CN117528366A - 一种麦克风及麦克风的制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种麦克风及麦克风的制作方法。麦克风包括形成有腔体的外壳、分别固定于腔体内的光子晶体组件和光电模块；外壳具有连通腔体和外界的进声口；光子晶体组件包括设置于腔体内的振膜和固定于振膜的朝向光电模块一侧的光子晶体背板，振膜和光子晶体背板之间有间隙，光子晶体背板上设置有通孔阵列；光电模块用于朝振膜发射激光，光电模块还用于接收从光子晶体背板和振膜反射回的激光以及对接收到的激光进行光电信号转换处理。本申请提供了一种基于光子晶体的光学麦克风，通过光子晶体背板结构的设置，可以有效提高麦克风的灵敏度和信噪比。

Description

一种麦克风及麦克风的制作方法

【技术领域】

本发明属于光声器件技术领域，尤其涉及一种麦克风及麦克风的制作方法。

【背景技术】

近年来移动通信技术已经得到快速发展，消费者越来越多地使用移动通信设备，例如便携式电话、能上网的便携式电话、个人数字助理或专用通信网络进行通信的其他设备。微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)麦克风是一种利用微机械加工技术制作出来的电声换能器，具有体积小、频响特性好、噪声低等特点。随着电子设备的小巧化、轻薄化发展，MEMS麦克风被越来越广泛地运用到这些设备上。

相关技术中，麦克风包括硅基底以及由多晶硅振膜和氮化硅背板组成的平板电容，振膜与氮化硅背板相对并相隔一定距离。振膜在声波的作用下产生振动，导致振膜和氮化硅背板之间的距离发生变化，进而使得平板电容的电容发生改变，从而可以将声波信号转化为了电信号。然而，此种电容式麦克风的灵敏度较差，并且需要权衡灵敏度和工作带宽，难以实现高灵敏度高带宽，难以满足用户的需求。

【发明内容】

本申请的目的在于提供一种麦克风及麦克风的制作方法，能够解决相关技术中麦克风灵敏度和工作带宽相互制衡，难以实现高灵敏度高带宽的问题。

本申请的技术方案如下：

一方面提供一种麦克风，包括形成有腔体的外壳、固定于腔体内的光子晶体组件、固定于腔体内且间隔于光子晶体组件的光电模块；外壳具有连通腔体和外界的进声口；光子晶体组件包括设置于腔体内的振膜和固定于振膜的朝向光电模块一侧的光子晶体背板，振膜和光子晶体背板之间有间隙，光子晶体背板上设置有通孔阵列；光电模块用于朝振膜发射激光，光电模块还用于接收从光子晶体背板和振膜反射回的激光以及对接收到的激光进行光电信号转换处理。

另一方面提供一种麦克风的制作方法，包括以下步骤：

提供一种晶圆基材，对晶圆基材进行刻蚀形成振膜；其中，晶圆基材包括器件层和连接于器件层的基底层，振膜形成于器件层；

在振膜的背离基底层的一侧进行沉积加工，得到支撑层和背板层；其中，支撑层的一侧连接于器件层，另一侧连接于背板层；

在背板层上刻蚀出通孔阵列以形成光子晶体结构；

分别去除基底层和支撑层中多余的材料，得到光子晶体组件。

本申请的有益效果在于：利用光学干涉的原理来对外界声波信号进行检测，并通过在光子晶体背板上设置通孔阵列来调整光子晶体的带隙和透过率，从而可以显著的提高光子晶体背板的反射率，进而提高了光学麦克风的灵敏度和信噪比，在本申请中，麦克风的灵敏度主要借助光学干涉检测原理来提高，所以光子晶体背板的结构设计可以提高麦克风的工作带宽，从而实现麦克风的高灵敏度和高带宽，解决了麦克风灵敏度和带宽的矛盾。

【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为本申请第一实施例提供的一种麦克风的整体结构的截面示意图；

图2为本申请第一实施例提供的一种光子晶体组件的截面示意图；

图3为本申请第一实施例提供的一种光子晶体背板的结构示意图；

图4为本申请第二实施例提供的一种麦克风的制作方法的基础流程示意图；

图5为本申请第二实施例提供的一种麦克风的制作方法的工艺流程图。

【具体实施方式】

为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面结合附图和实施方式对本申请作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“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实施例和简化描述，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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

如图1-3所示，为解决相关技术中麦克风灵敏度欠缺的问题，本申请第一实施例提供了一种麦克风，包括形成有腔体1a的外壳1、固定于腔体1a内的光子晶体组件3、固定于腔体1a内且间隔于光子晶体组件3的光电模块2；外壳1具有连通腔体1a和外界的进声口1b；光子晶体组件3包括设置于腔体1a内的振膜32和固定于振膜32的朝向光电模块2一侧的光子晶体背板31，振膜32和光子晶体背板31之间有间隙，光子晶体背板31上设置有通孔阵列311；光电模块2用于发射激光，光电模块2发射的激光到达光子晶体背板31后，部分激光在光子晶体背板31发生反射，另一部分激光在光子晶体背板31上发生透射后到达振膜32再发生反射，光电模块2还用于接收从光子晶体背板31和振膜32反射回的激光以及对接收到的激光进行光电信号转换处理。

具体的，麦克风进行工作时，光电模块2可以向光子晶体背板31发射激光，光电模块2发射的激光(入射光束a)到达光子晶体背板31后，部分激光在光子晶体背板31发生反射(反射后的激光称为第一反射光束b)，另一部分激光在光子晶体背板31上发生透射后到达振膜32再发生反射(反射后的激光称为第二反射光束c)，第一反射光束b和第二反射光束c在传播过程中会产生干涉效应；当外界的声波信号通过进声口1b传导至振膜32时，声波信号会引起振膜32振动，进而改变了第二反射光束c的相位；声波信号的作用改变了第二反射光束c的相位，第一反射光束b的相位不变，使得相干激光束中第一反射光束b和第二反射光束c之间的相位差发生变化，进而使得光电模块2接收到的干涉光强值发生变化，由此，通过光电模块2检测光电流的变化就可以对应检测出声波信号了。在光子晶体结构中，光的折射率指数的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体结构中的运动。本实施例中的光子晶体背板31上加工有光子晶体结构，通过在光子晶体背板31上设置通孔阵列311来调整光子晶体的带隙和透过率，从而可以显著提高光子晶体背板31的反射率，进而提高了光学麦克风的灵敏度。

在本实施例的一些实施方式中，通孔阵列311包括多个贯穿光子晶体背板31的通孔，通孔的截面形状为圆形、三角形、方形、棱形、五边形、六边形中的至少一种。

具体的，本实施例中，通孔可以通过刻蚀加工得到，也即，在光子晶体背板31上刻蚀通孔阵列311以形成二维光子晶体结构，构成二维光子晶体结构的通孔可以是呈周期性排列的，也可以是呈非周期性排列的，且这些通孔的截面形状可以是圆形、三角形、方形、棱形、五边形、六边形中的一种或多种的组合。可以理解的是，在其他的一些实施例中，通孔的横截面形状还可以是梯形、长条形，甚至是不规则形状等，在此不做限制。

在本实施例的一些实施方式中，振膜32可以为弹簧支撑型振膜32，也可以为四周全固型振膜32。振膜32的形状可以为方形、圆形、椭圆形中的一种。当然，在其他的一些实施例中，振膜32的形状还可以为跑道形、圆角矩形等，在此不做限制。振膜32上还可以设置波纹，例如圆形纹、太阳纹、水波纹等，这些波纹具有强筋作用，可以增加振膜32的刚性以及增加振膜32的有效辐射面积，同时改善阻尼的作用。

在本实施例的一些实施方式中，光子晶体组件3还包括位于振膜32和光子晶体背板31之间的支撑结构33，支撑结构33、光子晶体背板31、振膜32围合形成有第一子空腔3a。到达光子晶体背板31的部分激光在光子晶体背板31发射透射后，经过第一子空腔3a到达振膜32，再在振膜32上发生反射，然后依次经过第一子空腔3a、光子晶体背板31到达光电模块2。支撑结构33可以包括第一支撑331和第二支撑332，第一支撑331和第二支撑332的厚度相同。振膜32包括中间部和环绕于中间部外侧的边缘部，第一支撑331和第二支撑332均固定于振膜32的边缘部和光子晶体背板31之间，第一支撑331和第二支撑332的材料可以分别为氮化硅和二氧化硅中的一种。

在本实施例的一些实施方式中，光子晶体组件3还包括固定于腔体1a的壁面和振膜32之间且形成有第二子空腔3b的基底34，第二子空腔3b连通进声口1b和振膜32。声波信号到达进声口1b后经过第二子空腔3b可以到达振膜32，使振膜32振动。第二子空腔3b可以通过对基底34材料进行刻蚀获得。进一步地，在本实施例的一些实施方式中，基底34包括连接于振膜32的埋氧层341、连接于埋氧层341的背离振膜32的一侧的衬底层342，衬底层342的背离埋氧层341的一侧与腔体1a的壁面固定。衬底层342的原料可以是硅。衬底层342、埋氧层341、振膜32、支撑结构33、光子晶体背板31结合为一体，形成光子晶体组件3，其中，衬底层342的背离埋氧层341的一侧可以通过粘接或焊接等方式与外壳1进行固定。衬底层342的厚度可以为400μm，埋氧层341的厚度可以为2μm。

在本实施例的一些实施方式中，光电模块2包括固定于腔体1a内的集成电路芯片21、电连接于集成电路芯片21的激光光源22以及电连接于集成电路芯片21的光探测器23。激光光源22和光探测器23相互间隔，且激光光源22和光探测器23可以分别通过粘接或焊接等方式固定于腔体1a内的远离光子晶体组件3的一侧。激光光源22和光探测器23分别与集成电路芯片21电连接，激光光源22用于向光子晶体组件3发射激光；光探测器23用于检测从光子晶体组件3反射回的激光；集成电路芯片21形成有控制或中央处理单元，可以对激光光源22和光探测器23的工作进行控制以及对光探测器23检测到的数据进行分析和处理。

如图4和5所示，本申请的第二实施例提供一种麦克风的制作方法，包括以下步骤：

步骤S1、提供一种晶圆基材，对晶圆基材进行刻蚀形成振膜。

具体的，在本实施例中，晶圆基材可以是SOI晶圆，晶圆基材包括器件层和连接于器件层的基底层，振膜形成于器件层。器件层原料可以为硅。反应离子刻蚀技术(ReactiveIon Etching，简称RIE技术)是一种各向异性很强、选择性高的干法腐蚀技术。在真空系统中利用分子气体等离子来进行刻蚀，利用了离子诱导化学反应来实现各向异性刻蚀；也即，利用离子能量来使被刻蚀层的表面形成容易刻蚀的损伤层和促进化学反应，同时还可以起到清除表面生成物，露出清洁的刻蚀表面的作用。反应离子刻蚀技术可以对硅、二氧化硅、半导体材料、聚合物等材料进行刻蚀。本实施例利用反应离子刻蚀技术在器件层刻蚀出振膜形状，刻蚀深度等于器件层的厚度，器件层的厚度可以为0.8μm。进一步地，在本实施例的一些具体的实施方式中，步骤S1包括：S11、提供一种SOI晶圆，对SOI晶圆进行标准RCA清洗；S12、利用反应离子刻蚀技术在SOI晶圆的器件层上刻蚀出振膜形状。

步骤S2、在振膜的背离基底层的一侧进行沉积加工，得到支撑层和背板层。

具体的，支撑层的一侧连接于器件层，另一侧连接于背板层。可以结合气相沉积技术、湿法刻蚀等技术在振膜的背离基底层的一侧形成支撑层和背板层。

步骤S3、在背板层上刻蚀出通孔阵列以形成光子晶体结构。

具体的，可以利用反应离子刻蚀技术在背板层上刻蚀出通孔阵列。通孔阵列中通孔的截面形状可以是圆形、三角形、方形、棱形、五边形、六边形、不规则形状等。

步骤S4、分别去除基底层和支撑层中多余的材料，得到光子晶体组件。

具体的，可以利用刻蚀技术在支撑层中刻蚀出第一子空腔，以及利用利用刻蚀技术在基底层上刻蚀出第二子空腔，从而得到光子晶体组件。

在本实施例中，制成光子晶体组件之后，麦克风的制作方法还包括：分别将光子晶体组件、光电模块装入到外壳的腔体内并进行固定，形成结构完整的麦克风。将光子晶体组件和光电模块与外壳固定的方式可以是粘接、焊接等，在此不做限制。光子晶体组件应用于麦克风上时，光子晶体背板和振膜可以分别使光电模块发射的激光光束发生反射，在光子晶体背板发生反射的激光光束和在振膜上发生反射的激光光束可以产生干涉效应，外界的声波信号传输至振膜时会引起振膜振动，振膜振动可以改变相干光束的相位差，光电模块可以通过检测相干光束对应的光电流来检测出声波信号，从而实现光声转换的功能。本实施例通过在背板层上刻蚀出通孔阵列来形成光子晶体结构，通过通孔阵列结构来调整光子晶体结构的带隙和透过率，提高了光子晶体背板的反射率，进而提高了光学麦克风的灵敏度。

在本实施例的一些实施方式中，上述步骤S2包括：步骤S21、在振膜的背离基底层的一侧沉积二氧化硅层；步骤S22、对二氧化硅层进行刻蚀，形成具有贯穿整个二氧化硅层的空隙的中间体；步骤S23、在空隙上沉积氮化硅，得到支撑层；步骤S24、在支撑层的背离振膜的一侧沉积硅材料，得到背板层。

具体的，可以利用离子增强气相沉积技术(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，简称PECVD技术)在振膜的背离基底层的一侧沉积二氧化硅层，也即，借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，等离子体化学活性很强，很容易发生反应，从而可以在振膜(器件层)上沉积出期望的二氧化硅薄膜层，以便于后续加工过程中在振膜和光子晶体背板之间形成第一子空腔。此方法的沉积速度快，基本温度低，形成的二氧化硅层质量好。可以通过湿法刻蚀来得到的二氧化硅层，形成具有贯穿整个二氧化硅层的空隙的中间体。可以利用气相沉积技术在中间体上沉积氮化硅层，以得到支撑层；沉积氮化硅层的操作可以防止后续加工操作中二氧化硅层在振膜和光子晶体背板之间成的支撑结构被破坏。上述背板层可以再次利用离子增强气相沉积技术在支撑层上沉积硅或者氮化硅来得到。

在本实施例的一些实施方式中，上述步骤S4包括：S41、在BOE溶液中对支撑层进行刻蚀，以去除支撑层中多余的二氧化硅材料，并形成第一子空腔；S42、对基底层进行刻蚀以形成具有第二子空腔的基底，得到光子晶体组件。

具体的，在BOE溶液中对二氧化硅层进行刻蚀，释放光子晶体背板(在背板层和振膜之间形成第一子空腔)。本实施例中的基底层包括埋氧层和衬底层，衬底层的厚度可以为400μm，埋氧层的厚度可以为2μm，埋氧层连接于振膜和衬底层之间，也即，上述晶圆基材包括依次连接的器件层、埋氧层、衬底层。进一步地，在本实施例的一些具体的实施方式中，步骤S42包括：S421、利用反应离子刻蚀技术对衬底层进行刻蚀；S422、利用反应离子刻蚀技术对埋氧层进行刻蚀，得到贯通整个基底层的第二子空腔，进而得到所需的光子晶体组件。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述的仅是本申请的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种麦克风，包括形成有腔体的外壳、固定于所述腔体内的光子晶体组件、固定于所述腔体内且间隔于所述光子晶体组件的光电模块；所述外壳具有连通所述腔体和外界的进声口；其特征在于，所述光子晶体组件包括设置于所述腔体内的振膜和固定于所述振膜的朝向所述光电模块一侧的光子晶体背板，所述振膜和所述光子晶体背板之间有间隙，所述光子晶体背板上设置有通孔阵列；所述光电模块用于朝所述振膜发射激光，所述光电模块还用于接收从所述光子晶体背板和所述振膜反射回的激光以及对接收到的激光进行光电信号转换处理。

2.根据权利要求1所述的麦克风，其特征在于，所述通孔阵列包括多个贯穿所述光子晶体背板的通孔，所述通孔的截面形状为圆形、三角形、方形、棱形、五边形、六边形中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的麦克风，其特征在于，所述振膜为弹簧支撑型振膜、四周全固型振膜中的一种，和/或，所述振膜的形状为方形、圆形、椭圆形中的一种。

4.根据权利要求1所述的麦克风，其特征在于，所述光子晶体组件还包括位于所述振膜和所述光子晶体背板之间的支撑结构，所述支撑结构、所述光子晶体背板、所述振膜围合形成有第一子空腔。

5.根据权利要求1所述的麦克风，其特征在于，所述光子晶体组件还包括固定于所述腔体的壁面和所述振膜之间的基底，基底形成有连通所述进声口和所述振膜的第二子空腔。

6.根据权利要求5所述的麦克风，其特征在于，所述基底包括连接于所述振膜的埋氧层、连接于所述埋氧层的背离所述振膜的一侧的衬底层，所述衬底层的背离所述埋氧层的一侧与所述腔体的壁面固定。

7.根据权利要求1所述的麦克风，其特征在于，所述光电模块包括固定于所述腔体内的集成电路芯片、电连接于所述集成电路芯片的激光光源以及电连接于所述集成电路芯片的光探测器，所述激光光源和所述光探测器间隔设置。

8.一种麦克风的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一种晶圆基材，对所述晶圆基材进行刻蚀形成振膜；其中，所述晶圆基材包括器件层和连接于所述器件层的基底层，所述振膜形成于所述器件层；

在所述振膜的背离所述基底层的一侧进行沉积加工，得到支撑层和背板层；其中，所述支撑层的一侧连接于所述器件层，另一侧连接于所述背板层；

在所述背板层上刻蚀出通孔阵列以形成光子晶体结构；

分别去除所述基底层和所述支撑层中多余的材料，得到光子晶体组件。

9.根据权利要求8所述的麦克风的制作方法，其特征在于，在所述振膜的背离所述基底层的一侧进行沉积加工，得到支撑层和背板层的步骤，包括：

在所述振膜的背离所述基底层的一侧沉积二氧化硅层；

对所述二氧化硅层进行刻蚀，形成具有贯穿整个所述二氧化硅层的空隙的中间体；

在所述空隙上沉积氮化硅，得到支撑层；

在所述支撑层的背离所述振膜的一侧沉积硅材料，得到背板层。

10.根据权利要求8所述的麦克风的制作方法，其特征在于，所述分别去除所述基底层和所述支撑层中多余的材料，得到光子晶体组件的步骤，包括：

在BOE溶液中对所述支撑层进行刻蚀，以去除所述支撑层中多余的二氧化硅材料，并形成第一子空腔；

对所述基底层进行刻蚀以形成具有第二子空腔的基底，得到光子晶体组件。