CN110267184A - Mems麦克风 - Google Patents

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占瞻
李杨
黎家健
钟晓辉
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Abstract

本发明提供了MEMS麦克风，包括具有背腔的基座及设于基座上的电容***，电容***包括背板和振膜，背板和振膜相对间隔设置以形成声腔，振膜远离声腔的一侧贴设有压电膜片，压电膜片在振膜的形变作用下也发生形变从而产生电荷输出，因此该MEMS麦克风能够输出两组电信号，包括一组由电容***输出的电信号和一组由压电膜片输出的电信号，因此能够提高麦克风的灵敏度。

Description

MEMS麦克风
【技术领域】
本发明涉及声电转换装置技术领域,具体涉及一种MEMS麦克风。
【背景技术】
MEMS麦克风是一种用微机械加工技术制作出来的电声换能器，其具有体积小、频响特性好、噪声低等特点。随着电子设备的小巧化、薄型化发展，MEMS麦克风被越来越广泛地运用到这些设备上。
相关技术中的MEMS麦克风包括硅基底以及由振膜和背板组成的平板电容，振膜与背板相对并相隔一定距离。振膜在声波的作用下产生振动，导致振膜和背板之间的距离发生变化，导致平板电容的电容发生改变，从而将声波信号转化为了电信号。目前，电容式MEMS麦克风似乎达到了性能瓶颈，而且在最近几年也没有可观的改进；此外，这种MEMS麦克风的性能受灰尘、水及污染物的影响较大，而且当振膜在高声压环境下工作时，可靠性会变差。
因此，有必要提供一种新的MEMS麦克风以解决上述问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种灵敏度高的MEMS麦克风。
本发明的技术方案如下：
一种MEMS麦克风，包括具有背腔的基座及设于基座上的电容***，所述电容***包括背板和振膜，所述背板和所述振膜相对间隔设置以形成声腔，其特征在于：所述振膜远离所述声腔的一侧贴设有压电膜片。
作为一种改进方式，所述压电膜片远离所述声腔的一侧设有压膜电极片。
作为一种改进方式，所述压膜电极片为环状。
作为一种改进方式，所述振膜和所述压电膜片对应贯穿开设有通孔，所述通孔与所述声腔连通。
作为一种改进方式，所述背板开设有连通所述声腔与所述背腔的声学孔。
作为一种改进方式，所述背板包括依次叠加的第一保护层、背板层和第二保护层，所述第一保护层朝向所述声腔，所述声学孔贯穿所述第一保护层、所述背板层和所述第二保护层。
作为一种改进方式，所述第一保护层朝向所述声腔的表面设有用于防止所述背板与所述振膜粘黏的绝缘凸起。
作为一种改进方式，所述电容***与所述基座之间设有第一绝缘层，所述第一绝缘层与所述电容***或所述基座相连，所述振膜与所述背板之间设有第二绝缘层，所述第二绝缘层与所述振膜或所述背板相连。
作为一种改进方式，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层外侧设有第三保护层。
本发明的有益效果在于：
与现有技术相比，本发明的MEMS麦克风，在电容***上耦合进压电膜片结构，在MEMS麦克风的通电工作状态下，当振膜在声波的作用下产生振动，振膜与背板之间的距离会发生变化，从而导致电容***的电容发生改变，从而将声波信号转化为了电信号，实现麦克风的相应功能，同时，压电膜片在振膜的形变作用下也发生形变从而产生电荷输出，即本发明的MEMS麦克风能够输出两组电信号，包括一组由电容***输出的电信号和一组由压电膜片输出的电信号，因此能够提高麦克风的灵敏度。
【附图说明】
图1为本发明实施例提供的MEMS麦克风的剖面图。
【具体实施方式】
下为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1，本实施例提供一种MEMS麦克风10，包括基座11以及设于基座11上并与基座11绝缘相连的电容***。
基座11由半导体材料制成，具有背腔111、上表面和与上表面相对的下表面，背腔111贯穿上表面及下表面，其中背腔111可以通过体硅微加工工艺或蚀刻形成。
电容***与基座11之间设有第一绝缘层141，第一绝缘层141既可以起到支撑电容***的作用，又可以保证电容***与基座11之间的绝缘。
电容***包括背板121、与背板121相对间隔设置的振膜122和位于背板121与振膜122之间的第二绝缘层142，背板121与振膜122间隔设置并形成声腔123，声腔123贯穿第二绝缘层142，第二绝缘层142既可以起到支撑作用，又可以保证振膜122与背板121之间的绝缘，背板121包括依次叠加的第一保护层1211、背板层1212和第二保护层1213，第一保护层1211朝向声腔123，且第一保护层1211朝向声腔123的表面设有用于防止背板121与振膜122粘黏的绝缘凸起1214，振膜122远离声腔123的一侧设置有压电膜片131，压电膜片131远离声腔123的一侧设有压膜电极片132，压电膜片131在振膜122的形变作用下也发生形变从而产生电荷输出。
第一绝缘层141和第二绝缘层142外侧设有第三保护层125，第一保护层1211、第二保护层1213和第三保护层125均由单晶硅、多晶硅或氮化硅等材料制成，起保护作用。
第一绝缘层141和第二绝缘层142均由半导体氧化硅绝缘层材料制成。
背板121和振膜122均为导体，由多晶硅掺杂或单晶硅掺杂导电材料制成，在MEMS麦克风的通电工作状态下，背板121和振膜122会带上极性相反的电荷，形成电容***，当振膜122在声波的作用下产生振动，振膜122与背板121之间的距离会发生变化，从而导致电容***的电容发生改变，从而将声波信号转化为了电信号，实现麦克风的相应功能，同时，压电膜片131在振膜122的形变作用下也发生形变从而产生电荷输出，也就是说，本实施例的MEMS麦克风10能够输出两组电信号，包括一组由电容***输出的电信号和一组由压电膜片131输出的电信号，因此能够提高麦克风的灵敏度。
背板121和振膜122的位置是可以调整的，只要两者能够形成电容***即可，即可以是背板121位于振膜122与基座11之间，也可以是振膜122位于背板121与基座11之间。
在本实施例中，背板121位于振膜122与基座11之间，第一绝缘层141设于背板121与基座11之间，第一绝缘层141与背板121或基座11相连，背板121开设有连通声腔123与背腔111的声学孔124，声学孔124贯穿第一保护层1211、背板层1212和第二保护层1213，压电膜片131与第三保护层125形成第一连接孔126，第二绝缘层142上贯穿设有第二连接孔1421，第一连接孔126内设有与振膜122相连的振膜电极127，第二连接孔1421内设有与背板121相连的背板电极128，在其他实施例中，振膜电极127和背板电极128的位置是随着背板121和振膜122的位置调整的。
优选地，压膜电极片132为环状，由于振膜122在振动的时候，振膜122边缘处所受应力是最大的，因此在该处进一步沉积压电膜片131和压膜电极片132效果最佳，压电膜片131因受到振膜122形变的作用发生形变，在振膜122边缘处产生的压电效应最明显，因此可以将压膜电极片132设计成环状，例如圆环状或者“回”字状，压膜电极片132的中心与压电膜片131的中心在同一竖直线上。
优选地，振膜122和压电膜片131对应贯穿开设有通孔129，使得振膜122振动时，振膜122与背板121之间产生的气流更为容易***，从而降低麦克风的噪音，提高信噪比。当然，在其他实施例中，在压电膜片131上贯穿开设通孔129有可能起到其他作用，比如，当声音不是从背腔111往振膜122的方向传播，而是从压电膜片131往振膜122的方向传播时，在压电膜片131上贯穿开设通孔129是为了使声音到达振膜122。
本实施例的MEMS麦克风制造方法具体包括如下步骤:
步骤S1，制作背板晶圆，包括：
步骤S11，提供包括依次层叠设置的基座11、第二保护层1213、背板层1212、第一保护层1211和绝缘凸起层，从而形成背板晶圆；
步骤S12，刻蚀背板晶圆，对第二保护层1213、背板层1212、第一保护层1211和绝缘凸起层1214的中间主体区域进行刻蚀处理，形成贯穿第二保护层1213、背板层1212、第一保护层1211、绝缘凸起层的声学孔124，且绝缘凸起层被声学孔124分隔形成多个绝缘凸起1214，从而形成背板晶圆；
步骤S2，制作振膜晶圆，包括：
步骤S21，在背板晶圆的间隙填充满半导体氧化硅绝缘层材料，并抛光形成第二绝缘层142；
步骤S22，在第二绝缘层142上沉积和刻蚀形成振膜122；
步骤S23，在振膜122远离背板晶圆的一侧上沉积和刻蚀形成压电膜片131；
步骤S24，在压电膜片层131远离振膜122的一侧上沉积和刻蚀形成压膜电极片132，从而形成振膜晶圆；
步骤S3，刻蚀形成贯穿压电膜片131的第一连接孔126和贯穿第二绝缘层142的第二连接孔1421，在第一绝缘层141和第二绝缘层142外侧沉积第三保护层125；
步骤S4，在基座11底部刻蚀形成直达第二保护层1213的背腔111；
步骤S5，对第二绝缘层142的中间主体区域进行减薄处理，形成贯穿第二绝缘层142的声腔123和声学孔124，声腔123、声学孔124和背腔111相互连通；
步骤S6，在第一连接孔126和第二连接孔1421内分别刻蚀形成两个连接盘，对两个连接盘进行金氧化，以形成位于第一连接孔126内的振膜电极127和位于第二连接孔1421内的背板电极128；
步骤S7，完成MEMS麦克风制造。
该方法生产的MEMS麦克风制作工艺流程简单、工艺成本低、易于批量化生产。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种MEMS麦克风，包括具有背腔的基座及设于基座上的电容***，所述电容***包括背板和振膜，所述背板和所述振膜相对间隔设置以形成声腔，其特征在于：所述振膜远离所述声腔的一侧贴设有压电膜片。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述压电膜片远离所述声腔的一侧设有压膜电极片。
3.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述压膜电极片为环状。
4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述振膜和所述压电膜片对应贯穿开设有通孔，所述通孔与所述声腔连通。
5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述背板开设有连通所述声腔与所述背腔的声学孔。
6.根据权利要求5所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述背板包括依次叠加的第一保护层、背板层和第二保护层，所述第一保护层朝向所述声腔，所述声学孔贯穿所述第一保护层、所述背板层和所述第二保护层。
7.根据权利要求6所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述第一保护层朝向所述声腔的表面设有用于防止所述背板与所述振膜粘黏的绝缘凸起。
8.根据权利要求1-7任一项所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述电容***与所述基座之间设有第一绝缘层，所述第一绝缘层与所述电容***或所述基座相连，所述振膜与所述背板之间设有第二绝缘层，所述第二绝缘层与所述振膜或所述背板相连。
9.根据权利要求8所述的MEMS麦克风，其特征在于：所述第一绝缘层和所述第二绝缘层外侧设有第三保护层。
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