CN1764328A - 动态压力感测结构 - Google Patents

Abstract

一种动态元件压力感测结构，主要包含电极板、支撑垫和基板，支撑垫将电极板与基板隔开形成振动腔，电极板包含可挠区域与平坦振动区域，可挠区域围绕并连接在平坦振动区域，下电极板包含致动电极与感测电极，致动电极围绕感测电极并对应可挠区域设置，使感测电极对应于平坦振动区域形成电容，致动电极用来提供极化电压以产生静电力吸引可挠区域下压，可挠区域的下压带动平坦振动区域产生位移，通过这样调整平坦振动区域相对于感测电极的距离，且由于上层电极板的薄膜形状与位置可因驱动电极压差而产生不同改变量，可有效增进其应用于电容式麦克风的各种性质。

Description

动态压力感测结构

技术领域

本发明涉及一种动态压力感测结构，特别是一种可应用于电容式麦克风的动态压力感测结构。

背景技术

应现代工业的市场需求，轻、薄、短、小已成为产品研发制造的趋势，而微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术正好迎合了这种产业市场需求，具有可微小化、批量制造、低材料成本及易于创造高附加价值等优点的微机电产品将成为未来最具潜力的明日之星。

麦克风是一种动态压力传感器(dynamic pressure sensor)，相当于耳朵的功能，可测量很小的压力变化。不过因生理结构的关系，人耳对声音的反应仅局限在某一频率范围，但不同机械结构的麦克风则可以配合需求感测不同频率范围内的声音。但市面上常见的传统式麦克风仍无法感测较为低频的声音，如机器的低频震动、心脏瓣膜闭合声及骨胳摩擦韧带的声响。而利用微机电系统技术所制作的硅晶麦克风，有别于以往传统麦克风，可大幅降低成本、更加微小化及提升灵敏度，进而增加麦克风在工业、医疗、环保等领域的应用，硅晶麦克风大致可分为压电式(piezoelectric microphone)麦克风、压阻式麦克风(piezoresistive microphone)、电容式麦克风(condenser microphone)三种型式，其中电容式硅晶麦克风因具有较高的灵敏度与较低功率消耗，已成为目前发展的主流。电容式麦克风由两块平行板构成电极，极板间以空气或其它绝缘物填充来形成电容器，再将电池的正负极加到两个极板以产生电容值C＝ε₀ε_rA/d，其中，ε₀为真空中的介电常数，ε_r为两板中材料相对真空的介电常数，A为极板的面积，d为两极板间的距离。因此电容量可由两极板间的距离所决定，亦即极板间的距离越小，电容量越大，而电容式麦克风就是以声波对空气产生压缩进而造成振动膜片随声波而相对振动，从而改变极板间距离，导致电容量发生变化，再使电容改变值经由感测转换电路，得到相对的电压输出。

技术内容

本发明提供了一种动态压力感测结构，利用本发明结构设计可调整该动态压力感测结构的测量频率范围，同时又具有可运用微机电系统技术来进行加工制造的优点，可达到结构改良与制程简化的目的。

本发明公开的动态压力感测结构主要包括上电极板、支撑垫和下电极板。上电极板连接于支撑垫，上电极板设于下电极板的上方，上电极板与下电极板通过支撑垫维持一段间隙距离，并形成一腔室。上电极板包含可挠区域与平坦振动区域，可挠区域围绕并连接于平坦振动区域，可挠区域下压时，可带动平坦振动区域产生位移。下电极板包括致动电极与感测电极，致动电极围绕感测电极，并对应可挠区域设置，使感测电极对应于平坦振动区域而形成电容，致动电极提供极化电压以产生静电力吸引可挠区域下压，以带动所述平坦振动区域维持平坦状态移动，从而通过改变平坦振动区域相对于感测电极的距离来改变感测电极与平板状振膜所形成的起始电容值。

通过这种可调式设计，这种动态压力感测结构应用于电容式麦克风，可利用感测电极与平板状振膜的距离调整来改变麦克风的测量频率范围，并运用于低频声音的讯号侦测，本发明也可应用于压力计等其它感应测量器件。

另外，本发明的动态压力感测结构，由于可挠区域设计，使振动膜可为平板状。由于电容值C＝ε₀ε_rA/d，所以在面积振动膜与其它设定条件相同的情形下，本发明的动态压力感测结构具有较大的电容值。

另外，本发明包含致动电极与感测电极，当外环的致动电极具有一外加偏压时，可使得上方的电极板向下产生不同程度的运动，所以初始上下两电极板形成的电容值可因外加偏压大小而变动，而瞬间电容值的灵敏度可通过外加偏压大小来加以控制。本发明除了可调式设计之外，而且由于致动电极的外加偏压使得上电极板本身的边界条件会改变，此边界条件更有利于薄膜由于低频深压变化所造成的上下摆动，所以相对于目前的产品更符合低频要求。

本发明公开的动态压力感测结构具有以下有益效果：较低的截频点(Cutofffrequency)、可变频设计、可测量不同频段、高灵敏度、可有效检测微弱声压变化、可有效增加边界电容值、结构外型设计简单和声压较容易平衡。

附图说明

图1是本发明实施例的放大截面示意图；

图2A是本发明实施例的电极板仰视示意图；

图2B是本发明另一实施例的电极板仰视示意图；

图3是本发明实施例的基板仰视示意图；

图4是本发明实施例的制造流程图。

其中，附图标记：

100  电极板      110  平坦振动区域

120  可挠区域    200  硅芯片

210  下电极板    211  感测电极

212  致动电极    300  支撑垫

310  腔室

具体实施方式

图1是本发明实施例的放大截面示意图。如图1所示，动态压力感测结构包括上电极板100、支撑垫300、下电极板210和硅芯片200。上电极板100连接支撑垫300，硅芯片200包括感测电极211与致动电极212所组成的下电极板210，其设于上电极板100的下方，上电极板100与硅芯片200藉由支撑垫300维持一段间隙距离，且形成一腔室310。上电极板100包含可挠区域120与平坦振动区域110，可挠区域120围绕并连接于平坦振动区域110。下电极板210包含致动电极212与感测电极211，致动电极212是环状并围绕感测电极211，致动电极212对应可挠区域120设置，使得感测电极211对应于平坦振动区域110形成电容。

其中，上电极板100可以是表面具有金属层的振膜或掺杂高浓度三氯氧磷(POCl₃)的多晶硅层等导电材质，可挠区域120可以是含多个弧形狭缝的区域或网状区域，以提供可挠曲性质。图2A、图2B分别是本发明两种实施例的上电极板仰视图，如图2A所示，上电极板100包含可挠区域120与平坦振动区域110，可挠区域120是含多个弧形狭缝的区域，并围绕平坦振动区域110。如图2B所示，可挠区域120是网状区域，并围绕平坦振动区域110。

而设置在硅芯片200上的下电极板210需包含产生静电力吸引可挠区域下压的致动电极212部分以及产生电容值的感测电极211部分。图3是本发明实施例的基板仰视图，如图3所示，设置于硅芯片200的下电极板210包含致动电极212与感测电极211，致动电极212为环状并围绕感测电极211，致动电极212对应可挠区域120设置，致动电极212是用来提供极化电压以产生静电力吸引可挠区域120下压，调整平坦振动区域110相对于感测电极211的距离，从而改变感测电极211与平坦振动区域110所形成的起始电容值。

此外，本发明的动态压力感测结构可运用微机电系统技术形成于半导体或其它基板。图4为本发明实施例的制造流程图，所示制造流程包括以下步骤：

步骤410，提供硅基板，在硅基板表面形成1微米氧化硅绝缘层；

步骤420，以液相化学气相沉积法在氧化硅绝缘层上形成0.1微米的氮化硅保护层；

步骤430，预先在氧化硅绝缘层与氮化硅保护层形成蚀刻孔以露出基板；

步骤440，以液相化学气相沉积法在氮化硅保护层上形成2微米的掺杂高浓度三氯氧磷(POCl₃)的多晶硅层；

步骤450，以照相平版印刷术方法定义多晶硅层为致动电极、感测电极及所需电路，形成下电极板；

步骤460，在下电极板表面形成磷硅酸盐玻璃(PSG)作为牺牲层，牺牲层需要在支撑垫的预定位置开孔，露出保护层；

步骤470，在氮化硅保护层上形成3微米的掺杂高浓度三氯氧磷(POCl₃)的多晶硅层；

步骤480，以照相平版印刷术方法定义出包含可挠区域与平坦振动区域的电极板；

步骤490，进行晶背蚀刻，除去部分的硅基板并露出氧化硅绝缘层，氮化硅保护层及其蚀刻孔；

步骤500，通过蚀刻孔以蚀刻液除去牺牲层，使电极板与基板藉由支撑垫维持一段间隙距离并形成一振动腔。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种动态压力感测结构，其特征在于：包括一上电极板、一支撑垫和一下电极板，所述上电极板具有一可挠区域与一平坦振动区域，所述可挠区域围绕并连接于所述平坦振动区域；所述上电极板连接于所述支撑垫；所述下电极板设于所述上电极板的下方，所述上电极板与所述下电极通过所述支撑垫维持一间隙，并形成一腔室；所述下电极板具有一致动电极与一感测电极，所述致动电极围绕于所述感测电极并对应于所述可挠区域设置，使所述感测电极对应于所述平坦振动区域而形成一电容，所述致动电极提供极化电压产生一静电力吸引所述可挠区域下压，以带动所述平坦振动区域维持平坦状态移动改变其相对于所述感测电极的距离。

2.根据权利要求1所述的动态压力感测结构，其特征在于：所述上电极板为表面具有一金属层的振膜。

3.根据权利要求1所述的动态压力感测结构，其特征在于：所述上电极板为导电材质。

4.根据权利要求1所述的动态压力感测结构，其特征在于：所述上电极板为多晶硅。

5根据权利要求1所述的动态压力感测结构，其特征在于：所述上电极板为掺杂高浓度三氯氧磷的多晶硅层。

6.根据权利要求1所述的动态压力感测结构，其特征在于：所述可挠区域是含有多个弧形狭缝的区域或任何形式的支撑图形。

7.根据权利要求1所述的动态压力感测结构，其特征在于：所述可挠区域是网状区域。

8.根据权利要求1所述的动态压力感测结构，其特征在于：所述致动电极为环状。

9.根据权利要求1所述的动态压力感测结构，其特征在于：所述致动电极为掺杂高浓度三氯氧磷的多晶硅层。

10.根据权利要求1所述的动态压力感测结构，其特征在于：所述感测电极为掺杂高浓度三氯氧磷的多晶硅层。

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