专利名称：内旋转梁振膜及其组成的传声器芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及传声器技术领域，特别是半导体电容式传声器芯片，是一 种内旋转梁振膜及其组成的传声器芯片。
背景技术：
半导体传声器芯片研究已有20多年的历史了，期间各类传声器陆续在硅片上被开发实现。其中，最主要最热门的一种即电容式硅传声器。电容 式硅传声器不仅具有体积小、灵敏度高、频响特性好、噪声低等特点，更重要的是具有很宽工作温度，可适用于SMT等自动化生产线作业和恶劣的 工作环境。电容式传声器芯片是由振膜和背极构成的电容结构，目前大多报导和 专利采用双膜电容结构，在硅片上利用微机械加工技术制作振膜和背极双 膜电容结构。对于单膜电容式硅传声器的研究、报导罕见，文献 Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer technology, Journal of microelectromechanical systems, VOL l.No. 3， 1992， pl47-154，报导了一种单膜电容式硅传声器，利用振膜边缘和硅基底形成电容结构，硅基底作为背极，背极中心大孔作为声孔。此报导存在着 不足，由于振膜边缘与周边相连，接受声波的时候，最大振动在振膜的中 心，振膜边缘的振动较小，由于振膜中心正对背极声孔，振幅最大区域的机械灵敏度没有得到利用，振膜机械灵敏度对传声器灵敏度贡献小；美国 专利US5，870，482描述了悬臂梁式振膜，悬臂梁一端固定，利用自由端边 缘与背极构成电容，这种结构机械灵敏度对传声器灵敏度贡献很大，但是 结构制作比较复杂，同时悬臂梁三端自由，振膜的姿态和可靠性不易得到 保证；美国公开专利US2006/0093170 Al，提出了外部悬梁均匀分布的单膜 结构，利用振膜边缘与背极形成电容，悬梁提高了机械灵敏度对传声器输 出灵敏度的贡献，但还是不能实现所述的振膜平动模型，成品率及可靠性 不易保证。发明内容本发明的目的是为了解决现有单膜电容式传声器芯片技术中存在的 问题，针对当前存在的不足，提出了一种内旋转梁振膜及其组成的传声器 芯片，具有内旋转梁结构振膜的电容式传声器芯片，有效释放振膜残余应 力，防止粘连，提高可靠性。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是一种内旋转梁振膜，用于电容式传声器芯片，包括振膜、外悬梁、外 悬梁边框；其振膜外边缘设有至少一个外悬梁，振膜通过外悬梁与外悬梁 边框固连；还包括内旋转梁结构；振膜中心部为片状，在片状边缘到振膜 外边缘区域内设有多数个孔，在设孔的区域内，均匀的设有至少两个内旋转梁结构，内旋转梁结构包括内旋转梁、内旋转梁边框；片状的内旋转梁边框处于内旋转梁结构的中心部位，内旋转梁边框周缘固接有至少一个内 旋转梁，内旋转梁的外端与振膜上设孔的区域固连。所述的内旋转梁振膜，其所述振膜形状，为圆形、方形或其它多边形。所述的内旋转梁振膜，其所述内旋转悬梁，为弧形梁或s型梁；外悬 梁，为T型梁。所述的内旋转梁振膜，其是由低应力多晶硅材料制作，并通过掺磷或 硼，形成n型或p型导电层。所述的内旋转梁振膜，其用于双膜或单膜电容式传声器芯片。 本发明的传声器芯片，是振膜在上，背极在下的单膜电容式结构，包 括基底、绝缘层、导电层、下电极、上电极；基底作为背极，基底中心有 一声孔，基底上表面固接有绝缘层，绝缘层包括至少两个内旋转梁支撑、 至少一个外悬梁支撑和周边绝缘层，周边绝缘层上表面固接有导电层，基 底上表面还设有下电极；其内旋转梁振膜的至少两个内旋转梁边框分别固 连在内旋转梁支撑上表面，内旋转梁振膜的至少一个外悬梁边框固连在外 悬梁支撑上表面，外悬梁边框上表面固接有上电极，内旋转梁振膜的片状 中心部覆盖声孔，设孔区域与基底构成电容。所述的传声器芯片，其所述基底为半导体硅。 所述的传声器芯片，其所述绝缘层为PSG、 LT0、 TE0S氧化硅。 所述的传声器芯片，其所述上电极和下电极为金属金或铝。 本发明的传声器芯片，振膜内部有悬梁结构，内部悬梁为旋转形状。 通过旋转梁的扭转达到释放振膜残余应力的目的；柔软的旋转梁起弹簧作振动；旋转梁在振膜内部分布可以有效的防止工艺 过粘连问题；旋转梁在振膜内部分布，振膜各部分振动均匀，可充分利用 振膜的机械灵敏度。内旋转梁可以应用到双膜电容式传声器结构中；也可 以应用到单膜传声器结构中；内旋转梁可以应用到不同形式的振膜上。本 发明以内旋转梁应用到单膜传声器结构中，且选择具有外悬梁结构振膜为 例进行详细阐述，以基底作为背极，基底中间有一个大孔——声孔，振膜 覆于此声孔之上。振膜正对声孔范围之外设有无数小孔，这些小孔配合背 极声孔释放振膜和背极之间原有的牺牲层，并对传声器的频响特性有改善 作用。振膜固接于基底，具有内旋转梁结构，这种振膜的优点为可有效释放 振膜残余应力，防止粘连，提高可靠性；基底作为背极，有很强的刚性。 此结构的传声器芯片结构简单、工艺难度低、成本低、可靠性高。本发明提出的内旋转梁结构，在振膜内部有旋转梁，旋转梁可以很好 的释放振膜的残余应力，同时旋转梁起弹簧连接作用支撑振膜，振膜可以 在上下良好振动；旋转梁在振膜的内部可以均匀支撑振膜，在工艺过程中 有效的防止由静电力、范德华力、毛细力引起的振膜和背极的粘连问题， 提高了可靠性。
图1为本发明中振膜由4个内旋转梁和1个外悬梁支撑的传声器芯片 俯视图；图2为本发明中振膜由4个内旋转梁和1个外悬梁支撑的传声器芯片 沿图l虚线的剖面图；图3为本发明中振膜由4个内旋转梁和1个外悬梁支撑的传声器芯片 绝缘层俯视图4为本发明中振膜由4个内旋转梁和1个外悬梁支撑的传声器芯片 仰视图5为本发明中振膜由2个内旋转梁和2个外悬梁支撑的传声器芯片 俯视图6为本发明中振膜由2个内旋转梁和2个外悬梁支撑的传声器芯片 沿图5虚线的剖面具体实施例方式
本发明有多种不同形式的实施例，图l-6所示为本发明一优选实施例， 下面对此实施例进行详细说明。
本发明具有内旋转梁的振膜电容式传声器芯片结构，如图1-4所示， 其特点为振膜内部有悬梁，悬梁为旋转梁，基底作为背腔，基底中心有声 孔，旋转梁在声孔之外，振膜边缘与基底形成电容，此结构自下而上为 基底21、绝缘层22、导电层23、下电极24、上电极25。
其中，基底21中心有贯通孔，为声孔26。基底21为导体或者半导体 材料。半导体材料可以是硅，对于硅材料基底21中心部的声孔26可用体 硅腐蚀工艺形成，如图4所示。也可采用干法腐蚀形成柱状背腔。
基底21上表面固连有绝缘层22，绝缘层22由内旋转梁支撑22a、外 悬梁支撑22b和周边绝缘层22c构成，如图3所示。周边绝缘层22c成环 状，内旋转梁支撑22a和外悬梁支撑22b在环形周边绝缘层22c之内且相 互隔离，声孔26上开口在周边绝缘层22c之内。绝缘层22可以是氧化硅。在环形周边绝缘层22c之上一侧有一贯通孔，为下电极孔27。在下电 极孔27内，基底21上表面固接金属电极，为下电极24，下电极24可以 是金、铝。
导电层23由振膜23a、内旋转梁23b、外悬梁23c、内旋转梁边框23d、 外悬梁边框23e以及周边导电层23f组成，如图1所示。振膜23a在周边 绝缘层22c环形范围内，振膜23a内部通过内旋转悬梁23b与内旋转梁边 框23d相连，内旋转梁边框23d与内旋转梁支撑22a上表面固接；振膜 23a边缘通过外悬梁23c与外悬梁边框23e相连，外悬梁边框23e与外悬 梁支撑22 b上表面固接。内旋转梁23b为旋转结构,可以是各种弧形梁、 s型梁，图中示意为s型梁；外悬梁23c同时起支撑和电极引线的作用， 可以使用多种结构，这里首选T型梁，T型梁在一定的空间内能够好的释 放应力。振膜23a通过柔软的内旋转梁23b、外悬梁23c支撑，充分的释 放残余应力，内悬梁23b起弹簧作用，有效防止粘连及提高可靠性。振膜 23a覆盖于声孔26上开口 ，振膜23a大于声孔26上开口的面积，振膜23a 边缘与基底21形成电容结构，振膜23a正对声孔26上开口之外有数个小 孔28。 一外悬梁边框23e上表面固结金属电极，为上电极25，上电极25 可以是金、铝。振膜23a在声波的作用下产生振动时，振膜几乎保持平动， 充分发挥振膜的机械灵敏度。周边导电层23f固接于周边绝缘层22b上边 面，形状一致。振膜23a的形状可以是多种形状，圆形、方形及其它多边 形。
内旋转梁和外部悬梁配合使用有多种形式，图1-4所示为振膜上有4 个内旋转梁和1个外悬梁的结构；如图5-6所示为振膜上有2个内旋转梁和2个外悬梁的结构。导电层23，可以是低应力多晶硅，并通过掺磷或者 硼，形成n型或者p型导电层。
基底21与振膜23a形成平板电容结构，他们之间的气隙为2-5微米， 当振膜23a受到声波的作用时，振膜23a把受到的力传递给内旋转梁23b 和外悬梁23c，使它们产生变形，由于变形主要集中在内旋转梁23b和外 悬梁23c上，振膜23a容易在竖直方向产生上下振动。振膜23a的变形量 转换成电容值的变化，从而实现传感器的功能。由于本发明中采用内旋转 梁结构，振膜23a上各处振动大体保持平动，在相同的灵敏度的情况下， 振膜23a不容易与基底21粘连，因此，内旋转梁结构会在很大程度上提 高芯片的成品率和可靠性。
权利要求
1、一种内旋转梁振膜，用于电容式传声器芯片，包括振膜、外悬梁、外悬梁边框；其特征在于，振膜外边缘设有至少一个外悬梁，振膜通过外悬梁与外悬梁边框固连；还包括内旋转梁结构；振膜中心部为片状，在片状边缘到振膜外边缘区域内设有多数个孔，在设孔的区域内，均匀的设有至少两个内旋转梁结构，内旋转梁结构包括内旋转梁、内旋转梁边框；片状的内旋转梁边框处于内旋转梁结构的中心部位，内旋转梁边框周缘固接有至少一个内旋转梁，内旋转梁的外端与振膜上设孔的区域固连。
2、 如权利要求l所述的内旋转梁振膜，其特征在于，所述振膜形状， 为圆形、方形或其它多边形。
3、 如权利要求1所述的内旋转梁振膜，其特征在于，所述内旋转悬 梁，为弧形梁或s型梁；外悬梁，为T型梁。
4、 如权利要求1所述的内旋转梁振膜，其特征在于，是由低应力多 晶硅材料制作，并通过掺磷或硼，形成n型或p型导电层。
5、 如权利要求1所述的内旋转梁振膜，其特征在于，用于双膜或单 膜电容式传声器芯片。
6、 一种如权利要求1所述的内旋转梁振膜组成的传声器芯片，是振 膜在上，背极在下的单膜电容式结构，包括基底、绝缘层、导电层、下电 极、上电极；基底作为背极，基底中心有一声孔，基底上表面固接有绝缘 层，绝缘层包括至少两个内旋转梁支撑、至少一个外悬梁支撑和周边绝缘 层，周边绝缘层上表面固接有导电层，基底上表面还设有下电极；其特征 在于，内旋转梁振膜的至少两个内旋转梁边框分别固连在内旋转梁支撑上表面，内旋转梁振膜的至少一个外悬梁边框固连在外悬梁支撑上表面，外 悬梁边框上表面固接有上电极，内旋转梁振膜的片状中心部覆盖声孔，设 孔区域与基底构成电容。
7、 如权利要求6所述的传声器芯片，其特征在于，所述基底为半导 体硅。
8、 如权利要求6所述的传声器芯片，其特征在于，所述绝缘层为PSG、 LT0、 TE0S氧化硅。
9、 如权利要求6所述的传声器芯片，其特征在于，所述上电极和下 电极为金属金或铝。
全文摘要
本发明一种内旋转梁振膜及其组成的传声器芯片，涉及传声器技术，内旋转梁振膜组成的传声器芯片，为电容式传声器芯片，是振膜在上，背极在下的电容式结构。内旋转梁振膜，具有内旋转梁结构，内旋转梁结构柔软，充分的释放残余应力，有效的防止粘连，提高芯片的可靠性；振膜边缘设有无数的小孔，配合背极悬空部分的声孔释放振膜和背极之间原有的牺牲层，并对传声器的声学特性有改善作用；基底作为背极，基底中心有一大孔，作为声孔；振膜边缘与基底构成电容。本发明具有高灵敏度、低噪声、频带宽的特性，制作工艺简单，可靠性高，容易批量生产。
文档编号H04R19/04GK101321408SQ20071010024
公开日2008年12月10日 申请日期2007年6月6日 优先权日2007年6月6日
发明者刘同庆, 宋青林, 庞胜利, 陶永春 申请人:歌尔声学股份有限公司