内旋转梁振膜及其组成的传声器芯片的制作方法

文档序号:7673027
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
本实用新型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US2006/0093170A1,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。

实用新型内容
本实用新型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,本实用新型的技术解决方案是
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。 本实用新型的传声器芯片,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。 本实用新型的传声器芯片,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 簧作用,保证振膜容易上下振动;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。本实用新型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。
本实用新型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为本实用新型中振膜由4个内旋转梁和1个外悬梁支撑的传声器 芯片俯视图2为本实用新型中振膜由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3为本实用新型中振膜由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为本实用新型中振膜由4个内旋转梁和1个外悬梁支撑的传声器 芯片仰视图5为本实用新型中振膜由2个内旋转梁和2个外悬梁支撑的传声器 芯片俯视图6为本实用新型中振膜由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方式
本实用新型有多种不同形式的实施例,图l-6所示为本实用新型一优 选实施例,下面对此实施例进行详细说明。
本实用新型具有内旋转梁的振膜电容式传声器芯片结构,如图卜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,图卜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。由于本实用新型中采用内 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l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l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l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l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。
专利摘要本实用新型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。本实用新型具有高灵敏度、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H04R19/00GK201063850SQ200720149478
公开日2008年5月21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
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