MEMS麦克风制造技术

本发明专利技术公开了一种MEMS麦克风，包括衬底以及通过间隔部支撑在衬底上方的振膜，所述衬底、间隔部、振膜围成了真空腔；其中，振膜在大气压力下的静态偏转距离小于振膜与衬底之间的距离；在所述衬底上设置有与振膜构成电容器结构的下电极，在所述衬底上设置有为振膜与下电极之间提供电场的驻极体层。本发明专利技术的麦克风，可通过驻极体层来提供电场；另外真空腔可以降低声阻对振膜振动的影响，提高麦克风的信噪比；另外，由于该结构的MEMS麦克风不需要较大容积的背腔，因此可以大大降低MEMS麦克风的整体尺寸，增强了麦克风的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
MEMS麦克风
本专利技术涉及声电转换领域，更具体地，涉及一种MEMS麦克风的机构，尤其是一种具有高SNR的麦克风结构。
技术介绍
现在的MEMS麦克风，无论是电容式的感测结构还是压电式的感测结构，均需要设计一个具有环境压力的巨大后腔，以确保流动空气的刚性远远振膜。背腔的容积通常远大于1mm3，例如通常设计为1-15mm3。而且麦克风芯片在封装的时候，需要开放其腔体。这就限制了MEMS麦克风最小尺寸封装的设计(>3mm3)。这是由于如果后腔容积过小，则不利于空气的流通，这种空气的刚性则会大大降低振膜的机械灵敏度。另外，为了均压，背极板上通常会设计密集的通孔，由于空气粘度造成的间隙或穿孔中的空气流动阻力成为MEMS麦克风噪声的主导因素，从而限制了麦克风的高信噪比性能。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种MEMS麦克风的新技术方案。根据本专利技术的第一方面，提供了一种MEMS麦克风，包括衬底以及通过间隔部支撑在衬底上方的振膜，所述衬底、间隔部、振膜围成了真空腔；其中，振膜在大气压力下的静态偏转距离小于振膜与衬底之间的距离；在所述衬底上设置有与振膜构成电容器结构的下电极，在所述衬底上设置有为振膜与下电极之间提供电场的驻极体层。可选地，所述振膜采用绝缘材质，在所述振膜上设置有与下电极构成电容器结构的上电极。可选地，所述振膜采用复合结构，所述上电极设置在振膜的复合结构中。可选地，振膜上的上电极通过引线与衬底上的电路布图导通。可选地，所述振膜的机械灵敏度为0.02至0.9nm/Pa。可选地，所述振膜和衬底之间的初始间隙为1-100μm。可选地，还包括ASIC电路，所述ASIC电路集成在衬底上。可选地，在所述振膜远离真空腔一侧的中部区域设置有补强部。可选地，在所述衬底远离真空腔的一侧设置有用于外接的焊盘。可选地，所述振膜与下电极之间的电场为100-300V/μm。本专利技术的MEMS麦克风，由于振膜与衬底围成了真空腔，并可通过驻极体层为振膜与衬底之间提供电场。而且可以在真空腔内形成高电场而不会造成击穿的问题，大大提高了本专利技术MEMS麦克风的灵敏度。本专利技术的MEMS麦克风，振膜与衬底之间围成了真空腔，真空腔内的空气粘度远远低于环境压力中的空气粘度，从而可以降低声阻对振膜振动的影响，提高了麦克风的信噪比。另外，由于该结构的MEMS麦克风不需要较大容积的背腔，因此可以大大降低MEMS麦克风的整体尺寸，增强了麦克风的可靠性。通过以下参照附图对本专利技术的示例性实施例的详细描述，本专利技术的其它特征及其优点将会变得清楚。附图说明构成说明书的一部分的附图描述了本专利技术的实施例，并且连同说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1是本专利技术麦克风第一实施方式的结构示意图。图2是本专利技术麦克风第二实施方式的结构示意图。图3是图2实施例中麦克风的动作原理示意图。图4是本专利技术麦克风其中一种封装方式的示意图。具体实施方式为了使本专利技术解决的技术问题、采用的技术方案、取得的技术效果易于理解，下面结合具体的附图，对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。参考图1，本专利技术提供了一种MEMS麦克风，其包括衬底1以及通过间隔部3支撑在衬底1上方的振膜2，衬底1、间隔部3、振膜2围成了真空腔4。本专利技术的衬底1可以采用单晶硅或者本领域技术人员所熟知的其它材质，并可通过逐层沉积、图案化、牺牲的工艺形成间隔部3以及通过间隔部3支撑在衬底1上的振膜2。如有必要，在间隔部3与衬底1之间还设置有绝缘层8，在此不再具体说明。真空腔4例如可由低压等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在200-350℃下进行密封。这种MEMS工艺属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。其中真空腔4优选小于1kPa，这使得真空腔4中的残余气体粘度大大低于标准压力下的空气粘度。由于振膜与衬底1之间形成了低于大气压力的真空腔，因此振膜2在大气压力下且无声压时会发生静态偏转，即振膜2会朝向衬底1的方向发生静态偏转。为了防止振膜2静态时偏转至与衬底1接触，设计该振膜的静态偏转距离要小于振膜2与衬底1之间的距离。这主要可以通过改变振膜2的刚性和/或改变振膜与衬底1之间的距离来实现。例如可以加厚振膜2的尺寸，当然也可以通过选择合适的振膜材质来提升振膜的刚性。例如可以通过设计使得振膜2具有0.02至0.9nm/Pa的机械灵敏度。也就是说，每受1Pa的压力，振膜2则会发生0.02-0.9nm的偏转，这种振膜2的刚性是传统振膜的10-100倍，使得振膜2足够坚硬以抵抗外界的大气压力。振膜2和衬底1之间的相应初始间隙可以设计在1-100μm的范围内，配合上述刚性的振膜2，使得在大气压力下不会发生振膜2塌陷的问题。为了提高MEMS麦克风的灵敏度，MEMS麦克风可以采用高灵敏度的检测构件，例如驻极体式的电容检测结构。在本专利技术一个具体的实施方式中，检测结构包括设置在衬底1上的下电极6，该下电极6与振膜2构成了可以输出变化电信号的电容器结构。在本专利技术另一个具体的实施方式中，振膜2可以采用绝缘材质，在振膜2上设置有上电极5，下电极6与振膜2上的上电极5构成了可以输出变化电信号的电容器结构。上电极5、下电极6可通过本领域技术人员所熟知的MEMS沉积、刻蚀工艺形成，在此对其不再具体说明。下电极6可以设置在衬底1上位于真空腔4一侧的位置上。可选的是，设置绝缘层8将下电极6掩埋起来。上电极5可以设置在振膜2上位于真空腔4一侧的位置，或者设置在振膜2上远离真空腔4一侧的位置。还可以是，振膜2可以采用复合结构，例如为了形成真空腔，需要首先在牺牲层上设置一层具有牺牲孔的覆盖层20，通过牺牲孔将覆盖层20下方的牺牲层腐蚀掉；之后在覆盖层20的上方沉积一层填充层21，以将覆盖层20上的牺牲孔封闭住，形成真空腔。上电极5可以设置在振膜2的复合结构中，例如形成在填充层21上，外侧再设置一层钝化层22进行保护，在此不再具体说明。本专利技术的麦克风，在衬底1上设置有为振膜2/上电极5与下电极6之间提供电场的驻极体层7。该驻极体层7设置在衬底1上，且位于下电极6的上方，并通过绝缘层8覆盖。通过振膜2振动时上电极5与下电极6之间的间隔变化，使得电容器结构可以输出变化的电信号。这种电容器的工作原理属于本领域技术人员的公知常识。在本专利技术一个具体的实施方式中，驻极体层7可以被配置为振膜2与下电极6提供100-300V/μm的电场，本专利技术的MEMS麦克风，由于振膜2与衬底1围成了真空腔4，使得可以在真空腔4内形成高电场而不会造成击穿的问题，尤其采用刚性高的振膜2。在本专利技术中，上电极6与下电极5之间的电场为100-300V/μm，也就是说，在几微米的真空间隙内可达几百伏特，是传统麦克风电场的10至100倍。由此可大大提高本专利技术MEMS麦克风的灵敏度。本专利技术的MEMS麦克风，振膜2与衬底1之间围成了真空腔，真空腔内的空气粘度远远低于环境压力中的空气粘度，从而可以降低声阻对振膜振动的影响，提高了麦克风的信噪比。另外，由于该结构的MEMS麦克风不需要较大容积的背腔，因此可以大大降低MEMS麦克风的整体尺寸，增强了麦克风的可靠性。在本专利技术一个可选的实施方式中，在振膜2远离真空腔一侧的中部区域设置有补强部9，参考图2。补强部9用于强化振膜2中部区域的刚性，其可以看成是中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS麦克风，其特征在于：包括衬底以及通过间隔部支撑在衬底上方的振膜，所述衬底、间隔部、振膜围成了真空腔；其中，振膜在大气压力下的静态偏转距离小于振膜与衬底之间的距离；在所述衬底上设置有与振膜构成电容器结构的下电极，在所述衬底上设置有为振膜与下电极之间提供电场的驻极体层。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS麦克风，其特征在于：包括衬底以及通过间隔部支撑在衬底上方的振膜，所述衬底、间隔部、振膜围成了真空腔；其中，振膜在大气压力下的静态偏转距离小于振膜与衬底之间的距离；在所述衬底上设置有与振膜构成电容器结构的下电极，在所述衬底上设置有为振膜与下电极之间提供电场的驻极体层。2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述振膜采用绝缘材质，在所述振膜上设置有与下电极构成电容器结构的上电极。3.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述振膜采用复合结构，所述上电极设置在振膜的复合结构中。4.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于：振膜上的上电极通过引线与衬底上的电路布图导通。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹泉波，董永伟，
申请(专利权)人：歌尔股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37