用于電容式傳聲器隔膜的支撐設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及傳聲器，更具體地，本發(fā)明涉及用于傳聲器隔膜的支架。
【背景技術(shù)】
[0002]微機電系統(tǒng)(“MEMS”，此后稱為“MEMS”器件)被廣泛用于各種應(yīng)用中。例如，當(dāng)前普遍實現(xiàn)MEMS器件作為傳聲器來將聲頻信號轉(zhuǎn)換為電信號、作為陀螺儀來檢測飛行器的俯仰角、以及作為加速度計來選擇性地展開汽車中的氣囊。用簡化的術(shù)語講，這種MEMS器件典型地具有懸掛在基板上的可動結(jié)構(gòu)，以及關(guān)聯(lián)電路，該關(guān)聯(lián)電路感知懸掛結(jié)構(gòu)的運動并將感知到的運動數(shù)據(jù)傳送至一個或更多外部器件(例如，外部計算機)。外部器件處理感知數(shù)據(jù)以計算出被測量的特征(例如，俯仰角或加速度)。
[0003]MEMS傳聲器正日益用于更多數(shù)量的應(yīng)用。例如，MEMS傳聲器經(jīng)常用于便攜式電話和其他此類器件。然而，要滲透更多市場，重要的是獲得滿意的靈敏度和與更多傳統(tǒng)傳聲器匹配的信噪比。
[0004]MEMS傳聲器典型地包括薄隔膜電極和定位在薄隔膜電極旁邊的固定的感知電極。隔膜電極和固定的感知電極與可變電容器的極板相似地起作用。傳聲器操作期間，電荷排列在隔膜電極和固定的感知電極上。當(dāng)隔膜電極響應(yīng)聲波振動時，隔膜電極和固定的感知電極之間的距離變化引起與聲波對應(yīng)的電容變化。這些電容中的變化因此產(chǎn)生代表聲波的電子信號。最終，可對該電子信號進行處理以將聲波在例如揚聲器上再現(xiàn)。
[0005]圖1示出本領(lǐng)域公知的微傳聲器的總體結(jié)構(gòu)。其中，該微傳聲器包括隔膜102和橋電極(即背板)104。隔膜102和背板104作為用于電容電路的電極起作用。如圖所示，背板104可被穿孔以允許聲波到達隔膜102?？蛇x地或另外地，可使聲波通過其他通道到達隔膜。任意情況下，聲波都會引起隔膜振動，并且該振動可被感知作為隔膜102和橋104之間的電容變化。該微傳聲器典型地包括在隔膜102后面的實質(zhì)空腔106以允許隔膜102自由移動。
[0006]許多MEMS傳聲器采用完全錨固在其周緣的隔膜，與鼓的頭部類似。這種隔膜會出現(xiàn)很多問題。例如，在有聲波的情況下，這種隔膜傾向于彎曲而不會上下一致地移動，如圖2A所示。這種彎曲會消極地影響傳聲器的靈敏度，特別是由于內(nèi)張力以及隔膜部分和固定的感知電極部分之間的距離變化引起的隔膜的限量位移。這種隔膜也會受靈敏度至應(yīng)力(例如，熱膨脹)的影響，所述應(yīng)力會扭曲隔膜的形狀并會影響隔膜的機械完整性和傳聲器產(chǎn)生的聲音質(zhì)量。
[0007]某些MEMS傳聲器具有通過多個彈簧以可移動的方式與其基礎(chǔ)固定構(gòu)件(此后稱為的“托架”)連接的隔膜。彈簧傾向于使隔膜上下一致地移動(即，與柱塞相似)，如圖2B所示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種傳聲器，具有:基板；由所述基板支撐的隔膜組件，所述隔膜組件包括至少一個托架、隔膜和將所述隔膜聯(lián)接至所述至少一個托架的至少一個彈簧，所述隔膜與所述至少一個托架隔開；以及至少一個絕緣體，所述絕緣體在所述基板和所述至少一個托架之間以使所述隔膜和所述基板電絕緣。
[0009]各種可選實施方式中，所述基板和隔膜可電容耦合以形成可變電容器的固定板和可動板。各托架可聯(lián)接至絕緣體，所述絕緣體與所述基板聯(lián)接。所述隔膜可被穿孔和/或成波紋狀。所述隔膜和所述至少一個托架之間的空間可在所述隔膜的標(biāo)稱平面中。所述隔膜可與所述至少一個托架應(yīng)力隔離。所述至少一個托架可包括圍繞所述隔膜的單個整體托架或可包括多個不同的托架。所述至少一個絕緣體可包括氧化物。所述隔膜組件可包括多晶硅。所述至少一個絕緣體可直接或間接地形成在所述基板上，并且所述至少一個托架可直接或間接地形成在所述至少一個絕緣體上。所述基板可由絕緣硅晶片的硅層形成。所述基板可包括多個通孔，該情況下所述通孔可允許聲波從所述基板的背側(cè)到達所述隔膜。該傳聲器可包括響應(yīng)于隔膜運動產(chǎn)生信號的電子電路。該電子電路可直接或間接地形成在所述基板上。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種傳聲器，該傳聲器包括:基板;隔膜;用于以可移動的方式將所述隔膜聯(lián)接至所述基板的支撐裝置，該支撐裝置包括用于與所述基板固定聯(lián)接的托架裝置和用于以可移動的方式將所述隔膜聯(lián)接至所述托架裝置并將所述隔膜與所述托架裝置隔開的懸掛裝置；以及用于使所述隔膜和所述基板電絕緣的絕緣體裝置。
[0011]各種可選實施方式中，所述傳聲器可進一步包括用于將所述基板和所述隔膜電容耦合以形成可變電容器的固定板和可動板的裝置。所述傳聲器可另外地或可選地包括用于允許聲波從所述基板的背側(cè)到達所述隔膜的裝置。所述傳聲器可另外地或可選地包括用于響應(yīng)于隔膜運動產(chǎn)生信號的裝置。
【附圖說明】
[0012]從以下參照附圖對本發(fā)明的進一步的說明可更充分地理解本發(fā)明的前述優(yōu)點，其中:
[0013]圖1示出本領(lǐng)域公知的微傳聲器的總體結(jié)構(gòu)；
[0014]圖2A示意性地示出鼓狀MEMS傳聲器隔膜的彎曲動作；
[0015]圖2B示意性地示出附有彈簧的MEMS傳聲器隔膜的柱塞式動作；
[0016]圖3示意性地示出可根據(jù)本發(fā)明的說明性的實施方式生產(chǎn)的MEMS傳聲器；
[0017]圖4示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的說明性的實施方式構(gòu)形的圖3的傳聲器的平面圖；
[0018]圖5示出根據(jù)示例性實施方式構(gòu)形的具體的傳聲器的平面圖照片；
[0019]圖6示出在圖5中示出的彈簧的局部放大平面圖圖片；
[0020]圖7示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的說明性的實施方式構(gòu)形的傳聲器的橫截面視圖和局部俯視圖，所述隔膜處于未釋放狀態(tài);并且
[0021]圖8示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的說明性的實施方式構(gòu)形的傳聲器的橫截面視圖和局部俯視圖，所述隔膜處于釋放狀態(tài)。
[0022]為了便于解釋特定圖的黑白復(fù)印件，用下列圖例識別不同的材料:“S”表示單晶硅；“O”表示氧化物；“P”表示多晶硅；“M”表示金屬;并且“Pass”表示鈍化材料諸如氮化物。
[0023]除非上下文另有提示，相似元件用相似數(shù)字表示。同樣，除非另有所指，附圖不必按比例繪制。
【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明的實施方式中，MEMS傳聲器包括由基板支撐的隔膜組件。該隔膜組件包括至少一個托架、隔膜、以及至少一個彈簧，所述彈簧將所述隔膜聯(lián)接至所述至少一個托架使得所述隔膜與所述至少一個托架隔開。在所述基板和所述至少一個托架之間的絕緣體(或分離的絕緣體)使所述隔膜和所述基板電絕緣。所述托架可被直接聯(lián)接至所述絕緣體并且所述絕緣體可被直接聯(lián)接至所述基板;可選地，一種或多種另外的材料可將所述絕緣體與所述基板和/或所述托架分開。在所述隔膜和所述基板互相電絕緣的情況下，所述隔膜和所述基板可電容耦合并因此可用作可變電容器的兩個極板以將聲頻信號轉(zhuǎn)換為電信號。
[0025]圖3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的說明性的實施方式的未封裝的MEMS傳聲器10(也稱為“傳聲器芯片10”)。其中，傳聲器10包括支撐并與包括隔膜14的隔膜組件形成可變電容器的固定的背板12(所述隔膜組件和背板12的連接細節(jié)在下面討論)。說明性的實施方式中，背板12由單晶硅形成，包括隔膜14的隔膜組件由沉積的多晶硅形成，并且背板12和所述隔膜組件之間的絕緣體由氧化物形成。該示例中，背板12由絕緣硅(SOI)晶片20的頂部硅層形成所以靠在基礎(chǔ)氧化物層和基部硅層上。為了便于操作，背板12具有多個通孔16，通孔16通向經(jīng)過所述基礎(chǔ)氧化物層和基部硅層形成的背側(cè)空腔18。使用和封裝傳聲器10使得聲波經(jīng)背側(cè)空腔18和通孔16到達隔膜14。
[0026]音頻信號引起隔膜14振動，因此產(chǎn)生變化的電容。片上電路或片下電路將該變化的電容轉(zhuǎn)換成可進一步處理的電信號。要注意的是對圖3所示的傳聲器10的討論只是出于說明的目的。因此可與本發(fā)明的說明性的實施方式一起采用具有與圖3所示的傳聲器10類似或不類似的結(jié)構(gòu)的其他MEMS傳聲器。
[0027]圖4示意性地示出根據(jù)說明性的實施方式構(gòu)形的傳聲器10的平面圖。該示例性的傳聲器10具有許多與圖3所示的特征相同的特征。具體地，如圖所示，傳聲器10包括基板20，基板20具有多個托架22(該實例中是四個托架)，托架22經(jīng)由多個彈簧24支撐隔膜14。與隔膜14不相似的是，每個托架22與基板20固定聯(lián)接。說明性的實施方式中，電絕緣材料(例如，氧化物)層將每個托架22聯(lián)接至基板20并使每個托架22與基板20電絕緣。
[0028]其中，這種布置在至少一個托架22和隔膜14之間形成膨脹空間26。因此，如果受到應(yīng)力，隔膜14可自由膨脹到該空間26內(nèi)。相應(yīng)地，在預(yù)期的應(yīng)力下，隔膜14不會與托架22機械接觸(這種接觸會降低系統(tǒng)性能)。
[0029]圖5示出根據(jù)說明性的實施方式構(gòu)形的具體的傳聲器10的平面圖照片，而圖6示出圖5所示的一個彈簧24的局部放大平面圖圖片。要注意的是具體的傳聲器10是本發(fā)明的各種實施方式的示例。相應(yīng)地，不應(yīng)認為對具體組件的討論諸如彈簧24的形狀和數(shù)量是對本發(fā)明各種實施方式的限制。
[0030]如圖所示，傳聲器10具有圓環(huán)形隔膜14和四個徑向延伸但是周向成形的彈簧24，彈簧24在(多個)托架22和隔膜14的外周緣之間形成空間26。該示例中，所述隔膜組件包括圍繞隔膜14的單個整體托架22。除設(shè)置提到的膨脹空間26外，彈簧24也應(yīng)在向下移動時減輕隔膜彎曲(即，在隔膜14從其頂部看呈凹狀時)。相應(yīng)地，由此，隔膜14應(yīng)與不具有空間26或彈簧24的現(xiàn)有技術(shù)相比以更一致的方式向基板20移動。例如，隔膜14可以接近柱塞的方式上下移動。相應(yīng)地，隔膜14應(yīng)可更自如地上下移動，并且隔膜14的內(nèi)表面的更多區(qū)域應(yīng)可用來產(chǎn)生基礎(chǔ)信號。
[0031]圖7示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的說明性的實施方式構(gòu)形的傳聲器10的橫截面視圖和局部俯視圖，所述隔膜處于未釋放狀態(tài)。該圖示意性地示出上述的多個特征，諸如隔膜14和基板20之間的空間，以及隔膜14和托架22之間的空間。該圖中，示出所述隔膜具有氧化物下層，該氧化物下層后來被移除以釋放所述隔膜。圖8示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的說明性的實施方式構(gòu)形的傳聲