CN219068364U - 一种振膜结构及mems麦克风 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种振膜结构及MEMS麦克风，振膜结构包括：依次层叠的第一多晶硅层、至少一层石墨烯层和第二多晶硅层；其中，所述第一多晶硅层、所述石墨烯层和所述第二多晶硅层均具有波纹结构，所述第一多晶硅层、所述石墨烯层和所述第二多晶硅层的波纹结构依次层叠。本实用新型可以同时提高振膜结构的灵敏度和可靠性。

Description

一种振膜结构及MEMS麦克风

技术领域

本实用新型涉及麦克风技术领域，尤其涉及一种振膜结构及MEMS麦克风。

背景技术

MEMS麦克风是一种电能换声器，主要结构由振膜和背板构成，振膜与背板间隔一定的距离，形成一近似平行的电容器，当振膜在声波的作用下产生振动时，振膜与背板间的电容会随着两者之间距离的变化而改变，从而将声音信号转变为电信号，再经过ASIC电路放大后输出。

图1为现有的单背极板MEMS麦克风结构示意图，其声学性能在很大程度上取决于振膜的灵敏度。而振膜的灵敏度取决于其强度，刚度，惯性等。强度大可避免振膜破损；振膜重量轻则运动惯性小，振膜的启动及停止就越快，瞬态响应就越好，有利于提高音质的清晰度和高频音段的还原。当前，绝大多数MEMS麦克风的振膜均由单一的多晶硅材料组成，振膜厚度大于0.5μm。通过增加振膜的尺寸、减小振膜的厚度，可显著提高振膜的灵敏度，进而提高MEMS麦克风的信噪比，但同时会降低振膜的强度，极大地影响振膜的抗吹气、抗跌落等可靠性性能，因此，如何有效地解决振膜的灵敏度与可靠性相互矛盾的问题，成为提高MEMS麦克风信噪比、拓宽其应用的关键。

实用新型内容

本实用新型提供了一种振膜结构及MEMS麦克风，可以同时提高振膜结构的灵敏度和可靠性。

根据本实用新型的一方面，提供了一种振膜结构，包括：

依次层叠的第一多晶硅层、至少一层石墨烯层和第二多晶硅层；

其中，第一多晶硅层、石墨烯层和第二多晶硅层均具有波纹结构，第一多晶硅层、石墨烯层和第二多晶硅层的波纹结构依次层叠。

可选的，振膜结构还包括：

催化剂层，催化剂层设置于第一多晶硅层和石墨烯层之间。

可选的，催化剂层为金属层，催化剂层的厚度为5-10nm。可选的，第一多晶硅层的厚度为90-250nm；第二多晶硅层的厚度为0-250nm；振膜的总厚度为0.1-0.5μm。

可选的，石墨烯层为单晶石墨烯层或多晶石墨烯层。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种MEMS麦克风，包括：

衬底、本实用新型任意实施例所述的振膜结构、绝缘层和背极板。

本实用新型实施例技术方案提供一种振膜结构，振膜结构包括：依次层叠的第一多晶硅层、至少一层石墨烯层和第二多晶硅层。石墨烯层具有非常好的稳定性、韧性及非常高的强度，同时其与多晶硅层的结合非常紧密，可以使得石墨烯层作为振膜结构的增强层，显著提高振膜的可靠性，由于石墨烯层的厚度很薄，可以在保证振膜可靠性的同时降低振膜结构的总厚度，从而提高振膜的灵敏度。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本实用新型的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为现有的单背极板MEMS麦克风结构示意图；

图2是本实用新型实施例一提供的一种振膜结构的示意图；

图3是本实用新型实施例一提供的又一种振膜结构的示意图；

图4是本实用新型实施例二提供的一种振膜结构的制备方法的流程图；

图5是本实用新型实施例二提供的一种衬底结构的示意图；

图6是本实用新型实施例二提供的一种振膜结构的示意图；

图7是本实用新型实施例二提供的一种MEMS麦克风结构的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，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，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一

本实用新型实施例提供了一种振膜结构，图2是本实用新型实施例一提供的一种振膜结构的示意图，参考图2，振膜结构包括：依次层叠的第一多晶硅层201、至少一层石墨烯层203和第二多晶硅层204；其中，第一多晶硅层201、石墨烯层203和第二多晶硅层204均具有波纹结构205，第一多晶硅层201、石墨烯层203和第二多晶硅层204的波纹结构205依次层叠。

其中，本实用新型实施例提供的振膜结构是MEMS麦克风的振膜结构。振膜结构中石墨烯层203可以是单晶石墨烯层，也可以是多晶石墨烯层。振膜结构中可以包括一层、两层或多层石墨烯层203。石墨烯具有优异的电子迁移率和力学特性。单层厚度仅几个埃(小于1纳米)，最高拉伸强度可达130GPa，杨氏模量1TPa。本实用新型通过在现有多晶硅振膜中引入石墨烯层203，使MEMS麦克风的振膜成分由目前常见的单一多晶硅材料转变为第一多晶硅层201、石墨烯层203和第二多晶硅层204的石墨烯增强复合材料。第一多晶硅层201提供石墨烯层203生长的基底，第二多晶硅层204覆盖在石墨烯层203上，第一多晶硅层201、石墨烯层203以及第二多晶硅层204紧密结合形成石墨烯增强多晶硅振膜，由于石墨烯具有非常好的稳定性、韧性及非常高的强度，同时其与多晶硅材料的结合非常紧密，因而可显著提高MEMS麦克风振膜的抗吹气、抗跌落等测试的可靠性；另外，石墨烯材料由单层碳原子二维排列形成，本身极薄且具有良好的导电性，对多晶硅材料影响较小。增加了石墨烯层203的多晶硅振膜结构可以在满足振膜可靠性的同时减小振膜结构的总厚度从而进一步提高振膜的灵敏度。

本实用新型实施例技术方案提供一种振膜结构，振膜结构包括：依次层叠的第一多晶硅层201、至少一层石墨烯层203和第二多晶硅层204。石墨烯层具有的非常好的稳定性、韧性及非常高的强度，同时其与多晶硅层的结合非常紧密，可以使得石墨烯层作为振膜结构的增强层，显著提高振膜的可靠性，由于石墨烯层203的厚度很薄，可以在保证振膜可靠性的同时降低振膜结构的总厚度，从而提高振膜的灵敏度。

可选的，图3是本实用新型实施例一提供的又一种振膜结构的示意图，参考图3，振膜结构还包括：催化剂层202，催化剂层202设置于第一多晶硅层201和石墨烯层203之间。

其中，催化剂层202为金属层，催化剂层202的厚度可以为5-10nm，催化剂层202采用的材料可以为铜，催化剂层202不仅可作为石墨烯层203的生长基体，同时还可作为生长石墨烯层203的金属催化剂，有利于形成高品质的单晶或者多晶石墨烯层，使所形成的单晶或多晶石墨烯层在大面积范围内的结晶均匀性可控。由于催化剂层202与第一多晶硅层201和石墨烯层203结合紧密，且催化剂层202对振膜结构的性能没有负面影响，本实用新型在振膜中保留了催化剂层202，在不影响振膜结构的性能的前提下，省掉了去除催化剂层202的工艺，可以使振膜制备工艺更加简单。本实施例通过在第一多晶硅层201上增加催化剂层202可以降低石墨烯层203的生长工艺难度，提高石墨烯的结晶质量。振膜结构包括单层石墨烯层或多层石墨烯层。示例性的，本实施例可以设置1-3层石墨烯层203，单层或几层石墨烯层的厚度相较振膜的总厚度可以忽略。然而由于石墨烯具有极高的强度，在利用石墨烯薄膜作为振膜的增强层时，可减薄多晶硅振膜的总厚度，降低振膜的刚度，从而同时提高振膜的的灵敏度和机械强度。

可选的，第一多晶硅层的厚度为90-250nm；第二多晶硅层的厚度为0-250nm；振膜的总厚度为0.1-0.5μm。

其中，在现有技术中，绝大多数MEMS麦克风的振膜均由单一的多晶硅材料组成，振膜厚度大于0.5μm。若振膜的总厚度小于0.5μm时，振膜很薄容易出现振膜破损，而采用本实用新型提供的第一多晶硅层201、石墨烯层203和第二多晶硅层204的石墨烯增强振膜结构，可以使得振膜的总厚度降低为0.1-0.5μm，在减低现有振膜厚度的同时，可增加振膜的强度，进而同时提高振膜的灵敏度和可靠性。

实施例二

本实用新型实施例提供了一种振膜结构的制备方法，图4是本实用新型实施例二提供的一种振膜结构的制备方法的流程图，该方法包括：

步骤110、提供一基底，在基底上设置有波纹槽。

其中，图5是本实用新型实施例二提供的一种衬底结构的示意图，参考图5，可以通过采用光刻、刻蚀或其它合适的工艺形成波纹槽于基底100中。基底100的材料可以是氧化硅。

步骤120、在基底上设置第一多晶硅层。

其中，图6是本实用新型实施例二提供的一种振膜结构的示意图，参考图6，采用低压化学气相沉气(LPCVD)在基底上沉积第一层多晶硅层201。

步骤130、在第一多晶硅层上设置石墨烯层。

其中，参考图6，可以在第一多晶硅层201上沉积催化剂层202，在催化剂层202上生长石墨烯层203，由于石墨烯材料特殊的生长机制，可以实现绝对单层生长，或双/三层石墨烯的生长。或者可以采用铜蒸汽生长石墨烯层203，将石墨烯层203作为振膜结构的增强层。

步骤140、在石墨烯层上设置第二多晶硅层；其中，第一多晶硅层、石墨烯层和第二多晶硅层依次层叠形成振膜结构，且在波纹槽处均形成波纹结构，第一多晶硅层、石墨烯层和第二多晶硅层的波纹结构依次层叠。

其中，参考图6，采用低压化学气相沉气(LPCVD)沉积第二层多晶硅层204，LPCVD沉积的第二层多晶硅层204覆盖在石墨烯层203上，第一多晶硅201层、石墨烯层203和第二多晶硅层204在波纹槽处均形成波纹结构205。

可选的，在第一多晶硅层上设置石墨烯层，包括：在第一多晶硅层上沉积催化剂层，在催化剂层上生长石墨烯层；或者，在铜蒸汽环境下生长石墨烯层。

其中，在第一层多晶硅层上溅射沉积催化剂层，采用化学气相沉积在催化剂层上生长石墨烯层。或者采用铜蒸汽直接在第一多晶硅层上生长石墨烯层，使铜蒸汽先转变为多晶硅上的熔融液滴状态后实现石墨烯层在其表面进行包覆生长。

步骤150、去除基底。

其中，可以采用常规腐蚀工艺去除基底100，若基底100的材料为氧化硅，可以采用氧化硅腐蚀工艺去除基底100，形成振膜结构。

本实用新型实施例还提供了一种MEMS麦克风，图7是本实用新型实施例二提供的一种MEMS麦克风结构的示意图，MEMS麦克风结构包括：衬底500、本实用新型任意实施例所述的振膜结构200、绝缘层300和背极板400。

其中，衬底500可以为硅衬底，MEMS麦克风结构还包括基底100，基底100设置于衬底500表面，可以在基底100上形成本实用新型任意实施例所述的振膜结构200。并且通过用光刻刻蚀技术手段去除部分衬底500和基底100形成周边支撑，中间自由的振膜结构200。MEMS麦克风是一种电能换声器，主要结构由振膜结构200和背极板400构成，振膜结构200与背极板400间隔一定的距离，形成一近似平行的电容器，当振膜在声波的作用下产生振动时，振膜与背极板400间的电容会随着两者之间距离的变化而改变，从而将声音信号转变为电信号，再经过ASIC电路放大后输出。由于采用本实用新型任意实施例所述的振膜结构200，可以在保证振膜可靠性的同时，提高振膜的灵敏性，由于振膜的灵敏性提高，可以降低振膜与背极板400间的吸合电压，从而有效降低功率的损耗，提高MEMS麦克风的信噪比。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本实用新型中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本实用新型的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。

Claims (6)

1.一种振膜结构，其特征在于，包括：

依次层叠的第一多晶硅层、至少一层石墨烯层和第二多晶硅层；

其中，所述第一多晶硅层、所述石墨烯层和所述第二多晶硅层均具有波纹结构，所述第一多晶硅层、所述石墨烯层和所述第二多晶硅层的波纹结构依次层叠。

2.根据权利要求1所述的振膜结构，其特征在于，还包括：

催化剂层，所述催化剂层设置于所述第一多晶硅层和所述石墨烯层之间。

3.根据权利要求2所述的振膜结构，其特征在于，所述催化剂层为金属层，所述催化剂层的厚度为5-10nm。

4.根据权利要求1所述的振膜结构，其特征在于，所述第一多晶硅层的厚度为90-250nm；所述第二多晶硅层的厚度为0-250nm；所述振膜的总厚度为0.1-0.5μm。

5.根据权利要求1所述的振膜结构，其特征在于，所述石墨烯层为单晶石墨烯层或多晶石墨烯层。

6.一种MEMS麦克风，其特征在于，包括：

衬底、权利要求1-5任一所述的振膜结构、绝缘层和背极板。

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