專利名稱：微機(jī)電電容式麥克風(fēng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電電容式麥克風(fēng)，尤其涉及一種具有剛性振膜的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)。
背景技術(shù)：
電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢一向朝體積輕薄、效率提升的方向前進(jìn)，麥克風(fēng)的演進(jìn)亦不例外。麥克風(fēng)用以接收聲音并將其轉(zhuǎn)換為電氣信號，在日常生活中應(yīng)用廣泛，例如裝置于電話、手機(jī)、錄音筆等。以電容式麥克風(fēng)為例，聲音的變化會以音波形式迫使薄膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對應(yīng)的變形，薄膜結(jié)構(gòu)的變形會導(dǎo)致電容發(fā)生變化，因此，可借感測電容變化而讀出壓差值而獲知聲音的變化。相較于傳統(tǒng)駐極電容式麥克風(fēng)(electret condenser microphone，ECM)，微機(jī)電 (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)式麥克風(fēng)可利用集成電路的工藝技術(shù)，將機(jī)械元件與電子元件整合于一半導(dǎo)體材料上，借此制作出微型的麥克風(fēng)，于是漸成微型麥克風(fēng)的主流。微機(jī)電式麥克風(fēng)除重量輕、體積小、省電外，還具備的優(yōu)點(diǎn)包括其可利用表面黏著(surface mount)方式生產(chǎn)、能夠忍受較高的回焊溫度(reflow temperature)、易于與互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q工藝以及其它音訊電子裝置整合，以及具有較佳的抗射頻 (RF)禾口電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)的特性。圖1示出了一現(xiàn)有微機(jī)電電容式麥克風(fēng)1的構(gòu)造示意圖，其包括一背極板 (kick-plate) 2、一振膜(membrane or diaphragm) 3以及一間隔件4。其中，該間隔件4設(shè)置于背極板2與振膜3之間，使振膜3與背極板2相互絕緣隔離并平行設(shè)置，彼此分別形成一平行電容板結(jié)構(gòu)的上電極與下電極；背極板2對應(yīng)振膜3處開設(shè)有多個音孔(air hole) 5, 這些音孔5貫通背極板2，并連通開設(shè)于一硅基板6的一背腔(back chamber) 7。分別對該背極板2與振膜3施加電壓，可使其電性相異并帶有電荷，形成一電容結(jié)構(gòu)。根據(jù)平行電極板的電容公式C= εΑ/cK其中，ε為介電系數(shù)(dielectric constat), A為兩電極板重合面積、d為兩電容板的間距(gap))，可知兩電容板間的間距變化將改變電容值。借此，當(dāng)一音波作用于振膜3而造成該振膜3振動、形變時，振膜3與背極板2之間的間距將會改變，使得電容隨之變化而可轉(zhuǎn)換成電氣信號輸出。位于振膜3與背極板2之間受擾動、壓縮的空氣，則可自該些音孔5釋放至該背腔7，避免氣壓變動過大而損壞可撓的振膜3和背極板2的結(jié)構(gòu)。請配合參閱圖2，其示出了一微機(jī)電電容式麥克風(fēng)1的封裝示意圖。該微機(jī)電電容式麥克風(fēng)1設(shè)置于一基板8，并封裝于一金屬蓋體9形成的容置空間內(nèi)。其中，微機(jī)電電容式麥克風(fēng)1的振膜3與背極板2分別電性連接至一轉(zhuǎn)換芯片10，使背極板2與振膜3之間的電容變化可通過該轉(zhuǎn)換芯片10轉(zhuǎn)換成電氣信號而輸出。習(xí)用于微機(jī)電電容式麥克風(fēng)的振膜均為可撓式振膜，其利用音壓造成振膜形變的特性來獲致與背極板間的間距改變，借以改變電容值。然而，以薄膜沉積可撓式振膜的工藝溫度極高，且因材料彼此間的熱膨脹系數(shù)互有差異，如此將使得振膜在制造的過程中累積程度不一的張應(yīng)力或壓應(yīng)力。殘存于振膜的應(yīng)力會導(dǎo)致振膜翹曲，形成皺折而不平整， 導(dǎo)致其影響感測的精準(zhǔn)度；更進(jìn)一步地，麥克風(fēng)的靈敏度(sensitivity)與振膜的殘留應(yīng)力呈現(xiàn)反比關(guān)系，因此過高的應(yīng)力殘留將導(dǎo)致靈敏度降低。為此，美國專利第US5490220 #白勺“Solid state condenser and microphone devices，，禾中$1 : %白勺； 振膜，利用一懸臂梁來支撐振膜，使振膜懸浮借以釋放溫度效應(yīng)造成的應(yīng)力；美國專利第 US5870482 號的 “Miniaturesilicon condenser microphone” 則延伸應(yīng)用設(shè)計出大型平板振膜僅固定一邊的結(jié)構(gòu)。由于可撓式振膜于形變時無法隨時與背極板保持平行，因此振膜與背極板之間的間距變化估算不易，精確度較為不足。再者，由于麥克風(fēng)的靈敏度正比于驅(qū)動電壓，因此，欲提升靈敏度而提高驅(qū)動電壓時，現(xiàn)有的可撓式振膜容易發(fā)生崩潰(collapse)效應(yīng)，貼附于背極板而導(dǎo)致麥克風(fēng)失效。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于解決上述問題，進(jìn)而提出一種精確度、靈敏度高且制造容易的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)。為了實(shí)現(xiàn)前述目的，本發(fā)明通過一剛性振膜與一彈性元件的搭配，使得剛性振膜可平行于背極板位移。所提出的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)包括一基座、一背極板、一彈性元件以及一剛性振膜；其中，該基座開設(shè)一背腔；該背極板與該彈性元件設(shè)置于該基座，該背極板還開設(shè)有多個音孔，且該些音孔連通該背腔；該剛性振膜設(shè)置于該彈性元件，并平行且對應(yīng)該背極板設(shè)置。借此，當(dāng)一音波作用于該剛性振膜時，該剛性振膜可借彈性元件的彈性作用而平行于該背極板的法向量方向位移。本發(fā)明的剛性振膜借彈性元件的彈性作用或形變而位移，并于位移時保持與背極板間的平行關(guān)系。借此，剛性振膜與背極板間的電容變化僅與兩者間的間距相關(guān)，如此可提升麥克風(fēng)于感測、接收音量時的靈敏度與準(zhǔn)確度。有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容及優(yōu)選實(shí)施例，配合


如后。

本發(fā)明的實(shí)施方式結(jié)合附圖予以描述圖1為現(xiàn)有微機(jī)電電容式麥克風(fēng)芯片的構(gòu)造示意圖；圖2為現(xiàn)有微機(jī)電電容式麥克風(fēng)的封裝示意圖；圖3-1為本發(fā)明的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)一實(shí)施例的立體示意圖；圖3-2為本發(fā)明的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)一實(shí)施例的立體剖視圖；圖4為本發(fā)明的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)一實(shí)施例的動作示意圖；圖5-1至圖5-9為本發(fā)明的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)一實(shí)施例的流程示意圖；及圖6為上述實(shí)施例于不同頻率下的輸出結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出了一種微機(jī)電電容式麥克風(fēng)，其利用剛性振膜搭配彈性元件，使剛性振膜可平行并相對一背極板位移。有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說明及技術(shù)內(nèi)容，現(xiàn)配合

如下請參閱圖3-1與圖3-2所示，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所提出的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)20包括一基座21、一剛性振膜22、一彈性元件23以及一背極板對。其中，該背極板M 設(shè)置于基座21上，背極板M設(shè)有貫通背極板M的多個音孔25 ；該基座21對應(yīng)于背極板 24的位置包括一背腔沈，使得該些音孔得以連通該背腔26。該剛性振膜22固定于該彈性元件23而平行設(shè)置于背極板M —側(cè)。因此，該背極板M可相對于剛性振膜22形成一固定端，該剛性振膜22則可因彈性元件23的彈性作用而位移，借以相對該背極板M形成一活動端。因此，當(dāng)一音波作用于剛性振膜22而使剛性振膜22相對背極板M位移時，該剛性振膜22可始終與背極板M保持平行而平行于背極板M法向量方向(即Z軸方向)位移。因此，根據(jù)前述平行電極板電容公式，剛性振膜22與背極板M之間的電容變化便可改寫為AC= ε A/ (d- Λ χ)。其中，Δχ為剛性振膜22受音壓(acoustic pressure)作用后的位移量，d為剛性振膜22受音壓作用前與背極板M的原始間距。故，相較于現(xiàn)有的可撓式振膜上各點(diǎn)與背極板對間的間距改變量不同，本發(fā)明的電容變化與Δχ有關(guān)，如此可提供更大的電容變化量輸出，有效提升麥克風(fēng)的靈敏度。請配合參閱圖3-2，在上述的實(shí)施例中，該基座21例如為一硅基板，其上開設(shè)圓形的背腔26 ；該彈性元件23是呈十字平板交叉形態(tài)，四端固定于該基座21的背腔沈邊緣； 該剛性振膜22成一圓形，并通過一支撐件27 (anchor)固設(shè)于彈性元件23的十字交叉處， 使剛性振膜22平行于彈性元件23所構(gòu)成的平面；該支撐件27相對于彈性元件23的另一端固定于剛性振膜22的圓心，使支撐件27承固剛性振膜22時得以保持該剛性振膜22的物理平衡，并輔助剛性振膜22進(jìn)行熱工藝時的應(yīng)力釋放。該背極板M固定設(shè)置于該基座21的背腔沈一側(cè)，開設(shè)多個音孔25并預(yù)留有彈性元件23的設(shè)置空間。借此，剛性振膜22可平行設(shè)置于背極板M上方，兩者形成平行電容板結(jié)構(gòu)。請?jiān)賲㈤唸D4，微機(jī)電電容式麥克風(fēng)20于運(yùn)作時，剛性振膜22與背極板M可分別輸入正負(fù)電壓，使其帶有電性相異的電荷而為平行板電容。當(dāng)剛性振膜22的一表面承受聲音作用時，來自聲音的壓力可傳遞至彈性元件23致使其形變，使得剛性振膜22朝向背極板對位移(Z軸方向)，而改變兩者間的電容。借此，經(jīng)由外部電路的分析與運(yùn)算，可將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姎庑盘柖敵?。在上述?shí)施例中，該微機(jī)電電容式麥克風(fēng)20可進(jìn)一步包括至少一絕緣件觀(顯示于圖4)，該絕緣件觀設(shè)置于剛性振膜22與背極板M之間，例如設(shè)置于剛性振膜22面對背極板M側(cè)或該背極板M面對剛性振膜22側(cè)，如圖4所示的位于背極板M上的兩絕緣件 28分別設(shè)置于背極板M的相異兩端。當(dāng)剛性振膜22承受過大的聲壓而導(dǎo)致剛性振膜22 朝背極板M的位移量過大時，該絕緣件觀可提供一緩沖效果并作為剛性振膜22與背極板 24之間的電性分隔，避免剛性振膜22與背極板M產(chǎn)生電性接觸而損壞。在上述實(shí)施例中，該剛性振膜22可包括多個結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部(圖中未示)，該些結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部例如為加強(qiáng)肋(reinforced rib)，可設(shè)置于剛性振膜22 —側(cè)，用以加強(qiáng)剛性振膜22 整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并保持剛性振膜22的剛性。實(shí)務(wù)上，實(shí)現(xiàn)上述加強(qiáng)部的方式例如利用溝槽回填技術(shù)。同理，在上述的另一實(shí)施例中，該背極板M可包括多個結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部四，該些結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部四例如為加強(qiáng)肋，可設(shè)置于該背極板M背對于剛性振膜22的一側(cè)，用以加強(qiáng)背極板M整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并保持背極板M的剛性。為方便說明與了解，上述將功能不同的結(jié)構(gòu)、元件分開定義。然而，須說明的是，上述所述及的結(jié)構(gòu)或元件可互相獨(dú)立分離而組裝，或是借由微機(jī)電或半導(dǎo)體工藝，利用蝕刻、 微影、回填等該領(lǐng)域知悉的技術(shù)直接制作而成，例如應(yīng)用MOSBE的微機(jī)電技術(shù)平臺工藝技術(shù)來制造本發(fā)明提出的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)20，其相關(guān)的平臺技術(shù)可參閱2005年發(fā)表的 “The Molded Surface-micromachiningand Bulk Etching Release (MOSBE) Fabrication Platform on(111)Sifor MOEMS" (Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 15，pp. 260-265)，在此不加贅述。請?jiān)賲㈤唸D5-1至圖5-9的制造上述微機(jī)電電容式麥克風(fēng)20 —實(shí)施例的流程示意圖，該些圖式示出了沿圖3-1中線段K-K’的截面示意，且在不影響本發(fā)明的實(shí)施與了解下，省略掉于不同元件中的電性布線流程。首先，準(zhǔn)備一用于制做基座21的基材，例如為一硅基板30，如圖5-1所示；接著在該硅基板30上定義背極板M的設(shè)置位置，并于其上蝕刻出用于形成前述結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部四的溝槽31，如圖5-2 ；接著，于該硅基板30上沉積一層多晶硅(poly-silicon)層32，該多晶硅層32回填該些溝槽31，以形成背極板M的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部 29結(jié)構(gòu)，如圖5-3。緊接著，于該多晶硅層32的預(yù)設(shè)位置蝕刻出彈性元件23與音孔25的位置，并同時定義出背極板M的尺寸范圍，如圖5-4 ；該背極板M可借助該些結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部 29保持其表面平整與結(jié)構(gòu)剛性，該彈性元件23則可通過多晶硅層的厚度改變或材料選擇， 調(diào)整自身的彈性。然后，于背極板M上形成前述的絕緣件觀，該些絕緣件觀的材質(zhì)例如為氮化硅 (silicon nitride,如Si3N4)，如圖5-5所示；接著，于背極板24上方形成一中間層33并同時定義出支撐件27的形成位置，該支撐件27的形成位置位于彈性元件23上方，如圖5-6， 該中間層33例如為二氧化硅(SiO2)；而后，于該中間層33上再沉積一多晶硅層34，該多晶硅層34用以定義出剛性振膜22與支撐件27，如圖5-7 ；接續(xù)地，自硅基板30底側(cè)蝕刻出背腔沈，如圖5-8 ；最后，蝕刻去除該中間層33，使剛性振膜22借助該支撐件27設(shè)置于彈性元件23上，并平行于背極板M，如圖5-9。圖6示出了上述實(shí)施例的頻率反應(yīng)測試結(jié)果，是將前述的微機(jī)電電容式麥克風(fēng) 20電性連接至一電容讀出芯片(capacitance readoutIC) (MS3110)，并置于一半音波暗室 (semi-anechoic chamber)收取揚(yáng)聲機(jī)(loudspeaker)的信號結(jié)果。由圖可知，在聲準(zhǔn)位 (sound-level)為94dB下，上述微機(jī)電電容式麥克風(fēng)20實(shí)施例的頻率感測范圍介于10 20，000Hz之間。靈敏度(sensitivity)約為12. 63mV/Pa或-37. 97dB/Pa。以微機(jī)電工藝制造出的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)20，除靈敏度高外，更兼具體積小、低成本等優(yōu)點(diǎn)。相較于現(xiàn)有的可撓式振膜難以處理應(yīng)力殘留的問題，剛性振膜22不易殘留應(yīng)力，可獲致較佳的感測靈敏度。需再特別說明定義的是，本發(fā)明中剛性振膜22并非純?nèi)灰圆牧系挠捕葋矶x，而須搭配微機(jī)電電容式麥克風(fēng)的電容感測原理而加以定義。因此，所謂的剛性振膜22是指振膜不借助自身的形變來改變與背極板M間的電容值，而須搭配一彈性元件23，并藉彈性元件23的彈性或形變來改變與背極板M間的電容值，故所述的彈性元件23也不以上述實(shí)施例所顯示者為限。以上所述，僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，非欲局限本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，故凡運(yùn)用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所為的等效變化與修飾，均同理包含于本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電電容式麥克風(fēng)，其特征在于，所述微機(jī)電電容式麥克風(fēng)00)包括一基座(21)，所述基座開設(shè)一背腔06)；一背極板(M)，所述背極板04)設(shè)置于所述基座04)上，并開設(shè)有多個音孔(25)，且這些音孔0 連通所述背腔06)；一彈性元件(23)，所述彈性元件設(shè)置于所述基座上；以及一剛性振膜(22)，所述剛性振膜02)設(shè)置于所述彈性元件03)上，并平行于且對應(yīng)于所述背極板04)而設(shè)置；因此，當(dāng)一音波作用于所述剛性振膜02)時，所述剛性振膜02)能夠借助彈性元件 (23)的彈性作用而平行于所述背極板04)的法向量方向位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)，其特征在于，所述微機(jī)電電容式麥克風(fēng)00)還包括一支撐件(27)，所述支撐件(XT)設(shè)置于所述彈性元件與所述剛性振膜 (22)之間，借以將所述剛性振膜0 承固于所述彈性元件上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)，其特征在于，所述剛性振膜02)為圓形，且所述支撐件(XT)承固于所述剛性振膜0 的圓心處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)，其特征在于，所述剛性振膜02)還包含設(shè)置于所述剛性振膜02)的一側(cè)的多個結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)，其特征在于，所述背極板04)還包括設(shè)置于所述背極板04)的一側(cè)的多個結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部09)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)，其特征在于，所述基座的材質(zhì)為娃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)，其特征在于，所述剛性振膜02)與所述背極板04)的材質(zhì)為多晶硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)，其特征在于，所述微機(jī)電電容式麥克風(fēng)00)還包括至少一絕緣件( )，所述絕緣件08)設(shè)置于所述剛性振膜0 與所述背極板04)之間，用以避免所述剛性振膜0 電性接觸所述背極板04)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微機(jī)電電容式麥克風(fēng)，其特征在于，所述絕緣件08)的材質(zhì)為氮化硅。
10.一種微機(jī)電電容式麥克風(fēng)，其特征在于，所述微機(jī)電電容式麥克風(fēng)00)包括一背極板(M)、一彈性元件以及一剛性振膜0 ；其中，所述剛性振膜0 設(shè)置于所述彈性元件上，所述剛性振膜0 與所述背極板04)對應(yīng)且平行設(shè)置；因此，當(dāng)一音波作用于所述剛性振膜02)時，所述剛性振膜02)能夠借助彈性元件03)的彈性作用而平行于所述背極板04)的法向量方向位移。
全文摘要
本發(fā)明提出一種微機(jī)電電容式麥克風(fēng)，其振膜為一剛性振膜，并設(shè)置于一彈性元件上，使得剛性振膜得以借彈性元件的彈性作用平行于一背極板的法向量方向位移，從而獲致剛性振膜與背極板間的電容變化。
文檔編號H04R19/04GK102264020SQ201010189359
公開日2011年11月30日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者方維倫, 詹竣凱 申請人:國立清華大學(xué)