CN100539740C - 硅麦克风 - Google Patents

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Abstract

硅麦克风。公开了一种固态转换器。该转换器包括半导体基板，该半导体基板形成支撑结构，并具有一开口。形成对流体传输的声压进行响应的振动膜的薄膜结构设置在该开口上方。该转换器进一步包括多个半导体支撑件和从该振动膜边缘延伸的、用于将该振动膜的周边连接到该多个半导体支撑件的多个切向臂。这些切向臂允许该振动膜相对这些支撑件转动以消除该振动膜中的膜应力。该转换器还包括设置在该基板和该振动膜之间的多个止挡凸起。这些止挡凸起确定在该转换器被施加偏压时该振动膜到该基板的间隔。

Description

硅麦克风
技术领域
本发明涉及硅麦克风，尤其涉及一种具有减小的残余应力的振动膜的硅麦克风。
背景技术
微机电系统(MFMS)技术使用微电子精密制造技术使得能够制造小型机电元件(从几微米到几百微米)。通常用来描述MEMS制造工艺的术语是微机械加工。在市场上，MEMS器件的主要实例包括压力传感器和加速度计。参见L.Sprangler和C.J.Kemp，ISAAC-integrated siliconautomotivea ccelerometer，in Tech.Dig.8th Int.Conf.OnSolid-State Sensors And Actuators(Transducers’95)，Stockholm，June 1995，pp.585-588。还参见W.S.Czarnocki和J.P.Schuster.1995.″Robust，Modular，Integrated Pressure Sensor″，Proc 7th Intl Congon Sensors，Nuremberg，Germany。
这些器件通常包括多个薄膜和多个桁条(beam)，这些桁条通过对淀积或层叠在基板上的膜进行微机械加工而获得，或者通过对基板本身进行蚀刻而获得。这些被微机械加工的膜最终用作为机械结构和/或电连接。在该膜是淀积或层叠的情况下，首先淀积一牺牲层(sacrificiallayer)，并且随后在淀积或层叠该膜之前使用光刻法对该牺牲层进行构图。构图在基板上形成了没有该牺牲层的多个区域，由此可以直接将该膜淀积在基板上，即锚定(anchor)到基板上。在将该膜微机械加工成所需结构之后，通过去除该微机械加工结构下面的牺牲层，将该结构中没有锚定到基板上的部分从基板上物理地分离或者断开。
在微机械加工中经常遇到的一个主要困难是膜应力的控制。膜应力是在膜形成之后，在膜中存在的残余应力。对于张膜应力的情况，所得到的微机械加工结构也将处于张应力状态，除非该微机械加工结构被设计得能够产生应变并消除该应力。微机械加工的悬臂是可以消除该残余应力的结构的典型实例。
对于MEMS麦克风(电容式麦克风)，使用声学信号激励的微机械加工结构的部分是振动膜。振动膜上的应力直接影响麦克风的灵敏度。张应力严重地降低了麦克风振动膜的机械顺从性(mechanicalcompliance)。以下的理想公式表示机械顺从性的降低使电容式麦克风的灵敏度降低：
Sens = C MS SE x 0
这里，CMS是以米每牛顿为单位的机械顺从性；S是面积；E是偏压(bias)；x0是麦克风振动膜和背板(back plate)之间的距离；而Sens是麦克风的开路灵敏度。很明显，为了制造其灵敏度受膜应力影响最小的MEMS麦克风，必须将振动膜设计为使得膜应力最少地影响其机械顺从性。必须紧记，振动膜是通过具有残余应力的膜来制造的。
一种使膜应力的影响最小的方法是自由板方案。参见Loeppert等人2001年8月10日提交的美国专利No.5,490,220和PCT申请01/25184“Miniature Silicon Condenser Microphone”(要求美国专利申请No.09/637,401和No.09/910,110的优先权)。在该方法中，振动膜除了一窄臂或多个臂之外，基本上是自由的。窄臂的功能仅仅是提供与振动膜的电连接。通过这种方式，使得机械上自由的振动膜能够产生应变并且释放残余应力。由于振动膜不是刚性地(rigidly)连接到基板上，所以需要将振动膜机械地限制在基板上来避免振动膜在操作时完全分离。对于自由板设计，振动膜悬浮在蚀刻在基板中的声学端口(用作为声学端口的基板开口小于振动膜的直径)的上方。在自由板设计中，背板覆盖振动膜并且提供必要的限制。因此振动膜由基板和位于振动膜任意侧的背板来限制。
通过使用能够淀积多个薄膜保形层(conformal layer)的制造工艺可以实施诸如自由板设计的麦克风振动膜设计(参见以上引用的PCT申请)。
在某些麦克风实施中，希望将背板设置在振动膜和基板之间。在其它器件中，可能根本没有背板。在这些情况下，防止在处理过程中或者在对已完成的器件进行操作时自由板振动膜从基板上脱离并且被损伤的约束不充分。本发明描述了一种手段，该手段通过约束振动膜的面外运动来保护该振动膜，该振动膜还可以产生应变以消除面内应力。
发明内容
为了简化制造工艺，将这些机械结构中的某些的功能进行合并是必要的。根据本发明，提供了一种振动膜锚定方案，该方案使得振动膜基本上自由，即消除了膜应力，并且还将整个振动膜锚定在基板上的适当位置。该振动膜设计可以用于制造具有对于(振动膜)残余膜应力相对不敏感的特性声学灵敏度的MEMS麦克风。在该设计中，可以通过特殊的锚定方案，来实现振动膜的顺从性对于残余膜应力的不敏感性。由于振动膜被物理地锚定或者连接到支撑基板上，所以不需要附加结构来容纳振动膜。因此该制造方法比前面部分中所描述的自由板设计更简单。
因此本发明的目的是提供一种转换器(transducer)。
根据本发明，该转换器包括基板，该基板形成支撑结构并且具有开口。如果该基板具有适当的绝缘膜层，则该基板可以由导电材料或者由诸如硅的半导体材料构成。另选地，该基板可以由完全电绝缘材料构成。将形成对流体传输的声压进行响应的振动膜的薄膜结构设置在开口上方。该转换器进一步包括多个支撑件和用于将振动膜的周边连接到这些支撑件的装置。该连接装置产生应变以允许振动膜移动来消除振动膜中的膜应力。该转换器还包括设置在基板和振动膜之间的多个止挡凸起(stop bump)。这些止挡凸起确定在转换器被施加偏压时振动膜到基板的间隔。
设想该转换器是麦克风。
进一步设想这些止挡凸起由绝缘材料或者由具有绝缘材料的外层的导电材料制成。
还进一步设想这些止挡凸起中的每一个都锚定到基板上，而不锚定到振动膜上，或者这些止挡凸起中的每一个都锚定到振动膜上，而不锚定到基板上。
还进一步设想该连接装置包括大体上从振动膜边缘切向地向外延伸的多个臂。
还进一步设想该转换器包括一背板，该背板比振动膜小，并且该背板的中心与振动膜的中心对准，以使寄生电容最小。
附图说明
本发明的其他目的、特征和优点将通过下面的说明和附图呈现给本技术领域的技术人员，其中：
图1是根据本发明的转换器的剖面透视图；
图2是图1的转换器的振动膜的俯视图、仰视图和侧视图；以及
图3是图1的转换器的俯视图。
具体实施方式
尽管本发明可以有多种不同形式的实施例，但是附图中所示并将详细描述的是本发明的优选实施例，应该理解，本公开应当被认为是本发明原理的范例，而不是意在将本发明的宽泛方面限定于所示的实施例。
图1表示根据本发明的固态转换器10。在本说明中，该转换器10被作为电容式麦克风示出。然而该转换器可以是其他器件，例如压力传感器或者加速度计。该转换器10包括半导体基板12，该半导体基板12形成支撑结构并且具有开口12a。该转换器10进一步包括一薄膜结构，该薄膜结构形成对流体传输的声压进行响应的振动膜14。该振动膜14被设置在开口12a的上方。该振动膜14包括切向延伸的多个臂14a。背板16连接在基板12上，该背板涂有绝缘材料。该背板16可以由与基板12相同的硅形成。
该转换器10进一步包括将各个臂14a耦接到基板12上的多个半导体支撑件18。在基板12和振动膜14之间设置多个止挡凸起20。这些止挡凸起20确定在转换器12被施加偏压时振动膜14到基板12的间隔，进而确定到背板16的间隔。后部容腔(back volume)24可以位于背板16的下方，并且可以通过使用基板开口12a对其进行限定以包含一开口的腔。
图2表示振动膜14的三个不同视图。俯视图表示通过多个旋臂(spiral arm)14a锚定到基板12上的振动膜14。当从基板12释放该整个结构(除了锚定点)时，这些旋臂14a产生应变并由此消除振动膜14中的内部膜应力。整个振动膜14，包括这些旋臂14a，是可以掺杂硅、多晶硅(poly-silicon)、或者硅-锗的导体。
图2的仰视图表示止挡凸起20。这些止挡凸起20由绝缘体制成。另选地，这些止挡凸起20可以是具有外部绝缘层的导体。
在优选实施例中，该转换器10具有二十个止挡凸起20。每个止挡凸起20锚定到基板12上，而不锚定到位于这些凸起的正上方的振动膜14上。使这些止挡凸起20不锚定到振动膜14上，使得振动膜14在消除膜应力时能够移动。当振动膜14对声波进行响应以及当振动膜14被施加偏压时，这些止挡凸起20用作为控制边界条件。明确地说，当转换器10被施加偏压时，这些止挡凸起为已消除应力的振动膜14提供简单的支撑边界，并且确定振动膜14和背板16之间的标称距离。在振动膜14没有被施加偏压时这些凸起20的顶部和振动膜14的底部之间的距离，以及这些凸起20的直径取决于可用的制造工艺。
为了接纳各种周围环境压力，由从周围环境到后部容腔的通路限定的声通路或者声漏(leak)是必需的，其中该后部容腔被多个凸起20、振动膜14和基板12包围。为了控制该声漏的声阻，可以将多个附加凸起20设置在振动膜14的下方或者设置在振动膜14的周边来限制从周围环境到后部容腔24的声漏。另选地，可以调节由凸起20的高度设定的间隙，或者可以改变振动膜14和基板孔的交叠。
图2底部的侧视图表示背板16的位置。该背板16是导体。该背板16可以打有多个孔或者多个狭缝，以在激励时为振动膜14的运动提供所需的阻尼，并且降低声噪声。该背板16必须比振动膜14厚或者硬很多。此外，该背板16必须比振动膜14小，并且为了使寄生电容最小，该背板16的中心必须与振动膜14的中心对准。
再次参照图1，基板12被表示为具有一锥形孔，或者声学端口。这是硅各向异性蚀刻的特性，并且常见于批量微机械加工硅结构。为视觉清晰而夸大了振动膜14的厚度。如前所述，背板必须比振动膜厚(或者硬)很多。
图1表示在多个旋臂14a的末端锚定到基板12上的振动膜14。该基板12涂有绝缘体层以避免背板16和振动膜14电短路。为背板16和振动膜14两者提供电连接(未示出)。该电连接可以通过导电滑槽(runner)容易地实现。因此，在图中未示出电连接。
如图1所示，为了作为麦克风进行工作，将转换器10设置在具有已知后部容腔的腔中的孔的上方。然后对振动膜14相对于背板16施加电偏压。锚定振动膜14的旋臂14a使得振动膜14在施加偏压前几乎没有应力。一旦施加偏压，振动膜14就靠在凸起20上。当振动膜14暴露在声波中时，振动膜14产生激励，并且使用高阻抗放大器检测通过移动振动膜中心而产生的电信号。如前所述，背板16比振动膜14硬。受激励的振动膜14和静止的背板16形成可变电容器，其中电容量的变化由声信号引起。
图3表示包含该振动膜设计的麦克风的外观(version)的几何尺度。这是振动膜14的俯视图。该振动膜14的有效直径30是550μm。包括切向臂14a的振动膜14的总直径32是710μm。各切向臂14a的宽度34是16μm，并且曲率半径36是150μm。该背板16的直径38是400μm，并且振动膜14和背板16之间的距离是4μm。图3还表示位于振动膜14下方的背板16的外形。如前所述，该背板16的直径小于振动膜14的直径，以使寄生电容最小。
虽然已经图示并描述了特定的实施例，但是可以想到的大量的改进而不明显脱离本发明的精神，并且本发明的保护范围仅由附加权利要求来限定。

Claims (22)

1.一种固态转换器，其包括：
基板，该基板形成支撑结构，并具有一开口；
薄膜结构，该薄膜结构形成对流体传输的声压进行响应的振动膜，并且设置在所述开口上方；
多个支撑件；
用于将所述振动膜的周边连接到所述多个支撑件的连接装置，其中该连接装置产生应变以允许所述振动膜相对所述多个支撑件移动，以消除所述振动膜中的膜应力；以及
多个止挡凸起，该多个止挡凸起设置在所述基板和所述振动膜之间，该多个止挡凸起确定在所述转换器被施加偏压时所述振动膜到所述基板的间隔。
2.根据权利要求1所述的转换器，其中所述基板由半导体形成。
3.根据权利要求2所述的转换器，其中所述半导体是硅。
4.根据权利要求1所述的转换器，其中所述转换器是麦克风。
5.根据权利要求1所述的转换器，其中所述多个止挡凸起由绝缘材料制成。
6.根据权利要求1所述的转换器，其中所述多个止挡凸起由具有绝缘材料外层的导电材料制成。
7.根据权利要求1所述的转换器，包括二十个所述止挡凸起。
8.根据权利要求1所述的转换器，其中所述多个止挡凸起中的每一个都锚定到所述基板上，而不锚定到所述振动膜上。
9.根据权利要求1所述的转换器，其中所述多个止挡凸起中的每一个都锚定到所述振动膜上，而不锚定到所述基板上。
10.根据权利要求1所述的转换器，其中所述连接装置包括从所述振动膜边缘切向延伸的多个臂。
11.根据权利要求10所述的转换器，其中所述多个臂大体上是弧形的。
12.根据权利要求1所述的转换器，包括一设置在所述基板和所述振动膜之间的背板，其中该背板小于所述振动膜，并且该背板的中心与所述振动膜的中心对准，以使寄生电容最小。
13.根据权利要求1所述的转换器，包括一背板，该背板设置在所述基板和所述振动膜之间，并且其中所述多个止挡凸起确定在所述转换器被施加偏压时所述振动膜到该背板的间隔。
14.一种固态转换器，其包括：
半导体基板，该半导体基板形成支撑结构，并具有一开口；
薄膜结构，该薄膜结构形成对流体传输的声压进行响应的振动膜，并且设置在所述开口上方，该振动膜包括切向延伸的多个臂；
多个半导体支撑件，该多个半导体支撑件将所述多个臂中的每一个耦接到所述基板上；以及
多个止挡凸起，该多个止挡凸起设置在所述基板和所述振动膜之间，该多个止挡凸起确定在所述转换器被施加偏压时所述振动膜到所述基板的间隔。
15.根据权利要求14所述的转换器，其中所述转换器是麦克风。
16.根据权利要求14所述的转换器，其中所述多个止挡凸起由绝缘材料制成。
17.根据权利要求14所述的转换器，其中所述多个止挡凸起由具有绝缘材料外层的导电材料制成。
18.根据权利要求14所述的转换器，包括二十个所述止挡凸起。
19.根据权利要求14所述的转换器，其中所述多个止挡凸起中的每一个锚定到所述基板上，而不锚定到所述振动膜上。
20.根据权利要求14所述的转换器，其中所述多个止挡凸起中的每一个锚定到所述振动膜上，而不锚定到所述基板上。
21.根据权利要求14所述的转换器，包括一设置在所述基板和所述振动膜之间的背板，其中该背板小于所述振动膜，并且该背板的中心与所述振动膜的中心对准，以使寄生电容最小。
22.根据权利要求14所述的转换器，包括一背板，该背板设置在所述基板和所述振动膜之间，并且其中所述多个止挡凸起确定在所述转换器被施加偏压时所述振动膜到该背板的间隔。
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