CN216673290U - 一种高灵敏度mems麦克风 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及高灵敏度MEMS麦克风，包括具有正面和背面的基底，基底上形成贯穿正面和背面的背腔，基底正面形成第一绝缘支撑部对覆盖背腔的振动膜进行支撑，振动膜上形成第二绝缘支撑部对极板进行支撑，极板与振动膜之间形成间隙，极板上形成连通间隙的通孔；背腔内设有与振动膜底部接触的支撑体，支撑体将背腔划分为相互连通的两个子背腔，支撑体包括上支撑体和下支撑体，下支撑体与背腔周围的基底连为一体，上支撑体形成于下支撑体顶部，上支撑体与第一绝缘支撑部为同层结构所形成。本实用新型将单颗麦克风芯片面积增大，通过背腔容积的扩充来实现灵敏度的提高，在背腔内部增设了支撑振动膜中部的支撑体，避免因振动膜振幅过大造成损坏。
Description
技术领域
本实用新型涉及MEMS器件，具体涉及一种高灵敏度MEMS麦克风。
背景技术
现有的MEMS麦克风是利用平板电容器原理进行检测的电容式麦克风，其结构如图1所示，作为衬底的基底100上具有贯穿正面与背面的背腔600，在基底100的正面形成有牺牲层200以及横亘在牺牲层200上的振动膜300，振动膜300覆盖背腔600，在振动膜300上形成有绝缘支撑部800和横亘在绝缘支撑部800上的极板400，极板400上形成有若干相互隔开的通孔500，极板400与振动膜300之间形成间隙700。在MEMS麦克风工作时，声音从通孔500进入间隙700，引起振动膜300的振动，振动膜300与极板400相对构成一个电容结构。
MEMS麦克风的灵敏度不仅与振动膜的振幅有关，还与背腔的容积大小息息相关。为了充分利用振动膜的机械灵敏度，麦克风需要设计一个具有环境压力的巨大背腔，以确保流动空气的刚性远离振动膜。如果背腔容积过小，则不利于空气的流通，这种空气的刚性则会大大降低振动膜的机械灵敏度。现有技术中提高麦克风灵敏度的方式主要有如下两种：一种是将麦克风芯片通过IC电路集合多个来实现，另一种通过设计双背极麦克风从工艺上一次做成两颗麦克风芯片来实现。很少通过增大单颗麦克风芯片面积，即通过体积扩充来实现的，因为单颗麦克风芯片面积增大，振动膜会因振幅过大带来破膜的问题。本实用新型所公开的技术就是解决采用增大背腔容积提高灵敏度而带来的破膜问题，本案由此而生。
实用新型内容
本实用新型公开一种高灵敏度MEMS麦克风，在扩大单颗麦克风芯片背腔容积的前提下，通过对振动膜的支撑来避免振动膜的变形和破裂，具体采用如下技术方案实现：
一种高灵敏度MEMS麦克风，包括具有正面和背面的基底，基底上形成贯穿正面和背面的背腔，基底正面形成第一绝缘支撑部对覆盖背腔的振动膜进行支撑；所述背腔内设有与振动膜底部接触的支撑体，支撑体将背腔划分为相互连通的两个子背腔，支撑体包括上支撑体和下支撑体，下支撑体与背腔周围的基底连为一体，上支撑体形成于下支撑体顶部，上支撑体与第一绝缘支撑部为同层结构所形成。
进一步，所述上支撑体为圆柱体结构。
进一步，所述上支撑体的直径小于下支撑体的直径。
进一步，所述上支撑体的直径为20～40微米。
进一步，所述下支撑体的高度与基底厚度相同，上支撑体的高度与第一绝缘支撑部厚度相同。
进一步，所述基底厚度为300～400微米。
进一步，所述下支撑体包括位于中心的支撑台以及连接支撑台与基底的连接体，下支撑体的横截面呈中心对称图形。
进一步，所述连接体为弧形结构，连接体的截面厚度为8～40微米。
进一步，所述支撑台为上窄下宽的锥形圆台结构。
进一步，所述支撑台底部直径为80～150微米，支撑台顶部直径为50～80微米。
本实用新型所展示的MEMS麦克风采用单颗芯片设计而成，为了增大麦克风的灵敏度，将麦克风芯片面积增大，通过背腔容积的扩充来实现灵敏度的提高，同时为了避免因振动膜振幅过大造成形变损坏，特意在背腔内部增设了支撑振动膜中部的支撑体，该支撑体分为上、下两部分，下支撑体与基底为同层结构，在对基底刻蚀形成背腔时一并形成；上支撑体与第一绝缘支撑部为同层结构，在刻蚀第一绝缘层时所形成，这种组合式的支撑体在MEMS麦克风现有工艺中较容易实现。增设的支撑体将背腔分为相互连通的两个子背腔，并未增加背腔的数量，对背腔内空气的流动未产生不利影响，能够在提高MEMS麦克风灵敏度的同时，还能避免振动膜的破裂。
附图说明
图1为现有MEMS麦克风结构示意图；
图2为本实用新型实施例中MEMS麦克风结构剖面示意图；
图3为图2中背腔结构的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本实施例公开一种高灵敏度MEMS麦克风，主要目的是为了提高麦克风的灵敏度，其采用的方式是扩大单颗麦克风芯片的面积，令背腔容积增大，以确保背腔内部流动空气的刚性远离振动膜。增大背腔的同时带来的问题是：随着芯片面积的增大，横亘在基底上方的振动膜面积也随之增加，会引起振动膜振幅的增加，振幅的增大会导致MEMS器件的灵敏度及信噪比的波动范围增大，由此容易造成振动膜的损坏。因此，在提高灵敏度的同时，本实用新型还重点解决振动膜振幅过大带来的问题。下面，将结合现有MEMS麦克风的结构以及图2和图3中所展示的支撑体结构详加说明。
图1中展示了目前现有MEMS麦克风的其中一种结构，通常的MEMS麦克风都是包括基底100，基底100具有正面与背面（图1中上表面为正面，下表面为背面），基底100通常采用硅基底，也可以是锗、锗硅、砷化镓基底或绝缘体上硅基底。在基底100的正面形成第一绝缘层，对第一绝缘层进行刻蚀暴露出基底100表面，刻蚀后保留在基底100正面的作为第一绝缘支撑部200用于支撑固定振动膜300。第一绝缘层可以为氧化硅、氮化硅或氧化硅与氮化硅的叠层。在第一绝缘支撑部200上横亘一振动膜300，振动膜300的材料可以选择多晶硅、锗硅、锗或其他具有弹性的金属或半导体材料，确保振动膜300受到声音或惯性力等的作用力而振动变形后还能恢复原状，并且确保振动膜300具有良好的导电性。在振动膜300上还形成有第二绝缘层，第二绝缘层的材质可以与第一绝缘层相同，也可以不同，材质的选择参见第一绝缘层所列举出的材质。对第二绝缘层进行部分刻蚀，在振动膜300上形成第二绝缘支撑部800，在第二绝缘支撑部上设置极板400，极板400的材料可以选择多晶硅、锗硅或锗，还可以为其他金属如铝。极板400与振动膜300之间形成间隙700，对极板400进行刻蚀形成若干贯通极板400的通孔500，基底100上形成贯通正面和反面的背腔600。以上为MEMS麦克风的常规结构，这种结构的麦克风其有效振动区域位于背腔600的中心区域，有效振动区域比较小，振动膜300在比较小的有效区域内会产生比较大的振幅。
本实用新型的改进结构主要集中在设置于背腔600内部的支撑体900（参考图2和图3），令支撑体900与振动膜300底部中心接触，支撑体900对振动膜300的支撑将原本处于背腔600中心的有效区域向周围转移，增大了有效振动的区域，同时减小了振动的振幅，由此提高了麦克风的灵敏度。为避免增设的支撑体900将原本一个背腔600分割成多个影响空气流动，本实施例中所设计的支撑体虽然将一个背腔600划分为图2中所示的两个子背腔600A和600B，但这两个子背腔并不是彼此封闭隔离的，而是相互连通的。
整个支撑体900可以分为上支撑体902和下支撑体901两部分，其中，下支撑体901与基底100为同层结构，因此下支撑体901的高度与基底100的厚度相同，下支撑体901分为位于中心的支撑台901A以及连接支撑台901A与基底100的连接体901B，下支撑体901的横截面呈中心对称图形。为尽可能减少对背腔600容积的占用和空气流动影响，本实施例将设置在支撑台901A两侧的连接体901B设计为弧形结构，将支撑台901A设计为上窄下宽的锥形圆台结构。上支撑体902与第一绝缘支撑部200为同层结构，因此，上支撑体902的高度与第一绝缘支撑部200厚度相同，上支撑体902形成于下支撑体901的顶部，同样为了减少对背腔600空间的占用，上支撑体902优选采用圆柱体结构，且由于通常情况下基底100的厚度远大于第一绝缘层的厚度，为形成稳定的支撑且从减小占用面积上的考虑，令上支撑体902的直径小于下支撑体901的截面宽度，即上支撑体902的直径小于支撑台901A顶部直径。
为更加清晰的展示出各部分的设计尺寸，将给出其中一个示例加以参考：当基底100的厚度范围在300～400微米情况下，支撑台901A的高度与基底100厚度一致即可，支撑台901A底部直径为80～150微米，支撑台901A顶部直径为50～80微米，上支撑体902的直径为20～40微米，连接体901B的截面厚度为8～40微米。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种高灵敏度MEMS麦克风，包括具有正面和背面的基底，基底上形成贯穿正面和背面的背腔，基底正面形成第一绝缘支撑部对覆盖背腔的振动膜进行支撑，其特征在于：所述背腔内设有与振动膜底部接触的支撑体，支撑体将背腔划分为相互连通的两个子背腔，支撑体包括上支撑体和下支撑体，下支撑体与背腔周围的基底连为一体，上支撑体形成于下支撑体顶部，上支撑体与第一绝缘支撑部为同层结构所形成。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度MEMS麦克风，其特征在于：所述上支撑体为圆柱体结构。
3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度MEMS麦克风，其特征在于：所述上支撑体的直径小于下支撑体的截面宽度。
4.根据权利要求2所述的一种高灵敏度MEMS麦克风，其特征在于：所述上支撑体的直径为20～40微米。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度MEMS麦克风，其特征在于：所述下支撑体的高度与基底厚度相同，上支撑体的高度与第一绝缘支撑部厚度相同。
6.根据权利要求5所述的一种高灵敏度MEMS麦克风，其特征在于：所述基底厚度为300～400微米。
7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度MEMS麦克风，其特征在于：所述下支撑体包括位于中心的支撑台以及连接支撑台与基底的连接体，下支撑体的横截面呈中心对称图形。
8.根据权利要求7所述的一种高灵敏度MEMS麦克风，其特征在于：所述连接体为弧形结构，连接体的截面厚度为8～40微米。
9.根据权利要求7所述的一种高灵敏度MEMS麦克风，其特征在于：所述支撑台为上窄下宽的锥形圆台结构。
10.根据权利要求9所述的一种高灵敏度MEMS麦克风，其特征在于：所述支撑台底部直径为80～150微米，支撑台顶部直径为50～80微米。
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| CN202122684133.3U CN216673290U (zh) | 2021-11-04 | 2021-11-04 | 一种高灵敏度mems麦克风 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114827881A (zh) * | 2022-06-29 | 2022-07-29 | 绍兴中芯集成电路制造股份有限公司 | 背腔形成方法、具有背腔的器件、mems麦克风及制备方法 |
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2021
- 2021-11-04 CN CN202122684133.3U patent/CN216673290U/zh active Active
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