TW202119830A - 微機電系統麥克風的結構 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種微機電系統麥克風，其包含基底。介電層安置在基底上，具有開口且包含：圍住開口的凹陷區域；從凹陷區域處的凹陷表面延伸到基底的支柱；以及圍住凹陷區域且安置在基底上的外部部分。在支柱之間以及支柱與外部部分之間的凹陷區域處產生信號感測空間。第一電極層安置在介電層的凹陷表面上。第二電極層安置在基底上。感測振膜由介電層固持，感測振膜包含由介電層支撐的兩個彈性振膜；以及在第一彈性振膜與第二彈性振膜之間的導電板。導電板具有嵌入於固持結構中的中心部分和延伸到信號感測空間中的周邊部分。

Description

微機電系統麥克風的結構
本發明涉及微機電系統（Micro Electro Mechanical System，MEMS）麥克風封裝技術，且具體地涉及MEMS麥克風的結構。
麥克風已經基於半導體製造技術進行設計，從而極大地減小了大小。MEMS麥克風是在電子裝置中用於感測聲信號（諸如通信語音）的通用裝置。
MEMS麥克風用以感測聲信號的功能是基於振膜，所述振膜以一定頻率對來自聲信號的空氣壓力（air pressure）作出回應，從而對應於聲信號的頻率和振幅振動。聲信號接著轉換成電信號，以供在周邊電子設備中進行後續應用。
振膜的性能是確定MEMS麥克風的性能的重要因素。然而，常規地，用以通過微型結構傳輸聲信號的空氣熱雜訊通常涉及在偵測中。熱雜訊N通常含有因數
Figure 02_image002
，其中參數T是環境溫度，而非常數。熱雜訊可降低MEMS麥克風的信噪比（signal-noise ratio，SNR）。在實例中，電容式MEMS麥克風的熱噪音源來自流經排氣孔的熱空氣和由於此類區域中的較高聲阻而導致的隔膜與背板之間的間隙。較高熱雜訊的情況可降低MEMS麥克風的SNR。
如何設計MEMS麥克風的振膜在本領域中仍處在發展階段。
本發明提供一種MEMS麥克風的結構。MEMS麥克風不需要具有排氣孔的背板。感測振膜可感測來自聲信號的空氣壓力以引起振動，在振動中同時驅動接地板。包含接地板的電容器形成在介電層中。電容器形成在具有小於環境壓力的減壓的密閉空間中，所述環境壓力是用以傳輸聲信號的介質。在實施例中，本發明的MEMS麥克風不需要具有排氣孔的背板。可降低具有減壓的密閉空間中的感測電容器的熱雜訊。
在實施例中，本發明提供一種MEMS麥克風的結構。MEMS麥克風包括半導體的基底，在基底中具有第一開口。介電層安置在基底上，其中所述介電層具有對應於第一開口的第二開口。介電層包含圍住第二開口的相對於基底的凹陷區域。多個支柱從凹陷區域處的凹陷表面延伸到基底。外部部分圍住凹陷區域且安置在基底上。在支柱之間以及支柱與外部部分之間的凹陷區域處產生信號感測空間。第一電極層支撐在介電層的凹陷表面上。第二電極層支撐在基底上。感測振膜由介電層固持，所述感測振膜包括第一彈性振膜，所述第一彈性振膜在第一側區域處由介電層支撐。第二彈性振膜在第二側區域處由基底支撐。固持結構在第一彈性振膜與第二彈性振膜之間。導電板在第一彈性振膜與第二彈性振膜之間。導電板包括嵌入於固持結構中的中心部分和延伸到信號感測空間中的周邊部分。
在實施例中，本發明也提供MEMS麥克風的結構。MEMS麥克風包括半導體的基底，在基底中具有第一開口。介電層安置在基底上。介電層具有對應於第一開口的第二開口。介電層包含圍住第二開口的相對於基底的凹陷區域。多個支柱從凹陷區域處的凹陷表面延伸到基底。外部部分圍住凹陷區域且安置在基底上。在支柱之間以及支柱與外部部分之間的凹陷區域處產生信號感測空間。第一電極層支撐在介電層的凹陷表面上。第二電極層支撐在基底上。感測振膜由介電層固持，所述感測振膜包括第一彈性環層，所述第一彈性環層在第一側區域處由介電層支撐。第二彈性環層在第二側區域處由基底支撐。豎直環在內側接合第一彈性環振膜與第二彈性環振膜。導電板固定到側壁，安置在第一彈性振膜與第二彈性振膜之間，且延伸到信號感測空間中。硬質振膜固定到豎直環內的側壁。導電板與硬質振膜被固定成一體而一起移位。
在實施例中，本發明也提供MEMS麥克風的結構。MEMS麥克風包括半導體的基底，在基底中具有第一開口。介電層安置在基底上，其中所述介電層具有對應於第一開口的第二開口，介電層包含圍住所述第二開口的相對於基底的凹陷區域。第一電極層支撐在介電層的凹陷表面上。第二電極層支撐在基底上。由介電層固持的感測振膜包括固持在凹陷區域處的介電層與基底之間的彈性部分。中心硬質區域接收空氣聲壓且回應於所述聲壓而相應移位。電極部分固定到中心硬質區域且延伸到第一電極層與第二電極層之間的信號感測空間中。電極部分和中心硬質區域一起移位元。
本發明涉及一種MEMS麥克風的結構。MEMS麥克風不需要具有排氣孔的背板。感測振膜可直接感測來自聲信號的空氣壓力以引起振動，在振動中同時驅動用作接地板的導電板。包含導電板的電容器形成在凹陷區域處的介電層內部。本發明的MEMS麥克風接著不需要具有排氣孔的背板。末端處的凹陷區域是具有小於環境壓力的減壓的密封空間。感測電容器形成在具有減壓的密封空間內部。在此凹陷區域中，電容器上的空氣流量減少，且可降低熱雜訊。
提供若干實施例來描述本發明。然而，本發明不限於所提供的實施例。另外，在實施例之間也可進行組合。
圖1是示意性地示出根據本發明的實施例的所觀察的MEMS麥克風的結構的橫截面視圖的示意圖。參看圖1，觀察設計有背板和排氣孔的MEMS麥克風。關於常用MEMS麥克風，提供矽基底50作為結構基底。基底50具有用作MEMS麥克風中的空腔的開口60。介電層52安置在基底50上。介電層52還具有對應於基底50中的開口60的開口，從而將振膜58固持在開口內。背板54在區域62內有排氣孔。振膜58對聲信號作出回應而振動，從而引起背板54與振膜58之間電容的變化。空氣是用以傳輸聲信號的聲介質，其中存在聲阻。在傳輸聲信號期間的來自空氣的熱雜訊通常包含在檢測中。熱雜訊N通常與因數
Figure 02_image002
成比例，其中環境空氣的環境溫度T將影響檢測。
在實施例中，進一步提出不包含背板的MEMS麥克風。可降低感測電容器上的熱雜訊。圖2是示意性地示出根據本發明的實施例的MEMS麥克風的俯視透視圖的示意圖。圖3是示意性地示出根據本發明的實施例的示意圖2中的切線I-I上的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。圖4是示意性地示出根據本發明的實施例的示意圖2中的切線II-II上的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。
參看圖3和圖4以及圖2，將介電層100安置在具有開口60的基底50上。介電層100還具有對應於基底50的開口60的開口以形成聲信號的檢測空間。介電層100具有圍住開口60的凹陷區域150。感測振膜106包含彈性振膜200，所述彈性振膜在如由基底50固持的下部部分處。另一彈性振膜202在如由凹陷區域150的凹陷表面上的介電層100固持的上部部分處。彈性振膜200、彈性振膜202響應於來自聲信號的空氣壓力而上下移位。感測振膜106還包含牢固地固持在彈性振膜200與彈性振膜202之間的導電板204。
在實施例中，在彈性振膜200與彈性振膜202之間實施固持結構以牢固地固持導電板204。在由基底50和介電層100固持的末端部分處的彈性振膜200和彈性振膜202將回應於聲信號的頻率和振幅上下振動，且接著驅動導電板204相應地上下振動。
在實施例中，在彈性振膜200與彈性振膜202之間的固持結構可包含介電材料206以固持導電板204。為了具有感測振膜106的牢固結構，同樣垂直地實施多個支撐壁208以固持彈性振膜200、導電板204以及彈性振膜202。取決於感測振膜106的幾何形狀，在從頂部觀察時，支撐壁208可為柵格結構。然而，支撐壁208可在不限於實施例的情況下根據實際設計來實施。最外側支撐壁將圍封介電材料206。因此，彈性振膜200和彈性振膜202的周邊部分保持彈性，且具有固持結構的中心部分成為用以感測聲信號的牢固部分。感測振膜106的彈性周邊區域允許感測振膜106上下振動。
進一步描述回應於聲信號來形成電容器的機制。在實施例中，如從圖3和圖4中可更詳細地看出，導電板204具有周邊部分204a，所述周邊部分延伸到介電層100的凹陷區域150中的感測區域64。介電層100的凹陷區域150形成信號感測空間260。然而，為了具有用以維持凹陷區域150處的介電層100的足夠的機械強度，形成從凹陷區域150的凹陷表面延伸到基底50的多個支柱102。凹陷區域150處的介電層100將不會塌陷。支柱分佈在圍住開口60的凹陷區域150中。介電層100具有作為主體的外部部分，所述外部部分安置在基底50上且圍住凹陷區域150。在支柱102之間以及支柱102與介電層100的外部部分之間的凹陷區域150處產生信號感測空間260。
信號感測空間260是密閉的，且此信號感測空間260中的空氣壓力可小於環境壓力，從而降低來自所形成的感測電容器上的空氣阻力的雜訊。具有支撐層104的最外側支撐壁208形成密閉空間。
電極層200a安置在基底50上。此處，在實施例中，電極層200a可為彈性振膜200的延伸部分以降低製造複雜度。彈性振膜200是金屬，同樣用作電極層200a。然而，在實施例中，電極層200a可為不同於彈性振膜200的導電材料。同樣地，電極層202a安置在凹陷區域150處的介電層100上。電極層202a可為彈性振膜202的延伸部分以降低製造複雜度。彈性振膜202是金屬，同樣用作電極層202a。然而，在實施例中，電極層202a可為不同於彈性振膜202的導電材料。支撐層104可用於另外支撐電極層200a和電極層202a，並且還在周邊部分支撐兩個彈性振膜200、彈性振膜202。
兩個電極層200a、電極層202a之間的導電板204的周邊部分204a形成串聯連接的兩個電容器。如稍後將詳細地描述的，導電板204的周邊部分204a隨著聲信號的頻率和振幅以振動方式上下移位元。將檢測到的電容的變化轉換成各種應用中的外部電子電路的聲信號的電信號。
如所提到的，圖3中的橫截面結構將橫跨介電層100的支柱102。然而，圖3中的橫截面結構將不會橫跨介電層100的支柱102。接著，未繪示支柱。信號感測空間260分佈在介電層100的整個凹陷區域150上方
圖5是示意性地示出根據本發明的實施例的MEMS麥克風的介電層的平面圖的示意圖。參看圖5，詳細繪示與介電層100相關的導電板204的平面圖。導電板204的周邊部分延伸到介電層100的凹陷區域150中。當凹陷區域150在導電板204的平面處進行切分時具有如所繪示的支柱102。信號感測空間260圍住支柱102。換句話說，支柱在周邊部分處穿透導電板204。如從圖3中可看出，導電板204的中心部分由兩個彈性振膜200、彈性振膜202之間的固持結構固持。
圖6是示意性地示出根據本發明的實施例的在空閒狀態下操作的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。參看圖6，導電板204的周邊部分204a位於信號感測空間260內的兩個電極層200a、電極層202a之間。在電子檢測機制中，向實施例中的導電板204施加公共電壓，而向電極層200a施加電壓且向電極層202a施加另一電壓。在實施例中，電極層200a和彈性振膜200可由同一預備層製造，但電極層200a和彈性振膜200是電分離的。電極層202a和彈性振膜202也是電分離的。當沒有聲信號或沒有空氣壓力施加到感測振膜106時，感測放大器未檢測到電壓變化。
圖7是示意性地示出根據本發明的實施例的在感測狀態下操作的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。參看圖7，當將來自聲信號的下降空氣壓力施加到感測振膜106時，向下驅動導電板204的周邊部分204a，從而更加靠近電極層200a。接著檢測電壓變化。
圖8是示意性地示出根據本發明的實施例的在感測狀態下操作的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。參看圖8，當將來自聲信號的上升空氣壓力施加到感測振膜106時，向上驅動導電板204的周邊部分204a，從而更加靠近電極層202a。接著以與圖7中信號相反的符號檢測電壓變化。
如圖7和圖8中所提到的，檢測到的電信號對應於聲信號。然而，兩個電容器形成在密閉信號感測空間260中。在實施例中，可降低具有減壓的密閉感測空間260中的感測電容器上的熱雜訊。在本發明中，不再需要具有電極層和排氣孔的背板。
在另一方面中，可進一步修改感測振膜106。圖9是示意性地示出根據本發明的實施例的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。參看圖9，感測振膜另外可具有平衡孔302，使得可改進兩側的壓力平衡。另外，抗靜摩擦結構300可形成在電極層200a、電極層202a和/或導電板204上以避免在電極層200a、電極層202a與導電板204之間發生靜摩擦。
圖10是示意性地示出根據本發明的實施例的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。參看圖10，在另一實施例中，彈性振膜200、彈性振膜202也可具有刻蝕孔304。可通過刻蝕孔304執行額外刻蝕工藝，從而可去除介電材料。在此情況下，兩個彈性振膜200、彈性振膜202之間的固持結構是支撐壁208。
圖11是示意性地示出根據本發明的實施例的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。參看圖11，感測振膜106可包含中心部分處的固體感測振膜250。然而，仍保留如前述實施例中所描述的彈性振膜200、彈性振膜202的周邊部分。接著仍保持圖7和圖8中繪示的彈性效果。換句話說，固體感測振膜250可以振動形式機械地驅動周邊部分204a。接著在從頂部觀察時，支撐壁208'為環，以接合彈性振膜200、彈性振膜202，並且還形成密閉信號感測空間260。在實施例中，密閉信號感測空間260具有小於環境壓力的壓力。在實例中，感測電容器實際上形成在減少氣流效應的密閉信號感測空間260中。
圖12A到圖12J是示意性地示出根據本發明的實施例的製造流程中的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。參看圖12A，介電層206形成在基底50上。感測振膜的結構已形成且嵌入於介電層206中。如前述描述，感測振膜包含兩個彈性振膜200、彈性振膜202、導電板204、在兩個彈性振膜200、彈性振膜202之間的固持結構。固持結構包含介電層206和支撐壁208的一部分。也可包含支撐層104以固持電極層200a、電極層202a。電極層200a、電極層202a可在形成兩個彈性振膜200、彈性振膜202的同時形成，但電分離。
參看圖12B，具有開口402的光阻層400形成在介電層206上。接著，執行刻蝕工藝以刻蝕介電層206，從而暴露頂部部分處的支撐層104。
參看圖12C，去除光阻層400，且另一光阻層404形成在介電層206和支撐層104上。光阻層404具有用以暴露介電層206的開口。接著刻蝕介電層206以具有開口406，從而暴露基底50。保留開口406以在稍後形成支柱102。
參看圖12D，在去除光阻層404之後，另一介電層100形成在介電層206上方。同樣將介電層100填充到圖12C中的開口406中，從而形成作為介電層100的一部分的支柱102。從另一個角度來看，介電層100在適配支柱102和電極層200a、電極層202a以及支撐層104時具有凹陷區域150。
參看圖12E，具有開口圖案的光阻層408形成在介電層100上。接著刻蝕介電層100以具有開口410，從而暴露介電層206。介電層100的材料（諸如氮化物）可不同於介電層206，諸如氧化物。
參看圖12F，在去除光阻層408之後，通過介電層100中的開口410刻蝕掉介電層206。由所去除的介電層206的部分佔據的空間是自由的，用作信號感測空間，但尚未形成為密閉空間。
參看圖12G，另一介電層412填充開口410，信號感測空間260形成為密閉空間。此處，在實施例中，當形成密閉空間時，控制真空度以具有小於環境壓力的壓力。介電層412實際上作為介電層100的一部分與介電層100合併。
參看圖12H，具有開口圖案的光刻膠層414形成在介電層412上。開口圖案對應於待釋放的感測振膜106（見圖3）區域。刻蝕介電層412和介電層100以暴露介電層206。在此階段，具有介電層412的介電層100在中心部分具有開口。凹陷區域150圍住開口。信號感測空間260形成在介電層100的凹陷區域150處，其仲介電層412作為密閉空間密封。
參看圖12I，去除光刻膠層414。具有開口圖案的另一光刻膠層416形成在基底50的底側上。接著，刻蝕基底50以形成開口60，其中由開口60暴露或釋放底側的介電層206。
參看圖12J，去除彈性振膜200、彈性振膜202之外的介電層206的一部分。接著暴露彈性振膜200、彈性振膜202。在此階段中，釋放感測振膜106。
一般來說，本發明已提供不包含具有排氣孔的背板的MEMS麥克風。感測振膜直接感測聲信號。電容器形成在介電層100的凹陷區域150處，且接著可以不包含背板。
關於前述描述，在實施例中，本發明提供MEMS麥克風的結構。MEMS麥克風包括半導體的基底，在基底中具有第一開口。介電層安置在基底上，其中所述介電層具有對應於第一開口的第二開口。介電層包含圍住第二開口的相對於基底的凹陷區域。多個支柱從凹陷區域處的凹陷表面延伸到基底。外部部分圍住凹陷區域且安置在基底上。在支柱之間以及支柱與外部部分之間的凹陷區域處產生信號感測空間。第一電極層支撐在介電層的凹陷表面上。第二電極層支撐在基底上。感測振膜由介電層固持，所述感測振膜包括第一彈性振膜，所述第一彈性振膜在第一側區域處由介電層支撐。第二彈性振膜在第二側區域處由基底支撐。固持結構在第一彈性振膜與第二彈性振膜之間。導電板在第一彈性振膜與第二彈性振膜之間。導電板包括嵌入於固持結構中的中心部分和延伸到信號感測空間中的周邊部分。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，其更包括在介電層的凹陷表面上的用以支撐第一電極層的第一支撐層和在基底上的用以支撐第二電極層的第二支撐層，其中第一支撐層和第二支撐層固持感測振膜。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，導電板的周邊部分在第一電極層與第二電極層之間以形成串聯連接的兩個電容器。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，在第一彈性振膜與第二彈性振膜之間的固持結構包括在第一彈性振膜與導電板之間以及第二彈性振膜與導電板之間的介電部分。介電部分中的多個支撐壁在第一彈性振膜與導電板之間以及第二彈性振膜與導電板之間。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，在第一彈性振膜與第二彈性振膜之間的固持結構包括多個支撐壁，用以支撐在第一彈性振膜與導電板之間並且支撐在第二彈性振膜與導電板之間。第一彈性振膜和第二彈性振膜包括多個孔，暴露支撐壁的一側。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，支柱分佈成圍住介電層的第二開口。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，其更包括在信號感測空間內的第一電極層、第二電極層以及導電板中的至少一個上突出的抗靜摩擦。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，感測振膜包括與基底中的第一開口連接的通孔。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，由介電層固持的第一彈性振膜和第二彈性振膜的周邊部分是彈性部分，以在作為硬質部分的中心部分接收空氣聲壓時具有彎曲移位。
在實施例中，本發明也提供MEMS麥克風的結構。MEMS麥克風包括半導體的基底，在基底中具有第一開口。介電層安置在基底上。介電層具有對應於第一開口的第二開口。介電層包含圍住第二開口的相對於基底的凹陷區域。多個支柱從凹陷區域處的凹陷表面延伸到基底。外部部分圍住凹陷區域且安置在基底上。在支柱之間以及支柱與外部部分之間的凹陷區域處產生信號感測空間。第一電極層支撐在介電層的凹陷表面上。第二電極層支撐在基底上。感測振膜由介電層固持，所述感測振膜包括第一彈性環層，所述第一彈性環層在第一側區域處由介電層支撐。第二彈性環層在第二側區域處由基底支撐。豎直環在內側接合第一彈性環振膜與第二彈性環振膜。導電板固定到側壁，安置在第一彈性振膜與第二彈性振膜之間，且延伸到信號感測空間中。硬質振膜固定到豎直環內的側壁。導電板與硬質振膜被固定成一體而一起移位。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，其更包括在介電層的凹陷表面上的用以支撐第一電極層的第一支撐層和在基底上的用以支撐第二電極層的第二支撐層，其中第一支撐層和第二支撐層固持感測振膜。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，導電板在第一電極層與第二電極層之間以形成串聯連接的兩個電容器。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，第一彈性環層和第二彈性環層是彈性部分且在硬質振膜上下移位時彎曲。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，支柱分佈成圍住介電層的第二開口。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，其更包括在信號感測空間內的第一電極層、第二電極層以及導電板中的至少一個上突出的抗靜摩擦。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，硬質振膜包括金屬。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，感測振膜包括與基底中的第一開口連接的通孔。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，由介電層固持的第一彈性環層和第二彈性環層是彈性結構，以在硬質振膜接收空氣聲壓時具有彎曲移位。
在實施例中，本發明也提供MEMS麥克風的結構。MEMS麥克風包括半導體的基底，在基底中具有第一開口。介電層安置在基底上，其中所述介電層具有對應於第一開口的第二開口，介電層包含圍住所述第二開口的相對於基底的凹陷區域。第一電極層支撐在介電層的凹陷表面上。第二電極層支撐在基底上。由介電層固持的感測振膜包括固持在凹陷區域處的介電層與基底之間的彈性部分。中心硬質區域接收空氣聲壓且回應於聲壓而相應移位。電極部分固定到中心硬質區域且延伸到第一電極層與第二電極層之間的信號感測空間中。電極部分和中心硬質區域一起移位元。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，其更包括在介電層的凹陷表面上的用以支撐第一電極層的第一支撐層和在基底上的用以支撐第二電極層的第二支撐層，其中第一支撐層和第二支撐層固持感測振膜。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，感測振膜的電極部分在第一電極層與第二電極層之間以形成串聯連接的兩個電容器。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，介電層還包含：多個支柱，從凹陷區域處的凹陷表面延伸到基底；以及外部部分，圍住凹陷區域且安置在基底上，其中在支柱之間以及支柱與外部部分之間的凹陷區域處產生信號感測空間。
在實施例中，關於MEMS麥克風的結構，支柱分佈成圍住介電層的第二開口。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
50:基底 52、100、412:介電層 54:背板 58:振膜 60、402、406、410:開口；102:支柱 62:區域 64:感測區域 104:支撐層 106:感測振膜 150:凹陷區域 200、202:彈性振膜 200a、202a:電極層 204:導電板 204a:周邊部分 206:介電材料 208、208':支撐壁 250:固體感測振膜 260:信號感測空間 300:抗靜摩擦結構 302:平衡孔 304:刻蝕孔 400、404、408、光阻層 414、416:光刻膠層
圖1是示意性地示出根據本發明的實施例的所觀察的MEMS麥克風的結構的橫截面視圖的示意圖。 圖2是示意性地示出根據本發明的實施例的MEMS麥克風的俯視透視圖的示意圖。 圖3是示意性地示出根據本發明的實施例的示意圖2中的切線I-I上的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。 圖4是示意性地示出根據本發明的實施例的示意圖2中的切線II-II上的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。 圖5是示意性地示出根據本發明的實施例的MEMS麥克風的介電層的平面圖的示意圖。 圖6是示意性地示出根據本發明的實施例的在空閒狀態下操作的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。 圖7是示意性地示出根據本發明的實施例的在感測狀態下操作的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。 圖8是示意性地示出根據本發明的實施例的在感測狀態下操作的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。 圖9是示意性地示出根據本發明的實施例的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。 圖10是示意性地示出根據本發明的實施例的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。 圖11是示意性地示出根據本發明的實施例的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。 圖12A到圖12J是示意性地示出根據本發明的實施例的製造流程中的MEMS麥克風的橫截面視圖的示意圖。
50:基底
60:開口
64:感測區域
100:介電層
102:支柱
104:支撐層
106:感測振膜
150:凹陷區域
200、202:彈性振膜
200a、202a:電極層
204:導電板
204a:周邊部分
206:介電材料
208:支撐壁
260:信號感測空間

Claims (26)

  1. 一種微機電系統（MEMS）麥克風的結構，包括： 半導體的基底，在所述基底中具有第一開口； 介電層，安置在所述基底上，其中所述介電層具有對應於所述第一開口的第二開口，所述介電層包含： 相對於所述基底的凹陷區域，圍住所述第二開口； 多個支柱，從所述凹陷區域處的凹陷表面延伸到所述基底；以及 外部部分，圍住所述凹陷區域且安置在所述基底上，其中在所述支柱之間以及所述支柱與所述外部部分之間的所述凹陷區域處產生信號感測空間； 第一電極層，支撐在所述介電層的所述凹陷表面上； 第二電極層，支撐在所述基底上；以及 感測振膜，由所述介電層固持，包括： 第一彈性振膜，在第一側區域處由所述介電層支撐； 第二彈性振膜，在第二側區域處由所述基底支撐； 固持結構，在所述第一彈性振膜與所述第二彈性振膜之間；以及 導電板，在所述第一彈性振膜與所述第二彈性振膜之間，其中所述導電板包括： 中心部分，嵌入於所述固持結構中；以及 周邊部分，延伸到所述信號感測空間中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風的結構，更包括在所述介電層的所述凹陷表面上的用以支撐所述第一電極層的第一支撐層和在所述基底上的用以支撐所述第二電極層的第二支撐層，其中所述第一支撐層和所述第二支撐層固持所述感測振膜。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述導電板的所述周邊部分在所述第一電極層與所述第二電極層之間以形成串聯連接的兩個電容器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風的結構，其中在所述第一彈性振膜與所述第二彈性振膜之間的所述固持結構包括： 介電部分，在所述第一彈性振膜與所述導電板之間且在所述第二彈性振膜與所述導電板之間； 多個支撐壁，在所述介電部分中、在所述第一彈性振膜與所述導電板之間以及在所述第二彈性振膜與所述導電板之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風的結構，其中在所述第一彈性振膜與所述第二彈性振膜之間的所述固持結構包括： 多個支撐壁，用以支撐在所述第一彈性振膜與所述導電板之間並且支撐在所述第二彈性振膜與所述導電板之間， 其中所述第一彈性振膜和所述第二彈性振膜包括多個孔，暴露所述支撐壁的一側。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述支柱分佈成圍住所述介電層的所述第二開口。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風的結構，更包括在所述信號感測空間內的所述第一電極層、所述第二電極層以及所述導電板中的至少一個上突出的抗靜摩擦。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述感測振膜包括與所述基底中的所述第一開口連接的通孔。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風的結構，其中由所述介電層固持的所述第一彈性振膜和所述第二彈性振膜的周邊部分是彈性部分，以在作為硬質部分的所述中心部分接收空氣聲壓時具有彎曲移位。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述信號感測空間在小於環境壓力的壓力下是密閉的。
  11. 一種微機電系統（MEMS）麥克風的結構，包括： 半導體的基底，在所述基底中具有第一開口； 介電層，安置在所述基底上，其中所述介電層具有對應於所述第一開口的第二開口，所述介電層包含： 相對於所述基底的凹陷區域，圍住所述第二開口； 多個支柱，從所述凹陷區域處的凹陷表面延伸到所述基底；以及 外部部分，圍住所述凹陷區域且安置在所述基底上，其中在所述支柱之間以及所述支柱與所述外部部分之間的所述凹陷區域處產生信號感測空間； 第一電極層，支撐在所述介電層的所述凹陷表面上； 第二電極層，支撐在所述基底上； 感測振膜，由所述介電層固持，包括： 第一彈性環層，在第一側區域處由所述介電層支撐； 第二彈性環層，在第二側區域處由所述基底支撐； 豎直環，在內側接合所述第一彈性環振膜與所述第二彈性環振膜； 導電板，固定到所述側壁，安置在所述第一彈性振膜與所述第二彈性振膜之間，且延伸到所述信號感測空間中；以及 硬質振膜，固定到所述豎直環內的所述側壁， 其中所述導電板與所述硬質振膜被固定成一體而一起移位。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風的結構，更包括在所述介電層的所述凹陷表面上的用以支撐所述第一電極層的第一支撐層和在所述基底上的用以支撐所述第二電極層的第二支撐層，其中所述第一支撐層和所述第二支撐層固持所述感測振膜。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述導電板在所述第一電極層與所述第二電極層之間以形成串聯連接的兩個電容器。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述第一彈性環層和所述第二彈性環層是彈性部分且在所述硬質振膜上下移位時彎曲。
  15. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述支柱分佈成圍住所述介電層的所述第二開口。
  16. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風的結構，其中如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風的結構，更包括在所述信號感測空間內的所述第一電極層、所述第二電極層以及所述導電板中的至少一個上突出的抗靜摩擦。
  17. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述硬質振膜包括金屬。
  18. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述感測振膜包括與所述基底中的所述第一開口連接的通孔。
  19. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風的結構，其中由所述介電層固持的所述第一彈性環層和所述第二彈性環層是彈性結構，以在所述硬質振膜接收空氣聲壓時具有彎曲移位。
  20. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述信號感測空間在小於環境壓力的壓力下是密閉的。
  21. 一種微機電系統（MEMS）麥克風的結構，包括： 半導體的基底，在所述基底中具有第一開口； 介電層，安置在所述基底上，其中所述介電層具有對應於所述第一開口的第二開口，所述介電層包含圍住所述第二開口的相對於所述基底的凹陷區域； 第一電極層，支撐在所述介電層的所述凹陷表面上； 第二電極層，支撐在所述基底上； 感測振膜，由所述介電層固持，包括： 彈性部分，固持在所述凹陷區域處的所述介電層與所述基底之間； 中心硬質區域，用以接收空氣聲壓且回應於所述聲壓而相應移位；以及 電極部分，固定到所述中心硬質區域且延伸到所述第一電極層與所述第二電極層之間的所述信號感測空間中，其中所述電極部分和所述中心硬質區域一起移位元。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的微機電系統麥克風的結構，更包括在所述介電層的所述凹陷表面上的用以支撐所述第一電極層的第一支撐層和在所述基底上的用以支撐所述第二電極層的第二支撐層，其中所述第一支撐層和所述第二支撐層固持所述感測振膜。
  23. 如申請專利範圍第21項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述感測振膜的所述電極部分在所述第一電極層與所述第二電極層之間以形成串聯連接的兩個電容器。
  24. 如申請專利範圍第21項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述介電層還包含： 多個支柱，從所述凹陷區域處的凹陷表面延伸到所述基底；以及 外部部分，圍住所述凹陷區域且安置在所述基底上，其中在所述支柱之間以及所述支柱與所述外部部分之間的所述凹陷區域處產生信號感測空間。
  25. 如申請專利範圍第24項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述支柱分佈成圍住所述介電層的所述第二開口。
  26. 如申請專利範圍第21項所述的微機電系統麥克風的結構，其中所述信號感測空間在小於環境壓力的壓力下是密閉的。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11575996B2 (en) * 2018-11-30 2023-02-07 Knowles Electronics, Llc Intrinsic-stress self-compensated microelectromechanical systems transducer
US11760627B2 (en) * 2021-06-10 2023-09-19 Invensense, Inc. MEMS stress reduction structure embedded into package
CN118138971B (zh) * 2024-05-10 2024-06-28 地球山(苏州)微电子科技有限公司 一种发声单元和发声单元的制作方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1682859A4 (en) * 2003-08-11 2007-08-22 Analog Devices Inc CAPACITIVE SENSOR
CN103380629B (zh) * 2011-02-25 2017-06-13 诺基亚技术有限公司 换能器设备
US9409763B2 (en) 2012-04-04 2016-08-09 Infineon Technologies Ag MEMS device and method of making a MEMS device
KR101493335B1 (ko) * 2013-05-23 2015-02-16 (주)파트론 단일지향성 멤스 마이크로폰 및 멤스 소자
US9181080B2 (en) 2013-06-28 2015-11-10 Infineon Technologies Ag MEMS microphone with low pressure region between diaphragm and counter electrode
US8934649B1 (en) * 2013-08-29 2015-01-13 Solid State System Co., Ltd. Micro electro-mechanical system (MEMS) microphone device with multi-sensitivity outputs and circuit with the MEMS device
US10104478B2 (en) * 2015-11-13 2018-10-16 Infineon Technologies Ag System and method for a perpendicular electrode transducer
DE102016114047B4 (de) * 2016-07-29 2020-07-02 Infineon Technologies Ag Mikroelektromechanische Vorrichtung mit ineinandergreifenden Fingerstrukturen
CN206061135U (zh) * 2016-08-22 2017-03-29 上海微联传感科技有限公司 一种mems麦克风
KR101807146B1 (ko) * 2016-09-09 2017-12-07 현대자동차 주식회사 고감도 마이크로폰 및 그 제조 방법
GB2554470A (en) 2016-09-26 2018-04-04 Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd MEMS device and process
US10250998B2 (en) * 2016-10-26 2019-04-02 Solid State Systems Co., Ltd. Micro-electro-mechanical systems (MEMS) device and method for fabricating the MEMS
GB2568321A (en) * 2017-11-09 2019-05-15 Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd MEMS devices and processes

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