微型電聲波元件的製作方法
2023-10-18 08:19:29 1
專利名稱：微型電聲波元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微型電聲波元件，特別是涉及一種具有低彈簧係數結構的微型電聲波元件，其具有高靈敏度與變形量的效能。
背景技術：
電容式麥克風晶片以矽微細加工技術與集成電路(IC)製作工藝技術整合而成的聲波傳感器(Acoustic Transducer)，具有質量輕、體積小、信號品質佳等優點，在民生家電產品應用上，由於手機的需求目益增大且聲音品質要求日益增高，加上助聽器的市場與技術已開始蓬勃發展，電容式麥克風晶片已經漸漸成為麥克風晶片的主流。就市場的角度而言，根據Digitimes公司市場趨勢報告中關於行動電話手機部分，預估2004年北美麥克風晶片(Microphone Chips)市場，將達五億個的水準，而從2004年到2009年每年將以20％朝向市場穩定成長。手機上的麥克風的應用屬於目前市場上的主流。
由於以矽為基材的集成電路製作工藝較便宜，大量地使用於電子產品中，及其應用領域不斷的向外擴張，將來更有大量的應用會以矽為基材的製作工藝製作，並搭配CMOS製作工藝將讀取電路直接整合於一顆晶片上，加上臺灣已成為全球第一大半導體代工廠約為目前市場的60～70％的代工率，將來勢必可量產並加速其商品化時程。因此若在麥克風的布局上，要避開與區隔各家大廠的元件設計，必須先取得元件端的新穎設計與製造先機，才能贏得在麥克風元件市場上的優勢，與瓜分佔有率的能力。
目前麥克風元件結構的應用在產品的量產上，僅限於少許幾種的結構，這也是由於目前踏入MEMS(Microelectromechanical Systems)麥克風的廠商只有少許數幾家廠商之故，如Knowles公司、Infineon公司或是Sonion公司等，而市面上大部分的封裝方式仍以Knowles開發的設計為主。
請參照圖1到圖3，其繪示Knowles公司的麥克風結構設計。此聲波傳感器(Acoustic Transducer)10包括導電薄膜(Conductive Diagram)12與具有穿孔的構件(Perforated Member)40，由基底30所支撐，而通過空氣間隙(AirGap)20所隔離。而一個非常薄的空氣間隙22則存在導電薄膜12與基底30之間，以便讓此薄膜12能夠自由地上下移動，並且使薄膜12從基底30減少震動(Decouple)。而許多的突起(Indentation)13則形成於薄膜12之下，以避免薄膜12與基底30之間的吸附現象。
薄膜12的橫向移動被構件40的支持部41所限制，而此可當成是薄膜12與構件40之間適當的啟始空間，而此支持部41可以是圓環(Ring)構造或是許多凸塊(Bump)構造。若支持部41是圓環構造，則當薄膜12靠在支持部41上時，則會形成緊密的聲音密封空間，會導致聲波傳感器具有控制非常好的低頻下降率(Roll-off)。薄膜12與基底30之間具有一個介電層31。而導電電極(Conducting Electrode)42是固定在不導電之構件40下。而此構件40具有數個孔洞21，而薄膜12也有數個孔洞，用以與構件40的孔洞21形成聲音流動的通路14。
Knowles公司的麥克風結構設計主要是針對背板(back plate)的指撐式結構設計，來增加背板的強度，以減少背板阻抗。而薄膜(Membrane)採減少殘留應力(residual stress)的設計方式，採取一般的圓形薄膜設計。薄膜僅做於簡單的支撐，其結構雖能避免殘留應力的問題與較高的自然頻率響應，但是其設計的有效變形量與靈敏度仍尚嫌不足。
請參照圖4，其繪示Knowles公司的另一麥克風結構設計。基本上與圖1-3的結構相同，唯一的差異是此薄膜12是通過數個彈簧結構(Spring)11連接到基底30之上，以便減輕薄膜內在應力(Intrinsic Stress)，以及從基底30或是裝置封裝後所產生的應力。
傳統麥克風元件設計採用簡單固定的薄膜設計，雖然有增加薄膜靈敏度的設計方法，如指撐式(Finger)結構，請參照圖5所示，其中薄膜510具有指撐的結構。或者是皺摺式(corrugated)結構，請參照圖6所示，其中薄膜610具有皺摺的結構。但是大部分的設計都有其缺點，指撐式的薄膜，其薄膜較軟較為靈敏，但是卻是具較低的共振頻率響應，而且易於斷裂。皺摺式薄膜設計，雖可以有效降低殘留應力的影響，使薄膜靈敏度變的較大，但是其製作工藝較複雜，加工不易，且增加靈敏度有限。
發明內容
本發明的目的在於提出一微型電聲波元件，其可增加薄膜靈敏度(compliance)，並以創新的結構設計製作出低彈簧係數的結構，使聲波傳感器(Acoustic Transducer)更具有高靈敏度與變形量的效能。
本發明的目的是這樣實現的，即提供一種微型電聲波元件，包括一電容式音壓感測元件，而上述電容式音壓感測元件包含兩個或多個上有導電材的平行版以構成電容，其中至少一平行板上開音孔，而在另外平行板中至少一平行板上具有一彈簧結構。
本發明所提出的一種微型電聲波元件結構組成，包括基板(Substrate)與其上的背板(Black plate)與薄膜(Diaphragm)。其中背板具有多數個音壓孔(Acoustic hole)，而薄膜表面具有一個或多個突起結構(Indentation)。此突起結構將會接觸背板成為支撐結構，而上述薄膜另一表面具有切割開的橋狀結構，當音壓傳輸至薄膜時，橋狀結構會因突起結構的支撐而產生變形，薄膜因此而增加位移的變形量，用以使得電容的電場分布是介於薄膜與背板之間，當音壓造成薄膜變形與橋狀結構位移後，造成的電容變化量為感測的原理。
為讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1～圖3是現有的麥克風結構設計示意圖；圖4是另一種現有麥克風結構設計示意圖；圖5是現有麥克風結構中一種具有指撐式(Finger)結構的薄膜設計示意圖；圖6是現有麥克風結構中一種具有皺摺式(corrugated)結構的薄膜設計示意圖；圖7A與圖7B是說明本發明一較佳實施例的具有橋狀彈簧結構的聲波傳感器剖面示意圖；圖8與圖9是說明本發明一較佳實施例的具有橋狀彈簧結構的聲波傳感器立體與剖視圖。
主要元件符號說明
10聲波傳感器(Acoustic Transducer)12導電薄膜(ConductiVe Diagram)40具有穿孔的構件(Perforated Member)30基底20、22空氣間隙(Air Gap)41支持部31介電層11彈簧結構(Spring)510、610薄膜700基板(substrate)710背板(back plate)結構712音孔(Acoustic hole)720絕緣層730薄膜732懸梁結構734凸起(indentation)736基座810背板結構812音孔820薄膜830橋狀結構832與834懸臂836橋中心部分具體實施方式
本發明提出一種聲波傳感器(Acoustic Transducer)，乃利用彈簧結構概念，在壓力感測薄膜上製作出特殊的結構圖案與薄膜上的突起結構當支撐，架構出類似橋狀彈簧的結構，以提高聲波傳感器的性能。而其原理為若要以簡單的結構有效增加靈敏度，可改變薄膜的設計圖形，通過支撐結構(SupportStructure)即可製作出類似彈簧般的結構效應，而增加薄膜的靈敏度。本發明提出一種微型電聲波元件結構，可運用於例如微型麥克風(Microphone)元件，或是任何需要將聲音轉換為信號的電子裝置，例如手機或是微型麥克風等，或是任何偵測空氣壓力的變化而轉換為信號的電子裝置中。
本發明所提出的一種微型電聲波元件結構組成，包括一種電容式音壓感測元件。此電容式音壓感測元件包含兩個或多個上有導電材料的平行板構成電容，其中至少一平行板上開音孔，而在其它平行板中至少一平行板上建構彈簧結構。
本發明所提出的一種微型電聲波元件，可應用於壓力傳感器、加速度傳感器或超聲波傳感器等裝置上。
在一實施例中，本發明所提出的一種微型電聲波元件結構組成，包括基板(Substrate)與其上的背板(Black plate)與薄膜(Diaphragm)。其中背板具有多數個音壓孔(Acoustic hole)，而薄膜表面具有一個或多個突起結構(Indentation)。此突起結構將會接觸背板成為支撐結構，而上述薄膜表面具有切割開的橋狀結構，當音壓傳輸至薄膜時，橋狀結構會因突起結構的支撐而產生變形，薄膜因此而增加位移的變形量，用以使得電容的電場分布是介於薄膜與背板之間，當音壓造成薄膜變形與橋狀結構位移後，造成的電容變化量為感測的原理。
而此薄膜為一種形變薄膜傳感單元，例如可以是具有一個或多個特殊橋狀(Bridge)或懸梁(Beam)的圖案設計。除此之外，薄膜表面上具有單一或多數個突起(Indentation)的結構，將作為薄膜支撐之用。而每一個橋狀或懸臂結構下的突起結構形成一組類似彈簧的效應，在薄膜上將有多組類似彈簧效應的結構，稱之為橋狀彈簧或懸臂彈簧。
當空氣壓力傳送到薄膜時，薄膜會產生變形，而薄膜下表面的突起結構與背板作接觸支撐，薄膜上的橋狀或懸臂結構會因為突起結構的支撐力而大幅變形，此時薄膜平板會因此而產生上下位移的變形，如此將增加兩平板間的變形與位移量，間接增加了平板間的電容變化值，此設計將會大大增加薄膜的靈敏度。而麥克風的薄膜與背板間的電容變化，將通過導電設計傳送出所測得的信號。
而上述的形變薄膜傳感單元以及背板結構可以使用一個或多個材料所組成，包括以碳為基質的聚合物(Carbon-based polymers)、矽(Silicon)、氮化矽(Silicon nitride)，復晶矽(Polycrystalline silicon)、非晶矽(Amorphoussilicon)、二氧化矽(Silicon dioxide)、碳化矽(Silicon carbide)、鍺(Germanium)、鎵(Gallium)、砷化物(Arsenide)、碳(Carbon)、鈦(Titanium)、金(Gold)、鐵(Iron)、銅(Copper)、鉻(Chromium)、鎢(Tungsten)、鋁(Aluminum)、鉑(Platinum)、鎳(Nickel)、鉭(tantalum)或其合金等等。
本發明所提出的具有橋狀彈簧或懸臂彈簧等結構的聲波傳感器，其架構在一實施例中請參照圖7A與圖7B所示，另外也參考圖8，說明本發明所提出的聲波傳感器的具有橋狀彈簧結構的立體測試示意圖，並在底下一併說明。在基板(substrate)700上具有兩層平行板的結構，一為背板(back plate)結構710，而另以一為感測的薄膜730(如圖8的820)，而背板結構710(如圖8的810)與薄膜730(如圖8的820)之間由一絕緣層720相隔，例如一矽氧化層。背板結構710具有多個音孔(Acoustic hole)712(如圖8的812)。而薄膜730(如圖8的820)為一種可形變的薄膜傳感單元，例如可以是具有特殊橋狀(Bridge)或懸梁(Beam)結構的圖案設計。
薄膜730(如圖8的820)表面上具有單一或多個橋狀或懸梁的結構。例如，如圖7A所示，絕緣層720的一位置722與薄膜730(如圖8的820)的基座736相結合，而由基座736向外延伸一薄膜懸梁結構732，而此薄膜懸梁結構732上與背板結構710相對應的一側邊上形成單一或複數突起(indentation)734的結構，作為此薄膜懸梁結構732支撐之用。當然，如前所述，此薄膜懸梁結構732上的一部分，如圖8中標示號碼為830的結構，可為一橋狀或懸臂的結構，底下以橋狀結構830說明。而此此橋狀結構830與其突起734形成一組類似彈簧的效應。
在本發明所提出的聲波傳感器，在薄膜730上可配置一組或是多組類似彈簧效應的結構，在此稱為橋狀或懸臂彈簧。當空氣壓力傳送薄膜730時，薄膜730會產生變形，而懸梁結構732下表面的突起734結構與背板結構710作接觸支撐，薄膜730上的橋狀結構830會因為突起734結構的支撐力而大幅度變形，此時薄膜730會因此而產生上下位移的變形，如此將增加背板結構710與薄膜730兩平板之間的變形與位移量，間接增加了兩平板間的電容變化值。而經由配置在薄膜730上的導電材質，以及布植在基板700上整層的導電層714，而感應並且測得此電容變化。上述的導電設計上，也可設計為背板結構710與薄膜730兩平板都由可導電的材料所組成，並且構成電容器的兩平行電極。由以上的設計將會大大增加薄膜的靈敏度。而麥克風的薄膜與背板間的電容變化，將通過這樣的導電設計而輸出。
請參考圖8，在基板上具有兩層平行板的結構，包括背板結構810與薄膜820。背板結構810具有多個音孔812。薄膜820表面上具有四個橋狀彈簧結構830，然此數量可視設計上的需要而調整。而此橋狀結構830包括兩個懸臂832與834，以及橋中心部分836下方為734突起(indentation)結構所組成。而此橋狀結構830與背板結構810相對應的一側邊上形成734突起(indentation)的結構。橋狀彈簧結構830下表面的734突起結構與背板結構810作接觸支撐，而使橋狀結構830與其734突起形成一組類似彈簧的效應，也就是薄膜820上的橋狀結構830會因為734突起結構的支撐力而大幅變形，此時薄膜820會因此而產生上下位移的變形，如此將增加背板結構810與薄膜820兩平板之間的變形與位移量，間接增加了兩平板間的電容變化值。而圖9則說明圖8聲波傳感器的橋狀結構中背板結構810具有多個音孔812的結構。
本案提出一個以增加薄膜靈敏度(compliance)，並以創新的結構設計製作出低彈簧係數的結構，使聲波傳感器(Acoustic Transducer)，例如麥克風元件，更具有高靈敏度與變形量的效能。
雖然結合以上較佳實施例揭露了本發明，然而其並非用以限定本發明，任何熟悉此技術者，在不脫離本發明的精神和範圍內，可作一些的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍應以附上的權利要求所界定的為準。
權利要求
1.一種微型電聲波元件，包括一電容式音壓感測元件，而上述電容式音壓感測元件包含兩個或多個上有導電材的平行版以構成電容，其中至少一平行板上開音孔，而在另外該些平行板中至少一該平行板上具有一橋狀結構。
2.如權利要求1所述的微型電聲波元件，其中上述橋狀結構是一懸臂式結構。
3.如權利要求1所述的微型電聲波元件，其中上述橋狀結構是一拉撐式橋狀結構。
4.一種微型電聲波元件，包括一基板，其上具有背板與薄膜，其中上述的背板具有多個音壓孔，而上述薄膜面對上述背板的一側表面具有一或多個突起結構，當音壓傳輸至上述薄膜時，上述突起結構將會接觸上述背板成為一支撐結構，而上述薄膜另一表面具有切割開的橋狀結構，橋狀結構會因突起結構的支撐而產生變形，而使上述薄膜因此而增加位移的變形量，用以使得電容的電場分布是介於上述薄膜與背板之間而產生變化。
5.如權利要求4所述的微型電聲波元件，其中上述支撐結構是一種由具彈性特性的彈性結構體所組成。
6.如權利要求4所述的微型電聲波元件，其中上述橋狀結構是一懸臂式結構。
7.如權利要求4所述的微型電聲波元件，其中上述橋狀結構是一拉撐式或指撐式(finger)橋狀結構。
8.如權利要求4所述的微型電聲波元件，其中上述背板與薄膜之間的間距是具有支撐上述薄膜的橋狀結構使的變形的距離。
9.如權利要求4所述的微型電聲波元件，其中上述背板與上述薄膜相互平行，而相對於垂直上述基板表面向上的方向，上述背板在下方，而上述薄膜位於上方。
10.如權利要求9所述的微型電聲波元件，其中上述背板形成於上述基板上，為上述基板的一部分。
11.如權利要求9所述的微型電聲波元件，其中上述薄膜形成於上述基板上。
12.如權利要求4所述的微型電聲波元件，其中上述背板與上述薄膜相互平行，而相對於垂直上述基板表面向上的方向，上述背板在上方，而上述薄膜位於下方。
13.如權利要求12所述的微型電聲波元件，其中上述薄膜形成於上述基板上。
14.如權利要求12所述的微型電聲波元件，其中上述背板形成於上述基板上，為上述基板的一部分。
15.如權利要求4所述的微型電聲元件，其中上述薄膜與上述背板是由以碳為基質的聚合物(Carbon-based polymers)、矽(Silicon)、氮化矽(Siliconnitride)，復晶矽(Polycrystalline silicon)、非晶矽(Amorphous silicon)、二氧化矽(Silicon dioxide)、碳化矽(Silicon carbide)、鍺(Germanium)、鎵(Gallium)、砷化物(Arsenide)、碳(Carbon)、鈦(Titanium)、金(Gold)、鐵(Iron)、銅(Copper)、鉻(Chromium)、鎢(Tungsten)、鋁(Aluminum)、鉑(Platinum)、鎳(Nickel)、鉭(tantalum)或其合金所組成。
16.如權利要求4所述的微型電聲波元件，其中具有支撐上述薄膜的突起結構可在上述背板結構上。
全文摘要
本發明公開一種微型電聲波元件，其是一個利用創新的薄膜結構與支撐設計的技術，可用於麥克風或壓力感測的結構設計。該結構體包含一組電容結構，其結構具有薄膜結構、一個底板結構與周圍固定薄膜的微結構組合。而薄膜結構經過因壓力負載而產生的薄膜變形後，在底板與薄膜的間隙因而改變，而兩平行板間的電容值將產生變化。利用電容值變化效應的原理，電容傳感器將隨聲音變化而造成電容值改變，達到測量的目的。
文檔編號H04R19/04GK101094540SQ20071010255
公開日2007年12月26日 申請日期2007年5月14日 優先權日2006年6月20日
發明者簡欣堂, 張平, 郭乃豪 申請人:財團法人工業技術研究院