TWI692255B - 微機電傳感器 - Google Patents

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Abstract

一種微機電傳感器，包括一電極板、一振膜結構、一支撐結構以及一洩壓膜層。電極板具有一導電部。振膜結構間隔設置在該電極板的一側且具有一感測膜層。支撐結構配置在振膜結構與電極板之間並圍繞一電性耦合區及一氣體流動區。支撐結構包含有內牆及外牆。內牆圍繞氣體流動區的外緣，外牆圍繞在電性耦合區的外緣。洩壓膜層遮擋於氣體流動區。

Description

微機電傳感器
本發明是有關於一種微機電傳感器，且特別是有關於一種自動調節氣壓變化的微機電傳感器。
微機電傳感器的振動膜，可能因為環境中的強風或是門板擠壓空氣所產生的瞬間高壓而損壞。現今為避免微機電傳感器內外的壓力差過大的情況，會在傳感器的振動膜上增加多個洩壓孔，當傳感器的內外部承受較大之氣壓變化時，可藉由多個洩壓孔調整傳感器內外的壓力平衡。
然而，考量到增加洩壓孔可能影響振動膜的彈性及傳感器的感測性能，僅能在不影響感測功效的前提下增加少量且面積較小的洩壓孔，其調節瞬間高壓作用的功效較為不足。因此，現有採用洩壓孔的技術手段，仍無法避免壓力差造成振動膜損壞的可能性。
本發明提供一種微機電傳感器，可大幅改善瞬間壓差所造成的振動膜損壞情形且無需增加額外製程，以降低製作成本。
本發明的一種微機電傳感器，包括一電極板、一振膜結構、一支撐結構以及一洩壓膜層。電極板具有一導電部。振膜結構間隔設置在該電極板的一側且具有一感測膜層。支撐結構配置在振膜結構與電極板之間並圍繞一電性耦合區及一氣體流動區。支撐結構包含有內牆及外牆。內牆圍繞氣體流動區的外緣，外牆圍繞在電性耦合區的外緣。洩壓膜層遮擋於氣體流動區。
基於上述，本發明的微機電傳感器透過支撐結構隔離出相互獨立的氣體流動區以及電性耦合區。當微機電傳感器的內部或外部產生氣壓變化時，氣體作用並通過氣體流動區以排出至環境中或是進入微機電傳感器內，藉此調整微機電傳感器內外的壓力平衡，進而大幅改善振膜結構因傳感器內部或外部的瞬間氣壓變化所造成的損壞情況。
進一步而言，微機電傳感器的氣體流動區與電性耦合區如果沒有相互隔離時，電性耦合區所對應的振膜結構會因大範圍的洩氣而導致低頻的響應下降，因此本發明支撐結構的內牆可確保洩壓區域被隔絕在電性耦合區之外，避免影響電性耦合區之感測能力。此外，氣體流動區具備較大面積的洩壓路徑，可快速平衡微機電傳感器的內外壓力差，以提升微機電傳感器可靠度與使用靈敏度。
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。
圖1A是依照本發明一實施例的微機電傳感器的剖面示意圖。圖1B是圖1A的微機電傳感器的洩壓動作示意圖。圖1C是圖1A的微機電傳感器的仰視示意圖。圖1D是圖1C的微機電傳感器的洩壓膜層的平面示意圖。
麥克風(收音設備)是一種將聲壓能量轉換為電能的裝置，用以能將聲壓轉換成電訊號，並通過後端的訊號處理以達到放大音量、濾波、改變音頻等相關用途。目前市面上的麥克風可粗分為電容式麥克風、動圈式麥克風以及駐電極體式麥克風等種類，各類麥克風的聲壓能量轉換方式均不同。
本實施例的微機電傳感器100例如是應用在電容式麥克風。簡言之，電容式麥克風的振膜受聲壓作用而變形造成電容值改變，前端讀取電路將電容變化轉換為電壓輸出，再經由後端電路放大器將電壓輸出訊號提高到所需的強度。
參考圖1A至圖1D，本發明的微機電傳感器100，包括電極板110、振膜結構120、支撐結構130以及洩壓膜層140。
電極板110具有排氣部111及導電部112。電極板110例如是介電材料，包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、上述材料之組合或其他類似的材料，導電部112進一步包含有電極層，電極層材料例如是多晶矽(poly-silicon)、摻雜多晶矽、金屬、金屬化合物或其他類似的導電材料等，透過半導體製程例如低壓化學氣相沈積法、電漿輔助化學氣相沈積法、高密度電漿化學氣相沈積法、物理氣相沈積法或其他類似沈積方法形成於導電部112面對振膜結構120之一側面上。
在本實施例中，排氣部111配置在電極板110的中央處，且被導電部112所環繞。振膜結構120間隔設置在電極板110的一側且具有感測膜層122。支撐結構130配置在振膜結構120與電極板110之間並將微機電傳感器劃分形成電性耦合區EA及氣體流動區FA。支撐結構130包含有內牆IW及外牆OW。內牆IW圍繞在氣體流動區FA的外緣，以隔離氣體流動區FA與電性耦合區EA。外牆OW圍繞在電性耦合區EA的外緣。進一步而言，排氣部111對應配置於氣體流動區FA上，導電部112對應配置於電性耦合區EA上。
參考圖1A，本實施例的洩壓膜層140為振膜結構120之一部分，且洩壓膜層140與振膜結構120之材料相同。詳細而言，洩壓膜層140位於內牆IW內且懸空對位於排氣部111。振膜結構120的感測膜層122配置在內牆IW與外牆OW之間且對應於導電部112。當感測膜層122受到音壓作用，而朝向導電部112變形，感測膜層122與導電部112之間的電容值將產生變動，並藉此轉換為相應的電訊號。
補充而言，由於感測膜層122與洩壓膜層140之間配置有內牆IW，使得兩者為相互隔離。當電性耦合區EA所對應的感測膜層122進行聲壓感測時會產生振動，支撐結構130的內牆IW可將氣體流動區FA隔絕在電性耦合區EA之外，避免影響電性耦合區EA之感測能力。
進一步而言，電性耦合區EA環繞配置在氣體流動區FA的外側，且氣體流動區FA為電絕緣區域。故能避免洩壓膜層140與氣體流動區FA產生電容效應，進而影響微機電傳感器100的感測功效。洩壓膜層140是可連通地覆蓋在氣體流動區FA上，當洩壓膜層140未受外力推擠變形時，洩壓膜層140處於密閉狀態，反之洩壓膜層140切換為開啟狀態以連通氣體流動區FA與外部環境。
參考圖1A及圖1B，本實施例的排氣部111例如包括不超出內牆IW的多個穿孔TH，且排氣部111、洩壓膜層140與內牆IW共同定義出氣體流動區FA。
進一步而言，洩壓膜層140更包含多個長條狀間隙。多個長條狀間隙包含中央間隙G1以及沿著洩壓膜層140周緣配置之周緣間隙G2。
詳細而言，透過中央間隙G1及多個周緣間隙G2的設置，使得洩壓膜層140的剛性小於感測膜層122的剛性。當環境中的氣壓P(瞬間高壓)施加於振膜結構120時，基於剛性的差別，洩壓膜層140之變形量大於感測膜層122之變形量，使洩壓膜層140朝向電極板110變形，以連通氣體流動區FA與外部環境。因此，大部分的氣壓P依序通過洩壓膜層140、氣體流動區FA以及排氣部111後，再排出微機電傳感器100。而非全部作用在感測膜層122上，以此避免氣壓P(瞬間高壓)造成振膜結構120損壞之情形。
圖2本發明另一實施例的微機電傳感器的剖面示意圖。
請配合參考圖1A及圖2。圖2的微機電傳感器100A與圖1A的微機電揚聲器100的差異在於，電極板110a的排氣部111a為一穿孔TH，連通該氣體流動區FA，使得支撐結構130a的內牆IW與洩壓膜層140a共同形成一半開放空間。其中，穿孔TH之孔徑D1小於內牆IW所環繞出的內徑D2。補充而言，穿孔TH具備較大的孔徑D1，可增加氣壓P的洩壓速度。
圖3是依照本發明另一實施例的微機電傳感器的剖面示意圖。請配合參考圖1A及圖3。圖3的微機電傳感器100B與圖1A的微機電揚聲器100的差異在於，氣體流動區FA為電絕緣區域，且環繞配置在電性耦合區EA的外側。電極板110b的排氣部111b為環狀孔RH，且對應連通氣體流動區FA。詳細而言，振膜結構120b具有洩壓膜層140b以及感測膜層122b。感測膜層122b配置在支撐結構130b的內牆IW內，且洩壓膜層140b配置在內牆IW與外牆OW之間。
圖4A是本發明另一實施例的微機電傳感器的剖面示意圖。圖4B是圖4A的微機電傳感器增加另一洩壓膜層的剖面示意圖。
請配合參考圖1A及圖4A。圖4A的微機電傳感器100C與圖1A的微機電揚聲器100的差異在於，微機電傳感器100C具有另一洩壓膜層150c，本實施例的洩壓膜層150c是電極板110c的一部分。振膜結構120c更包含一導引孔GH，配置在振膜結構120c的中央處且對應於電極板110c的洩壓膜層150c。其中感測膜層122c配置在內牆IW與外牆OW之間且環繞在導引孔GH外圍，則氣壓P會直接通過導引孔GH、氣體流動區FA並作用於洩壓膜層150c，以完成洩壓動作。
此外，電極板110c的導電部112c具有至少一導電層L，且洩壓膜層150c之材料與至少一導電層L之材料相同，洩壓膜層150c之厚度W1小於導電部112c之厚度W2且氣體流動區FA為電絕緣區域，洩壓膜層150c覆蓋於氣體流動區FA上。
參考圖4B，微機電傳感器100C的振膜結構120c具有洩壓膜層140c(與圖1A的洩壓膜層140相近)及另一洩壓膜層150c(與圖4A的洩壓膜層150c相同)。洩壓膜層140c配置於支撐結構130c的內牆IW中且間隔對位另一洩壓膜層150c。其中洩壓膜層150c配置於氣體流動區FA上相對於洩壓膜層140c之另一側。因此，另一洩壓膜層150c、洩壓膜層140c與氣體流動區FA共同形成一封閉空間。補充而言，微機電傳感器100C具備兩洩壓膜層150c、140c，當微機電傳感器100C未受到環境氣壓P作用時，其氣體流動區FA具有較佳的密封特性。
綜上所述，本發明的微機電傳感器透過支撐結構將振膜結構隔離成相互獨立的氣體流動區以及電性耦合區。當微機電傳感器的內部或外部產生氣壓變化時，氣體作用並通過氣體流動區以排出至環境中或是進入微機電傳感器內，藉此調整微機電傳感器內外的壓力平衡，進而大幅改善振膜結構因傳感器內部或外部的瞬間氣壓變化所造成的損壞情況。
進一步而言，微機電傳感器的氣體流動區與電性耦合區如果沒有相互隔離時，電性耦合區所對應的振膜結構會因大範圍的洩氣而導致低頻的響應下降，因此本發明支撐結構的內牆可確保洩壓區域被隔絕在電性耦合區之外，避免影響電性耦合區之感測能力。此外，氣體流動區具備較大面積的洩壓路徑，可快速平衡微機電傳感器的內外壓力差，以提升微機電傳感器可靠度與使用靈敏度。
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、100A、100B、100C:微機電傳感器 110、110a、110b、110c:電極板 111、111a、111b:排氣部 112、112c:導電部 120、120a、120b、120c:振膜結構 122、122b:感測膜層 130、130a、130c:支撐結構 140、140a、140b、140c:洩壓膜層 150c:洩壓膜層 P:氣壓 L:導電層 D1:孔徑 D2:內徑 EA:電性耦合區 FA:氣體流動區 G1:中央間隙 G2:周緣間隙 GH:導引孔 IW:內牆 OW:外牆 RH:環狀孔 TH:穿孔 W1、W2:厚度
圖1A是依照本發明一實施例的微機電傳感器的剖面示意圖。 圖1B是圖1A的微機電傳感器的洩壓動作示意圖。 圖1C是圖1A的微機電傳感器的仰視示意圖。 圖1D是圖1C的微機電傳感器的洩壓膜層的平面示意圖。 圖2本發明另一實施例的微機電傳感器的剖面示意圖。 圖3是依照本發明另一實施例的微機電傳感器的剖面示意圖。 圖4A是本發明另一實施例的微機電傳感器的剖面示意圖。 圖4B是圖4A的微機電傳感器增加另一洩壓膜層的洩壓動作示意圖。
100:微機電傳感器
110:電極板
111:排氣部
112:導電部
120:振膜結構
122:感測膜層
130:支撐結構
140:洩壓膜層
EA:電性耦合區
FA:氣體流動區
G1:中央間隙
IW:內牆
OW:外牆
TH:穿孔

Claims (15)

  1. 一種微機電傳感器，包括：一電極板，具有一導電部與一排氣部；一振膜結構，間隔設置在該電極板的一側且具有一感測膜層；一支撐結構，配置在該振膜結構與該電極板之間並以一內牆間隔出相互獨立之一電性耦合區及一氣體流動區；以及一洩壓膜層，懸空對位於該排氣部並遮擋於該氣體流動區。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的微機電傳感器，其中當氣壓施加於該振膜結構時，該洩壓膜層之變形量大於該感測膜層之變形量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的微機電傳感器，其中該氣體流動區為電絕緣區域，該電性耦合區環繞配置在該氣體流動區的外側。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的微機電傳感器，其中該氣體流動區為電絕緣區域，該氣體流動區環繞配置在該電性耦合區的外側。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的微機電傳感器，其中該排氣部對應配置於該氣體流動區上，該導電部對應配置於該電性耦合區上。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的微機電傳感器，其中該排氣部為穿孔，連通該氣體流動區，使得該內牆與該洩壓膜層共同形成一半開放空間。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的微機電傳感器，其中該穿孔的一孔徑小於該內牆所環繞出一內徑。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的微機電傳感器，其中該排氣部包括多個穿孔，該排氣部、該洩壓膜層與該內牆共同定義出該氣體流動區。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的微機電傳感器，其中該洩壓膜層更包含多個長條狀間隙。
  10. 如申請專利範圍第9所述的微機電傳感器，其中該些長條狀間隙包含中央間隙以及沿著該洩壓膜層周緣配置之周緣間隙。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的微機電傳感器，其中該洩壓膜層為該振膜結構之一部分，且該洩壓膜層與該振膜結構之材料相同。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的微機電傳感器，其中該洩壓膜層為該電極板之一部分，且該洩壓膜層與該導電部之材料相同。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的微機電傳感器，其中該洩壓膜層之厚度小於該導電部之厚度。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的微機電傳感器，其中該振膜結構更包含一導引孔，配置在該振膜結構的中央處。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的微機電傳感器，其中該微機電傳感器還具有另一洩壓膜層，配置於該氣體流動區上，相對於該洩壓膜層之另一側。
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