電容式傳聲器晶片的製作方法

2023-05-22 18:15:06

專利名稱：電容式傳聲器晶片的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及傳聲器技術領域，特別是一種電容式傳聲器晶片。
背景技術：
美國專利US5,870,482描述了基底做背極的傳聲器結構，發明了懸臂 梁式振膜，懸臂梁一端固定，利用自由端邊緣與背極構成電容，這種結構 機械靈敏度對傳聲器靈敏度貢獻很大，懸臂結構三端自由，振膜的姿態和 可靠性不易得到保證；美國公開專利US2006/0093170 Al，提出了外部懸 臂梁振膜，其中外部懸臂梁均勻分布的單膜結構，利用振膜邊緣與背極形 成電容，懸臂梁提高了機械靈敏度對傳聲器輸出靈敏度的貢獻，對振膜殘 餘應力應力要求比較嚴格。

實用新型內容
本實用新型的目的是提出一種電容式傳聲器晶片，該電容式傳聲器芯 片可以改進懸臂梁式振膜、外部懸臂梁振膜的性能。
根據本實用新型的一方面，本實用新型提供了一種電容式傳聲器芯 片，該電容式傳聲器晶片包括基底；與基底間隔第一預定距離的振膜， 所述振膜以懸臂梁的方式固定在基底上；下止擋，所述下止擋位於所述振 膜之下，用於限制所述振膜的位移量。
為了實現本實用新型的目的，提出了一種新結構，主要包括:基底、 振膜支撐、上止擋、下止擋，其中基底作為背極，有足夠大的剛性，基底 中間設置貫通孔，作為聲孔；振膜邊緣或者振膜邊緣的引出懸梁通過振膜 支撐固定於基底之上，在振膜和背極之間有預先設計好的間距，振膜在無 振膜支撐的區域，為水平自由狀態，充分釋放振膜的殘餘應力；振膜自由端邊緣設置上止擋和下止擋，振膜之上為上止擋，振膜之下為下止擋，上 止擋、下止擋與振膜之間有預先設定好的微小間距，上止擋和下止擋限制 振膜上下位置，固定振膜的狀態，保證振膜的可靠性。
在振膜自由端邊緣設置懸梁結構，下止擋設置在懸梁結構的懸梁支撐 之下，電容傳聲器工作時，加在振膜和背極上電壓使懸梁支撐與下止擋相 抵，聲波使振膜產生的振動變形將主要集中在懸梁上，振膜會保持柔軟的 特性。
振膜邊緣設有無數小孔改善了頻響特性，同時在工藝過程中這些小孔 也作為腐蝕孔，通過小孔腐蝕振膜之下原有的犧牲層。 振膜邊緣與背極形成電容結構。
本實用新型的矽傳聲器晶片結構，具有製作工藝簡單，高靈敏度、低 噪聲、寬頻帶特性。


圖1為本實用新型第一實施例的電容式傳聲器晶片俯視圖2為本實用新型第一實施例的電容式傳聲器晶片沿圖AA虛線的剖 面圖3為本實用新型第一實施例的電容式傳聲器晶片沿圖BB虛線的剖 面圖4為本實用新型第一實施例的電容式傳聲器晶片仰視圖； 圖5為本實用新型第一實施例的電容式傳聲器晶片無振膜及上止擋俯 視圖6為本實用新型第二實施例的電容式傳聲器晶片俯視圖； 圖7為本實用新型第二實施例的電容式傳聲器晶片沿圖AA虛線的剖 面圖8為本實用新型第二實施例的電容式傳聲器晶片沿圖BB虛線的剖 面圖9為本實用新型第二實施例的電容式傳聲器晶片無振膜及上止擋俯 視圖10為本實用新型第三實施例的電容式傳聲器晶片俯視圖；圖11為本實用新型第三實施例的電容式傳聲器晶片沿圖AA虛線的剖 面圖12為本實用新型第三實施例的電容式傳聲器晶片沿圖BB虛線的剖 面圖13為本實用新型第三實施例的電容式傳聲器晶片無振膜及上止擋 俯視圖。
具體實施方式
本實用新型有多種不同形式的實施例，附圖1-13所示為本實用新型三 個優選實例，下面對這三個實例進行詳細說明。 實施例一
如圖l-5所示為本實用新型的第一實施例，根據本實用新型的電容式 傳聲器晶片包括基底21;以及與基底21間隔第一預定距離的振膜25。 所述振膜25以懸臂梁的方式固定在基底上。電容式傳聲器晶片還包括下 止擋23，所述下止擋23位於所述振膜25下方或之下，用於限制所述振膜 的位移量。所述下止擋23與基底21相連，所述下止擋23與所述振膜25 具有第二預定距離，用於限制所述振膜的位移量。
電容式傳聲器晶片還包括上止擋26，所述上止擋26設置在所述振膜 25上方且固定於所述基底21，所述上止擋26與所述振膜25具有第三預 定距離，用於限制所述振膜的位移量。
在圖中所示的實例中，電容式傳聲器晶片是一種振膜在上、背極在下 的電容式傳聲器晶片結構，其所示為方形振膜，也可以為圓形或者其它形 狀。如圖l-3所示，其特點為振膜一側邊緣固定，其它區域邊緣自由，自 由邊緣有上止擋和下止擋；基底作為背極，自下而上為基底21、振膜支 撐22、下止擋23、上止擋支撐24、振膜25及上止擋26，另外還有下電 極27、上電極28，振膜25邊緣和基底21構成電容結構。
振膜支撐22與下止擋23和上止擋26間隔預定的距離，以便獲得適 當的限制所述振膜位移量的效果。如圖3中所示，所述上止擋26包括 固定部分，固定部分用於將所述上止擋26通過上止擋支撐24固定於所述 基底21;以及止擋部分，所述止擋部分用於限制所述振膜的位移量。更具體而言，上止擋26為大體板狀結構，且所述上止擋26的固定部分固定於 上止擋支撐24，而所述上止擋26的止擋部分從所述上止擋支撐24伸出。 所述下止擋23在所述基底21上的投影與所述上止擋26的止擋部分在所 述基底21上的投影至少部分重疊，或可以不重疊。
如圖l、 3中所示，所述下止擋23可以位於所述振膜的邊緣部分，而 所述上止擋26的止擋部分可以位於所述振膜的邊緣部分。
作為選擇，所述上止擋26的止擋部分和所述下止擋23的位置是振膜 在振動過程中振幅大體最大的區域或變形時變形量最大的區域。例如，如 圖l、 5中所示，用於將振膜固定於基底21的振膜支撐22與下止擋23和 上止擋26的止擋部分大體相對，即分別在振膜相對的兩側的邊緣部分。
如圖1中所示，振膜的振膜支撐22可以位于振膜邊緣部分。所述振 膜支撐22在基底上的位置可以是任何時當的位置，以及本領域所述技術 人員公知的任何適當的位置。
基底21中心有貫通孔，為聲孔29，如圖4所示，聲孔29為截頭錐形， 也可以是其它形狀。基底為導電材料或包含導電材料層。
如圖5所示，基底21上表面固連有振膜支撐22、下止擋23、上止擋 支撐24。振膜支撐22、下止擋23、上止擋支撐24在聲孔上開口之外區域， 其中一個或多個振膜支撐22位於聲孔29上開口一側，且距離開口邊緣有 預定的距離； 一個或多個下止擋23、 一個或多個上止擋支撐24位於聲孔 29上開口另一側或幾側，且距離開口邊緣有預定的距離。基底21上表面 一側，聲孔上開口之外區域設有下電極27。
振膜25覆於聲孔29之上，振膜25和基底21之間有作為第一預定距 離的預定距離。振膜25—端固定于振膜支撐22上表面，另一端或幾端懸 浮於下止擋23之上，振膜25與振膜下止擋23之間有作為第二預定距離 的微小間隙。振膜25邊緣部分有複數個小孔30，小孔30分部在聲孔29 上開口在振膜25上投影之外，在振膜支撐22區域無小孔。振膜為導電材 料或包含導電材料層。在支撐22區域的振膜25之上固結上電極28。
上止擋26固定於上止擋支撐24之上，其邊緣部分，即止擋部分伸出 覆于振膜邊緣，上止擋26和振膜之間有預先設定的作為第三預定距離的 微小間距。上止擋支撐24可位于振膜25區域之外，也可位于振膜25區域之內，圖中為位于振膜25之外的情況。
振膜25邊緣與基底21形成電容，振膜25除在振膜支撐22處固定外， 其它的區域處於自由懸浮狀態，在自由的一側或幾側的振膜的邊緣有下止 擋23和上止擋26的止擋部分限制，限制振膜的上下振動或變形範圍。當 在上電極28、下電極27上加工作電壓後，振膜和基底由於靜電吸引，振 膜自由端變形較大，將搭到下止擋23上，下止擋23起到支撐作用；上止 擋26限制振膜受到衝擊或者變形過大，保證振膜25的可靠性。振膜25 一邊固定，其餘各邊自由，振膜25內部不存在殘餘應力，具有良好的振 動性能，提高其靈敏度。
實施例二
如圖6-9所示為本實用新型的第二實施例，下面僅僅描述與第一實施 例中的不同部分。
電容式傳聲器晶片包括懸梁32，所述懸梁32的一端與所述振膜相連， 且所述懸梁32的另一端位於所述下止擋23上方或之上，通過所述下止擋 23限制所述另一端的位移量，限制所述振膜的位移量。下止擋23可以與 所述懸梁32的另一端連接或者與基底21連接。
在圖6中，所述懸梁32位於所述振膜之內。作為選擇，所述懸梁32 可以位於所述振膜之外，即懸梁的一端與振膜的外邊緣相連，另一端位於 所述下止擋23上方或之上。此外，懸梁32可以是任何合適結構的懸梁， 例如，直線狀的梁，曲線狀的梁，多個分梁形成的組合梁(如圖6中所示)， 或直線狀的梁和曲線狀的梁的組合。
圖中所示的電容式傳聲器晶片是一種振膜在上、背極在下的電容式傳 聲器晶片結構，其所示為方形振膜，也可以為圓形或者其它形狀。如圖6-8 所示，振膜一側邊緣固定，其它區域邊緣自由，自由邊緣有懸梁結構，懸 梁結構下有下止擋，振膜邊緣有上止擋；基底作為背極，自下而上為基 底21、振膜支撐22、下止擋23、上止擋支撐24、振膜25、懸梁支撐31、 懸梁32及上止擋26，另外還有下電極27、上電極28，振膜25邊緣和基 底21構成電容結構。
基底21中心有貫通孔，為聲孔29，如圖4所示，聲孔29為截頭錐形，也可以是其它形狀。基底為導電材料或包含導電材料層。
如圖9所示，基底21上表面固連有振膜支撐22、下止擋23、上止擋 支撐24。振膜支撐22、下止擋23、上止擋支撐24在聲孔上開口之外區域， 其中一個或多個振膜支撐22位於聲孔29上開口一側，且距離開口邊緣有 預定的距離； 一個或多個下止擋23、 一個或多個上止擋支撐24位於聲孔 29上開口另一側或幾側，且距離開口邊緣有預定的距離。基底21上表面 一側，聲孔上開口之外區域設有下電極27。
振膜25覆於聲孔29之上，振膜25和背極21之間有預定距離。振膜 25 —端固定于振膜支撐22上表面，在振膜的另一端或幾端有懸梁結構， 懸梁結構包括懸梁支撐31和懸梁32，懸梁支撐31懸浮於下止擋23之上， 懸梁支撐31與振膜下止擋23之間有微小間隙。振膜25邊緣部分有複數 個小孔30，小孔30分布在聲孔29上開口在振膜25上投影之外區域，在 振膜支撐22區域無小孔。振膜為導電材料或包含導電材料層。與支撐22 固定區域的振膜25之上固結上電極28。
上止擋26固定於上止擋支撐24之上，其邊緣伸出覆于振膜邊緣，上 止擋26和振膜之間有預先設定的微小間距。上止擋支撐24可位于振膜25 區域之外，也可位于振膜25區域之內，圖中為位于振膜25之外的情況。
振膜25邊緣與基底21形成電容，振膜25除在支撐22處固定外，其 它的區域在自由懸浮，在自由端的一側或幾側的懸梁支撐31下有下止擋 23，振膜自由端邊緣有上止擋26限制，固定振膜的上下狀態。當在上電 極28、下電極27上加工作電壓後，振膜和基底由於靜電吸引，振膜自由 端變形較大，懸梁支撐31將搭到下止擋23上，下止擋23起到支撐作用； 上止擋26限制振膜受到衝擊或者變形過大，保證振膜25的可靠性。振膜 25—端固定，其餘各端自由，振膜25內部不存在殘餘應力，且自由端靠 懸梁結構支撐，振動時變形主要集中在懸梁上，具有良好的振動性能，提 高其靈敏度。
實施例三
如圖10-13所示，在實施例三中，除了與上述第一和第二實施例的電 容式傳聲器晶片的相同部分之外，在根據實施例三的電容式傳聲器晶片中，振膜支撐22位於所述振膜之外，所述振膜通過懸梁33在所述振膜之 外固定於所述基底。此外，懸梁33可以是任何合適結構的懸梁，例如，直線狀的梁，曲線狀的梁，多個分梁形成的組合梁，或直線狀的梁和曲線狀的梁的組合。圖10-13所示的電容式傳聲器晶片是一種振膜在上、背極在下的電容 式傳聲器晶片結構，其所示為方形振膜，也可以為圓形或者其它形狀。如 圖10-12所示，振膜通過引出懸梁固定，其它區域邊緣自由，自由邊緣有 懸梁結構，懸梁結構有下止擋支撐，振膜邊緣有上止擋；基底作為背極， 自下而上為基底21、振膜支撐22、下止擋23、上止擋支撐24、振膜25、 懸梁支撐31、懸梁32、引出懸梁33及上止擋26，另外還有下電極27、 上電極28，振膜25邊緣和基底21構成電容結構。基底21中心有貫通孔，為聲孔29，如圖4所示，聲孔29為截頭錐形， 也可以是其它形狀。基底為導電材料或包含導電材料層。如圖13所示，基底21上表面固連有振膜支撐22、下止擋23、上止 擋支撐24。振膜支撐22、下止擋23、上止擋支撐24在聲孔上開口之外區 域，其中一個振膜支撐22位於聲孔29上開口一側，且距離開口邊緣有預 定的距離； 一個或多個下止擋23、 一個或多個上止擋支撐24位於聲孔29 上開口另一側或幾側，且距離開口邊緣有預定的距離。基底21上表面一 側，聲孔上開口之外區域設有下電極27。振膜25覆於聲孔29之上，振膜25和背極21之間有預定距離。振膜 25 —側通過引出懸梁33固定于振膜支撐22上表面，在振膜的另一端或幾 端有懸梁結構，懸梁結構包括懸梁支撐31和懸梁32，懸梁支撐31懸浮於 下止擋23之上，懸梁支撐31與振膜下止擋23之間有微小間隙。振膜25 邊緣部分有複數個小孔30，小孔30分部在聲孔29上幵口在振膜25上投 影之外，在振膜支撐22區域無小孔。振膜為導電材料或包含導電材料層。 與支撐22固定區域的振膜25之上固結上電極28。上止擋26固定於上止擋支撐24之上，其邊緣伸出覆于振膜邊緣，上 止擋26和振膜之間有預先設定的微小間距。上止擋支撐24可位于振膜25 區域之外，也可位于振膜25區域之內，圖中為位于振膜25之外的情況。振膜25邊緣與基底21形成電容，振膜25除通過引出懸梁33在支撐22處固定，其它的區域自由懸浮，在自由端的一側或幾側的懸梁支撐31下有下止擋23，振膜自由端邊緣有上止擋26限制，限制振膜的上下振動 或變形量。當在上電極28、下電極27上加工作電壓後，振膜和基底由於 靜電吸引，振膜自由端變形較大，懸梁支撐31將搭到下止擋23上，下止 擋23起到支撐作用；上止擋26限制振膜受到衝擊或者變形過大，保證振 膜25的可靠性。振膜25通過引出懸梁33固定，其餘各端自由，振膜25 內部不存在殘餘應力，且自由端靠懸梁結構支撐，振動時變形主要集中在 懸梁上，具有良好的振動性能，提高其靈敏度。上述各實施例中，振膜支撐22與振膜25可一體形成，這種情況，振 膜25為包含導電層的複合膜，在振膜支撐22區域只有絕緣層。下止擋23 與振膜25可一體形成，下止擋23與基底21有預定的微小間距，這種情 況，振膜為包含導電層的複合膜，在下止擋區域只有絕緣層。上止擋26 與上止擋支撐24可一體形成，為絕緣材料。艮P，振膜支撐22可以通過在振膜25下面一體形成的部分代替，下止 擋23可與振膜25 —體形成，上止擋支撐24可由從上止擋26向下一體延 伸的部分代替。此外，除了上述上止擋26和下止擋23的布置方式之外，上止擋26 和下止擋23可以設置在任何其它合適的位置，只要能夠限制振膜25的變 形或振動幅度即可。工藝實現下面描述本實用新型的電容式傳聲器晶片的製造方法。 本實用新型傳聲器晶片由MEMS (Micro-eletro-mechanical system)力口工工藝製作而成，可以有多種工藝實施方案，下面是一種具體工藝步驟。 根據本實用新型的三種實施方式的圖1至13所示的電容式傳聲器晶片的製造方法如下1、 選用低阻雙面拋光矽片作為基底21，在矽片的第一側生長2.5um PSG、 LTO、 TEOS氧化矽層作為犧牲層、支撐層、止擋層；2、 用LPCVD方法在矽片兩側生長3000A的氮化矽薄膜；3、 用反應離子刻蝕的方法局部去掉矽片第一側氮化矽薄膜，保留振 膜支撐、下止擋、上止擋處氮化矽；局部刻蝕第二側氮化矽薄膜，被刻蝕12的區域將作為腐蝕矽片的窗口 ；4、 在矽片的第一側繼續生長0.5um微米PSG、 LTO、 TEOS氧化矽層；5、 用LPCVD的方法在矽片兩側生長2um厚的低應力多晶矽，並通 過注入或者擴散的方法形成N型或者P型的多晶矽層；5、 用反應離子刻蝕的方法刻出第一側多晶矽上所設計的圖形，形成 振膜結構；6、 在矽片的第一側再生長0.5微米PSG、 LTO、 TEOS氧化矽層；7、 用LPCVD的方法在矽片兩側生長1 U m微米厚的低應力多晶矽；8、 用反應離子刻蝕的方法刻出第一側多晶矽層上所設計的圖形，形 成上止擋形狀；9、 用HF溶液腐蝕透正面氧化矽到矽基底；10、 用濺射、蒸發或者電鍍的方法在矽片第一側製作上金屬電極和下 金屬電極；11、 保護矽片第一側，用KOH溶液先去掉第二側多晶矽層，然後通 過體矽腐蝕腐蝕基底，腐蝕到氧化矽停止，以形成聲孔；12、 用HF溶液通過振膜的聲孔、振膜邊緣、振膜上的小孔以及振膜 與上止擋間隙對氧化矽進行腐蝕，最後形成實用新型所述的結構。振膜支 撐、下止擋及上止擋支撐區域的尺寸遠大於所腐蝕的尺寸，通過合理控制 腐蝕時間，保留足夠大的振膜支撐、下止擋及上止擋支撐區域。儘管通過上述實施例描述了本實用新型，但本實用新型不限於上述實 施例。在不背離本實用新型的原理和構思的情況下可以對實施例進行修 改，變更和替換。例如，上述實施方式中的各種特徵、結構和部件可以相互組合而形成 新的實施方式，除非這種組合是不可行的。
權利要求1、一種電容式傳聲器晶片，其特徵在於，包括基底(21)；與基底(21)間隔第一預定距離的振膜(25)，所述振膜(25)以懸臂梁的方式固定在基底上；下止擋(23)，所述下止擋(23)位於所述振膜(25)之下，用於限制所述振膜的位移量。
2、 根據權利要求l所述的電容式傳聲器晶片，還包括上止擋(26)，所述上止擋(26)設置在所述振膜(25)上方且固定 於所述基底(21)，所述上止擋(26)與所述振膜(25)具有第三預定距 離，用於限制所述振膜的位移量。
3、 根據權利要求2所述的電容式傳聲器晶片，其中所述上止擋(26) 包括固定部分，固定部分用於將所述上止擋(26)固定於所述基底(21); 以及止擋部分，所述止擋部分用於限制所述振膜的位移量。
4、 根據權利要求3所述的電容式傳聲器晶片，其中所述下止擋(23) 在所述基底(21 )上的投影與所述上止擋(26)的止擋部分在所述基底(21 ) 上的投影至少部分重疊。
5、 根據權利要求2所述的電容式傳聲器晶片，其中所述下止擋(23) 位於所述振膜的邊緣部分。
6、 根據權利要求3所述的電容式傳聲器晶片，其中所述上止擋(26) 的止擋部分位於所述振膜的邊緣部分。
7、 根據權利要求3所述的電容式傳聲器晶片，其中所述上止擋(26)的止擋部分和所述下止擋(23)的位置是振膜在振動過程中振幅大體最大 的區域或變形時變形量最大的區域。
8、 根據權利要求3所述的電容式傳聲器晶片，其中所述振膜(25) 的固定位置在所述振膜(25)的第一側的邊緣部分，而所述上止擋(26) 的止擋部分和所述下止擋(23)在所述振膜的、與所述第一側相對的第二 側的邊緣部分。
9、 根據權利要求1所述的電容式傳聲器晶片，其中所述振膜(25) 在振膜的邊緣部分固定於所述基底。
10、 根據權利要求l所述的電容式傳聲器晶片，其中所述振膜(25) 在所述振膜之外的區域通過梁(33)固定於所述基底。
11、 根據權利要求3所述的電容式傳聲器晶片，還包括用於將所述上 止擋(26)固定於所述基底的上止擋支撐(24)。
12、 根據權利要求11所述的電容式傳聲器晶片，其中所述上止擋(26) 為大體板狀結構，且所述上止擋(26)的固定部分固定於上止擋支撐(24)， 而所述上止擋(26)的止擋部分從所述上止擋支撐(24)伸出。
13、 根據權利要求1所述的電容式傳聲器晶片，還包括懸梁(32)， 所述懸梁(32)的一端與所述振膜相連，且所述懸梁(32)的另一端位於 所述下止擋(23)之上，通過所述下止擋(23)限制所述另一端的位移量， 由此限制所述振膜的位移量。
14、 根據權利要求13所述的電容式傳聲器晶片，其中所述懸梁(32) 位於所述振膜之內。
15、 根據權利要求l所述的電容式傳聲器晶片，其中所述振膜(25)通過振膜支撐(22)固定於基底。
16、 根據權利要求1所述的電容式傳聲器晶片，其中所述下止擋(23) 與基底(21)相連，且所述下止擋(23)與所述振膜(25)具有第二預定 距離。
17、 根據權利要求1所述的電容式傳聲器晶片，其中所述下止擋(23) 與所述振膜(25)相連，且所述下止擋(23)與所述基底(21)具有第二 預定距離。
專利摘要本實用新型電容式傳聲器晶片，涉及傳聲器技術，利用振膜和基底即背極形成電容檢測結構。振膜通過振膜支撐與背極上表面相連，形成懸臂結構或準自由振膜結構，振膜在水平方向上保持自由，充分的釋放振膜的殘餘應力，提高振膜的上下振動性能；在振膜自由端邊緣有上止擋和下止擋，保持振膜的穩定狀態；振膜自由端邊緣可製作懸梁結構，下止擋設在懸梁結構之下，保持振膜柔軟的振動特性。振膜邊緣設有的無數小孔改善頻響特性，同時作腐蝕孔；本實用新型具有高靈敏度、低噪聲、頻帶寬的特性，晶片的體積小，製作工藝簡單，容易批量生產。
文檔編號H04R19/00GK201163820SQ20082007912
公開日2008年12月10日 申請日期2008年2月20日 優先權日2008年2月20日
發明者劉同慶, 宋青林, 龐勝利, 昕 潘, 陶永春 申請人:歌爾聲學股份有限公司