用于电容式传声器隔膜的支撑设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及传声器，更具体地，本发明涉及用于传声器隔膜的支架。
【背景技术】
[0002]微机电系统(“MEMS”，此后称为“MEMS”器件)被广泛用于各种应用中。例如，当前普遍实现MEMS器件作为传声器来将声频信号转换为电信号、作为陀螺仪来检测飞行器的俯仰角、以及作为加速度计来选择性地展开汽车中的气囊。用简化的术语讲，这种MEMS器件典型地具有悬挂在基板上的可动结构，以及关联电路，该关联电路感知悬挂结构的运动并将感知到的运动数据传送至一个或更多外部器件(例如，外部计算机)。外部器件处理感知数据以计算出被测量的特征(例如，俯仰角或加速度)。
[0003]MEMS传声器正日益用于更多数量的应用。例如，MEMS传声器经常用于便携式电话和其他此类器件。然而，要渗透更多市场，重要的是获得满意的灵敏度和与更多传统传声器匹配的信噪比。
[0004]MEMS传声器典型地包括薄隔膜电极和定位在薄隔膜电极旁边的固定的感知电极。隔膜电极和固定的感知电极与可变电容器的极板相似地起作用。传声器操作期间，电荷排列在隔膜电极和固定的感知电极上。当隔膜电极响应声波振动时，隔膜电极和固定的感知电极之间的距离变化引起与声波对应的电容变化。这些电容中的变化因此产生代表声波的电子信号。最终，可对该电子信号进行处理以将声波在例如扬声器上再现。
[0005]图1示出本领域公知的微传声器的总体结构。其中，该微传声器包括隔膜102和桥电极(即背板)104。隔膜102和背板104作为用于电容电路的电极起作用。如图所示，背板104可被穿孔以允许声波到达隔膜102。可选地或另外地，可使声波通过其他通道到达隔膜。任意情况下，声波都会引起隔膜振动，并且该振动可被感知作为隔膜102和桥104之间的电容变化。该微传声器典型地包括在隔膜102后面的实质空腔106以允许隔膜102自由移动。
[0006]许多MEMS传声器采用完全锚固在其周缘的隔膜，与鼓的头部类似。这种隔膜会出现很多问题。例如，在有声波的情况下，这种隔膜倾向于弯曲而不会上下一致地移动，如图2A所示。这种弯曲会消极地影响传声器的灵敏度，特别是由于内张力以及隔膜部分和固定的感知电极部分之间的距离变化引起的隔膜的限量位移。这种隔膜也会受灵敏度至应力(例如，热膨胀)的影响，所述应力会扭曲隔膜的形状并会影响隔膜的机械完整性和传声器产生的声音质量。
[0007]某些MEMS传声器具有通过多个弹簧以可移动的方式与其基础固定构件(此后称为的“托架”)连接的隔膜。弹簧倾向于使隔膜上下一致地移动(即，与柱塞相似)，如图2B所示。
【发明内容】
[0008]根据本发明的一方面，提供一种传声器，具有:基板；由所述基板支撑的隔膜组件，所述隔膜组件包括至少一个托架、隔膜和将所述隔膜联接至所述至少一个托架的至少一个弹簧，所述隔膜与所述至少一个托架隔开；以及至少一个绝缘体，所述绝缘体在所述基板和所述至少一个托架之间以使所述隔膜和所述基板电绝缘。
[0009]各种可选实施方式中，所述基板和隔膜可电容耦合以形成可变电容器的固定板和可动板。各托架可联接至绝缘体，所述绝缘体与所述基板联接。所述隔膜可被穿孔和/或成波纹状。所述隔膜和所述至少一个托架之间的空间可在所述隔膜的标称平面中。所述隔膜可与所述至少一个托架应力隔离。所述至少一个托架可包括围绕所述隔膜的单个整体托架或可包括多个不同的托架。所述至少一个绝缘体可包括氧化物。所述隔膜组件可包括多晶硅。所述至少一个绝缘体可直接或间接地形成在所述基板上，并且所述至少一个托架可直接或间接地形成在所述至少一个绝缘体上。所述基板可由绝缘硅晶片的硅层形成。所述基板可包括多个通孔，该情况下所述通孔可允许声波从所述基板的背侧到达所述隔膜。该传声器可包括响应于隔膜运动产生信号的电子电路。该电子电路可直接或间接地形成在所述基板上。
[0010]根据本发明的另一方面，提供一种传声器，该传声器包括:基板;隔膜;用于以可移动的方式将所述隔膜联接至所述基板的支撑装置，该支撑装置包括用于与所述基板固定联接的托架装置和用于以可移动的方式将所述隔膜联接至所述托架装置并将所述隔膜与所述托架装置隔开的悬挂装置；以及用于使所述隔膜和所述基板电绝缘的绝缘体装置。
[0011]各种可选实施方式中，所述传声器可进一步包括用于将所述基板和所述隔膜电容耦合以形成可变电容器的固定板和可动板的装置。所述传声器可另外地或可选地包括用于允许声波从所述基板的背侧到达所述隔膜的装置。所述传声器可另外地或可选地包括用于响应于隔膜运动产生信号的装置。
【附图说明】
[0012]从以下参照附图对本发明的进一步的说明可更充分地理解本发明的前述优点，其中:
[0013]图1示出本领域公知的微传声器的总体结构；
[0014]图2A示意性地示出鼓状MEMS传声器隔膜的弯曲动作；
[0015]图2B示意性地示出附有弹簧的MEMS传声器隔膜的柱塞式动作；
[0016]图3示意性地示出可根据本发明的说明性的实施方式生产的MEMS传声器；
[0017]图4示意性地示出根据本发明的说明性的实施方式构形的图3的传声器的平面图；
[0018]图5示出根据示例性实施方式构形的具体的传声器的平面图照片；
[0019]图6示出在图5中示出的弹簧的局部放大平面图图片；
[0020]图7示意性地示出根据本发明的说明性的实施方式构形的传声器的横截面视图和局部俯视图，所述隔膜处于未释放状态;并且
[0021]图8示意性地示出根据本发明的说明性的实施方式构形的传声器的横截面视图和局部俯视图，所述隔膜处于释放状态。
[0022]为了便于解释特定图的黑白复印件，用下列图例识别不同的材料:“S”表示单晶硅；“O”表示氧化物；“P”表示多晶硅；“M”表示金属;并且“Pass”表示钝化材料诸如氮化物。
[0023]除非上下文另有提示，相似元件用相似数字表示。同样，除非另有所指，附图不必按比例绘制。
【具体实施方式】
[0024]本发明的实施方式中，MEMS传声器包括由基板支撑的隔膜组件。该隔膜组件包括至少一个托架、隔膜、以及至少一个弹簧，所述弹簧将所述隔膜联接至所述至少一个托架使得所述隔膜与所述至少一个托架隔开。在所述基板和所述至少一个托架之间的绝缘体(或分离的绝缘体)使所述隔膜和所述基板电绝缘。所述托架可被直接联接至所述绝缘体并且所述绝缘体可被直接联接至所述基板;可选地，一种或多种另外的材料可将所述绝缘体与所述基板和/或所述托架分开。在所述隔膜和所述基板互相电绝缘的情况下，所述隔膜和所述基板可电容耦合并因此可用作可变电容器的两个极板以将声频信号转换为电信号。
[0025]图3示意性地示出根据本发明的说明性的实施方式的未封装的MEMS传声器10(也称为“传声器芯片10”)。其中，传声器10包括支撑并与包括隔膜14的隔膜组件形成可变电容器的固定的背板12(所述隔膜组件和背板12的连接细节在下面讨论)。说明性的实施方式中，背板12由单晶硅形成，包括隔膜14的隔膜组件由沉积的多晶硅形成，并且背板12和所述隔膜组件之间的绝缘体由氧化物形成。该示例中，背板12由绝缘硅(SOI)晶片20的顶部硅层形成所以靠在基础氧化物层和基部硅层上。为了便于操作，背板12具有多个通孔16，通孔16通向经过所述基础氧化物层和基部硅层形成的背侧空腔18。使用和封装传声器10使得声波经背侧空腔18和通孔16到达隔膜14。
[0026]音频信号引起隔膜14振动，因此产生变化的电容。片上电路或片下电路将该变化的电容转换成可进一步处理的电信号。要注意的是对图3所示的传声器10的讨论只是出于说明的目的。因此可与本发明的说明性的实施方式一起采用具有与图3所示的传声器10类似或不类似的结构的其他MEMS传声器。
[0027]图4示意性地示出根据说明性的实施方式构形的传声器10的平面图。该示例性的传声器10具有许多与图3所示的特征相同的特征。具体地，如图所示，传声器10包括基板20，基板20具有多个托架22(该实例中是四个托架)，托架22经由多个弹簧24支撑隔膜14。与隔膜14不相似的是，每个托架22与基板20固定联接。说明性的实施方式中，电绝缘材料(例如，氧化物)层将每个托架22联接至基板20并使每个托架22与基板20电绝缘。
[0028]其中，这种布置在至少一个托架22和隔膜14之间形成膨胀空间26。因此，如果受到应力，隔膜14可自由膨胀到该空间26内。相应地，在预期的应力下，隔膜14不会与托架22机械接触(这种接触会降低系统性能)。
[0029]图5示出根据说明性的实施方式构形的具体的传声器10的平面图照片，而图6示出图5所示的一个弹簧24的局部放大平面图图片。要注意的是具体的传声器10是本发明的各种实施方式的示例。相应地，不应认为对具体组件的讨论诸如弹簧24的形状和数量是对本发明各种实施方式的限制。
[0030]如图所示，传声器10具有圆环形隔膜14和四个径向延伸但是周向成形的弹簧24，弹簧24在(多个)托架22和隔膜14的外周缘之间形成空间26。该示例中，所述隔膜组件包括围绕隔膜14的单个整体托架22。除设置提到的膨胀空间26外，弹簧24也应在向下移动时减轻隔膜弯曲(即，在隔膜14从其顶部看呈凹状时)。相应地，由此，隔膜14应与不具有空间26或弹簧24的现有技术相比以更一致的方式向基板20移动。例如，隔膜14可以接近柱塞的方式上下移动。相应地，隔膜14应可更自如地上下移动，并且隔膜14的内表面的更多区域应可用来产生基础信号。
[0031]图7示意性地示出根据本发明的说明性的实施方式构形的传声器10的横截面视图和局部俯视图，所述隔膜处于未释放状态。该图示意性地示出上述的多个特征，诸如隔膜14和基板20之间的空间，以及隔膜14和托架22之间的空间。该图中，示出所述隔膜具有氧化物下层，该氧化物下层后来被移除以释放所述隔膜。图8示意性地示出根据本发明的说明性的实施方式构形的传声