TWI678110B - 微機電系統麥克風 - Google Patents

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Tsung-Min Hsieh
蔡振維
Cheng-Wei Tsai
李建興
Chien-Hsing Lee
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鑫創科技股份有限公司
Solid State System Co., Ltd.
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Abstract

一種微機電系統麥克風，包括基板，具有基板開口。支撐介電層設置在所述基板上，圍繞所述基板開口。振膜由所述支撐介電層支撐，位在所述基板開口上方，其中當所述振膜在停止操作狀態時，所述振膜有似碗狀結構朝向所述基板開口彎曲成凸出形狀。背板設置在所述支撐介電層上且在所述振膜的上方，其中所述背板包含多個通孔在對應所述基板開口的區域。

Description

微機電系統麥克風
本發明是有關於一種微機電系統技術，且特別是有關於一種微機電系統麥克風。
微機電系統例如是微機電系統麥克風已經很普遍，其是由於相對於傳統的駐極體電容式麥克風(Electret Condenser Microphone, ECM)有更優良的性能。微機電系統麥克風的特徵包含:薄與小的尺寸;表面安裝元件可輕易通過焊料流而組裝;以及高的穩定性及環境抵抗力。特別是，大量縮小尺寸的微機電系統麥克風適合多種的應用。
關於微機電系統麥克風的感應能力，微機電系統麥克風包含振膜電容器，其中振膜當作接地，可以隨著在空氣中傳遞的聲波而響應振動。對應聲波的電容值的變化於是在後端的電路被轉換成電性信號。在此機制中，振膜的振動表現之主要因素以決定感應能力。換句話說，振膜在感應聲波信號上是扮演重要的角色。
決定振膜電容器的電容值的一因素是電容器的兩個電極板之間的距離。然而在微機電系統麥克風中，當作接地電極的振膜與當作電壓電極的背板之間的距離一般是很小。
況且，振膜是在周圍被固定但是中間區域是振動能力的最大的區域。也就是，振膜的振動不是均勻的移動程度。這也造成感應失真，不是正比響應聲波信號。
如何提升振膜電容器的感應品質在設計微機電系統麥克風上是一個重要的議題。
本發明是關於微機電系統麥克風，其中所提供的振膜電容器的振膜結構可以降低感應失真以及更可增加電容值。
於一實施例，本發明提供一種微機電系統麥克風，包括基板，具有基板開口。支撐介電層設置在所述基板上，圍繞所述基板開口。振膜由所述支撐介電層支撐，位在所述基板開口上方，其中當所述振膜在停止操作狀態時，所述振膜有似碗狀結構朝向所述基板開口彎曲成凸出形狀。背板設置在所述支撐介電層上且在所述振膜的上方，其中所述背板包含多個通孔在對應所述基板開口的區域。
於一實施例，本發明又提供一種微機電系統麥克風，包括基板，具有基板開口。支撐介電層設置在所述基板上，圍繞所述基板開口。背板由所述支撐介電層支撐且在所述基板開口的上方，其中所述背板包含多個通孔在對應所述基板開口的區域。振膜由所述支撐介電層支撐，對應所述基板開口在所述背板上方，其中當所述振膜在停止操作狀態時，所述振膜有似碗狀結構相對所述基板開口朝外彎曲成凸出形狀。保護層設置在所述支撐介電層上，且對應所述基板開口有開口。
根據一實施例，在所述的微機電系統麥克風中，所述振膜在被所述支撐介電層所支撐的區域是距離所述背板有第一間隙，以及所述振膜的所述凸出形狀的凸頂是距離所述背板有第二間隙，其中所述第二間隙至少是所述第一間隙的5/4倍。
根據一實施例，在所述的微機電系統麥克風中，所述振膜的直徑愈大則所述第二間隙就更大。
根據一實施例，在所述的微機電系統麥克風中，所述振膜的周圍區域有彈簧結構。
根據一實施例，在所述的微機電系統麥克風中，所述彈簧結構由所述振膜的中心區域延伸到所述支撐介電層的側壁。
根據一實施例，在所述的微機電系統麥克風中，所述振膜的所述周圍區域有多個裂縫開口，如此構成所述彈簧結構。
根據一實施例，在所述的微機電系統麥克風中，所述保護層的周圍區域是設置在所述支撐介電層上。
根據一實施例，在所述的微機電系統麥克風中，所述振膜是導電體。
根據一實施例，在所述的微機電系統麥克風中，所述振膜是連接到地電壓端，以及所述背板在對應所述基板開口的一導電層是連接到操作電壓。
根據一實施例，在所述的微機電系統麥克風中，所述振膜包含堆疊的多層以產生應力，如此形成所述似碗狀結構。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明提供微機電系統麥克風，其中可以提升振膜的效能。
所提供的多個個實施例是用來說明本發明，但不是要限制本發明。
圖1是依照本發明的一種微機電系統麥克風的剖面結構示意圖。參閱圖1，本發明對一般的微機電系統麥克風進行探究，其中微機電系統麥克風包括基板100，例如示矽基板，具有基板開口90。支撐介電層102是設置在基板100上，且圍繞基板開口90。振膜104由支撐介電層102所支撐，在基板開口90上方。於一實施例，當振膜104是在操作停止狀態下，振膜104是平坦面。背板110是設置在支撐介電層102上，位於振膜104上方。背板110在對應基板開口90的區域包含多個通孔112。背板110也包含保護層108及在保護層108上的導電層，其被整合在一起。保護層108設置在支撐介電層102上。振膜104可以包含彈簧結構106，其至少允許振膜104可以更自由振動，以響應聲波信號，且防止支撐介電層102在接合部的斷裂。
圖2是依照本發明的一種微機電系統麥克風在操作時的剖面結構示意圖。參閱圖2，以直接方式來形成微機電系統麥克風的振膜104，此振膜104一般是延伸成平坦面的結構。對於振膜104的這樣結構，在本發明探究微機電系統麥克風後，有觀察到一些問題。當在振膜104與背板110之間施加操作電壓Vpp時，振膜104是被彎折而朝向背板，如振膜104a所示的狀態。這被引起的彎折現象是由於振膜104的可撓性，而由在在振膜104與背板110之間的電場所引起。
從電路來看，振膜104電容性的全部阻抗R air是由垂直阻抗Rv與間隙阻抗Rg的總合，以R air= Rg + Rv來表示。熱噪聲是與全部阻抗R air相關。如一般所知，Rg是正比於1/g 3, g是空氣間隙。為了減少熱噪聲而提高信噪比(SNR)，在對微機電系統麥克風施加操作電壓後，空氣間隙g需要大值。
要增加空氣間隙g的一個方法是支撐介電層102可以變厚。然而，較厚的介電層，例如大於4微米，在介電質沉積時很可能會容易破裂。另外，假設振膜面積為了提高信噪比而加大，為了適應在相同拉入電壓下由於振膜強度降低，空氣間隙也需要加大。因此，要得到高信噪比，對於當前平坦面的振膜，其製造流程會趨於更複雜。
圖3是依照本發明的一種微機電系統麥克風的剖面結構示意圖。參閱圖3，為了增加振膜104與背板110之間的間隙，振膜204於本實施例在操作停止狀態下可以有似碗狀的形狀，其可以在振膜204的中間區域產生較大的間隙。在本實施例，彈簧結構206也會被形成在周圍區域，以接合支撐介電層102。另外，彈簧結構206的強度是取決於彈簧結構的幾何條件。所要的彈簧強度可以通過彈簧結構所設定的幾何條件來調整。可瞭解地、假設彈簧強度過低，振膜204的性能會被影響。
似碗狀的振膜204可以通過控制隔膜材料的沉積以達到具有漸變應力的薄膜來形成。換句話說，振膜204是由應力漸變的多個次層所疊置而成。在移除對應基板開口90的介電材料而釋放振膜204後，具有分佈在多個次層的漸變應力的振膜204會形成似碗狀的振膜204。其結果，振膜204有似碗狀的結構。而且凸向基板開口90。似碗狀的振膜204在中間區域具有較大的間隙，其不需要增加在振膜204與背板110之間的介電厚度。
圖4是依照本發明的一種微機電系統麥克風在操作時的剖面結構示意圖。參閱圖4，關於操作，操作電壓Vpp施加於振膜204與背板110之間。因為振膜204具有似碗狀的結構，其凸向基板開口90，在操作電壓Vpp被施加後，振膜204會被背板110吸引到如振膜204a所示的位置。然而，似碗狀的結構仍是維持。
圖5是依照本發明的一種微機電系統麥克風的剖面結構示意圖。參閱圖5，關於振膜204的似碗狀結構，其可以根據實際的設計來調整。空氣間隙g，也稱為參考碗深度，相對於平坦的振膜是被定義為在被埋入在支撐介電層102的區域的振膜204與背板110之間的間隙。振膜204有碗深度g2。依照調整，振膜207可以是較少的碗深度g1，振膜208可以是較大的碗深度g3。然而於一實施例，碗深度g1的實施例可以是5/4 (= 1 + 1/4) g或是更大。
圖6是依照本發明的一種微機電系統麥克風不同尺寸的剖面結構示意圖。參閱圖6，更加地，碗深度也需要根據振膜204的尺寸來調整。基本上，較大尺寸的振膜204會有較大的直徑。相對較小直徑的振膜204有空氣間隙g及附加的凹陷Δg1，如此碗深度是g+Δg1。類似地、相對較大直徑的振膜204有空氣間隙g及附加的凹陷Δg2，如此碗深度是g+Δg2。較大的振膜會是較可撓。如此、此Δg2的值一般是大於Δg1的值。
圖7是依照本發明的一種微機電系統麥克風含有周邊彈簧的剖面結構示意圖。參閱圖7，振膜204也含有彈簧結構206以提升振膜振動的效能。另外，彈簧結構可以減少振膜在被支撐介電層102所支撐的區域的破裂機率。然而，如果彈簧結構過軟則彈簧效果可能無法維持。一般性地，彈簧結構206的相鄰兩條的移位y不會大於振膜204的厚度a，如此可以避免聲音感應力在低頻時下降。如所注意到，碗深度g1、g2、g3是指由振膜204的凸頂點到背板的距離，其中凸頂點一般是指位於振膜204的中心。在面結構的例子，彈簧的相鄰兩個部份在頃斜的狀態是有移位y，其不會大於振膜204的厚度。
圖8A是依照本發明的一種微機電系統麥克風的彈簧結構的上視結構示意圖。參閱圖8，其所示的是彈簧結構206的上視結構。似碗狀的振膜204是由多個彈簧所支撐。彈簧從中間區域向邊緣蜿蜒到達支撐介電層102的側壁。此多個彈簧可以減少在振膜204與支撐介電層102之間的邊界的應力。彈簧結構206以外的周邊區域是埋入到支撐介電層102中。
圖8B是依照本發明的一種微機電系統麥克風的振膜的剖面結構示意圖。參閱圖8，其是圖8A沿著割線I-I的彈簧結構206的剖面結構。由於彈簧結構206的蜿蜒結構，在剖面結構來看是會有多條。
圖9與圖10是依照本發明的一種微機電系統麥克風的振膜的上視結構示意圖。參閱圖9，彈簧結構206不限於圖8A的結構，而可以被修改程其它蜿蜒的結構。相鄰兩個蜿蜒的彈簧結構206也可以有共用的一部分。一般性地，多個開口206’是形成在振膜204的周邊區域，以形成彈簧結構206。
參閱圖10，對彈簧結構206的其它修改可以改變開口206’的不同圖案。換句話說，彈簧結構206的蜿蜒結構不需要僅被限制在所舉的實施例。
又更進一步對圖3的微機電系統麥克風的修改，圖11依照本發明一實施例的一種微機電系統麥克風的剖面結構示意圖。參閱圖11，振膜204與背板110的位置相對於圖3的微機電系統麥克風可以互換，其中基本的結構還是相同。微機電系統麥克風包括基板100，具有基板開口90。支撐介電層102設置在所述基板100上，圍繞所述基板開口90。背板110由所述支撐介電層102支撐且在所述基板開口90的上方。背板110包含多個通孔112在對應所述基板開口90的區域。振膜204由所述支撐介電層102支撐，對應所述基板開口90在所述背板110上方。當振膜204在停止操作狀態時，振膜204有似碗狀結構相對所述基板開口90朝外彎曲成凸出形狀。保護層設置在所述支撐介電層102上，且對應所述基板開口90有開口，以暴露振膜204。
振膜204的特性也是似碗狀，類似於圖3的結構。於此實施例，背板110是低於振膜204，而基板100當作結構基礎。碗深度的特徵以及彈簧結構206是相似於前描述。
本發明以提出振膜204的形成含有似碗狀結構，振膜是由背板往外凸出，如此增加背板與振膜之間在中間區域的間隙。其至少可以降低熱噪聲。
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。
90 : 開口 100 : 基板 102 : 支撐介電層 104 : 振膜 106 : 彈簧結構 108 : 保護層 110 : 背板 112 : 通孔 204、204a、207、208 : 振膜 206 : 彈簧結構 206’ : 開口
圖1是依照本發明的一種微機電系統麥克風的剖面結構示意圖。 圖2是依照本發明的一種微機電系統麥克風在操作時的剖面結構示意圖。 圖3是依照本發明的一種微機電系統麥克風的剖面結構示意圖。 圖4是依照本發明的一種微機電系統麥克風在操作時的剖面結構示意圖。 圖5是依照本發明的一種微機電系統麥克風的剖面結構示意圖。 圖6是依照本發明的一種微機電系統麥克風不同尺寸的剖面結構示意圖。 圖7是依照本發明的一種微機電系統麥克風含有周邊彈簧的剖面結構示意圖。 圖8A是依照本發明的一種微機電系統麥克風的彈簧結構的上視結構示意圖。 圖8B是依照本發明的一種微機電系統麥克風的振膜的剖面結構示意圖。 圖9與圖10是依照本發明的一種微機電系統麥克風的振膜的上視結構示意圖。 圖11依照本發明一實施例的一種微機電系統麥克風的剖面結構示意圖。

Claims (20)

  1. 一種微機電系統麥克風，包括：基板，具有基板開口；支撐介電層，設置在所述基板上，圍繞所述基板開口；振膜，由所述支撐介電層支撐，位在所述基板開口上方，其中當所述振膜在停止操作狀態時，所述振膜有似碗狀結構朝向所述基板開口彎曲成凸出形狀，其中所述似碗狀結構有中間區域，且在所述中間區域中有凸頂；以及背板，設置在所述支撐介電層上且在所述振膜的上方，其中所述背板包含多個通孔在對應所述基板開口的區域。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜在被所述支撐介電層所支撐的區域是距離所述背板有第一間隙，以及所述振膜的所述凸出形狀的該凸頂是距離所述背板有第二間隙，其中所述第二間隙至少是所述第一間隙的5/4倍。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜的直徑愈大則所述第二間隙就更大。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜的周圍區域有彈簧結構。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的微機電系統麥克風，其中所述彈簧結構由所述振膜的中心區域延伸到所述支撐介電層的側壁。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜的所述周圍區域有多個裂縫開口，如此構成所述彈簧結構。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風，其中所述背板包含保護層，所述保護層的周圍區域是設置在所述支撐介電層上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜是導電體。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜是連接到地電壓端，以及所述背板在對應所述基板開口的一導電層是連接到操作電壓。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜包含堆疊的多層以產生應力，如此形成所述似碗狀結構。
  11. 一種微機電系統麥克風，包括：基板，具有基板開口；支撐介電層，設置在所述基板上，圍繞所述基板開口；背板，由所述支撐介電層支撐且在所述基板開口的上方，其中所述背板包含多個通孔在對應所述基板開口的區域；振膜，由所述支撐介電層支撐，對應所述基板開口在所述背板上方，其中當所述振膜在停止操作狀態時，所述振膜有似碗狀結構相對所述基板開口朝外彎曲成凸出形狀，其中所述似碗狀結構有中間區域，且在所述中間區域中有凸頂；以及保護層，設置在所述支撐介電層上，且對應所述基板開口有開口。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜在被所述支撐介電層所支撐的區域是距離所述背板有第一間隙，以及所述振膜的所述凸出形狀的該凸頂是距離所述背板有第二間隙，其中所述第二間隙至少是所述第一間隙的5/4倍。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜的直徑愈大則所述第二間隙就更大。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜的周圍區域有彈簧結構。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的微機電系統麥克風，其中所述彈簧結構由所述振膜的中心區域延伸到所述支撐介電層的側壁。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜的所述周圍區域有多個裂縫開口，如此構成所述彈簧結構。
  17. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風，其中所述背板包含保護層，所述保護層的周圍區域是設置在所述支撐介電層上。
  18. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜是導電體。
  19. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜是連接到地電壓端，以及所述背板在對應所述基板開口的一導電層是連接到操作電壓。
  20. 如申請專利範圍第11項所述的微機電系統麥克風，其中所述振膜包含堆疊的多層以產生應力，如此形成所述似碗狀結構。
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