TW202126062A - 微機電系統的麥克風結構 - Google Patents

Abstract

在一個實施例中，本發明提供一種微機電系統(MEMS)麥克風的結構，包括半導體基板，基板具有第一開口。介電層設置在基板上並具有介電開口。振膜位於介電開口內，由周邊區域的介電層所支撐，其中振膜具有振膜開口。背板設置在振膜上方的介電層上。突出結構設置在背板上，並朝向振膜突出。至少一個空氣閥板固定在振膜開口內的突出結構的一端。當氣流受到壓力時，空氣閥板會被啟動。

Description

微機電系統的麥克風結構

本發明是關於一種半導體製程，且特別是關於一種微機電系統(micro-electro-mechanical-system, MEMS)的麥克風。

拜半導體製程技術所賜，麥克風透過設計已大大縮小了尺寸。MEMS麥克風是電子設備中用於感測例如通訊語音之類的聲音訊號的常用設備。

MEMS麥克風感測聲音訊號的方式是根據振膜(diaphragm)，振膜會以一頻率回應來自於聲音訊號的空氣壓力，從而與聲音訊號的頻率和振幅相對應地振動，聲音訊號隨後被轉換成電的訊號以用於之後的周圍電子設備中。

MEMS麥克風的振膜是有彈性的，以便於回應氣壓。在這種情況下，如果MEMS麥克風的振膜突然受到了過高的壓力，則可能會受到損害。振膜上突然的氣壓平衡仍然是目前要解決的問題。

因此，如何設計MEMS麥克風的振膜在本領域仍然在發展中。

本發明提供一種MEMS麥克風結構。MEMS麥克風的振膜設計具有一空氣閥板結構，以便能平衡突然的氣壓。振膜可因此受到進一步的保護。

在一個實施例中，本發明提供了一種MEMS麥克風結構，包括半導體基板，該基板具有第一開口。介電層設置在基板上，具有介電開口。振膜位在介電開口內並由在外圍區域的介電層所支撐，其中，振膜具有振膜開口。背板設置在振膜上方的介電層上。突出結構設置在背板上，朝向振膜突出。至少一個空氣閥板固定在振膜的振膜開口內的突出結構的一端上。當受到氣流的壓力時，空氣閥板會被啟動。

在一個實施例中，本發明還提供了一種MEMS麥克風結構，包括基板，基板上的介電層和介電層上的背板。振膜包括由介電層支撐的感測部分，以回應來自聲音訊號的壓力變化，其中，感測部分至少包括振膜開口。至少一個空氣閥板設置在振膜開口內與感測部分相同的高度處。當受到來自聲音訊號以外的氣流時，具有彈簧部分的空氣閥板被啟動。

在一個關於MEMS麥克風結構的實施例中，空氣閥板包括：固定在背板上的底板；擺動板；彈簧接頭，連接在底板和擺動板之間。擺動板會回應於氣流的壓力而振動。

本發明是提供一種MEMS麥克風結構。MEMS麥克風的振膜具有空氣閥板，可以防止突然的氣壓。

本發明提供用於描述的多個實施例，但是本發明不限於所提供的多個實施例。此外，可以在實施例之間進行適當的結合。

MEMS麥克風的振膜用於從聲音訊號的振幅和頻率中感測空氣壓力的變化。為了對聲音訊號敏感，振膜非常的柔軟，因而可能會過度彎曲。在這種情況下，機械強度可能不足以抵抗突然的空氣壓力，在這種情況下，振幅會過大以致無法驅動振膜。由於空氣壓力突然過高，振膜可能會損壞。

本發明提出了一種使用振膜實現的空氣閥板，以釋放突然的氣壓，同時空氣流（通常是不預期的氣流）被MEMS麥克風接收。

圖1是依據本發明一實施例描繪的MEMS麥克風結構的剖面示意圖。圖2是依據本發明一實施例描繪的MEMS麥克風的一部分的透視俯視圖。

請參閱圖1和圖2，提供例如矽基板的基板100作為結構基礎。介電層102設置在基板100上。振膜104由在外圍區域的介電層102所支撐。基板100具有開口，而介電層102也具有與基板100的開口相對應的介電開口，一同構成為整體開口。振膜104可以由介電開口將其釋放出來，使得振膜104的中央感測部分被暴露出來。振膜104具有開口150，被保留來形成振膜104的開口150內的空氣閥板106。

在一個實施例中，在同一個的圖案化過程空氣閥板106可以和振膜104是相同的材料。在一個實施例中，取決於振膜104的實際形成方式，振膜104可以是單層或多種材料的堆疊層。然而，空氣閥板106被圖案化以與振膜104分離，空氣閥板106被局部地設置在開口150內。空氣閥板106的數量可以是一個或多個。詳細的結構將在稍後進一步描述。

空氣閥板106透過突出結構110固定到介電層102上，其中，背板112設置在介電層102上以提供保護和作為電極板。突出結構110位於背板112和空氣閥板106之間，從而空氣閥板106固定到介電層102上。背板112具有通風孔112A和通風孔114。通風孔114對應於空氣閥板106。

圖1所示為空氣閥板106結構的剖面示意圖，而圖2所示為空氣閥板106的平面視圖。空氣閥板106包括一個基部，透過突出結構110牢固地固定在背板112上。在一個實施例中，空氣閥板106還包括彈簧接頭106A和擺動板106B。彈簧接頭106A連接在基部和擺動板106B之間。由於彈簧接頭106A的彈簧作用，擺動板可以擺動回應通過振膜102的開口150以及通風孔114的空氣流。振膜102的開口150內的空氣閥板106到振膜102之間具有狹縫108。

在一個實施例中，空氣閥板106的基部具有開口152的環形結構，如圖2所示。開口152中配置有擺動板106B，其中狹縫108A是介於擺動板106B和空氣閥板106的基部之間。圖4至圖6C稍後將描述示例中的操作機制。

在一個實施例中，空氣閥板106的基部是環形結構。為了支撐空氣閥板106的基部，在一些實施例中，突出結構110可以是單個部分，多個部分或環狀結構，其對應於空氣閥板106的基部的環狀結構，但是本發明不僅限於這些多個實施例。在圖2的示例中，突出結構100具有兩個部分，其沿著空氣閥板106的基部的兩側分佈，從而牢固地固定空氣閥板106。而在一個例子中，擺動板106B可回應於突然的氣流的空氣壓力而擺動。如前所述，示例中的狹縫108和狹縫108A可以與製造期間的振膜104的切割部分相同。狹縫108、108A可以是窄的，使得振膜104通常可在沒有太多空氣洩漏的情況下接收聲音訊號。空氣閥板106在受到足夠大的壓力的空氣流時會被啟動，該壓力足以根據彈簧接頭106A的彈性强度來使擺動板106B擺動。然而，本發明不僅限於實施例。如還注意到的，空氣閥板106的基部的環形結構的幾何形狀不限於矩形。它可以是圓形或任何合適的形狀以適應擺動板106B。

圖3是依據本發明一實施例描繪的MEMS麥克風的一部分的透視俯視圖。請參閱圖3，它是類似圖2的結構，但突出結構110被修改為環形結構。在這個實施例中，突出結構110對應於空氣閥板106的基部並且圍繞空氣閥板106的擺動板106B。

在本發明實施例的空氣閥板106的基礎上，進一步描述了空氣的釋放機制。圖4是依據本發明一實施例描繪的操作狀態下的MEMS麥克風的剖面示意圖。

請參閱圖4，當突然的氣流（如粗箭頭所示）進入MEMS麥克風的背板112時。氣流可進入通風孔112A和通風孔114。通風孔112A基本上是用於接收聲音訊號，而在操作期間通風孔112A也用來為振膜104提供壓力平衡。在示例中，除了聲音訊號之外，氣流還可以進入通風孔112A並到達振膜104，在振膜104中，振膜104經受氣流並因此彎曲。然而，一部分空氣流可以進入通風孔114並到達空氣閥板106。

在這種情況下，進入背板112的通風孔114的氣流將啟動空氣閥板106，其中擺動板106B會因為彈簧接頭106A與空氣閥板106的基部連接而彎曲。基部固定在背板112處的突出結構110上。狹縫108和狹縫108A開得夠大以讓空氣流過(如細箭頭所示)。通常，振膜104的外圍區域是易碎且容易損壞的部分。空氣閥板106在外圍區域被執行釋放氣流，特別是對於突然過高的空氣流。

圖5是依據本發明一實施例描繪的操作狀態下的MEMS麥克風的剖面示意圖。請參閱圖5，氣流可以從基板100的開口進入，類似於圖4的機制會被啟動。狹縫108和狹縫108A開得夠大以讓空氣流過。

圖6A至圖6C是依據本發明一實施例描繪的空氣閥板的保護機制圖。請參閱圖6A至圖6C，也如同圖5所示，描述了擺動板在回應氣流時的細節。以來自基板的氣流為例，空氣閥板106的剖面狀態如圖6A中沿AA線所示。如圖6B所示，空氣閥板106的基部透過突出結構110固定在背板112上，使得基部基本上不被氣流移動。氣流到達空氣閥板106的擺動板106B。由於彈簧接頭106A，空氣閥板106向上擺動。狹縫108打開，使得相對於空氣閥板106的氣流的一部分可以流過。由於空氣閥板106，振膜104承受氣流時的壓力可以減小。

請進一步參閱圖6C，示出了空氣閥板106沿圖6A中的BB線的狀態。擺動板106B被提起來使得狹縫108能有效地打開，以釋放氣流。

圖7是依據本發明一實施例描繪的MEMS麥克風的剖面示意圖和剖面頂視圖。請參閱圖7，圖的上半部是MEMS麥克風的剖面結構。圖的下半部是根據另一實施例的空氣閥板106的平面圖。

實施例中的空氣閥板106可由兩部分組成。一部分是非環形結構的實心部(沒有中空部分)作為基部，固定到突出結構110上，然後固定到背板112上。另一部分是擺動板106B，擺動板106B不被基部包圍。在一個實施例中，基部是以矩形部分作為示例。作為示例，突出結構110也是單獨一個桿，以支撐空氣閥板106的基部。擺動板106B作為另一元件，並透過彈簧接頭106A連接至基部。彈簧機制類似於圖1中的結構，但進一步修改了空氣閥板106。狹縫108圍繞空氣閥板106。此外，狹縫108A是圍繞擺動板106B的狹縫108的一部分。在該實施例中，狹縫108還包括作為狹縫108B的一部分，其圍繞著空氣閥板106的基部。在該實施例中，空氣閥板106的兩個實心片透過彈簧接頭106B相連。在此，實心片是其中沒有中空部的片，並非環形結構。在該示例中，突出結構110也可以是單個部分或多個部分。然而，可以不排除突出結構110的環形結構，其中環形結構墊仍然支撐空氣閥板106的基部。

需注意的是，狹縫108包括空氣閥板106的腰部處的一部分，該部分對應於用於將擺動板106B和基部分開的彈簧接頭106B。

就製造過程而言，在一個實施例中，空氣閥板106和振膜104可以是材料層，並且可以在相同的圖案化製程中形成。然而，本發明不限於形成空氣閥板106的特定方法。

圖8A至圖8C是依據本發明一實施例描繪的空氣閥板的保護機構圖。請參閱圖8A至圖8C，圖8B中的結構是沿著圖8A中的AA線切割的剖面結構，而圖8C中的結構是沿著圖8A中的BB線切割的剖面結構。與圖6A至圖6C類似，氣流可有效地通過狹縫108釋放。換言之，可以以各種方式修改空氣閥板106，但是空氣閥板106固定在背板上而不與振膜104一起移動，因而可以提高釋放氣流的效率。

關於以上的描述，本發明提供了一種MEMS麥克風結構，包括半導體基板，該基板具有第一開口。介電層設置在基板上，具有介電開口。振膜在介電開口內並且由在外圍區域的介電層所支撐，其中，振膜具有振膜開口。背板設置在振膜上方的介電層上。突出結構設置在背板上，朝向振膜突出。至少一個空氣閥板固定在振膜開口內的突出結構的一端。當氣流受到壓力時，空氣閥板會被啟動。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，突出結構包括一個局部部分、多個局部部分或一個支撐空氣閥板的底板的閉合環形部分。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，空氣閥板包括：固定在突出結構上的底板；擺動板；彈簧接頭，連接在底板和擺動板之間，其中擺動板會回應於氣流的壓力而振動。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，底板是具有開口的環形結構，並且擺動板位於開口內並透過彈簧接頭連接到底板。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，突出結構包括一個局部部分、多個局部部分或一個支撐空氣閥板的底板的環形部分。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，振膜開口的幾何形狀與底板的周邊一致。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，空氣閥板在環形結構和擺動板之間有一個狹縫。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，底板是第一實心件，擺動板是第二實心件，而彈簧接頭連接第一實心件和第二實心件。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，突出結構包括至少一個局部部件，用於支撐空氣閥板的底板。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，振膜開口的幾何形狀與第一實心件和第二實心件的一體外圍相符。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，空氣閥板具有狹縫以包圍空氣閥板的內部部分，其中狹縫具有斷開部分以提供彈簧效應，使得內部部分可擺動回應氣流的壓力。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，空氣閥板具有作為腰部的狹縫，以限定為第一部件和第二部件，其中第一部件固定在突出結構上。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，多個空氣閥板分佈在振膜的外圍區域。

在一個實施例中，本發明還提供了一種MEMS麥克風結構，包括基板，基板上的介電層和介電層上的背板。振膜包括由介電層支撐的感測部分，以回應來自聲音訊號的壓力變化，其中，感測部分至少包括振膜開口。至少一個空氣閥板設置在振膜開口內與感測部分相同的高度處。當受到除了聲音訊號以外的氣流時，具有彈簧部分的空氣閥板會被啟動。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，空氣閥板包括：固定在背板上的底板；擺動板；彈簧接頭，連接在底板和擺動板之間，其中擺動板會回應於氣流的壓力而振動。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，空氣閥板具有狹縫以包圍空氣閥板的內部部分，其中狹縫具有斷開部分以提供彈簧效應，使得內部部分可擺動回應氣流。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，空氣閥板具有作為腰部的狹縫，以限定為第一部件和在該腰部處接合的第二部件，其中第一部件固定在背板上。

在一個關於MEMS麥克風的實施例中，多個空氣閥板分佈在振膜的外圍區域。

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。

100:基板 102:介電層 104:振膜 106:空氣閥板 106A:彈簧接頭 106B:擺動板 108、108A、108:狹縫 114:通風孔 110:突出結構 112:背板 112A、114:通風孔 150、152:開口

附圖用來提供對於本發明有進一步的理解，並且附圖被併入本說明書中構成本說明書的一部分。附圖繪示了本發明的實施例，並且與說明書一起用於解釋本發明的原理。

圖1是依據本發明一實施例描繪的MEMS麥克風結構的剖面示意圖。 圖2是依據本發明一實施例描繪的MEMS麥克風的一部分的透視俯視圖。 圖3是依據本發明一實施例描繪的MEMS麥克風的一部分的透視俯視圖。 圖4是依據本發明一實施例描繪的操作狀態下的MEMS麥克風的剖面示意圖。 圖5是依據本發明一實施例描繪的操作狀態下的MEMS麥克風的剖面示意圖。 圖6A至圖6C是依據本發明一實施例描繪的空氣閥板的保護機制圖。 圖7是依據本發明一實施例描繪的MEMS麥克風的剖面示意圖和剖面頂視圖。 圖8A至圖8C是依據本發明一實施例描繪的空氣閥板的保護機制圖。

100:基板

102:介電層

104:振膜

106:空氣閥板

106A:彈簧接頭

106B:擺動板

108、108A:狹縫

114:通風孔

110:突出結構

112:背板

112A、114:通風孔

150:開口

Claims (18)

1. 一種微機電系統的麥克風結構，包括: 基板，具有在所述基板中的第一開口； 介電層，設置在所述基板上，具有介電開口； 振膜，在所述介電開口內，由周邊的所述介電層支撐，其中所述振膜具有振膜開口； 背板，設置在所述介電層上，在所述振膜的上方； 突出結構，設置在所述背板上，朝向所述振膜突出；以及 至少一個空氣閥板，固定於所述振膜開口內的所述突出結構的一端，其中所述空氣閥板在承受有壓力的氣流時會被啟動。
2. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述突出結構包括一個局部部分、多個局部部分或一個支撐所述空氣閥板的底板的閉合環形部分。
3. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述空氣閥板包括： 底板，固定於所述突出結構； 擺動板；以及 彈簧接頭，連接在所述底板和所述擺動板之間，其中所述擺動板會回應於氣流的壓力而振動。
4. 如申請專利範圍第3項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述底板是具有開口的環形結構，並且所述擺動板位於所述開口內並透過所述彈簧接頭連接到所述底板。
5. 如申請專利範圍第4項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述突出結構包括一個局部部分、多個局部部分或一個支撐所述空氣閥板的底板的環形部分。
6. 如申請專利範圍第5項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述振膜開口的幾何形狀與所述底板的周邊一致。
7. 如申請專利範圍第5項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述空氣閥板在所述環形結構和所述擺動板之間具有一個狹縫。
8. 如申請專利範圍第4項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述底板是第一實心件，所述擺動板是第二實心件，而所述彈簧接頭連接所述第一實心件和所述第二實心件。
9. 如申請專利範圍第8項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述突出結構包括至少一個局部部件，用於支撐所述空氣閥板的所述底板。
10. 如申請專利範圍第8項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述振膜開口的幾何形狀與所述第一實心件和所述第二實心件的一體外圍相符。
11. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述空氣閥板具有狹縫以包圍所述空氣閥板的內部部分，其中所述狹縫具有斷開部分以提供彈簧效應，使得所述內部部分可擺動回應氣流的壓力。
12. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述空氣閥板具有作為腰部的狹縫，以定義出第一部件和第二部件，其中所述第一部件固定在所述突出結構上。
13. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統的麥克風結構，其中多個空氣閥板分佈在所述振膜的外圍區域。
14. 一種微機電系統的麥克風結構，包括: 基板； 介電層，設置在所述基板上； 背板，在所述介電層上；以及 振膜，其中所述振膜包括: 感測部分，由所述介電層所支撐，用以回應來自聲音訊號的壓力變化，其中所述感測部分至少包括振膜開口；以及 至少一個空氣閥板，設置在所述振膜開口內與所述感測部分相同的高度處，當受到除了聲音訊號以外的氣流時，具有彈簧部分的所述空氣閥板會被啟動。
15. 如申請專利範圍第14項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述空氣閥板包括： 底板，固定在所述背板上； 擺動板；以及 彈簧接頭，連接在所述底板和所述擺動板之間，其中所述擺動板會回應於氣流的壓力而振動。
16. 如申請專利範圍第14項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述空氣閥板具有狹縫以包圍所述空氣閥板的內部部分，其中所述狹縫具有斷開部分以提供彈簧效應，使得所述內部部分可擺動回應氣流。
17. 如申請專利範圍第14項所述的微機電系統的麥克風結構，其中所述空氣閥板具有作為腰部的狹縫，以限定為第一部件和在所述腰部處接合的第二部件，其中所述第一部件固定在所述背板上。
18. 如申請專利範圍第14項所述的微機電系統的麥克風結構，其中多個空氣閥板分佈在所述振膜的外圍區域。

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