CN1874616A

CN1874616A - 电容式微机电结构声音传感器

Info

Publication number: CN1874616A
Application number: CN 200510035114
Authority: CN
Inventors: 潘政民; 王云龙; 孟珍奎
Original assignee: AAC Acoustic Technologies Shenzhen Co Ltd
Current assignee: AAC Technologies Holdings Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: CN100455142C

Abstract

本发明涉及一种电容式微机电结构声音传感器，包括：一基板；通过支撑端固定在所述基板上的带有数个声孔的背极板；悬挂在所述基板上的振膜；悬挂的振膜边缘被固定在所述基板的一个或多个位置上，所述背极板和振膜之间形成气隙，振膜上覆设有电极，振膜与背极板电极之间形成电容；所述振膜为浅波纹振膜，所述背极板电极设置于背极板的正面或反面。本发明的电容式微机电结构声音传感器具有宽带宽和高灵敏度等特点，不仅性能稳定可靠，而且能有效抑制300Hz以下低频波段的起伏噪声。

Description

电容式微机电结构声音传感器

技术领域

本发明涉及一种声音传感器(俗称麦克风)，尤其涉及一种电容式微机电结构声音传感器。

背景技术

微机电结构(MEMS，Mciro-electro-mechanical Systems)加工工艺的出现使得批量生产电容式MEMS声音传感器成为可能。通过采用MEMS加工工艺，可以优化声音传感器的性能参数，同时也为简化制造过程及设计集成化产品提供了便利。采用MEMS工艺设计制造声音传感器已经在众多出版物和专利文献中被描述过。例如，第5,619,476、5,870,351、5,894,452和6,493,288号美国专利描述了电容式超声传感器的制作。而第5,146,435、5,452,268和6,870,937号美国专利也描述了几种主要用于音频频段的电容式声音传感器。在这些产品结构中，大多数的可移动的振动膜由基板或如氮化硅、氧化硅和聚酰胺的绝缘层来支撑。支撑体与纹膜的边缘接合在一起，通过在基板和振膜表面的导电膜之间加载电压使得振膜能够随传递到其上面的声波而振动。有一个特殊的例子，是在第6,535,460号美国专利中，它所描述的实施例是将振动膜自由设置在一个支撑环上。

许多MEMS声音传感器使用了与普通的测试麦克风和录音麦克风相似的振膜结构，如图1所示。在这种传统的结构中，包括有悬挂在背极板5上的振膜1，背极板5上设置有一些声孔3。当入射的声波驱动振膜1而改变电容式麦克风2的电容时，即可探测到声音信号的大小。在通常情况下，电容式麦克风2的电容变化是通过测量上下电极8之间在恒偏压下的输出电流而检测到。后声腔7中设有等声压孔4，以防止气压波动时向振膜1压向背极板5。对于测量或校准用的精密电容式麦克风来说，由于在振膜1与背极板5之间的气隙6约20μm时，产品具有均匀的频率响应曲线，但对于MEMS麦克风，振膜1的直径通常只有1-2mm大小，气隙6只有几微米，却要维持与普通麦克风相当的灵敏度。而且，如此小尺寸的气隙加大了产品的压膜阻尼效应，并引入了随频率变化的失真和损耗。这些现象都是我们不希望得到的随声频出现的机械响应变化。由于宽的频响范围与高灵敏度要同时获得是有矛盾的，因为大的声压会使振膜在其正常偏压下破裂损坏，所以，这种采用传统结构的麦克风必然只有较低的灵敏度，在低频率范围内的灵敏度尤其如此。

为了获得宽带宽和高灵敏度，开发高性能振膜是制作电容式声音传感器的关键。然而，对多数非常薄的振膜，如果无法精确控制制程，较大的残余应力对产品性能会有不利影响，如灵敏度低且不稳定。一种获得低应力振膜的技术是采用三明治结构，这一结构是将分别具有张应力和压应力的不同层结合在一起而构成。前文所述的第6,535,460号美国专利中披露的又是一种结构，即将振膜悬空以释放机械应力。但是，在这种情况下，自由悬空的振膜灵敏度不稳定并且会产生不需要的侧向移动，从而产生杂散信号和可靠性差等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种电容式微机电结构声音传感器，其具有宽带宽和高灵敏度等特点，不仅性能稳定可靠，而且能有效抑制300HZ以下低频波段的起伏噪声。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：提供一种电容式微机电结构声音传感器，包括：一基板；通过支撑端固定在所述基板上的带有数个声孔的背极板；悬挂在所述基板上的振膜；悬挂的振膜边缘被固定在所述基板的一个或多个位置上，所述背极板和振膜之间形成气隙，振膜上覆设有电极，振膜与背极板电极之间形成电容；所述振膜为浅波纹振膜，所述背极板电极设置于背极板的正面或反面。

上述技术方案的进一步改进在于：所述背极板上设置有可防止所述振膜向背极板过渡偏移而倒塌的止位装置。

上述技术方案的进一步改进在于：所述的止位装置是分布于一个圆周的不连续的止位柱或是呈一周连续分布的环状结构。

上述技术方案的进一步改进在于：所述的浅波纹振膜上的纹膜圆周上设置有一系列通孔，通孔的大小依照滤波的需要制成直径一致的、或不一致的或按规律分布的，以形成过滤一定频率或一定频率范围声音的声学滤波器。

上述技术方案的进一步改进在于：所述背极板上声孔的圆周设有一系列通孔，当外界大气压缓慢变化时，传递到所述振膜上的大气压力可通过所述通孔及振膜与背极板之间的空腔和背极板上的声孔而释放掉。

本发明的有益效果是：由于本发明的电容式微机电结构声音传感器采用的振膜是浅波纹振膜，因此其可以释放振膜中的应力，且由于本发明悬挂的振膜边缘被固定在基板的一个或多个位置上，因此本发明具有宽带宽，性能稳定可靠，能有效抑制300HZ以下低频波段的起伏噪声的优点。

附图说明

图1是传统的电容式微机电结构声音传感器的剖面图。

图2是本发明第一具体实施方式的电容式微机电结构声音传感器的俯视图。

图3是当背极板电极位于背极板反面时沿图2的A-A’方向的剖面图。

图4是当背极板电极位于背极板正面时沿图2的A-A’方向的剖面图。

图5是本发明第二具体实施方式的电容式微机电结构声音传感器的俯视图。

图6是图5所示的浅波纹振膜的俯视图。

图7是沿图5的B-B’方向的剖面图。

具体实施方式

我们可从不同的途径获得声音性能佳、实用性好的电容式微机电结构声音传感器。首先，我们通过在振膜上形成波纹来释放其中的应力，因为具有浅波纹结构的硅基振膜能在制作过程中释放其内部应力，从而提高振膜的机械灵敏度并降低其不稳定性。与传统的平板振膜相比，浅波纹振膜具有较高的灵敏度，尤其是对于易产生高残余应力的硅基振膜。

请参照图2至图4，本发明第一具体实施方式的电容式微机电结构声音传感器的悬挂的浅波纹振膜11边缘被固定在基板12的一个位置上，它实质上形成为音叉结构。连接端子24用于将所述的微机电结构声学传感器连接到外部电路中。

请参照图3，是当背极板电极位于背极板反面时沿图2的A-A’方向的剖面图。悬挂的浅波纹振膜11边缘被固定在基板12的一个末端，而在基板12的另一端(即悬置端22)没有被固定。浅波纹振膜11中的内部应力通过其上的波纹20释放。浅波纹振膜1l中的内部应力还可进一步通过浅波纹振膜11的悬置端22来释放。带声孔14的背极板13通过支撑端21固定在基板12上。一系列声孔14有规律地分布在背极板13上。背极板电极15设置在背极板13的反面，背极板13和浅波纹振膜11之间形成气隙25。浅波纹振膜11上覆设有电极，浅波纹振膜11与背极板电极15之间形成电容。当声波通过声孔14入射到浅波纹振膜11上时，浅波纹振膜11将随声波产生振动，导致由背极板13和浅波纹振膜11形成的电容的电容量发生变化。如图4所示，背极板电极15也可位于背极板13的正面。

在图3或图4中，背极板13上的声孔14的圆周设有一系列通孔17，它们是通过光刻工艺形成的。可选择这些通孔17的大小和相对位置，使其形成“低通滤波器”，即当外界大气压缓慢变化时，传递到浅波纹振膜11上的大气压力可通过通孔17及气隙25和背极板13的声孔14而释放掉。但是它同时也将阻止我们所希望频率的声波信号的通过。浅波纹振膜11上的纹膜圆周上所设置的一系列通孔16也是采用光刻工艺形成，用以释放浅波纹振膜11的悬置端22下方的牺牲材料(sacrificial material)。在背极板13上设置有一系列止位装置19。当在浅波纹振膜11和背极板13上加载偏压时，浅波纹振膜11朝向背极板13运动的过程中，止位装置19可防止浅波纹振膜11向背极板13过度偏移而倒塌。止位装置19可以是分布于一个圆周的不连续的止位柱，也可以被制作成呈一周连续分布的环状结构。

请参照图5至图7，本发明第二具体实施方式的电容式微机电结构声音传感器与第一具体实施方式的大致相同，不同点主要在于第二具体实施方式的电容式微机电结构声音传感器的悬挂的浅波纹振膜31边缘被固定在基板32的多个位置上，因此当偏压增加时，振膜振动幅度增大时，弯曲应力也增加，从而保持了相对稳定的灵敏度。连接端子44用于将所述的电容式微机电结构声音传感器连接到外部电路中。图6是图5所示的浅波纹振膜31的俯视图。背极板33上设置有一些声孔43。这些声孔43用于形成过滤一定频率或一定频率范围的声学滤波器。声孔43的大小可依照滤波的需要制成直径一致的、或不一致的或按规律分布的。波纹40的长度也可依照电容式微机电结构声音传感器所需的灵敏度而改变。当选择了合适的波纹40的长度时，当浅波纹振膜31和背极板33形成的电容上加载偏压时，浅波纹振膜31可恰当地位于止位装置39上。在这种情况下，由于浅波纹振膜31的移动区域是受止位装置39所限制的，浅波纹振膜31的弯曲刚度可大大降低。这实际上因波纹40而大大减小了浅波纹振膜31的“等效厚度”。

对于电容式微机电结构声音传感器(麦克风)而言，它的灵敏度可通过下述公式测算：

灵敏度

其中，a是浅波纹振膜的半径，σ是浅波纹振膜中的残余应力，h是浅波纹振膜的厚度，d代表气隙的宽度，d_Vb代表偏压V_b下的气隙宽度的变化。当偏压V_b增加时，麦克风的灵敏度也增加。然而在实际应用中，并非如此。因此，另一种可选择的方案是当偏压增加时，增加浅波纹振膜中的弯曲应力。图7所示为沿着图5的B-B’线的剖面图。当有声音传入时，浅波纹振膜将被声压推向背极板。增加偏压的结果是浅波纹振膜被进一步弯曲。由于浅波纹振膜是被悬挂的，浅波纹振膜从原始状态被弯曲后将增加其弯曲应力。这将补偿由于偏压升高而产生的灵敏度增加。

Claims

1.一种电容式微机电结构声音传感器，包括：

一基板；

通过支撑端固定在所述基板上的带有数个声孔的背极板；

悬挂在所述基板上的振膜；

所述背极板和振膜之间形成气隙，振膜上覆设有电极，振膜与背极板电极之间形成电容；

其特征在于：所述振膜为浅波纹振膜，所述背极板电极设置于背极板的正面或反面，悬挂的振膜边缘被固定在所述基板的一个位置上。

2.如权利要求1所述的电容式微机电结构声音传感器，其特征在于：所述背极板上设置有可防止所述振膜向背极板过渡偏移而倒塌的止位装置。

3.如权利要求2所述的电容式微机电结构声音传感器，其特征在于：所述的止位装置是分布于一个圆周的不连续的止位柱或是呈一周连续分布的环状结构。

4.如权利要求1所述的电容式微机电结构声音传感器，其特征在于：所述的浅波纹振膜上的纹膜圆周上设置有一系列通孔，通孔的大小依照滤波的需要制成直径一致的、或不一致的或按规律分布的，以形成过滤一定频率或一定频率范围声音的声学滤波器。

5.如权利要求1所述的电容式微机电结构声音传感器，其特征在于：所述背极板上声孔的圆周设有一系列通孔，当外界大气压缓慢变化时，传递到所述振膜上的大气压力可通过所述通孔及振膜与背极板之间的空腔和背极板上的声孔而释放掉。

6.一种电容式微机电结构声音传感器，包括：

一基板；

通过支撑端固定在所述基板上的带有数个声孔的背极板；

悬挂在所述基板上的振膜；

其特征在于：所述振膜为浅波纹振膜，所述背极板电极设置于背极板的正面或反面，悬挂的振膜边缘被固定在所述基板的多个位置上。

7.如权利要求6所述的电容式微机电结构声音传感器，其特征在于：所述声孔的大小依照滤波的需要制成直径一致的、或不一致的或按规律分布的。

8.如权利要求6所述的电容式微机电结构声音传感器，其特征在于：所述背极板上设置有可防止所述振膜向背极板过渡偏移而倒塌的止位装置。

9.如权利要求8所述的电容式微机电结构声音传感器，其特征在于：所述的止位装置是分布于一个圆周的不连续的止位柱或是呈一周连续分布的环状结构。

10.如权利要求6所述的电容式微机电结构声音传感器，其特征在于：所述的浅波纹振膜上的纹膜圆周上设置有一系列通孔，通孔的大小依照滤波的需要制成直径一致的、或不一致的或按规律分布的，以形成过滤一定频率或一定频率范围声音的声学滤波器。

11.如权利要求6所述的电容式微机电结构声音传感器，其特征在于：所述背极板上声孔的圆周设有一系列通孔，当外界大气压缓慢变化时，传递到所述振膜上的大气压力可通过所述通孔及振膜与背极板之间的空腔和背极板上的声孔而释放掉。