专利名称：电容式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，特别是一种电容式传声器芯片。
背景技术：
美国专利US5,870,4S2描述了基底做背极的传声器结构，发明了悬臂 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，悬臂结构三端自由，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 臂梁振膜，其中外部悬臂梁均匀分布的单膜结构，利用振膜边缘与背极形 成电容，悬臂梁提高了机械灵敏度对传声器输出灵敏度的贡献，对振膜残 余应力应力要求比较严格。
发明内容
本发明的目的是提出一种电容式传声器芯片，该电容式传声器芯片可 以改进悬臂梁式振膜、外部悬臂梁振膜的性能。
根据本发明的一方面，本发明提供了一种电容式传声器芯片，该电容 式传声器芯片包括基底；与基底间隔第一预定距离的振膜，所述振膜以
悬臂梁的方式固定在基底上；下止挡，所述下止挡位于所述振膜之下，用 于限制所述振膜的位移量。
为了实现本发明的目的，提出了一种新结构，主要包括:基底、振膜 支撑、上止挡、下止挡，其中基底作为背极，有足够大的刚性，基底中间 设置贯通孔，作为声孔；振膜边缘或者振膜边缘的引出悬梁通过振膜支撑 固定于基底之上，在振膜和背极之间有预先设计好的间距，振膜在无振膜 支撑的区域，为水平自由状态，充分释放振膜的残余应力；振膜自由端边
5缘设置上止挡和下止挡，振膜之上为上止挡，振膜之下为下止挡，上止挡、 下止挡与振膜之间有预先设定好的微小间距，上止挡和下止挡限制振膜上 下位置，固定振膜的状态，保证振膜的可靠性。
在振膜自由端边缘设置悬梁结构，下止挡设置在悬梁结构的悬梁支撑 之下，电容传声器工作时，加在振膜和背极上电压使悬梁支撑与下止挡相 抵，声波使振膜产生的振动变形将主要集中在悬梁上，振膜会保持柔软的 特性。
振膜边缘设有无数小孔改善了频响特性，同时在工艺过程中这些小孔 也作为腐蚀孔，通过小孔腐蚀振膜之下原有的牺牲层。 振膜边缘与背极形成电容结构。
本发明的硅传声器芯片结构，具有制作工艺简单，高灵敏度、低噪声、 宽频带特性。
图1为本发明第一实施例的电容式传声器芯片俯视图2为本发明第一实施例的电容式传声器芯片沿图AA虚线的剖面图3为本发明第一实施例的电容式传声器芯片沿图BB虚线的剖面图4为本发明第一实施例的电容式传声器芯片仰视图5为本发明第一实施例的电容式传声器芯片无振膜及上止挡俯视
图6为本发明第二实施例的电容式传声器芯片俯视图； 图7为本发明第二实施例的电容式传声器芯片沿图AA虚线的剖面图； 图8为本发明第二实施例的电容式传声器芯片沿图BB虚线的剖面图； 图9为本发明第二实施例的电容式传声器芯片无振膜及上止挡俯视
图IO为本发明第三实施例的电容式传声器芯片俯视图11为本发明第三实施例的电容式传声器芯片沿图AA虚线的剖面
图12为本发明第三实施例的电容式传声器芯片沿图BB虚线的剖面
图；图13为本发明第三实施例的电容式传声器芯片无振膜及上止挡俯视图。
具体实施例方式
本发明有多种不同形式的实施例，附图1-13所示为本发明三个优选实
例，下面对这三个实例进行详细说明。 实施例一
如图l-5所示为本发明的第一实施例，根据本发明的电容式传声器芯 片包括基底21;以及与基底21间隔第一预定距离的振膜25。所述振膜
25以悬臂梁的方式固定在基底上。电容式传声器芯片还包括下止挡23， 所述下止挡23位于所述振膜25下方或之下，用于限制所述振膜的位移量。 所述下止挡23与基底21相连，所述下止挡23与所述振膜25具有第二预 定距离，用于限制所述振膜的位移量。
电容式传声器芯片还包括上止挡26，所述上止挡26设置在所述振膜 25上方且固定于所述基底21，所述上止挡26与所述振膜25具有第三预 定距离，用于限制所述振膜的位移量。
在图中所示的实例中，电容式传声器芯片是一种振膜在上、背极在下 的电容式传声器芯片结构，其所示为方形振膜，也可以为圆形或者其它形 状。如图l-3所示，其特点为振膜一侧边缘固定，其它区域边缘自由，自 由边缘有上止挡和下止挡；基底作为背极，自下而上为基底2K振膜支 撑22、下止挡23、上止挡支撑24、振膜25及上止挡26，另外还有下电 极27、上电极28，振膜25边缘和基底21构成电容结构。
振膜支撑22与下止挡23和上止挡26间隔预定的距离，以便获得适 当的限制所述振膜位移量的效果。如图3中所示，所述上止挡26包括 固定部分，固定部分用于将所述上止挡26通过上止挡支撑24固定于所述 基底21;以及止挡部分，所述止挡部分用于限制所述振膜的位移量。更具 体而言，上止挡26为大体板状结构，且所述上止挡26的固定部分固定于 上止挡支撑24，而所述上止挡26的止挡部分从所述上止挡支撑24伸出。 所述下止挡23在所述基底21上的投影与所述上止挡26的止挡部分在所 述基底21上的投影至少部分重叠，或可以不重叠。
7如图l、 3中所示，所述下止挡23可以位于所述振膜的边缘部分，而
所述上止挡26的止挡部分可以位于所述振膜的边缘部分。
作为选择，所述上止挡26的止挡部分和所述下止挡23的位置是振膜 在振动过程中振幅大体最大的区域或变形时变形量最大的区域。例如，如 图1、 5中所示，用于将振膜固定于基底21的振膜支撑22与下止挡23和 上止挡26的止挡部分大体相对，即分别在振膜相对的两侧的边缘部分。
如图1中所示，振膜的振膜支撑22可以位于振膜边缘部分。所述振 膜支撑22在基底上的位置可以是任何时当的位置，以及本领域所述技术 人员公知的任何适当的位置。
基底21中心有贯通孔，为声孔29，如图4所示，声孔29为截头锥形， 也可以是其它形状。基底为导电材料或包含导电材料层。
如图5所示，基底21上表面固连有振膜支撑22、下止挡23、上止挡 支撑24。振膜支撑22、下止挡23、上止挡支撑24在声孔上开口之外区域， 其中一个或多个振膜支撑22位于声孔29上开口一侧，且距离开口边缘有 预定的距离； 一个或多个下止挡23、 一个或多个上止挡支撑24位于声孔 29上开口另一侧或几侧，且距离开口边缘有预定的距离。基底21上表面 一侧，声孔上开口之外区域设有下电极27。
振膜25覆于声孔29之上，振膜25和基底21之间有作为第一预定距 离的预定距离。振膜25—端固定于振膜支撑22上表面，另一端或几端悬 浮于下止挡23之上，振膜25与振膜下止挡23之间有作为第二预定距离 的微小间隙。振膜25边缘部分有复数个小孔30，小孔30分部在声孔29 上开口在振膜25上投影之外，在振膜支撑22区域无小孔。振膜为导电材 料或包含导电材料层。在支撑22区域的振膜25之上固结上电极28。
上止挡26固定于上止挡支撑24之上，其边缘部分，即止挡部分伸出 覆于振膜边缘，上止挡26和振膜之间有预先设定的作为第三预定距离的 微小间距。上止挡支撑24可位于振膜25区域之外，也可位于振膜25区 域之内，图中为位于振膜25之外的情况。
振膜25边缘与基底21形成电容，振膜25除在振膜支撑22处固定外， 其它的区域处于自由悬浮状态，在自由的一侧或几侧的振膜的边缘有下止 挡23和上止挡26的止挡部分限制，限制振膜的上下振动或变形范围。当
8在上电极28、下电极27上加工作电压后，振膜和基底由于静电吸引，振
膜自由端变形较大，将搭到下止挡23上，下止挡23起到支撑作用；上止 挡26限制振膜受到冲击或者变形过大，保证振膜25的可靠性。振膜25 一边固定，其余各边自由，振膜25内部不存在残余应力，具有良好的振 动性能，提高其灵敏度。
实施例二
如图6-9所示为本发明的第二实施例，下面仅仅描述与第一实施例中 的不同部分。
电容式传声器芯片包括悬梁32,所述悬梁32的一端与所述振膜相连， 且所述悬梁32的另一端位于所述下止挡23上方或之上，通过所述下止挡 23限制所述另一端的位移量，限制所述振膜的位移量。下止挡23可以与 所述悬梁32的另一端连接或者与基底21连接。
在图6中，所述悬梁32位于所述振膜之内。作为选择，所述悬梁32 可以位于所述振膜之外，即悬梁的一端与振膜的外边缘相连，另一端位于 所述下止挡23上方或之上。此外，悬梁32可以是任何合适结构的悬梁， 例如，直线状的梁，曲线状的梁，多个分梁形成的组合梁(如图6中所示)， 或直线状的梁和曲线状的梁的组合。
图中所示的电容式传声器芯片是一种振膜在上、背极在下的电容式传 声器芯片结构，其所示为方形振膜，也可以为圆形或者其它形状。如图6-8 所示，振膜一侧边缘固定，其它区域边缘自由，自由边缘有悬梁结构，悬 梁结构下有下止挡，振膜边缘有上止挡；基底作为背极，自下而上为基 底21、振膜支撑22、下止挡23、上止挡支撑24、振膜25、悬梁支撑31、 悬梁32及上止挡26，另外还有下电极27、上电极28，振膜25边缘和基 底21构成电容结构。
基底21中心有贯通孔，为声孔29，如图4所示，声孔29为截头锥形， 也可以是其它形状。基底为导电材料或包含导电材料层。
如图9所示，基底21上表面固连有振膜支撑22、下止挡23、上止挡 支撑24。振膜支撑22、下止挡23、上止挡支撑24在声孔上开口之外区域， 其中一个或多个振膜支撑22位于声孔29上开口一侧，且距离开口边缘有预定的距离； 一个或多个下止挡23、 一个或多个上止挡支撑24位于声孔 29上开口另一侧或几侧，且距离开口边缘有预定的距离。基底21上表面 一侧，声孔上开口之外区域设有下电极27。
振膜25覆于声孔29之上，振膜25和背极21之间有预定距离。振膜 25 —端固定于振膜支撑22上表面，在振膜的另一端或几端有悬梁结构， 悬梁结构包括悬梁支撑31和悬梁32，悬梁支撑31悬浮于下止挡23之上， 悬梁支撑31与振膜下止挡23之间有微小间隙。振膜25边缘部分有复数 个小孔30，小孔30分布在声孔29上开口在振膜25上投影之外区域，在 振膜支撑22区域无小孔。振膜为导电材料或包含导电材料层。与支撑22 固定区域的振膜25之上固结上电极28。
上止挡26固定于上止挡支撑24之上，其边缘伸出覆于振膜边缘，上 止挡26和振膜之间有预先设定的微小间距。上止挡支撑24可位于振膜25 区域之外，也可位于振膜25区域之内，图中为位于振膜25之外的情况。
振膜25边缘与基底21形成电容，振膜25除在支撑22处固定外，其 它的区域在自由悬浮，在自由端的一侧或几侧的悬梁支撑31下有下止挡 23，振膜自由端边缘有上止挡26限制，固定振膜的上下状态。当在上电 极28、下电极27上加工作电压后，振膜和基底由于静电吸引，振膜自由 端变形较大，悬梁支撑31将搭到下止挡23上，下止挡23起到支撑作用； 上止挡26限制振膜受到冲击或者变形过大，保证振膜25的可靠性。振膜 25—端固定，其余各端自由，振膜25内部不存在残余应力，且自由端靠 悬梁结构支撑，振动时变形主要集中在悬梁上，具有良好的振动性能，提 高其灵敏度。
实施例三
如图10-13所示，在实施例三中，除了与上述第一和第二实施例的电 容式传声器芯片的相同部分之外，在根据实施例三的电容式传声器芯片 中，振膜支撑22位于所述振膜之外，所述振膜通过悬梁33在所述振膜之 外固定于所述基底。
此外，悬梁33可以是任何合适结构的悬梁，例如，直线状的梁，曲 线状的梁，多个分梁形成的组合梁，或直线状的梁和曲线状的梁的组合。图10-13所示的电容式传声器芯片是一种振膜在上、背极在下的电容 式传声器芯片结构，其所示为方形振膜，也可以为圆形或者其它形状。如 图10-12所示，振膜通过引出悬梁固定，其它区域边缘自由，自由边缘有 悬梁结构，悬梁结构有下止挡支撑，振膜边缘有上止挡；基底作为背极，
自下而上为基底21、振膜支撑22、下止挡23、上止挡支撑24、振膜25、 悬梁支撑31、悬梁32、引出悬梁33及上止挡26，另外还有下电极27、 上电极28，振膜25边缘和基底21构成电容结构。
基底21中心有贯通孔，为声孔29，如图4所示，声孔29为截头锥形， 也可以是其它形状。基底为导电材料或包含导电材料层。
如图13所示，基底21上表面固连有振膜支撑22、下止挡23、上止 挡支撑24。振膜支撑22、下止挡23、上止挡支撑24在声孔上开口之外区 域，其中一个振膜支撑22位于声孔29上开口一侧，且距离开口边缘有预 定的距离； 一个或多个下止挡23、 一个或多个上止挡支撑24位于声孔29 上开口另一侧或几侧，且距离幵口边缘有预定的距离。基底21上表面一 侧，声孔上开口之外区域设有下电极27。
振膜25覆于声孔29之上，振膜25和背极21之间有预定距离。振膜 25 —侧通过引出悬梁33固定于振膜支撑22上表面，在振膜的另一端或几 端有悬梁结构，悬梁结构包括悬梁支撑31和悬梁32，悬梁支撑31悬浮于 下止挡23之上，悬梁支撑31与振膜下止挡23之间有微小间隙。振膜25 边缘部分有复数个小孔30，小孔30分部在声孔29上开口在振膜25上投 影之外，在振膜支撑22区域无小孔。振膜为导电材料或包含导电材料层。 与支撑22固定区域的振膜25之上固结上电极28。
上止挡26固定于上止挡支撑24之上，其边缘伸出覆于振膜边缘，上 止挡26和振膜之间有预先设定的微小间距。上止挡支撑24可位于振膜25 区域之外，也可位于振膜25区域之内，图中为位于振膜25之外的情况。
振膜25边缘与基底21形成电容，振膜25除通过引出悬梁33在支撑 22处固定，其它的区域自由悬浮，在自由端的一侧或几侧的悬梁支撑31 下有下止挡23，振膜自由端边缘有上止挡26限制，限制振膜的上下振动 或变形量。当在上电极28、下电极27上加工作电压后，振膜和基底由于 静电吸引，振膜自由端变形较大，悬梁支撑31将搭到下止挡23上，下止
ii挡23起到支撑作用；上止挡26限制振膜受到冲击或者变形过大，保证振
膜25的可靠性。振膜25通过引出悬梁33固定，其余各端自由，振膜25 内部不存在残余应力，且自由端靠悬梁结构支撑，振动时变形主要集中在 悬梁上，具有良好的振动性能，提高其灵敏度。
上述各实施例中，振膜支撑22与振膜25可一体形成，这种情况，振 膜25为包含导电层的复合膜，在振膜支撑22区域只有绝缘层。下止挡23 与振膜25可一体形成，下止挡23与基底21有预定的微小间距，这种情 况，振膜为包含导电层的复合膜，在下止挡区域只有绝缘层。上止挡26 与上止挡支撑24可一体形成，为绝缘材料。
艮P，振膜支撑22可以通过在振膜25下面一体形成的部分代替，下止 挡23可与振膜25 —体形成，上止挡支撑24可由从上止挡26向下一体延 伸的部分代替。
此外，除了上述上止挡26和下止挡23的布置方式之外，上止挡26 和下止挡23可以设置在任何其它合适的位置，只要能够限制振膜25的变 形或振动幅度即可。
工艺实现
下面描述本发明的电容式传声器芯片的制造方法。 本发明传声器芯片由MEMS (Micro-eletro-mechanical system)加工工 艺制作而成，可以有多种工艺实施方案，下面是一种具体工艺步骤。
根据本发明的三种实施方式的图1至13所示的电容式传声器芯片的
制造方法如下
1、 选用低阻双面抛光硅片作为基底21，在硅片的第一侧生长2.5Pm PSG、 LTO、 TEOS氧化硅层作为牺牲层、支撑层、止挡层；
2、 用LPCVD方法在硅片两侧生长3000A的氮化硅薄膜；
3、 用反应离子刻蚀的方法局部去掉硅片第一侧氮化硅薄膜，保留振 膜支撑、下止挡、上止挡处氮化硅；局部刻蚀第二侧氮化硅薄膜，被刻蚀 的区域将作为腐蚀硅片的窗口 ；
4、 在硅片的第一侧继续生长0.5卩m微米PSG、 LTO、 TEOS氧化硅
层；
5、 用LPCVD的方法在硅片两侧生长2um厚的低应力多晶硅，并通
12过注入或者扩散的方法形成N型或者P型的多晶硅层；
5、 用反应离子刻蚀的方法刻出第一侧多晶硅上所设计的图形，形成
振膜结构；
6、 在硅片的第一侧再生长0.5微米PSG、 LTO、 TEOS氧化硅层；
7、 用LPCVD的方法在硅片两侧生长1 u m微米厚的低应力多晶硅；
8、 用反应离子刻蚀的方法刻出第一侧多晶硅层上所设计的图形，形 成上止挡形状；
9、 用HF溶液腐蚀透正面氧化硅到硅基底；
10、 用溅射、蒸发或者电镀的方法在硅片第一侧制作上金属电极和下 金属电极；
11、 保护硅片第一侧，用KOH溶液先去掉第二侧多晶硅层，然后通 过体硅腐蚀腐蚀基底，腐蚀到氧化硅停止，以形成声孔；
12、 用HF溶液通过振膜的声孔、振膜边缘、振膜上的小孔以及振膜 与上止挡间隙对氧化硅进行腐蚀，最后形成发明所述的结构。振膜支撑、 下止挡及上止挡支撑区域的尺寸远大于所腐蚀的尺寸，通过合理控制腐蚀 时间，保留足够大的振膜支撑、下止挡及上止挡支撑区域。
尽管通过上述实施例描述了本发明，但本发明不限于上述实施例。在 不背离本发明的原理和构思的情况下可以对实施例进行修改，变更和替 换。
例如，上述实施方式中的各种特征、结构和部件可以相互组合而形成 新的实施方式，除非这种组合是不可行的。
1权利要求
1、一种电容式传声器芯片，包括基底(21)；与基底(21)间隔第一预定距离的振膜(25)，所述振膜(25)以悬臂梁的方式固定在基底上；下止挡(23)，所述下止挡(23)位于所述振膜(25)之下，用于限制所述振膜的位移量。
2、 根据权利要求l所述的电容式传声器芯片，还包括上止挡(26)，所述上止挡(26)设置在所述振膜(25)上方且固定 于所述基底(21)，所述上止挡(26)与所述振膜(25)具有第三预定距 离，用于限制所述振膜的位移量。
3、 根据权利要求2所述的电容式传声器芯片，其中所述上止挡(26) 包括固定部分，固定部分用于将所述上止挡(26)固定于所述基底(21); 以及止挡部分，所述止挡部分用于限制所述振膜的位移量。
4、 根据权利要求3所述的电容式传声器芯片，其中所述下止挡(23) 在所述基底(21)上的投影与所述上止挡(26)的止挡部分在所述基底(21) 上的投影至少部分重叠。
5、 根据权利要求2所述的电容式传声器芯片，其中所述下止挡(23) 位于所述振膜的边缘部分。
6、 根据权利要求3所述的电容式传声器芯片，其中所述上止挡(26) 的止挡部分位于所述振膜的边缘部分。
7、 根据权利要求3所述的电容式传声器芯片，其中所述上止挡(26)的止挡部分和所述下止挡(23)的位置是振膜在振动过程中振幅大体最大 的区域或变形时变形量最大的区域。
8、 根据权利要求3所述的电容式传声器芯片，其中所述振膜(25) 的固定位置在所述振膜(25)的第一侧的边缘部分，而所述上止挡(26) 的止挡部分和所述下止挡(23)在所述振膜的、与所述第一侧相对的第二 侧的边缘部分。
9、 根据权利要求1所述的电容式传声器芯片，其中所述振膜(25) 在振膜的边缘部分固定于所述基底。
10、 根据权利要求l所述的电容式传声器芯片，其中所述振膜(25) 在所述振膜之外的区域通过梁(33)固定于所述基底。
11、 根据权利要求3所述的电容式传声器芯片，还包括用于将所述上 止挡(26)固定于所述基底的上止挡支撑(24)。
12、 根据权利要求11所述的电容式传声器芯片，其中所述上止挡(26) 为大体板状结构，且所述上止挡(26)的固定部分固定于上止挡支撑(24)， 而所述上止挡(26)的止挡部分从所述上止挡支撑(24)伸出。
13、 根据权利要求1所述的电容式传声器芯片，还包括悬梁(32)， 所述悬梁(32)的一端与所述振膜相连，且所述悬梁(32)的另一端位于 所述下止挡(23)之上，通过所述下止挡(23)限制所述另一端的位移量， 由此限制所述振膜的位移量。
14、 根据权利要求13所述的电容式传声器芯片，其中所述悬梁(32) 位于所述振膜之内。
15、 根据权利要求l所述的电容式传声器芯片，其中所述振膜(25)通过振膜支撑(22)固定于基底。
16、 根据权利要求1所述的电容式传声器芯片，其中所述下止挡(23)与基底(21)相连，且所述下止挡(23)与所述振膜(25)具有第二预定 距离。
17、 根据权利要求1所述的电容式传声器芯片，其中所述下止挡(23) 与所述振膜(25)相连，且所述下止挡(23)与所述基底(21)具有第二 预定距离。
全文摘要
本发明电容式传声器芯片，涉及传声器技术，利用振膜和基底即背极形成电容检测结构。振膜通过振膜支撑与背极上表面相连，形成悬臂结构或准自由振膜结构，振膜在水平方向上保持自由，充分的释放振膜的残余应力，提高振膜的上下振动性能；在振膜自由端边缘有上止挡和下止挡，保持振膜的稳定状态；振膜自由端边缘可制作悬梁结构，下止挡设在悬梁结构之下，保持振膜柔软的振动特性。振膜边缘设有的无数小孔改善频响特性，同时作腐蚀孔；本发明具有高灵敏度、低噪声、频带宽的特性，芯片的体积小，制作工艺简单，容易批量生产。
文档编号H04R19/00GK101516053SQ20081005787
公开日2009年8月26日 申请日期2008年2月20日 优先权日2008年2月20日
发明者刘同庆, 宋青林, 庞胜利, 昕 潘, 陶永春 申请人:歌尔声学股份有限公司