專利名稱：動態(tài)壓力感測結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種動態(tài)壓力感測結構，特別是一種可應用于電容式麥克風的動態(tài)壓力感測結構。
背景技術：
應現代工業(yè)的市場需求，輕、薄、短、小已成為產品研發(fā)制造的趨勢，而微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技術正好迎合了這種產業(yè)市場需求，具有可微小化、批量制造、低材料成本及易于創(chuàng)造高附加價值等優(yōu)點的微機電產品將成為未來最具潛力的明日之星。
麥克風是一種動態(tài)壓力傳感器(dynamic pressure sensor)，相當于耳朵的功能，可測量很小的壓力變化。不過因生理結構的關系，人耳對聲音的反應僅局限在某一頻率范圍，但不同機械結構的麥克風則可以配合需求感測不同頻率范圍內的聲音。但市面上常見的傳統式麥克風仍無法感測較為低頻的聲音，如機器的低頻震動、心臟瓣膜閉合聲及骨胳摩擦韌帶的聲響。而利用微機電系統技術所制作的硅晶麥克風，有別于以往傳統麥克風，可大幅降低成本、更加微小化及提升靈敏度，進而增加麥克風在工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)保等領域的應用，硅晶麥克風大致可分為壓電式(piezoelectric microphone)麥克風、壓阻式麥克風(piezoresistive microphone)、電容式麥克風(condenser microphone)三種型式，其中電容式硅晶麥克風因具有較高的靈敏度與較低功率消耗，已成為目前發(fā)展的主流。電容式麥克風由兩塊平行板構成電極，極板間以空氣或其它絕緣物填充來形成電容器，再將電池的正負極加到兩個極板以產生電容值C＝ε0εrA/d，其中，ε0為真空中的介電常數，εr為兩板中材料相對真空的介電常數，A為極板的面積，d為兩極板間的距離。因此電容量可由兩極板間的距離所決定，亦即極板間的距離越小，電容量越大，而電容式麥克風就是以聲波對空氣產生壓縮進而造成振動膜片隨聲波而相對振動，從而改變極板間距離，導致電容量發(fā)生變化，再使電容改變值經由感測轉換電路，得到相對的電壓輸出。
技術內容本發(fā)明提供了一種動態(tài)壓力感測結構，利用本發(fā)明結構設計可調整該動態(tài)壓力感測結構的測量頻率范圍，同時又具有可運用微機電系統技術來進行加工制造的優(yōu)點，可達到結構改良與制程簡化的目的。
本發(fā)明公開的動態(tài)壓力感測結構主要包括上電極板、支撐墊和下電極板。上電極板連接于支撐墊，上電極板設于下電極板的上方，上電極板與下電極板通過支撐墊維持一段間隙距離，并形成一腔室。上電極板包含可撓區(qū)域與平坦振動區(qū)域，可撓區(qū)域圍繞并連接于平坦振動區(qū)域，可撓區(qū)域下壓時，可帶動平坦振動區(qū)域產生位移。下電極板包括致動電極與感測電極，致動電極圍繞感測電極，并對應可撓區(qū)域設置，使感測電極對應于平坦振動區(qū)域而形成電容，致動電極提供極化電壓以產生靜電力吸引可撓區(qū)域下壓，以帶動所述平坦振動區(qū)域維持平坦狀態(tài)移動，從而通過改變平坦振動區(qū)域相對于感測電極的距離來改變感測電極與平板狀振膜所形成的起始電容值。
通過這種可調式設計，這種動態(tài)壓力感測結構應用于電容式麥克風，可利用感測電極與平板狀振膜的距離調整來改變麥克風的測量頻率范圍，并運用于低頻聲音的訊號偵測，本發(fā)明也可應用于壓力計等其它感應測量器件。
另外，本發(fā)明的動態(tài)壓力感測結構，由于可撓區(qū)域設計，使振動膜可為平板狀。由于電容值C＝ε0εrA/d，所以在面積振動膜與其它設定條件相同的情形下，本發(fā)明的動態(tài)壓力感測結構具有較大的電容值。
另外，本發(fā)明包含致動電極與感測電極，當外環(huán)的致動電極具有一外加偏壓時，可使得上方的電極板向下產生不同程度的運動，所以初始上下兩電極板形成的電容值可因外加偏壓大小而變動，而瞬間電容值的靈敏度可通過外加偏壓大小來加以控制。本發(fā)明除了可調式設計之外，而且由于致動電極的外加偏壓使得上電極板本身的邊界條件會改變，此邊界條件更有利于薄膜由于低頻深壓變化所造成的上下擺動，所以相對于目前的產品更符合低頻要求。
本發(fā)明公開的動態(tài)壓力感測結構具有以下有益效果較低的截頻點(Cutofffrequency)、可變頻設計、可測量不同頻段、高靈敏度、可有效檢測微弱聲壓變化、可有效增加邊界電容值、結構外型設計簡單和聲壓較容易平衡。
圖1是本發(fā)明實施例的放大截面示意圖；圖2A是本發(fā)明實施例的電極板仰視示意圖；圖2B是本發(fā)明另一實施例的電極板仰視示意圖；圖3是本發(fā)明實施例的基板仰視示意圖；圖4是本發(fā)明實施例的制造流程圖。
其中，附圖標記100 電極板 110 平坦振動區(qū)域120 可撓區(qū)域200 硅芯片210 下電極板211 感測電極212 致動電極300 支撐墊310 腔室具體實施方式
圖1是本發(fā)明實施例的放大截面示意圖。如圖1所示，動態(tài)壓力感測結構包括上電極板100、支撐墊300、下電極板210和硅芯片200。上電極板100連接支撐墊300，硅芯片200包括感測電極211與致動電極212所組成的下電極板210，其設于上電極板100的下方，上電極板100與硅芯片200藉由支撐墊300維持一段間隙距離，且形成一腔室310。上電極板100包含可撓區(qū)域120與平坦振動區(qū)域110，可撓區(qū)域120圍繞并連接于平坦振動區(qū)域110。下電極板210包含致動電極212與感測電極211，致動電極212是環(huán)狀并圍繞感測電極211，致動電極212對應可撓區(qū)域120設置，使得感測電極211對應于平坦振動區(qū)域110形成電容。
其中，上電極板100可以是表面具有金屬層的振膜或摻雜高濃度三氯氧磷(POCl3)的多晶硅層等導電材質，可撓區(qū)域120可以是含多個弧形狹縫的區(qū)域或網狀區(qū)域，以提供可撓曲性質。圖2A、圖2B分別是本發(fā)明兩種實施例的上電極板仰視圖，如圖2A所示，上電極板100包含可撓區(qū)域120與平坦振動區(qū)域110，可撓區(qū)域120是含多個弧形狹縫的區(qū)域，并圍繞平坦振動區(qū)域110。如圖2B所示，可撓區(qū)域120是網狀區(qū)域，并圍繞平坦振動區(qū)域110。
而設置在硅芯片200上的下電極板210需包含產生靜電力吸引可撓區(qū)域下壓的致動電極212部分以及產生電容值的感測電極211部分。圖3是本發(fā)明實施例的基板仰視圖，如圖3所示，設置于硅芯片200的下電極板210包含致動電極212與感測電極211，致動電極212為環(huán)狀并圍繞感測電極211，致動電極212對應可撓區(qū)域120設置，致動電極212是用來提供極化電壓以產生靜電力吸引可撓區(qū)域120下壓，調整平坦振動區(qū)域110相對于感測電極211的距離，從而改變感測電極211與平坦振動區(qū)域110所形成的起始電容值。
此外，本發(fā)明的動態(tài)壓力感測結構可運用微機電系統技術形成于半導體或其它基板。圖4為本發(fā)明實施例的制造流程圖，所示制造流程包括以下步驟步驟410，提供硅基板，在硅基板表面形成1微米氧化硅絕緣層；步驟420，以液相化學氣相沉積法在氧化硅絕緣層上形成0.1微米的氮化硅保護層；步驟430，預先在氧化硅絕緣層與氮化硅保護層形成蝕刻孔以露出基板；步驟440，以液相化學氣相沉積法在氮化硅保護層上形成2微米的摻雜高濃度三氯氧磷(POCl3)的多晶硅層；步驟450，以照相平版印刷術方法定義多晶硅層為致動電極、感測電極及所需電路，形成下電極板；步驟460，在下電極板表面形成磷硅酸鹽玻璃(PSG)作為犧牲層，犧牲層需要在支撐墊的預定位置開孔，露出保護層；步驟470，在氮化硅保護層上形成3微米的摻雜高濃度三氯氧磷(POCl3)的多晶硅層；步驟480，以照相平版印刷術方法定義出包含可撓區(qū)域與平坦振動區(qū)域的電極板；步驟490，進行晶背蝕刻，除去部分的硅基板并露出氧化硅絕緣層，氮化硅保護層及其蝕刻孔；步驟500，通過蝕刻孔以蝕刻液除去犧牲層，使電極板與基板藉由支撐墊維持一段間隙距離并形成一振動腔。
當然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發(fā)明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種動態(tài)壓力感測結構，其特征在于包括一上電極板、一支撐墊和一下電極板，所述上電極板具有一可撓區(qū)域與一平坦振動區(qū)域，所述可撓區(qū)域圍繞并連接于所述平坦振動區(qū)域；所述上電極板連接于所述支撐墊；所述下電極板設于所述上電極板的下方，所述上電極板與所述下電極通過所述支撐墊維持一間隙，并形成一腔室；所述下電極板具有一致動電極與一感測電極，所述致動電極圍繞于所述感測電極并對應于所述可撓區(qū)域設置，使所述感測電極對應于所述平坦振動區(qū)域而形成一電容，所述致動電極提供極化電壓產生一靜電力吸引所述可撓區(qū)域下壓，以帶動所述平坦振動區(qū)域維持平坦狀態(tài)移動改變其相對于所述感測電極的距離。
2.根據權利要求1所述的動態(tài)壓力感測結構，其特征在于所述上電極板為表面具有一金屬層的振膜。
3.根據權利要求1所述的動態(tài)壓力感測結構，其特征在于所述上電極板為導電材質。
4.根據權利要求1所述的動態(tài)壓力感測結構，其特征在于所述上電極板為多晶硅。
5根據權利要求1所述的動態(tài)壓力感測結構，其特征在于所述上電極板為摻雜高濃度三氯氧磷的多晶硅層。
6.根據權利要求1所述的動態(tài)壓力感測結構，其特征在于所述可撓區(qū)域是含有多個弧形狹縫的區(qū)域或任何形式的支撐圖形。
7.根據權利要求1所述的動態(tài)壓力感測結構，其特征在于所述可撓區(qū)域是網狀區(qū)域。
8.根據權利要求1所述的動態(tài)壓力感測結構，其特征在于所述致動電極為環(huán)狀。
9.根據權利要求1所述的動態(tài)壓力感測結構，其特征在于所述致動電極為摻雜高濃度三氯氧磷的多晶硅層。
10.根據權利要求1所述的動態(tài)壓力感測結構，其特征在于所述感測電極為摻雜高濃度三氯氧磷的多晶硅層。
全文摘要
一種動態(tài)元件壓力感測結構，主要包含電極板、支撐墊和基板，支撐墊將電極板與基板隔開形成振動腔，電極板包含可撓區(qū)域與平坦振動區(qū)域，可撓區(qū)域圍繞并連接在平坦振動區(qū)域，下電極板包含致動電極與感測電極，致動電極圍繞感測電極并對應可撓區(qū)域設置，使感測電極對應于平坦振動區(qū)域形成電容，致動電極用來提供極化電壓以產生靜電力吸引可撓區(qū)域下壓，可撓區(qū)域的下壓帶動平坦振動區(qū)域產生位移，通過這樣調整平坦振動區(qū)域相對于感測電極的距離，且由于上層電極板的薄膜形狀與位置可因驅動電極壓差而產生不同改變量，可有效增進其應用于電容式麥克風的各種性質。
文檔編號G01L9/12GK1764328SQ20041008412
公開日2006年4月26日 申請日期2004年10月18日 優(yōu)先權日2004年10月18日
發(fā)明者蘇茂舜, 郭宗德, 周意工, 邱以泰 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院