專利名稱：用于麥克風的背板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及麥克風、具有這種麥克風的封裝或者器件及其相應的設計或者制造方法。
背景技術：
在許多具有麥克風的系統中(諸如手機，需要減小尺寸并且降低制造成本。與麥克風相關的電子產品包括預放大器(對于高阻抗電容換能器)、偏置電路(至少對于駐極體型麥克風)、A/D轉換器和信號處理。PCB安裝對于手機制造商通常是優(yōu)選的，符合現有的高速裝配生產線。常用的駐極體麥克風不具有與其相關電子產品集成所需的形式因子。已知可以使用MEMS型麥克風，如2003年9月In-Stat MDR的“the top ten reason forusing MEMS in cell phones”中所討論的。一個優(yōu)勢是這種MEMS型麥克風對于由焊接操作期間的加熱所造成的損傷較不敏感。典型地，電容式麥克風由四種元件組成固定式穿孔背板，高度兼容的可移動隔膜(它們共同組成可變氣隙電容器的兩個極板)，諸如電壓偏置電源之類的電路，以及緩沖放大器。所述隔膜必須高度地兼容并且相對于所述背板精確地定位，而所述背板必須更加剛性，以便保持固定并且對于流經它的氣流呈現最小的阻力(resistance)。利用集成電路材料在尺寸小于Imm的麥克風中實現所有這些特征一直是具有挑戰(zhàn)性的。在集成電路薄膜中的典型應力水平(如果不在最終的隔膜中釋放的話)是所述隔膜由于過度硬化或者彎曲而變得不可用的應力水平的許多倍。對于給定的隔膜材料和厚度，柔量(compliance)隨著尺寸的減小而快速地減小。本專利提出了一種替代的隔膜和背板結構，其中所述隔膜的形成基于一種懸臂梁，并且使用了適合亞毫米尺寸麥克風的，用于打孔所述背板的替代結構。

已知向所述背板提供預應力來增加剛性。還已知提供穿孔來減小空氣阻尼效應。WO 84/03410示出了提供一種硅背板和絕緣層來增加所述背板的剛性?？梢詫舆M行構圖來形成所述背板，并且可以利用輻條來提供額外的剛性。可以在每一個輻條之間形成孔洞。US 2007261910示出了以相對電極板的形式形成背板，所述相對電極板層壓在振動電極板上，兩者之間具有犧牲層(氧化硅隔膜)。在制造工藝的最后階段，通過去除所述犧牲層使其與振動電極板分離。這樣減小了振動電極板粘住相對電極板的可能性。為了增加相對電極板的剛性同時也為了減小流經相對電極板中刻蝕孔的流體的阻力，相對電極板的孔小于振動電極板中的刻蝕孔。N. L. Pedersen 在 Technical Proceedings of the 2000 InternationalConference on Modeling and Simulation of Microsystems 的文章(ISBN 0-9666135-7-0) “On Design of a Backplate used in a Hearing Aid” 不出了一種用于麥克風的MEMS形成預應力背板的拓撲優(yōu)化，并且示出了通過最大化剛度來最大化電容的變化。這包括找到中心穿孔部分與外部框架之間連接的拓撲，從而最大化第一特征頻率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種麥克風、具有這種麥克風的封裝或者器件及其相應的設計或者制造方法。根據第一方面，本發(fā)明提供了 一種麥克風，包括安裝用于響應于壓力波動而振動的隔膜，面對所述隔膜的背板以及用于感測相對于所述背板的振動的電路，所述背板具有這樣的幾何形狀，使得所述背板對結構載振動(structure borne vibration)的響應與所述隔膜的相應響應匹配。關于術語“輻條(spoke)”和“弦(string)”，它們在本文件通篇使用。申請人沒有意指任何區(qū)別。本發(fā)明可以有助于降低或者最小化這些表面之間由結構載振動造成的相對運動，因而改善了麥克風的信噪比卻不消耗額外的功率。它代表了一種不同于傳統的使背板盡可能剛性的方法。也可以通過匹配隔膜層和背板中的應力和/或兩者具有不同的直徑來實現提供用于抵消結構載聲音的隔膜與背板的頻率匹配。本解決方案既給出了相同的外徑又能處理兩層中較大應力差。本解決方案是純幾何的。本發(fā)明的實施例可以具有增加的任何其他特征，在從屬權利要求中列出了并且在下文中更詳細地描述了一些這種附加特征。其他方面提供了具有這種麥克風的相應的封裝或者器件，或者設計這種麥克風的相應方法、制造這種麥克風、封裝或器件的相應方法。任何附加特征可以被組合在 一起并且與任何方面組合。本領域普通技術人員應當理解其他優(yōu)勢，特別是與其他現有技術相比的優(yōu)勢。在不脫離本發(fā)明的權利要求的情況下可以做出許多變化和修改。因此，應當清楚地了解，本發(fā)明的形式只是示意性的而并非意欲限制本發(fā)明的范圍。


下面將以參考附圖的示例的形式來描述本發(fā)明是如何被實施的，其中圖1示出了麥克風的截面示意圖；圖2示出了根據實施例所述的背板的平面示意圖；圖3示出了具有用于背板構圖的設計步驟的方法示例，使其具有匹配的諧振頻率；圖4示出了背板另一個實施例的一部分的平面圖；圖5示出了根據實施例所述的電性能曲線；圖6示出了包含在器件封裝中的示例。
具體實施例方式將針對特定的實施例并且參考確定的附圖描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不局限于此，而是只限于權利要求。描述的附圖只是示意的而非限定的。在附圖中，為了說明的目的，夸張了一些元件的尺寸并沒有按照比例繪制。在本說明書和權利要求中使用了術語“包括”，它不排除其他元件或者步驟。當涉及單數名詞時使用了不定冠詞或者定冠詞，例如“a”或“ an ”、“ the ”，除非特別地說明，這包括該名詞的復數。
在權利要求中使用的術語“包括”不應當被解釋為對其后所列裝置的限制。它不排除其他元件或者步驟。因此，表述“一種器件包括裝置A和B”的范圍應當不限于只包括部件A和B的器件。它意味著針對本發(fā)明，該器件的相關部件是A和B。此外，在本說明書和權利要求中的術語第一、第二、第三等用于在類似的元件之間進行區(qū)分，不一定用于描述順序或者時序。應當理解，這樣使用的術語在適當的情況下是可以互換的，并且在此描述的本發(fā)明的實施例能夠在不同于在此描述或者說明的順序下運行。此外，在本說明書和權利要求中的術語上、下、上面、下面等用于描述性目的，不一定用于描述相對位置。應當理解，這樣使用的術語在適當的情況下是可以互換的，并且在此描述的本發(fā)明的實施例能夠在不同于在此描述或者說明的其他位置下運行。應當注意，在權利要求中使用的術語“包括”不應當被理解為對其后所列裝置的限制。它不排除其他元件或者步驟。因此，它被理解為明確說明所述特征、整體、步驟或者部件的存在，但不排除一個或者多個其他特征、整體、步驟或者部件，或其組的存在或者增加。因此，表述“一種器件包括裝置A和B”的范圍應當不限于只包括部件A和B的器件。它意味著針對本發(fā)明，該器件的相關部件是A和B。至于整個說明書中的“一個實施例”或“實施例”意味著在本發(fā)明的至少一個實施例中包括了所描述的與所述實施例相關的特征、結構或者特點。因此，在整個說明書的不同位置出現的短語“在一個實施例中”不一定但是可以涉及相同的實施例。此外，從本公開中本領域普通技術人員應當理解特定的特征、結構或者特點可以以任何適合的方式在一個或者多個實施例中組合。類似地，應當理解，在本發(fā)明典型實施例的描述中，出于使本公開合理化以及有助于理解不同創(chuàng)造性方面中的 一個或者多個的目的，本發(fā)明的不同特征有時候在單個實施例中組合。然而，這種公開的方法不能被理解為以下意圖的反映，即與在每一個權利要求中特別列舉的相比有請求權項的發(fā)明需要更多的特征。而是，如下述權利要求所反映的，創(chuàng)造性方面處于小于單個前述公開的實施例的全部特征。因此，附在詳細描述后面的權利要求是被特別地寫入該詳細描述中的，其中每一個權利要求都是作為本發(fā)明一個單獨的實施例而獨立存在。此外，本領域普通技術人員應當理解，當在此描述的一些實施例包括某些特征但不是包括在其他實施例中的其他特征時，不同實施例的特征的組合意味著在本發(fā)明的范圍并且形成了不同的實施例。例如，在下面的權利要求中，任何有請求權項的實施例可以用在任何組合中。在此提供的說明中，列出了許多具體的細節(jié)。然而，應當理解，可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實施本發(fā)明的實施例。在其他情況下，為了不模糊對本說明書的理解，沒有詳細地示出公知的方法、結構和技術。下面將通過本發(fā)明若干實施例的詳細描述來說明本發(fā)明是如何實施的。顯然，根據本領域普通技術人員的知識，在不背離本發(fā)明技術教導的情況下，能夠形成本發(fā)明的其他實施例。本發(fā)明只受限于所附權利要求的條款。電容式麥克風將以介紹的方式討論具有如圖1示意性所示結構的電容式麥克風。它示出了隔膜20、面對隔膜的背板30以及后部腔體40(backchamber)。在隔膜與背板之間有氣隙50。由于隔膜上的壓力差，聲壓波強迫隔膜振動。為了良好的全方向性性能，隔膜的背面應當是聲學隔離的。在這種情況下，隔膜與聲學封閉的后部腔體40相連。這影響了隔膜柔量和截止頻率下限。在后部腔體中的微孔典型地配置用于對大氣壓力的緩慢變化進行補償。為了感測聲音，與聲壓成比例的電學可檢測信號應當是可檢測的。利用導體，由聲學信號造成的兩個平行板之間相對距離的變化將導致電容的變化。因此，電學可檢測信號由于氣隙的調制是可獲得的。為了作為電容器工作，隔膜和背板都應當含有導電表面或者由導電材料形成。為了理想的聲音轉換，所述背板是剛性板并且只有隔膜因聲壓而位移。注意，隔膜和背板典型地由硅MEMS工藝制得，而后部腔體可以用封裝或者產品本身限定。MEMS麥克風原理還在以下出版物中有解釋P. R. Scheeper, A. G. H. van deer Donk, ff. Olthuis and P. Bergveld,Fabricationof silicon condenser microphones using single wafer technology, Journal ofMicroelectromechanical Systems, Vol.1, No. 3, September 1992,M. Pedersen, ff. Olthuis and P. Bergveld, An Integrated silicon capacitivemicrophone with frequency-modulated digital output, Sensors and ActuatorsA69 (1998)，pp. 267-275 以及J. J. Neumann Jr. and KJ. Gabriel, CMOS MEMS membrane for audio -frequencyacoustic actuation, Sensors and Actuators A95(2002), pp.175-182。因為許多原因，用于手機的MEMS麥克風已經令人感興趣。首先，為了將帶有麥克風的電子產品集成到系統級封裝(SiP)解決方案中，傳統的駐極體麥克風不具有所需的形狀因子。例如麥克風中的電子產品可以包括預放大器、偏置電路、A/D轉換器、信號處理和總線驅動器。第二，PCB安裝對于手機和其他器件的制造商通常是優(yōu)選的。在上面提及的出版物中闡述了其他因素。

本體噪聲抵消由于機械振動，電容器兩個平行板將經受相對運動，并且不需要的電信號被檢測到。本體噪聲或者結構載噪聲是機械振動的干擾效應，導致了麥克風上的電輸出(electrical output)。一個示例是手機自己的揚聲器串音到麥克風中，其具有非線性傳遞函數。這種效應不能通過信號處理補償，因此必須利用對機械振動具有較低敏感度的麥克風設計來最小化上述效應。為了避免機械振動(在可聽頻率下，即遠低于隔膜或者背板的基頻諧振)的影響，應當以這樣一種方式設計隔膜和背板，使得它們對于機械振動顯示出相等振幅的同相響應。只有這樣，才能沒有由于機械振動的電輸出。實現本體噪聲抵消為了實現本體噪聲抵消(BNC)，背板的諧振頻率應當與隔膜的諧振頻率匹配。除了諧振頻率匹配這一對于BNC最重要的參數之外,撓曲形狀(deflection profile)是一個附加因素。在機械激勵之后，應當減小或者徹底消除輸出信號或者電容變化。然而，兩個不同振動剖面的相等振幅仍然會造成調制的輸出信號。理想地，想要隔膜和背板具有相同的諧振頻率和撓曲形狀。對于BNC在當前設計的實際實現以及與當前工藝技術的兼容性，需要尋求只影響背板的解決方案。此外，如果可能的話，為了簡單起見并且最小化對現有制造生產線的改動，應當只作用于背板的布局，而不是其他因素，諸如三維形狀、材料等?？梢钥紤]其他選項。因此，所描述的實施例包含利用具有預應力的背板以及具有某種幾何形狀來實現BNC,通過重新設計背板焊墊(footprint)使背板對結構載振動的響應與隔膜的相應響應相匹配。這可以通過使高應力背板的諧振頻率與隔膜匹配以便減小或者最小化本體噪聲來實現。附加特征一些附件特征如下所述幾何形狀可以包括中心轂和位于轂與周圍框架之間的輻條。其他結構是可以想象的，盡管很可能更復雜地分析。所述背板可以包括利用MEMS工藝形成的導致所述預應力的已構圖層。所述匹配可以包括部件基頻諧振頻率在20 %之內的匹配。所述隔膜可以具有O.1至O. 5微米的厚度，并且安裝件之間的直徑為O. 5至2.5_。所述背板可以在安裝件之間的直徑為0.5至2. 5_，并且厚度為2至4微米。所述背板可以具有截面積小于25平方微米的輻條。所述轂可以具有小于所述背板直徑一半的直徑。所述輻條可以具有小于所述背板直徑2%的寬度。所述麥克風可以具有兩個或者多個隔膜和背板，以及配置用于感測并聯連接隔膜的電容的電路。這樣可以增加被感測的總電容值。所述背板可以實質上是平面的并且具有至少是隔膜厚度5倍的厚度。 所述麥克風可被合并在封裝中，而所述封裝可被合并在器件中。另一個方面提供了一種制造麥克風的方法形成所述隔膜使其安裝用于響應于壓力波動而振動，形成面對 隔膜的背板并且使其比隔膜剛性更強，以及形成所述電路用于感測隔膜相對于背板的振動，所述背板形成為具有預應力并且具有這樣的幾何形狀，使得所述背板對結構載振動的響應與所述隔膜的相應響應匹配。所述方法可以包括形成所述背板的步驟，該步驟通過對利用MEMS工藝形成的層上進行構圖來產生所述幾何形狀。另一個方面提供了一種產生用于麥克風背板圖案的方法，所述麥克風具有安裝用于響應于壓力波動而振動的隔膜，放置為面對隔膜并且比隔膜剛性更強的背板，以及所述麥克風具有用于感測隔膜相對于背板的振動的電路，所述背板具有預應力并且具有包括轂和輻條的幾何形狀，使得所述背板對結構載振動的響應與所述隔膜的相應響應匹配。所述方法包括以下步驟確定隔膜的響應，為輻條選擇截面，根據隔膜的響應、預應力的量、背板的直徑、材料的密度和輻條的截面來確定轂的質量(mass)，以及根據所述質量確定輻條的數量和轂的直徑，以便形成所述圖案。圖2示出了具有匹配諧振頻率的蛛網設計。用于MEMS麥克風特別是用于背板的結構與所述隔膜匹配，以便減小由機械振動造成的噪聲。一個重要的性能參數是對結構載聲音的敏感度，由麥克風懸架(suspension)上的機械振動所造成的背板和隔膜之間的不需要的相對運動來控制。當背板的二維布局使其基頻諧振頻率與隔膜諧振頻率相同時，對于包括隔膜和背板的本體上作用的機械振動，背板和隔膜之間將不出現相對運動。在常規(guī)的麥克風工作中，聲壓將造成隔膜顯著的運動，而背板則由于其聲音透過性(acoustic transparency)不受影響。在某些情況下，這種背板幾何形狀可以導致較高的來自麥克風的電信號輸出，并且可以導致與背景電信號相比較高的電信號。當不應用本發(fā)明時，所述電信號將會退化，因為當所述隔膜由氣壓波動激發(fā)而所述背板由通過結構耦合的這些氣壓波動激發(fā)時，所述隔膜和麥克風表現出不同的機械響應。即使撓曲形狀沒有理想地匹配，使得隔膜和背板的頻率響應彼此匹配的背板幾何形狀調整(tailor)給出了很好的近似。隔膜和背板的基頻諧振典型地都遠高于可聽頻率。然而在一維近似中，它們在可聽頻率下激勵的響應的振幅將是基頻諧振頻率值的函數。因此，頻率匹配導致了響應振幅匹配的足夠良好的近似。當背板和隔膜的諧振頻率在20%之內時，相對于機械振動預計有IOdB的噪聲抑制改善。對于20dB的改善，所述諧振頻率需要匹配在大約5%之內。在用于應力控制背板的當前設計中，通過優(yōu)化材料參數(諸如應力)來實現這一點，而優(yōu)化材料參數在大規(guī)模生產中很難控制。隔膜和背板典型地都用硅生產，但是在制造之后經受不同的殘余應力。所述隔膜(在目前的制造形式中典型地是直徑為920微米、厚度為0.3微米的盤)和所述背板(目前是具有相等直徑、厚度為3微米的盤)分別受到30MPa和180MPa的張應力。對于不需要不同工藝流程的解決方案，只允許背板的幾何形狀或者焊墊變化。因此，使用上述厚度和預應力，背板焊墊的設計應當導致具有幾乎相等的諧振頻率的隔膜和背板。圖2示出了具有轂70和輻條60的示例的平面圖，而非實心盤，通過分析具有預應力的弦(pre-stressed strings)可以預測所述諧振頻率。盡管其他形狀更難以精確地分析，但是所述輪廓不必是圓形的。所述蛛網的中心是巨大的盤，通過在中心的對弦進行質量負載起作用。稀疏的設計保證了背板所需的聲音透過性。此外，稀疏的設計允許厚的高應力背板的頻率與薄的低應力隔膜的頻率匹配。一些設計原則如前所述，所述具有預應力的實心背板將被重新設計，使其焊墊具有類似蛛網的具有預應力的弦和實心的中心盤。不受理論限制，基于用能量推導出的基頻模型提出了這種背板特征頻率的預測。利用分段線性形狀函數(弦-盤-弦如同斜坡-平臺-斜坡)，特征頻率對預應力或者張力T可被表達為
權利要求
1.一種麥克風，具有安裝用于響應于壓力波動而振動的隔膜(20)、面對隔膜并且比隔膜剛性更強的背板(30)以及根據隔膜相對于背板的振動來得出信號的電路(95)，所述背板具有預應力并且具有這樣的幾何形狀，使得所述背板對結構載振動的響應與所述隔膜的相應響應匹配。
2.根據權利要求1所述的麥克風，所述幾何形狀包括中心轂(70)和位于轂與周圍框架之間的輻條(60)。
3.根據權利要求1或2所述的麥克風，所述背板包括利用MEMS工藝形成的導致所述預應力的已構圖層。
4.根據前述任一權利要求所述的麥克風，所述匹配包括與部件的基頻諧振頻率在20%之內的匹配，優(yōu)選地在10%之內。
5.根據前述任一權利要求所述的麥克風，所述隔膜具有0.1至0.5微米的厚度，并且在安裝件之間的直徑為0. 5至2. 5mm。
6.根據前述任一權利要求所述的麥克風，所述背板在安裝件之間的直徑為0.5至2.5mm,并且厚度為2至4微米。
7.根據前述任一權利要求所述的麥克風，所述背板具有截面積小于25平方微米的輻條。
8.根據前述任一權利要求所述的麥克風，所述轂具有小于所述背板直徑一半的直徑。
9.根據前述任一權利要求所述的麥克風，所述輻條具有小于所述背板直徑2%的寬度。
10.根據前述任一權利要求所述的麥克風，所述麥克風具有兩個或者多個隔膜和背板，以及配置用于感測并聯連接隔膜的電容的電路。
11.根據前述任一權利要求所述的麥克風，所述背板實質上是平面的并且具有至少是隔膜厚度5倍的厚度。
12.—種具有封裝(91)的器件(85)，所述封裝包括襯底(90)和在襯底上的根據前述任一權利要求所述的麥克風。
13.—種制造前述任一權利要求所述的麥克風的方法，該方法具有以下步驟形成所述隔膜(20)使其安裝用于響應于壓力波動而振動，形成面對隔膜的背板(30)并且使其比隔膜剛性更強，以及形成所述電路(95)用于感測隔膜相對于背板的振動，所述背板形成為具有預應力并且具有這樣的幾何形狀，使得所述背板對結構載振動的響應與所述隔膜的相應響應匹配。
14.根據權利要求13所述的方法，其中形成所述背板的步驟包括通過對利用MEMS工藝形成的層進行構圖來產生所述幾何形狀。
15.—種產生用于麥克風背板圖案的方法,所述麥克風具有安裝用于響應于壓力波動而振動的隔膜(20)，放置為面對隔膜并且比隔膜剛性更強的背板(30)，以及所述麥克風具有用于感測隔膜相對于背板的振動的電路(95)，所述背板具有預應力并且具有包括轂(70)和輻條￠0)的幾何形狀，使得所述背板對結構載振動的響應與所述隔膜的相應響應匹配，所述方法包括以下步驟 -確定隔膜的響應， -為輻條選擇截面，-根據隔膜的響應、預應力的量、背板的直徑、材料密度和輻條的截面來確定轂的質量，以及 -根據所述質 量，確定輻條的數量和轂的直徑，以便形成所述圖案。
全文摘要
一種麥克風，具有安裝用于響應于壓力波動而振動的隔膜(20)，面對隔膜并且比隔膜剛性更強的背板(30)，以及用于感測相對于背板的振動的電路(95)，所述背板形成具有預應力并且具有這樣的幾何形狀，使得所述背板對結構載振動的響應與所述隔膜的相應響應匹配。這樣有助于降低或者最小化這些表面之間由結構載振動造成的相對運動，因而改善了麥克風的信噪比。所述幾何形狀可以是轂和輻條的結構。
文檔編號H04R31/00GK103039091SQ201080021381
公開日2013年4月10日 申請日期2010年4月6日 優(yōu)先權日2009年4月6日
發(fā)明者卡斯·范·德·阿沃爾特, 安德瑞斯·伯納德斯·詹斯曼, 格特·蘭格雷斯, 特溫·范利龐, 希爾柯·瑟伊 申請人:樓氏電子亞洲有限公司