專利名稱：內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜及其組成的傳聲器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳聲器技術(shù)領(lǐng)域，特別是半導(dǎo)體電容式傳聲器芯片，是一 種內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜及其組成的傳聲器芯片。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體傳聲器芯片研究已有20多年的歷史了，期間各類傳聲器陸續(xù)在硅片上被開發(fā)實現(xiàn)。其中，最主要最熱門的一種即電容式硅傳聲器。電容 式硅傳聲器不僅具有體積小、靈敏度高、頻響特性好、噪聲低等特點，更重要的是具有很寬工作溫度，可適用于SMT等自動化生產(chǎn)線作業(yè)和惡劣的 工作環(huán)境。電容式傳聲器芯片是由振膜和背極構(gòu)成的電容結(jié)構(gòu)，目前大多報導(dǎo)和 專利采用雙膜電容結(jié)構(gòu)，在硅片上利用微機械加工技術(shù)制作振膜和背極雙 膜電容結(jié)構(gòu)。對于單膜電容式硅傳聲器的研究、報導(dǎo)罕見，文獻 Fabrication of silicon condenser microphone using single wafer technology, Journal of microelectromechanical systems, VOL l.No. 3， 1992， pl47-154，報導(dǎo)了一種單膜電容式硅傳聲器，利用振膜邊緣和硅基底形成電容結(jié)構(gòu)，硅基底作為背極，背極中心大孔作為聲孔。此報導(dǎo)存在著 不足，由于振膜邊緣與周邊相連，接受聲波的時候，最大振動在振膜的中 心，振膜邊緣的振動較小，由于振膜中心正對背極聲孔，振幅最大區(qū)域的機械靈敏度沒有得到利用，振膜機械靈敏度對傳聲器靈敏度貢獻??；美國 專利US5，870，482描述了懸臂梁式振膜，懸臂梁一端固定，利用自由端邊 緣與背極構(gòu)成電容，這種結(jié)構(gòu)機械靈敏度對傳聲器靈敏度貢獻很大，但是 結(jié)構(gòu)制作比較復(fù)雜，同時懸臂梁三端自由，振膜的姿態(tài)和可靠性不易得到 保證；美國公開專利US2006/0093170 Al，提出了外部懸梁均勻分布的單膜 結(jié)構(gòu)，利用振膜邊緣與背極形成電容，懸梁提高了機械靈敏度對傳聲器輸 出靈敏度的貢獻，但還是不能實現(xiàn)所述的振膜平動模型，成品率及可靠性 不易保證。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有單膜電容式傳聲器芯片技術(shù)中存在的 問題，針對當前存在的不足，提出了一種內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜及其組成的傳聲器 芯片，具有內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)振膜的電容式傳聲器芯片，有效釋放振膜殘余應(yīng) 力，防止粘連，提高可靠性。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜，用于電容式傳聲器芯片，包括振膜、外懸梁、外 懸梁邊框；其振膜外邊緣設(shè)有至少一個外懸梁，振膜通過外懸梁與外懸梁 邊框固連；還包括內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)；振膜中心部為片狀，在片狀邊緣到振膜 外邊緣區(qū)域內(nèi)設(shè)有多數(shù)個孔，在設(shè)孔的區(qū)域內(nèi)，均勻的設(shè)有至少兩個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)包括內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁、內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁邊框；片狀的內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁邊框處于內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)的中心部位，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁邊框周緣固接有至少一個內(nèi) 旋轉(zhuǎn)梁，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁的外端與振膜上設(shè)孔的區(qū)域固連。所述的內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜，其所述振膜形狀，為圓形、方形或其它多邊形。所述的內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜，其所述內(nèi)旋轉(zhuǎn)懸梁，為弧形梁或s型梁；外懸 梁，為T型梁。所述的內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜，其是由低應(yīng)力多晶硅材料制作，并通過摻磷或 硼，形成n型或p型導(dǎo)電層。所述的內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜，其用于雙膜或單膜電容式傳聲器芯片。 本發(fā)明的傳聲器芯片，是振膜在上，背極在下的單膜電容式結(jié)構(gòu)，包 括基底、絕緣層、導(dǎo)電層、下電極、上電極；基底作為背極，基底中心有 一聲孔，基底上表面固接有絕緣層，絕緣層包括至少兩個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁支撐、 至少一個外懸梁支撐和周邊絕緣層，周邊絕緣層上表面固接有導(dǎo)電層，基 底上表面還設(shè)有下電極；其內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜的至少兩個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁邊框分別固 連在內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁支撐上表面，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜的至少一個外懸梁邊框固連在外 懸梁支撐上表面，外懸梁邊框上表面固接有上電極，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜的片狀 中心部覆蓋聲孔，設(shè)孔區(qū)域與基底構(gòu)成電容。所述的傳聲器芯片，其所述基底為半導(dǎo)體硅。 所述的傳聲器芯片，其所述絕緣層為PSG、 LT0、 TE0S氧化硅。 所述的傳聲器芯片，其所述上電極和下電極為金屬金或鋁。 本發(fā)明的傳聲器芯片，振膜內(nèi)部有懸梁結(jié)構(gòu)，內(nèi)部懸梁為旋轉(zhuǎn)形狀。 通過旋轉(zhuǎn)梁的扭轉(zhuǎn)達到釋放振膜殘余應(yīng)力的目的；柔軟的旋轉(zhuǎn)梁起彈簧作振動；旋轉(zhuǎn)梁在振膜內(nèi)部分布可以有效的防止工藝 過粘連問題；旋轉(zhuǎn)梁在振膜內(nèi)部分布，振膜各部分振動均勻，可充分利用 振膜的機械靈敏度。內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁可以應(yīng)用到雙膜電容式傳聲器結(jié)構(gòu)中；也可 以應(yīng)用到單膜傳聲器結(jié)構(gòu)中；內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁可以應(yīng)用到不同形式的振膜上。本 發(fā)明以內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁應(yīng)用到單膜傳聲器結(jié)構(gòu)中，且選擇具有外懸梁結(jié)構(gòu)振膜為 例進行詳細闡述，以基底作為背極，基底中間有一個大孔——聲孔，振膜 覆于此聲孔之上。振膜正對聲孔范圍之外設(shè)有無數(shù)小孔，這些小孔配合背 極聲孔釋放振膜和背極之間原有的犧牲層，并對傳聲器的頻響特性有改善 作用。振膜固接于基底，具有內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)，這種振膜的優(yōu)點為可有效釋放 振膜殘余應(yīng)力，防止粘連，提高可靠性；基底作為背極，有很強的剛性。 此結(jié)構(gòu)的傳聲器芯片結(jié)構(gòu)簡單、工藝難度低、成本低、可靠性高。本發(fā)明提出的內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)，在振膜內(nèi)部有旋轉(zhuǎn)梁，旋轉(zhuǎn)梁可以很好 的釋放振膜的殘余應(yīng)力，同時旋轉(zhuǎn)梁起彈簧連接作用支撐振膜，振膜可以 在上下良好振動；旋轉(zhuǎn)梁在振膜的內(nèi)部可以均勻支撐振膜，在工藝過程中 有效的防止由靜電力、范德華力、毛細力引起的振膜和背極的粘連問題， 提高了可靠性。


圖1為本發(fā)明中振膜由4個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁和1個外懸梁支撐的傳聲器芯片 俯視圖；圖2為本發(fā)明中振膜由4個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁和1個外懸梁支撐的傳聲器芯片 沿圖l虛線的剖面圖；圖3為本發(fā)明中振膜由4個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁和1個外懸梁支撐的傳聲器芯片 絕緣層俯視圖4為本發(fā)明中振膜由4個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁和1個外懸梁支撐的傳聲器芯片 仰視圖5為本發(fā)明中振膜由2個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁和2個外懸梁支撐的傳聲器芯片 俯視圖6為本發(fā)明中振膜由2個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁和2個外懸梁支撐的傳聲器芯片 沿圖5虛線的剖面具體實施例方式
本發(fā)明有多種不同形式的實施例，圖l-6所示為本發(fā)明一優(yōu)選實施例， 下面對此實施例進行詳細說明。
本發(fā)明具有內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁的振膜電容式傳聲器芯片結(jié)構(gòu)，如圖1-4所示， 其特點為振膜內(nèi)部有懸梁，懸梁為旋轉(zhuǎn)梁，基底作為背腔，基底中心有聲 孔，旋轉(zhuǎn)梁在聲孔之外，振膜邊緣與基底形成電容，此結(jié)構(gòu)自下而上為 基底21、絕緣層22、導(dǎo)電層23、下電極24、上電極25。
其中，基底21中心有貫通孔，為聲孔26。基底21為導(dǎo)體或者半導(dǎo)體 材料。半導(dǎo)體材料可以是硅，對于硅材料基底21中心部的聲孔26可用體 硅腐蝕工藝形成，如圖4所示。也可采用干法腐蝕形成柱狀背腔。
基底21上表面固連有絕緣層22，絕緣層22由內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁支撐22a、外 懸梁支撐22b和周邊絕緣層22c構(gòu)成，如圖3所示。周邊絕緣層22c成環(huán) 狀，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁支撐22a和外懸梁支撐22b在環(huán)形周邊絕緣層22c之內(nèi)且相 互隔離，聲孔26上開口在周邊絕緣層22c之內(nèi)。絕緣層22可以是氧化硅。在環(huán)形周邊絕緣層22c之上一側(cè)有一貫通孔，為下電極孔27。在下電 極孔27內(nèi)，基底21上表面固接金屬電極，為下電極24，下電極24可以 是金、鋁。
導(dǎo)電層23由振膜23a、內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁23b、外懸梁23c、內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁邊框23d、 外懸梁邊框23e以及周邊導(dǎo)電層23f組成，如圖1所示。振膜23a在周邊 絕緣層22c環(huán)形范圍內(nèi)，振膜23a內(nèi)部通過內(nèi)旋轉(zhuǎn)懸梁23b與內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁邊 框23d相連，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁邊框23d與內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁支撐22a上表面固接；振膜 23a邊緣通過外懸梁23c與外懸梁邊框23e相連，外懸梁邊框23e與外懸 梁支撐22 b上表面固接。內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁23b為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),可以是各種弧形梁、 s型梁，圖中示意為s型梁；外懸梁23c同時起支撐和電極引線的作用， 可以使用多種結(jié)構(gòu)，這里首選T型梁，T型梁在一定的空間內(nèi)能夠好的釋 放應(yīng)力。振膜23a通過柔軟的內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁23b、外懸梁23c支撐，充分的釋 放殘余應(yīng)力，內(nèi)懸梁23b起彈簧作用，有效防止粘連及提高可靠性。振膜 23a覆蓋于聲孔26上開口 ，振膜23a大于聲孔26上開口的面積，振膜23a 邊緣與基底21形成電容結(jié)構(gòu)，振膜23a正對聲孔26上開口之外有數(shù)個小 孔28。 一外懸梁邊框23e上表面固結(jié)金屬電極，為上電極25，上電極25 可以是金、鋁。振膜23a在聲波的作用下產(chǎn)生振動時，振膜幾乎保持平動， 充分發(fā)揮振膜的機械靈敏度。周邊導(dǎo)電層23f固接于周邊絕緣層22b上邊 面，形狀一致。振膜23a的形狀可以是多種形狀，圓形、方形及其它多邊 形。
內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁和外部懸梁配合使用有多種形式，圖1-4所示為振膜上有4 個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁和1個外懸梁的結(jié)構(gòu)；如圖5-6所示為振膜上有2個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁和2個外懸梁的結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電層23，可以是低應(yīng)力多晶硅，并通過摻磷或者 硼，形成n型或者p型導(dǎo)電層。
基底21與振膜23a形成平板電容結(jié)構(gòu)，他們之間的氣隙為2-5微米， 當振膜23a受到聲波的作用時，振膜23a把受到的力傳遞給內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁23b 和外懸梁23c，使它們產(chǎn)生變形，由于變形主要集中在內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁23b和外 懸梁23c上，振膜23a容易在豎直方向產(chǎn)生上下振動。振膜23a的變形量 轉(zhuǎn)換成電容值的變化，從而實現(xiàn)傳感器的功能。由于本發(fā)明中采用內(nèi)旋轉(zhuǎn) 梁結(jié)構(gòu)，振膜23a上各處振動大體保持平動，在相同的靈敏度的情況下， 振膜23a不容易與基底21粘連，因此，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)會在很大程度上提 高芯片的成品率和可靠性。
權(quán)利要求
1、一種內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜，用于電容式傳聲器芯片，包括振膜、外懸梁、外懸梁邊框；其特征在于，振膜外邊緣設(shè)有至少一個外懸梁，振膜通過外懸梁與外懸梁邊框固連；還包括內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)；振膜中心部為片狀，在片狀邊緣到振膜外邊緣區(qū)域內(nèi)設(shè)有多數(shù)個孔，在設(shè)孔的區(qū)域內(nèi)，均勻的設(shè)有至少兩個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)包括內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁、內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁邊框；片狀的內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁邊框處于內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)的中心部位，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁邊框周緣固接有至少一個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁的外端與振膜上設(shè)孔的區(qū)域固連。
2、 如權(quán)利要求l所述的內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜，其特征在于，所述振膜形狀， 為圓形、方形或其它多邊形。
3、 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜，其特征在于，所述內(nèi)旋轉(zhuǎn)懸 梁，為弧形梁或s型梁；外懸梁，為T型梁。
4、 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜，其特征在于，是由低應(yīng)力多 晶硅材料制作，并通過摻磷或硼，形成n型或p型導(dǎo)電層。
5、 如權(quán)利要求1所述的內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜，其特征在于，用于雙膜或單 膜電容式傳聲器芯片。
6、 一種如權(quán)利要求1所述的內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜組成的傳聲器芯片，是振 膜在上，背極在下的單膜電容式結(jié)構(gòu)，包括基底、絕緣層、導(dǎo)電層、下電 極、上電極；基底作為背極，基底中心有一聲孔，基底上表面固接有絕緣 層，絕緣層包括至少兩個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁支撐、至少一個外懸梁支撐和周邊絕緣 層，周邊絕緣層上表面固接有導(dǎo)電層，基底上表面還設(shè)有下電極；其特征 在于，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜的至少兩個內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁邊框分別固連在內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁支撐上表面，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜的至少一個外懸梁邊框固連在外懸梁支撐上表面，外 懸梁邊框上表面固接有上電極，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜的片狀中心部覆蓋聲孔，設(shè) 孔區(qū)域與基底構(gòu)成電容。
7、 如權(quán)利要求6所述的傳聲器芯片，其特征在于，所述基底為半導(dǎo) 體硅。
8、 如權(quán)利要求6所述的傳聲器芯片，其特征在于，所述絕緣層為PSG、 LT0、 TE0S氧化硅。
9、 如權(quán)利要求6所述的傳聲器芯片，其特征在于，所述上電極和下 電極為金屬金或鋁。
全文摘要
本發(fā)明一種內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜及其組成的傳聲器芯片，涉及傳聲器技術(shù)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜組成的傳聲器芯片，為電容式傳聲器芯片，是振膜在上，背極在下的電容式結(jié)構(gòu)。內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁振膜，具有內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)柔軟，充分的釋放殘余應(yīng)力，有效的防止粘連，提高芯片的可靠性；振膜邊緣設(shè)有無數(shù)的小孔，配合背極懸空部分的聲孔釋放振膜和背極之間原有的犧牲層，并對傳聲器的聲學特性有改善作用；基底作為背極，基底中心有一大孔，作為聲孔；振膜邊緣與基底構(gòu)成電容。本發(fā)明具有高靈敏度、低噪聲、頻帶寬的特性，制作工藝簡單，可靠性高，容易批量生產(chǎn)。
文檔編號H04R19/04GK101321408SQ20071010024
公開日2008年12月10日 申請日期2007年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月6日
發(fā)明者劉同慶, 宋青林, 龐勝利, 陶永春 申請人:歌爾聲學股份有限公司