微機電麥克風的製作方法
2023-06-19 13:40:16
本實用新型涉及複合傳感器鄰域，更具體地，涉及一種微機電麥克風。
背景技術：
微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)是集微傳感器、微執行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等於一體的微型器件或系統。MEMS是一項革命性的新技術，廣泛應用於高新技術產業，是一項關係到國家的科技發展、經濟繁榮和國防安全的關鍵技術MEMS器件是在微電子技術基礎上發展起來的採用微加工工藝製作的電子機械器件，已經廣泛地用作傳感器和執行器，微機電麥克風就是其中的代表。
目前，傳感器融合的趨勢非常明顯，但不同傳感器之間的MEMS製程和封裝製程差異較大，其專業性也存在一定互斥關係，因此多見當前的傳統方案是多種傳感器組裝到一塊電路板上以獲得各自的物理量。現有技術中，將壓力計的MEMS和專用集成電路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)晶片與微機電麥克風的MEMS和ASIC晶片封裝到一個殼體中，使得從視覺上只看到一個產品，而該產品同時提供兩種物理量信息，這樣可以節省一些封裝的成本。
但上述複合型的傳感器只是單純將兩種獨立的傳感器封裝在一起，其結構及布局面積往往大於兩者的加和。
技術實現要素：
鑑於上述問題，本實用新型的目的在於提供一種微機電麥克風，該微機電麥克風在具有麥克風功能的基礎上集成了其他物理量的傳感功能，且結構緊湊，節省布局面積。
根據本實用新型提供的一種微機電麥克風，包括：
背極板，所述背極板包括第一表面和第二表面；
振膜，所述振膜與所述背極板的所述第一表面相對並且相隔預定距離設置，使得可振動的所述振膜與所述背極板之間形成電場；
傳感層，所述傳感層貼附於所述背極板的所述第二表面，所述傳感層的形變帶動所述背極板發生形變。
優選地，所述傳感層敏感的信號頻率為0～20赫茲。
優選地，所述傳感層為溼敏傳感層。
優選地，所述背極板發生形變的範圍為所述振膜與所述背極板之間相隔的所述預定距離的-12％～+12％。
優選地，所述微機電麥克風還包括：
襯底，所述襯底包括聲腔，所述振膜位於所述襯底上並且通過所述聲腔與外部連通以接收聲音信號；
支撐層，所述支撐層設置在所述襯底與所述振膜之間以及所述振膜與所述背極板之間。
優選地，所述微機電麥克風還包括：
專用集成電路，所述專用集成電路與所述背極板以及所述振膜電連接。
優選地，所述專用集成電路包括：
金屬-氧化物-半導體場效應電晶體(MOS管)，所述專用集成電路通過檢測所述MOS管的溫度特性輸出與溫度有關的電信號。
根據本實用新型的微機電麥克風，在具有麥克風功能的基礎上集成了其他物理量的傳感功能，且結構緊湊，節省布局面積。通過檢測MOS管溫度特性輸出與溫度相關的電信號，使得微機電麥克風還可以輸出溫度物理量，從而使得該微機電麥克風更適用於消費電子、物聯網、智能家居等終端產品在聲學、溫度、溼度等多種物理量都有要求的場合。
附圖說明
通過以下參照附圖對本實用新型實施例的描述，本實用新型的上述以及其他目的、特徵和優點將更為清楚，在附圖中：
圖1示出根據本實用新型具體實施例的微機電麥克風的立體圖。
圖2示出根據本實用新型具體實施例的微機電麥克風的立體分解圖。
圖3示出根據本實用新型具體實施例的微機電麥克風的俯視圖。
圖4示出根據本實用新型具體實施例的微機電麥克風的截面圖。
圖5a至圖5d示出根據本實用新型具體實施例的微機電麥克風的製造方法的各個階段的截面圖。
具體實施方式
以下將參照附圖更詳細地描述本實用新型。在各個附圖中，相同的元件採用類似的附圖標記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪製。此外，可能未示出某些公知的部分。
應當理解，在描述器件的結構時，當將一層、一個區域稱為位於另一層、另一個區域「上面」或「上方」時，可以指直接位於另一層、另一個區域上面，或者在其與另一層、另一個區域之間還包含其它的層或區域。並且，如果將器件翻轉，該一層、一個區域將位於另一層、另一個區域「下面」或「下方」。
如果為了描述直接位於另一層、另一個區域上面的情形，本文將採用「A直接在B上面」或「A在B上面並與之鄰接」的表述方式。在本申請中，「A直接位於B中」表示A位於B中，並且A與B直接鄰接。
本實用新型提供一種微機電麥克風，該微機電麥克風包括：背極板、振膜、以及傳感層，其中，所述背極板包括第一表面和第二表面，所述振膜與所述背極板的所述第一表面相對並且相隔預定距離設置，使得可振動的所述振膜與所述背極板之間形成電場，所述傳感層貼附於所述背極板的所述第二表面，所述傳感層的形變帶動所述背極板發生形變。本實用新型提供的微機電麥克風在具有麥克風功能的基礎上集成了其他物理量的傳感功能，且結構緊湊，節省布局面積。
下面結合附圖1至圖4具體說明本實用新型的微機電麥克風的實施例，在下文中描述了本實用新型的許多特定的細節，例如器件的結構、材料、尺寸、處理工藝和技術，以便更清楚地理解本實用新型。但正如本領域的技術人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細節來實現本實用新型。
圖1至圖4分別示出根據本實用新型具體實施例的微機電麥克風的立體圖、立體分解圖、俯視圖以及截面圖，其中圖3中的線A-A′示出截面圖的截取位置。該微機電麥克風包括背極板140，所述背極板140包括第一表面和第二表面；振膜130，所述振膜130與所述背極板140的所述第一表面相對並且相隔預定距離設置，使得可振動的所述振膜130與所述背極板140之間形成電場；以及傳感層150，所述傳感層150貼附於所述背極板140的所述第二表面，所述傳感層150的形變帶動所述背極板140發生形變。
進一步地，本實施例的微機電麥克風還包括：襯底110，所述襯底110包括聲腔111，所述振膜130位於所述襯底110的上方，所述振膜130通過所述聲腔111與外部連通以接收聲音信號；支撐層120，所述支撐層120設置在所述襯底110與所述振膜130之間以及所述振膜130與所述背極板140之間。
背極板140由導電材料(例如摻雜的多晶矽、金屬或合金)組成，振膜層130由導電材料(例如摻雜的多晶矽、金屬或合金)組成，襯底110例如為體矽襯底、絕緣體上矽(SOI)襯底等，所述襯底110、所述振膜層130、所述背極板140均包括相對的第一表面和第二表面，支撐層120的材料例如為氧化矽或氮化矽。於本實施例中，所述襯底110為圓環形，其內部設有連通襯底110第一表面和第二表面的聲腔111，所述振膜130設置在所述襯底110的第一表面的上方，並且二者之間設置有所述支撐層120，所述振膜130的第二表面暴露於聲腔111中，外界聲音信號通過所述聲腔111到達所述振膜130第二表面使得所述振膜130發生振動。所述背極板140設置在所述振膜130的上方，並且二者之間通過設置所述支撐層120而隔開預定距離，所述振膜120與所述背極板140都為圓形，上述支撐層120為對應於所述振膜120、所述背極板140外圓周邊緣的圓環形，所述背極板140的第二表面與所述振膜130的第一表面相對，並且二者之間形成電場，所述振膜130振動時，所述電場也發生相應變化，從而使聲學信號通過電容信號得以反映出來。
傳感層150可以對各種物理量敏感的敏感材料製成，如溫敏材料、溼敏材料、壓敏材料等。本實施例中的傳感層150貼附在所述背極板140的第一表面上，可以是圓形，並且其大小可以略小於所述背極板140的大小，例如其外圓周邊緣對應於所述環形支撐層120的內圓周邊緣，所述傳感層150檢測到對應的敏感物理量的變化時會發生形變，即脹縮，該變化會帶動所述背極板140同時發生形變，反映為所述背極板140與所述振膜120之間距離的變化，從而使所述背極板140與所述振膜120之間電場的電容發生變化，使得所述敏感物理量的變化反映為電容信號而被示出。
當然可以理解的是，所述振膜130、所述背極板140、所述傳感層150的形狀不限於上述實施例中的圓形，也可以根據實際需要製成其他形狀，例如方形，對應地，所述襯底110、所述支撐層120也可以是方環形。
顯然，由於聲學信號的頻率範圍為20～20000赫茲(Hz)，不適合把頻率範圍有重疊的運動傳感器如加速度計、陀螺儀等與所述微機電麥克風集成在一起，以避免無法區分電容信號是表徵運動量還是聲學量的困難，而對於壓力、溼度、溫度等物理量的測量，會更加適合集成。因此優選地，所述傳感層150敏感的信號頻率為0～20Hz，以避免反映傳感層檢測物理量變化的電容(下稱為敏感電容)信號與反映聲學信號的電容(下稱為聲學電容)信號之間的混淆，將頻率為0～20Hz的電容信號作為溼度信號的輸出，將20～20000Hz的電容信號作為聲音信號的輸出。
傳感層150的材料可以是多孔矽或聚醯亞胺，所述傳感層150可以是溼敏傳感層，使得所述微機電麥克風既保留麥克風的功能、又具有檢測溼度的功能。優選地，所述背極板發生形變的範圍為所述振膜與所述背極板之間相隔的所述預定距離的-12％～+12％。通常情況下，要求微機電麥克風的靈敏度精度控制為±1分貝(dB)，而微機電麥克風的靈敏度是通過檢測聲學電容變化在所述振膜130與所述背極板140之間的總電容值中的比例來體現，本文中，定義所述振膜130與所述背極板140之間的總電容值為C0，所述聲學電容的變化為ΔC，則靈敏度即通過ΔC/C0體現，設定所述振膜130與所述背極板140之間總距離為d0，在聲音信號作用下振膜130的位移的幅值為Δd，在Δd較小時，會有ΔC/C0≈Δd/d0，所述傳感層150帶動所述背極板140發生形變時以及在聲音信號作用下背極板140的形變會改變上述d0，同時Δd不會有明顯變化，此時所述微機電麥克風靈敏度會受d0的影響。由於1dB的精度對應於所述振膜130與所述背極板140之間總距離d0的12％，需要保證所述背極板發生形變的範圍為所述振膜與所述背極板之間相隔的所述預定距離的-12％～+12％。當然，可以理解的是，根據實際對所述微機電麥克風精度要求的不同，上述背極板發生形變的範圍佔所述振膜與所述背極板之間相隔的所述預定距離的百分數可以作相應的調整，使得新集成的敏感物理量的檢測對所述微機電麥克風的精度和性能控制在允許的範圍內，減少所述敏感電容信號與所述聲學電容信號之間的相互影響。
進一步地，本實施例的微機電麥克風還包括專用集成電路(ASIC，圖中未示出)，所述ASIC與所述背極板140以及所述振膜130電連接，使得所述背極板140以及所述振膜130的電學信號通過所述ASIC得以輸出。再進一步地，所述ASIC又包括金屬(metal)-氧化物(oxide)-半導體(semiconductor)場效應電晶體(簡稱MOS管)，所述微機電麥克風可以直接通過檢測所述MOS管的溫度特性從而輸出與溫度有關的電信號，使得所述微機電麥克風還可以同時檢測溫度這種敏感物理量，集成了溫度、溼度傳感功能的所述微機電麥克風基本不增加產品的成本、體積、功耗，更適用於消費電子、物聯網、智能家居等終端產品在聲學、溫度、溼度等多種物理量都有要求的場合。
下面以上述具體實施例中的微機電麥克風的製作來說明本實用新型的製造微機電麥克風的方法，圖5a至圖5d示出根據本實用新型具體實施例的微機電麥克風的製造方法的各個階段的截面圖,圖3中的線A-A′示出各截面圖的截取位置。
如圖5a，提供襯底110，在所述襯底110上形成振膜130，優選地，在所述襯底110與所述振膜130之間形成支撐層120，使得所述振膜130的邊緣部分得到所述支撐層120的支撐。
接著，如圖5b，在所述振膜130上再形成支撐層120，圖案化該支撐層120，並且在該支撐層120上形成背極板140，使得所述振膜130與所述背極板140通過所述支撐層120相隔預定距離。
接著，如圖5c，在所述襯底110內形成聲腔111，所述聲腔111貫穿所述襯底110相對的兩個表面，使得所述振膜130可以通過所述聲腔111接收外界的聲音信號。形成聲腔111的工藝可以是幹法刻蝕工藝，本實施例中，採用感應耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma,ICP)刻蝕工藝，採用該工藝形成所述聲腔111過程中，其溫度通常會超過300攝氏度。當然可以理解的是，上述形成聲腔111的步驟也可以採用其他本領域公知的方法。
接著，如圖5d，在所述背極板140上形成傳感層150，所述傳感層150貼附在所述背極板140上，從而，其形變可以帶動所述背極板140發生形變。上述實施例中微機電麥克風的傳感層150採用聚醯亞胺製成，根據現有的微機電麥克風製程，形成所述聲腔111的步驟可以在任何時候進行，但本實施例中，聚醯亞胺製成的傳感層150使用溫度為-200～300攝氏度，為保證形成所述傳感層150之後的製程不影響其敏感特性，需要將形成傳感層150的步驟設置在溫度會超過300攝氏度的全部步驟之後，因此本實施例中，在形成所述聲腔111後再進行形成所述傳感層150的步驟，形成所述傳感層150後，可以進行工藝溫度低於300攝氏度的其他步驟，本實施例在形成所述傳感層150後採用溼法刻蝕工藝圖案化所述支撐層120，釋放所述振膜130以及所述背極板140的中心部分。應當說明的是，所述振膜層130上可以設有開孔(圖中未示出)，以方便對所述支撐層120的圖案化。最後，將上述微機電麥克風中的所述振膜130、所述背極板140與對應的ASIC電連接，完成所述微機電麥克風的製作。
應當說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
依照本實用新型的實施例如上文所述，這些實施例並沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該實用新型僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本實用新型的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本實用新型以及在本實用新型基礎上的修改使用。本實用新型僅受權利要求書及其全部範圍和等效物的限制。