一種硅電容麥克風(fēng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種硅電容麥克風(fēng)，包括基板、振膜和背極，所述基板上設(shè)有一個聲腔；所述振膜位于所述聲腔上部，被聲壓波激發(fā)時產(chǎn)生機械振動；所述背極與所述振膜之間設(shè)置有固定的氣隙，所述振膜、所述背極與所述氣隙共同形成電容器；其中，還包括固定連接在所述振膜和所述背極之間的一個或多個絕緣的中部連接，所述一個或多個絕緣的中部連接將所述振膜分為多個振膜單元；且所述背極是柔性的。本實用新型能在現(xiàn)有工藝水平下，提高硅電容麥克風(fēng)的靈敏度、線性度、信噪比、敏感電容、動態(tài)響應(yīng)等指標(biāo)，拓寬產(chǎn)品的應(yīng)用場合，增加產(chǎn)品競爭力。
【專利說明】一種娃電容麥克風(fēng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及微麥克風(fēng)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種應(yīng)用柔性背極的硅電容麥克風(fēng)。

【背景技術(shù)】
[0002]微機電(MEMS micro-electro-mechanical system)麥克風(fēng)或稱娃麥克風(fēng)因其體積小、適于表面貼裝等優(yōu)點而被廣泛用于平板電子裝置的聲音采集，例如:手機、MP3、錄音筆和監(jiān)聽器材等。相關(guān)技術(shù)中，硅電容麥克風(fēng)包括基底、背極板和振膜。其中，振膜是硅電容麥克風(fēng)的核心部件，既需要靈敏地敏感聲壓信號并將之轉(zhuǎn)化為電信號，又需要在外界風(fēng)壓吹擊、跌落沖擊的應(yīng)力和內(nèi)部加工工藝釋放應(yīng)力作用后保持性能基本不變地正常工作。其背極也根據(jù)實現(xiàn)的制作工藝不同，分為剛性背極和柔性背極。振膜上受到約束包括多種連接和支撐形式，是決定振膜敏感振型并抑制其他不需要振型的關(guān)鍵技術(shù)，直接與硅電容麥克風(fēng)的靈敏度、線性度、信噪比、吸合電壓、敏感電容、動態(tài)響應(yīng)等指標(biāo)相關(guān)。
[0003]傳統(tǒng)的硅微麥克風(fēng)一般限于在振膜與固定的剛性基板和相對基板靜止的剛性背極之間構(gòu)造多種相對約束，這種約束方式由于基板和剛性背極在敏感運動中相對靜止，設(shè)計較為簡便，但靈活性也受限。
[0004]在傳統(tǒng)的硅微麥克風(fēng)設(shè)計方案中，已有的研宄工作已經(jīng)認(rèn)識到了硅麥克風(fēng)的許多優(yōu)化方向，但受限于工藝和剛性背極方案，優(yōu)化起來難度很大。
[0005]首先，已有的研宄已經(jīng)認(rèn)識到需要把振膜盡量制作成邊緣較軟，中間較硬的接近集中參數(shù)平板電容模型的結(jié)構(gòu)，但這一點在工藝決定振膜厚度有限的前提下實現(xiàn)時，遇到了振膜面積增大后，來自振膜中心膜片本身而非邊緣的剛度影響，從而使得增大振膜面積提高芯片面積利用率與集中參數(shù)平板電容模型的矛盾；為了實現(xiàn)這一點，在美國專利US5146435中局部地將振膜中心處加厚；美國專利US5870482降低芯片面積利用率或在振膜上制作褶皺來使振膜局部加硬；美國專利US7856804B2將振膜設(shè)置為電阻率較高的材料并在振膜上覆蓋一層電阻率極低的金屬以將振膜位移較大處有用信號提取出現(xiàn)，避免寄生電容對信號造成衰減和干擾；而美國專利20110103622A1則是反其道而行之，在振膜邊緣設(shè)置褶皺降低邊緣處的剛度，以提高振膜中心膜片與邊緣處剛度的相對比值。已有研宄中的這些方案均通過工藝上的改進來彌補這兩者的矛盾關(guān)系，均需在工藝上作出大小不同的改動，也可針對這樣的矛盾關(guān)系做出大小不同的改善，但均無法從本質(zhì)上將這個問題解決------芯片面積利用率降低和工藝難度提升均意味著生產(chǎn)成本的提高。另一方面，從本質(zhì)上來看，在工藝條件或設(shè)計條件限制了振膜膜片厚度極限的前提下，將對于較大尺寸的振膜而言，由于振膜僅與聲腔邊緣處的固定基板或固定背極存在機械連接，根據(jù)圣維南原理，即使將聲腔邊緣處振膜周緣全部固定住，對振膜中心處剛度仍然影響甚微，無法通過設(shè)計手段對振型予以有效調(diào)整。
[0006]其次，美國專利US20070047746A1等技術(shù)方案試圖通過將多個麥克風(fēng)單元并聯(lián)以獲得更大的有效電容以保證麥克風(fēng)信號的質(zhì)量，但是這種方案受麥克風(fēng)本身加工的工藝限制，麥克風(fēng)外圍結(jié)構(gòu)的無效面積與麥克風(fēng)個數(shù)成正比，對應(yīng)帶來的成本增加是難以克服的。
[0007]再次，在麥克風(fēng)芯片尺寸做大以獲取有效電容時，由于工藝條件的限制，其殘余應(yīng)力導(dǎo)致膜片的翹曲。一般地，對于一個幾百微米跨度的膜片結(jié)構(gòu)，會存在中心區(qū)域1-20微米量級的翹曲，但麥克風(fēng)膜片的電容間隙(氣隙)寬度范圍一般都在1-20微米量級。故已有方案針對這個翹曲問題，都是通過各種手段盡量減小振膜的翹曲，另外盡量將背極設(shè)置得較硬，來降低振膜和背極的翹曲對電學(xué)模型的影響。如中國專利CN1498513A通過制作“凸微觀結(jié)構(gòu)”來抑制翹曲。這樣的技術(shù)方案增加了工藝實現(xiàn)的難度，相應(yīng)增加的成本很難再降下來，并且將背極設(shè)置得較硬會帶來較脆的后果，使硅麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)在沖擊下更易碎裂。
[0008]最后，對于傳統(tǒng)硅麥克風(fēng)產(chǎn)品，如果在膜片邊緣設(shè)置開槽，麥克風(fēng)頻響曲線的低頻響應(yīng)將會衰減，在衰減較為嚴(yán)重時，甚至影響到麥克風(fēng)對低頻聲學(xué)信號的正常響應(yīng)，從而影響其正常使用。而不在膜片邊緣設(shè)置開槽，意味著對于使用多處中部連接的剛性背極結(jié)構(gòu)而言，只能在膜片上通過設(shè)置褶皺等，有限地設(shè)置其局部力學(xué)特性，無法有效地應(yīng)用“板梁組合”這樣的經(jīng)典力學(xué)結(jié)構(gòu)來使每個振膜單元結(jié)構(gòu)得到最大的優(yōu)化，否則就要面對力學(xué)性能與低頻響應(yīng)衰減之間的艱難權(quán)衡。
[0009]綜上，有必要針對此問題提供一種新型的在振膜與柔性背極之間約束的結(jié)構(gòu)方案，并且為保證新結(jié)構(gòu)方案的可替代性，所提供的新方案需克服或避免上述問題，并與已有硅麥克風(fēng)的典型制備工藝兼容以保證較低的成本。本實用新型的提出，使得以現(xiàn)有工藝水平可以實現(xiàn)在多晶硅振膜及與其正對的柔性背極之間靈活地設(shè)置機械連接，通過合理利用尺度效應(yīng)，使電氣模型更理想、維持傳感器信號強度以抗干擾，規(guī)避甚至合理利用膜片翹曲等工藝缺陷，以更進一步提高靈敏度、線性度、信噪比、敏感電容、動態(tài)響應(yīng)等指標(biāo)。換言之，使得高性能的硅電容麥克風(fēng)可在現(xiàn)有通用工藝水平下也可以低成本大規(guī)模生產(chǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本實用新型的目的是提供一種應(yīng)用柔性背極的硅電容麥克風(fēng)，能在現(xiàn)有工藝水平下改善振膜振型，規(guī)避工藝中的膜片翹曲，膜片易碎等不利因素，從而優(yōu)化靈敏度、線性度、信噪比、敏感電容、動態(tài)響應(yīng)等指標(biāo)。
[0011]為解決上述問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是:
[0012]一種硅電容麥克風(fēng)，包括基板、振膜和背極；所述基板上設(shè)有一個聲腔；所述振膜位于所述聲腔上部，被聲壓波激發(fā)時產(chǎn)生機械振動；所述背極與所述振膜之間設(shè)置有固定的氣隙，所述振膜、所述背極與所述氣隙共同形成電容器；其中，還包括固定連接在所述振膜和所述背極之間的一個或多個絕緣的中部連接，所述一個或多個中部連接將所述振膜分為多個振膜單元；所述背極是柔性的，且所述背極的自振頻率不超過所述振膜單元的自振頻率最大值的5倍。在受加工工藝影響，有殘余應(yīng)力導(dǎo)致振膜和背極的翹曲時，可通過設(shè)置柔性背極的方法，來減少振膜和背極的翹曲對頻響曲線和麥克風(fēng)電學(xué)模型的影響。一般地，膜片的平面尺寸較大而厚度尺寸較小的技術(shù)方案中，以一般的工藝水平加工時會由于殘余應(yīng)力作用發(fā)生膜片本身的翹曲。而將膜片的平面尺寸做大才能保證可變電容容值較大，將膜片厚度做小才能保證其靈敏度較高，翹曲問題使得兩者之間發(fā)生了直接的矛盾。本實用新型通過設(shè)置多塊面積大小相差在50 %以內(nèi)的振膜單元來替代單一振膜，從而使得每塊振膜單元面積都較小，其局部相對其對應(yīng)的背極部分的翹曲并不嚴(yán)重，甚至可以有余地將振膜厚度減小來換取更高的靈敏度，而無需像中國專利CN1498513A那樣通過制作“凸微觀結(jié)構(gòu)”來抑制翹曲。這樣通過設(shè)置柔性背極釋放了應(yīng)力，又通過多個振膜單元來使每個單元處的局部翹曲不明顯，既保證了硅麥克風(fēng)正常工作時電學(xué)模型的理想性，又通過柔性背極釋放應(yīng)力后變得更有韌性的特點，保證了硅麥克風(fēng)受沖擊時的可靠性。
[0013]另外，所述背極的自振頻率，可以低于某一振膜單元的自振頻率，也可以等于或大于某一振膜單元的自振頻率，但不超過各振膜單元的自振頻率最大值的5倍。背極的自振頻率決定于背極的剛度，如果其自振頻率低于麥克風(fēng)工作頻率范圍(一般為音頻范圍20-20kHz)，則會在輸入聲音信號頻率接近其自振頻率時使硅麥克風(fēng)無法以正確的相位響應(yīng)輸入信號，故一般背極的自振頻率都高于麥克風(fēng)工作頻率，此處說背極的自振頻率可低于某一振膜單元的自振頻率，其原因是振膜單元尺寸減小后自振頻率有所提高，允許振膜單元自振頻率提高后超過背極的自振頻率，是本實用新型柔性背極設(shè)計的關(guān)鍵一一雖然振膜單元自振頻率高，在局部其剛度仍然比背極的局部軟很多，是響應(yīng)聲音信號的主要靈敏度貢獻(xiàn)來源；而背極自振頻率高于各振膜單元的自振頻率最大值的5倍時，就與剛性背極的概念非常接近了，這樣設(shè)置的背極在使用本實用新型技術(shù)方案時，存在低頻衰減和背極較脆而易碎的可靠性問題。關(guān)于“低頻衰減”的問題，在后文中將有介紹，關(guān)于背極“較脆而易碎”的問題，原因是在工藝或設(shè)計限制了背極的最大厚度，而設(shè)計的芯片尺寸決定背極平面形狀尺寸的前提下，提高背極剛度唯一的辦法是增加其張應(yīng)力，而張應(yīng)力過大雖然會帶來背極剛度的提高，也會帶來背極“較脆而易碎”的可靠性風(fēng)險。
[0014]優(yōu)選的硅電容麥克風(fēng)，其中所述振膜的材料為摻雜多晶硅，通過淀積的工藝實現(xiàn)。如美國專利US7856804B2這樣將振膜設(shè)置為高電阻率材料并在信號靈敏度較大處通過設(shè)置一層金屬薄膜取出有用電信號的方法，雖然可以使信號中寄生電容等非理想因素影響較小，但由于有用信號面積較小，其本身的信號較微弱，信噪比受到局限，工藝難度和成本也上升很多。本實用新型通過將振膜設(shè)置為多個振膜單元的方式，使得每個振膜單元的邊緣都較軟而中心處較硬，提高了信號的效率，從而無需通過其他更困難、成本更高的工藝來提取有用信號，只需通過經(jīng)典的摻雜多晶硅工藝實現(xiàn)。
[0015]優(yōu)選的硅電容麥克風(fēng)，其中各個振膜單元之間根據(jù)電氣引線需要進行串聯(lián)或并聯(lián)，以形成不同的電容值。所述的不導(dǎo)電的中部連接，其上下方分別連接導(dǎo)電的振膜和導(dǎo)電的背極，這樣就可以使得導(dǎo)電的振膜單元之間相連；如果需要振膜單元之間電隔離且?guī)缀胃綦x，只需要在振膜單元之間的邊界上設(shè)置開槽，即可從電學(xué)和幾何學(xué)上同時將兩者分隔開；如果需要振膜單元之間電隔離且?guī)缀芜B接，只需要在振膜單元之間的邊界上設(shè)置集成電路工藝常見的反向濃摻雜，即可通過PN結(jié)隔離的方式保證其電絕緣并維持幾何學(xué)上的相互連接。
[0016]優(yōu)選的硅電容麥克風(fēng)，各個振膜單元之間兩兩面積相差均在50%以內(nèi)，從而能夠保證工藝偏差對各部分單元尺度的影響更均勻，使各振膜單元之間的均一性更強。
[0017]優(yōu)選的硅電容麥克風(fēng)，其中在振膜單元邊緣設(shè)置開槽，其寬度范圍在0.1-10微米。在傳統(tǒng)的硅電容麥克風(fēng)技術(shù)中，由于低頻聲波穿透力強，如果在振膜單元上設(shè)置開槽，則會出現(xiàn)明顯的麥克風(fēng)動態(tài)響應(yīng)低頻衰減的問題，而如果不在振膜單元上設(shè)置開槽來應(yīng)用“板梁組合”這樣的典型力學(xué)結(jié)構(gòu)，僅通過設(shè)置褶皺等手段，很難達(dá)到最優(yōu)的力學(xué)優(yōu)化效果。本實用新型利用工藝本身存在的膜片翹曲現(xiàn)象，通過設(shè)置膜片翹曲方向和程度來抑制低頻衰減問題。其本質(zhì)方法是利用柔性膜片翹曲大而剛性膜片翹曲小的原理，從幾何學(xué)上使與圓弧等長的幾段弦線端點之間的距離比翹曲前減少。
[0018]或者，本實用新型的硅電容麥克風(fēng)也可在所述振膜單元的邊界上設(shè)置反向濃摻雜，使各個振膜單元之間通過PN結(jié)隔離的方式保持電絕緣并維持空間結(jié)構(gòu)上的連接。
[0019]優(yōu)選的電容式麥克風(fēng)，其中在襯底上僅設(shè)置對背極固定的錨區(qū)，而振膜僅通過所述中部連接懸掛在背極上，不與襯底存在機械支撐意義上的連接關(guān)系。將除引線需要外振膜與襯底之間的機械連接去除，有助于通過柔性背極釋放應(yīng)力后，盡量減少工藝殘余應(yīng)力傳遞到膜片上干擾其正常工作狀態(tài)，從而有利于保證振膜的工作更接近理想狀況。以往的傳統(tǒng)設(shè)計中，振膜必需與襯底之間設(shè)置連接，因為在剛性背極技術(shù)方案中，面臨僅設(shè)置中部連接與低頻衰減的兩難問題。本實用新型由于采用柔性背極技術(shù)方案，有效控制了低頻衰減問題，從而可以通過設(shè)置中部連接結(jié)構(gòu)來避免振膜與襯底的直接連接，從而避免襯底應(yīng)力對振膜的不可控影響。
[0020]優(yōu)選的硅電容麥克風(fēng)，其中各個振膜單元之間具有相同的或者呈函數(shù)關(guān)系的自振頻率。例如，可將各振膜單元之間的自振頻率設(shè)置得成序(包括幾個單元一組，每組之間成序的情況)，使得其按預(yù)先設(shè)置好的串并聯(lián)關(guān)系協(xié)同工作后硅麥克風(fēng)的總體性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求；在單個或部分振膜單元信號較微弱時，也可將各振膜單元之間的參數(shù)設(shè)置得相同，將其完全并聯(lián)來得到較強的傳感器信號。
[0021]優(yōu)選的硅電容麥克風(fēng)，其中所述振膜單元形狀是正三角形、矩形、正六邊形的一種。眾所周知，在平面二維圖形中，可以無限延拓的簡單圖形就是三角形(包括正三角形和直角三角形)、四邊形(包括矩形、平行四邊形和直角梯形)、正六邊形，而設(shè)置單元時較為常用的是正三角形、矩形和正六邊形。如果需要將各振膜單元自振頻率設(shè)置得成序或完全相同時，將其形狀設(shè)置得完全一樣可降低工藝波動帶來的非理想因素影響，而使用可以無限延拓的形狀，會得到較好的芯片面積利用率。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果在于:
[0023]本實用新型能在現(xiàn)有工藝水平下，提高硅電容麥克風(fēng)的靈敏度、線性度、信噪比、敏感電容、動態(tài)響應(yīng)等指標(biāo)，從而在保持廣品生廣效率、可靠性、良率和成本基本不變的基礎(chǔ)上提高產(chǎn)品性能，拓寬產(chǎn)品的應(yīng)用場合，增加產(chǎn)品競爭力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的麥克風(fēng)導(dǎo)電多晶硅振膜結(jié)構(gòu)與背極的敏感變形情況的剖視示意圖。
[0025]圖2是應(yīng)用本實用新型的麥克風(fēng)導(dǎo)電多晶硅振膜結(jié)構(gòu)與背極的敏感變形情況的剖視示意圖；
[0026]圖3是本實用新型優(yōu)選實施例的一種中部連接排布方案的俯視示意圖；
[0027]圖4是本實用新型優(yōu)選實施例的另一種中部連接排布方案的俯視示意圖；
[0028]圖5是本實用新型優(yōu)選實施例的又一種中部連接排布方案的俯視示意圖；
[0029]圖6是本實用新型優(yōu)選實施例的在振膜單元邊緣設(shè)置開槽的俯視示意圖；
[0030]圖7是本實用新型優(yōu)選實施例的將振膜單元形狀設(shè)置成矩形的俯視示意圖；
[0031]圖8是現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)硅麥克風(fēng)翹曲及振膜敏感變形情況剖視示意圖；
[0032]圖9是本實用新型優(yōu)選實施例的硅麥克風(fēng)翹曲及振膜敏感變形情況剖視示意圖。

【具體實施方式】
[0033]本實用新型提供了應(yīng)用柔性背極的硅電容麥克風(fēng)，能在現(xiàn)有工藝水平下改善振膜振型，從而優(yōu)化靈敏度、線性度、信噪比、吸合電壓、敏感電容、動態(tài)響應(yīng)等指標(biāo)。下面結(jié)合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0034]請參閱圖1，為現(xiàn)有技術(shù)中麥克風(fēng)導(dǎo)電多晶硅振膜結(jié)構(gòu)與背極的敏感變形情況的剖視示意圖?，F(xiàn)有技術(shù)中，為使硅電容麥克風(fēng)的多晶硅振膜203’的靈敏度較高以達(dá)到應(yīng)用要求，多將其厚度值取得較薄，一般在0.1?2微米的范圍。這樣，振膜的剛度較低，靈敏度較高。如圖1所示，柔性背極205’和振膜203’之間通過邊緣連接2042’相結(jié)合。在受到聲壓波激發(fā)時，柔性背極205’由水平位置2051’下凹至虛線位置2052’，振膜203’由水平位置2031’上凸至虛線位置2032’。通常的背極205’和振膜203’的變形使得電容的相對變化主要發(fā)生在振膜203’的中央位置，邊緣位置的位移較小。這樣，可以發(fā)現(xiàn)兩者的相對變形雖然占據(jù)了兩者之間的固定區(qū)域即原犧牲層(圖未示)的間隙空間，但由于主要變形僅發(fā)生在中央位置，電容變化的效率受到了限制。這是由于振膜203’較薄后，中央?yún)^(qū)域薄膜的剛度相對邊緣設(shè)計和下降過的支撐部分差距不明顯。相關(guān)力學(xué)理論指出，同一片振膜上剛度隨著半徑的梯度變化較小，也會使得發(fā)生敏感運動的應(yīng)變隨著半徑的變化率波動不大；換言之，此時位移分布是由邊緣到中心緩慢增加的。
[0035]在這樣的力學(xué)模型下，根據(jù)圣維南原理，如果要讓位移分布在中心處都較大而平緩，而在邊緣處陡然減小到固定錨區(qū)位置，從而得到較高的靈敏度、信噪比和線性度指標(biāo)，就需要采取如增加中心處的膜厚等手段以硬化其中心區(qū)域來達(dá)到相應(yīng)目標(biāo)。但受整體剛度、應(yīng)力分布和工藝可行性等因素影響，將振膜厚度增加的工藝將難度大成本高，麥克風(fēng)靈敏度也降低，與本實用新型希望以低成本工藝大批量生產(chǎn)高性能產(chǎn)品的初衷是背道而馳的。
[0036]為了解決上述問題，請繼續(xù)參閱圖2，為本實用新型的麥克風(fēng)導(dǎo)電多晶硅振膜結(jié)構(gòu)與背極的敏感變形情況的剖視示意圖。
[0037]本實用新型中背極205是柔性的，即其自然形態(tài)2051與受力變化形態(tài)2052不重合，也可以通過合理設(shè)置中部連接2041來調(diào)整振膜203的振型2032，使得振膜振型更理想，從而使背極變化形態(tài)2052與振膜振型2032之差通過中部連接2041優(yōu)化后靈敏度、線性度、信噪比、吸合電壓、敏感電容、動態(tài)響應(yīng)等指標(biāo)均得到提高。
[0038]相關(guān)力學(xué)理論指出，在按一定方案設(shè)置了中部連接2041的振膜結(jié)構(gòu)可以在力學(xué)模型上被認(rèn)為是劃分的多塊較小振膜，從而可通過對每塊小振膜的剛度分布設(shè)計，達(dá)到圖2的較大變形效率的效果。由于柔性背極雖然整體自振頻率較低，但其局部區(qū)域的剛度遠(yuǎn)大于振膜單元，這種中部連接2041的設(shè)置使得振膜203和背極205除共同的位移(包括受靜電力等靜態(tài)外力下的形變和受殘余應(yīng)力影響后膜片的翹曲)外，較高效率的兩者變形之差可通過此約束相應(yīng)剛度分布調(diào)整來得到。其中根據(jù)圣維南原理，中部連接2041的約束設(shè)置使得振膜厚度對剛度分布的影響減弱，而各劃分后的子振膜在局部區(qū)域的力學(xué)行為更接近其作為較小尺寸的振膜的情形。
[0039]正是出于這個原因，工藝和設(shè)計局限決定振膜的厚度是需要設(shè)置得盡量薄的。而將其加厚只是出于抵抗翹曲和增大膜片面積的目的，同時還需要付出工藝難度和成本的代價。本實用新型通過在振膜與柔性的背極上設(shè)置可動的中部連接2041，來達(dá)到優(yōu)化柔性背極麥克風(fēng)性能的目的。從而在避開使用已有的各種方案的復(fù)雜工藝之余，使用現(xiàn)有的低成本工藝大批量加工更高性能的產(chǎn)品成為可能。
[0040]圖2中振膜203的厚度為0.1?2微米，因為如果振膜厚度太薄，則殘余應(yīng)力分布不均勻，振膜變形情況也不可控；如果振膜厚度太厚，則靈敏度較低，難于達(dá)到實際應(yīng)用要求，本實用新型也失去了應(yīng)用意義。用選擇性去除犧牲層204的方式構(gòu)造振膜203與背極205之間的中部連接2041和邊緣連接2042，其目的并非單純的劃分應(yīng)力與變形，還要求各振膜單元在應(yīng)力釋放后靈敏度更趨于一致，并易于電極引出。中部連接2041將振膜和背極劃分為多個單元區(qū)域，各區(qū)域之間可以通過幾何方法分隔，也可以通過工藝上的反向濃摻雜方法分隔，也可以不分隔。
[0041]所述振膜203的材料可以是通過淀積的工藝實現(xiàn)的導(dǎo)電多晶硅；所述柔性背極205的材料也可以是通過淀積的工藝實現(xiàn)的導(dǎo)電多晶硅；在所述振膜203的可動部分與所述背極205的可動部分之間的中部連接2041，需保證兩者之間僅有機械連接，無電氣連通。這幾種做法可以在電路引線時獲得便利。
[0042]所述振膜203可動部分與所述背極205的可動部分之間設(shè)有的一個或多個連接兩者的結(jié)構(gòu)中部連接2041，可通過與制備工藝結(jié)合，根據(jù)性能需要實現(xiàn)如簡支的弱約束或類似固支的強約束。實現(xiàn)約束的強度與中部連接2041的單元尺寸、殘余應(yīng)力及連接結(jié)合緊密程度有關(guān)，這樣也可以增大調(diào)整振型時的靈活性。
[0043]在所述振膜203可動部分與所述背極的可動部分之間設(shè)有的一個或多個連接兩者的結(jié)構(gòu)中部連接2041，可通過有選擇性地去除犧牲層的工藝實現(xiàn)。這樣可以使得中部連接2041結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)工藝與現(xiàn)有的工藝相容，僅需調(diào)整相關(guān)的犧牲層去除圖形即可實現(xiàn)。這樣，可以在原有的低成本工藝基礎(chǔ)上調(diào)整導(dǎo)電多晶硅振膜203的振型，控制其張力、順性和變形情況，使得簡單工藝實現(xiàn)的大面積多晶硅振膜203的變形情況受振膜厚度影響降低，不但動態(tài)響應(yīng)和高階振型抑制更好，更有著更高的靈敏度、信噪比和線性度，從而達(dá)到以較低成本和高成品率生產(chǎn)高性能麥克風(fēng)的目的。
[0044]圖3?圖5分別是本實用新型的硅電容麥克風(fēng)中振膜203和背極205之間約束關(guān)系的具體實施例。從圖中可看出，中部連接2041與邊緣連接2042在振膜單元兩兩之間面積相差不超過50%的基本原則下可以根據(jù)振膜203與背極205之間的相對振型優(yōu)化需要，有多種體現(xiàn)形式，而約束的強度與中部連接2041的單元尺寸、殘余應(yīng)力及連接結(jié)合緊密程度有關(guān)。為減少襯底應(yīng)力對振膜的不可控影響，其邊緣連接2042也可以去掉。
[0045]圖6和圖7分別展示了通過中部連接2041和開槽2033將振膜2031劃分為多個單元的情況，與振膜2031在垂直紙面方向上相對的背極2051沒有畫出。如圖6和圖7所示，通過設(shè)置開槽，將振膜單元設(shè)置為通過中部連接2041懸掛在背極2051上的“板梁組合結(jié)構(gòu)”。值得注意的是，如果在幾何學(xué)上不需要設(shè)置開槽2033，可以在其相應(yīng)的位置通過反向摻雜的方式，從而使得振膜的各個單元在幾何學(xué)上相連，但在電學(xué)上相互隔離。此外，圖6和圖7中的部分中部連接2041也可以視設(shè)置時的空間布局和電氣走線需要重新定義為邊緣連接2042。
[0046]在圖6中，通過開槽將振膜劃分為的振膜單元形狀不具備在平面四方連續(xù)的特點，但可以適應(yīng)振膜所有單元整體形狀的劃分要求，這樣的劃分方案，適用于振膜總面積較小的情況，可以盡量利用振膜的總面積空間。但是這樣的方案，由于各個振膜的尺寸和形狀不完全相同，在受工藝誤差影響時，各個振膜受到工藝誤差干擾的程度也不相同，這樣，制作完成后的各個振膜單元之間的參數(shù)相同或者依序分布的設(shè)計方案就會受到較大的干擾。
[0047]在圖7中，通過將振膜單元劃分為矩形的方法，使得各個振膜的尺寸的形狀完全相同，這樣在受工藝誤差影響時，各個振膜受到工藝誤差干擾的程度也相近。如果希望制作完成后的各個振膜單元之間的參數(shù)相同，可以為各個振膜單元設(shè)置相同的開槽，如果希望制作完成后的各個振膜單元之間的參數(shù)依序分布，也可以通過設(shè)置開槽的位置略有區(qū)別的方法來實現(xiàn)。這樣設(shè)置的各個振膜單元在受相近的工藝誤差影響后，會相比受不同的工藝誤差而言，更容易維持其相對關(guān)系。
[0048]圖8是現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)硅麥克風(fēng)翹曲及振膜敏感變形情況剖視示意圖；圖9是本實用新型優(yōu)選實施例的硅麥克風(fēng)翹曲及振膜敏感變形情況剖視示意圖。如圖8所示，由于翹曲的存在，翹曲后的振膜2031與背極2052不再保持相互平行，兩者中較軟的膜片翹曲更大些。由于電容和電容值變化均與電容間隙有關(guān)，在此情況下受到聲學(xué)信號激勵后，振膜的變形情況2032使整個麥克風(fēng)系統(tǒng)的信號與設(shè)計的情況差異較大。此種情況在傳統(tǒng)硅麥克風(fēng)中只能通過將背極剛度加大和盡量控制工藝參數(shù)來抑制翹曲的影響。隨著芯片面積的增加，對工藝的要求也越來越高。舉例而言，對于一塊特征尺寸900um的振膜而言，即使向上翹曲4um也不超過5%，但是這個振膜的上表面距離背極的下表面也許只有5um的距離，因為需要將電容間隙(氣隙)減小以保證足夠的敏感電容容值，但4um的翹曲在部分地方占了這個電容模型的80%間隙，完全足以使理想的麥克風(fēng)電路工作模型失效。如圖9所示，如果將這塊特征尺寸900um的振膜在關(guān)心的方向上劃分為三個振膜單元，那么在同樣的厚度下，每個振膜單元本身的在討論的方向上的剛度就會上升到之間的27倍，相應(yīng)的翹曲也就忽略不計了。另一方面，可以將背極制成柔性的以釋放工藝中的殘余應(yīng)力，增強結(jié)構(gòu)韌性。這樣柔性的背極可能會使翹曲的程度增加，但如圖9所示，每個振膜單元對應(yīng)的電容模型的誤差都較小，在受到聲學(xué)信號時，振膜變形的情況2032將通過正常的麥克風(fēng)電路工作模型向后續(xù)環(huán)節(jié)傳遞信號。另一方面，可以通過將變形后的背極2052近似為弧線段，而振膜單元近似為直線段的模型來估算翹曲現(xiàn)象對漏氣氣隙的縮小情況。在如圖9的方向上，假定背極中部比邊緣分別上翹2，4，8，16，32um，則通過幾何計算可知相鄰線段最近端點的距離分別被縮小4.2nm, 17nm, 68nm, 0.27um和1.lum。如將上翹程度從任意方向2um放寬到指定方向16um，工藝成本會有明顯下降且更加可控。顯然在一般工藝下，如果設(shè)置Ium的單元間的開槽，在出現(xiàn)以上程度的上翹時，會被分別縮小0.42 %，1.7%，6.8 %，27 %，和超過100% (即開槽被完全填充，振膜單元間相互直接接觸并在力學(xué)上相互影響，顯然這是另一個需要避免的情形)。由此可見，在上翹程度較大時，這個改善效果是頗為可觀的。這樣通過放寬對膜片翹曲程度的要求，將翹曲引向同一個方向并合理指定其翹曲量的做法，可降低工藝難度和成本，并使得開槽后的低頻衰減在柔性背極方案中得到有效抑制。
[0049]本實用新型也允許與其他調(diào)整振膜形狀和參數(shù)的技術(shù)結(jié)合，以獲得更好的優(yōu)化效果O
[0050]此外，說明書和權(quán)利要求書中的術(shù)語“頂”，“底”，“上”，“下”，“左”，“右”等(如果存在)用于說明性目的且不一定用于描述永久的相對位置?？梢岳斫獾氖侨绱耸褂玫男g(shù)語可在適當(dāng)情況下互換，使得本文所述的本實用新型的實施例能夠在例如不同于上述或本文中所述的方向的其他方向上進行操作。
[0051]以上對本實用新型的描述是說明性的，而非限制性的，本專業(yè)技術(shù)人員理解，在權(quán)利要求限定的精神與范圍之內(nèi)可對其進行許多修改、變化或等效，但是它們都將落入本實用新型的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種硅電容麥克風(fēng)，包括基板、振膜和背極；所述基板上設(shè)有一個聲腔；所述振膜設(shè)于所述聲腔上部，被聲壓波激發(fā)時產(chǎn)生機械振動；所述背極位于所述振膜上部，在所述背極與所述振膜之間設(shè)置有固定的氣隙，所述振膜、所述背極與所述氣隙共同形成電容器；其特征在于，還包括固定連接在所述振膜和所述背極之間的一個或多個絕緣的中部連接，所述一個或多個絕緣的中部連接將所述振膜分為多個振膜單元；所述背極是柔性的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電容麥克風(fēng)，其特征在于，所述振膜的材料為摻雜多晶硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電容麥克風(fēng)，其特征在于，各個振膜單元之間根據(jù)電氣引線需要進行串聯(lián)或并聯(lián)，以形成不同的電容值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電容麥克風(fēng)，其特征在于，各個振膜單元之間的面積之差不超過50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電容麥克風(fēng)，其特征在于，所述振膜單元的邊緣設(shè)置開槽，以形成各個振膜單元之間的電絕緣和空間結(jié)構(gòu)上的隔離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電容麥克風(fēng)，其特征在于，所述振膜單元的邊界上設(shè)置反向濃摻雜，使各個振膜單元之間通過PN結(jié)隔離的方式保持電絕緣并維持空間結(jié)構(gòu)上的連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電容麥克風(fēng)，其特征在于，在襯底上僅設(shè)置對背極固定的錨區(qū)，而所述振膜與所述襯底之間不存在機械連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅電容麥克風(fēng)，其特征在于，所述振膜單元的形狀是三角形、四邊形或正六邊形中的任一種。
【文檔編號】H04R19/04GK204231667SQ201420697065
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】萬蔡辛, 楊少軍 申請人:北京卓銳微技術(shù)有限公司