一种可在高声压级下工作的硅电容麦克风的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可在高声压级下工作的硅电容麦克风，特别地，涉及一种可在高声压级下工作的硅电容麦克风的MEMS结构。
【背景技术】
[0002]微机电(MEMS, micro-electro-mechanical system)麦克风或称娃电容麦克风因其体积小、适于表面贴装等优点而被广泛用于平板电子装置的声音采集，例如:手机、MP3、录音笔和监听器材等。为满足人民群众日益增长的物质文化需求，硅电容麦克风的体积、成本、信噪比等指标也在不断地优化提高。在相关优化技术方案中，不乏众多努力，试图提高硅电容麦克风可以正常工作的声压级，以拓宽其应用范围。
[0003]传统的技术中，根据电容硅麦克风存在工作的机械工作范围和电气工作范围，将硅电容麦克风的灵敏度降低使得其机械工作范围与对应的电气工作范围重合程度增加，有助于电路最终输出允许的娃麦克风工作的声压级提高。然而这样的做法会损失娃电容麦克风在较小声压级时的灵敏度和信噪比。进一步地，随着电路技术的提高，电气工作范围也在不断地拓展，硅电容麦克风的MEMS结构的机械工作范围逐渐成为制约其正常工作的声压级进一步提闻的瓶颈。
[0004]在已有的优化方法中，针对MEMS结构的机械工作范围的瓶颈，分别有差分结构方案和增大运动间隙的方案。差分结构方案是指在可动的振膜上下方各设置一层背极，并通过同时处理两侧差分电容信号来取得更高的声压级工作范围，这种方案在MEMS工艺上要求加工更多一层的背极，在电路上也要求相应的处理方案，其成本和难度的增加不言而喻；增大运动间隙的方案是指增大振膜上方和下方的间隙，予以振膜更大的活动空间，这种方案在MEMS工艺上要求加工更大的间隙，并且因为间隙增大后电容和电气灵敏度减小，在电路上也要求更强的检测能力。此外，中国专利CN203368750U和CN103402161A将有限空间的麦克风分为几部分，分别有最合适的机械工作范围，这种方案在实际工作时通过电路切换确实可以增加了麦克风的工作范围，但相当于综合了几套系统在有限的麦克风内部，对MEMS结构和电路均造成的很大的压力。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种可在高声压级下工作的硅电容麦克风，能使硅电容麦克风的MEMS结构在保有原来低声压级时的灵敏度、信噪比、线性度以及同样的配套电路的基础上，增加允许工作的声压级，同时优化较大声压级下的线性度。
[0006]为解决上述问题，本发明采用的技术方案是:
[0007]—种可在高声压级下工作的娃电容麦克风，其包括:外壳，该外壳上设置有进音孔；基板，该基板与所述外壳结合，并在基板上设有将各MEMS敏感元件音腔相连的开孔；声腔，所述声腔由各MEMS敏感元件的音腔和基板上的开孔共同构成，并通过布置在所述外壳上的进音孔来形成完整的前腔；振膜，该振膜采用掺杂多晶硅制作，受声腔中的声音信号激发产生振动，振动的空间通过部分地去除牺牲层，从而释放结构来实现；背极，该背极位于振膜上方，米用掺杂多晶娃制成，与振膜形成一对可变电容，容值随声音信号而变化，其中在所述背极上设置有孔、槽等图形，也设置多个有突起，按高声压级优化需要，指定至少一处，该处所设置的突起高度使得该处振膜的活动范围较最邻近的突起处振膜的活动范围缩小10%以上。
[0008]较佳的，所述的在指定处设置的突起高度使得该处振膜的活动范围较最邻近的突起处振膜的活动范围缩小10%以上，是通过分别在指定处与其最邻近处设置不同高度的突起实现。
[0009]较佳的，所述的在指定处设置的突起高度使得该处振膜的活动范围较最邻近的突起处振膜的活动范围缩小10%以上，是通过分别在指定处与其最邻近处设置不同初始应力的振膜或背极，在释放振膜或背极应力后实现。
[0010]较佳的，所述的在指定处设置的突起，其高度与最邻近处突起高度不同，当指定处超过一个时，各指定处设置的突起高度不尽相同。
[0011]较佳的，所述振膜上至少一处设置有突起，以进一步限制振膜的活动范围，其中，所述振膜上突起限制振膜的活动范围与所述背极上突起限制振膜的活动范围同侧或反侧。
[0012]较佳的，所述背极上还设置有孔和/或槽。
[0013]由于采用上述技术方案，本发明有益效果是:使硅电容麦克风的MEMS结构在保有原来低声压级时的灵敏度、信噪比、线性度以及同样的配套电路的基础上，增加允许工作的声压级，同时优化较大声压级下的线性度，从而在原有的生产工艺流程、产品成本和后续工序模式下，拓展了硅电容麦克风的应用范围。
【附图说明】
[0014]图1是本发明一个实施例的具有多个突起高度的硅电容麦克风MEMS结构及其分别受到高中低声压级的输入信号发生机械变形的剖面示意图；
[0015]图2是平板可变电容分别在高中低输入信号驱动下，沿间隙变化的正反方向振动相同位移的示意图；
[0016]图3是单位时间内受到固定频率的高中低声压级驱动后，未采用本发明技术手段的石圭电容麦克风的电容随着时间的变化信号在一个周期内的TJK意图；
[0017]图4是单位时间内受到固定频率的高中低声压级驱动后，采用本发明技术手段的如图1所TK的实施例中，娃电容麦克风的电容随着时间的变化信号在一个周期内的TK意图；
[0018]图5是本发明一个实施例的在振膜上设置突起的硅电容麦克风及其受到高声压级的输入信号发生机械变形的的剖面示意图。
【具体实施方式】
[0019]本发明主要用于一种可在高声压级下工作的硅电容麦克风，能使硅电容麦克风的MEMS结构在保有原来低声压级时的灵敏度、信噪比、线性度以及同样的配套电路的基础上，增加允许工作的声压级，同时优化较大声压级下的线性度，从而在原有的生产工艺流程、产品成本和后续工序模式下，拓展硅电容麦克风的应用范围。下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0020]图1是本发明一个实施例的可在高声压级下工作的硅电容麦克风示意图。如图中所示，硅电容麦克风的MEMS结构，其声腔通过衬底I上的开孔实现，振膜3和背极5通过牺牲层2和牺牲层4确定其高度。振膜3的运动空间通过将牺牲层2和牺牲层4部分去除来形成。振膜3和背极5构成了一对根据受到所述声腔输入的声音信号而变化的平板电容。该电容的容值显然只与振膜3和背极5的相对位置有关，所以此处为讨论方便，仅讨论背极5固定无变形，振膜3没有初始变形，且接触的突起501、503处均能保证振膜3和背极5绝缘的简单情况。实际上，对于背极5存在与振膜3可比的柔性变形、振膜3有初始变形的复杂情况，可以通过预先的判断，通过反向设计予以修正，其相对变形情况与此处讨论的简单情况是相似的。对于接触的突起501、503处可能造成振膜3和背极5短路的情况，可以通过与未采用本发明的类似的硅电容麦克风的工艺或电路手段来处理。本实施例中，振膜3受到声音信号影响产生振动，定义间隙减小电容增大的方向为正向，反之为反向，则其高、中、低输入声压级对应的振膜3运动极限位置分别是:正向低声压级极限位置311、正向中声压级极限位置312、正向高声压级极限位置313、反向低声压级极限位置301 (虚线表示)、反向中声压级极限位置302 (点划线表示)、反向高声压级极限位置303 (双点划线表示)。可以看到，前文所述的在指定处501和503设置的突起高度使得该处振膜的活动范围较最邻近的突起处缩小10%以上，使得振膜3和背极5在指定处接触上后，其附近处的振膜仍有足够的活动空间，可以被声压进一步驱动，从而避免电容变化信号过早出现“截顶”现象，从而优化传感器线性度，对更高声压级的输入信号有正向的响应。
[0021]其中，每种麦克风的低声压级、中声压级、高声压级根据设计的不同而不同，对于本实施例来说，典型值从低到高分别是120dB、130dB、140dB,本实施例在原有基础上使得麦克风工作范围允许正常工作的最大声压级的从120dB增加到了 140dB。
[0022]其中，在指定处设置的突起501高度使得该处振膜的活动范围较最邻近的突起502处缩小10%以上，可以通过多种方式来实现:例如，可以通过设置指定突起501处与邻近的突起502处不同高度的突起实现；也可以通过设置与邻近处不同初始应力的振膜3或背极5，在释放应力后实现，即使得不同位置的振膜3或背极5在应力释放后自然地翘曲，不是生长时的平板状态，这样也可以使得突起501处振膜的活动范围较最邻近的突起502处缩小10%以上。
[0023]其