專(zhuān)利名稱(chēng)：穿孔微型硅麥克風(fēng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種娃麥克風(fēng)，尤其是一種穿孔微型娃麥克風(fēng)，屬于娃麥克風(fēng)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
相關(guān)的參考文獻(xiàn)如美國(guó)專(zhuān)利文件5，146，435 ;5，452，268 ;6，535，460 ； 6，847，090 ;6，870，937 ;6，945，115 ;7，152，481 ;7，329，933 ;7，346，178 ;US2006/0280319。對(duì)于許多出版物和披露來(lái)說(shuō)娃電容式麥克風(fēng)已成為有吸引力的話(huà)題。微加工的分批加工能夠使這些麥克風(fēng)廉價(jià)和大批量的生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的電容式麥克風(fēng)相比較，硅電容式麥克風(fēng)提供了一個(gè)更大的優(yōu)化參數(shù)，同時(shí)也便于電子集成芯片。在許多出版物中，例如編號(hào)為5146435、5452268、6847090和6870937的美國(guó)專(zhuān)利
文件，硅電容式麥克風(fēng)的可移動(dòng)隔膜是由襯底支持或絕緣體支持的，諸如氮化硅、氧化硅和聚酰亞胺的絕緣體，這些支持保證可移動(dòng)隔膜的優(yōu)勢(shì)。在襯底和可移動(dòng)隔膜表面之間應(yīng)用的加載一定的電壓，并在通過(guò)聲波時(shí)，產(chǎn)生的回應(yīng)引起偏差和振動(dòng)，在特定情況下如編號(hào)為6535460的美國(guó)專(zhuān)利描述的那樣，可移動(dòng)隔膜允許在支撐環(huán)上暫停。王等人的編號(hào)為 7329933美國(guó)專(zhuān)利介紹了傳聲器傳感元件及其制造方法，該傳感元件有一個(gè)隔膜和一個(gè)附加的電引出裝備，這個(gè)電引出裝備最好由多晶硅組成，多晶硅由形成在導(dǎo)電硅襯底上的底層背板區(qū)域上的空氣間隙與隔膜所分離。底層背板區(qū)域上有聲孔，通過(guò)腐蝕底層背板區(qū)域連續(xù)溝槽內(nèi)的氧化物形成聲孔，并在聲孔上方形成空氣間隙。隔膜是軟約束沿其邊緣的彈性元件連接到周?chē)膭傂远嗑Ч鑼?，彈性元件是一個(gè)典型的聚合物，如采用聚對(duì)二甲苯的彈性元件的楊氏模量大大低于隔膜的楊氏模量。第一電極及第二電極分別通過(guò)引出裝備連接到隔膜，并通過(guò)多晶硅經(jīng)由填料連接到基板，并因此構(gòu)建聲學(xué)傳感器的可變電容電路?？紤]到一個(gè)好的麥克風(fēng)能使得穿過(guò)其運(yùn)行音頻頻段會(huì)具有幾乎平直的錄放幅頻響應(yīng)，即從20赫茲到20千赫都具有平直的錄放幅頻響應(yīng)。好的麥克風(fēng)還需要有高信噪比， 以便配有麥克風(fēng)的電子設(shè)備可以在嘈雜的環(huán)境中工作。通常使用麥克風(fēng)得到的高信噪比具有足夠高的固有敏感性，這意味著麥克風(fēng)的隔膜必須充分兼容，這樣它能感知到較小的聲壓波動(dòng)。然而，達(dá)到較大的動(dòng)態(tài)頻段和較高的敏感度可能存在目標(biāo)沖突，因?yàn)槿绻浅＜嫒莸脑?huà)，較大的聲壓可能會(huì)導(dǎo)致隔膜受其偏壓而瓦解。隔膜的尺寸和厚度固定時(shí)，硅電容麥克風(fēng)的敏感度主要是受隔膜的內(nèi)應(yīng)力影響。由于內(nèi)應(yīng)力是在加工過(guò)程中產(chǎn)生的，所以應(yīng)力釋放與控制技術(shù)對(duì)一個(gè)良好的娃電容式麥克風(fēng)來(lái)說(shuō)很重要。一種常用的應(yīng)力釋放技術(shù)是要在隔膜中形成波紋狀。起波紋的隔膜能夠在加工過(guò)程中釋放內(nèi)置應(yīng)力，從而提高隔膜的機(jī)械敏感度并減小非再生性。與傳統(tǒng)的平隔膜相比，波紋隔膜的敏感度增加使得具有較好的機(jī)械敏感度，特別在有較高殘余應(yīng)力的情況下。好的麥克風(fēng)還需要在可能充滿(mǎn)灰塵和/或微粒的環(huán)境中工作，這些灰塵和微粒會(huì)落到隔膜表面。這些粉塵和/或顆?？赡軙?huì)很小，不至于造成麥克風(fēng)的災(zāi)難性故障。然而， 它們肯定會(huì)導(dǎo)致麥克風(fēng)的性能下降。這種退化的一個(gè)原因是由于這些粉塵會(huì)成為隔膜的附加質(zhì)量，造成隔膜的兼容性降低，并因此對(duì)聲音的敏感度變?nèi)?。塵埃顆粒也有可能被捕集到隔膜和背板之間的空氣間隙里，使隔膜不靈活，并因此使麥克風(fēng)敏感度降低。在實(shí)踐中，硅麥克風(fēng)的隔膜需要有足夠的粗糙度以便通過(guò)可靠性測(cè)試。這種粗糙度要求可能會(huì)導(dǎo)致麥克風(fēng)的固有敏感度較低，因此需要使用信號(hào)調(diào)節(jié)和放大電路與硅傳感元件連結(jié)。對(duì)于硅電容式麥克風(fēng)，聲壓下由隔膜振動(dòng)引起的電容變化作為拾音器的驅(qū)動(dòng)元件。這是麥克風(fēng)的原始敏感性。理想的情況下，這種原始信號(hào)應(yīng)通過(guò)電子電路調(diào)節(jié)并放大， 沒(méi)有任何損失。但事實(shí)上，仍有與硅傳感元件相關(guān)的寄生效應(yīng)。寄生效應(yīng)可作為分壓器，降低麥克風(fēng)的原始敏感性，因此要求電子電路對(duì)原始信號(hào)進(jìn)一步放大，并降低麥克風(fēng)的信噪比。因此使用最小的寄生效應(yīng)制作硅傳感元件非常重要。在微細(xì)加工中，沉積膜必然存在剩余應(yīng)力，如氮化硅、多晶硅、聚酰亞胺。因此，要開(kāi)發(fā)一種技術(shù)，即在保持其機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)釋放沉積膜中的剩余應(yīng)力，這是非常重要的。而制作工藝簡(jiǎn)單、可靠的硅麥克風(fēng)制造同樣也很重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種具有寬而平坦的頻率響應(yīng)并具有高信噪比的穿孔微型硅麥克風(fēng)。本發(fā)明的再一內(nèi)容是要提供一種由支撐在基板上的沖孔背板構(gòu)成的微型娃電容式麥克風(fēng)。本發(fā)明的另一內(nèi)容是要提供一種具有淺波紋膜片的微型硅電容式麥克風(fēng)。本發(fā)明的再一內(nèi)容是要提供一種淺波紋膜片穿孔的微型硅電容式麥克風(fēng)。本發(fā)明的另一內(nèi)容是要提供一種淺波紋和穿孔隔膜完全夾固在背板或基板邊緣的微型娃電容式麥克風(fēng)。本發(fā)明的再一內(nèi)容是要提供一種穿孔背板與匹配基板電氣隔離的微型硅電容式麥克風(fēng)。本發(fā)明的另一內(nèi)容是要提供一種寄生效應(yīng)降低的微型娃電容式麥克風(fēng)。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述穿孔微型硅麥克風(fēng)，包括一淺波紋隔膜，并在所述淺波紋隔膜上形成若干隔膜穿孔；一背板，所述背板上設(shè)置若干背板穿孔，所述背板穿孔形成于隔膜穿孔下方相對(duì)應(yīng)的位置；一基板，所述基板支撐所述背板和淺波紋隔膜；及一絕緣層，所述絕緣層位于背板與基板間。所述淺波紋隔膜的邊緣與基板相連，以固定支撐在所述基板上。所述形成隔膜穿孔的淺波紋隔膜與形成背板穿孔的背板間形成用于傳遞緩慢變化環(huán)境壓力的一低通濾波器。所述淺波紋隔膜上支撐有一用于形成電容電極的導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜上設(shè)置與隔膜穿孔對(duì)應(yīng)并連通的穿孔。 所述背板上設(shè)有開(kāi)口。所述支撐在淺波紋隔膜上的導(dǎo)電薄膜通過(guò)開(kāi)口位于背板上。一種類(lèi)似的技術(shù)方案，所述穿孔微型硅麥克風(fēng)，包括一淺波紋隔膜，并在所述淺波紋隔膜上形成若干隔膜穿孔；一背板，所述背板上設(shè)置若干背板穿孔，所述背板穿孔形成于隔膜穿孔下方相對(duì)應(yīng)的位置；一基板，所述基板支撐所述背板和淺波紋隔膜；一絕緣層，所述絕緣層位于背板與基板間；及一環(huán)形圈，間隔并連接中心區(qū)的淺波紋隔膜及鄰近所述中心區(qū)淺波紋隔膜對(duì)應(yīng)的隔膜穿孔。所述淺波紋隔膜的邊緣與基板相連，以固定支撐在所述基板上。所述形成隔膜穿孔的淺波紋隔膜與形成背板穿孔的背板間形成用于傳遞緩慢變化環(huán)境壓力的一低通濾波器。所述淺波紋隔膜上支撐有一用于形成電容電極的導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜上設(shè)置與隔膜穿孔對(duì)應(yīng)并連通的穿孔。所述背板上設(shè)有斷流器。所述支撐在淺波紋隔膜上的導(dǎo)電薄膜通過(guò)開(kāi)口位于背板上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)基板上支撐有穿孔背板、上述穿孔背板上方懸浮有帶淺波紋和穿孔的隔膜，穿孔背板夾固于基板對(duì)應(yīng)穿孔背板的邊緣。上述穿孔背板是與通過(guò)一層電介質(zhì)材料與上述基板電氣隔離的。上述懸浮的淺波紋隔膜有多個(gè)聲孔，以便緩慢變化的環(huán)境壓力通過(guò)，同時(shí)補(bǔ)償背腔進(jìn)出的大氣壓力。每個(gè)穿孔隔膜本身支撐一個(gè)隨之運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電電極， 由此每個(gè)穿孔背板形成一個(gè)帶有上述穿孔隔膜的電容器。上述電容器的電容隨著膈膜的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化，對(duì)傳遞聲波做出反應(yīng)。導(dǎo)線與上述導(dǎo)電電極相連，提供輸出信號(hào)，從而能提供具有寬而平坦的頻率響應(yīng)并具有高信噪比的穿孔微型硅麥克風(fēng)。


圖I是一個(gè)通用的硅麥克風(fēng)橫截面圖，用來(lái)說(shuō)明決定低頻截止的流體力學(xué)。圖2是一個(gè)仿效圖,顯不娃麥克風(fēng)的低頻跌落。圖3是一個(gè)仿效圖，顯示硅麥克風(fēng)改進(jìn)后的低頻反應(yīng)。圖4是波紋和穿孔隔膜及穿孔背板，是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案。圖5是微型娃電容式麥克風(fēng)俯視圖,是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案。圖6是微型硅電容式麥克風(fēng)金屬接觸區(qū)展開(kāi)圖，是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案。圖7是沿圖4中A-A’線制作的微型硅電容式麥克風(fēng)橫截面圖，是本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案。圖8是微型硅電容式麥克風(fēng)的俯視圖，是本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。對(duì)于硅電容麥克風(fēng)，其敏感性主要與隔膜的內(nèi)在應(yīng)力進(jìn)行控制有關(guān)；當(dāng)隔膜的尺寸固定時(shí)，其機(jī)械敏感度與隔膜中的內(nèi)在應(yīng)力是成反比的。在與其自身平面垂直的平面中作像活塞一樣自由移動(dòng)時(shí)，隔膜的機(jī)械敏感度最高。另一方面，在隔膜中需要保持一定程度的內(nèi)在應(yīng)力，以便其共振頻率遠(yuǎn)離其運(yùn)行的頻率范圍，從而在音頻頻段中呈現(xiàn)出平坦的頻率響應(yīng)。此外，從機(jī)械強(qiáng)度方面來(lái)說(shuō)還需要隔膜變得更硬。這似乎與提議的要求相矛盾，硅電容式麥克風(fēng)需要有嚴(yán)格控制其內(nèi)在應(yīng)力的方法，以達(dá)到最終產(chǎn)品的要求。釋放或控制隔膜中內(nèi)在應(yīng)力的技術(shù)是要開(kāi)發(fā)一種昂貴的微細(xì)加工方法，但這種技術(shù)在不同的鑄造廠之間被轉(zhuǎn)用，因?yàn)樗麄兺胁煌哪芰?。麥克風(fēng)的頻寬也取決于較低的截止頻率。較低的截止頻率是由密閉空腔中的空氣造成的。例如，隔膜和背板及回室之間的狹窄氣隙，是由于需要均壓通風(fēng)以補(bǔ)償大氣壓力 (低頻)下非常慢的變化，同時(shí)避免隔膜貼到背板上，但是這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在隔膜反應(yīng)中產(chǎn)生低頻機(jī)械性跌落。均壓通風(fēng)使許多硅麥克風(fēng)避免了傳感性低于100赫茲的現(xiàn)象。為了保持盡可能低的低頻跌落現(xiàn)象，必須對(duì)靜壓均衡通風(fēng)口和聲孔的大小和形狀進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。美國(guó)出版物2006/0280319，描述了一種微電容式麥克風(fēng)，它具有淺波紋隔膜，淺波紋隔膜固定在支架的一個(gè)或多個(gè)位置，在支架上有多個(gè)凹痕以自身起支撐作用并使其能在穿孔背板上自由安置。隔膜的兩端沒(méi)有固定，它被軌道邊沿的活栓所綁定。披露內(nèi)容還包括有一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的固定穿孔背板；隔膜形成的可調(diào)懸臂，支架和背板；保持隔膜和背板之間垂直間隔的多個(gè)凹痕；以及隔膜和背板所載電極導(dǎo)線的圖形。編號(hào)為6870939的美國(guó)專(zhuān)利文件，描述了一種電聲換能器，它由下電極和上電極組成，包括振蕩部分和支持振蕩部分的支撐部分，支撐部分至少是振蕩部分外圍的那部分； 還有一個(gè)絕緣層，將下電極與上電極進(jìn)行絕緣，其中上電極在振蕩部分和/或在支持部分有一個(gè)上下起伏部分，從而在上電極和下電極之間形成一個(gè)腔。在這些出版物中，硅麥克風(fēng)是具有隔膜的，要么隔膜不穿孔，要么沿隔膜邊緣僅有通風(fēng)孔。通風(fēng)孔是用來(lái)補(bǔ)償回室內(nèi)外壓力的。在其他出版物里，如王先生/女士等人編號(hào)為7346178的美國(guó)專(zhuān)利文件，即描述了一種基于傳感兀件的娃麥克風(fēng)。該麥克風(fēng)傳感兀件有一隔膜，隔膜有一穿孔板與每一邊或角相鄰。隔膜與導(dǎo)電基板中的一個(gè)或多個(gè)背孔對(duì)齊，其中背孔的寬度小于隔膜的寬度。穿孔板懸掛在基板上方的空隙上方。隔膜兩端由機(jī)械彈簧支撐，通過(guò)固定在絕緣層間隔層上的剛性墊在角、邊、中心或終端處附著在隔膜上。在一個(gè)或多個(gè)剛性墊上形成第一個(gè)電極， 在基板的一個(gè)或多個(gè)位置處形成另一個(gè)電極，從而構(gòu)成一個(gè)可變電容電路。該麥克風(fēng)傳感元件可以采用不同方法的體現(xiàn)出來(lái)以減少寄生電容。在這一特例中，穿孔隔膜懸于導(dǎo)電基板上方，由基板上的蝕刻形成空腔。本發(fā)明的微型硅麥克風(fēng)設(shè)計(jì)方法是先從流體力學(xué)理論方面著手。我們了解到，麥克風(fēng)響應(yīng)頻率最低在很大程度上取決于靜壓均衡通氣孔，通氣孔的目的是在大氣壓強(qiáng)變化的情況下預(yù)防隔膜膨脹。對(duì)于音頻范圍內(nèi)的大多數(shù)頻率，通氣孔就小到足以使其空氣阻力阻止聲波進(jìn)入麥克風(fēng)內(nèi)腔。然而，較低頻率的一小部分聲波仍能通過(guò)通風(fēng)孔進(jìn)入麥克風(fēng)內(nèi)腔。然后麥克風(fēng)內(nèi)腔中的低頻聲音開(kāi)始對(duì)抗隔膜運(yùn)動(dòng)，麥克風(fēng)的頻率響應(yīng)曲線縮小，同時(shí)其相位響應(yīng)改變。當(dāng)隔膜兩側(cè)的瞬時(shí)低頻聲壓相同時(shí)，麥克風(fēng)完全停止響應(yīng)。(因?yàn)楸仨氂幸粋€(gè)跨越隔膜使其移動(dòng)的壓力差)從流體力學(xué)的理論上，用于平衡減輕環(huán)境壓力的通風(fēng)孔將擁有一個(gè)有效的質(zhì)量， 可以表示為
權(quán)利要求
1.一種穿孔微型硅麥克風(fēng)，其特征是包括一淺波紋隔膜，并在所述淺波紋隔膜上形成若干隔膜穿孔；一背板，所述背板上設(shè)置若干背板穿孔，所述背板穿孔形成于隔膜穿孔下方相對(duì)應(yīng)的位置；一基板，所述基板支撐所述背板和淺波紋隔膜；及一絕緣層，所述絕緣層位于背板與基板間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的穿孔微型硅麥克風(fēng)，其特征是所述淺波紋隔膜的邊緣與基板相連，以固定支撐在所述基板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的穿孔微型硅麥克風(fēng)，其特征是所述形成隔膜穿孔的淺波紋隔膜與形成背板穿孔的背板間形成用于傳遞緩慢變化環(huán)境壓力的一低通濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的穿孔微型硅麥克風(fēng)，其特征是所述淺波紋隔膜上支撐有一用于形成電容電極的導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜上設(shè)置與隔膜穿孔對(duì)應(yīng)并連通的穿孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的穿孔微型硅麥克風(fēng)，其特征是所述背板上設(shè)有開(kāi)口。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的穿孔微型硅麥克風(fēng)，其特征是所述支撐在淺波紋隔膜上的導(dǎo)電薄膜通過(guò)開(kāi)口位于背板上。
7.一種穿孔微型硅麥克風(fēng)，其特征是包括一淺波紋隔膜，并在所述淺波紋隔膜上形成若干隔膜穿孔；一背板，所述背板上設(shè)置若干背板穿孔，所述背板穿孔形成于隔膜穿孔下方相對(duì)應(yīng)的位置；一基板，所述基板支撐所述背板和淺波紋隔膜；一絕緣層，所述絕緣層位于背板與基板間；及一環(huán)形圈，間隔并連接中心區(qū)的淺波紋隔膜及鄰近所述中心區(qū)淺波紋隔膜對(duì)應(yīng)的隔膜穿孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的穿孔微型硅麥克風(fēng)，其特征是所述淺波紋隔膜的邊緣與基板相連，以固定支撐在所述基板上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的穿孔微型硅麥克風(fēng)，其特征是所述形成隔膜穿孔的淺波紋隔膜與形成背板穿孔的背板間形成用于傳遞緩慢變化環(huán)境壓力的一低通濾波器。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的穿孔微型硅麥克風(fēng)，其特征是所述淺波紋隔膜上支撐有一用于形成電容電極的導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜上設(shè)置與隔膜穿孔對(duì)應(yīng)并連通的穿孔。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的穿孔微型硅麥克風(fēng)，其特征是所述背板上設(shè)有斷流器。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的穿孔微型硅麥克風(fēng)，其特征是所述支撐在淺波紋隔膜上的導(dǎo)電薄膜通過(guò)開(kāi)口位于背板上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種穿孔微型硅電容式麥克風(fēng)，所述微型硅電容式麥克風(fēng)包含一個(gè)穿孔背板，背板由基板支撐；和一個(gè)帶有淺波紋和穿孔的隔膜，隔膜懸于上面所述背板上，并且所述懸著的淺波紋穿孔隔膜完全被所述基板夾固在所述背板邊緣；所述穿孔背板與所述基板被絕緣層絕緣隔離；所述懸著的淺波紋隔膜有許多穿孔，從而貫通緩慢變化的環(huán)境壓力，并平衡進(jìn)入和退出后室腔的氣壓。
文檔編號(hào)H04R19/04GK102611976SQ20121008527
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月27日
發(fā)明者王云龍 申請(qǐng)人:美國(guó)通用微機(jī)電系統(tǒng)公司