专利名称：声学感测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及声学感测器，且特别是涉及电容式声学感测器。
背景技术：
声学感测器可将声波信号转为电子信号以供各种应用。声学感测器已广泛地应用 于多种电子产品，例如手机、笔记型电脑、数字摄影机、麦克风、及数字录音机等。声学感测 器一般包括相对设置的背板与薄膜结构。当声波传至薄膜结构时，薄膜结构受声波压力变 化影响而改变与背板之间的间距。薄膜结构与背板间的间距变化会造成电容的改变，通过 感测电容的变化便可将所接收的声波信号转化为电子信号。然而，受到制作工艺残留应力的影响，薄膜结构上容易有压应力、张应力、或梯度 应力(gradient stress)等应力残留。这些残留应力会使薄膜结构挫曲(buckling)、拉紧 (tightening)、或翘曲(bending)，使得薄膜结构的声学灵敏度降低，并使结构容易破损。其 中，尤以梯度应力易使薄膜结构失效。因此，业界亟需能兼顾声学灵敏度及结构可靠性的声学感测器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种声学感测器，以解决上述问题。本发明的目的是这样实现的，即提供一声学感测器，包括支撑基板，具有一上表面 及一下表面，上表面包括第一部分及第二部分，第二部分围绕第一部分；凹槽，自上表面朝 下表面延伸，凹槽位于上表面的第一部分与第二部分之间；可震动薄膜，设置于凹槽的正上 方，可震动薄膜包括固定部分及悬空部分，固定部分固定于支撑基板上，悬空部分的边缘大 抵顺应着凹槽的开口的边缘延伸，悬空部分与上表面的第一部分之间隔有内间隙，且悬空 部分与上表面的第二部分之间隔有外间隙；以及背板，设置于支撑基板之上而与可震动薄 膜相对设置。
图1显示根据本发明一实施例的声学感测器的剖视图；图2A显示本发明一实施例的声学感测器中，具有凹槽的支撑基板与可震动薄膜 的立体分解图；图2B显示本发明一实施例的声学感测器中，设置于具有凹槽的支撑基板的可震 动薄膜的上视图；图3A显示本发明另一实施例的声学感测器中，具有凹槽的支撑基板与可震动薄 膜的立体分解图；图;3B显示本发明另一实施例的声学感测器中，设置于具有凹槽的支撑基板的可 震动薄膜的上视图；图4显示根据本发明一实施例的声学感测器的剖视图5显示本发明又一实施例的声学感测器中，设置于具有凹槽的支撑基板的可震 动薄膜的上视图；图6显示本发明又一实施例的声学感测器中，设置于具有凹槽的支撑基板的可震 动薄膜的上视图；图7A-图7C显示本发明数个实施例的声学感测器中，设置于具有凹槽的支撑基板 的可震动薄膜的上视图。主要元件符号说明10 声学感测器；100 支撑基板；100a、100b 表面；100a，、100a”、IOOc 部分；102a、102b、202a 凹槽；104、204 可震动薄膜；104a、204a 固定部分；104al、104a2、104a3 固定区；104b、204b 悬空部分；106 背板；108 孔洞；110 绝缘间隔层；112a、112b、212a、212b 间隙；R1、R2 曲率半径；A1、A2 截面积。
具体实施例方式应了解的是以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本发明的不同样 态。以下所述特定的元件及排列方式尽为本发明的简单描述。当然，这些仅用以举例而非 本发明的限定。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示。除非特别指明，这些重 复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关 连性。再者，当述及一第一材料层位于一第二材料层上或之上时，包括第一材料层与第二材 料层直接接触或间隔有一或更多其他材料层的情形。本发明实施例通过在声学感测器中的可震动薄膜与支撑基板之间形成内间隙与 外间隙，使得可震动薄膜的内侧与外侧皆具有自由边界，可有效舒缓残留于薄膜上的残留 应力，包括压应力以及张应力。其中，自由边界即为所形成的内间隙及外间隙，其为薄膜不 与支撑基板连接的部分，使可震动薄膜能随声波而上下移动，且可有助于舒缓或释放残留 应力。图1显示根据本发明一实施例的声学感测器10的剖视图。在此实施例中，声学感 测器10包括支撑基板100，其具有上表面IOOa及下表面100b。支撑基板100中具有自上 表面IOOa朝下表面IOOb延伸的凹槽10加。在支撑基板100之上，设置有可震动薄膜104 及背板106，且可震动薄膜104与背板106以一间距而彼此相对设置。例如，在此实施例中，可震动薄膜104与背板106通过其间的绝缘间隔层110而彼此相对设置，并相隔一预定距 离。背板106中可形成有至少一贯穿背板106的孔洞108。例如，在图1所示实施例中，背 板106中形成有多个孔洞108，用以使空气在背板106与可震动薄膜104之间流通。当声波 由孔洞108传至背板106与可震动薄膜104之间时，可震动薄膜104上、下的压力差将使可 震动薄膜104移动或变形，使可震动薄膜104与背板106之间的间距改变。间距的改变将 造成电容值的变化，由此可将声波转为电子信号。在一实施例中，背板106的材质例如可为 金属、半导体、或其他相似材料。以下，配合图1说明本发明一实施例的声学感测器10的制作流程。然应注意的是， 以下的叙述仅为制作本发明实施例的声学感测器的其中一种方式。此技艺人士自可掉换、 添加、或修饰所述的制作工艺而完成本发明实施例的声学感测器。因此，以下的叙述仅举例 说明本发明实施例的制作方式，本发明实施例的形成方法不限于此。如图1所示，在一实施例中，首先提供支撑基板100。接着，在支撑基板100的上表 面IOOa上形成图案化导电层。图案化导电层在后续制作工艺中将成为可震动薄膜104。图 案化导电层(或可震动薄膜)的材质包括导电材料，例如可为金属材料、半导体材料、导电 陶瓷材料、导电高分子材料、或前述的组合。接着，在支撑基板100及图案化导电层上形成 绝缘层。绝缘层在后续制作工艺中将成为绝缘间隔层110。接着，在绝缘层上形成金属层以 作为背板106，并可在其中形成多个孔洞108。之后，通过非等向性蚀刻自支撑基板100的 下表面IOOb移除部分的支撑基板100以形成凹槽10加。在凹槽10 形成之后，先前形成 的图案化导电层将成为可震动薄膜104。可震动薄膜104包括固定部分及悬空部分。固定 部分固定于支撑基板100上(图1中未显示)。悬空部分如图所示与支撑基板100之间隔 有间隙。凹槽10 的开口具有与可震动薄膜104的悬空部分大抵相同的形状，且面积需略 大于悬空部分以使可震动薄膜104的悬空部分与支撑基板100之间隔有间隙。接着，将背 板106与可震动薄膜104之间的绝缘层移除，仅留下背板106与可震动薄膜104之间的绝 缘间隔层110以完成本发明一实施例的声学感测器10的制作。应注意的是，本发明实施例 的形成步骤不限于上述的方式。例如，可先形成绝缘间隔层110及金属板106之后，才接着 形成凹槽10加。在本发明实施例中，基于支撑基板100、凹槽102a、及可震动薄膜104之间的特 殊配置，将使声学感测器10的灵敏度提高，并可有效舒缓或释放残留应力。以下，配合图 2A-图2B说明本发明实施例的声学感测器10的支撑基板100、凹槽102a、及可震动薄膜104 之间的特殊配置。图2A显示一实施例中，具有凹槽10 的支撑基板100与可震动薄膜104 的立体分解图。图2B显示一实施例中，设置于具有凹槽10 的支撑基板100上的可震动 薄膜104的上视图。如图2A及图2B所示，在一实施例中，支撑基板100的上表面IOOa包括第一部分 100a，及第二部分100a”，其中第二部分100a”围绕第一部分100a，。凹槽10 位于第一部 分100a，与第二部分100a”之间。凹槽10 自支撑基板100的上表面IOOa朝下表面IOOb 延伸。在一实施例中，凹槽10 完全贯穿支撑基板100。如图2A及图2B所示，在一实施例中，可震动薄膜104设置于支撑基板100之上， 且设置于凹槽10 的正上方。如图2B所示，可震动薄膜104包括固定部分10 及悬空部 分104b。可震动薄膜104通过固定部分10 而固定于支撑基板100上。以图2A及图2B的实施例为例，可震动薄膜104的固定部分10 与连接支撑基板100的第一部分100a’与 第二部分100a”的连接部分IOOc相连接。因而使可震动薄膜104固定于支撑基板100之 上。在此情形中，固定部分10 包括第一固定区104al及第二固定区10如2。第一固定区 104al固定于左边的连接部分IOOc上，而第二固定区l(Ma2固定于右边的连接部分IOOc 上。在图2B的实施例中，第一固定区104al及第二固定区104a2还分别与可震动薄膜104 的悬空部分104b的两端相连接。在图2B的实施例中，可震动薄膜104围绕上表面IOOa的 第一部分100a，。如先前所述，凹槽10 可在可震动薄膜104的形状定义之后才形成，且凹槽10 的接近于上表面IOOa的开口具有与可震动薄膜104的悬空部分104b大抵相同的形状，且 面积略大于悬空部分104b。也就是说，可震动薄膜104的悬空部分104b的边缘大抵顺应 着凹槽10 的开口的边缘延伸。悬空部分104b的边缘轮廓大抵与凹槽10 的接近上表 面IOOa的开口的边缘轮廓相同。然应注意的是，本发明实施例不限于上述的情形，在其他 实施例中，可震动薄膜104的悬空部分104b的边缘不一定要完全顺应着凹槽10 的开口 的边缘延伸。也就是说，可震动薄膜104的悬空部分104b的形状可能与凹槽10 的接近 于上表面IOOa的开口的形状不完全相同。如图2B所示，在此实施例中，可震动薄膜104的悬空部分104b与支撑基板100上 表面IOOa的第一部分100a，之间隔有内间隙112a，且悬空部分104b与上表面IOOa的第 二部分100a”之间隔有外间隙112b。其中，内间隙11 及外间隙112b也可称为自由边界 (free boundary)。在一实施例中，内间隙11 及外间隙112b所占的面积占可震动薄膜104 的面积的约0. 至约2%之间。在另一实施例中，内间隙11 及外间隙112b所占的面积 占可震动薄膜104的面积的约0. 5%至约1. 5%之间。然应注意的是，前述内间隙11 及外 间隙112b所占的面积比率仅举例说明本发明实施例的可能样态，本发明实施例不限于此。由于本发明实施例的可震动薄膜104与支撑基板100之间隔有内间隙11 及外 间隙112b，可震动薄膜104不致于太过坚硬而不易变形，也不致于太过柔软而造成灵敏度 不足。此外，经由本案发明人的研究发现，由于可震动薄膜104的内侧及外侧同时具有自由 边界(即内间隙11 及外间隙112b)，应力可同时在内侧及外侧之间隙处释放，可避免因残 留应力(例如是压应力及/或张应力)所造成的结构变形。因此，残留于可震动薄膜104 中的应力可有效地舒缓或释放，有助于提升声学感测器10的灵敏度与可靠度。此外，经由本案发明人的研究发现，内间隙11 及外间隙112b较佳能分别具有一 弧形部分。具弧形部分的间隙将更有利于舒缓或释放残留的梯度应力。在一实施例中，内 间隙11 包括至少一弧形部分。在另一实施例中，外间隙112b包括至少一弧形部分。在 又一实施例中，内间隙11 及外间隙112b皆分别包括至少一弧形部分。例如，在图2B的实施例中，整个内间隙11 及整个外间隙112b皆为弧形部分。在 此实施例中，上表面IOOa的第一部分100a’包括两个半圆形部分及夹于两半圆形部分之间 的矩形部分。或者，上表面IOOa的第一部分100a’可包括扇形部分。扇形部分例如包括四 分之三圆或八分之五圆等，即夹于矩形部分两侧者不限定为“半”圆形。在一实施例中，内间隙11 及外间隙112b可为具有相同曲率中心的两个圆弧，其 中外间隙112b的曲率半径R2大于内间隙11 的曲率半径R1。在一实施例中，当外间隙 112b的曲率半径R2为内间隙11 的曲率半径Rl的两倍时，可震动薄膜104因残留梯度应
7力所造成的变形可降至最低。然应注意的是，前述的曲率半径比例为特定实施例的曲率半 径的较佳值。并非所有的实施例的较佳曲率半径比值皆为此特定比值，可视情况而有所调 整。本发明实施例的声学感测器还可有许多其他的变化。以下，将举出部分的变化并 配合
之。其中，相同或相似的标号将用以标示相同或相似的元件。然应注意的是， 标号的重复使用仅为简化本发明实施例的说明，除非特别指明，这些标号的重复不代表不 同实施例之间具有关联性。图3A显示一实施例中，具有凹槽10 的支撑基板100与可震动薄膜104的立体 分解图。图3B显示一实施例中，设置于具有凹槽10 的支撑基板100上的可震动薄膜104 的上视图。图3A及图;3B的实施例与图2A及图2B所示实施例相似，其差异主要在于图3A及 图3B的实施例中的可震动薄膜104的固定部分10 更包括与第一固定区104al及第二固 定区104a2相连的第三固定区10如3。第三固定区104a3可固定于支撑基板100之上。如 图3B所示，在此实施例中，第三固定区104a3还横跨支撑基板100的上表面IOOa的第一部 分100a’，而连结于部分的第一部分100a’之上。可震动薄膜104的第三固定区104a3有助 于增强可震动薄膜104与支撑基板100之间的结合强度，且有助于将整体可震动薄膜104 拉平，有助于提升声学感测器10的效能。此外，请参照图4，在其他实施例中，声学感测器10还可更包括第二凹槽102b，其 位于凹槽10 的下方，且与凹槽10 相连互通。在声学感测器10中额外形成与凹槽10 相连的第二凹槽102b可使可震动薄膜104下方的空间增加。当可震动薄膜104受声波影 响而向下移动或变形时，由于下方的空间增加了，所受到的空气阻力将因而减小，使可震动 薄膜104能有较大的变形量，使声学感测器10的感测更为灵敏。如上所述，凹槽10 的开 口需与可震动薄膜104的形状相似且略大，使可震动薄膜104与支撑基板100之间仅隔有 内间隙11 及外间隙112b。在一实施例中，可在形成凹槽10 之后，进行另一蚀刻制作 工艺以形成与凹槽10 连通的第二凹槽10沘。以图4的实施例为例，第二凹槽10 可位 于凹槽10 之下，且第二凹槽102b的截面积A2可大于凹槽10 的截面积Al。第二凹槽 102b的形成的原因之一是为了增加可震动薄膜104下方的空间，因此第二凹槽102b的开 口的形状可不与凹槽10 的开口形状相同。凹槽10 及102b皆用作声学感测器10的背 腔。此外，本发明实施例还可有许多变化，例如上表面IOOa的第一部分100a’除了如 图1或图2所述的实施例可包括半圆形部分、扇形部分、及/或矩形部分之外，还可例如包 括半椭圆形部分。图5显示本发明又一实施例中，设置于具有凹槽的支撑基板的可震动薄 膜的上视图，其中相同或相似的元件将已相同或相似的标号标示。如图5所示，在此实施例 中，可震动薄膜104与支撑基板100之间的内间隙11 及外间隙112b顺应着半椭圆形部 分的轮廓而分别具有弧形部分(椭圆弧)，有助于舒缓或释放可震动薄膜104中的残留应 力。虽然，上述实施例中，可震动薄膜104与支撑基板100之间的内间隙11 及外间 隙112b皆包括弧形部分，然本发明实施例的实施方式不限于此。在其他实施例中，内间隙 11 及外间隙112b也可不包括弧形部分。例如，在一实施例中，上表面IOOa的第一部分100a’可包括多边形部分，如图6所示。在图6的实施例中，第一部分100a’包括一梯形部 分，可震动薄膜104与支撑基板100之间的内间隙11 及外间隙112b由于顺应着梯形部分 的轮廓而不具有弧形部分。虽然如此，可震动薄膜104与支撑基板100之间仍可具有内间 隙11 及外间隙112b，仍能同时于可震动薄膜104的内侧及外侧释放应力，可有效提升声 学感测器10的灵敏度及可靠度。此外，多边形部分除了可例如包括梯形部分之外，在其他 实施例中，多边形部分还可例如包括菱形、六边形、八边形、或十二边形等等。换言之，本发 明实施例的第一部分100a’可包括任意形状，只要固定于第一部分100a’与第二部分100a” 之间的凹槽10 的正上方的可震动薄膜104与支撑基板100之间能同时隔有内间隙11 及外间隙112b，便有助于使声学感测器10的灵敏度及可靠度提升。应注意的是，虽然在上述实施例中，声学感测器的可震动薄膜包围部分的支撑基 板，例如是支撑基板上表面中的第一部分，然本发明实施例的实施方式不限于此。在其他实 施例中，声学感测器的可震动薄膜可不将部分的支撑基板包围在其中。此外，本发明实施例 的声学感测器中还可包括多个可震动薄膜的组合。图7A-图7C显示本发明数个实施例的声学感测器中，设置于具有凹槽的支撑基板 的可震动薄膜的上视图。其中，相似或相同的元件将采用相似或相同的标号。如图7A所示，此实施例的声学感测器包括支撑基板100，具有上表面及下表面(可 同时参照图1或图4，分别显示上表面IOOa及下表面100b)，上表面包括第一部分100a’及 第二部分100a”，较外围的第二部分100a”围绕较内部的第一部分100a’。声学感测器还包 括凹槽102a，自上表面朝下表面延伸(可同时参照图1或图4)，凹槽10 位于上表面的 第一部分100a’与第二部分100a”之间。声学感测器还包括可震动薄膜104，设置于凹槽 102a的正上方，可震动薄膜104包括固定部分10 及悬空部分104b，固定部分10 固定 于支撑基板100上，悬空部分104b的边缘大抵顺应着凹槽10 的开口的边缘延伸，悬空部 分104b与上表面的第一部分100a，之间隔有内间隙112a，且悬空部分104b与上表面的第 二部分100a”之间隔有外间隙112b。声学感测器还包括背板(可同时参照图1或图4，分 别显示出背板106)，设置于支撑基板100之上而与可震动薄膜104以一间距相对设置。在 图7A的实施例中，可震动薄膜104与支撑基板100之间所隔的内、外间隙112a、112b有助 于舒缓或释放可震动薄膜104的残留应力，例如是张应力及/或压应力。尤其，在图7A的 实施例中，内、外间隙112a、112b互为一同心圆的一部分，因而皆包括弧形部分，因此还可 有助于舒缓或释放梯度应力。此外，本发明实施例的声学感测器中还可包括多个可震动薄膜的组合。例如，在图 7B及图7C的实施例中，声学感测器更包括至少一第二可震动薄膜204及其相应的第二凹槽 20加。可震动薄膜204设置于支撑基板100之上且位于第二凹槽20 的正上方。可震动 薄膜204包括固定部分20 及悬空部分204b，并与支撑基板100之间隔有内间隙21 及 外间隙212b。然应注意的是，图7B及图7C的实施例仅为举例说明，本发明实施例的实施 方式不限于此。例如，在其他实施例中，可采用其他的组合方式(例如，可组合图2B及图6 的实施例)或排列方式而在支撑基板上设置多种可震动薄膜。此外，还例如可在支撑基板 上设置数个可震动薄膜阵列(例如，可为图7C实施例所排程的矩阵)，端视所需应用而定。 再者，在一实施例中，多个可震动薄膜下方的凹槽可以彼此相通。例如，在图7B或图7C的 实施例中，凹槽10 与20 可彼此互通。在另一实施例中，多个可震动薄膜之间可仅以一狭缝相间距。例如，在图7B的实施例中，可震动薄膜104b与204b之间以一狭缝相间距，狭 缝的宽度约为可震动薄膜104b与凹槽10 间的宽度距离。 虽然结合以上数个较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何 所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作任意的更动与润饰， 因此本发明的保护范围应以所附的权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种声学感测器，包括支撑基板，具有上表面及下表面，该上表面包括第一部分及第二部分，该第二部分围绕 该第一部分；第一凹槽，自该上表面朝该下表面延伸，该第一凹槽位于该上表面的该第一部分与该 第二部分之间；可震动薄膜，设置于该第一凹槽的正上方，该可震动薄膜包括固定部分及悬空部分，该 固定部分固定于该支撑基板上，该悬空部分的边缘大抵顺应着该第一凹槽的开口的边缘延 伸，该悬空部分与该上表面的该第一部分之间隔有内间隙，且该悬空部分与该上表面的该 第二部分之间隔有外间隙；以及背板，设置于该支撑基板之上而与该可震动薄膜相对设置。
2.如权利要求1所述的声学感测器，其中该可震动薄膜围绕该上表面的该第一部分。
3.如权利要求1所述的声学感测器，其中该可震动薄膜的该悬空部分的形状与该第一 凹槽的开口的形状相同，且该悬空部分的面积小于该第一凹槽的开口的面积。
4.如权利要求1所述的声学感测器，其中该内间隙包括至少一弧形部分。
5.如权利要求1所述的声学感测器，其中该外间隙包括至少一弧形部分。
6.如权利要求1所述的声学感测器，其中该可震动薄膜的该固定部分包括第一固定区 及第二固定区，分别固定于该支撑基板上。
7.如权利要求6所述的声学感测器，其中该第一固定区及该第二固定区分别与该可震 动薄膜的该悬空部分的两端连接。
8.如权利要求7所述的声学感测器，其中该可震动薄膜的该固定部分还包括第三固定 区，该第三固定区与该第一固定区及该第二固定区相连，且固定于该支撑基板之上。
9.如权利要求8所述的声学感测器，其中该第三固定区横跨该支撑基板的该上表面的 该第一部分。
10.如权利要求1所述的声学感测器，其中该上表面的该第一部分包括半圆形部分或 扇形部分。
11.如权利要求10所述的声学感测器，其中该内间隙及该外间隙为具有相同曲率中心 的两圆弧，其中该外间隙的曲率半径大于该内间隙的曲率半径。
12.如权利要求11所述的声学感测器，其中该外间隙的曲率半径约为该内间隙的曲率 半径的两倍。
13.如权利要求1所述的声学感测器，其中该上表面的该第一部分包括半椭圆形部分。
14.如权利要求1所述的声学感测器，其中该上表面的该第一部分包括多边形部分。
15.如权利要求1所述的声学感测器，还包括第二凹槽，位于该第一凹槽的下方，且该 第二凹槽与该第一凹槽彼此相连。
16.如权利要求15所述的声学感测器，其中该第二凹槽的截面积大于该第一凹槽的截 面积。
17.如权利要求1所述的声学感测器，还包括至少一孔洞，贯穿该背板。
18.如权利要求1所述的声学感测器，其中该可震动薄膜的材质包括导电材料。
19.如权利要求18所述的声学感测器，其中该导电材料包括金属材料、半导体材料、导 电陶瓷材料、导电高分子材料、或前述的组合。
20.如权利要求1所述的声学感测器，还包括绝缘间隔层，设置于该可震动薄膜与该背 板之间。
全文摘要
本发明公开一种声学感测器，其包括支撑基板，具有一上表面及一下表面，上表面包括第一部分及第二部分，第二部分围绕第一部分；凹槽，自上表面朝下表面延伸，凹槽位于上表面的第一部分与第二部分之间；可震动薄膜，设置于凹槽的正上方，可震动薄膜包括固定部分及悬空部分，固定部分固定于支撑基板上，悬空部分的边缘大抵顺应着凹槽的开口的边缘延伸，悬空部分与上表面的第一部分之间隔有内间隙，且悬空部分与上表面的第二部分之间隔有外间隙；以及背板，设置于支撑基板之上而与可震动薄膜以一间距相对设置。
文档编号H04R7/00GK102104817SQ200910260840
公开日2011年6月22日 申请日期2009年12月21日 优先权日2009年12月21日
发明者吴嘉昱, 王地宝, 郭泰辅, 陈建铭 申请人:财团法人工业技术研究院