一种MEMS芯片的制作方法

本实用新型涉及微机电技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种MEMS芯片。

背景技术：

传统的MEMS麦克风芯片包括衬底以及固定在衬底上的敏感膜和极板，敏感膜和极板之间具有一定的间隙，使得敏感膜与极板之间可以构成平板电容器结构。由于敏感膜固定连接在衬底上，在受到冲击时(例如吹气、机械冲击和跌落)，敏感膜容易弯曲变形，造成破损。

为了解决该技术问题，人们提出了将敏感膜自由设置在由极板和衬底围合形成的容置空间内。通过这种方式，敏感膜不再受到拉伸力。在受到外界冲击时，整个敏感膜的形变大大减小，提高了耐用性。

然而，由于敏感膜的尺寸小于容置空间的横截面积，故敏感膜在振动时容易左右摆动，这样会导致振动效果差，并且在大振幅下敏感膜容易发生扭曲，甚至落入背腔中。

另外，这种自由振膜在释放的时候需要严格控制其应力的释放。例如采用在振膜上开缝、做纹膜结构等方法来降低应力，这些方法也只是从某种程度上释放一部分应力，无法完全释放。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的是提供了一种MEMS芯片的新技术方案。

根据本实用新型的一个方面，提供一种MEMS芯片，包括衬底，以及支撑在衬底上的极板，所述衬底与所述极板之间形成容纳空间，还包括被自由设置在所述容纳空间中的敏感膜，所述敏感膜与极板构成了电容器结构；在所述容纳空间内设置有限位柱，所述限位柱穿过所述敏感膜，以限定所述敏感膜的振动方向。

可选地，在所述敏感膜上设置有用于使所述限位柱穿过的过孔。

可选地，所述过孔与限位柱的外壁之间具有用于释放敏感膜内应力的间隙。

可选地，在所述敏感膜上设置有供限位柱穿过的缺口，所述缺口贯通至敏感膜的边缘。

可选地，所述缺口与限位柱的外壁之间具有用于释放敏感膜内应力的间隙。

可选地，在所述极板与所述敏感膜之间设置有用于防止所述极板与所述敏感膜粘连的第一凸起。

可选地，在所述敏感膜与所述衬底之间设置有用于防止所述敏感膜与所述衬底相粘连的第二凸起。

可选地，所述敏感膜上邻近所述限位柱穿过的区域设置有补强部。

可选地，所述补强部设置在敏感膜的一侧或者两侧。

可选地，所述MEMS芯片为MEMS麦克风芯片。

本实用新型的一个技术效果在于，通过限位柱的设置，敏感膜可以沿限位柱进行上下振动，并且限位柱能有效阻止敏感膜在振动过程中的横向摆动，防止敏感膜因振幅过大而发生扭曲，提高了MEMS芯片的使用寿命。

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

构成说明书的一部分的附图描述了本实用新型的实施例，并且连同说明书一起用于解释本实用新型的原理。

图1是根据本实用新型实施例的MEMS麦克风芯片的剖视图。

图2是根据本实用新型另一个实施例的MEMS麦克风芯片的剖视图。

图3是根据本实用新型另一个实施例的MEMS麦克风芯片的剖视图。

图4是根据本实用新型另一个实施例的MEMS麦克风芯片的剖视图。

图5-8是根据本实用新型实施例的敏感膜的俯视图。

图9是本实用新型敏感膜另一实施方式的结构示意图。

附图标记说明：

11：衬底；12：背腔；13：敏感膜；13a：补强部；14：极板；15：第一凸起；16：第二凸起；17：限位柱；18：过孔；19：缺口。

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和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术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。

根据本实用新型实施例，提供了一种MEMS芯片，其包括衬底以及由极板、敏感膜构成的平板电容器结构。本实用新型的MEMS芯片可以是MEMS麦克风芯片，还可以是具有敏感膜、极板的其它传感器芯片。本实用新型为了便于描述，现以麦克风为例，对本实用新型的技术方案进行详尽的说明。

如图1至图4所示，MEMS麦克风芯片包括极板14、敏感膜13和具有背腔12的衬底11。极板14通过支撑部支撑连接在衬底11的上方，使得极板14与衬底11之间形成了容纳空间，该容纳空间与衬底11的背腔12连通。敏感膜13被自由设置在容纳空间内，并且敏感膜13与背腔12相对设置。

本实用新型的自由设置是指敏感膜13直接放置到容纳空间内，敏感膜13与衬底11以及敏感膜13与极板14之间均不形成固定连接关系，以使敏感膜13可以在容纳空间内自由振动。例如，当本实用新型的敏感膜13为圆形时，其容纳空间可以为圆柱形。敏感膜13的直径小于或等于容纳空间的横截面的直径，并且大于背腔12的直径，以防止敏感膜13落入背腔12中或者经由背腔12掉落下来。敏感膜13的形状可以是但不局限于圆形和正多边形。

在工作时，外界的声波作用在敏感膜13上，使得敏感膜13可以在容纳空间内发生振动，敏感膜13和极板14相互作用产生电信号，实现了声-电转换。敏感膜13、衬底11和极板14可以采用本领域常用的材质和制作方法形成。

本实用新型的麦克风芯片，在容纳空间内设置有限位柱17，限位柱17穿过敏感膜13，以限定敏感膜13的振动方向。例如，限位柱17的两端分别与衬底11和极板14连接在一起，限位柱17穿过敏感膜13并且与敏感膜13不形成连接。例如，限位柱17垂直于衬底11和极板14。通过这种方式，敏感膜13可以沿限位柱17进行上下振动，并且限位柱17能有效阻止敏感膜13在振动过程中的横向摆动，防止敏感膜13因振幅过大而发生扭曲甚至进入背腔12中或者从背腔12掉落下来。限位柱17的设置提高了MEMS麦克风芯片的使用寿命，并使敏感膜13的振动更准确，提高了芯片的声音效果。

在一个例子中，限位柱17的数量大于等于2个且小于等于32个，限位柱17围绕背腔12均匀地布置。该数量范围既能有效防止敏感膜13的横向移动，又能有效避免对敏感膜13的结构强度造成不利影响。

限位柱17的材质可以是但不局限于单晶硅、多晶硅、二氧化硅或者氮化硅。上述材质与敏感膜13、衬底11和极板14的材质相类似，便于加工。例如，采用气相沉积的方法在衬底11上沉积形成限位柱17。

本实用新型的敏感膜13具有用于避让限位柱17的部分。在本实用新型一个具体的实施方式中，如图5-7所示，可以在敏感膜13的边缘打过孔18以形成避让。本实用新型的过孔18可以设置3个、4个或者更多个，根据实际需求而定，参考图5、图6、图7。该多个过孔18可以均匀分布在敏感膜13的周向方向上。在本实用新型另一个具体的实施方式中，如图8所示，可以在敏感膜13的边缘位置设置缺口19，该缺口19贯通至敏感膜13的边缘。这种结构便于加工，敏感膜13的成品率高。

过孔18或者缺口19可以采用刻蚀液刻蚀形成，也可以采用离子束刻蚀的方法形成。过孔18或者缺口19的形状与限位柱17的形状相匹配。例如圆形、方形、三角形、椭圆形等。例如，背腔12为圆形，限位柱17围绕背腔12设置在衬底11上。

在本实用新型一个优选的实施方式中，所述限位柱17穿过敏感膜13的位置与限位柱17的外壁之间具有供释放敏感膜13内应力的间隙。例如当本实用新型的限位柱17穿过的是敏感膜13上设置的过孔18时，该间隙形成在过孔18与限位柱17的外壁之间。当本实用新型的限位柱17穿过的是敏感膜13上设置的缺口19时，该间隙形成在缺口19与限位柱17的外壁之间。

对于本领域的技术人员而言，本实用新型的麦克风芯片在制作的时候，需要通过腐蚀牺牲层来释放敏感膜13。此时，敏感膜13在其内应力的作用下会发生膨胀或者内缩。该间隙的设置使得限位柱17不会阻碍敏感膜13内应力的释放，也就是说，使得敏感膜13的内应力可以完全得到释放，从而提高了麦克风芯片的性能。

本实用新型的敏感膜13在振动的时候，限位柱17的外壁会与敏感膜13发生碰撞，以限制敏感膜13的横向位移，由于限位柱17与敏感膜13的接触面比较小，这就使得敏感膜13上邻近限位柱17区域的位置容易受损。

为了解决该问题，在敏感膜13上邻近所述限位柱17穿过的区域设置有补强部13a，参考图9。该补强部13a可以设置在敏感膜13的上端面，也可以设置在其下端面；还可以是，在敏感膜13的两侧端面上均设置有该补强部13a。补强部13a可以选用与敏感膜13相同的材质，例如多晶硅材料等；也可以选用与敏感膜13不同的材质，例如可以选用氮化硅材料。通过该补强部13a可以提高敏感膜13与限位柱17配合位置的机械强度，避免了撕裂问题的发生，提高了麦克风的可靠性。

本实用新型的麦克风芯片，还包括位于极板14与敏感膜13之间的第一凸起15，通过该第一凸起可以防止敏感膜13与极板14粘连在一起，参考图1。本领域技术人员可以采用本领域常用的技术手段形成第一凸起15。优选的是，第一凸起15的材质与极板14或者敏感膜13的材质相同，使得第一凸起15可以采用与极板14或者敏感膜13相同的形成方法进行成型。

在一个例子中，第一凸起15为与背腔12同心设置的环状或者离散的点状。当敏感膜13向上发生较大位移时，由于第一凸起15的设置，使得敏感膜13只能与第一凸起15发生点接触或者线接触，而不是较大的面接触，这样可以有效防止二者之间的粘连。本实用新型的第一凸起15与敏感膜13可以是一体成型的，参考图4。或者是，如图1所示，第一凸起15与极板14连接在一起。这两种方式均能避免敏感膜13与极板14粘连在一起。

在一个例子中，在敏感膜13与衬底11之间设置有用于防止敏感膜13与衬底11相粘连的第二凸起16，参考图2。例如，第二凸起16为与背腔12同心设置的环状或者离散的点状。当敏感膜13向下发生较大位移时，由于第二凸起16的设置，使得敏感膜13只能与第二凸起16形成点接触或者线接触，而不是第二凸起16与衬底11之间的面接触。这样可以有效防止二者之间的粘连。

例如，如图3所示，敏感膜13与第二凸起16可以是一体成型的。也可以是，第二凸起与衬底11连接在一起，参考图2。这两种方式均能避免敏感膜13与极板14粘连在一起。

在一个例子中，在极板14上设置有泄气孔，第一凸起15和第二凸起16为均为离散设置的凸点。当外部气压使敏感膜13向上移动，使第一凸起15与敏感膜13接触时，第一凸起15之间的间隙和泄压孔一起构成泄压通路，从而使敏感膜13与极板14之间的局部高压迅速泄压。当外部气压使敏感膜13向下移动，使第二凸起16与敏感膜13接触时，第二凸起16之间的间隙和泄压孔一起构成泄压通路，从而使敏感膜13与衬底11之间的局部高压迅速泄压。这种设置方式有效地避免了敏感膜13因局部高压而受到损伤。

虽然已经通过示例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，以上示例仅是为了进行说明，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。