专利名称：麦克风和加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用晶片制造微机械麦克风和加速度计的方法，以及涉及一种包括晶片的设备。
背景技术：
电容性麦克风典型地包括隔膜和背板，其中在隔膜和背板之间提供空气隙。施加在隔膜上的声压波由于隔膜上的压力差而强迫隔膜振动。为了获得良好的全方向性能，通常声学隔离所述隔膜的背板。另外，所述隔膜通常与声学密闭的背部腔室相连，所述声学密闭的背部腔室影响隔膜的柔度(compliance)，并且定义下限截止频率。在背部腔室中要求有小孔，以对大气压的缓慢变化进行补偿。当将导电材料用于隔膜和背板时，施加到隔膜上的声压对隔膜和背板之间的空气隙进行调制的结果是电学可检测的信号。按照这种方式，均配置有导电表面的隔膜和背板形成了电容器，所述电容器的电容与施加到隔膜上的声压波相关联地变化。理想地，背板是刚性板，声压波只能使隔膜位移。根据现有技术已知的这种电容性麦克风通常包含按照硅微机电系统(MEMS)工艺制作的隔膜和背板，而背部腔室由整个封装或者电容性麦克风自己来限定。优选地，通过将具有麦克风的电子设备集成到系统级封装(SiP)方案中来将所谓的MEMS麦克风用于移动电话，因为传统的分立麦克风不具有所需的形状因子。麦克风中的电子设备可以包括预放大器、偏置电路、A/D转换器以及信号处理和总线驱动器。麦克风的灵敏度由隔膜的柔度来确定，即由隔膜的弹性来确定。通过机械结构或者材料参数(制造之后的应力和/或杨氏模量)来控制柔度，其中依赖于麦克风的设计、机械结构或者材料参数支配所述性能。这种麦克风的一种重要性能参数是对于结构自生声音的灵敏度，所述结构自生声音是通过由于整体上作用于麦克风上的机械振动导致的隔膜和背板之间的不需要的相对运动来控制的。所谓的本体噪音是麦克风的干扰效果。这种干扰效果的一个示例是移动电话自身的扬声器与具有非线性传递函数的麦克风的串音。信号处理不能够补偿这种干扰效果。大多数麦克风用户必须处理的另一个问题是需要尽可能快地止住电话的铃声，因为他们在非常不希望铃声声音的时刻(例如当在别人在场时，在演示或者其他类型的表演期间，在展览和会议期间，图书馆、法庭等等)接到了电话。用户需要找到电话，从他或她的口袋或者包里取出电话，找到正确的按钮(有时是在黑暗中或者需要尽可能不引人注目)。 这都需要时间，并且可能会惹恼周围的人们。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种麦克风，所述麦克风对于机械振动较不敏感，以及提供一种制造麦克风的方法，所述麦克风提供本体噪声的消除。
该目的是通过利用具有第一层的晶片制造微机械麦克风和加速度计的方法来是解决的，所述方法包括步骤将所述第一层分为麦克风层和加速度计层，用连续的第二层覆盖麦克风层的前侧和加速度计层的前侧，用第三层覆盖第二层，在第三层中形成多个沟槽， 去除麦克风层背部一侧下面的晶片的一部分，在加速度计层背部一侧下面的晶片中形成至少两个晶片沟槽，以及通过在第三层中形成的多个沟槽去除第二层的一部分。因此，本发明的重要思 想是在麦克风附近提供加速度计，优选地将所述加速度计配置为一维加速度计，其中在与麦克风相同的管芯中处理加速度计。根据本发明的麦克风和加速度计允许抑制机械振动，导致了改进的信噪比。当用于蜂窝电话时，所述加速度计可以促进另外的功能性，例如通过晃动蜂窝电话来结束会话，当将蜂窝电话正面朝上或反面朝上放置时实现静音模式。优选地，所述麦克风配置为MEMS电容性麦克风。本发明进一步的优点在于可以通过与电容性MEMS麦克风所要求的相同工艺流来生产这种加速度计，而无需改变MEMS麦克风管芯的物理尺寸。这样，对可能影响灵敏度的临界参数(例如层应力)的局部工艺变动进行优化，并且不需要额外的掩模来实现所伴随的一维加速度计。另外优选地是将第一层配置为硅层，将第二层配置为氧化层，以及将第三层配置为多晶硅层。可以使用根据现有技术已知的技术来制造根据本发明的微机械麦克风和加速度计，例如使用反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀(DRIE)，或者氢氧化钾(KOH)或四甲基铵 (TMAH)的湿法各向异性刻蚀，或者牺牲层刻蚀之类的刻蚀。优选地，利用四烷氧基硅烷 (tetra alcoxysilan, TE0S) 共胃二胃。根据本发明的另一个优选实施例，经由第二层覆盖麦克风层和加速度计层之间的交界的第三层中的沟槽比经由第二层覆盖麦克风层和/或加速度计层的第三层中的沟槽更宽。这意味着通过包括多个沟槽的第三层覆盖优选地形成麦克风隔膜的麦克风层，并且意味着通过包括多个沟槽的第三层覆盖优选地形成加速度计隔膜的加速度计层，并且其中优选地在相对地覆盖麦克风层和加速度计层之间的交界的区域中去除第三层。根据本发明的另一个优选实施例，所述晶片中位于加速度计层背部一侧下面的至少两个晶片沟槽形成了加速度计晶片块，所述加速度计晶片块由加速度计层背部一侧下面的晶片的一侧上的最外面沟槽和加速度计层背部一侧下面的晶片的另一侧上的最外面沟槽来限定。根据本发明的另一个优选实施例，麦克风层的质量与麦克风层的柔度的乘积等于加速度计层和加速度计晶片块的质量与加速度计层的柔度的乘积。换句话说，优选地，将麦克风层和包括加速度计晶片块的加速度计层设计为使得它们提供对于机械振动的相等幅度的同相响应。这进一步意味着优选地，由于额外的加速度计晶片块，形成加速度计的加速度计层对于加速度更加敏感，而对于声压波不太敏感。应该注意的是将柔度定义为隔膜刚度(stiffness)的倒数，即分别是麦克风层刚度的倒数或者加速度计层刚度的倒数。根据本发明的另一个优选实施例，第一层是绝缘体上硅(SOI)晶片的器件层。如现有技术中已知的，优选地SOI晶片包括通常称作器件层的顶部硅层、中间绝缘(氧化)层和典型地比顶部硅层厚得多的(约650微米)底部硅层。可选地，可以将第一硅层配置为娃晶片。本发明的目的还通过一种设备来实现，所述设备包括具有第一层的晶片，其中将第一层分为麦克风层和加速度计层，并且其中 去除麦克风层的背部一侧下面的晶片的一部分，在加速度计层的背部一侧下面的晶片中形成至少两个晶片沟槽，用连续的第二层覆盖麦克风层的前侧和加速度计层的前侧，用第三层覆盖连续的第二层，在第三层中形成多个沟槽，以及通过在第三层中形成的多个沟槽去除第二层的一部分。这相对于现有技术的优点在于根据本发明的设备允许本体噪声消除，以便最小化结构自生声音。换句话说，根据本发明的这种设备包括麦克风，通过形成隔膜的麦克风层和形成背板的具有沟槽的第二层来提供麦克风；以及加速度计，通过形成加速度计隔膜的加速度计层和形成背板的具有沟槽的连续的第二层来提供加速度计。优选的是将第一层设置为硅层，将第二层设置为氧化层，并且将第三层设置为多晶硅层。根据本发明的另一个优选实施例，所述设备的麦克风层适用于产生第一电信号， 其中所述第一电信号与施加于麦克风层和/或加速度计层的压力成正比，并且其中所述加速度计层适用于产生第二电信号，其中所述第二电信号与施加于麦克风层和/或加速度计层的压力成正比。优选地，由于在形成第一电容器的麦克风层和具有沟槽的第三层之间的空气隙的调制，产生第一电信号，以及由于加速度计层和形成第二导体的具有沟槽的第三层之间的空气隙的调制，产生第二电信号。根据本发明的另一个优选实施例，所述设备包括减法模块，所述减法模块适用于从第一信号中减去第二信号。因为从第一电信号中减去了第二电信号而获得有益效果，其中由麦克风层形成的第二导体所产生的第二电信号表示由于不希望的机械振动导致的结构自生声音；第一电信号由麦克风层的第一导体产生，，从而获得了没有或几乎没有结构自生声音的声信号。根据本发明的另一个优选实施例，经由第二层覆盖麦克风层和加速度计层之间的交界的第三层中的沟槽比经由第二层覆盖麦克风层和/或加速度计层的第三层中的沟槽更宽。进一步优选地并且根据本发明的另一个优选实施例，加速度计层的背部一侧下面的晶片中的至少两个晶片沟槽形成了加速度计晶片块，所述加速度计晶片块由加速度计层的背部一侧下面的晶片的一侧上的最外面沟槽和加速度计层的背部一侧下面的晶片的另一侧上的最外面沟槽来限定。根据本发明的另一个优选实施例，麦克风层的质量和麦克风层的柔度的乘积等于加速度计层和加速度计晶片块的质量与加速度计层的柔度的乘积。进一步优选地，所述第一层是SOI晶片的器件层。本发明的目的还通过使用根据本发明的微机械麦克风和加速度计的方法来实现， 用于检测麦克风层和相对地覆盖麦克风层的第三层之间的第一电信号，其中第一电信号与施加于麦克风层和/或加速度计层的压力成正比，检测加速度计层和相对地覆盖加速度计层的第三层之间的第二电信号，其中第二电信号与施加于麦克风层和/或加速度计层的压力成正比，以及从第一电信号中减去第二电信号。因为信号相减消除了由于声信号中不需要的机械振动导致的结构自生声音，这相对于现有技术是有利的。本发明也包括具有微机械麦克风和加速度计的设备的使用方法检测施加到电话的至少一个晃动；执行包括以下任一个内容的动作，包括使电话静音、抑制电话铃声、只抑制声音、 将电话设置为静音模式、自动应答呼叫。根据下文所述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得清楚明白，并且参考下文所述的实施例进行解释。
在附图中图Ia-Ig示出了 根据本发明的优选实施例形成微机械麦克风的典型工艺。
具体实施例方式在优选实施例的以下详细描述中，将参考形成实施例一部分的附图，在附图中作为说明示出了可以实践本发明的特定实施例。所述附图只是示意性的而不是限制性的。在附图中为了说明的目的，对一些元件的尺寸进行了夸大，并且没有按比例绘制。本领域普通技术人员应该认识到在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构变化。另外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分类似的元件，而不是为了描述次序顺序或时间顺序。应该理解的是所使用的术语在适当的情况下是可以互换的，并且这里所述的本发明实施例能够按照除了这里所述和所示的其他顺序而操作。此外，在说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上面、下面等用于描述性目的，而不一定是为了描述相对位置。应该理解的是所使用的术语在适当的环境下是可互换的，并且这里所述的本发明实施例能够按照除了这里所述和所示之外的其他朝向来操作。应该注意的是，权利要求中使用的术语“包括”不应该解释为局限于随后所列举的装置，其并没有排除其他元件和步骤。因此，表达方式“设备包括装置A和B”的范围不应该局限于只由部件A和B组成的设备。其意味着相对于本发明，设备的相关部件是A和B。根据本发明的优选实施例，可以在与电容性MEMS麦克风所要求的相同工艺流程中制造一维加速度计。所述一维加速度计定位为靠近电容性MEMS麦克风，而不会改变MEMS 麦克风管芯的物理尺寸。这样，对可能影响灵敏度的临界参数(例如层应力)的局部工艺变动进行优化，并且不需要额外的掩模来实现所伴随的一维加速度计。因为根据本发明的针对测量声压进行了优化的电容性MEMS麦克风也对于加速度具有灵敏度，所以增加了在隔膜上具有附加质量的较小的第二 “麦克风”。这种次级“麦克风”对于加速度更加敏感，而对于声音不太敏感。因此，将这种次级“麦克风”称作一维加速度计。通过使得质量柔度乘积对于加速度计和麦克风均相等来获得最优的频率和灵敏度匹配。下表总结了两种器件的性质。灵敏度是针对谐振频率以下的频率的灵敏度。
权利要求
1.一种利用具有第一层O)的晶片(1)制造微机械麦克风和加速度计的方法，所述方法包括步骤将所述第一层( 分为麦克风层( 和加速度计层(6)， 用连续的第二层(7)覆盖麦克风层(5)的前侧和加速度计层(6)的前侧， 用第三层(8)覆盖第二层(7)， 在第三层(8)中形成多个沟槽(9)，去除麦克风层(5)背部一侧下面的晶片(1)的一部分(10)，在加速度计层(6)背部一侧下面的晶片(1)中形成至少两个晶片沟槽(11)，以及通过在第三层(8)中形成的多个沟槽去除第二层(7)的一部分(12，13)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中经由第二层(7)覆盖麦克风层( 和加速度计层 (6)之间的交界的第三层(8)中的沟槽(9)比经由第二层(7)覆盖麦克风层(5)和/或加速度计层(6)的第三层(8)中的沟槽(9)更宽。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中加速度计层(6)背部一侧下面的至少两个晶片沟槽(11)形成了加速度计晶片块，所述加速度计晶片块由加速度计层(6)背部一侧下面的晶片(1)在一侧上的最外面沟槽(11)和加速度计层(6)背部一侧下面的晶片(1)在另一侧上的最外面沟槽(11)来限定。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中麦克风层(5)的质量与麦克风层(5) 的柔度的乘积等于加速度计层(6)和加速度计晶片块的质量与加速度计层(6)的柔度的乘积。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述第一层( 是SOI晶片(1)的器件层。
6.一种设备，包括具有第一层O)的晶片(1)，其中将第一层(2)分为麦克风层(5)和加速度计层(6)，并且其中去除麦克风层(5)的背部一侧下面的晶片(1)的一部分(10)，在加速度计层(6) 的背部一侧下面的晶片(1)中形成至少两个晶片沟槽(11)，用连续的第二层(7)覆盖麦克风层(5)的前侧和加速度计层(6)的前侧， 其中用第三层(8)覆盖第二层(7)，其中在第三层(8)中形成多个沟槽(9)，以及通过在第三层(8)中形成的多个沟槽(9) 去除第二层(7)的一部分(12，13)。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述麦克风层(5)适用于产生第一电信号，其中所述第一电信号与施加于麦克风层(5)和/或加速度计层(6)的压力成正比，并且其中所述加速度计层(6)适用于产生第二电信号，其中所述第二电信号与施加于麦克风层(5)和 /或加速度计层(6)的压力成正比。
8.根据权利要求7所述的设备，包括减法模块，所述减法模块适用于从第一电信号中减去第二电信号。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的设备，其中经由第二层(7)覆盖麦克风层(5) 和加速度计层(6)之间的交界的第三层(8)中的沟槽(9)比经由第二层(7)覆盖麦克风层 (5)和/或加速度计层(6)的第三层(8)中的沟槽(9)更宽。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的设备，其中加速度计层(6)的背部一侧下面的晶片(1)中的至少两个晶片沟槽(11)形成了加速度计晶片块，所述加速度计晶片块由加速度计层(6)的背部一侧下面的晶片(1)在一侧上的最外面沟槽(11)和加速度计层(6)的背部一侧下面的晶片(1)在另一侧上的最外面沟槽(11)来限定。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的设备，其中麦克风层(5)的质量和麦克风层 (5)的柔度的乘积等于加速度计层(6)和加速度计晶片块的质量与加速度计层(6)的柔度的乘积。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的设备，其中所述第一层( 是SOI晶片(1) 的器件层。
13.根据权利要求6至12中任一项所述的设备，其中将所述设备用于电话。
14.一种根据权利要求6至13中任一项所述的具有微机械麦克风和加速度计的设备的使用方法，用于检测麦克风层( 和相对地覆盖麦克风层(5)的第三层(8)之间的第一电信号，其中第一电信号与施加于麦克风层(5)和/或加速度计层(6)的压力成正比，检测加速度计层(6)和相对地覆盖加速度计层(6)的第三层(8)之间的第二电信号， 其中第二电信号与施加于麦克风层(5)和/或加速度计层(6)的压力成正比，以及从第一电信号中减去第二电信号。
15.一种包括根据权利要求13所述的具有微机械麦克风和加速度计的设备的使用方法，用于检测施加到电话的至少一个晃动；以及执行包括以下任一个的动作使电话静音、抑制电话铃声、只抑制声音、将电话设置为静音模式、自动应答呼叫。
全文摘要
本发明涉及一种利用具有第一层(2)的晶片(1)制造微机械麦克风和加速度计的方法，所述方法包括步骤将所述第一层(2)分为麦克风层(5)和加速度计层(6)，用连续的第二层(7)覆盖麦克风层(5)的前侧和加速度计层(6)的前侧，用第三层(8)覆盖第二层(7)，在第三层(8)中形成多个沟槽(9)，去除麦克风层(5)背部一侧下面的晶片(1)的一部分(10)，在加速度计层(6)背部一侧下面的晶片(1)中形成至少两个晶片沟槽(11)，以及通过在第三层(8)中形成的多个沟槽去除第二层(7)的一部分(12)、(13)。根据本发明的微机械麦克风和加速度计的相对于现有技术的优势在于其允许消除结构自生噪声以便最小化结构本身的声音。
文档编号H04R3/00GK102349311SQ201080010998
公开日2012年2月8日 申请日期2010年2月3日 优先权日2009年3月9日
发明者海尔特·伦格瑞斯, 特温·范利庞, 马特吉·戈森斯 申请人:Nxp股份有限公司