微机电系统管芯的制作方法

1.本实用新型涉及具有成形电极的电容式麦克风，更具体地，涉及微机电系统管芯。


背景技术：

2.麦克风部署在各种类型的设备(例如，个人计算机、蜂窝电话、移动设备、头戴式耳机、耳机和助听器设备)中。然而，随着这些设备变得越来越小，麦克风的最大允许空间也变得越来越小。与较大的麦克风相比，较小的麦克风会经历因设备内的气流和热损失而导致的较高的声噪声并且通常具有较低的信噪比。


技术实现要素：

3.本实用新型的一方面涉及一种微机电系统管芯，所述微机电系统管芯包括：基板；背板，所述背板联接至所述基板，所述背板包括：介电层；以及电极，所述电极联接至所述介电层，所述电极限定了开口，所述开口暴露所述介电层的中心部分；以及振膜，所述振膜平行于所述背板取向并且与所述背板间隔开。
4.本实用新型的另一方面涉及一种微机电系统管芯，所述微机电系统管芯包括：基板；背板，所述背板联接至所述基板；以及振膜，所述振膜平行于所述背板取向并且与所述背板间隔开，所述振膜包括：介电层；以及电极，所述电极联接至所述介电层，所述电极限定了开口，所述开口暴露所述介电层的中心部分。
5.本实用新型的另一方面涉及一种微机电系统管芯，所述微机电系统管芯包括：基板；背板，所述背板联接至所述基板；所述背板包括：介电层；以及电极，所述电极联接至所述介电层，所述电极限定了开口，所述开口暴露所述介电层的环形部分，其中，所述电极的外周界在径向方向上与所述基板间隔开；以及振膜，所述振膜平行于所述背板取向并且与所述背板间隔开。
6.本实用新型的又一方面涉及一种微机电系统管芯，所述微机电系统管芯包括：基板；背板，所述背板联接至所述基板；以及振膜，所述振膜平行于所述背板取向并且与所述背板间隔开，所述振膜包括：介电层；以及电极，所述电极联接至所述介电层，所述电极限定了开口，所述开口暴露所述介电层的环形部分，其中，所述电极的外周界在径向方向上与所述基板间隔开。
附图说明
7.结合附图，根据以下描述和所附权利要求，本公开的前述特征和其它特征将变得更加完全显而易见。这些附图仅描绘了根据本公开的多个实施方式，因此不应视为对本公开的范围的限制。下面结合附图更详细地描述各种实施方式。
8.图1是示例微机电系统(mems)管芯的局部分解视图。
9.图2是示例经修改的mems管芯的局部分解视图。
10.图3是图2的经修改的mems管芯的侧截面视图。
11.图4是示出了针对各种示例mems管芯的振膜偏转量作为距振膜中心线的距离的函数的曲线图。
12.图5是比较图4的示例mems管芯之间的性能差异的表。
13.图6是另一示例经修改的mems管芯的截面视图。
14.图7是图6的经修改的mems管芯的一部分的再现。
15.图8是示出了针对各种示例mems管芯的振膜偏转量作为距振膜中心线的距离的函数的曲线图。
16.图9是示例麦克风组件的截面视图。
17.在以下详细描述中，参照附图描述了各种实施方式。技术人员将理解，为了清楚起见，附图是示意性的并且被简化，因此附图仅示出了对于理解本公开而言必不可少的细节，而省略了其它细节。贯穿全文，相似的附图标记指代相似的元件或部件。因此，不必关于各个附图详细描述相似的元件或部件。
具体实施方式
18.电容式麦克风组件包括固定背板和可移动振膜，该可移动振膜响应于声能(例如，压力波动)而相对于背板移动。背板和振膜各自包括电极，该电极用于将声能转换成可以由麦克风组件解释的电信号。麦克风组件的性能部分地基于电极的大小以及电极与振膜和/或背板之间的对准来确定。voorthuyzen等人(以下称为“voorthuyzen”)的“optimization of capacitive microphone and pressure sensor performance by capacitor
‑
electrode shaping,”sensors and actuators a,331
‑
336,1991(其通过引用并入本文)提供了有关背板和/或振膜电极设计的参考。具体地，voorthuyzen描述了电极的大小和定位如何影响麦克风性能。voorthuyzen指出：“为获得最大灵敏度，电极应位于振膜的中心，该电极的半径取决于放大器输入电容的值。”概括地说，voorthuyzen教导了如下期望：(i)将电极的直径减小到小于振膜的直径的值；以及(ii)将电极定位在振膜的中心区域上，振膜的经历最大偏转量的区域中，以优化麦克风组件的灵敏度和snr。
19.总体上，本文公开了用于进一步改进电容式麦克风组件的信噪比(snr)的系统和方法。具体地，本文公开了通过选择性地将电极仅定位在背板和/或振膜的某些部分上来改进snr的系统和方法。与诸如在voorthuyzen中的传统观点(该传统观点教导将电极定位在振膜经历最大偏转量的位置(例如，振膜的中心、距支撑振膜的位置最远的位置等)附近)相反，本文公开的系统和方法涉及将电极远离最大振膜偏转区域定位。这种定位电极的新方法减少了振膜所经历的最大偏转量，而不会显著影响麦克风组件的灵敏度。将参照图1至图8更全面地解释上面提供的总体描述的细节。
20.如图1至图2所示，一个实现方式涉及用于麦克风组件的mems管芯。在一个实施方式中，mems管芯是电容性声换能器，其被构造成响应于入射在换能器上的声扰动而生成电信号。具体地，图1至图2示出了本公开的mems管芯100(图2)的几何形状如何与其它mems管芯结构(例如，如图1所示的具有电极10的mems管芯5)不同。如图2所示，本公开的mems管芯100包括基板102、背板104和可移动振膜106。基板102包括具有第一端(例如，如图2所示的上端)以及与第一端相反的第二端(例如，下端)的支撑壁108。支撑壁108限定了穿过该支撑壁108居中设置的圆柱孔114，该圆柱孔相对于支撑壁108的中心轴线116在第一端与第二端
之间以大致平行的取向延伸。孔114被配置成将声能携带(例如，传输等)至mems管芯100的其它部分(诸如振膜106)。
21.基板102联接至并支撑背板104和振膜106。在图2的实施方式中，振膜106在支撑壁108的外围(例如，外周界等)处直接沉积在支撑壁108的第一端上。背板104通过支撑层126联接至振膜106的上侧124并且通过支撑层126与振膜106间隔开。在另一实施方式中，背板104在支撑壁108的外周界处直接联接至支撑壁108，或者以其它方式悬挂在振膜106附近。
22.如图2所示，背板104限定了多个穿孔118(例如，小的圆形开口)，该多个穿孔在垂直于背板104的方向上(例如，在大致平行于支撑壁108的中心轴线116的方向上)延伸穿过背板104。穿孔118中的每一个穿孔被配置成允许空气从背板104的第一侧(例如，如图2所示的上侧)穿过背板104到达背板104的面向振膜106的第二侧(例如，下侧)。
23.如图2所示，振膜106平行于背板104取向并且相对于背板104偏移(例如，间隔开等)。振膜106在孔114上延伸，使得振膜106覆盖孔114。在图2的实施方式中，背板104通过振膜106与孔114分开。在另一实施方式中，振膜106和背板104的位置可以颠倒(例如，背板104可以联接至支撑壁108的第一端，并且将振膜106与孔114分开等)。
24.如图2所示，背板104包括绝缘层和导电层，该绝缘层示出为介电层120，该导电层示出为电极122，该电极沉积在介电层120上或以其它方式连接至介电层120。振膜106还包括导电层(例如，第二电极)。在一个实现方式中，如图2所示，振膜106完全由导电层制成。在其它实施方式中，类似于背板104，振膜106可以包括绝缘层和导电层两者。在又一实施方式中，振膜106可以包括导电层和绝缘层两者，并且背板104可以完全由导电层形成。如图2所示，导电层可以面向彼此，导电层之间不具有任何材料。在另一实施方式中，导电层可以通过振膜106和/或背板104的绝缘层彼此分开。例如，电极122可以设置在背板104的与振膜106相反的一侧上(例如，背板104的如图2所示的上侧)。背板104和振膜106的绝缘层可以由氮化硅或另一合适的绝缘材料制成。背板104和/或振膜106上的导电层可以由多晶硅、金属或另一合适的导体制成。
25.如图2所示，电极122是沉积在背板104上或以其它方式连接至背板104的圆柱盘。在其它实施方式中，电极122可以至少部分地嵌入背板104中。电极122包括穿孔123(例如，小的圆形开口)，该穿孔在大致平行于中心轴线116的方向上延伸穿过电极122。如图2所示，延伸穿过电极122的穿孔123与延伸穿过背板104的穿孔118对准。这样，电极122中的穿孔123的图案以及电极122中的穿孔123之间的间隔与背板104中的穿孔118相同。
26.入射在振膜106上的声能(例如，声波、声扰动等)使振膜106朝向或远离背板104移动。这导致电极122与振膜106(例如，第二电极)之间的距离发生变化。电极之间距离的这种变化导致电容的对应变化。如将进一步描述的，可以生成表示电容的这种变化的电信号并将该电信号传输至麦克风组件的其它部分(诸如集成电路)以进行处理。
27.与电极(例如，电极10)完全覆盖背板和振膜的中心部分的其它mems管芯结构(例如，图1的mems管芯5)不同，图2的mems管芯100的电极122远离背板104的中心部分128定位。具体地，电极122限定了开口130，该开口暴露(例如，未覆盖、未遮盖等)介电层120的中心部分128。在图2的实施方式中，开口130是大体上圆形的洞，该洞延伸穿过电极122的中心。开口130与支撑壁108的中心轴线116对准，与孔114同轴地布置。在其它实施方式中，开口130的形状可以不同。例如，开口130可以是矩形、椭圆形或任何其它合适形状。
28.如图2所示，mems管芯100的电极122通常是环形(例如，圆环形、环状等)的。如图3所示，电极122的外周界132在径向方向上与支撑层126(例如，基板)间隔开。换句话说，电极122的外周界132与背板104联接至支撑层126的位置间隔开。如图3所示，开口130的直径134大于穿孔123的直径136。在一个实现方式中，开口130的直径134大于或等于电极122的直径138的1/10(例如，至少是电极122的直径138的1/6、直径138的1/5、直径138的1/4或更大)。
29.现在参照图4至图5，示出了与根据图1至图2的示例实施方式的不同mems管芯相关联的性能折衷。具体地，图4示出了针对不同mems管芯结构的振膜偏转(例如，轴向方向上的振膜位移)作为沿着振膜的径向位置的函数。例如，实线202对应于图1的mems管芯5的预期振膜偏转。如图4所示，振膜与背板上的电极之间的静电力使得振膜近似抛物线形偏转。图4中的虚线对应于图2的经修改的mems管芯100的预期振膜偏转。其中，不同线表示开口130的直径134的不同值。如图4所示，将开口130结合到电极122中减小了振膜106经历的最大偏转量。减小振膜106的偏转增大了背板104与振膜106之间的间隙的大小，这有利地减小了挤压膜阻尼并增大了整体snr。
30.图5示出了表300，该表比较了不同mems管芯结构并且更具体是具有不同电极开口直径134的mems管芯的预期性能。如图所示，与图1的mems管芯5(情况1)相比，图2的经修改的mems管芯100(情况2至情况6)提供了多个性能改进。例如，比较情况1和情况5，经修改的mems管芯100提供了(i)声灵敏度的增大；(ii)较低的最大偏转(即，较低的挤压膜阻尼和噪声)；以及(iii)在塌陷之前可以施加在振膜106与背板104之间的偏置电压的裕度的增大(与mems管芯5相比)。出于比较的目的，在图4中用虚线204指示情况5中的经修改的mems管芯100的振膜的偏转。
31.图5的表300提供的电极开口大小的范围不应被认为是限制性的。在不脱离本文公开的实用新型构思的情况下，许多另选例和组合是可能的。例如，将理解，开口130的直径134可以被调节以在不同应用中实现不同性能特征。另外，也可以根据振膜106的支撑方式来调节开口130的位置和/或电极122的形状。
32.如图6所示，另一实现方式涉及一种用于麦克风组件的mems管芯400，该mems管芯具有在沿着振膜406的表面的多个位置处被支撑的振膜406。具体地，振膜406被支撑在振膜406的外周界440附近并且还被支撑在孔414上的中心位置441处。除了图6的振膜406的不同支撑/边界条件之外，mems管芯400可以类似于图2的经修改的mems管芯100。为方便起见，将使用相似的编号来标识相似的部件。如图6所示，mems管芯400包括多个接线柱(post)442，该多个接线柱以关于背板404的垂直取向从背板404向下朝向振膜406延伸，使得接线柱442接触振膜406的上侧424。接线柱442限制振膜406在振膜406的外围处的移动。在另一实施方式中，可以包括附加和/或更少的接线柱442。在又一实施方式中，振膜406的外围可以在至少一个位置中直接联接至基板402(例如，支撑壁408)。在又一实施方式中，mems管芯400可以采用另一类型的支撑结构来将振膜406悬挂在孔414与背板404之间。
33.如图6至图7所示，mems管芯400还包括在中心位置441处连接背板404和振膜406的中心支柱444。中心支柱444在大致平行于基板402的中心轴线416的方向上在背板404与振膜406之间延伸。在图6的实施方式中，支柱444与背板404一体形成为单个整体。在另一实施方式中，支柱444仅与振膜406一体地形成。在又一实施方式中，背板404、振膜406和支柱444中的每一者彼此分开地形成。如图6所示，接线柱442和支柱444可以一起形成振膜406的中
心位置441和外周界440两者处的夹紧边界条件。由接线柱442和支柱444施加的边界条件导致振膜406在背板404与振膜406之间的施加偏置电压下的“m”形偏转(例如，双曲线)。
34.如图6至图7所示，背板404包括绝缘层和导电层，该绝缘层示出为介电层420，该导电层示出为电极422，该电极沉积在介电层420的下侧上或以其它方式连接至介电层420的下侧，使得电极422面向振膜406。电极422形成为两个分开的圆柱元件，该两个分开的圆柱元件包括内圆柱环446以及围绕内圆柱环446的外圆柱环448。内圆柱环446限定了中心开口，该中心开口的大小被设置成将支柱444容纳在该中心开口中，使得内圆柱环446完全围绕支柱444。外圆柱环448的内周界450与内圆柱环446的外周界452间隔开。外圆柱环448的外周界454与基板402的内周界456(例如，与限定了孔414的圆柱壁、与基板402支撑背板404的位置、与接线柱442支撑振膜406的位置等)间隔开。换句话说，电极422的外径小于孔414、振膜406和背板404的外径。
35.如图6至图7所示，内圆柱环446与外圆柱环448之间的径向间隔限定了开口430，该开口在振膜406与背板404之间从电极422的第一侧穿过电极422延伸至电极422的第二侧。开口430暴露(例如，未覆盖、未遮盖等)介电层420的环形部分，使得该环形部分通过开口430直接面向振膜406。如图6所示，内圆柱环446、外圆柱环448和开口430中的每一者以大致同轴的结构与基板402的中心轴线116对准。
36.如图7所示，内圆柱环446的外周界452与外圆柱环448的内周界450之间的距离458大于或等于外圆柱环448的总半径460的1/10(例如，至少外圆柱环448的总半径460的1/6、总半径460的1/5、总半径460的1/4或更大)。在一个实现方式中，内圆柱环446和/或外圆柱环448的形状沿着电极422的周界在圆周方向上变化。例如，当相比于穿过接线柱442之间的区域的截面而沿着穿过接线柱442的截面观察时(如图6所示)，电极422的形状(例如，内圆柱环446与外圆柱环448之间的径向厚度和/或径向间隔)可以不同。
37.现在参照图8，示出了图6至图7的mems管芯400与传统mems管芯(例如，电极大致完全覆盖介电层在接线柱442与支柱444之间的区域的mems管芯)之间的性能折衷。具体地，图8示出了振膜偏转(例如，轴向方向上的振膜位移)作为沿着振膜的径向位置的函数。实线502对应于传统mems管芯的预期振膜偏转，而虚线504和506对应于类似于图6至图7中示出的mems管芯(例如，mems管芯400)的经修改的mems管芯的预期振膜偏转。类似于图4中概述的结果，将开口430结合到经修改的mems管芯的电极422中减小了振膜406的最大偏转量。振膜偏转的这种减小增大了背板404与振膜406之间的间隙的大小，这有利地减小了挤压膜阻尼并改进了snr。
38.在图2和图6至图7的经修改的mems管芯中示出的开口的大小和定位不应视为限制性的。将理解，可以使用类似的设计方法来“成形”用于mems管芯的电极，在该mems管芯中，振膜以不同于参照图2和图6至图7所描述的方式被支撑。具体地，可以通过将电极远离振膜经历最大偏转量的位置定位来实现性能改进。例如，可以选择性地将电极定位成远离和/或至少部分地围绕振膜的最远离振膜被支撑的位置的区域。以这种方式，可以减小振膜的最大偏转以及相关联的性能代偿。
39.根据例示性实施方式，如图9所示，经修改的mems管芯(例如，mems管芯100)被配置成装配在麦克风组件(该麦克风组件被示出为组件600)内。如图9所示，组件600包括壳体，该壳体包括麦克风基座602、盖604(例如，壳体罩)以及声端口606。在一个实现方式中，麦克
风基座602是印刷电路板。盖604联接至麦克风基座602(例如，盖604可以被安装到麦克风基座602的外围边缘上)。盖604和麦克风基座602一起形成组件600的封闭容积608。如图9所示，声端口606设置在麦克风基座602上并且被构造成将声波传送到位于封闭容积608内的mems管芯100。在其它实现方式中，声端口606可以设置在盖604和/或盖604的侧壁上。在一些实施方式中，组件可以形成紧凑型计算设备(例如，便携式通信设备、智能电话、智能扬声器、物联网(iot)设备等)的一部分，其中可以集成一个、两个、三个或更多个组件，以拾取和处理各种类型的声信号(诸如语音和音乐)。
40.在图9的实施方式中，组件600另外地包括设置在封闭容积608中的电路。电路包括集成电路(ic)610。ic 610可以是专用集成电路(asic)。另选地，ic 610可以包括集成有各种模拟电路、模数电路和/或数字电路的半导体管芯。
41.在图9的组件600中，mems管芯100是mems声换能器，该mems声换能器将通过声端口606接收的声波转换成对应电麦克风信号。响应于入射在端口606上的声活动，换能器在换能器输出端处生成电信号(例如，电压)。如图9所示，换能器输出端包括换能器的焊盘或端子，该焊盘或端子经由一个或更多个接合线612电连接至电路。图9的组件600还包括电触点，该电触点示意性地示出为触点614，通常设置在麦克风基座602的底表面上。触点614电联接至电路。触点614被配置成将组件600电连接至多个主机设备中的一个主机设备。
42.本文描述的主题有时例示了包含在不同的其它部件内或与其相连接的不同部件。将理解，这样描绘的架构仅仅是例示性的，而事实上，可以实现获得相同功能的许多其它架构。在概念意义上，用于实现相同功能的部件的任何布置都有效地“关联”，以使实现期望功能。因而，本文为获得特定功能而组合的任何两个部件都可以被视作彼此“相关联”，以使实现期望功能，而与架构或中间部件无关。同样地，这样关联的任何两个部件还可以被视作彼此“在工作上连接”，或“在工作上联接”，以实现期望功能，并且能够这样关联的任何两个部件也可以被视作能够彼此“在工作上联接”，以实现期望功能。在工作上联接的具体示例包括但不限于，物理上可配合和/或物理上相互作用的部件和/或可无线地交互和/或无线地交互的部件和/或逻辑上交互和/或逻辑上可交互的部件。
43.关于本文中复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据上下文和/或申请在适当时候从复数翻译成单数和/或从单数翻译成复数。为清楚起见，可以在本文中明确地阐述各种单数/复数置换。
44.本领域技术人员将理解，通常，本文尤其是所附权利要求(例如，所附权利要求的主体)使用的术语通常旨在作为“开放”术语(例如，用语“包括(including)”应被解释为“包括但不限于”，用语“具有”应被解释为“至少具有”，用语“包括(includes)”应解释为“包括但不限于”等)。
45.尽管附图和描述可以例示方法步骤的特定顺序，但是除非上文另外指定，否则这些步骤的顺序可以与所描绘和所描述的步骤不同。另外，除非上文另外指定，否则可以同时或部分同时执行两个或更多个步骤。这种变型可以例如取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这些变型都在本公开的范围内。同样，可以利用具有基于规则的逻辑和其它逻辑的标准编程技术来完成所描述的方法的软件实现方式，以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。
46.本领域技术人员将进一步理解，如果意图陈述特定数量的引用的权利要求，则将
在权利要求中明确地陈述这样的意图，并且在没有这样的陈述的情况下，不存在这样的意图。例如，为了帮助理解，以下所附权利要求可以包含介绍性短语“至少一个”和“一个或更多个”的使用以引入权利要求陈述。然而，这些短语的使用不应被解释为暗示由不定冠词“一”或“一个”引述权利要求的引用将包含这种引用的权利要求陈述的任何特定权利要求限制于仅包含一个这样的陈述的实用新型，即使相同的权利要求包括介绍性短语“一个或更多个”或“至少一个”以及诸如“一”或“一个”的不定冠词(例如，“一”和/或“一个”通常应被解释为意指“至少一个”或“一个或更多个”)；对于使用用于引用权利要求陈述的定冠词也是如此。另外，即使明确地陈述了特定数量的引用的权利要求陈述，本领域技术人员也将认识到，这种陈述通常应该被解释为至少意指所陈述数量(例如，没有其它修饰语的“两个陈述”的纯陈述通常意指至少两个陈述，或两个或更多个陈述)。
47.此外，在使用类似于“a、b和c等中的至少一个”的惯例的那些情况下，一般而言，这样的构造意图在本领域技术人员将理解该惯例的意义上(例如，“具有a、b和c中的至少一个的系统”将包括但不限于以下系统：单独具有a，单独具有b，单独具有c，具有a和b，具有a和c，具有b和c，和/或具有a、b和c等)。在使用类似于“a、b或c等中的至少一个”的惯例的那些情况下，一般而言，这样的构造意图在本领域技术人员将理解该惯例的意义上(例如，“具有a、b或c中的至少一个的系统”将包括但不限于以下系统：单独具有a，单独具有b，单独具有c，具有a和b，具有a和c，具有b和c，和/或具有a、b和c等)。本领域技术人员将进一步理解，实际上呈现两个或更多个另选术语的任何析取词和/或短语，无论是在说明书、权利要求书还是在附图中，都应该被理解为考虑包括这些术语中的一者、术语中的任一者或两个术语的可能性。例如，短语“a或b”将被理解为包括“a”或“b”或“a和b”的可能性。
48.此外，除非另有说明，否则使用词语“大约”、“约”、“近似”、“大致”等意指加或减百分之十。
49.已经出于例示和描述的目的呈现了例示性实施方式的前述描述。并非旨在穷举或限制于所公开的精确形式，并且根据上述教导可以进行修改和变型，或者可以从所公开的实施方式的实践中获得修改和变型。本实用新型的范围旨在由所附权利要求及其等同物限定。