微机电系统麦克风的制作方法

1.本发明涉及一种声能传感器(acoustic transducer)。特别是涉及一种微机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)麦克风。


背景技术：

2.目前的趋势是制造纤薄、小巧、轻便和高性能的电子装置，包括麦克风。麦克风可以用于接收声波并将声信号转换为电信号。麦克风被广泛应用于日常生活以及安装在例如电话、手机和录音笔等电子产品中。在电容式麦克风(capacitive microphone)中，声压(acoustic pressure)的变化(即由声波导致的环境大气压力的局部压力偏差)使得振膜(diaphragm)相应地产生变形，进而引起电容变化。因此，可以通过测量电容变化所造成的电压变化得到声波的声压变化。
3.与传统驻极体电容式麦克风(electret condenser microphones(ecm))的不同在于，微机电系统(mems)麦克风的机械和电子元件可以利用集成电路(ic)技术整合在一半导体材料上来制造微型麦克风。微机电系统麦克风具有例如小尺寸、轻巧和低功耗等优点，因此已成为微型麦克风的主流。
4.虽然现有的微机电系统麦克风已经足以应付一般使用需求，它们尚未完全满足其他面向。举例而言，微机电系统麦克风中的可检测声波的相容声压范围(即动态范围)依然需要改善。动态范围与最高相容声压(即声学过载点(acoustic overload point)，以下称为「aop」)相关，且最高相容声压是由微机电系统麦克风的谐波失真率(总谐波失真(total harmonic distortion)，以下称为「thd」)所决定。另一方面，如果振膜具有较低的弹性模数(即较低的刚性)，其能够用于感测较小的声压(即具有较高的灵敏度)，但会因此牺牲振模的thd(即aop会降低)。因此，其无法同时实现微机电系统麦克风的高aop、高气压可靠度以及在低频下增强微机电系统麦克风的灵敏度(即无法达到较广的动态范围)。


技术实现要素：

5.有鉴于前述问题，本发明的一目的在于提供一种微机电系统麦克风，其能够实现高aop及高气压可靠度。
6.本发明的一个实施例提供了一种微机电系统(mems)麦克风。微机电系统麦克风包括基板、背板、绝缘层及振膜。基板具有开口部。背板设置于基板的一侧，且具有往基板突出的突起。振膜可动地设置于基板与背板之间，且以间隔距离与背板间隔。突起被配置为在空气流通过开口部时限制振膜的变形。
7.在一些实施例中，突起的高度大于间隔距离的三分之一。
8.在一些实施例中，背板的厚度大于突起的高度。
9.在一些实施例中，微机电系统麦克风还包括位于振模的上表面上的岛状结构。
10.在一些实施例中，岛状结构的厚度等于或大于振模的厚度。
11.在一些实施例中，岛状结构包括对准各个突起的多个岛块。
12.在一些实施例中，当从垂直于振膜的方向观看时，岛状结构横跨多于一个突起。
13.在一些实施例中，振膜延伸跨过基板的开口部。
14.在一些实施例中，基板、背板及振膜通过介电层连接。
15.在一些实施例中，微机电系统麦克风还包括在背板与振膜之间连接的中央柱。
16.在一些实施例中，微机电系统麦克风还包括位于振膜的上表面上的岛状结构，且岛状结构对称设置于中央柱周围。
17.在一些实施例中，岛状结构包括对准各个突起的多个岛块，且当从垂直于振膜的方向观看时，各个岛块横跨多于一个突起。
18.在一些实施例中，多个槽被定义于振膜的环状区域中且彼此分隔。
19.在一些实施例中，多个通气孔被定义于振膜中且彼此分隔。
20.在一些实施例中，微机电系统麦克风还包括位于基板与背板之间的动态阀层，其中动态阀层包括襟翼部(flap portion)，当从垂直于振膜的方向观看时，襟翼部覆盖振膜的至少一个通气孔，且襟翼部在空气流通过通气孔时变形。
附图说明
21.以下将配合所附的附图详述本发明实施例。应注意的是，依据在业界的标准做法，各种特征并未按照比例绘制且仅用以说明例示。事实上，可任意地放大或缩小元件的尺寸，以清楚地表现出本发明实施例的特征。
22.图1为本发明的一些实施例，绘示出微机电系统麦克风的剖面图；
23.图2为本发明的另一些实施例，绘示出微机电系统麦克风的剖面图；
24.图3a及图3b为本发明的一些实施例，绘示出微机电系统麦克风的俯视图；
25.图4a～图4d为本发明的一些其他的实施例，绘示出微机电系统麦克风的剖面图；
26.图5为本发明的又另一些实施例，绘示出微机电系统麦克风的剖面图。
27.符号说明
28.10:微机电系统结构
29.11:基板
30.11a,12a:开口部
31.12:介电层
32.13:背板
33.131:导电层
34.132:绝缘层
35.1321:第一绝缘层
36.1322:第二绝缘层
37.134:突起
38.13a:声孔
39.14:振膜
40.141:通气孔
41.142:槽
42.15:电极层
43.16:隔离结构(岛状结构)
44.161:岛块
45.17:中央柱
46.30:放大图
47.dv:动态阀层
48.dv1:襟翼部
49.g:气隙
50.m:微机电系统麦克风
51.s:间隔距离
52.s1:第一侧
53.s2:第二侧
具体实施方式
54.以下的揭示内容提供许多不同的实施例或范例，以展示本发明实施例的不同部件。以下将揭示本说明书各部件及其排列方式的特定范例，用以简化本发明叙述。当然，这些特定范例并非用于限定本发明。例如，若是本说明书以下的发明内容叙述了将形成第一部件于第二部件之上或上方，即表示其包括了所形成的第一及第二部件是直接接触的实施例，也包括了尚可将附加的部件形成于上述第一及第二部件之间，则第一及第二部件为未直接接触的实施例。此外，本发明说明中的各式范例可能使用重复的参照符号及/或用字。这些重复符号或用字的目的在于简化与清晰，并非用以限定各式实施例及/或所述配置之间的关系。
55.再者，为了方便描述附图中一元件或部件与另一(些)元件或部件的关系，可使用空间相对用语，例如「在
…
之下」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」及诸如此类用语。除了附图所绘示的方位外，空间相对用语也涵盖使用或操作中的装置的不同方位。当装置被转向不同方位时(例如，旋转90度或者其他方位)，则其中所使用的空间相对形容词也将依转向后的方位来解释。
56.除非另外定义，在此使用的全部用语(包含技术及科学用语)具有与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的相同涵义。能理解的是，这些用语例如在通常使用的字典中定义用语，应被解读成具有与相关技术及本发明的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在本发明实施例有特别定义。
57.在本发明中，根据各种例示性的实施例，提供了用于检测声波并可将声波(声信号)转换为电信号的微机电系统(mems)麦克风。具体而言，通过在背板上配置突起以在空气流通过开口部时限制振膜的变形，各种实施例中的微机电系统麦克风可以防止振膜破裂。通过以下描述的各种特征来同时实现气压的高可靠度且在低频率下提升灵敏度。如此一来，本发明的微机电系统麦克风可以实现气压的高可靠度。以下也讨论了一些实施例的变化。在各个附图和说明性实施例中，相同的参考符号用于表示相同的元件。
58.图1是根据本发明的一些实施例，绘示出微机电系统麦克风m的剖面图。应了解的是，为了清楚起见，图1中所描绘的微机电系统麦克风m是被简化过的，以更好地理解本发明的发明概念。可以在微机电系统麦克风m中加入其他附加特征，并且在微机电系统麦克风m
的其他实施例中也可以替换或删除以下描述的一些特征。如图1所示，微机电系统麦克风m为电容式麦克风且包括微机电系统结构10，微机电系统结构10包括基板11、介电层12、背板13、振膜14及电极层15。
59.基板11被配置为在介电层12、背板13、振膜14及电极层15的一侧以支持介电层12、背板13、振膜14以及电极层15。基板11可具有开口部11a，其允许由微机电系统麦克风m接收的声波(例如，如图1中的箭头所示)通过及/或进入微机电系统结构10。基板11可以由硅或类似的材料制成。
60.介电层12设置于基板11与振膜14之间，且设置于振膜14与背板13之间，从而可以在基板11、振膜14及背板13之间提供彼此的部分隔离。此外，介电层12是围绕背板13和振膜14设置，使得背板13和振膜14可以在其边缘被介电层12支撑。因此，基板11、背板13及振膜14通过介电层12连接。再者，介电层12可具有对应于基板11的开口部11a的开口部12a，以允许声波通过振膜14和背板13并接着离开微机电系统结构10。介电层12可以由氧化硅或类似的材料制成。
61.背板13为设置于基板11的一侧的固定元件。背板13可以具有足够的刚性(stiffness)，使得当声波通过背板13时它不会弯曲或移动。在一些实施例中，背板13为坚硬的多孔(perforated)元件，包括多个声孔(acoustic holes)13a，各个声孔13a穿过背板13，如图1所示。声孔13a被配置以允许声波通过。
62.在一些实施例中，如图1所示，背板13包括导电层131以及覆盖导电层131以进行保护的绝缘层132。导电层131和绝缘层132分别位于背板13的第一侧s1和第二侧s2，第一侧s1面向振膜14，且第二侧s2相对于第一侧s1。导电层131可以由多晶硅或类似的材料制成，且绝缘层132可以由氮化硅或类似的材料制成。
63.在一些实施例中，微机电系统结构10通过电极层15的若干电极垫(pads)电连接到一电路(未显示)，电极层15设置于背板13上且电连接到导电层131和振膜14。在一些实施例中，电极层15包括铜、银、金、铝、或其合金。
64.振膜14可相对于背板13移动或位移，其中振膜14可动地设置于基板11与背板13之间，且以间隔距离s与背板间隔。如图1所示，振膜14可以延伸跨过基板11的开口部11a。振膜14是配置用来感测由微机电系统麦克风m接收的声波。
65.振膜14相对于背板13的位移变化引起振膜14与背板13之间的电容变化。然后，通过与振膜14和背板13连接的电路将电容变化转换成电信号，并且通过电极层15将电信号从微机电系统麦克风m传出。
66.另一方面，为了增加振膜14的灵敏度，在振膜14中提供多个通气孔141，且通气孔141用作振膜14中的弹簧(spring)以降低振膜14的刚性。图3a是根据本发明的一些实施例，绘示出具有通气孔141的振膜14的俯视图。在一些替代的实施例中，可具有多于两个的通气孔141。通过这个结构特征，可以实现微机电系统麦克风m的高灵敏度。此外，振膜14中的通气孔141也被配置以减轻振膜14上的高气压。
67.在一些实施例中，如图1所示，往基板11突出的多个突起134被提供或形成于背板13的第一侧s1上，且在振膜14与各个突起134之间形成有一气隙(air gap)g。此外，在振膜14与各个突起134之间的气隙g大小可相同(但不限于此)。
68.请继续参阅图1，为了形成突起134，背板13的绝缘层132可包括第一绝缘层1321以
及堆叠在第一绝缘层1321上的第二绝缘层1322。如图1所示，突起134可以被形成为从第一绝缘层突出。在一些实施例中，第一绝缘层1321及第二绝缘层1322可包括相同的材料或不同的材料。
69.在本发明中，突起134被配置为在空气流通过开口部11a时限制振膜14的变形，且微机电系统麦克风m能够防止振摸14破裂。因此，本发明的微机电系统麦克风可以实现气压的高可靠度。
70.在一些实施例中，举例而言，突起134的高度大于间隔距离s的三分之一(即，气隙g小于间隔距离s的三分之二)。因此，细长的(elongated)突起134可以在空气流通过开口部11a时与振膜14接触，这更限制了振膜14的变形并防止振膜14破裂。
71.为了进一步限制振膜14的任何变形，在一些实施例中，背板13被配置为避免其在气压下变形。举例而言，调整背板13的韧性、应力、刚性、或其他性质以在空气流通过开口部11a时限制背板13的变形并因此限制振膜14的变形。在一些实施例中，将背板13的厚度配置为大于突起134的高度以增加背板13的刚性。因此，强化的背板13可以在空气流通过开口部11a时限制振膜14的变形并防止振膜14破裂。
72.图2是根据本发明的另一个实施例，绘示出微机电系统麦克风m的剖面图。参照图2，微机电系统麦克风m可以还包括在背板13与振膜14之间连接的中央柱17，由此支撑振膜14的中央区域并增加振膜14的aop。此外，围绕中央柱17的突起134可以在空气流通过开口部11a时限制振膜14的变形并防止振膜14破裂。
73.另一方面，为了增加振膜14的灵敏度，可以在振膜14中提供多个槽142。图3b是根据本发明的一些实施例，绘示出具有槽142的振膜14的俯视图。与显示于图3a中的通气孔141相比，多个槽142为具有更细长且弯曲的形状的开口。在一些实施例中，振摸14中的多个槽142靠近介电层12(例如，在背板13的导电层131与介电层12之间)且呈同心圆排列。此外，如图3b中的振膜14的放大图30所示，邻近的圆的多个槽142可以交替排列，使得多个槽142能够用作振膜14中的弹簧以降低振膜14的刚性。在一些替代的实施例中，由多个槽142形成的同心圆的数目可以多于两个。通过这个结构特征，能够实现微机电系统麦克风m的高灵敏度。
74.图4a～图4d是根据本发明的一些其他的实施例，绘示出微机电系统麦克风的剖面图。在以下的实施例中，微机电系统结构10还包括位于振摸14的上表面上的隔离结构16(以下也称为岛状结构16)。如图4a～图4d所示，岛状结构16的厚度可以等于或大于振膜的厚度。应注意的是，在隔离结构16存在的情况下，与没有任何隔离结构的情况相比，突起的高度可以较短。通过在振膜14的上表面上形成隔离结构16，隔离结构16可以在空气流通过开口部11a时与背板13接触(特别是，与背板13的突起134接触)，且隔离结构16更限制了振膜14的变形并防止振膜14破裂。
75.如图4a所示，岛状结构16可以包括与各个突起134对准的多个岛块161。然而，如图4b所示，当从垂直于振膜14的方向观看时，岛状结构16也可以横跨多于一个突起134。
76.参照图4c及图4d，微机电系统结构10也可以在背板13与振膜14之间包括岛状结构16与中央柱17两者。在一些实施例中，如图4c及图4d所示，岛状结构16对称设置于中央柱17周围。因此，突起134、岛状结构16、及中央柱17可以在空气流通过开口部11a时同时限制振膜14的变形，且中央柱17也可以支撑振膜14的中央区域并增加振膜14的aop。
77.与没有中央柱17的实施例类似，如图4c所示，对称设置的岛状结构16可以包括对准各个突起134的多个岛块161。然而，如图4d所示，当从垂直于振膜14的方向观看时，对称设置的岛状结构16也可以横跨多于一个突起134。
78.图5是根据本发明的又另一个实施例，绘示出微机电系统麦克风m的剖面图。在一些实施例中，微机电系统结构10还包括动态阀层dv嵌入介电层12中且具有至少一个襟翼部dv1，且襟翼部dv1从介电层12突出且与振膜14间隔。当从垂直于振膜14的方向观看时，襟翼部dv1可以覆盖振膜14的至少一通气孔141(或一槽)。当振膜14受到来自环境声波的声压影响时，空气可以依序通过开口部11a与通气孔141，如图5中的箭头所示，使得动态阀层dv的襟翼部dv1变形以减轻气压并承受振膜14上的风载(wind load)。如图5所示，虽然动态阀层dv设置于振膜14与背板13之间，本发明不限于此。在一些其他的实施例中，动态阀层dv设置于振膜14与基板11之间。因此，空气能够依序通过声孔13a与通气孔141，使得动态阀层dv的襟翼部dv1变形以减轻气压并承受振膜14上的风载。
79.综上所述，根据各种例示性的实施例，提供了用于检测声波并可将声波(声信号)转换为电信号的微机电系统(mems)麦克风。具体而言，通过在背板上配置突起以在空气流通过开口部时限制振膜的变形，各种实施例中的微机电系统麦克风可以防止振膜破裂。如此一来，本发明的微机电系统麦克风可以实现气压的高可靠度。
80.以上概述数个实施例的特征，以使本发明所属技术领域中普通技术人员可更易理解本发明实施例的观点。本发明所属技术领域中普通技术人员应理解，可轻易地以本发明实施例为基础，设计或修改其他制作工艺和结构，以达到与在此介绍的实施例相同的目的及/或优势。在本发明所属技术领域中普通技术人员也应理解到，此类等效的制作工艺和结构并无悖离本发明的精神与范围，且可在不违背所附的权利要求的精神和范围之下，做各式各样的改变、取代和替换。