TWI448164B - Micro electromechanical condenser microphones - Google Patents

Description

微機電電容式麥克風

本發明有關一種微機電電容式麥克風，尤指一種具剛性振膜之微機電電容式麥克風。

電子產品的發展趨勢一向朝體積輕薄、效率提升的方向前進，麥克風的演進亦不例外。麥克風用以接收聲音並將其轉換為電氣訊號，在日常生活中應用廣泛，例如裝置於電話、手機、錄音筆等。以電容式麥克風為例，聲音的變化會以音波型式迫使薄膜結構產生相對應的變形，薄膜結構的變形會導致電容發生變化，爰此，可藉感測電容變化而讀出壓差值而獲知聲音訊的變化。

相較於傳統駐極電容式麥克風(electret condenser microphone,ECM)，微機電(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)式麥克風可利用積體電路的製程技術，將機械元件與電子元件整合於一半導體材料上，藉此製作出微型的麥克風，乃漸成微型麥克風的主流。微機電式麥克風除重量輕、體積小、省電外，尚具備的優點包括其可利用表面黏著(surface mount)方式生產、能夠忍受較高的回焊溫度(reflow temperature)、易於與互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程以及其他音訊電子裝置整合，以及具有較佳的抗射頻(RF)和電磁干擾(electromagnetic interference,EMI)的特性。

「圖1」顯示一習知微機電電容式麥克風1的構造示意圖，其包含一背極板2(back-plate)、一振膜3(membrane or diaphragm)以及一間隔件4。其中，該間隔件4設置於背極板2與振膜3之間，致使振膜3與背極板2相互絕緣隔離並平行設置，彼此分別形成一平行電容板結構的上電極與下電極；背極板2對應振膜3處開設有複數個音孔5(air hole)，該些音孔5 貫通背極板2，並連通開設於一矽基板6的一背腔7(back chamber)。

分別對該背極板2與振膜3施加電壓，可使其電性相異並帶有電荷，形成一電容結構。根據平行電極板的電容公式：C=εA/d(其中ε為介電係數(dielectric constnt)、A為兩電極板重合面積、d為兩電容板之間距(gap))，吾人可知兩電容板間的間距變化將改變電容值。藉此，當一音波作用於振膜3而造成該振膜3振動、形變時，振膜3與背極板2之間的間距將會改變，使得電容隨之變化而可轉換成電氣訊號輸出。位於振膜3與背極板2之間受擾動、壓縮的空氣，則可自該些音孔5釋放至該背腔7，避免氣壓變動過大而損壞可撓之振膜3和背極板2結構。

請配合參閱「圖2」，其顯示一微機電電容式麥克風1的封裝示意圖。該微機電電容式麥克風1設置於一基板8，並封裝於一金屬蓋體9形成的容置空間內。其中，微機電電容式麥克風1的振膜3與背極版2分別電性連接至一轉換晶片10，俾使背極板2與振膜3之間的電容變化可藉該轉換晶片10轉換成電氣訊號而輸出。

惟，習用於微機電電容式麥克風的振膜均為一可撓式振膜，其利用音壓造成振膜形變的特性來獲致與背極板間的間距改變，藉以改變電容值。然則，以薄膜沉積可撓式振膜的製程溫度極高，且因材料彼此間的熱膨脹係數互有差異，如此將使得振膜在製造的過程中累積程度不一的張應力或壓應力。殘存於振膜的應力會導致振膜翹曲，形成皺摺而不平整，導致其影響感測的精準度；更進一步地，麥克風的靈敏度(sensitivity)與振膜的殘留應力呈現反比關係，因此過高的應力殘留將導致靈敏度降低。為此，美國專利第US5490220號之「Solid state condenser and microphone devices」提出一種無固定邊界的懸浮振膜，利用一懸臂梁來支撐振膜，使振膜懸浮藉以釋放溫度效應造成的應力；美國專利第US5870482號之「Miniature silicon condenser microphone」則延伸應用設計出大型平板振膜僅固定一邊的結構。

惟，由於可撓式振膜於形變時無法隨時與背極板保持平行，因此振膜與背極板之間的間距變化估算不易，精確度較為不足。再者，由於麥克風的靈敏度正比於驅動電壓，因此，欲提升靈敏度而提高驅動電壓時，習知之可撓式振膜容易發生崩潰(collapse)效應，貼附於背極板而導致麥克風失效。

爰上，本發明之目的在於解決上述問題，進而提出一種精確度、靈敏度高且製造容易之微機電電容式麥克風。

為了達成前述目的，本發明係透過一剛性振膜與一彈性元件的搭配，俾使剛性振膜可平行背極板位移。所提出之微機電電容式麥克風包含一基座、一背極板、一彈性元件、一剛性振膜以及一支撐件；其中，該基座開設一背腔；該背極板與該彈性元件設置於該基座，該背極板並開設有複數個音孔，且該些音孔連通該背腔；該剛性振膜設置於該彈性元件，並平行且對應該背極板設置；該支撐件設置於該彈性元件與該剛性振膜之間，且該支撐件兩端分別連接該彈性元件與該剛性振膜，藉以承固該剛性振膜於該彈性元件。藉此，當一音波作用於該剛性振膜，該剛性振膜可藉彈性元件之彈性作用而平行該背極板之法向量方向位移。

本發明之剛性振膜藉彈性元件的彈性作用或形變而位移，並於位移時保持與背極板間的平行關係。藉此，剛性振膜與背極板間的電容變化僅與兩者間的間距相關，如此可提升麥克風於感測、接收音量時的靈敏度與準確度。有關本發明的詳細技術內容及較佳實施例，配合圖式說明如後。

本發明提出一種微機電電容式麥克風，其係利用剛性振膜 搭配彈性元件，致使剛性振膜可平行並相對一背極板位移。本發明之有關本發明之詳細說明及技術內容，現配合圖式說明如下：請參閱「圖3-1」與「圖3-2」所示，在本發明之一實施例中，所提出之微機電電容式麥克風20包含一基座21、一剛性振膜22、一彈性元件23以及一背極板24。其中，該背極板24設置於基座21上，背極板24開設有貫通背極板24的複數個音孔25；該基座21相對於背極板24的位置包含一背腔26，使得該些音孔得以連通該背腔26。該剛性振膜22固定於該彈性元件23而平行設置於背極板24一側。因此，該背極板24可相對於剛性振膜22形成一固定端，該剛性振膜22則可因彈性元件23的彈性作用而位移，藉以相對該背極板24形成一活動端。是故，當一音波作用於剛性振膜22而致使剛性振膜22相對背極板24位移時，該剛性振膜22可始終與背極板24保持平行而平行背極版24法向量方向(即Z軸方向)位移。因此，根據前述平行電極板電容公式，剛性振膜22與背極板24之間的電容變化便可改寫為△C=εA/(d-△x)。其中，△x為剛性振膜22受音壓(acoustic pressure)作用後的位移量，d為剛性振膜22受音壓作用前與背極板24的原始間距。故，相較於習知可撓式振膜上各點與背極板24間的間距改變量不同，本發明之電容變化與△x有關，如此可提供更大的電容變化量輸出，有效提升麥克風的靈敏度。

請配合參閱「圖3-2」，在上述之一實施例中，該基座21例如為一矽基板，其上開設圓形之背腔26；該彈性元件23係呈一十字平板交叉樣態，四端固定於該基座21之背腔26邊緣；該剛性振膜22成一圓形狀，並藉一支撐件27(anchor)固設於彈性元件23之十字交叉處，使剛性振膜22平行彈性元件23所構成之平面；該支撐件27相對於彈性元件23之另一端固定於剛性振膜22之圓心，使支撐件27承固剛性振膜22時得以保持該剛性振膜22的物理平衡，並輔助剛性振膜22進行 熱製程時的應力釋放。

該背極板24固定設置於該基座21之背腔26一側，開設複數個音孔25並預留有彈性元件23的設置空間。藉此，剛性振膜22可平行設置於背極板24上方，兩者形成平行電容板結構。請再參閱「圖4」，微機電電容式麥克風20於運作時，剛性振膜22與背極板24可分別輸入正負電壓，使其帶有電性相異之電荷而為平行板電容。當剛性振膜22之一表面承受聲音作用時，來自聲音的壓力可傳遞至彈性元件23致使其形變，俾使剛性振膜22朝向背極板24位移(Z軸方向)，而改變兩者間的電容。藉此，經由外部電路的分析與運算，吾人可將聲音訊號轉變為電氣訊號而輸出。

在上述一實施例中，該微機電電容式麥克風20可更包含至少一絕緣件28(顯示於「圖4」)，該絕緣件28設置於剛性振膜22與背極板24之間，例如設置於剛性振膜22面對背極板24側或該背極板24面對剛性振膜22側，如「圖4」顯示位於背極板24的兩絕緣件28，分別設置於背極板24的相異兩端。當剛性振膜22承受過大的聲壓而導致剛性振膜22朝背極板24的位移量過大時，該絕緣件28可提供一緩衝效果並作為剛性振膜22與背極板24之間的電性分隔，避免剛性振膜22與背極板24產生電性接觸而損壞。

在上述一實施例中，該剛性振膜22可包含複數個結構加強部(圖中未示)，該些結構加強部例如為加強肋(reinforced rib)，可設置於剛性振膜22一側，用以加強剛性振膜22整體之結構強度與並保持剛性振膜22之剛性。實務上，達成上述加強部的方式例如利用溝槽回填技術。

同理，在上述之另一實施例中，該背極板24可包含複數個結構加強部29，該些結構加強部29例如為加強肋，可設置於該背極板24背對於剛性振膜22之一側，用以加強背極板24整體之結構強度與並保持背極板24的剛性。

為方便說明與瞭解，上述將功能不同之結構、元件分開定 義。惟，須說明的是，上述所述及之結構或元件可互相獨立分離而組裝，或是藉由微機電或半導體製程，利用蝕刻、微影、回填等該領域知悉之技術直接製作而成，例如應用MOSBE之微機電技術平台製程技術來製造本發明提出之微機電電容式麥克風20，其相關之平台技術可參閱2005年發表之「The Molded Surface-micromachining and Bulk Etching Release(MOSBE)Fabrication Platform on(111)Si for MOEMS」(Journal of Micromechanics and Microengineering,vol.15,pp.260-265)，在此不加贅述。

請再參閱「圖5-1」至「圖5-9」之製造上述微機電電容式麥克風20一實施例的流程示意圖，該些圖式顯示沿「圖3-1」中線段K-K’的截面示意，且在不影響本發明的實施與了解下，省略掉於不同元件中的電性佈線流程。首先，備製一用於製做基座21的基材，例如為一矽基板30，如「圖5-1」所示；接著於該矽基板30定義背極板24之設置位置，並於其上蝕刻出用於形成前述結構加強部29的溝槽31，如「圖5-2」；接續地，於該矽基板30上沉積一層多晶矽(poly-silicon)層32，該多晶矽層32並回填該些溝槽31，以形成背極板24之結構加強部29結構，如「圖5-3」。緊接著，於該多晶矽層32的預設位置蝕刻出彈性元件23與音孔25位置，並同時定義出背極板24之尺寸範圍，如「圖5-4」；該背極板24可藉該些結構加強部29保持其表面平整與結構剛性，該彈性元件23則可藉多晶矽層的厚度改變或材料選擇，調整自身之彈性。

然後，於背極板24上形成前述之絕緣件28，該些絕緣件28之材質例如為氮化矽(silicon nitride，如Si₃N₄)，如「圖5-5」所示；接著，於背極板24上方形成一中間層33並同時定義出支撐件27的形成位置，該支撐件27的形成位置位於彈性元件23上方，如「圖5-6」，該中間層33例如為二氧化矽(SiO₂)；而後，於該中間層33上再沉積一多晶矽層34，該多晶矽層34用以定義出剛性振膜22與支撐件27，如「圖5-7」；接續地， 自矽基板30底側蝕刻出背腔26，如「圖5-8」；最後，蝕刻去除該中間層33，致使剛性振膜22藉該支撐件27設置於彈性元件23上，並平行於背極板24，如「圖5-9」。

「圖6」顯示將上述實施例的頻率反應測試結果，係將前述之微機電電容式麥克風20電性連接一電容讀出晶片(capacitance readout IC)(MS3110)，並置於一半音波暗室(semi-anechoic chamber)收取揚聲機(loudspeaker)的訊號結果。由圖可知，在聲準位(sound-level)為94dB下，上述微機電電容式麥克風20實施例的頻率感測範圍介於10~20,000Hz之間。靈敏度(sensitivity)約為12.63mV/Pa或-37.97dB/Pa。以微機電製程製造出的微機電電容式麥克風20，除靈敏度高外，更兼具體積小、低成本等優點。相較於習知可撓式振膜難以處理應力殘留的問題，剛性振膜22不易殘留應力，可獲致較佳的感測靈敏度。

須再特別說明定義的是，本發明中剛性振膜22並非純然以材料之硬度來定義，而須搭配微機電電容式麥克風的電容感測原理而加以定義。是故，所謂之剛性振膜22係指振膜不藉自身的形變來改變與背極板24間的電容值，而乃須搭配一彈性元件23，並藉彈性元件23的彈性或形變來改變與背極板24間的電容值，故所述之彈性元件23也不以上述實施例所顯示者為限。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，非欲侷限本發明專利之專利保護範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之等效變化與修飾，均同理包含於本發明之權利保護範圍，合予陳明。

1‧‧‧微機電電容式麥克風

2‧‧‧背極板

3‧‧‧振膜

4‧‧‧間隔件

5‧‧‧音孔

6‧‧‧矽基板

7‧‧‧背腔

8‧‧‧基板

9‧‧‧金屬蓋體

10‧‧‧轉換晶片

20‧‧‧微機電電容式麥克風

21‧‧‧基座

22‧‧‧剛性振膜

23‧‧‧彈性元件

24‧‧‧背極板

25‧‧‧音孔

26‧‧‧背腔

27‧‧‧支撐件

28‧‧‧絕緣件

29‧‧‧結構加強部

30‧‧‧矽基板

31‧‧‧溝槽

32‧‧‧多晶矽層

33‧‧‧中間層

34‧‧‧多晶矽層

本發明的實施方式係結合圖式予以描述：「圖1」為習知微機電電容式之一麥克風晶片的構造示意圖；「圖2」為習知微機電電容式麥克風的封裝示意圖； 「圖3-1」為本發明之微機電電容式麥克風一實施例之立體示意圖；「圖3-2」為本發明之微機電電容式麥克風一實施例之立體剖視圖；「圖4」為本發明之微機電電容式麥克風一實施例之作動示意圖；「圖5-1」至「圖5-9」為本發明之微機電電容式麥克風一實施例之流程示意圖；及「圖6」為上述實施例於不同頻率下的輸出結果圖。

20‧‧‧微機電電容式麥克風

21‧‧‧基座

22‧‧‧剛性振膜

23‧‧‧彈性元件

24‧‧‧背極板

25‧‧‧音孔

Claims (9)

1. 一種微機電電容式麥克風，其包含：一基座，該基座開設一背腔；一背極板，該背極板設置於該基座，開設有複數個音孔，且該些音孔連通該背腔；一彈性元件，該彈性元件設置於該基座；一剛性振膜，該剛性振膜設置於該彈性元件，並平行且對應該背極板設置；以及一支撐件，該支撐件設置於該彈性元件與該剛性振膜之間，且該支撐件兩端分別連接該彈性元件與該剛性振膜，藉以承固該剛性振膜於該彈性元件；藉此，當一音波作用於該剛性振膜，該剛性振膜可藉該彈性元件之彈性作用而平行該背極板之法向量方向位移。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電電容式麥克風，其中該剛性振膜為一圓形狀，且該支撐件承固於該剛性振膜之圓心。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微機電電容式麥克風，其中該剛性振膜更包含複數個結構加強部，設置於該剛性振膜之一側。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微機電電容式麥克風，其中該背極板更包含複數個結構加強部，設置於該背極版之一側。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微機電電容式麥克風，其中該基座之材質為矽。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微機電電容式麥克風，其中該剛性振膜與該背極板之材質為多晶矽。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微機電電容式麥克風，其更包含至少一絕緣件，該絕緣件設置於該剛性振膜與該背極板之間，用以避免該剛性振膜電性接觸該背極板。
8. 如申請專利範圍第7項所述之微機電電容式麥克風，其中該絕緣件之材質為氮化矽。
9. 一種微機電電容式麥克風，包含一背極板、一彈性元件、一 支撐件以及一剛性振膜；其中，該支撐件設置於該彈性元件與該剛性振膜之間，且該支撐件兩端分別連接該彈性元件與該剛性振膜，該剛性振膜並與該背極板對應且平行設置；藉此，當一音波作用於該剛性振膜，該剛性振膜可藉彈性元件之彈性作用而平行該背極板之法向量方向位移。