多級靈敏度輸出的微機電系統麥克風裝置以及其電路的製作方法
2023-09-21 09:14:15 1
多級靈敏度輸出的微機電系統麥克風裝置以及其電路的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種多級靈敏度輸出的微機電系統麥克風裝置及其電路。該微機電系統裝置包含具有空腔的襯底。介電層設置在所述襯底的第二側上在所述空腔的外圍。背板結構與所述介電層一起形成在所述襯底的第一側上且通過所述空腔暴露。所述背板結構包含至少第一背板以及第二背板。所述第一背板與所述第二背板電性斷開且具有用以連接所述空腔與腔室的通風孔。振膜設置在所述背板結構上方相隔一距離，以便在所述背板結構與所述振膜之間形成腔室。所述振膜的外圍嵌入在所述介電層中。所述振膜充當共同電極。所述第一背板以及所述第二背板分別充當第一電極單元以及第二電極單元以與所述振膜協力形成獨立的兩個電容器。
【專利說明】[0001] 多級靈敏度輸出的微機電系統麥克風裝置以及其電路
【技術領域】
[0002] 本發明涉及微機電系統（microelectro-mechanicalsystem,MEMS)裝置。更明 確地說，本發明涉及具有多級靈敏度輸出的MEMS麥克風裝置。
【背景技術】
[0003] MEMS裝置(例如，MEMS麥克風或類似裝置）是基於半導體製造工藝而形成。因此， MEMS麥克風或MEMS裝置的大小可相當小且可實施到各種較大系統中以感測環境信號(例 如，聲信號或加速信號)。
[0004] MEMS裝置的感測機制是基于振膜（diaphragm)，所述振膜可響應於聲壓或響應於 能夠引起振膜變形的任何因素，例如加速力，而振動。歸因于振膜的振動或位移，電容改變， 以便轉換為用於後續應用電路中的電信號。
[0005] 按照慣例，一個MEMS裝置具有其自身的設計靈敏度。然而，當應用系統需要多級 靈敏度的MEMS來滿足改變的環境狀況時，常規方式可能需要實施具有不同靈敏度的多個MEMS裝置，以便選擇處於使用中的多個MEMS裝置中的一者。此方式將至少導致較大電路成 本。
【發明內容】
[0006] MEMS裝置可使用共同振膜以在單個MEMS裝置中形成至少兩個感測電容器。
[0007] 根據示範性實施例，一種MEMS裝置包含：襯底，具有第一側以及第二側，其中空腔 形成在所述第二側。介電層設置在所述襯底的所述第二側上在所述空腔的外圍。背板結構 與所述介電層一起形成在所述襯底的所述第一側上且通過所述空腔暴露。所述背板結構包 含至少第一背板以及第二背板。所述第一背板與所述第二背板電性斷開且具有用以連接所 述空腔與腔室的通風孔。振膜設置在所述背板結構上方相隔一距離，以便在所述背板結構 與所述振膜之間形成腔室。所述振膜的外圍嵌入在所述介電層中。所述振膜充當共同電 極。所述第一襯底和所述第一背板分別充當第一電極單元以及第二電極單元以與所述振膜 協力形成獨立的兩個電容器。
[0008] 本發明還提供一種微機電系統（MEMS)電路，包含如上所述的MEMS裝置。第一電 壓源耦接到所述MEMS裝置中的所述第一背板的所述第一電極單元。第二電壓源耦接到所 述MEMS裝置中的所述第二背板的所述第二電極單元。放大電路用以放大所述第一電極單 元處的第一感測信號以及所述第二電極單元處的第二感測信號。
[0009] 應理解，以上一般描述和以下詳細描述都是示範性的，且希望提供對如所主張的 本發明的進一步解釋。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 包含附圖以提供對本發明的進一步理解，且附圖併入本說明書中並構成本說明書 的一部分。所述【專利附圖】
【附圖說明】本發明的實施例，且與描述一起用以解釋本發明的原理。
[0011] 圖1為根據本發明的實施例的MEMS電路。
[0012] 圖2為根據本發明的實施例的另一MEMS電路。
[0013] 圖3A到圖3B為根據本發明的實施例的MEMS裝置的橫截面圖和俯視透視圖。
[0014] 圖4A到圖4B為根據本發明的實施例的MEMS裝置的橫截面圖和俯視透視圖。
[0015] 圖5為根據本發明的實施例的MEMS裝置的橫截面圖。
[0016] 圖6A到圖6B為根據本發明的實施例的MEMS裝置的橫截面圖和俯視透視圖。
[0017] 圖7A到圖7B為根據本發明的實施例的MEMS裝置的橫截面圖和俯視透視圖。
[0018] 圖8A到圖8B為根據本發明的實施例的MEMS裝置的橫截面圖和俯視透視圖。
[0019] 圖9A到圖9B為根據本發明的實施例的MEMS裝置的橫截面圖和俯視透視圖。
[0020] 圖10A到圖10B為根據本發明的實施例的MEMS裝置的俯視透視圖和橫截面圖。
[0021] 主要元件標號說明
[0022] 100 :微機電系統裝置
[0023] 100a:第一背板
[0024] 100b:第二背板
[0025] 100c:共同振膜
[0026] 102 :第一運算放大器
[0027] 104:第二運算放大器
[0028] 106:電阻器
[0029] 108:電阻器
[0030] 110:聲壓
[0031] 112:多路復用器
[0032] 114:選擇信號
[0033]116:運算放大器
[0034] 200:襯底
[0035] 202:空腔
[0036] 204:介電層
[0037] 206:背板結構
[0038] 206'：第一電極單元
[0039] 206〃：第二背板單元
[0040] 206a:第一背板
[0041] 206b:第二背板
[0042] 210a:通風孔
[0043] 210b:通風孔
[0044] 212 :間隙
[0045] 214a:第一介電層
[0046] 214b:第二介電層
[0047] 216a:第一電極層
[0048] 216b:第二電極層
[0049] 220 :腔室
[0050] 222 :振膜
[0051] 224:振膜
[0052] 224a:第一振膜區域
[0053] 224b:第二振膜區域
[0054] 226 :通風孔
[0055] 230 :背板
[0056] 232 :背板
[0057] 234 :背板
[0058] 240:介電層
[0059] 242a:電極層
[0060] 242b:電極層
[0061] 250:第一背板
[0062] 252 :第二背板
[0063] 300 :襯底
[0064] 302 :空腔
[0065] 304:介電層
[0066] 306 :背板結構
[0067] 306' ：第一電極單元
[0068] 306〃 ：第二背板單元
[0069] 306a:第一背板
[0070] 306b:第二背板
[0071] 310a:通風孔
[0072] 310b:通風孔
[0073] 312 :間隙
[0074] 320 :腔室
[0075] 322 :振膜
[0076] Voutl:第一輸出信號
[0077] Vout2 :第二輸出信號
[0078] VPP1 :第一電壓源
[0079] VPP2:第二電壓源
[0080] Vppl:操作電壓
[0081] Vpp2:操作電壓
[0082] AXI:位移
[0083] AX2:位移
【具體實施方式】
[0084] 公開一種具有多級靈敏度的MEMS裝置，其中單個振膜通常用於不同靈敏度。MEMS 裝置可使用共同振膜以在單個MEMS裝置中形成至少兩個感測電容器。
[0085] 提供多個實施例以用於描述本發明。然而，本發明不限於所公開的實施例。另外， 所述實施例中的至少兩者可允許恰當組合以具有其它實施例。
[0086] 圖1為根據本發明的實施例的MEMS電路。在圖1中，提供具有多級靈敏度的MEMS 裝置100。藉助共同振膜100c，多個背板(例如，第一背板100a和第二背板100b)形成在單 個MEMS裝置100中且進而形成至少兩個電容器。藉助相同振膜100c形成的兩個電容器的 電容的變化獨立地產生兩個感測信號。
[0087] 在一實例中，第一電壓源VPP1通過電阻器106而耦接到MEMS裝置100中的第一 背板l〇〇a的電極。同樣，在一實例中，第二電壓源VPP2通過電阻器108而耦接到MEMS裝 置100中的第二背板l〇〇b的電極。
[0088] 通常，放大電路用以放大第一背板100a的電極處的第一感測信號和第二背板 100b的電極處的第二感測信號。
[0089] 在圖1的實例中，放大電路可包含第一運算放大器（0P1) 102和第二運算放大器 (0P2)104。0P1耦接到第一背板的電極以放大第一感測信號。第二運算放大器耦接到第二 背板的電極以放大第二感測信號。第一運算放大器102和第二運算放大器104具有相同放 大增益或不同放大增益。
[0090] 靈敏度機制如下。具有放大增益Gain_l的第一運算放大器102輸出第一輸出信 號Voutl。同樣，具有放大增益Gain_2的第二運算放大器104輸出第二輸出信號Vout2。輸 出信號Voutl和Vout2的靈敏度如下表達在方程式（1)和方程式（2)中：
【權利要求】
1. 一種微機電系統麥克風裝置，包括： 襯底，具有第一側以及第二側，其中空腔形成在所述第二側； 背板結構，形成在所述襯底的所述第一側上方，其中所述背板結構包含至少第一背板 以及第二背板，其中所述第一背板與所述第二背板電性斷開且具有通風孔； 振膜，形成在所述襯底的所述第一側上方與所述背板結構相隔一距離，以便在所述背 板結構與所述振膜之間形成腔室， 其中所述振膜充當共同電極， 其中所述第一背板以及所述第二背板分別充當第一電極單元以及第二電極單元以與 所述振膜協力形成獨立的兩個電容器，所述兩個電容器通過所述空腔暴露。
2. 根據權利要求1所述的微機電系統麥克風裝置，其中所述背板結構通過所述空腔暴 露且所述腔室經由所述通風孔而連接到所述空腔。
3. 根據權利要求1所述的微機電系統麥克風裝置，其中所述振膜通過所述空腔暴露且 所述腔室經由所述通風孔而連接到外部。
4. 根據權利要求1所述的微機電系統麥克風裝置，還包括：介電層，設置在所述襯底的 所述第一側上在所述空腔的外圍，其中所述背板和振膜緊固到所述襯底的所述第一側上方 的所述介電層。
5. 根據權利要求1所述的微機電系統麥克風裝置，其中所述第一背板與所述第二背板 厚度相同，因此所述第一背板與所述振膜之間的距離等於所述第二背板與所述振膜之間的 距離。
6. 根據權利要求1所述的微機電系統麥克風裝置，其中所述第一背板與所述第二背板 厚度不同，因此所述第一背板與所述振膜之間的距離與所述第二背板與所述振膜之間的距 離不同。
7. 根據權利要求1所述的微機電系統麥克風裝置，其中所述第一背板與所述第二背板 導電且在結構上斷開。
8. 根據權利要求1所述的微機電系統麥克風裝置，其中所述背板結構包括： 共同介電層，設置在所述襯底的所述第一側上； 第一電極層，設置在所述共同介電層上作為所述第一背板的一部分；以及 第二電極層，設置在所述共同介電層上作為所述第二背板的一部分，其中所述第一電 極層與所述第二電極層在結構上斷開。
9. 根據權利要求1所述的微機電系統麥克風裝置，其中所述振膜具有對應於所述第一 背板的中央區域以及對應於所述第二背板的外圍區域，所述中央區域具有與所述外圍區域 不同的彈性常數，以便具有不同靈敏度。
10. 根據權利要求9所述的微機電系統麥克風裝置，其中所述振膜為盤狀形狀，且所述 中央區域為具有所述振膜的中央的區域，所述外圍區域環繞所述中央區域。
11. 根據權利要求10所述的微機電系統麥克風裝置，其中所述第一背板與所述第二背 板導電，且所述第一背板具有被所述第二背板環繞的盤狀結構。
12. 根據權利要求10所述的微機電系統麥克風裝置，其中所述背板結構包括： 共同介電層，設置在所述襯底的所述第一側上； 中央電極層，設置在所述共同介電層上作為對應於所述振膜的所述中央區域的所述第 一背板的一部分；以及 外圍電極層，設置在所述共同介電層上作為對應於所述振膜的所述外圍區域的所述第 二背板的一部分， 其中所述中央電極層與所述外圍電極層在結構上斷開。
13. 根據權利要求9所述的微機電系統麥克風裝置，其中所述振膜的所述中央區域的 彈性常數與所述振膜的所述外圍區域不同。
14. 根據權利要求1所述的微機電系統麥克風裝置，其中所述背板結構不包含所述襯 底的一部分。
15. 根據權利要求1所述的微機電系統麥克風裝置，其中所述背板結構在所述空腔上 方包含在所述第一側的所述襯底的一部分。
16. -種微機電系統麥克風裝置，包括： 背板結構，其中所述背板結構包含至少第一背板以及第二背板，其中所述第一背板與 所述第二背板電性斷開且具有通風孔； 振膜，形成在所述背板結構上方相隔一距離，以便在所述背板結構與所述振膜之間形 成腔室且所述腔室經由所述通風孔而連接到外部， 其中所述振膜充當共同電極， 其中所述第一背板以及所述第二背板分別充當第一電極單元以及第二電極單元以與 所述振膜協力形成獨立的兩個電容器。
17. -種微機電系統電路，包括： 根據權利要求16所述的微機電系統麥克風裝置； 第一電壓源，耦接到所述微機電系統麥克風裝置中的所述第一背板的所述第一電極單 元； 第二電壓源，耦接到所述微機電系統麥克風裝置中的所述第二背板的所述第二電極單 元；以及 放大電路，用以放大所述第一電極單元處的第一感測信號以及所述第二電極單元處的 第二感測信號。
18. -種微機電系統微機電系統電路，包括： 根據權利要求1所述的微機電系統麥克風裝置； 第一電壓源，耦接到所述微機電系統麥克風裝置中的所述第一背板的所述第一電極單 元； 第二電壓源，耦接到所述微機電系統麥克風裝置中的所述第二背板的所述第二電極單 元；以及 放大電路，用以放大所述第一電極單元處的第一感測信號以及所述第二電極單元處的 第二感測信號。
19. 根據權利要求18所述的微機電系統電路，其中所述放大電路包括： 第一運算放大器，耦接到所述第一電極單元以放大所述第一感測信號；以及 第二運算放大器，耦接到所述第二電極單元以放大所述第二感測信號， 其中所述第一運算放大器和所述第二運算放大器具有相同放大增益或不同放大增益。
20. 根據權利要求18所述的微機電系統電路，其中所述放大電路包括： 多路復用器，接收來自所述第一電極單元的第一感測信號以及來自所述第二電極單元 的第二感測信號，且根據選擇信號而選擇所述第一感測信號以及所述第二感測信號中的一 者作為輸出信號；以及 運算放大器，放大所述多路復用器的所述輸出信號。
【文檔編號】H04R19/04GK104427450SQ201410008559
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年1月7日 優先權日:2013年8月29日
【發明者】李建興, 謝聰敏, 劉志成 申請人:鑫創科技股份有限公司