TWI354502B - Miniature transducer - Google Patents

Description

1354502 P27950013TW 2l433twf.doc/p 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 且特別是有關於 ’其具有高靈敏 本發明疋有關於一種屡變電容裝置， 一種具有低彈簧係數結構之壓變電容裝置 度與變形量的效能》 t 【先前技術】 電容式麥克風晶片㈣微細加卫技 製程技術整合而成之壓變電容穿、積署體電路(IC) τ麵，），具有質量輕、體積小、訊號品、質佳 在民生豕電產品應用上，由於手機的需求 磬 品質要求日益增高，加上助聽器之市場 曰^且f音 ，展電谷式麥克風晶片已經漸漸成為麥克風 k。就市場的角度而言’根據公司市場趨勢^止 中關於行動電話手機部分，預估顺年北美 ^ (Microphone Chips)市場，將達五億個之水準，而從二⑽ 年到2009年每年將以2〇%朝向市場穩定成長。手機上之 籲克風之應-用屬於目前市場上之主流。 由於以矽為基材的積體電路製程較便宜大量地使用於 電子產品中，及其應用領域不斷的向外擴張，將來更有大 量的應用會以矽為基材的製程製作，並搭配(：]^〇!5製程將 讀取電路直接整合於一顆晶片上，加上台灣已成為全球第 一大半導體代工廠約為目前市場之6〇〜7〇%的代工率，將來 勢必可量產並加速其商品化時程。因此若在麥克風的佈局 上’要避開與區隔各家大廠的元件設計，必須先取得元件 1354502 P27950013TW 21433twf.doc/p 端的新穎設計與製造先機，才能贏得在麥克風元件市場上 的優勢，與瓜分佔有率的能力。 目前麥克風元件結構之應用在產品的量產上，僅限於 少許幾種的結構’這也是由於目前踏入 MEMS(Microelectromechanical Systems)麥克風的薇商只有 少許數幾家廠商之故’如Knowles公司、lnfineon公司或是 Sonion公司等，而市面上大部分的封裝方式仍以Kn〇wles 開發的設計為主。 請參照圖1到圖3，其繪示Knowles公司之麥克風結構 設計。此壓變電容裝置(Acoustic Transducer)l〇包括導電薄 膜（Conductive Diagram) 12 與具有穿孔之構件（Perf〇rated Member)40,由基底30所支撐’而藉由空氣間隙(AirGap)2〇 所隔離。而一個非常薄的空氣間隙22則存在導電薄膜12與 基底30之間，以便讓此薄膜12能夠自由地上下移動，以便 減輕薄膜材質内在之應力（Intrinsic Stress)，並且使薄膜12 從基底30減少震動（Decouple)。而許多的突起 (Indentation)13則形成於薄膜12之下，以避免薄膜與基底 30之間的碰撞。 薄膜12的橫向移動被構件40之支持部41所限制，而此 可當成是薄膜12與構件40之間適當的啟始空間，而此支持 部41可以是圓環(Ring)構造或是許多凸塊(Bump)構造。若 支持部41是圓環構造’則當薄膜12靠在支持部41上時，則 會形成緊密的聲音密封空間’會導致壓變電容裝置具有控 制非常好的低頻下降率(RoU-off)。薄臈12與基底30之間具 6 1354502 P27950013TW 21433twf.doc/p 有一個介電層31。而導電電極(Conducting Electrode)42是固 定在不導電之構件40下。而此構件40具有數個孔洞21，而 薄膜12也有數個孔洞，用以與構件40之孔洞21形成聲音流 動之通路14。

Knowles公司之麥克風結構設計主要是針對背板(back plate)的指撐式結構設計，來增加背板的強度，以減少背板 阻抗。而薄膜(Membrane)採減少殘留應力（residual stress) 的設計方式，採取一般的圓形薄膜設計。薄膜僅做於簡單 的支撐’其結構雖能避免殘留應力的問題與較高之自然頻 率響應，但是其設計的有效變形量與靈敏度仍尚嫌不足。 請參照圖4，其繪示Knowles公司之另一麥克風結構設 計。基本上與圖1-3之結構雷同，唯一的差異是此薄膜12 是藉由數個彈簧結構(Spring)l 1連接到基底30之上，以便減 輕薄膜内在應力(Intrinsic Stress)，以及從基底3〇或是裝置 封裝後所產生的應力。 傳統麥克風元件設計採用簡單固定的薄膜設計，雖然 有增加薄膜靈敏度的設計方法，如指撐式(Finger)結構，請 參照圖5所示，其中薄膜510具有指撐之結構。或者是皺摺 式(comigated)結構，請參照圖6所示，其中薄膜61〇具有皺 摺之結構。但是大部分的設計皆有其缺點，指撐式的薄膜， 其薄膜較軟較為靈敏，但是卻是具較低的共振頻率響應'， 而且易於斷裂。皺摺式薄膜設計，雖可以有效降低應 力的影響，使薄膜靈敏度變的較大，但是其製程較複雜了 加工不易，且增加靈敏度有限。 7 1354502 P27950013TW 21433twf.doc/p 【發明内容】 - 本發明提出一種具有壓變電容裝置，其具有創新的薄 膜設計圖形與結構’可藉由支撐結構(Support Structure)即 可製作出類似彈簧般的結構效應，而增加薄膜的靈敏度。 本發明提出一種具有壓變電容裝置，利用彈簧結構概 念，在感測基板上製作特殊的結構可與薄膜的突起結構當 支樓’架構出類似懸臂(Cantilever Beam)彈簧的結構，以提 ^ 升麥克風的性能。 本發明提出之壓變電容裝置，包括薄膜與背板◎在薄 膜與背板之間至少具有一突起結構，而背板則為挖空之結 構，此薄膜與背板相互平行，而挖空之結構具至少一懸臂 結構。此突起結構與懸臂結構形成支撐體，當一壓力傳輸 至薄膜時，突起結構會與懸臂結構接觸，而因突起結構的 下壓而產生形變，薄膜因此而有位移之變形量，電容之電 ，分佈於薄膜與背板四周之間。此突起結構可形成於上述 薄膜表面或是懸臂結構之表面上。 # I為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯 易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下。 【實施方式】 ^發明提出—種具有壓變電容裝置，其具有創新的薄 二ί!圖形與結構，可藉由支撐結構(Supp⑽s_㈣即 °氟作出類似彈簧般的結構效應，而增加薄膜的靈敏度。 而利用彈簧結構概念，在感測基板上製作特殊的結構可與 1354502 • P27950013TW 21433twf.doc/p 薄膜的突起結構當支# ’架構丨類蝴臂Β_) - 彈簧的結構，以提升麥克風的性能。 利用基板層製造出彈簧支撐結構的概念，在突起支撐 與彈性體結構的部分’皆與習知财之技術，例如.以 .Stark DraPer Lab.與Knowles公司所提出之結構不同。

Charles Stark Draper Lab.所提出是具有拉撐式的彈簧結構 設計Knowles公司所提出的是不具有支樓彈簧的結構 φ 設計。另外，本發明所提出具有壓變電容裝置，基板中間 具有一挖空結構，如此不需要傳統之多個孔徑面積相當小 的音孔(Acoustic hole)，因此可大幅降低製程上的困難度， 並減少感測時震度阻尼(Damping)所產生的干擾讲〇1叱)問 題。此新型的彈簧結構設計，將會有效地增加薄膜的靈敏 度，有助於達到結構簡易，低干擾且低殘留應力的目的。 而本發明所提出的壓變電容裝置，目的在於提供一個創新 且結構簡易的聲音傳送感測器，同時有效的增加薄膜位移 量的大小，並且電容感測的訊號輸出有更大的效能。' • 本發明所提出之一種壓變電容裝置結構組成，包括基 板（Substrate)與其上之背板（Black咖叫與薄^ (Diaphragm)。其中基板與背板之平板結構上不需要' 多個音 孔(Acoustic hole)，只需要一個挖空結構，挖空結構的四; 為電容感測的表面。在背板的挖空結構上具有背板所延伸 特殊的懸臂(Cantilever Beam)結構設計。而在薄膜與背板之 間具有單一或多個突起（Indentation)結構，作為薄膜支撐 之用。而每一個懸臂結構與突起結構形成一組類似彈箬二 1354502 P27950013TW 21433twf.doc/p 應的彈性體，於薄膜與背板之間將有多組類似彈簧效應的 彈性體結構，稱之為懸臂彈性體。 當壓力傳送薄膜時，薄膜會產生變形，而薄膜與背板 之間的突起結構以及懸臂結構之間，會因為突起結構的壓 力影響而大幅變形’此時薄膜平板會因此而產生上下位移 的變形，如此將會增加兩平板間的變形與位移量，也增加 了平板間的電容變化值’此設計將大大增加薄膜的靈敏度 與線性度。而麥克風的薄膜與背板間的電容變化，是利用 薄膜與基板挖空結構四周平板感測其間的電容值，電容訊 號將藉由導電設計將感測之訊號傳送出去。 本發明所提出之一種壓變電容裝置，可應用於壓力感 測器、加速度感測器或超聲波感測器之封裝等等裝置上。 而上述之形變薄膜傳感單元以及背板結構可以使用 一個或多個材料所組成，包括以碳為基質之聚合物 (Carbon-based polymers)、矽（Silicon)、氮化矽（Silicon nitride),複晶碎（Polycrystalline silicon)、非晶石夕 (Amorphous silicon)、二氧化矽(Silicon dioxide)、碳化矽 (Silicon carbide)、錯(Germanium)、鎵(Gallium)、砷化物 (Arsenide)、碳(Carbon)、鈦(Titanium)、金(Gold)、鐵(Iron)、 銅(Copper)、鉻(Chromium)、鎢(Tungsten)、鋁(Aluminum)、 链(Platinum)、鎳(Nickel)、组(tantalum)或其合金等等。 本發明所提出由懸臂結構與突起結構形成類似彈簧 效應的懸臂彈性體之壓變電容裝置，其架構在一實施例中 請參照圖7所示。在基板(substrate)710上具有兩層平行板 1354502 P27950013TW 21433twf.doc/p 的結構…為雜(backPlate)72G，而另以―祕測之薄膜 (Memb職)73〇。基板710之平板結構上不需要多個音孔 (Acoustic hole)，只需要一個挖空結構712，挖空結構712 的四周為電容感測的表面。在基板71〇的挖空結構712上 具有背板720所延伸特殊的懸臂(Camilever Beam)結構724 设什。此懸臂結構724可以是任何形式的延伸構造，只要 能提供上下形變的結構皆適用於本發明懸臂之結構，例如 橋狀結構等等。 而薄膜730表面上具有單一或多數個突起(Indemati〇n) 結構732，將作為薄膜730支撐之用，以便在薄膜73〇變 形時能與背板結構720接觸而產生更大的變形量。如前所 述’在另外選擇實施例中，此單一或多數個突起(Indentati〇n) 結構732也可形成於懸臂結構724上，並非受限於此。此 突起結構732高度係決定背板結構720與薄膜730之平行 間距。在圖7之實施例中’突起結構732與背板結構720 相連接是當壓力傳送薄膜730時，薄膜730會產生變形， 而薄膜730的突起結構732將與背板720所延伸的懸臂結 構724相接觸後，懸臂結構724會因為突起結構的壓力影 響而大幅變形，而此時薄膜730也會因應施以的壓力而變 形，如圖7所示，此時薄膜730會因此而產生上下位移的 變形，而將增加薄膜730與背板結構720之間的變形與位 移量’也增加了兩平板間的電容變化值。 前述提及基板710之挖空結構712四周為電容感測的 表面’如圖7所示，一導電層722鋪設於挖空結構712的 1354502 P27950013TW 21433twf.doc/p 四周’也就是背板結構72〇之表面而面對薄膜73〇之一面 734，以形成壓變電容裝置内電容之電場區域。 本發明所提出結構與突起 ==體之壓變電容裝置，其架構在另」二 中明參關8所不。此結構與圖7之差異在於基板71〇上 =層平打板的位置。圖7的背板72〇相對於垂直基板710 向上的方向位於下方，而薄膜73〇位於上方。為方便說明， 相同元件則以相同之標絲示。圖8的實施例中薄膜 730面對背板720的表面上具有—個或多數個 瓜，將作為薄膜730支樓之用，以便在薄膜頂變形時能 與背板結構720接觸而產生更大的變形量。 在圖8之實施例十，突起結構732與背板結構72〇相 連接^壓力傳送薄膜73G時，薄膜73G的突起結構732 將與背板72G所延伸的懸臂結構？24相接觸後，懸臂結構 724會因為突起結構的壓力影響而大幅變形，而此時薄膜 730也會因應施以的壓力而變形，如此將增加薄膜bo與 背，結構720之間的變形與位移量，也增加了兩平板間的 電容變化值。在此實施例中，導電層722鋪設於背板結構 720之表面而面對薄膜730之一面734,以形成壓變電容裝 置内電容之電場區域。如前所述，在另外選擇實施例中， 此單一或多數個突起(Indentation)結構732也可形成於懸 臂結構724上，並非受限於此。 在又一實施例中’請參考圖9所示，主要是說明本發 明所提出由懸臂結構與突起結構形成類似彈簧效應的懸臂

12 1354502 P27950013TW 21433twf.d〇c/p 彈性體之壓變電容m構側視圖。在基板91G上具有兩 層平行板的結構為背板92〇，而另以一為感測之薄膜 930。基板910之平板結構上至少具有一個挖空結構挖空 結構^四周為電容❹彳的表面。在基板910的挖空結構上 八有月板所延伸特殊的懸臂(Cantnever Beam)結構設計。此 懸臂結構可以是任何形式的延伸構造，只要能提供上下形 ，的結構皆適用於本發明懸臂之結構，例如橋狀結構等 等。而，膜930則具橋狀之彈性結構圖案932，如圖9所 :，而薄膜930面對背板92〇之表面上具有單一或多數個 突起(Indentation)結構，將作為薄膜支撐之用，以便在薄 膜變形時能與背板結構920接觸而產生更大的變形量。 〜雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限^本發明，任何熟習此技藝者，料麟本發明之精神 和範，内^可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 圖1〜圖3是習知之麥克風結構設計。 圖4是另一種習知之麥克風結構設計。 圖5是習知麥克風結構中一種具有指撐式(Finger)结 構之薄膜設計。 圖6是習知麥克風結構中一種具有皺摺式 結構之薄膜設計。 圖7是說明本發明較佳實施例之由懸臂結構與突起結 構形成彈簧效應的懸臂彈性體之壓變電容裝置結構示意 13 i S ) 1354502 P27950013TW 21433twf.doc/p 圖。 圖8是說明本發明另一較佳實施例之由懸臂結構與突 起結構形成彈簧效應的懸臂彈性體之壓變電容裝置結構示 *' 意圖。 ·· 圖9是說明本發明另一較佳實施例之由懸臂結構與突 起結構形成彈簧效應的懸臂彈性體之壓變電容裝置結構側 視圖。 【主要元件符號說明】 * 10:壓變電容裝置 12:導電薄膜(Conductive Diagram) 40 :具有穿孔之構件(Perforated Member) 30 :基底 20、22 :空氣間隙(Air Gap) 41 :支持部 31 :介電層 11 :彈簧結構(Spring) • 510、610 :薄膜 710 ··基板(substrate) 712 :挖空結構 720 :背板(back plate) 722 :導電層 724 :懸臂結構 730 :薄膜(Membrane) 732 :突起結構 /' ^ \ ·， ·*'· 14 1354502 P27950013TW 21433twf.doc/p 910 :基板(substrate) 920 :背板(back plate) 930 :薄膜(Membrane) 932 :彈性結構圖案

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Claims (1)

1354502 ㈣換頁 100-8-23 十、申請專利範圍： 1. 一種壓變電容裝置，包含： 一薄膜； 一背板，具挖空之結構，該薄膜與該背板相互平行， 該挖空之結構具至少一懸臂結構；以及 至少一突起結構，位於該薄膜與該背板之間，其中， 該突起結構與該懸臂結構形成支撐體，當一壓力傳輸至薄 膜時，該突起結構會與該該懸臂結構接觸，而因該突起結 構的下壓而產生形變，該薄膜因此而有位移之變形量，電 容之電場分佈於該薄膜與該背板四周之間。 2. 如申請專利範圍第1項所述之壓變電容裝置，其中該 懸臂結構係橋狀結構。 3. 如申請專利範圍第1項所述之壓變電容裝置，其中該 薄膜係具橋狀之彈性結構圖案。 4. 如申請專利範圍第1項所述之壓變電容裝置，其中該 突起結構高度係決定該背板與該薄膜間之平行間距。 5. 如申請專利範圍第1項所述之壓變電容裝置，其中該 背板係位於該薄膜之上。 6. 如申請專利範圍第1項所述之壓變電容裝置，其中該 薄膜係位於該背板之上。 7. 如申請專利範圍第1項所述之壓變電容裝置，其中該 突起結構形成於該薄膜之上。 8. 如申請專利範圍第1項所述之壓變電容裝置，其中該 突起結構形成於該背板的該懸臂結構上。 16 1354502 修正替換頁 100-8-23 9. 如申請專利範圍第1項所述之壓變電容裝置，其中更 包括一基板，邊薄膜與該背板之一製作於該基板上。 10. 如申請專利範圍第1項所述之壓變電容裝置，其中 δ亥懸臂結構、δ亥基板與該薄膜，係包括以碳為基質之聚合 物(Carbon-based polymers) ' 矽(Silicon)、氮化矽(Silicon nitride),複晶石夕(Polycrystalline silicon)、非晶石夕 (Amorphous silicon)、二氧化矽（Silicon dioxide)、碳化石夕 (Silicon carbide)、鍺(Germanium)、鎵(Gallium)、石申化物 (Arsenide)、碳(Carbon)、鈦(Titanium)、金(Gold)、鐵(Iron)、 銅(Copper)、鉻(Chromium)、鎢(Tungsten)、！呂(Aluminum)、 鉑(Platinum)、鎳(Nickel)、钽(tantalum)或其合金。 11·如申請專利範圍第1項所述之壓變電容裝置，係應 用於壓力感測器、加速度感測器與超聲波感測器之封裴。 12. 如申請專利範圍第1項所述之壓變電容裝置，其中 該壓力係聲壓。 13. 如申請專利範圍第1項所述之壓變電容裝置，其中 該薄膜位移之變形量，與該懸臂突起結構之形變， 容量之改變。 14. 一種薄膜支撐結構，包含： 一薄膜； 一背板，具挖空之結構，該薄膜與該背板相互平行， 該挖空之結構具至少一懸臂結構；以及 至少一突起結構，位於該薄膜與該背板之間，其中， 該突起結構與該懸臂結構形成支撐體，當一壓力傳輸至薄 17 1354502 ___ 盔正替換頁 ----^ 100-8-23 該懸臂結構會因該突起結構的下壓而產生形變，該 潯膜因此而有位移之變形量。 15. 如申請專利範圍第14項所述之薄膜支撐結構，豆中 該懸臂結構係橋狀結構。 一 16. 如申請專利範圍第14項所述之薄膜支撐結構，其令 ~缚膜係具橋狀之彈性結構圖案。 二々17.如申請專利範圍第14項所述之薄膜支撐結構，其中 5玄大起結構高度係決定該背板與該薄膜間之平行間距。 北18.如申請專利範圍第14項所述之薄膜支撐結構，其中 該背板係位於該薄膜之上。 _ 19.如申請專利範圍第14項所述之薄膜支撐結構，其中 該突起結構形成於該薄膜之上。 * 20.如申請專利範圍第14項所述之薄膜支撐結構，其中 該突起結構形成於該背板的該懸臂結構上。 21.如申請專利範圍第14項所述之薄膜支撐結構，其中 該薄膜係位於該背板之上。 22.如申請專利範圍第14項所述之薄膜支撐結構，其十 更包括一基板，該薄膜與該背板之一製作於該基板上。 2 3 ·如申請專利範圍第丨4項所述之薄膜支撐結構，其中 該懸臂結構、該基板與該薄膜，係包括以碳為基質之聚合 物（Carbon-based polymers)、矽（Silicon)、氮化矽（Silic〇n nitride),複晶石夕（Polycrystalline silicon)、非晶石夕 (Amorphous silicon)、二氧化矽（Silicon dioxide)、碳化矽 (Silicon carbide)、鍺(Germanium)、鎵(Gallium)、砷化物 18 1354502 森J. #纖頁 100-8-23 (Arsenide)、碳(Carbon)、鈦(Titanium)、金(Gold)、鐵(Iron)、 銅（Copper)、鉻(Chromium)、鶴(Tungsten)、銘（Aluminum)、 鉑(Platinum)、鎳(Nickel)、鈕(tantalum)或其合金。 24. 如申請專利範圍第14項所述之薄膜支撐結構，係應 用於壓力感測器、加速度感測器與超聲波感測器之封裴。 25. 如申請專利範圍第14項所述之薄膜支撐結構，^ 該壓力係聲壓。 “ 26.如申請專利範圍第14項所述之洱膜叉撐結構，係一 電容結構，電容之電場分佈於該薄膜與該背板四周之間。 > 一 27·如申請專利範圍第26項所述之薄膜支撐結構，二二 該溥膜位移之變形量，與職臂突起結構 = 電容電容量之改變。 &肜成遠 19