本发明涉及复合传感器邻域，更具体地，涉及一种微机电麦克风及其制造方法。
背景技术：
微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。mems是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术mems器件是在微电子技术基础上发展起来的采用微加工工艺制作的电子机械器件，已经广泛地用作传感器和执行器，微机电麦克风就是其中的代表。
目前，传感器融合的趋势非常明显，但不同传感器之间的mems制程和封装制程差异较大，其专业性也存在一定互斥关系，因此多见当前的传统方案是多种传感器组装到一块电路板上以获得各自的物理量。现有技术中，将压力计的mems和专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuits，asic)芯片与微机电麦克风的mems和asic芯片封装到一个壳体中，使得从视觉上只看到一个产品，而该产品同时提供两种物理量信息，这样可以节省一些封装的成本。
但上述复合型的传感器只是单纯将两种独立的传感器封装在一起，其结构及布局面积往往大于两者的加和。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种微机电麦克风，该微机电麦克风在具有麦克风功能的基础上集成了其他物理量的传感功能，且结构紧凑，节省布局面积。本发明的另一个目的在于提供一种制造微机电麦克风的方法，依据该方法得到的微机电麦克风结构紧凑，节省布局面积，且在具有麦克风功能的基础上集成了其他物理量的传感功能。
根据本发明的一方面，提供一种微机电麦克风，包括：
背极板，所述背极板包括第一表面和第二表面；
振膜，所述振膜与所述背极板的所述第一表面相对并且相隔预定距离设置，使得可振动的所述振膜与所述背极板之间形成电场；
传感层，所述传感层贴附于所述背极板的所述第二表面，所述传感层的形变带动所述背极板发生形变。
优选地，所述传感层敏感的信号频率为0～20赫兹。
优选地，所述传感层材料为多孔硅或聚酰亚胺。
优选地，所述传感层为湿敏传感层。
优选地，所述背极板发生形变的范围为所述振膜与所述背极板之间相隔的所述预定距离的-12％～+12％。
优选地，所述微机电麦克风还包括：
衬底，所述衬底包括声腔，所述振膜位于所述衬底上并且通过所述声腔与外部连通以接收声音信号；
支撑层，所述支撑层设置在所述衬底与所述振膜之间以及所述振膜与所述背极板之间。
优选地，所述微机电麦克风还包括：
专用集成电路，所述专用集成电路与所述背极板以及所述振膜电连接。
优选地，所述专用集成电路包括：
金属-氧化物-半导体场效应晶体管(mos管)，所述专用集成电路通过检测所述mos管的温度特性输出与温度有关的电信号。
根据本发明的另一方面，提供一种制造微机电麦克风的方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成振膜；
在所述振膜上形成支撑层；
在所述支撑层上形成背极板，所述背极板与所述振膜相隔预定距离；
在所述背极板上形成传感层；
在所述衬底内形成声腔，所述声腔贯穿所述衬底相对的两个表面。
优选地，在所述衬底与所述振膜之间也形成支撑层。
优选地，所述传感层采用聚酰亚胺制成，所述形成传感层步骤在工艺温度超过300摄氏度的全部步骤之后。
优选地，所述形成声腔步骤和/或在所述形成声腔步骤之前的步骤中工艺温度超过300摄氏度，形成所述声腔后进行所述形成传感层步骤，在形成传感层步骤之后的步骤工艺温度低于300摄氏度。
优选地，所述形成声腔步骤采用感应耦合等离子体刻蚀工艺，形成所述声腔后进行所述形成传感层步骤，形成所述传感层后采用湿法刻蚀工艺图案化所述支撑层。
根据本发明的微机电麦克风，在具有麦克风功能的基础上集成了其他物理量的传感功能，且结构紧凑，节省布局面积。通过检测mos管温度特性输出与温度相关的电信号，使得微机电麦克风还可以输出温度物理量，从而使得该微机电麦克风更适用于消费电子、物联网、智能家居等终端产品在声学、温度、湿度等多种物理量都有要求的场合。
根据本发明的制造微机电麦克风的方法，其制造的微机电麦克风结构紧凑，节省布局面积，且在具有麦克风功能的基础上集成了其他物理量的传感功能。将形成传感层步骤设置在工艺温度超过300摄氏度的步骤后，使得该微机电麦克风中的传感层的物理量传感特性如温敏或湿敏特性不受后道制程的影响，保证所述微机电麦克风的正常工作。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据本发明具体实施例的微机电麦克风的立体图。
图2示出根据本发明具体实施例的微机电麦克风的立体分解图。
图3示出根据本发明具体实施例的微机电麦克风的俯视图。
图4示出根据本发明具体实施例的微机电麦克风的截面图。
图5a至图5d示出根据本发明具体实施例的微机电麦克风的制造方法的各个阶段的截面图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“a直接在b上面”或“a在b上面并与之邻接”的表述方式。在本申请中，“a直接位于b中”表示a位于b中，并且a与b直接邻接。
本发明提供一种微机电麦克风，该微机电麦克风包括：背极板、振膜、以及传感层，其中，所述背极板包括第一表面和第二表面，所述振膜与所述背极板的所述第一表面相对并且相隔预定距离设置，使得可振动的所述振膜与所述背极板之间形成电场，所述传感层贴附于所述背极板的所述第二表面，所述传感层的形变带动所述背极板发生形变。本发明提供的微机电麦克风在具有麦克风功能的基础上集成了其他物理量的传感功能，且结构紧凑，节省布局面积。
下面结合附图1至图4具体说明本发明的微机电麦克风的实施例，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
图1至图4分别示出根据本发明具体实施例的微机电麦克风的立体图、立体分解图、俯视图以及截面图，其中图3中的线a-a′示出截面图的截取位置。该微机电麦克风包括背极板140，所述背极板140包括第一表面和第二表面；振膜130，所述振膜130与所述背极板140的所述第一表面相对并且相隔预定距离设置，使得可振动的所述振膜130与所述背极板140之间形成电场；以及传感层150，所述传感层150贴附于所述背极板140的所述第二表面，所述传感层150的形变带动所述背极板140发生形变。
进一步地，本实施例的微机电麦克风还包括：衬底110，所述衬底110包括声腔111，所述振膜130位于所述衬底110的上方，所述振膜130通过所述声腔111与外部连通以接收声音信号；支撑层120，所述支撑层120设置在所述衬底110与所述振膜130之间以及所述振膜130与所述背极板140之间。
背极板140由导电材料(例如掺杂的多晶硅、金属或合金)组成，振膜层130由导电材料(例如掺杂的多晶硅、金属或合金)组成，衬底110例如为体硅衬底、绝缘体上硅(soi)衬底等，所述衬底110、所述振膜层130、所述背极板140均包括相对的第一表面和第二表面，支撑层120的材料例如为氧化硅或氮化硅。于本实施例中，所述衬底110为圆环形，其内部设有连通衬底110第一表面和第二表面的声腔111，所述振膜130设置在所述衬底110的第一表面的上方，并且二者之间设置有所述支撑层120，所述振膜130的第二表面暴露于声腔111中，外界声音信号通过所述声腔111到达所述振膜130第二表面使得所述振膜130发生振动。所述背极板140设置在所述振膜130的上方，并且二者之间通过设置所述支撑层120而隔开预定距离，所述振膜120与所述背极板140都为圆形，上述支撑层120为对应于所述振膜120、所述背极板140外圆周边缘的圆环形，所述背极板140的第二表面与所述振膜130的第一表面相对，并且二者之间形成电场，所述振膜130振动时，所述电场也发生相应变化，从而使声学信号通过电容信号得以反映出来。
传感层150可以对各种物理量敏感的敏感材料制成，如温敏材料、湿敏材料、压敏材料等。本实施例中的传感层150贴附在所述背极板140的第一表面上，可以是圆形，并且其大小可以略小于所述背极板140的大小，例如其外圆周边缘对应于所述环形支撑层120的内圆周边缘，所述传感层150检测到对应的敏感物理量的变化时会发生形变，即胀缩，该变化会带动所述背极板140同时发生形变，反映为所述背极板140与所述振膜120之间距离的变化，从而使所述背极板140与所述振膜120之间电场的电容发生变化，使得所述敏感物理量的变化反映为电容信号而被示出。
当然可以理解的是，所述振膜130、所述背极板140、所述传感层150的形状不限于上述实施例中的圆形，也可以根据实际需要制成其他形状，例如方形，对应地，所述衬底110、所述支撑层120也可以是方环形。
显然，由于声学信号的频率范围为20～20000赫兹(hz)，不适合把频率范围有重叠的运动传感器如加速度计、陀螺仪等与所述微机电麦克风集成在一起，以避免无法区分电容信号是表征运动量还是声学量的困难，而对于压力、湿度、温度等物理量的测量，会更加适合集成。因此优选地，所述传感层150敏感的信号频率为0～20hz，以避免反映传感层检测物理量变化的电容(下称为敏感电容)信号与反映声学信号的电容(下称为声学电容)信号之间的混淆，将频率为0～20hz的电容信号作为湿度信号的输出，将20～20000hz的电容信号作为声音信号的输出。
传感层150的材料可以是多孔硅或聚酰亚胺，所述传感层150可以是湿敏传感层，使得所述微机电麦克风既保留麦克风的功能、又具有检测湿度的功能。优选地，所述背极板发生形变的范围为所述振膜与所述背极板之间相隔的所述预定距离的-12％～+12％。通常情况下，要求微机电麦克风的灵敏度精度控制为±1分贝(db)，而微机电麦克风的灵敏度是通过检测声学电容变化在所述振膜130与所述背极板140之间的总电容值中的比例来体现，本文中，定义所述振膜130与所述背极板140之间的总电容值为c0，所述声学电容的变化为δc，则灵敏度即通过δc/c0体现，设定所述振膜130与所述背极板140之间总距离为d0，在声音信号作用下振膜130的位移的幅值为δd，在δd较小时，会有δc/c0≈δd/d0，所述传感层150带动所述背极板140发生形变时以及在声音信号作用下背极板140的形变会改变上述d0，同时δd不会有明显变化，此时所述微机电麦克风灵敏度会受d0的影响。由于1db的精度对应于所述振膜130与所述背极板140之间总距离d0的12％，需要保证所述背极板发生形变的范围为所述振膜与所述背极板之间相隔的所述预定距离的-12％～+12％。当然，可以理解的是，根据实际对所述微机电麦克风精度要求的不同，上述背极板发生形变的范围占所述振膜与所述背极板之间相隔的所述预定距离的百分数可以作相应的调整，使得新集成的敏感物理量的检测对所述微机电麦克风的精度和性能控制在允许的范围内，减少所述敏感电容信号与所述声学电容信号之间的相互影响。
进一步地，本实施例的微机电麦克风还包括专用集成电路(asic，图中未示出)，所述asic与所述背极板140以及所述振膜130电连接，使得所述背极板140以及所述振膜130的电学信号通过所述asic得以输出。再进一步地，所述asic又包括金属(metal)-氧化物(oxide)-半导体(semiconductor)场效应晶体管(简称mos管)，所述微机电麦克风可以直接通过检测所述mos管的温度特性从而输出与温度有关的电信号，使得所述微机电麦克风还可以同时检测温度这种敏感物理量，集成了温度、湿度传感功能的所述微机电麦克风基本不增加产品的成本、体积、功耗，更适用于消费电子、物联网、智能家居等终端产品在声学、温度、湿度等多种物理量都有要求的场合。
本发明还提供一种制造微机电麦克风的方法，该方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成振膜；
在所述振膜上形成支撑层；
在所述支撑层上形成背极板，所述背极板与所述振膜相隔预定距离；
在所述背极板上形成传感层，所述传感层的形变带动所述背极板发生形变；
在所述衬底内形成声腔，所述声腔贯穿所述衬底相对的两个表面。
根据该方法，其制造的微机电麦克风结构紧凑，节省布局面积，且在具有麦克风功能的基础上集成了其他物理量的传感功能。
下面以上述具体实施例中的微机电麦克风的制作来说明本发明的制造微机电麦克风的方法，图5a至图5d示出根据本发明具体实施例的微机电麦克风的制造方法的各个阶段的截面图,图3中的线a-a′示出各截面图的截取位置。
如图5a，提供衬底110，在所述衬底110上形成振膜130，优选地，在所述衬底110与所述振膜130之间形成支撑层120，使得所述振膜130的边缘部分得到所述支撑层120的支撑。
接着，如图5b，在所述振膜130上再形成支撑层120，图案化该支撑层120，并且在该支撑层120上形成背极板140，使得所述振膜130与所述背极板140通过所述支撑层120相隔预定距离。
接着，如图5c，在所述衬底110内形成声腔111，所述声腔111贯穿所述衬底110相对的两个表面，使得所述振膜130可以通过所述声腔111接收外界的声音信号。形成声腔111的工艺可以是干法刻蚀工艺，本实施例中，采用感应耦合等离子体(inductivelycoupledplasma,icp)刻蚀工艺，采用该工艺形成所述声腔111过程中，其温度通常会超过300摄氏度。当然可以理解的是，上述形成声腔111的步骤也可以采用其他本领域公知的方法。
接着，如图5d，在所述背极板140上形成传感层150，所述传感层150贴附在所述背极板140上，从而，其形变可以带动所述背极板140发生形变。上述实施例中微机电麦克风的传感层150采用聚酰亚胺制成，根据现有的微机电麦克风制程，形成所述声腔111的步骤可以在任何时候进行，但本实施例中，聚酰亚胺制成的传感层150使用温度为-200～300摄氏度，为保证形成所述传感层150之后的制程不影响其敏感特性，需要将形成传感层150的步骤设置在温度会超过300摄氏度的全部步骤之后，因此本实施例中，在形成所述声腔111后再进行形成所述传感层150的步骤，形成所述传感层150后，可以进行工艺温度低于300摄氏度的其他步骤，本实施例在形成所述传感层150后采用湿法刻蚀工艺图案化所述支撑层120，释放所述振膜130以及所述背极板140的中心部分。应当说明的是，所述振膜层130上可以设有开孔(图中未示出)，以方便对所述支撑层120的图案化。最后，将上述微机电麦克风中的所述振膜130、所述背极板140与对应的asic电连接，完成所述微机电麦克风的制作。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。