形成宽感测间隙微机电系统麦克风的集成封装和制造方法与流程

相关案的交互参照

本申请主张在2014年11月13日提交的题为“形成宽感测间隙微机械系统麦克风的集成封装和制造方法”的美国非临时专利申请序号14/540,219的优先权，其通过引用方式并入本文。

本发明的实施例一般涉及微机电系统(mems)麦克风，特别是涉及宽感测间隙mems麦克风。

背景技术：

对于目前的麦克风技术而言，麦克风的频率响应通常会有问题。麦克风的信噪比(signaltonoiseratio；snr)由频率响应曲线下的区域中积分的噪声定义，因此期望谐振峰值频率不在感兴趣的可听频率范围内。mems麦克风在集成封装(integratedpackage)中通常具有大约20千赫兹(khz)的谐振峰值频率。然而，期望将谐振峰值频率推出到更高的值。

与传统mems麦克风相关的另一个问题是发生最终机械限幅的声压级别不如所期望的高。因此，可以由麦克风的隔膜接收并且正确地转换成电信号而没有失真的最高声压级(soundpressurelevel；spl)小于期望值。具体来说，在传统的mems麦克风中，在135分贝dbspl的spl会经历到失真，这意味着135dbspl是麦克风的最终机械限幅点。期望能有具有较高最终机械限幅点(以spl值计)的mems麦克风。

与传统mems麦克风相关的再一个问题是定义的spl的百分比失真。例如，达到120dbspl标记的声压大约有1％的失真。希望具有在出现这种失真前的更高声压级。增加最终机械限幅点也会降低在低于最终限幅点的spl级别的失真水平。

技术实现要素：

在一个实施例中，提供一种mems麦克风。mems麦克风包括具有穿透封装衬底设置的端口(port)的封装衬底，其中端口被配置为接收声波；安装到封装衬底并形成封装的盖。mems麦克风还包括声学传感器，其设置在封装中并且耦合到封装衬底，其中mems声学传感器被定位成使得可在所述端口接收的声波入射到mems声学传感器。mems声学传感器包括：位于封装内的第一位置在端口上方的背板；以及位于封装内的第二位置的隔膜，其中第一位置和第二位置之间的距离形成界定的感测间隙，并且其中mems麦克风被设计成承受在所述隔膜和所述背板之间的大于或等于约15伏特的偏置电压。

在另一个实施例中，提供另一种mems麦克风。mems麦克风具有在约20千赫兹和约40千赫兹之间的谐振频率，并且具有在每帕斯卡(pascal)约-38分贝伏特至每帕斯卡约-42分贝伏特的范围内的灵敏度因子。在一些实施例中，mems麦克风具有大于或等于约帕斯卡-38db伏特的灵敏度。在各种实施例中，mems麦克风的灵敏度可以是每帕斯卡声压产生的信号的伏特数，因此是在给定声压下产生的信号。

在再一个实施例中，提供了另一种mems麦克风。mems麦克风的此实施例包括：具有穿透封装衬底设置的端口的封装衬底，其中该端口被配置为接收声波；以及安装到封装衬底并形成封装的盖。mems麦克风还包括设置在封装中并耦合到封装衬底的mems声学传感器，其中mems声学传感器被定位成使得可在端口接收的声波入射到mems声学传感器上。mems声传感器包括：隔膜；以及背板，其中隔膜和背板之间的距离形成界定的感测间隙，并且其中隔膜被配置为在施加到mems麦克风的界定的声压下移动小于或等于界定的感测间隙的宽度的大约1/10。隔膜和背板之间的距离形成界定的感测间隙。

在又一个实施例中，提供了另一种mems麦克风。mems麦克风的此实施例包括具有穿透封装衬底设置的端口的封装衬底，其中端口被配置为接收声波；以及安装到封装衬底并形成封装的盖。mems麦克风还包括设置在封装中并耦合到封装衬底的mems声学传感器，其中mems声学传感器被定位成使得可在端口接收的声波入射到mems声学传感器上。mems声学传感器包括：由背板和隔膜的组合形成的可变电容器，其具有至少一部分实质上平行于背板的至少一部分。在将声压信号转换成声压信号期间可变电容器针对具有或小于约130dbspl的声压信号产生小于约1％的失真误差。

在另一个实施例中，提供了一种制造mems麦克风的方法。该方法包括：形成具有穿透封装衬底的端口的封装衬底；以及在封装衬底上形成电容器，其中形成电容器包括：在第一位置形成背板，其中背板延伸于端口上方；以及在第二位置形成隔膜。形成隔膜包括：在第二位置将隔膜对齐于端口上方，其中背板的至少一部分实质上平行于隔膜对齐，其中第一位置和第二位置之间的距离形成界定的感测间隙，并且其中mems麦克风被设计成承受在隔膜和背板之间大于或等于约15伏特的偏置电压。该方法还可以包括形成从封装衬底的第一侧到封装衬底的第二侧并围绕背板和隔膜的盖。

可以通过参考说明书的其余部分和附图来实现对本文公开的特定实施例的性质和优点的进一步理解。

附图说明

图1示出了根据本文所述的一个或多个实施例的示例性的宽感测间隙mems麦克风集成封装。

图2示出了图1的宽感测间隙mems麦克风的一部分的放大视图，其包括根据本文所述的一个或多个实施例的宽感测间隙mems声学传感器。

图3示出了图1的宽感测间隙mems麦克风的一部分的放大视图，其包括根据本文所述的另一实施例的宽感测间隙mems声学传感器。

图4、5、和6示出了根据本文所述的一个或多个实施例的制造图1的宽感测间隙mems麦克风集成封装的示例性方法。

具体实施方式

麦克风是一种将来自传感器处接收到的声波的声压转换为电信号的装置。麦克风用于许多不同的应用，包括但不限于助听器、语音记录系统、语音识别系统、音频记录和工程、公共和私有放大系统等。

mems麦克风具有许多优点，包括低功耗和高性能。此外，mems麦克风可以小型封装提供，并且便于在需要具有小占用面积(footprint)的装置的各种应用中使用。mems麦克风通常作用为电容感测装置或声学传感器，其包括压敏隔膜，该压敏隔膜响应于入射在隔膜上的声波所产生的声压而振动。通常在高度自动化的生产工艺中使用硅晶片来制造声学传感器，该生产工艺在硅晶片上沉积不同材料的层，然后采用蚀刻工艺来产生隔膜和背板。空气通过背板移动到隔膜，隔膜响应于与空气关联的声压而挠曲。

感测到的现象被转换成电信号。可以由用于执行mems麦克风的若干功能的专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit；asic)来处理电信号。

本文描述的实施例是mems麦克风，其包括在声学传感器的隔膜和背板之间具有宽的感测间隙的mems声学传感器。声学传感器用作电容器并且操作成有助于感测在mems麦克风处提供的声波。这些实施例有利地针对各种声压级具有低失真误差且能够承受高偏置电压。

现在参考附图，图1示出了根据本文所述的一个或多个实施例的示例性的宽感测间隙mems麦克风集成封装。图2示出了图1的宽感测间隙mems麦克风的一部分的放大视图，其包括根据本文所述的一个或多个实施例的宽感测间隙mems声学传感器。图3示出了图1的宽感测间隙mems麦克风的一部分的放大视图，其包括根据本文所述的另一实施例的宽感测间隙mems声学传感器。为了简洁起见，省略了对本文描述的系统和/或装置的各个实施例中使用的类似元件的重复描述。

图1中所示的是根据本文所述的一个或多个实施例的示例性的宽感测间隙mems麦克风集成封装100。图1的mems麦克风集成封装100包括封装衬底108(例如聚合物(例如fr4)或陶瓷衬底)、传感器衬底110(例如硅衬底)、穿透封装衬底108而形成的端口104、盖(或罩)106、和声学传感器102，其是由隔膜103和背板202的组合形成的电容器(或者如图3所示，由隔膜105和背板202的组合形成的电容器)。如图所示，宽感测间隙mems麦克风集成封装100还可以包括绝缘层114、引线接合116和118、和asic120。在各种实施例中，声学传感器102、引线接合116和118、和/或asic120的一个或多个可以彼此耦合(例如，以电气或其他方式)以执行mems麦克风集成封装100的一个或多个功能。

在一些实施例中，虽然未示出，但是如本文所示、所描述、和/或要求保护的声学传感器102可视为是隔膜103(或者，如图3所示的隔膜105)、背板202和asic的组合(包括隔膜、背板、和/或asic之间的任何连接部件，例如引线接合116和118)。本文设想了所有这些实施例。

隔膜103(或如图3所示的隔膜105)可以是微加工结构，其响应于声波128而挠曲或否则定位到新位置。如所描述的，在一些实施例中，声学传感器102可以是或包括由隔膜103(或如图3所示的隔膜105)和背板202组成的电容器。绝缘层114可以分隔隔膜103(或如图3所示的隔膜105)和背板202。例如，绝缘层114可以如所示般分隔隔膜103(或如图3所示的隔膜105)和传感器衬底110(从其形成背板202)。

在一些实施例中，背板202和传感器衬底110属于相同的层。例如，传感器衬底110最初可以是从端部a到端部b的一个固体衬底，然后可以将绝缘材料111嵌入传感器衬底110中以界定背板202的端部。参考图2和图3，在一些实施例中，背板202可以包括穿孔区域和固体的非穿孔区域。具体地说，背板202中的实质上垂直的线可以表示背板202中的穿孔，其被设置成允许声学声波128通过背板202到达隔膜103(或者如图3所示的隔膜105)。在一些实施例中，传感器衬底110和背板202由绝缘体上硅(silicononinsulator；soi)层形成。

如所描述的，声学传感器102可以由隔膜(例如，图1,2和/或3中的隔膜103或隔膜105)和背板202(图2所示)组成，其中隔膜103(或隔膜105)和背板202之间有感测间隙204。隔膜103(或隔膜105)的一个或多个部分可以响应入射在隔膜103(或隔膜105)上的声波(例如声波128)而挠曲。因此，隔膜103(或隔膜105)和背板202可以形成电容器，其具有随隔膜103(或隔膜105)和背板202之间的距离(例如感测间隙204的宽度)而变化的电容。声波128通过穿透晶片108所形成的端口104进入集成封装100。

端口104可以是适于接收和/或检测想要进入mems麦克风集成封装100的声波128的任何尺寸。具体地，端口104可以提供至mems麦克风集成封装100以外的外部环境的凹部/开口，使得在mems麦克风集成封装100外部产生的声音被端口104接收。因此，端口104可以被定位在封装衬底108内的适当接近背板202和隔膜103(或隔膜105)的若干不同位置处，以让隔膜103(或隔膜105)得以检测对应于在mems麦克风集成封装100外部产生的声音的声波。

如所描述的，声波128经由穿透封装衬底108所提供的端口104进入mems麦克风集成封装100，穿透背板202的穿孔区域并入射在隔膜103(或隔膜105)上。隔膜103(或隔膜105)因与声波128关联的声压而挠曲，并且基于挠曲在隔膜103(或隔膜105)和背板202之间产生电容。asic120测量当电容变化时所产生的电压变化。

在一些实施例中，asic120可以进一步处理asic处的信息以用于若干不同的功能。例如，可以放大电容的变化以产生输出信号。在各种实施例中，asic120可以包括用于执行若干不同功能的电路/组件。

将参照图2和图3更详细地描述mems麦克风集成封装100的部分126。为了简洁起见，省略了对本文描述的系统和/或装置的各个实施例中使用的类似元件的重复描述。如图所示，在一个实施例中，隔膜103可以包括通过一个或多个弹簧208彼此连接的隔膜中心部分200和隔膜层112，以利隔膜中心部分200的柔性挠曲。

在一个实施例中，隔膜层112和隔膜中心部分200最初由单个连续的固体衬底形成。去除隔膜中心部分200，并且将一个或多个弹簧208嵌入在隔膜中心部分200和隔膜层112之间，将隔膜中心部分200和隔膜层112彼此连接，同时将隔膜中心部分200悬挂在背板202上方。在该实施例中，隔膜103由隔膜中心部分200、隔膜层112(在隔膜中心部分200的每一侧上)和一个或多个弹簧208形成。在一些实施例中，弹簧208可以是24弹簧悬架装置。

虽然图2中采用了一个或多个弹簧208，但在其他实施例中，不需要在实施例中设置弹簧208来将隔膜悬挂在背板202上。如图3所示，例如，在一个实施例中，隔膜105是没有中间弹簧或其它部件的单一连续层。在隔膜103或隔膜105的任一实施例中，隔膜103或隔膜105可以响应入射在隔膜103或隔膜105上的声波128而挠曲，且背板202和隔膜103或隔膜105之间的电容可以因为挠曲而改变。

在图2或图3所示的任一实施例中，当隔膜103(或隔膜105)处于静止状态(例如，无挠曲)时，隔膜103(或隔膜105)可以实质上平行于背板202定位。在一些实施例中，当隔膜103(或隔膜105)静止时，隔膜103(或隔膜105)和背板202的至少一部分彼此实质上平行。在各种实施例中，隔膜103(或隔膜105)可以由多晶硅或氮化硅、多晶硅和/或金属(例如铝)的组合构成。在一些实施例中，隔膜103(或隔膜105)的直径为0.5毫米(mm)至1.5毫米。在一些实施例中，隔膜103(或隔膜105)的直径大于1.5mm。背板202可以由单晶硅或氮化硅、单晶硅和/或金属(例如铝)的组合构成。背板202中的孔的直径可以为5至15微米，但在不同实施例中可以是不同的形状，孔之间具有2至10微米的间隔。

背板202可以是用作电感应隔膜103(或隔膜105)的电极的材料层(包括穿孔部分，并且在一些实施例中，还包括固体连续部分)。在所描述的实施例中，穿孔可以是用于减小背板200的移动部分中的空气阻尼的声学开口。

隔膜103(或隔膜105)在静止位置时和背板202之间的宽度210或距离可以是感测间隙204。在一些实施例中，感测间隙204可以是宽的感测间隙，其在一些实施例中具有约6微米的宽度210。在其他实施例中，感测间隙204的宽度210可以在3微米和6微米之间。因此，尽管一般常识是减小组件的尺寸以利于mems装置，但是在本文所述的实施例中，感测间隙204相对于传统的感测间隙是宽的，因此设计是与传统的减少组件尺寸、间隙和整体mems结构的趋势相反。宽感测间隙204有利地使得能够施加高于不包括宽感测间隙204的传统系统的电压到mems麦克风。

中心柱206是连接隔膜103(或隔膜105)和背板202的实质上硬接触件，其形成和定位成使得当声压入射到背板202和隔膜103(或隔膜105)上时，只有隔膜中心部分200(或隔膜105)(或在一些实施例中，主要是隔膜中心部分200(或隔膜105))挠曲。

隔膜103(或隔膜105)和背板202之间的偏置电压实质高于传统偏置电压，并且在一些实施例中，可以为大约36伏特。重要的是，偏置电压大约是传统系统中偏置电压的三倍。感测间隙204的宽的宽度210有助于高偏置电压。该组合声学传感器102设计得到的极高偏置电压使得图1的mems麦克风集成封装成能够实现高性能。

如此，在一些实施例中，声学传感器102包括具有高电压asic(例如，图1的asic120)的较大的感测间隙204。在一些实施例中，asic可以在大于30伏特的电压下工作。

在一些实施例中，声波128行进穿透背板202的穿孔至隔膜103(或隔膜105)。隔膜中心部分200(或隔膜105)响应于与声波128关联的声压而上下移动和/或挠曲。

mems麦克风的谐振频率可以与隔膜103(或隔膜105)的谐振频率不同，并且通常比隔膜103(或隔膜105)的谐振频率小几千赫兹(khz)。举例而言，隔膜103(或隔膜105)可以以大于或等于约32khz(在真空中测量)的频率谐振。相反，取决于mems麦克风集成封装(例如图1的mems麦克风集成封装100)的各个方面，构建有声学传感器102的mems麦克风可以在大约20khz至大约40khz谐振。在一些实施例中，mems麦克风可在独立时具有45khz的谐振峰值和当在集成封装中时具有30khz的谐振峰值。

在一个实施例中，形成隔膜中心部分200(或隔膜105)的材料可以是实质上硬的材料，由于谐振频率的增加而导致较平坦的频率响应。在其中隔膜由氮化硅构成的实施例中，可能导致更高的谐振频率和更平坦的频率响应。如本文所使用的，术语“较平坦的频率响应”意味着在大于20khz的频率时发生的谐振频率。频率响应的平坦度在20hz至20khz的音频带中可能很重要，并相对于1khz的值进行测量。因此，在该范围(例如，20hz至20khz)下，灵敏度为1khz的±3db。由聚合物材料组成的隔膜可能导致较不平坦的频率响应。较薄的隔膜可能导致比较厚的隔膜的频率响应更低的频率响应。

在一些实施例中，为了限制失真，可以将隔膜中心部分200(或隔膜105)的挠曲量限制为在隔膜中心部分200处施加的声压级的函数。例如，在一个实施例中，对于声压级为130db的声波，声学传感器102被设计成使得隔膜中心部分200(或隔膜105)挠曲小于感测间隙204的宽度210的1/10。如本文所使用的，1/10的值是经验法则，并且在其他实施例中，更高的值(例如宽度210的1/8或宽度210的1/5)是可接受的。使用宽感测间隙204来获得增加的较平坦频率响应、对增加的偏置电压的耐受性和减小的失真值。

目前，麦克风在120dbspl下具有约1％的失真。然而，期望能将经历1％失真的声压级(spl)向外推出。本文所描述的一个或多个实施例可以在1％失真下实现130dbspl的声压级。本文描述的实施例，其针对mems麦克风使用宽间隙声学传感器和高偏置电压，可以实现本文所述的目标。例如，当声学传感器的感测间隙增加时，在隔膜中心部分200(或隔膜105)接触背板202之前必定能经历更高的声压级(并且可以实现130db的spl)。当增加宽感测间隙204时，可使隔膜中心部分200(或隔膜105)更硬，并相应地增加隔膜中心部分200(或隔膜105)和背板202之间的偏置电压。

在各种实施例中，由特定隔膜103(或隔膜105)和背板202与宽感测间隙204一起形成的可变电容器在将声压信号转换为电信号期间针对具有或小于约130dbspl的水平的声压信号产生小于约百分之一的失真误差。

在另一个实施例中，可以增加感测间隙204，并且可以使隔膜中心部分200(或隔膜105)变得更硬，以要求增加隔膜103(或隔膜105)与背面202之间的偏置电压。更高的偏置电压将允许声学传感器102保持否则会因较硬的隔膜中心部分200和增加的感测间隙204而损失的灵敏度。随着感测间隙204的宽度增加，灵敏度趋于以1/(感测间隙204的宽度)的比率下降。

在一个或多个实施例中，偏置电压以1/(感测间隙的宽度)^1.5增加至足以补偿增加的感测间隙204和由此导致的灵敏度损失。因此，声学传感器102还可以具有在从每帕斯卡约-38db伏特到每帕斯帕约-42db伏特的范围内的灵敏度因子。在一些实施例中，该范围可以通过每帕斯卡+/-3db伏特来调节。

回到图1，在一个实施例中，盖106由金属构成。在本发明的一个实施例中，封装衬底108由聚合物构成。例如，封装衬底108可以由陶瓷材料构成。

如图所示，在将盖106安装到封装衬底108上时，在其中未设置mems麦克风集成封装100的组件的区域中形成背腔122。在一些实施例中，背腔122可以是一个通过压力均衡通道(pressureequalizationchannel；pec)等化至环境压力的部分封闭腔。在本文描述的实施例的各个方面中，背腔122可以为进入集成封装100的波提供声学密封。

焊料(solder)124将mems麦克风集成封装100连接到外部衬底。焊料124可用于将mems麦克风集成封装100连接/耦合到不同的系统。因此，本文所述的mems麦克风集成封装100的实施例可以用于若干不同的系统，包括但不限于移动电话、智能手表、和/或穿戴式运动装置。

尽管以图1所示的特定布置示出了部件，但在其他实施例中，组件的任何数量的不同布置是可能的和设想得到的。例如，可以使用将端口104设置成靠近声学传感器102，使得可以在声学传感器102处检测声波的任何数量的布置。作为另一示例，可以采用asic120、声学传感器102、和将asic120和声学传感器102电耦合的引线接合116和118的任何配置。

如所描述的，到不同系统的mems麦克风集成封装100可以耦合到和/或采用任意数量的使用麦克风技术的不同类型的系统中。因此，本文所述的mems麦克风集成封装100的实施例可以用于不同的系统中，包括但不限于移动电话、智能手表、和/或穿戴式运动装置。在一个示例实施例中，例如，包括mems麦克风集成封装100的系统可以是智能手表，其设计成因为在系统处接收到的音频命令(和相应的声波)并由系统内的mems麦克风集成封装100处理而执行一个或多个功能(例如，显示时间、日期、导航信息、更新时间、和数据信息)。尽管已经参考了其中可以采用mems麦克风集成封装100的特定类型的系统，但是该描述仅提供示例，因此描述不限于这些具体实施例。使用可由mems麦克风集成封装100提供的功能的其他系统也可以包括mems麦克风集成封装100并且在本文中设想得到。

图4、图5、和图6示出根据本文所述的一个或多个实施例的制造图1的宽感测间隙mems麦克风集成封装的示例性方法。首先参考图4，在402，方法400可以包括形成具有穿透晶片的端口的晶片。端口可以配置为从mems麦克风集成封装外部的来源(source)接收声波。

在404，方法400可以包括在晶片上形成电容器，其中该形成电容器包括：在第一位置形成背板，其中背板延伸于端口上方；以及在第二位置形成隔膜。该形成隔膜包括：在第二位置将隔膜对齐在端口上方，其中背板的至少一部分实质上平行于隔膜对齐。第一位置和第二位置之间的距离形成界定的感测间隙，并且mems麦克风被设计成承受在隔膜和背板之间大于或等于约15伏特的偏置电压。在一些实施例中，非mems麦克风可以承受约200伏特的偏置电压。

在406，方法400可以包括形成从晶片的第一侧到晶片的第二侧并围绕背板和隔膜的盖。在一些实施例中，盖可以与晶片气密密封以提供保护集成封装的组件的气密密封。

asic(例如图1的asic120)和mems麦克风承受高电压，并且可以在asic中产生高电压。在一些实施例中，mems麦克风集成封装(例如图1的mems麦克风集成封装100)不会经历高偏置电压；相反地，mems麦克风集成封装通常接收约3.3伏特的电源电压。

现在参考图5，在502，方法500可以包括形成具有穿透晶片的端口的晶片。端口可以配置为从mems麦克风集成封装外部的来源接收声波。

在504，方法500可以包括形成mems声学传感器，其中形成mems声学传感器包括：在第一位置形成隔膜；以及形成位于第二位置的背板，其中第一位置和第二位置之间的距离形成大于或等于约三微米的界定的感测间隙。在一些实施例中，界定的感测间隙可以是三微米与六微米之间的任何宽度。

在506，方法500可以包括在mems声学传感器周围形成盖并且耦合到晶片。在一些实施例中，盖可以与晶片气密密封以提供保护集成封装的组件的气密密封。

现在参考图6，在602，方法600可以包括形成具有穿透晶片的端口的晶片。在604，方法600可以包括形成mems声学传感器，其中形成mems声学传感器包括：形成隔膜；以及形成背板。隔膜和背板之间的距离形成一个界定的感测间隙，并且隔膜被配置为在施加到mems麦克风的界定的声压级下移动小于或等于界定的感测间隙宽度的约1/10。

在一些实施例中，隔膜的位移指示隔膜的一部分的挠曲。界定的感测间隙可以具有由图2的附图标记210表示的宽度。因此，在该方法中，形成隔膜，使得隔膜挠曲小于或等于界定感测间隙的宽度210的约1/10。如果使用弹簧，弹簧的材料选择、厚度、和/或刚度可能会导致隔膜在大于或等于130db的声压级下经历小于或等于界定的感测间隙的宽度的1/10的挠曲。例如，材料越硬，或材料越厚或弹簧越短，隔膜的挠曲越小。

在606，方法600可以包括在mems声学传感器周围形成并且耦合到晶片的盖。在一些实施例中，盖可以与晶片气密密封以提供保护集成封装的组件的气密密封。

如在本文的描述和全部所附权利要求中所使用，除非上下文另有明确指出，否则“一”和“该”包括复数参照。另外，如在本文的描述和全部所附权利要求中所使用，除非上下文另有明确指出，否则“之中”的含义包括“之中”和“之上”。

因此，虽然本文已经描述了特定实施例，但在前述公开中可有修改、各种改变、和替换空间，并且应当理解在一些情况下，将使用特定实施例的某些特征而不使用相应的使用的其他特征，且仍不脱离所阐述的范围和精神。因此，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应基本范围和精神。