一种具有频率选择功能的电容式MEMS麦克风制造技术

本实用新型专利技术涉及一种具有频率选择功能的电容式MEMS麦克风。现有电容式MEMS麦克风不具备选用或调节麦克风的拾音频率范围功能。本实用新型专利技术由下向上依次包括硅衬底、SiO2刻蚀停止层、下多晶硅圆环电极、SiO2支撑层、上多晶硅振膜层。贯穿硅衬底、SiO2刻蚀停止层和下多晶硅圆环电极开设有背腔，贯穿SiO2支撑层开设有阻尼腔,连通的背腔和阻尼腔为阶梯状圆筒形。上多晶硅振膜层架设在阻尼腔上；上多晶硅振膜层靠近边沿位置设置有圆环形的弹性结构。本实用新型专利技术在上多晶硅振膜层与硅衬底之间设置阻尼腔，振膜振动时，空腔会对振膜产生阻尼作用，根据对不同声音频率所产生的不同阻尼作用，实现麦克风的频率选择功能。

A Capacitive MEMS Microphone with Frequency Selection Function

The utility model relates to a capacitive microphone with frequency selection function. The existing capacitive microphone does not have the function of selecting or adjusting the frequency range of microphone. The utility model comprises a silicon substrate, a SiO 2 etching stop layer, a lower polycrystalline silicon ring electrode, a SiO 2 support layer and an upper polycrystalline silicon vibration film layer from bottom to top. A back cavity is arranged through the silicon substrate, the SiO 2 etching stop layer and the lower polycrystalline silicon ring electrode, and a damping cavity is arranged through the SiO 2 support layer. The connected back cavity and the damping cavity are stepped cylindrical. The upper polycrystalline silicon film layer is mounted on the damper chamber, and the upper polycrystalline silicon film layer has a circular elastic structure near the edge. The utility model sets a damping cavity between the upper polycrystalline silicon vibration film layer and the silicon substrate. When the vibration film is vibrated, the cavity will have a damping effect on the vibration film. According to the different damping effects produced by different sound frequencies, the frequency selection function of the microphone is realized.

【技术实现步骤摘要】
一种具有频率选择功能的电容式MEMS麦克风
本技术属于微机电系统和声学传感器等
，具体涉及一种具有频率选择功能的电容式MEMS麦克风。
技术介绍
麦克风是一种微型的声学传感器，主要包括柱极体麦克风(ECM)和微机电系统麦克风(简称：MEMS麦克风)。相对于传统的柱极体麦克风，MEMS麦克风具有包括尺寸小、成本少、功耗低、可靠性高等优势。根据工作原理和电学特性，MEMS麦克风的类型包括电容式、压电式和光电式等。其中，电容式MEMS麦克风是市场主流。电容式MEMS麦克风，类似于可变电容，具有两个电极，即背板和振膜。振膜具有较好的弹性，在声波激励下会发生振动，产生位移变化，改变背板和振膜的间距，从而使麦克风的电容发生变化；后端的电路可以通过检测电容变化以获取声学信号。一般来说，具有传统结构的电容式MEMS麦克风的响应曲线在中间工作频率区间(如100Hz至10KHz)是比较平坦的，而在100Hz以下低频区域，灵敏度较低；在10KHz以上区间，会出现亥姆霍兹共振峰，存在很强的非线性。具有平坦的频率响应曲线的麦克风，可以在很宽的频段内拾取声音信号，适用于不同应用场合。然而，不管是在日常生活中，还是在专业领域内，在一个特定的工作中，需要的频率范围往往不需要很宽。比如，人与人交谈，发声频率通常在百赫兹至千赫兹之间，其它频率的声音并不需要被拾取，获取后还需要专门过滤掉。在这样的应用背景下，频率选择是非常重要的。针对实际应用场合，选用或调节麦克风的拾音频率范围是现有电容式MEMS麦克风不具备的功能。
技术实现思路
本技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种具有频率选择功能的电容式MEMS麦克风，实现中心频率附近拾音，在物理层面上过滤低频和高频声音，解决现有电容式麦克风无法实现频率选择的问题。本技术由下向上依次包括硅衬底、SiO2刻蚀停止层、下多晶硅圆环电极、SiO2支撑层、上多晶硅振膜层。贯穿硅衬底、SiO2刻蚀停止层和下多晶硅圆环电极开设有圆筒形的背腔；贯穿SiO2支撑层开设有圆筒形的阻尼腔；背腔和阻尼腔同轴设置，背腔的圆形横截面直径小于阻尼腔的圆形横截面直径,连通的背腔和阻尼腔为阶梯状圆筒形。圆形的上多晶硅振膜层架设在阻尼腔上；上多晶硅振膜层靠近边沿位置设置有圆环形的弹性结构，弹性结构的圆周外沿与阻尼腔内壁对应。所述的弹性结构由圆周排列的多组通槽组成，增加弹性结构环形内部分的上多晶硅振膜弹性。进一步，所述的硅衬底的厚度为300～500um。进一步，所述的SiO2刻蚀停止层是厚度为200～1000nm的SiO2薄膜。进一步，所述的下多晶硅圆环电极是厚度为100～500nm的多晶硅薄膜。进一步，所述的SiO2支撑层是厚度为200～1000nm的SiO2薄膜。进一步，所述的上多晶硅振膜层是厚度为100～500nm的多晶硅薄膜。进一步，所述的通槽是蛇形槽，或是由两个梳状槽形成的叉指形槽。麦克风的频率选择功能主要通过调节阻尼腔内压膜阻尼的影响实现，压膜阻尼的大小一般与振膜振动频率相关。例如，当入射声波频率为500Hz时，阻尼腔中压膜阻尼值最小，因此在此频率上麦克风的灵敏度最高。可以说在该频率附近都能实现麦克风的高灵敏度，而当声音频率过大或过小，麦克风的灵敏度都有显著的降低。因此，通过调节阻尼腔内压膜阻尼的大小即可实现频率选择功能。本技术在振膜与基底之间设置阻尼腔，在振膜振动时，空腔会对振膜产生阻尼作用，根据对不同声音频率所产生的不同阻尼作用，实现麦克风的频率选择功能。附图说明图1为本技术的剖面结构示意图；图2为图1中上多晶硅振膜的结构示意图。具体实施方式一种具有频率选择功能的电容式MEMS麦克风，参见图1所示。由下向上依次包括硅衬底1、SiO2刻蚀停止层2、下多晶硅圆环电极3、SiO2支撑层4、上多晶硅振膜层5。上多晶硅振膜层5用于感知声波与振动。其中，硅衬底1的厚度为300～500um；SiO2刻蚀停止层2是厚度为200～1000nm的SiO2薄膜；下多晶硅圆环电极3是厚度为100～500nm的多晶硅薄膜；SiO2支撑层4是厚度为200～1000nm的SiO2薄膜；上多晶硅振膜层5是厚度为100～500nm的多晶硅薄膜。贯穿硅衬底1、SiO2刻蚀停止层2和下多晶硅圆环电极3开设有圆筒形的背腔6。贯穿SiO2支撑层4开设有圆筒形的阻尼腔7。圆筒形的背腔6和阻尼腔7同轴设置，背腔6的圆形横截面直径小于阻尼腔7的圆形横截面直径,连通的背腔6和阻尼腔7为阶梯状圆筒形。圆形的上多晶硅振膜层5架设在阻尼腔7上。上多晶硅振膜层5的结构参见图2所示。上多晶硅振膜层5靠近边沿位置设置有圆环形的弹性结构，弹性结构的圆周外沿与阻尼腔7内壁对应。该弹性结构由圆周排列的多组通槽8组成，该通槽8为线形槽，可以是蛇形槽，或者是由两个梳状槽形成的叉指形槽。弹性结构的设置可以增加弹性结构环形内部分的上多晶硅振膜的弹性，同时又可以充当通气孔的作用。麦克风的频率选择功能主要通过调节阻尼腔内压膜阻尼的影响实现，压膜阻尼的大小一般与振膜振动频率相关。当入射声波频率为500Hz时，阻尼腔中压膜阻尼值最小，因此在此频率上麦克风的灵敏度最高。可以说在该频率附近都能实现麦克风的高灵敏度，而当声音频率过大或过小，麦克风的灵敏度都有显著的降低。因此，通过调节阻尼腔内压膜阻尼的大小即可实现频率选择功能。制作该电容式MEMS麦克风的工艺步骤如下：步骤1.采用化学气相沉积技术(CVD)、热氧化法或正硅酸乙酯(TEOS)热分解法在厚度为300～500um硅衬底上制备厚度为200～1000nm的SiO2薄膜，该SiO2薄膜层即为SiO2刻蚀停止层；步骤2.在SiO2刻蚀停止层上采用化学气相沉积技术(CVD)制备厚度为100～500nm的多晶硅薄膜，该多晶硅薄膜层即为下多晶硅电极层；步骤3.按照设计的圆环形的沟槽图案，采用光刻刻蚀方法(litho-etch)将下多晶硅电极层刻穿，作为下多晶硅圆环电极；步骤4.在下多晶硅圆环电极上采用正硅酸乙酯(TEOS)热分解法覆盖厚度为200～1000nm的SiO2薄膜，该SiO2薄膜层即为SiO2支撑层；步骤5.在SiO2支撑层上采用化学气相沉积技术(CVD)制备厚度为100～500nm的多晶硅薄膜，该多晶硅薄膜层即为上多晶硅振膜层；步骤6.采用光刻刻蚀方法(litho-etch)，在上多晶硅振膜层上靠近边沿位置开设通槽，多个通槽圆周排列，形成圆环形的弹性结构；步骤7.由硅衬底的下表面开始，对应下多晶硅圆环电极通孔位置，采用光刻刻蚀方法(litho-etch)将硅衬底刻穿，形成硅衬底通孔；步骤8.由SiO2刻蚀停止层的下表面开始，沿硅衬底通孔采用气态氢氟酸腐蚀技术或氢氟酸湿法刻蚀方法将SiO2刻蚀停止层以及SiO2支撑层刻穿；步骤9.由上多晶硅振膜层圆周排列的通槽向下，采用气态氢氟酸腐蚀技术或氢氟酸湿法刻蚀方法，将SiO2支撑层对应圆环形的弹性结构范围内的SiO2薄膜腐蚀干净；硅衬底通孔、下多晶硅圆环电极通孔、SiO2刻蚀停止层通孔形成背腔，SiO2支撑层通孔形成阻尼腔，连通的背腔和阻尼腔为阶梯圆筒形。其中，步骤2和5采用化学气相沉积技术(CVD)的淀积过程中，采用气体在位掺杂技术进行磷元素掺杂；步骤7中所述的光刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有频率选择功能的电容式MEMS麦克风，其特征在于：由下向上依次包括硅衬底(1)、SiO2刻蚀停止层(2)、下多晶硅圆环电极(3)、SiO2支撑层(4)、上多晶硅振膜层(5)；贯穿硅衬底(1)、SiO2刻蚀停止层(2)和下多晶硅圆环电极(3)开设有圆筒形的背腔(6)；贯穿SiO2支撑层(4)开设有圆筒形的阻尼腔(7)；圆筒形的背腔(6)和阻尼腔(7)同轴设置，背腔(6)的圆形横截面直径小于阻尼腔(7)的圆形横截面直径,连通的背腔和阻尼腔为阶梯状圆筒形；圆形的上多晶硅振膜层(5)架设在阻尼腔(7)上；上多晶硅振膜层(5)靠近边沿位置设置有圆环形的弹性结构，弹性结构的圆周外沿与阻尼腔(7)内壁对应；所述的弹性结构由圆周排列的多组通槽(8)组成，增加弹性结构环形内部分的上多晶硅振膜弹性。

【技术特征摘要】
1.一种具有频率选择功能的电容式MEMS麦克风，其特征在于：由下向上依次包括硅衬底(1)、SiO2刻蚀停止层(2)、下多晶硅圆环电极(3)、SiO2支撑层(4)、上多晶硅振膜层(5)；贯穿硅衬底(1)、SiO2刻蚀停止层(2)和下多晶硅圆环电极(3)开设有圆筒形的背腔(6)；贯穿SiO2支撑层(4)开设有圆筒形的阻尼腔(7)；圆筒形的背腔(6)和阻尼腔(7)同轴设置，背腔(6)的圆形横截面直径小于阻尼腔(7)的圆形横截面直径,连通的背腔和阻尼腔为阶梯状圆筒形；圆形的上多晶硅振膜层(5)架设在阻尼腔(7)上；上多晶硅振膜层(5)靠近边沿位置设置有圆环形的弹性结构，弹性结构的圆周外沿与阻尼腔(7)内壁对应；所述的弹性结构由圆周排列的多组通槽(8)组成，增加弹性结构环形内部分的上多晶硅振膜弹性。2.如权利要求1所述的一种具有频率选择功能的电容式MEMS麦克风，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴丽翔，王俊力，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33