CN200983677Y - 硅晶电容式麦克风 - Google Patents
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Abstract
本实用新型为一种电容式麦克风设计，是以背板上设有一防粘着结构，其可防止制造过程中背板与振动膜发生粘着，以提高制程良率。振动膜的周缘设有一皱折悬浮结构，可悬浮立体支撑所述振动膜，可以比现有使用振动膜周围直接固定在硅基板方式，得到较高的麦克风灵敏度，且灵敏度不受回焊过程的影响；此外，在相同的灵敏度的下，此特殊设计则可以缩小振动膜面积，以因应小尺寸与薄型化的需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及的是一种硅晶电容式麦克风，特别涉及的是一种利用微结构设计来降低振动膜应力，以提高硅晶电容式麦克风对声音的灵敏度与不受回焊过程影响灵敏度。
背景技术
因电子产品朝轻薄短小的方向发展，如何缩小麦克风尺寸成为重要课题。早期所使用振动膜材料为聚酯聚合物(Mylar)，但因材质应力过高，造成声音灵敏度低，因此，相关业者便发展利用半导体制程与硅微细加工技术所制作的硅晶电容式麦克风。
而此种利用半导体制程与硅微细加工技术所制作的硅晶电容式麦克风，则是以硅或硅的化合物当作振动膜材料，其主要原因是有较低的固有内应力(IntrinsicStress)，可提高麦克风灵敏度。
请参阅图1，为美国第5,888,845号专利案的主要代表图，所述专利揭露一种单芯片硅晶电容式麦克风，其主要包含一平坦振动膜(Diaphragm)100，以及一背板(Backplate)110。振动膜100为单晶硅材质，平整振动膜100结构边界为四边固定，但因其结构有较高的内应力，麦克风灵敏度受制程变异的影响较大。
请参阅图2，为美国第5,870,482号专利案的主要代表图，所述专利揭露一种单芯片硅晶电容式麦克风，其主要包含一振动膜100a、一皱折结构102、一边界条件固定端103以及一边界条件自由端103a。此单芯片硅晶电容式麦克风，利用半导体制程与硅微细加工而成，振动膜100a为皱折(Corrugated)的结构，通过振动膜100a边界条件的改变，使振动膜100a应力降低，以提高灵敏度，但此种悬臂梁(Cantilever)设计，麦克风的实际可变电容60的面积较小，故产生的讯号较小，且此设计的自然共振频率较低，但是振动膜100a的自然共振频率必须大在麦克风所需的声音频率，故有设计不易的缺点。
请参阅图3，为美国第6,535,460号专利案的主要代表图，所述专利揭露一种单芯片硅晶电容式麦克风，其主要包含一振动膜112、一有孔洞背板140以及一硅基材(Silicon Substrate)130，振动膜112与背板140间具有一空气间隙120。此单芯片硅晶电容式麦克风，通过平面式的弯曲形状来达到高挠曲性弹簧(High ComplianceSpring)结构设计来达到侧向(Lateral)可自由移动的振动膜(Freely MoveableDiaphragm)，以提高挠曲性与灵敏度，但此平面式弹簧支撑结构需要较大的面积，使麦克风面积较大。
请参阅图4，2004年W.J.Wang等人(如附件1，W.J.Wang，R.M.Lin，Q.B.Zou，and X.X.Li，“Modeling and characterization of a silicon condenser microphone，”J.Micromech.Microeng.，vol.14，pp.403-409，2004)，发表一种单面深皱折振动膜(Single Deeply Corrugated Diaphragm)的结构，此振动膜为多晶硅材料。其主要包含一振动膜100b、一皱折结构102a、一背板110a以及复数焊垫(Bonding Pad)111。文中所提到皱折愈深灵敏度愈高，但制程门槛较高。
发明内容
本实用新型的主要目的，是利用结构设计来达到降低振动膜的内应力，得到较好的灵敏度。
本实用新型的另一目的，是利用结构设计来达到麦克风相对不受回焊过程而改变灵敏度。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案在于，提供一种硅晶电容式麦克风，其包含有：
一硅基材，其具有一空气腔；
一背板，其是结合在所述硅基材并具有至少一音孔；
一振动膜，其是悬浮地设在所述硅基材与所述背板之间；以及
一皱折悬浮结构，其是结合在所述振动膜，以限定所述振动膜仅在朝向所述硅基材或所述背板的垂直方向的变形；
其利用一支撑结构(Support Structure)用来分离一振动膜与一背板，支撑结构可决定振动膜感应声压变化的有效面积，此支撑结构可以为一个环状结构(Ring)或者为数个小凸块围成环状。背板上另设有一防粘着结构，应用在湿蚀刻空气间隙过程中，可减少背板与振动膜接触的面积，可防止制造过程中背板与振动膜的粘着，在湿蚀刻后可轻易分离背板与振动膜，提高制程良率(Yield)，振动膜周缘设有一悬浮皱折结构，利用悬浮立体微皱折结构来支撑振动膜，实现高灵敏度的硅晶电容式麦克风，且此设计的麦克风灵敏度受薄膜制程影响较小。
振动膜完全由悬浮皱折结构来支撑，此悬浮皱折结构可限制振动膜侧向移动，却可提供垂直在振动膜方向的移动。利用上述特殊的结构来释放应力，以提高麦克风灵敏度以及相对不受回焊过程而改变灵敏度。
附图说明
图1为美国第5,888,845号专利的硅晶电容式麦克风结构的主要代表图，提供本体截面示意图。
图2为美国第5,870,482号专利的硅晶电容式麦克风结构的主要代表图，提供立体示意图。
图3为美国第6,535,460号专利的硅晶电容式麦克风结构的主要代表图，提供本体截面示意图。
图4为依照W.J.Wang创作的硅晶电容式麦克风结构的主要代表图，提供本体的截面示意图。
图5为依照本实用新型较佳实施例的硅晶电容式麦克风结构的剖面视图。
图6为依照本实用新型较佳实施例的俯视图，用以表示振动膜与支撑结构的单一环状凸块结构。
图7为依照本实用新型另一较佳实施例的俯视图，用以表示振动膜与支撑结构的另一较佳多个凸块环状分布结构。
图8为依照本实用新型另一较佳实施例的硅晶电容式麦克风结构的剖面视图。
附图标记说明：100-振动膜；110-背板；100a-振动膜；102-皱折结构；103-边界条件固定端；103a-边界条件自由端；60-可变电容；112-振动膜；140-孔洞背板；130-硅基材；120-空气间隙；100b-振动膜；102a-皱折结构；110a-背板；111-焊垫；1-硅基材；2-振动膜；21-皱折悬浮结构；21a-悬浮立体微皱折臂；3-空气间隙；31-支撑结构；31a-支撑结构；31b-支撑结构；4-背板；41-上电极；42-保护层；43-音孔43a-蚀刻孔；45-防粘着结构；5-空气腔。
具体实施方式
以下结合附图，对本新型上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
请参阅图5，本实用新型较佳实施例的硅晶电容式麦克风为一电容结构，主要包含一硅基材1、一振动膜2、一背板4、一上电极41以及一保护层42。
硅基材1设有一空气腔(Air Chamber)5，并结合有所述振动膜2、所述背板4以及所述保护层42。所述背板4具有一支撑结构(Support Structure)31以及一防粘着结构45，支撑结构31与上电极41是设在背板4邻近硅基材1的一侧。防粘着结构45是可为凹陷(Indentations)的结构，如由介电材质构成的复数凸出部，可防止制造过程中背板4与振动膜2的粘着
背板4上设有复数音孔43与蚀刻孔43a，声压可经由音孔43进入麦克风，蚀刻孔43a是用在蚀刻内层。
振动膜2是通过一皱折悬浮结构21悬浮在硅基材1与背板4间，并且为多晶硅材料构成，皱折悬浮结构21是为悬浮立体微皱折的结构。通过此，上电极41与振动膜2形成一个电容。声音经由背板4的音孔43到达为下电极的振动膜2，振动膜2随着音压的变化而变形，造成电容值变化。
本实用新型较佳实施例的结构层是利用低压化学气相沉积法(Low PressureChemical Vapor Deposition，LPCVD)沉积多晶硅(Polysilicon)，并且利用离子布植技术将硼或磷离子布植在此多晶硅上，再利用回火(Annealing)技术，使此多晶硅振动膜2成为一低应力薄膜。此结构包含振动膜结构2，利用支撑结构31设计决定振动膜2感应声压变化的有效面积，以及皱折悬浮结构21支撑振动膜2，使振动膜2为一悬浮的结构，皱折悬浮结构21为一立体可变形皱折的结构，支撑结构31可拘束平面的侧向(Lateral)移动，但是垂直在振动膜2方向有较大的变形，可降低振动膜2应力与提高麦克风灵敏度。
防粘着结构45的凹陷结构是先在上电极41往下蚀刻穿数个凹陷，再由保护层42覆盖，即可形成背板4的凹陷结构与背板4。背板4上的许多凹陷结构(Indentations)应用在湿蚀刻空气间隙3过程中，可减少背板4与振动膜2接触的面积，在湿蚀刻后可轻易分离背板4与振动膜2，提高制程良率(Yield)。背板4的音孔43提供声音传递到振动膜2的路径。空气腔(Air Chamber)5提供可压缩的空气，使振动膜2容易振动。
请同时配合参阅图6，此外，还有其它结构包含圆形振动膜2，利用支撑结构31a决定振动膜2感应声压变化的有效面积，此支撑结构31a可由介电材料构成，并为一个环状的凸块用来隔开振动膜2与背板4，以及皱折悬浮结构21包含二根或以上具有悬浮立体微皱折臂21a以支撑振动膜2，悬浮立体微皱折臂21a具有一立体微皱部，所述立体微皱部设有复数交错的且分别朝向背板4与硅基材1方向延伸的连续立体微皱，使振动膜2为一悬浮结构，皱折悬浮结构21可拘束振动膜2的侧向移动，但是可允许振动膜2垂直方向的变形，可降低振动膜2应力与提高麦克风灵敏度，且回焊过程所造成的残留应力小，故灵敏度不受回焊过程影响。
请再同时配合参阅图7，为支撑结构31b的另一较佳实施例，此支撑结构31b可以为环状分布的独立凸块用来隔开振动膜2与背板4，也可具有相同的功效。
本实用新型另一较佳实施例的结构层请参阅图8，是以皱折悬浮结构21支撑振动膜2，使振动膜2为一悬浮结构，皱折悬浮结构21为一立体可变形皱折结构。防粘着结构45的凹陷结构是先在上电极41往下蚀刻穿数个凹陷，再由保护层42覆盖，即可形成背板4的凹陷结构与背板4。背板4上的许多凹陷结构应用在湿蚀刻空气间隙3过程中，可减少背板4与振动膜2接触的面积，在湿蚀刻后可轻易分离背板4与振动膜2，提高制程良率(Yield)。背板4的音孔43提供声音传递到振动膜2的路径。空气腔(Air Chamber)5提供可压缩的空气，使振动膜2容易振动。上述振动膜2受立体可变形皱折悬浮结构21拘束，因此可在背板4与硅基材1所形成的空间中有垂直方向最大位移，提高麦克风灵敏度，且回焊过程所造成的残留应力小，故灵敏度不受回焊过程影响。
以上说明对本新型而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种硅晶电容式麦克风，其特征在于，其包含有：
一硅基材，其具有一空气腔；
一背板，其是结合在所述硅基材并具有至少一音孔；
一振动膜，其是悬浮地设在所述硅基材与所述背板之间；以及
一皱折悬浮结构，其是结合在所述振动膜，以限定所述振动膜仅在朝向所述硅基材或所述背板的垂直方向的变形。
2.如权利要求1所述的硅晶电容式麦克风，其特征在于，所述背板上对应于所述硅基材的一侧设有一支撑结构。
3.如权利要求2所述的硅晶电容式麦克风，其特征在于，所述支撑结构是分隔所述振动膜与所述背板，并为一环状凸块。
4.如权利要求2所述的硅晶电容式麦克风，其特征在于，所述支撑结构是分隔所述振动膜与所述背板，并为复数凸块。
5.如权利要求1或2所述的硅晶电容式麦克风，其特征在于，所述背板进一步设有一防粘着结构，所述防粘着结构是设在所述背板对应在所述硅基材的一侧。
6.如权利要求5所述的硅晶电容式麦克风，其特征在于，所述防粘着结构是为一凹陷结构，所述凹陷结构包含有复数凸出部，各所述凸出部为介电材料构成。
7.如权利要求1-4所述任一项的硅晶电容式麦克风，其特征在于，所述皱折悬浮结构包含至少一悬浮立体微皱折臂以支撑所述振动膜，所述悬浮立体微皱折臂并具有一立体微皱部份，所述立体微皱部份设有复数交错的且分别朝向所述背板与所述硅基材方向延伸的连续立体微皱，用以提供垂直在所述振动膜方向的变形，但是限制侧向的移动。
8如权利要求5所述的硅晶电容式麦克风，其特征在于，所述皱折悬浮结构包含至少一悬浮立体微皱折臂以支撑所述振动膜，所述悬浮立体微皱折臂并具有一立体微皱部份，所述立体微皱部份设有复数交错的且分别朝向所述背板与所述硅基材方向延伸的连续立体微皱，用以提供垂直在所述振动膜方向的变形，但是限制侧向的移动。
9.如权利要求6所述的硅晶电容式麦克风，其特征在于，所述皱折悬浮结构包含至少一悬浮立体微皱折臂以支撑所述振动膜，所述悬浮立体微皱折臂并具有一立体微皱部份，所述立体微皱部份设有复数交错的且分别朝向所述背板与所述硅基材方向延伸的连续立体微皱，用以提供垂直在所述振动膜方向的变形，但是限制侧向的移动。
10.如权利要求1所述的硅晶电容式麦克风，其特征在于，所述振动膜为多晶硅材料构成。
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| LIC | Patent licence contract for exploitation submitted for record |
Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2009.2.4 TO 2014.2.4; CHANGE OF CONTRACT Name of requester: MEILV ELECTRONIC( SHENZHEN ) CO., LTD. Effective date: 20090303 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Merry Electronics (Shenzhen) Co., Ltd. Assignor: Merry Electronics Co., Ltd. Contract record no.: 2009990000142 Date of cancellation: 20130121 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Merry Electronics (Shenzhen) Co., Ltd. Assignor: Merry Electronics Co., Ltd. Contract record no.: 2013990000062 Denomination of utility model: Silicon wafer capacitor microphone Granted publication date: 20071128 License type: Exclusive License Record date: 20130207 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20071128 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |