麥克風和加速度計的製作方法

2023-05-10 21:16:31

專利名稱：麥克風和加速度計的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用晶片製造微機械麥克風和加速度計的方法，以及涉及一種包括晶片的設備。
背景技術：
電容性麥克風典型地包括隔膜和背板，其中在隔膜和背板之間提供空氣隙。施加在隔膜上的聲壓波由於隔膜上的壓力差而強迫隔膜振動。為了獲得良好的全方向性能，通常聲學隔離所述隔膜的背板。另外，所述隔膜通常與聲學密閉的背部腔室相連，所述聲學密閉的背部腔室影響隔膜的柔度(compliance)，並且定義下限截止頻率。在背部腔室中要求有小孔，以對大氣壓的緩慢變化進行補償。當將導電材料用於隔膜和背板時，施加到隔膜上的聲壓對隔膜和背板之間的空氣隙進行調製的結果是電學可檢測的信號。按照這種方式，均配置有導電錶面的隔膜和背板形成了電容器，所述電容器的電容與施加到隔膜上的聲壓波相關聯地變化。理想地，背板是剛性板，聲壓波只能使隔膜位移。根據現有技術已知的這種電容性麥克風通常包含按照矽微機電系統(MEMS)工藝製作的隔膜和背板，而背部腔室由整個封裝或者電容性麥克風自己來限定。優選地，通過將具有麥克風的電子設備集成到系統級封裝(SiP)方案中來將所謂的MEMS麥克風用於行動電話，因為傳統的分立麥克風不具有所需的形狀因子。麥克風中的電子設備可以包括預放大器、偏置電路、A/D轉換器以及信號處理和總線驅動器。麥克風的靈敏度由隔膜的柔度來確定，即由隔膜的彈性來確定。通過機械結構或者材料參數(製造之後的應力和/或楊氏模量)來控制柔度，其中依賴於麥克風的設計、機械結構或者材料參數支配所述性能。這種麥克風的一種重要性能參數是對於結構自生聲音的靈敏度，所述結構自生聲音是通過由於整體上作用於麥克風上的機械振動導致的隔膜和背板之間的不需要的相對運動來控制的。所謂的本體噪音是麥克風的幹擾效果。這種幹擾效果的一個示例是行動電話自身的揚聲器與具有非線性傳遞函數的麥克風的串音。信號處理不能夠補償這種幹擾效果。大多數麥克風用戶必須處理的另一個問題是需要儘可能快地止住電話的鈴聲，因為他們在非常不希望鈴聲聲音的時刻(例如當在別人在場時，在演示或者其他類型的表演期間，在展覽和會議期間，圖書館、法庭等等)接到了電話。用戶需要找到電話，從他或她的口袋或者包裡取出電話，找到正確的按鈕(有時是在黑暗中或者需要儘可能不引人注目)。 這都需要時間，並且可能會惹惱周圍的人們。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種麥克風，所述麥克風對於機械振動較不敏感，以及提供一種製造麥克風的方法，所述麥克風提供本體噪聲的消除。
該目的是通過利用具有第一層的晶片製造微機械麥克風和加速度計的方法來是解決的，所述方法包括步驟將所述第一層分為麥克風層和加速度計層，用連續的第二層覆蓋麥克風層的前側和加速度計層的前側，用第三層覆蓋第二層，在第三層中形成多個溝槽， 去除麥克風層背部一側下面的晶片的一部分，在加速度計層背部一側下面的晶片中形成至少兩個晶片溝槽，以及通過在第三層中形成的多個溝槽去除第二層的一部分。因此，本發明的重要思 想是在麥克風附近提供加速度計，優選地將所述加速度計配置為一維加速度計，其中在與麥克風相同的管芯中處理加速度計。根據本發明的麥克風和加速度計允許抑制機械振動，導致了改進的信噪比。當用於蜂窩電話時，所述加速度計可以促進另外的功能性，例如通過晃動蜂窩電話來結束會話，當將蜂窩電話正面朝上或反面朝上放置時實現靜音模式。優選地，所述麥克風配置為MEMS電容性麥克風。本發明進一步的優點在於可以通過與電容性MEMS麥克風所要求的相同工藝流來生產這種加速度計，而無需改變MEMS麥克風管芯的物理尺寸。這樣，對可能影響靈敏度的臨界參數(例如層應力)的局部工藝變動進行優化，並且不需要額外的掩模來實現所伴隨的一維加速度計。另外優選地是將第一層配置為矽層，將第二層配置為氧化層，以及將第三層配置為多晶矽層。可以使用根據現有技術已知的技術來製造根據本發明的微機械麥克風和加速度計，例如使用反應離子刻蝕、深度反應離子刻蝕(DRIE)，或者氫氧化鉀(KOH)或四甲基銨 (TMAH)的溼法各向異性刻蝕，或者犧牲層刻蝕之類的刻蝕。優選地，利用四烷氧基矽烷 (tetra alcoxysilan, TE0S) 共胃二胃。根據本發明的另一個優選實施例，經由第二層覆蓋麥克風層和加速度計層之間的交界的第三層中的溝槽比經由第二層覆蓋麥克風層和/或加速度計層的第三層中的溝槽更寬。這意味著通過包括多個溝槽的第三層覆蓋優選地形成麥克風隔膜的麥克風層，並且意味著通過包括多個溝槽的第三層覆蓋優選地形成加速度計隔膜的加速度計層，並且其中優選地在相對地覆蓋麥克風層和加速度計層之間的交界的區域中去除第三層。根據本發明的另一個優選實施例，所述晶片中位於加速度計層背部一側下面的至少兩個晶片溝槽形成了加速度計晶片塊，所述加速度計晶片塊由加速度計層背部一側下面的晶片的一側上的最外面溝槽和加速度計層背部一側下面的晶片的另一側上的最外面溝槽來限定。根據本發明的另一個優選實施例，麥克風層的質量與麥克風層的柔度的乘積等於加速度計層和加速度計晶片塊的質量與加速度計層的柔度的乘積。換句話說，優選地，將麥克風層和包括加速度計晶片塊的加速度計層設計為使得它們提供對於機械振動的相等幅度的同相響應。這進一步意味著優選地，由於額外的加速度計晶片塊，形成加速度計的加速度計層對於加速度更加敏感，而對於聲壓波不太敏感。應該注意的是將柔度定義為隔膜剛度(stiffness)的倒數，即分別是麥克風層剛度的倒數或者加速度計層剛度的倒數。根據本發明的另一個優選實施例，第一層是絕緣體上矽(SOI)晶片的器件層。如現有技術中已知的，優選地SOI晶片包括通常稱作器件層的頂部矽層、中間絕緣(氧化)層和典型地比頂部矽層厚得多的(約650微米)底部矽層。可選地，可以將第一矽層配置為娃晶片。本發明的目的還通過一種設備來實現，所述設備包括具有第一層的晶片，其中將第一層分為麥克風層和加速度計層，並且其中 去除麥克風層的背部一側下面的晶片的一部分，在加速度計層的背部一側下面的晶片中形成至少兩個晶片溝槽，用連續的第二層覆蓋麥克風層的前側和加速度計層的前側，用第三層覆蓋連續的第二層，在第三層中形成多個溝槽，以及通過在第三層中形成的多個溝槽去除第二層的一部分。這相對於現有技術的優點在於根據本發明的設備允許本體噪聲消除，以便最小化結構自生聲音。換句話說，根據本發明的這種設備包括麥克風，通過形成隔膜的麥克風層和形成背板的具有溝槽的第二層來提供麥克風；以及加速度計，通過形成加速度計隔膜的加速度計層和形成背板的具有溝槽的連續的第二層來提供加速度計。優選的是將第一層設置為矽層，將第二層設置為氧化層，並且將第三層設置為多晶矽層。根據本發明的另一個優選實施例，所述設備的麥克風層適用於產生第一電信號， 其中所述第一電信號與施加於麥克風層和/或加速度計層的壓力成正比，並且其中所述加速度計層適用於產生第二電信號，其中所述第二電信號與施加於麥克風層和/或加速度計層的壓力成正比。優選地，由於在形成第一電容器的麥克風層和具有溝槽的第三層之間的空氣隙的調製，產生第一電信號，以及由於加速度計層和形成第二導體的具有溝槽的第三層之間的空氣隙的調製，產生第二電信號。根據本發明的另一個優選實施例，所述設備包括減法模塊，所述減法模塊適用於從第一信號中減去第二信號。因為從第一電信號中減去了第二電信號而獲得有益效果，其中由麥克風層形成的第二導體所產生的第二電信號表示由於不希望的機械振動導致的結構自生聲音；第一電信號由麥克風層的第一導體產生，，從而獲得了沒有或幾乎沒有結構自生聲音的聲信號。根據本發明的另一個優選實施例，經由第二層覆蓋麥克風層和加速度計層之間的交界的第三層中的溝槽比經由第二層覆蓋麥克風層和/或加速度計層的第三層中的溝槽更寬。進一步優選地並且根據本發明的另一個優選實施例，加速度計層的背部一側下面的晶片中的至少兩個晶片溝槽形成了加速度計晶片塊，所述加速度計晶片塊由加速度計層的背部一側下面的晶片的一側上的最外面溝槽和加速度計層的背部一側下面的晶片的另一側上的最外面溝槽來限定。根據本發明的另一個優選實施例，麥克風層的質量和麥克風層的柔度的乘積等於加速度計層和加速度計晶片塊的質量與加速度計層的柔度的乘積。進一步優選地，所述第一層是SOI晶片的器件層。本發明的目的還通過使用根據本發明的微機械麥克風和加速度計的方法來實現， 用於檢測麥克風層和相對地覆蓋麥克風層的第三層之間的第一電信號，其中第一電信號與施加於麥克風層和/或加速度計層的壓力成正比，檢測加速度計層和相對地覆蓋加速度計層的第三層之間的第二電信號，其中第二電信號與施加於麥克風層和/或加速度計層的壓力成正比，以及從第一電信號中減去第二電信號。因為信號相減消除了由於聲信號中不需要的機械振動導致的結構自生聲音，這相對於現有技術是有利的。本發明也包括具有微機械麥克風和加速度計的設備的使用方法檢測施加到電話的至少一個晃動；執行包括以下任一個內容的動作，包括使電話靜音、抑制電話鈴聲、只抑制聲音、 將電話設置為靜音模式、自動應答呼叫。根據下文所述的實施例，本發明的這些和其他方面將變得清楚明白，並且參考下文所述的實施例進行解釋。


在附圖中圖Ia-Ig示出了 根據本發明的優選實施例形成微機械麥克風的典型工藝。
具體實施例方式在優選實施例的以下詳細描述中，將參考形成實施例一部分的附圖，在附圖中作為說明示出了可以實踐本發明的特定實施例。所述附圖只是示意性的而不是限制性的。在附圖中為了說明的目的，對一些元件的尺寸進行了誇大，並且沒有按比例繪製。本領域普通技術人員應該認識到在不脫離本發明範圍的情況下，可以利用其他實施例，並且可以進行結構變化。另外，說明書和權利要求中的術語第一、第二、第三等用於區分類似的元件，而不是為了描述次序順序或時間順序。應該理解的是所使用的術語在適當的情況下是可以互換的，並且這裡所述的本發明實施例能夠按照除了這裡所述和所示的其他順序而操作。此外，在說明書和權利要求中的術語頂部、底部、上面、下面等用於描述性目的，而不一定是為了描述相對位置。應該理解的是所使用的術語在適當的環境下是可互換的，並且這裡所述的本發明實施例能夠按照除了這裡所述和所示之外的其他朝向來操作。應該注意的是，權利要求中使用的術語「包括」不應該解釋為局限於隨後所列舉的裝置，其並沒有排除其他元件和步驟。因此，表達方式「設備包括裝置A和B」的範圍不應該局限於只由部件A和B組成的設備。其意味著相對於本發明，設備的相關部件是A和B。根據本發明的優選實施例，可以在與電容性MEMS麥克風所要求的相同工藝流程中製造一維加速度計。所述一維加速度計定位為靠近電容性MEMS麥克風，而不會改變MEMS 麥克風管芯的物理尺寸。這樣，對可能影響靈敏度的臨界參數(例如層應力)的局部工藝變動進行優化，並且不需要額外的掩模來實現所伴隨的一維加速度計。因為根據本發明的針對測量聲壓進行了優化的電容性MEMS麥克風也對於加速度具有靈敏度，所以增加了在隔膜上具有附加質量的較小的第二 「麥克風」。這種次級「麥克風」對於加速度更加敏感，而對於聲音不太敏感。因此，將這種次級「麥克風」稱作一維加速度計。通過使得質量柔度乘積對於加速度計和麥克風均相等來獲得最優的頻率和靈敏度匹配。下表總結了兩種器件的性質。靈敏度是針對諧振頻率以下的頻率的靈敏度。
權利要求
1.一種利用具有第一層O)的晶片(1)製造微機械麥克風和加速度計的方法，所述方法包括步驟將所述第一層( 分為麥克風層( 和加速度計層(6)， 用連續的第二層(7)覆蓋麥克風層(5)的前側和加速度計層(6)的前側， 用第三層(8)覆蓋第二層(7)， 在第三層(8)中形成多個溝槽(9)，去除麥克風層(5)背部一側下面的晶片(1)的一部分(10)，在加速度計層(6)背部一側下面的晶片(1)中形成至少兩個晶片溝槽(11)，以及通過在第三層(8)中形成的多個溝槽去除第二層(7)的一部分(12，13)。
2.根據權利要求1所述的方法，其中經由第二層(7)覆蓋麥克風層( 和加速度計層 (6)之間的交界的第三層(8)中的溝槽(9)比經由第二層(7)覆蓋麥克風層(5)和/或加速度計層(6)的第三層(8)中的溝槽(9)更寬。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中加速度計層(6)背部一側下面的至少兩個晶片溝槽(11)形成了加速度計晶片塊，所述加速度計晶片塊由加速度計層(6)背部一側下面的晶片(1)在一側上的最外面溝槽(11)和加速度計層(6)背部一側下面的晶片(1)在另一側上的最外面溝槽(11)來限定。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其中麥克風層(5)的質量與麥克風層(5) 的柔度的乘積等於加速度計層(6)和加速度計晶片塊的質量與加速度計層(6)的柔度的乘積。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其中所述第一層( 是SOI晶片(1)的器件層。
6.一種設備，包括具有第一層O)的晶片(1)，其中將第一層(2)分為麥克風層(5)和加速度計層(6)，並且其中去除麥克風層(5)的背部一側下面的晶片(1)的一部分(10)，在加速度計層(6) 的背部一側下面的晶片(1)中形成至少兩個晶片溝槽(11)，用連續的第二層(7)覆蓋麥克風層(5)的前側和加速度計層(6)的前側， 其中用第三層(8)覆蓋第二層(7)，其中在第三層(8)中形成多個溝槽(9)，以及通過在第三層(8)中形成的多個溝槽(9) 去除第二層(7)的一部分(12，13)。
7.根據權利要求6所述的設備，其中所述麥克風層(5)適用於產生第一電信號，其中所述第一電信號與施加於麥克風層(5)和/或加速度計層(6)的壓力成正比，並且其中所述加速度計層(6)適用於產生第二電信號，其中所述第二電信號與施加於麥克風層(5)和 /或加速度計層(6)的壓力成正比。
8.根據權利要求7所述的設備，包括減法模塊，所述減法模塊適用於從第一電信號中減去第二電信號。
9.根據權利要求6至8中任一項所述的設備，其中經由第二層(7)覆蓋麥克風層(5) 和加速度計層(6)之間的交界的第三層(8)中的溝槽(9)比經由第二層(7)覆蓋麥克風層 (5)和/或加速度計層(6)的第三層(8)中的溝槽(9)更寬。
10.根據權利要求6至9中任一項所述的設備，其中加速度計層(6)的背部一側下面的晶片(1)中的至少兩個晶片溝槽(11)形成了加速度計晶片塊，所述加速度計晶片塊由加速度計層(6)的背部一側下面的晶片(1)在一側上的最外面溝槽(11)和加速度計層(6)的背部一側下面的晶片(1)在另一側上的最外面溝槽(11)來限定。
11.根據權利要求6至10中任一項所述的設備，其中麥克風層(5)的質量和麥克風層 (5)的柔度的乘積等於加速度計層(6)和加速度計晶片塊的質量與加速度計層(6)的柔度的乘積。
12.根據權利要求6至11中任一項所述的設備，其中所述第一層( 是SOI晶片(1) 的器件層。
13.根據權利要求6至12中任一項所述的設備，其中將所述設備用於電話。
14.一種根據權利要求6至13中任一項所述的具有微機械麥克風和加速度計的設備的使用方法，用於檢測麥克風層( 和相對地覆蓋麥克風層(5)的第三層(8)之間的第一電信號，其中第一電信號與施加於麥克風層(5)和/或加速度計層(6)的壓力成正比，檢測加速度計層(6)和相對地覆蓋加速度計層(6)的第三層(8)之間的第二電信號， 其中第二電信號與施加於麥克風層(5)和/或加速度計層(6)的壓力成正比，以及從第一電信號中減去第二電信號。
15.一種包括根據權利要求13所述的具有微機械麥克風和加速度計的設備的使用方法，用於檢測施加到電話的至少一個晃動；以及執行包括以下任一個的動作使電話靜音、抑制電話鈴聲、只抑制聲音、將電話設置為靜音模式、自動應答呼叫。
全文摘要
本發明涉及一種利用具有第一層(2)的晶片(1)製造微機械麥克風和加速度計的方法，所述方法包括步驟將所述第一層(2)分為麥克風層(5)和加速度計層(6)，用連續的第二層(7)覆蓋麥克風層(5)的前側和加速度計層(6)的前側，用第三層(8)覆蓋第二層(7)，在第三層(8)中形成多個溝槽(9)，去除麥克風層(5)背部一側下面的晶片(1)的一部分(10)，在加速度計層(6)背部一側下面的晶片(1)中形成至少兩個晶片溝槽(11)，以及通過在第三層(8)中形成的多個溝槽去除第二層(7)的一部分(12)、(13)。根據本發明的微機械麥克風和加速度計的相對於現有技術的優勢在於其允許消除結構自生噪聲以便最小化結構本身的聲音。
文檔編號H04R3/00GK102349311SQ201080010998
公開日2012年2月8日 申請日期2010年2月3日 優先權日2009年3月9日
發明者海爾特·倫格瑞斯, 特溫·范利龐, 馬特吉·戈森斯 申請人:Nxp股份有限公司