高灵敏度麦克风及其制造方法与流程

相关申请交叉引证

本申请要求2016年9月9日提交的韩国专利申请第10-2016-0116721号的优先权，其全部内容通过引证方式结合于此。

本公开涉及一种高灵敏度麦克风及其制造方法。

背景技术：

通常，麦克风指的是一种将声音(例如附近的语音)转换成电信号并将电信号处理成使得人或机器最终能够识别该声音的信号的装置。

作为将音频信号转换成电信号的麦克风，已经开发了电容式麦克风和压电式麦克风。

电容式麦克风包括微电化学系统(mems)，其中，使固定膜和振动膜彼此隔开。在mems中，当对振动膜施加声压时，改变固定膜和振动膜之间的空间以导致电容值改变，从而产生电信号，并且，用该电信号测量声压。

与现有的驻极体电容传声器(ecm)相比，电容式mems麦克风的有利之处在于，其性能不太随着外部环境的改变而改变，例如温度或湿度，并且，产品的性能变化由于半导体批量生产而较小。

而且，大多数电容式mems麦克风具有稳定的频率响应特征和非常好的灵敏度。在电容式麦克风中，测量振动膜和固定膜之间的电容改变，并将其作为电压信号输出，并且，其将表达为灵敏度，是主要性能指标之一。

为了增强灵敏度，将该麦克风设计为减小振动膜的残余应力，为此，已经研究了自由浮动膜结构。

图1是示出了根据相关技术的商业化mems麦克风的自由浮动膜结构的视图。

参考图1，一般的自由浮动膜结构在基板1和固定膜2之间包括处于未固定状态的振动膜3，与现有的箝位电容式(clampedcapacitivetypevibration)振动膜的概念不同。

关于此结构，由于振动膜3在完成所有过程之后不限制于基板1和固定膜2之间，所以可去除振动膜残余应力，这是决定mems麦克风的灵敏度的最重要的因素之一。

在没有残余应力的振动膜结构中，通过对自由浮动膜3和固定膜2应用刚性支柱4，由基于所施加的电压(即，驱动电压)的静电力来固定振动膜3。

详细地，当对麦克风施加驱动电压(偏压)时，由于静电力的原因而朝向固定膜2吸引振动膜3，并通过声压附接并固定至支柱4。当不施加驱动电压时，使振动膜3与支柱4隔离，并将振动膜3降低至基板1，因为释放了静电力。

然而，当不驱动相关技术的麦克风时，振动膜3在基板1和固定膜2之间是不固定且自由的，因此，振动膜3可能由于冲击而受损。

当振动膜3根据麦克风的驱动/未驱动而重复接触固定膜2和支柱4或与它们隔开时所导致的应力，可能使耐久性变差。

另外，由于箝位结构(其中，当驱动麦克风时，将振动膜3固定至刚性支柱4)的原因，调节刚度并不容易，使得难以额外提高灵敏度。

提供在背景技术部分中描述的问题，以促进对本公开的背景技术的理解，其可包括不是本公开所属领域中的技术人员已知的的现有技术的问题。

技术实现要素：

本公开已经致力于提供一种高灵敏度麦克风，其具有以下优点：不管所施加的电压如何，通过弹性支柱将振动膜机械地固定，从而防止冲击，并通过提供根据声压而改变的刚度，当由声压使振动膜振动时增加振动位移，并且，提供一种高灵敏度麦克风的制造方法。

根据本公开的一个实例实施例，一种高灵敏度麦克风包括：基板，其具有设置于其中央部分中的穿透部分；振动膜，其设置在基板上并覆盖穿透部分；固定膜，其安装在振动膜上方，通过介于两者之间的空气层而与振动膜隔开，并具有在朝向空气层的方向上穿孔的多个进气口；以及多个支柱，其作为固定膜和振动膜之间的竖直弹性柱，并通过摩擦力机械地固定振动膜，与所施加的电压无关。

支柱可由碳纳米管(cnt)形成，其在固定膜和振动膜之间形成图案，并从固定膜的中心点以预定间隔布置成圆形。

支柱可用作通过声压而变形的具有刚度的弹簧，并可通过声压与振动膜同时一起变形。

振动膜可具有自由浮动膜结构，其触点相对于支柱和基板不连接。

振动膜可具有设置于其下边缘上的凹陷和伸出部分，以防止振动膜附接至基板。

固定膜的竖直地从其边缘延伸的支撑部分可安装在基板上。

固定膜可具有设置在其下表面上并以与进气口的图案相同的图案穿孔的固定电极。

根据本公开的另一示例性实施例，一种用于制造高灵敏度麦克风的方法包括以下操作：a)在基板上形成第一牺牲层，并在该第一牺牲层上形成振动膜；b)在振动膜上形成第二牺牲层，并使碳纳米管(cnt)籽晶在第二牺牲层的相对侧上形成图案；c)在包括cnt籽晶和第二牺牲层的基板上形成固定膜；d)蚀刻固定膜，以产生多个穿孔进气口；以及e)去除第一牺牲层和第二牺牲层，并生长cnt籽晶，以在固定膜和振动膜之间形成多个作为竖直弹性柱的cnt支柱，从而通过摩擦力机械地固定振动膜，而与所施加的电压无关。

操作a)可包括：蚀刻第一牺牲层的一部分，以使多个凹槽形成图案；并通过形成于振动膜下方的第一牺牲层中的该多个凹槽，形成凹陷和伸出部分。

操作b)可包括：第二牺牲层的中央部分中使固定电极形成图案。

在操作d)中，可蚀刻固定膜和固定电极，以产生多个以相同图案穿孔的进气口。

操作d)可包括，蚀刻基板的后侧，以形成穿透部分，声压从外部输入至该穿透部分。

可使用多晶硅或氮化硅将振动膜形成为单层膜，或者，可通过使多晶硅和氮化硅交替地堆叠而将振动膜形成为多层膜。

第一牺牲层和第二牺牲层可由光敏材料、二氧化硅和氮化硅中的任何一种形成。

操作e)可包括：去除第一牺牲层，以将振动膜定位在未附接至基板的状态中；并通过cnt支柱的摩擦力，将以未附接方式定位的振动膜固定在基板上。

根据本公开的示例性实施例，由于在固定膜和振动膜之间形成图案化的cnt支柱，以通过cnt支柱的摩擦力机械地固定振动膜，而与所施加的电压无关，所以，可防止施加至振动膜的冲击，并且可增强耐久性。

另外，由于图案化的cnt支柱用作弹簧(具有优化刚度的结构，以当通过声压使振动膜振动时增加振动位移)，所以可使增强灵敏度的效果增到最大。

另外，将根据本公开的示例性实施例的高耐久性和高灵敏度麦克风应用于车辆，可增强基于声音识别的电子设备的性能，由此可预期产品的顾客满意度将增加。

附图说明

图1是示出了相关技术的商业化微电化学系统(mems)麦克风的自由浮动膜结构的视图。

图2是根据本公开的一个示例性实施例的麦克风的示意性剖视图。

图3是示意性地示出了根据本公开的一个示例性实施例的固定膜、振动膜和支柱的透视图和侧视图。

图4是示出了根据本公开的一个示例性实施例的当输入声压时的麦克风的工作原理的剖视图。

图5是示出了根据本公开的一个示例性实施例的麦克风结构和相关技术结构之间的灵敏度的比较和验证的结果的曲线图。

图6至图12是示出了根据本公开的一个示例性实施例的用于制造麦克风的方法的视图。

具体实施方式

在以下详细描述中，已经简单地通过图示仅示出并描述了本公开的某些实例实施例。如本领域技术人员将认识到的，所述实施例可以有多种均不脱离本公开的实质或范围的不同方式修改。因此，附图和描述将被认为本质上是说明性的且非限制性的。相同的参考数字在说明书中表示相同的元件。

在说明书中，除非明确地描述有相反情况，否则词语“包括(comprise)”及诸如“包含(comprises)”或“包括(comprising)”的变化，将理解为意味着包含所述元件，但是不排除任何其他元件。另外，在说明书中描述的术语“…器(-er)”、“…装置(-or)”和“模块”意指用于处理至少一个功能和操作的单元，并可通过硬件部件或者软件部件及其组合来实现。

在下文中，将参考附图详细地描述根据本公开的示例性实施例的高灵敏度麦克风及其制造方法。

图2是根据本公开的一个示例性实施例的麦克风的示意性剖视图。

图3是示意性地示出了根据本公开的一个示例性实施例的固定膜、振动膜和支柱的透视图和侧视图。

参考图2和图3，根据本公开的一个示例性实施例的麦克风100包括基板10、振动膜120、固定膜130和碳纳米管(cnt)支柱140。

基板110可由硅形成，并具有设置于其中央部分中、声压所输入至的穿透部分。

振动膜120覆盖基板110上的穿透部分111。

因此，振动膜120通过形成于基板110中的穿透部分111而部分地暴露，并且，通过从外部传递的声压，使振动膜120的暴露部分振动。

振动膜120包括设置在其下边缘处并位于基板上的伸出和凹陷部分(凹坑)121，以防止振动膜120附接至基板110。伸出和凹陷部分121可具有至少一个伸出部。

振动膜120可通过其本身用作电极，或者可具有单独的设置于其上部中的振动电极(未示出)。这里，当输入声压时，可使振动电极与振动膜120一起振动。

振动膜120可具有由多晶硅或氮化硅(sinx)薄膜形成的单层膜结构。而且，不限于此，振动膜120可具有多层薄膜结构，在该结构中，使多晶硅和氮化硅薄膜交替地堆叠。

将固定膜130安装在振动膜120上方，并通过介于其之间的空气层131使固定膜130与振动膜120隔开，并且，将从固定膜130竖直地延伸的支撑部分134安装在基板10上，以支撑固定膜130(然而，以示出cnt支柱140，图3中省略了支撑部分)。

因此，固定膜130具有壳体结构，其直径大于振动膜120的直径并覆盖位于基板110上的振动膜120。

固定膜130包括在朝向空气层131的方向上穿孔的多个进气口132。

固定电极133设置在固定膜130的下部上，并以与进气口132的图案相同的图案穿孔。

即，固定膜130和固定电极133包括多个以相同图案穿孔的进气口132。这里，由于该多个进气口132允许空气流动，所以声源不会使固定膜130和固定电极133振动。

将cnt支柱140形成为固定膜130和振动膜120之间的竖直弹性柱，并且，cnt支柱机械地固定振动膜120，而与所施加的电压无关。

cnt支柱140(其是在固定膜130和振动膜120之间形成图案的碳纳米管(cnt))，通过摩擦力机械地固定振动膜120。

将cnt支柱140基于固定膜130的中心点以均匀的间隔布置成圆形。

通过生长形成于固定膜130的下部上的cnt籽晶，并通过制造微电化学系统(mems)中的后续过程对振动膜120的上部施加摩擦力，cnt支柱140能够固定振动膜120，而与相关技术中的所施加的电压(即，驱动/非驱动)无关。

这里，振动膜120可具有自由浮动膜结构，其中，将振动膜120通过摩擦力固定在cnt支柱140之间，但是，相对于cnt支柱140或基板110的接触点不以机械的方式或化学的方式附接。

即，在相关技术中，不固定自由浮动膜，因此，其在不施加电压的非驱动状态中会受到冲击的损坏。

相比之下，在本公开的一个示例性实施例中，甚至在不施加电压的非驱动状态中，将振动膜120通过cnt支柱140的摩擦力而机械地固定，由此解决损坏问题并提供高耐久性。

图4是示出了根据本公开的一个示例性实施例的当输入声压时的麦克风的工作原理的剖视图。

参考图4，通过调节柱状cnt的刚度，根据本公开的一个示例性实施例的cnt支柱140用作弹簧，并且，为了描述的目的，将cnt支柱140示出为弹簧。

将振动膜120通过cnt支柱140固定至基板110，并且，将振动膜120水平地设置在非驱动状态中。

当在驱动状态中输入声压时，通过声压使振动膜120振动，导致振动膜120和固定膜130之间的间隔改变，因此，改变振动膜120和固定膜130之间的电容。

特别地，通过声压使cnt支柱140与振动膜120一起变形，以增加振动膜120的振动位移。

即，对由于声压而产生的振动膜120的位移增加由于作为弹簧的cnt支柱140的作用而产生的位移，以增加总振动位移，由此增加振动膜120和固定膜130之间的振动宽度，以增加电容的变化。

将所增加的电容通过衬垫(未示出)和连接到固定电极133与振动膜120中的每个的导线传递，并通过用于信号处理的电路(未示出)转换成电信号，以感测来自外部的声音，从而实现高灵敏度麦克风100。

图5是示出了根据本公开的一个示例性实施例的麦克风结构和相关技术结构之间的灵敏度的比较和验证的结果的曲线图。

参考图5，如图1所示的相关技术支柱4仅用作作为刚性结构的固定端，调节其刚度并不容易，导致难以额外提高灵敏度。

相比之下，根据本公开的示例性实施例的cnt支柱140用作弹簧，其弹性通过声压随着振动膜120同时变形，当通过声压使振动膜120振动时，进一步增加振动位移，从而，作为结果而获得灵敏度的提高。

将参考附图描述根据本公开的一个示例性实施例的用于制造高灵敏度麦克风100的方法。

图6至图12是示出了根据本公开的一个示例性实施例的用于制造麦克风的方法的视图。

参考图6，在制备基板110之后，在基板110上形成第一牺牲层150-1，并将其部分地蚀刻，以使凹槽151形成图案，从而形成振动膜120的凹陷和伸出部分121。这里，基板110可由硅形成。

第一牺牲层150-1可由光敏材料、二氧化硅和氮化硅中的任何一种形成。光敏材料可具有热稳定和机械稳定结构，并可在处理期间轻松地去除。

参考图7，在第一牺牲层150-1的上部上形成振动膜120。

这里，沿着形成于第一牺牲层150-1上的凹槽151，在振动膜120下方形成凹陷和伸出部分121。

这里，可使用多晶硅或氮化硅薄膜将振动膜120形成为单层膜。不限于此，还可通过交替地堆叠多晶硅和氮化硅薄膜，将振动膜120形成为多层。

参考图8，在振动膜120和第一牺牲层150-1上形成第二牺牲层150-2。这里，第二牺牲层150-2可由与第一牺牲层150-1的材料相同的材料形成，并可具有用于形成空气层131的厚度。

参考图9，使用于在后来生长cnt支柱140的cnt(籽晶金属)141在第二牺牲层150-2的两个侧部上形成图案，并且，使后来在固定膜130下方形成的固定电极133在第二牺牲层150-2的中央部分中形成图案。这里，可通过多晶硅使固定电极133形成图案。

参考图10，在包括cnt籽晶141、固定电极133和第二牺牲层150-2的基板100上形成固定膜130。

固定膜130可具有“u形”形状，并覆盖基板110的整个区域。

这里，可通过沉积氮化硅(sin)来形成固定膜130。在另一示例性实施例中，可通过沉积多晶硅来形成固定膜130。

然后，蚀刻固定膜130及位于其下方的固定电极133，以产生多个以相同图案穿孔的进气口132。

这里，可通过干法蚀刻或湿法蚀刻来形成该多个进气口132，并且，一直执行蚀刻，直到在形成振动膜120的竖直方向上暴露第二牺牲层150-2为止。

另外，蚀刻基板110的后表面，直到暴露第一牺牲层150-1以形成声压将从外部所输入至的穿透部分111为止。

参考图11，去除第二牺牲层150-2和第一牺牲层150-1，以在振动膜120和固定膜130之间形成空气层131。

可在进气口132中使用蚀刻剂，通过湿法蚀刻方法来去除牺牲层150。而且，可经由在进气口132中执行基于氧气(o2)等离子体的灰化，通过干法蚀刻方法来去除牺牲层150。

当通过湿法或干法蚀刻方法去除牺牲层150时，形成空气层131，并使振动膜120在基板110上处于非附接状态中。

参考图12，当全部去除牺牲层时，生长cnt籽晶141，以形成cnt支柱140。

使该多个cnt支柱140的柱状端部降低，以与定位为不附接至基板110的振动膜120的上部接触，从而通过摩擦力机械地固定振动膜120。

然后，虽然未示出，但是固定膜130的固定电极133和振动膜120的振动电极，可通过衬垫及其导线电连接到用于信号处理的电路。

根据上述本公开的示例性实施例的麦克风及其制造方法，不限于上述过程(流程)，而是可进行各种修改。

例如，在图10中，示出并描述了形成该多个进气口132，然后，在基板110的后侧上形成穿透部分111，但是本公开的制造方法不限于描述的顺序。例如，在基板110的后侧上形成通孔111的过程，也可在进气口132的形成之前或去除图11的牺牲层150之后执行。

以此方式，根据本公开的一个示例性实施例，由于在固定膜和振动膜之间形成图案化的cnt支柱，以通过cnt支柱的摩擦力机械地固定振动膜，而与所施加的电压无关，所以，可防止施加至振动膜的冲击，并可增强耐久性。

由于图案化的cnt支柱用作弹簧(其带有具有优化刚度的结构，以当通过声压使振动膜振动时增加振动位移)，所以可使增强灵敏度的效果最大化。

另外，将根据本公开的示例性实施例的高耐久性和高灵敏度麦克风应用于车辆，可增强基于声音识别的电子设备的性能，由此可预期产品的顾客满意度增加。

本公开的示例性实施例可能不用必须仅通过上述装置和/或方法来实现，而是也可通过用于实现对应于本公开的实施例的构造的功能的程序、包含该程序的记录介质，等等来实现，并且，从这些实施例的上述描述中，本公开所属的领域中的技术人员可轻松地进行这种实现。

虽然已经结合目前考虑是实际的实例实施例的内容描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，本发明的目的是覆盖包含在所附权利要求书的实质和范围内的各种修改和等价布置。