具有高深厚比褶皺振膜的硅麥克風和有該硅麥克風的封裝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及麥克風技術(shù)領(lǐng)域，并且更具體地講，涉及具有高深厚比褶皺振膜的硅麥克風以及具有該硅麥克風的封裝。
【背景技術(shù)】
[0002]多年來都在研發(fā)硅麥克風，或硅基MEMS麥克風，也稱為聲換能器。硅麥克風由于其微型化、性能、可靠性、環(huán)境耐久性、成本和大批量生產(chǎn)能力方面的潛在優(yōu)勢而被廣泛用于許多應(yīng)用領(lǐng)域，例如，手機、平板電腦、照相機、助聽器、智能玩具和監(jiān)視設(shè)備。
[0003]典型的硅麥克風包括堆疊在硅基底上并且通過形成在硅基底中的背孔向外部暴露的高柔性振膜，以及位于振膜的上方的固定的穿孔背板，在振膜與穿孔背板之間有空氣間隙。柔性振膜和穿孔背板形成可變氣隙(air-gap)電容器，當振膜響應(yīng)于通過背孔到達振膜的外部聲波或聲壓沖擊振動時，該電容器可以將聲能轉(zhuǎn)換成用于檢測的電能。
[0004]作為硅麥克風的關(guān)鍵部件，振膜在確定麥克風的性能中發(fā)揮非常重要的作用，例如，在振膜中的較大的張應(yīng)力可能導(dǎo)致不期望的效果，例如，低的且不可再現(xiàn)的麥克風靈敏度。因此，對麥克風設(shè)計者而言一個主要主題是減小振膜的應(yīng)力以便提高麥克風的性能，例如，靈敏度和可再現(xiàn)性。
[0005]專利申請N0.PCT/CN2013/080908公開了一種具有擋塊結(jié)構(gòu)(stopper structure)的娃麥克風，其中在振膜的邊緣的周圍形成有窄槽(narrow slot)以釋放在振膜中的應(yīng)力，然而，窄槽使麥克風在跌落試驗中易碎，然而引入的用于改善跌落性能的擋塊結(jié)構(gòu)增加了工藝復(fù)雜性并且因此引起成本顧慮。其他無應(yīng)力振膜設(shè)計，例如，Knowles公司的懸浮振膜方案和Analog Devices公司的折疊彈簧支撐的振膜方案等，也因生產(chǎn)控制和高可靠性而優(yōu)選。然而，其要么涉及復(fù)雜的制造過程，要么在跌落試驗中變得太過易碎。
[0006]鄒泉波等(鄒泉波、李志堅和劉理天，“使用褶皺振膜技術(shù)的硅電容式麥克風的設(shè)計與制造”，微機電系統(tǒng)期刊，1996年9月第5卷第3期)提出了具有形成在整個振膜上的矩形褶皺的單晶片電容式麥克風，其有利于減小在振膜中的初始應(yīng)力并且使麥克風具有高靈敏度。然而，此麥克風的缺點是，需要在振膜中形成橋接部分用于背板工藝，從而振膜的應(yīng)力釋放不完全，另一方面，整個振膜上的多個褶皺實際上會增加振膜的抗彎剛度并且因此降低麥克風的靈敏度。
[0007]P.Scheeper等(Patrick R.Scheeper、Wouter Olthuis和Piet Bergveld，“裙皺氮化硅振膜的設(shè)計、制造以及試驗”，微機電系統(tǒng)期刊，1994年3月第3卷第1期)公開了一種用于在初始張應(yīng)力下提高機械靈敏度的褶皺氮化硅振膜。振膜的機械靈敏度得到顯著提高，但是付出了增大振膜面積的代價(比正常設(shè)計約大3倍)。由于大的振膜面積上具有多個(8)環(huán)狀裙皺導(dǎo)致可以觀察到高達2?7μηι的振膜的大的靜態(tài)燒度(static deflect1n)，這使得構(gòu)造振膜與背板之間的空氣間隙通常為幾微米的MEMS麥克風不切實際。此外，振膜上的多個褶皺也將增加振膜的抗彎剛度并且因此降低振膜的靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種具有高深厚比的褶皺振膜的硅麥克風，以及具有該硅麥克風的封裝，所述硅麥克風可以減輕對機械靈敏度的應(yīng)力效應(yīng)以及振膜的靜態(tài)撓度，并且不增加麥克風的振膜的抗彎剛度，因此提高麥克風的靈敏度和可再現(xiàn)性，同時可以在跌落試驗中表現(xiàn)出高可靠性和在制造中表現(xiàn)出低成本。
[0009]在本發(fā)明的一方面，提供了一種具有高深厚比的褶皺振膜的硅麥克風，包括:硅基底，在所述硅基底中設(shè)置有背孔;柔性振膜，設(shè)置在所述硅基底的背孔的上方;穿孔背板，設(shè)置在所述振膜的上方，在所述穿孔背板與所述振膜之間夾有空氣間隙，其中所述振膜和所述背板用于形成可變電容器的電極板，其中至少一個環(huán)形褶皺形成在固定在所述基底上的所述振膜的邊緣的附近，并且其中所述褶皺的深度與所述振膜的厚度的比值大于5:1，并且所述褶皺的壁以80°至100°的角度范圍相對于所述振膜的表面傾斜。
[0010]優(yōu)選地，所述褶皺的深度與所述振膜的厚度的比值可以大于20:1。更優(yōu)選地，一個環(huán)形褶皺可以形成在所述振膜的邊緣的附近，并且所述褶皺的深度與所述振膜的厚度的比值可以大于20:1。
[0011]優(yōu)選地，所述具有高深厚比的褶皺振膜的硅麥克風可以進一步包括凹座，所述凹座從所述穿孔背板的下表面突出，和/或者從所述振膜的上表面突出。
[0012]優(yōu)選地，所述振膜可以形成有多晶硅層。
[0013]在本發(fā)明的另一方面，提供了一種麥克風封裝，包括:PCB板;如上所述的具有高深厚比的褶皺振膜的硅麥克風，安裝在所述PCB板上；以及蓋，圍住所述麥克風，其中聲孔(acoustic port)形成在所述PCB板和所述蓋的任意一個上。
[0014]在本發(fā)明的又另一方面，提供了另一麥克風封裝，包括:PCB板;振膜組件，倒裝安裝在所述PCB板上；以及蓋，圍住所述振膜組件，其中聲孔形成在所述PCB板和所述蓋中的任意一個上，其中，所述振膜組件包括:硅基底，在所述硅基底中設(shè)置有背孔;柔性振膜，設(shè)置在所述硅基底的所述背孔的上方；以及隔離體，設(shè)置在所述振膜的上方并且圍繞(surrounding)其邊緣，其中，所述振膜組件的隔離體粘結(jié)在所述PCB板上，所述振膜組件的所述振膜與最初堆疊在所述PCB板上并且現(xiàn)位于與所述振膜相對的金屬層用于形成可變電容式麥克風的電極板，并且所述振膜與所述金屬層之間夾有空氣間隙，其中，至少一個環(huán)形褶皺形成在固定在所述基底上的所述振膜的邊緣的附近，并且其中，所述褶皺的深度與所述振膜的厚度的比值大于5:1，并且所述褶皺的壁以80°至100°的角度范圍相對于所述振膜的表面傾斜。
[0015]優(yōu)選地，一個環(huán)形褶皺可以形成在所述振膜的邊緣的附近并且所述褶皺的深度與所述振膜的厚度的比值大于20: 1。
[0016]優(yōu)選地，所述隔離體可以形成有導(dǎo)電的金屬/合金層。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的具有高深厚比的褶皺振膜的硅麥克風的優(yōu)點在于:硅麥克風的性能，例如靈敏度，對振膜的初始應(yīng)力不敏感，因此在本發(fā)明中可以獲得一致且最佳的靈敏度，從而可以提高可再現(xiàn)性和產(chǎn)率;深厚比大于20:1的單個褶皺可以給振膜提供最好的機械靈敏度和最小的翹曲或靜態(tài)撓度，因此更好的可再現(xiàn)性和可制造性;在跌落試驗中所施加的沖擊可以大大地降低，是因為跌落試驗中引起的應(yīng)力都沿著整個環(huán)狀褶皺均勻分布，相比起在具有開口槽(opening slot)的振膜中的應(yīng)力，此處的應(yīng)力更不集中，因此本發(fā)明的麥克風具有更高的穩(wěn)健性和可靠性。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的實施例的麥克風封裝的優(yōu)點在于，除上述優(yōu)點之外，簡化了晶片加工，降低了成本，并且提高了產(chǎn)率;耦接在PCB上的寄生電容很低，因此可以潛在地將靈敏度和SNR提高2-6dB;空氣間隙很大，因此聲阻很低并且信噪比很高；更多背體積可用于麥克風，同時，然而由于亥姆霍茲共振，零前體積(zero front-volume)對麥克風的高頻響應(yīng)沒有影響。
[0019]盡管已經(jīng)在上述
【發(fā)明內(nèi)容】
中討論了各種實施例，但是應(yīng)當理解，未必所有的實施例包括相同特征，并且以上所述的一些特征不是必要的并且在一些實施例中是可取的。在以下的【具體實施方式】中討論了許多額外的特征、實施例和益處。
【附圖說明】
[0020]從以下給出的結(jié)合附圖對實施例的描述中，本發(fā)明的目的和特征將變得顯而易見，其中:
[0021]圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有高深厚比褶皺振膜的硅麥克風的實例性結(jié)構(gòu)的截面圖；
[0022]圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的振膜200的截面圖(上部)和平面圖(下部)的示意圖；
[0023]圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的麥克風和現(xiàn)有技術(shù)的麥克風的仿真的開路靈敏度對(versus)振膜的初始應(yīng)力的圖表；
[0024]圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的麥克風的仿真的機械靈敏度對深厚比的圖表；
[0025]圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的具有高深厚比的褶皺振膜的麥克風與現(xiàn)有技術(shù)的麥克風在跌落測試中的應(yīng)力風險比較的圖表；
[0026]圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的麥克風封裝的實例性