有的MEMS麦克风振膜的泄气结构通常为一个个相互独立的圆孔状、线状或其他异形的结构，即各泄气结构相互之间不连接，振膜在高气压的反复冲击下容易发生局部应力集中而导致损坏，影响MEMS麦克风的性能和使用寿命。对此，本申请的发明人经长期研究，提出了一种改善方案。

具体地，如图1至图4所示，本发明提供一种振膜，所述振膜包括振膜本体1及设置于所述振膜本体1上的泄气结构，所述泄气结构包括多个（例如三个或以上，具体数量取决于振膜本体1的尺寸和各泄气缝2的尺寸）与所述振膜本体1边缘相邻，且沿所述振膜本体1的周向依次连通设置的泄气缝2，即泄气缝2不是位于振膜本体1的中心而是紧邻其边缘设置，例如泄气缝2与振膜本体的边缘的间距小于等于1cm（在工艺允许的情况下尽量靠近振膜本体1边缘），振膜本体1的轮廓例如为圆形或正多边形，而各泄气缝2较佳地为沿所述振膜本体1的周向边缘均匀间隔分布，即任意相邻两个泄气缝2之间的间距相同；泄气缝2顾名思义为用于泄气的缝隙，因而其开口贯穿振膜本体1，各泄气缝2为轴对称结构，各泄气缝2均包括主泄气部21和辅助泄气部，故而主泄气部21和辅助泄气部也相应为轴对称结构，泄气缝2的中心对称轴、主泄气部21的中心对称轴与辅助泄气部的中心对称轴三者实质为同一直线；主泄气部21包括依次连通的第一弧形段211、第二弧形段212、第三弧形段213和第四弧形段214，各弧形段的圆心角较佳地为大于等于120°且小于等于240°，第一弧形段211和第四弧形段214的弧形凸起方向均朝向泄气缝2的中轴线方向，第一弧形段211和第四弧形段214各自有一端未与其他段相连通而成为自由端，两者之间具有一定间距，而且由于两者为弧形，因而两者之间的间距在各个位置上是不一样的，例如参考图2可以看到，两者之间的横向距离自上而下为逐步减小再到逐步增大，位于正中间的两者之间的距离最小，该距离较佳地为20μm-50μm（包括端点值，本说明书中在涉及数值范围的描述时，如无特殊说明，均包括端点值），第二弧形段212和第三弧形段213的弧形凸起方向背离泄气缝2的中轴线方向；由于主泄气部21为轴对称，因而第一弧形段211和第四弧形段214的尺寸，包括半径和圆心角相同，第二弧形段212和第三弧形段213的尺寸相同，使得主泄气部21在除第一弧形段211和第二弧形段212的间距外的轮廓构成类似跑道结构，但第二弧形段212和第三弧形段213的半径优选大于第一弧形段211和第四弧形段214的半径；所述辅助泄气部包括两个对称设置的辅助泄气结构，各辅助泄气结构包括相互连通的第五弧形段221和第六弧形段222（两者之间可以直接连通，也可以通过一未标记的直线段相连通），各弧形段的圆心角较佳地为大于等于120°且小于等于240°，第五弧形段221的弧形凸起方向朝向泄气缝2的中轴线方向，两个辅助泄气结构的两个第五弧形段221各有一端未与其他结构连通而成为自由端，两者之间具有间距，该间距同样地由于第五弧形段221为弧形结构，因此自上而下为逐步减小再到逐步增大，位于正中间的两者之间的距离最小，但该间距通常大于第一弧形段211和第四弧形段214之间的间距，使得整个泄气缝2在空间有限的情况下尽量渗透到了振膜本体1较多的区域，第六弧形段222的弧形凸起方向背离泄气缝2的中轴线方向，第六弧形段222的半径较佳地为大于第五弧形段221的半径且大于第二弧形段212的半径，相邻的泄气缝2的第六弧形段222相互连通，同一辅助泄气部的两个辅助泄气结构的第六弧形段222构成一个半封闭的空间（参考图2，该半封闭空间为上下两端开放而左右两端封闭），而主泄气部21位于两个第六弧形段222形成的半封闭空间内侧，第二弧形段212和第六弧形段222的圆心角较佳地为相同，因而两者的弧形面相互平行，且主泄气部与辅助泄气部具有间距，即主泄气部和辅助泄气部在结构上为两个独立的部分，但两者在功能上相互配合。本发明提供的振膜，其泄气缝包括由两个辅助泄气结构的两个弧形细缝围成的一个开放的椭圆形结构，此结构可以看作是一个位于振膜上的可压缩的四连杆（参考图3的虚线部分示意），四连杆之间彼此连接，起到类似弹簧作用，可使得靠近边缘的振膜部分振幅增大，且可以提高振膜灵敏度，而辅助泄气部中间的主泄气部构成的半开放的弧形部作为主要的泄气通道，在振膜受到声压作用时，可在泄气不会扩大的前提下减少振膜变形导致的应力集中，可降低细缝两端撕裂的风险，提高振膜的机械强度，由此提高使用该振膜的器件，例如使用该振膜的MEMS麦克风的可靠性。

在一示例中，第一弧形段211、第二弧形段212、第三弧形段213、第四弧形段214、第五弧形段221和第六弧形段222均为半圆弧段（即各自的圆心角为180°），且第一弧形段211的弧形半径小于第二弧形段212的弧形半径，第五弧形段221的弧形半径小于第六弧形段222的弧形半径，且第五弧形段221的弧形半径较佳地为大于第一弧形段211的弧形半径。这样的设置一方面有助于进一步改善振膜变形时导致的应力集中问题，同时在工艺上也易于实现，可避免主泄气部21和辅助泄气部在制备过程中发生相互接触。

本实施例中，第五弧形段221距离振膜中心的距离小于第一形段距离振膜中心的距离，即结合图1和图2可以看到，第五弧形段221相对更靠近振膜中心，而第六弧形段222则相对更靠近振膜边缘，可以进一步提高振膜的耐高气压冲击能力。

进一步的示例中，第一弧形段211和第二弧形段212通过第一直线段215相互连通，第二弧形段212与第三弧形段213通过第二直线段216相互连通，第三弧形段213与第四弧形段214通过第三直线段217相互连通。因为振膜整体空间有限，故各泄气缝2的整体尺寸都比较小，通过设置各直线段将各弧形段连通，可进一步改善振膜在发生较大形变时的应力集中现象，有助于振膜在发生形变后快速恢复，提高振膜的灵敏度。相应地，第五弧形段221和第六弧形段222较佳地为通过一与第一直线段215平行的直线段（未标示）相连通，以使得主泄气部21和辅助泄气部在各处的间距尽量保持一致。

在一优选的示例中，所述辅助泄气部的各辅助泄气结构还包括第七弧形段223，第七弧形段223的弧形凸起方向朝向泄气缝2的中轴线方向，第七弧形段223的弧形半径小于第六弧形段222的弧形半径（但通常大于第一弧形段211的弧形半径），其对应的圆心角大于等于120°且小于等于240°，优选为180°，且第六弧形段222未与第五弧形段221相连通的一端与第七弧形段223相连通，且优选通过直线段相连通，相邻的泄气缝2的第七弧形段223通过第四直线段224相互连通，有助于进一步改善应力分布，提高振膜的机械强度。

振膜本体1的材质较佳地为多晶硅，因而该振膜可以基于硅晶圆工艺制备而成，例如该泄气结构可以通过光刻刻蚀工艺形成，但振膜本体的材质并不仅限于此。在一些示例中，位于该泄气结构的内侧还可以根据需要设置圆形的泄气孔。泄气缝2的上下开口尺寸可以一致，而在一些示例中，泄气缝2可以为上下两端（上下两端指沿气流方向而言）的开口尺寸大于中部的开口尺寸的结构（即类似花瓶瓶颈结构），有助于提高泄气缝2的耐高气压冲击性能，并在高气压冲击过后迅速恢复原貌。为形成这种上下两端开口尺寸大于中部开口尺寸的结构，振膜可以分多次形成，例如先形成第一多晶硅层，经光刻刻蚀形成上部开口小于下部开口尺寸的第一泄气结构，之后在第一多晶硅层上沉积形成第二多晶硅层，再对第二多晶硅层进行光刻刻蚀以形成上部开口尺寸大于下部开口尺寸的第二泄气结构，第一泄气结构和第二泄气结构上下对应且相互连通，由此构成所需结构的泄气缝2。综合器件尺寸和工艺难易度等多方面因素，泄气缝2的宽度较佳地为0.2μm-3μm，当泄气缝2为前述的上下开口尺寸不一致的结构时，该宽度指泄气缝2在最小处的宽度，而第五弧形段221的弧形半径较佳地为5μm-15μm。

在较佳的示例中，第一弧形段211和第五弧形段221的独立端的端面，也即第一弧形段211未与第二弧形段212相连接的一端和第五弧形段221未与第六弧形段222相连接的一端均为弧形面（即相应的端面的拐角为圆角而非棱角），可以有效避免高气压冲击泄气缝2时造成相应端面产生裂缝，进一步提高振膜的机械强度。

为提高振膜的机械性能和灵敏度，发明人进行了大量实验，最终才得到本申请的结构。这个实验的过程包括不断调整泄气缝的结构并进行包括耐冲击实验在内的各种实验，而图5和图6就是发明人在实验过程中验证过的数千种泄气缝中的其中两种，图5中的泄气缝的内侧为密封椭圆形泄气结构，图6中的泄气缝的内侧为直线状泄气结构，即两者内侧的泄气结构与本发明的主泄气部不同而两者外侧的泄气结构与本发明的辅助泄气部相同。将本发明的振膜和具有图5和图6中的泄气缝的振膜进行同一条件下的耐冲击实验，经过同样次数（大于100次）的高气压冲击后，具有图5和图6中的泄气缝的振膜都出现了不同程度的裂痕，而本发明的振膜则未有丝毫变化。这充分证明本发明振膜通过主泄气部和辅助泄气部相互配合，可以有效提高振膜的机械强度。

本实施例中，所述泄气结构仅为单个，而在其他一些示例中，在需要的情况下，例如在振膜本体较大的情况下，泄气结构可以为多个，多个泄气结构绕振膜本体的周向设置，且相邻的泄气结构沿径向具有间距。

本发明提供的振膜可以用于各种类型的MEMS麦克风中，故而本发明还提供一种MEMS麦克风，所述MEMS麦克风包括如上述任一方案中所述的振膜，前述对所述振膜的介绍可以全文引用至此，出于简洁的目的不赘述。所述MEMS麦克风还通常包括具有镂空结构的基底和背极等结构，振膜通过支架架设于基底上，且振膜的泄气缝与基底的镂空结构相连通，背极间隔设置于振膜上方，其余结构则依需要设置。由于此部分内容非本发明的重点，对此不做一一展开。由于采用本发明提供的振膜，使得本发明提供的MEMS麦克风的机械强度和灵敏度可以得到显著提升。

综上所述，本发明提供一种振膜及MEMS麦克风。振膜包括振膜本体及设置于所述振膜本体上的泄气结构，所述泄气结构包括多个与所述振膜本体边缘相邻，且沿所述振膜本体的周向依次连通的泄气缝；各泄气缝为轴对称结构，包括主泄气部和辅助泄气部，所述主泄气部包括依次连通的第一弧形段、第二弧形段、第三弧形段和第四弧形段，第一弧形段和第四弧形段的弧形凸起方向均朝向泄气缝的中轴线方向，第二弧形段和第三弧形段的弧形凸起方向背离泄气缝的中轴线方向；所述辅助泄气部包括两个对称设置的辅助泄气结构，各辅助泄气结构包括相互连通的第五弧形段和第六弧形段，第五弧形段的弧形凸起方向朝向泄气缝的中轴线方向，第六弧形段的弧形凸起方向背离泄气缝的中轴线方向，相邻的泄气缝的第六弧形段相互连通，主泄气部位于两个第六弧形段的内侧，且与辅助泄气部具有间距。本发明提供的振膜，其泄气缝包括由两个辅助泄气结构的两个弧形细缝围成的一个开放的椭圆形结构，此结构可以看作是一个位于振膜上的可压缩的四连杆，四连杆之间彼此连接，起到类似弹簧作用，可使得靠近边缘的振膜部分振幅增大，且可以提高振膜灵敏度，而辅助泄气部中间的主泄气部构成的半开放的弧形部作为主要的泄气通道，在振膜受到声压作用时，可在泄气不会扩大的前提下减少振膜变形导致的应力集中，可降低细缝两端撕裂的风险，提高振膜的机械强度，由此提高使用该振膜的器件，例如使用该振膜的MEMS麦克风的可靠性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种振膜，其特征在于，所述振膜包括振膜本体及设置于所述振膜本体上的泄气结构，所述泄气结构包括多个与所述振膜本体边缘相邻，且沿所述振膜本体的周向依次连通的泄气缝；各泄气缝为轴对称结构，包括主泄气部和辅助泄气部，所述主泄气部包括依次连通的第一弧形段、第二弧形段、第三弧形段和第四弧形段，第一弧形段和第四弧形段的弧形凸起方向均朝向泄气缝的中轴线方向，第二弧形段和第三弧形段的弧形凸起方向背离泄气缝的中轴线方向；所述辅助泄气部包括两个对称设置的辅助泄气结构，各辅助泄气结构包括相互连通的第五弧形段和第六弧形段，第五弧形段的弧形凸起方向朝向泄气缝的中轴线方向，第六弧形段的弧形凸起方向背离泄气缝的中轴线方向，相邻的泄气缝的第六弧形段相互连通，主泄气部位于两个第六弧形段的内侧，且与辅助泄气部具有间距。

2.根据权利要求1所述的振膜，其特征在于，第一弧形段、第二弧形段、第三弧形段、第四弧形段、第五弧形段和第六弧形段均为半圆弧段，第一弧形段的弧形半径小于第二弧形段的弧形半径，第五弧形段的弧形半径小于第六弧形段的弧形半径。

3.根据权利要求1所述的振膜，其特征在于，第五弧形段距离振膜中心的距离小于第六弧形段距离振膜中心的距离。

4.根据权利要求1所述的振膜，其特征在于，各泄气缝沿所述振膜本体的周向均匀间隔分布。

5.根据权利要求1所述的振膜，其特征在于，第一弧形段和第二弧形段通过第一直线段相互连通，第二弧形段与第三弧形段通过第二直线段相互连通，第三弧形段与第四弧形段通过第三直线段相互连通。

6.根据权利要求1所述的振膜，其特征在于，所述辅助泄气部的各辅助泄气结构还包括第七弧形段，第七弧形段的弧形凸起方向朝向泄气缝的中轴线方向，第七弧形段的弧形半径小于第六弧形段的弧形半径，且第六弧形段未与第五弧形段相连通的一端与第七弧形段相连通，相邻的泄气缝的第七弧形段通过第四直线段相互连通。

7.根据权利要求6所述的振膜，其特征在于，第五弧形段和第六弧形段之间及第六弧形段和第七弧形段之间均通过直线段相连通。

8.根据权利要求1所述的振膜，其特征在于，所述泄气缝的宽度为0.2μm-3μm，第五弧形段的弧形半径为5μm-15μm。

9.根据权利要求1所述的振膜，其特征在于，第一弧形段和第五弧形段的独立端的端面均为弧形面。

10.一种MEMS麦克风，其特征在于，所述MEMS麦克风包括如权利要求1-9任一项所述的振膜。

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