抗沖擊硅基mems麥克風(fēng)、包含該麥克風(fēng)的系統(tǒng)和封裝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及麥克風(fēng)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種抗沖擊硅基MEMS麥克風(fēng)、包含該麥克風(fēng)的系統(tǒng)和封裝。
【背景技術(shù)】
[0002]硅基MEMS麥克風(fēng)，也就是所說的聲學(xué)換能器，已經(jīng)研發(fā)多年了。硅基MEMS麥克風(fēng)由于其在小型化、性能、可靠性、環(huán)境耐用性、成本和批量生產(chǎn)能力方面的潛在優(yōu)勢而可以廣泛地用于許多應(yīng)用中，諸如手機(jī)、平板電腦、相機(jī)、助聽器、智能玩具以及監(jiān)視裝置。
[0003]一般地說，硅基MEMS麥克風(fēng)包括固定的穿孔背板和高順應(yīng)性振膜，在該背板和該振膜之間形成有空氣間隙。構(gòu)成可變空氣間隙電容器的所述穿孔背板和所述順應(yīng)性振膜通常形成在單個硅基底上，其中之一通過形成在硅基底中的背孔直接向外部露出。
[0004]專利申請N0.WO 02/15636公開了一種聲學(xué)換能器，該聲學(xué)換能器具有形成有背孔的基底、由低應(yīng)力多晶硅制成并且直接位于所述基底的背孔上方的振膜、以及設(shè)置在所述振膜上方的蓋子部件(等價于所述背板)。所述振膜能夠在平行于所述蓋子部件的平坦表面的自身平面內(nèi)橫向移動，因此，能夠釋放其本征應(yīng)力，從而產(chǎn)生非常一致的機(jī)械順應(yīng)性。
[0005]專利文獻(xiàn)PCT/DE97/02740公開了一種小型化麥克風(fēng)，其中，使用SOI基底來形成麥克風(fēng)以及相關(guān)的CMOS電路。具體說，使用SOI基底的硅層來形成麥克風(fēng)的背板，該背板在SOI基底中所形成的背孔的正上方，隨后沉積的多晶硅薄膜用作麥克風(fēng)的振膜，該多晶硅薄膜在所述背板的上方且兩者之間有空氣間隙，該多晶硅薄膜通過所述背板中的開孔和所述SOI基底中的背孔向外部露出。
[0006]當(dāng)封裝硅麥克風(fēng)時，通常將其安裝在印刷電路板(PCB)上，并使麥克風(fēng)基底中所形成的背孔與PCB板上所形成的聲孔對齊，使得外部聲波能夠容易地抵達(dá)麥克風(fēng)的振膜并使其振動。例如，圖1示出了常規(guī)的硅基MEMS麥克風(fēng)封裝的示例性結(jié)構(gòu)的剖視圖。如圖1所示，在常規(guī)的MEMS麥克風(fēng)封裝中，MEMS麥克風(fēng)10’和其它集成電路20安裝在PCB板30上，并用蓋子40封住，其中，MEMS麥克風(fēng)10’的基底100中所形成的背孔140與PCB板30上所形成的聲孔35對齊。如圖1中的箭頭所示的外部聲波或者聲壓沖擊波穿過PCB板30上的聲孔35和麥克風(fēng)10’的基底100中的背孔140，使麥克風(fēng)10’的振膜200振動。
[0007]然而，從上面的說明中可以看到，無論是單獨(dú)的常規(guī)MEMS麥克風(fēng)還是具有這種麥克風(fēng)的常規(guī)MEMS麥克風(fēng)封裝都存在一個問題，即常規(guī)MEMS麥克風(fēng)的脆弱且易碎的振膜由于例如跌落試驗(yàn)中所引起的非常高的聲壓沖擊而容易受到損害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種具有限幅機(jī)構(gòu)的抗沖擊硅基MEMS麥克風(fēng)，該限幅機(jī)構(gòu)有助于限制脆弱且易碎的振膜發(fā)生由例如跌落試驗(yàn)中的聲壓沖擊波所引起的大幅移動，從而防止振膜受到損壞。
[0009]在本發(fā)明的一個方面，提供一種抗沖擊硅基MEMS麥克風(fēng)，其包括:硅基底，其中設(shè)有背孔；順應(yīng)性振膜，支撐在所述硅基底上并且設(shè)置在該硅基底的背孔上方；穿孔背板，設(shè)置在所述振膜上并與該振膜之間夾有空氣間隙，并且其中還設(shè)有一個或多個第一通孔；以及限幅機(jī)構(gòu)，包括與所述一個或多個第一通孔對應(yīng)的一個或多個T形限幅件，每個限幅件具有下部和上部，該下部穿過其對應(yīng)的第一通孔并且連接到所述振膜，該上部與所述穿孔背板分離并且可自由地垂直移動，其中，所述振膜和所述穿孔背板用來形成可變電容器的電極板。
[0010]優(yōu)選地，所述一個或多個限幅件中的每個限幅件可以由一種或多種材料的堆疊層制成，該材料選自金屬、半導(dǎo)體以及絕緣體所構(gòu)成的組。
[0011]優(yōu)選地，所述抗沖擊硅基MEMS麥克風(fēng)可以進(jìn)一步包括突出件，該突出件從與所述振膜相對的所述穿孔背板的下表面突出。
[0012]優(yōu)選地，所述順應(yīng)性振膜可以由層疊在所述硅基底上的硅器件層的一部分或者多晶硅層來形成，并與該硅基底之間夾有氧化物層。
[0013]優(yōu)選地，所述穿孔背板可以由內(nèi)嵌金屬層的CMOS鈍化層來形成，其中，該金屬層用作所述背板的電極板，或者所述穿孔背板可以由多晶硅層或者SiGe層來形成。
[0014]在一個例子中，所述抗沖擊硅基MEMS麥克風(fēng)可以進(jìn)一步包括互聯(lián)柱，該互聯(lián)柱設(shè)置在所述振膜邊緣和所述背板邊緣之間，用于在電學(xué)上對所述振膜向外引線，以及所述振膜的周沿是固定的。在這種情形中，優(yōu)選地，所述限幅機(jī)構(gòu)可以包括一個限幅件，該限幅件的下部連接到所述振膜的中心，或者所述限幅機(jī)構(gòu)可以包括多個限幅件，該多個限幅件的下部在所述振膜的邊緣附近均勻和/或?qū)ΨQ地連接到該振膜。
[0015]在另一個例子中，所述抗沖擊硅基MEMS麥克風(fēng)可以進(jìn)一步包括互聯(lián)柱，該互聯(lián)柱設(shè)置在所述振膜中心和所述背板中心之間，用于在力學(xué)上對所述振膜進(jìn)行懸置并在電學(xué)上對所述振膜向外引線，以及所述振膜的周沿可自由振動。在這種情形中，優(yōu)選地，所述限幅機(jī)構(gòu)可以包括多個限幅件，該多個限幅件的下部在所述振膜的邊緣附近均勻和/或?qū)ΨQ地連接到該振膜。
[0016]在本發(fā)明的另一方面，提供一種抗沖擊硅基MEMS麥克風(fēng)，其包括:硅基底，其中設(shè)有背孔；穿孔背板，支撐在所述硅基底上并且設(shè)置在該硅基底的背孔上方；順應(yīng)性振膜，設(shè)置在所述穿孔背板上方并與該穿孔背板之間夾有空氣間隙、并且其中還設(shè)有一個或多個第一通孔；以及限幅機(jī)構(gòu)，包括與所述一個或多個第一通孔對應(yīng)的一個或多個T形限幅件，每個限幅件具有下部和上部，該下部穿過其對應(yīng)的第一通孔并且連接到所述穿孔背板，該上部與所述振膜分離，其中，所述穿孔背板和所述振膜用來形成可變電容器的電極板。
[0017]優(yōu)選地，所述一個或多個限幅件中每個限幅件可以由一種或多種材料的堆疊層制成，該材料選自金屬、半導(dǎo)體以及絕緣體所構(gòu)成的組。
[0018]優(yōu)選地，所述抗沖擊硅基MEMS麥克風(fēng)可以進(jìn)一步包括突出件，該突出件從與所述穿孔背板相對的所述振膜的下表面突出。
[0019]優(yōu)選地，所述穿孔背板可以由層疊在所述硅基底上的硅器件層的一部分或者多晶硅層來形成，并與該硅基底之間夾有氧化物層。
[0020]優(yōu)選地，所述順應(yīng)性振膜可以由多晶硅層或者SiGe層來形成。
[0021]在本發(fā)明的另一方面，提供一種麥克風(fēng)系統(tǒng)，其包括集成在單個芯片上的上述任一抗沖擊硅基MEMS麥克風(fēng)和CMOS電路。
[0022]在本發(fā)明的又一方面，提供一種麥克風(fēng)封裝，其包括:PCB板；安裝在所述PCB板上的上述任一抗沖擊硅基MEMS麥克風(fēng)；以及封住所述麥克風(fēng)的蓋子，其中，可以在所述PCB板和所述蓋子中的任一者上形成有聲孔，使得外部聲波可以穿過所述聲孔或者穿過所述聲孔和所述硅基底中的背孔，使振膜振動。
[0023]從上面的描述中可以看出，當(dāng)例如跌落試驗(yàn)中所引起的聲壓沖擊波穿過本發(fā)明所述的單個麥克風(fēng)或者麥克風(fēng)系統(tǒng)中的基底中的背孔、或者穿過本發(fā)明所述的麥克風(fēng)封裝中的PCB板上的聲孔和麥克風(fēng)的基底中的背孔從而使所述麥克風(fēng)的振膜振動時，所述限幅機(jī)構(gòu)可以防止振膜遠(yuǎn)離背板大幅偏移，并且所述背板可以防止振膜朝向背板大幅偏移，因此，本發(fā)明所述的抗沖擊硅基MEMS麥克風(fēng)可以限制其脆弱且易碎的振膜發(fā)生由例如跌落試驗(yàn)中的聲壓沖擊波所引起