一种MEMS麦克风芯片以及MEMS麦克风的制作方法

本实用新型涉及微机电技术领域，更具体地，涉及一种MEMS麦克风芯片，以及应用了该芯片的MEMS麦克风。

背景技术：

现有的MEMS麦克风主要以硅或多晶硅为结构材料，以形成振膜或背极。背极和振膜设置在共用衬底上，共用衬底具有背腔，背腔中具有支撑柱，通常支撑柱与侧壁连接在一起。连接部分将背腔隔离开，在生产过程中，麦克风中会进入一些灰尘，影响产品质量。为了清除灰尘，在组装过程，需要利用气枪清洁PCB板。

在吹气过程中，由于背腔被连接部分隔离，导致吹气的气流横向运动不畅，造成局部高压，局部高压会导致连接部分、背极或者振膜的损伤。造成麦克风失效，降低了良品率。

因此，需要提供一种方案以提高MEMS麦克风的抗吹气能力。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的是提供一种MEMS麦克风芯片的新技术方案。

根据本实用新型的第一方面，提供了一种MEMS麦克风芯片。该麦克风芯片包括衬底、背极和振膜，所述背极和所述振膜分别构成电容器的两个电极，所述背极和所述振膜被悬置在所述衬底的上方，所述背极位于所述衬底和所述振膜之间，所述衬底具有背腔和支撑柱，所述支撑柱通过连接部与所述背腔的侧壁连接在一起，所述连接部具有贯穿于厚度方向的通孔或者缺口以使位于所述连接部的两侧的空间相互连通，所述支撑柱被配置为用于支撑所述背极。

可选地，所述连接部的沿所述支撑柱的轴向的尺寸由所述侧壁向所述支撑柱逐渐减小。

可选地，所述连接部的沿所述支撑柱的轴向的尺寸由所述支撑柱向所述侧壁逐渐减小。

可选地，所述连接部具有缺口，所述缺口为扇形。

可选地，所述缺口位于所述连接部的靠近所述背极的一侧。

可选地，通过感应耦合式电浆蚀刻的扩孔效应在所述连接部上形成所述缺口或者所述通孔。

可选地，所述通孔或者所述缺口的形状为圆形、椭圆形、矩形或者三角形。

可选地，所述衬底为一体加工成型。

可选地，所述背极和所述振膜中的至少一种由多晶硅、单晶硅或者金属玻璃制作而成。

根据本实用新型的另一方面，提供一种MEMS麦克风。该麦克风包括封装结构和本实用新型提供的所述MEMS麦克风芯片，所述MEMS麦克风芯片被设置在所述封装结构中。

本实用新型的发明人发现，在现有技术中，衬底的支撑柱通过连接部与侧壁形成连接，背腔被连接部分隔离，导致吹气的气流横向运动不畅，导致MEMS麦克风芯片的损伤。因此，本实用新型所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本实用新型是一种新的技术方案。

本实用新型提供的MEMS麦克风芯片，背腔的支撑柱通过连接部与侧壁连接在一起，以对背极形成支撑。连接部具有贯穿于厚度方向的通孔或者缺口，以使位于连接部的两侧的空间相互连通，这种结构使得在吹气过程中，连接部不会对吹气的气流的横向运动形成阻挡，有效避免MEMS麦克风芯片受衬底的侧壁影响，导致麦克风特性衰减，大大提高了MEMS麦克风芯片的抗吹气能力。

此外，这种结构提高了MEMS麦克风芯片的良品率。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。

图1是本实用新型实施例的衬底的结构示意图。

图2-5是本实用新型实施例的MEMS麦克风芯片的制作方法的流程图。

图6是本实用新型实施例的第二种MEMS麦克风芯片的剖视图。

图7是本实用新型实施例的第三种MEMS麦克风芯片的剖视图。

图8是本实用新型实施例的第四种MEMS麦克风芯片的剖视图。

图中，11：衬底；12：背腔；13：支撑柱；14：连接部；15：侧壁；16：缺口；17：振膜；18：背极；19：牺牲层；20：焊盘；21：贯穿孔；22：保护层；23：振动间隙；24：通孔；25：刻蚀区域；26：通道。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了至少解决上述技术问题之一，本实用新型提供一种MEMS麦克风芯片。该芯片包括衬底11、背极18和振膜17。背极18和振膜17分别构成电容器的两个电极。可选的是，背极18和振膜17中的至少一种由多晶硅、单晶硅或者金属玻璃制作而成。上述几种材质具有导电性，便于形成电容，其中，金属玻璃具有弹性极限高的特点。弹性极限即材料在形变后回复初始状态的能力，弹性极限越大则发生较大的形变后能回复至初始状态。金属玻璃可以是但不局限于Pd、Cu、Zr、Al、Fe、Co、Ni、Mg、Zn、Ca、Yb或者Ce。金属玻璃的上述性质尤其适用于作为振膜17的材料。

振膜17和背极18之间具有振动间隙23，以供振膜17振动。背极18和振膜17被悬置在衬底11的上方。背极18位于衬底11和振膜17之间。优选的是，背极18具有沿厚度方向的贯穿孔21。在振膜17振动时，振动间隙23内的压力不稳定，与外界形成压力差，这种压力差易导致振膜17破损。为了解决该技术问题，在背极18上设置贯穿孔21以平衡振动间隙23内外的气压，防止振膜17破损。

衬底11具有背腔12和支撑柱13。支撑柱13通过连接部14与背腔12的侧壁15连接在一起。支撑柱13被配置为用于支撑背极18。连接部14具有贯穿于厚度方向的通孔24或者缺口16，以使位于连接部14的两侧的空间相互连通。

使用时，外界环境的声音从振膜17一侧传入，以使振膜17发生振动。振膜17发生变形，改变了振膜17与背极18之间的距离，最终将变化的电信号输出，实现了声音信号转换为电信号。

本实用新型提供的MEMS麦克风芯片，背腔12的支撑柱13通过连接部14与侧壁15连接在一起，以对背极18形成支撑。连接部14具有贯穿于厚度方向的通孔24或者缺口16，以使位于连接部14的两侧的空间相互连通，这种结构使得在吹气过程中，连接部14不会对吹气气流的横向运动形成阻挡，有效避免MEMS麦克风芯片受衬底11的侧壁15影响，导致麦克风特性衰减，大大提高了MEMS麦克风芯片的抗吹气能力。其中，吹气气流的横向运行即垂直于支撑柱13方向的运动。

此外，这种结构提高了MEMS麦克风芯片的良品率。

图5示出了本实用新型实施例的一种MEMS麦克风芯片。在该实施例中，振膜17由单晶硅或者多晶硅制作而成，衬底11由单晶硅制作而成。焊盘20采用导电材料，例如铜、铝、金或者银等金属，两个焊盘20分别与振膜17和衬底11导通。

图1示出了本实用新型实施例的一种衬底11。背腔12的中部具有支撑柱13，支撑柱13与侧壁15通过连接部14连接在一起，以形成支撑力。在该结构中，连接部14的沿支撑柱13的轴向的尺寸由侧壁15向支撑柱13逐渐减小，以形成缺口16。缺口16的尺寸可以根据实际需要进行设置，例如缺口16为扇形。扇形具有更大的通过面积有利于吹气气流的横向运动，并且扇形的缺口16具有更佳的流体力学特性，使得吹气的气流容易扩散。优选的是，缺口16位于连接部14的靠近背极18的一侧。进一步减小了连接部14以及侧壁15对气流造成影响,提高了MEMS麦克风芯片的抗吹气能力。当然，缺口16也可以设置为三角形，这种结构便于加工。

为了保证衬底11的结构强度，在一个例子中，衬底11为一体加工成型。优选的是，通过感应耦合式电浆蚀刻在连接部14上形成缺口16或者通孔24。该方法是利用感应耦合式电浆蚀刻机的扩孔效应。扩孔效应可将衬底11掏空，只保留连接部14的最底部与支撑柱13的结构，并且连接部14的靠近背极18的一侧形成缺口16。

需要指出的是，本实用新型利用扩孔效应来实现在连接部上形成缺口16或者通孔24，改变了人们对于扩孔效应的偏见。在现有的加工工艺中，由于扩孔效应有可能降低加工精度，因此人们通常希望降低这种效应。然而，本实用新型采用的方法正是利用了扩孔效应造成的立体空间上的刻蚀，实现了在连接部上形成缺口16或者通孔24，从而提高了MEMS麦克风芯片的抗吹气能力。

进一步地，连接部14的厚度小于等于支撑柱13的外径尺寸。这种设置方式进一步减小了连接部14对气流形成阻挡的面积，使得吹气气流对连接部14以及侧壁15的影响更小。连接部14的厚度越小则对吹气气流的影响越小，但结构强度越低，使得支撑柱13的支撑力减小；连接部14的厚度越大则对吹气气流的影响越大，而强度会越高。因此，在设置连接部14的厚度时要均衡考虑。

图2-5示出了该MEMS麦克风芯片的一种制作方法，该方法包括：

S1、在衬底11上依次沉积牺牲层19和背极18，并对背极18进行刻蚀，例如采用粒子束进行刻蚀，以形成贯穿孔21，参照图2。贯穿孔21除了能在使用时平衡气压，还可以在后续的腐蚀工序中使腐蚀剂进入背极18与振膜17之间，以腐蚀牺牲层19。

S2、在背极18上继续沉积牺牲层19，其中牺牲层19为二氧化硅或者铝，并对牺牲层19的局部进行刻蚀，以形成连通背极18的通道26，参照图2。在该步骤中，牺牲层19的厚度决定了振动间隙23的高度。

S3、在牺牲层19上依次沉积振膜17和焊盘20，参照图2。振膜17为单晶硅、多晶硅或者金属玻璃等导电材料。在沉积过程中S2中形成的通道26被沉积上导电材料，以便于焊盘20与背极18导通。另一个焊盘20直接沉积在振膜17的边缘位置。需要指出的是，需要将振膜17和用于导通焊盘20的导电材料进行分割开，避免形成短路。

S4、在衬底11的底部沉积保护层22，并预留出刻蚀区域25，保护层22可以对刻蚀区域25以外的区域形成保护，参照图4。

S5、采用感应耦合式电浆蚀刻形成背腔12、支撑柱13和带有缺口16的连接部14，参照图4。在该步骤中，采用非等向性硅深蚀刻方法，该方法的扩孔效应可以形成在立体空间上的刻蚀。利用非等向性蚀刻反应的第一种电浆源以及可反应形成高分子蔽覆层的第二种电浆源，二者反复地交替进行操作，以达到衬底11刻蚀的工艺要求。例如，第一种电浆源为腐蚀气体SF₆(六氟化硫)；第二种电浆源为保护层22气体C₄F₈(八氟环丁烷)。SF₆可以有效地进行刻蚀以形成背腔12以及缺口16或者通孔24，C₄F₈可以对支撑柱13和连接部14形成保护以避免被刻蚀掉。

S6、将位于背极18下方以及背极18与振膜17之间的牺牲层19的一部分腐蚀掉，以形成振动间隙23，参照图5。例如，采用含氟腐蚀剂，通过控制腐蚀剂的浓度和腐蚀时间将牺牲层19的一部分腐蚀掉。

本实用新型还提供MEMS麦克风芯片的其他实施方式。

在另一个例子中，如图6所示，连接部14的沿支撑柱13的轴向的尺寸由支撑柱13向侧壁15逐渐减小，以形成缺口16。缺口16的形状可以是扇形或者三角形。优选的是，缺口16位于连接部14的靠近背极18的一侧。这种结构同样能减小背极18和侧壁15对吹气气流的影响，提高MEMS麦克风芯片的抗吹气能力。

在另一个例子中，如图7所示，缺口16设置为矩形，这种结构同样能减小背极18和侧壁15对吹气气流的影响，提高MEMS麦克风芯片的抗吹气能力。还可以将缺口16设置为圆形、椭圆形或者三角形。只要能连通连接部14两侧的空间，避免气流在横向被切断即可。

在另一个例子中，如图8所示，缺口16设置为矩形，连接部14设置有通孔24。可选的是，通孔24为圆形、椭圆形、矩形或者三角形，这种结构同样能减小背极18和侧壁15对吹气气流的影响，提高MEMS麦克风芯片的抗吹气能力。

此外，本实用新型还提供一种MEMS麦克风。该麦克风包括封装结构和本实用新型提供的MEMS麦克风芯片，MEMS麦克风芯片被设置在所述封装结构中。可以是，该芯片的靠近振膜的一侧与封装结构的声音采集孔相对设置，也可以是该芯片的背腔与封装结构的声音采集孔相对设置。只要便于环境声音的采集即可，在此不做限定。

该麦克风具有通话效果好，使用寿命长的特点。

此外，本实用新型还提供一种电子设备。该设备可以是但不局限于手机、智能手表、平板电脑、笔记本电脑、虚拟现实设备、对讲机等。电子设备包括本实用新型提供的MEMS麦克风。

该电子设备具有通话效果好，使用寿命长的特点。

虽然已经通过例子对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。