TWI404428B - 聲學感測器 - Google Patents

Description

聲學感測器

本發明有關於聲學感測器，且特別是有關於電容式聲學感測器。

聲學感測器可將聲波訊號轉為電子訊號以供各種應用。聲學感測器已廣泛地應用於多種電子產品，例如手機、筆記型電腦、數位攝影機、麥克風、及數位錄音機等。聲學感測器一般包括相對設置之背板與薄膜結構。當聲波傳至薄膜結構時，薄膜結構受聲波壓力變化影響而改變與背板之間的間距。薄膜結構與背板間的間距變化會造成電容的改變，藉由感測電容之變化便可將所接收的聲波訊號轉化為電子訊號。

然而，受到製程殘留應力的影響，薄膜結構上容易有壓應力、張應力、或梯度應力(gradient stress)等應力殘留。這些殘留應力會使薄膜結構挫曲(buckling)、拉緊(tightening)、或翹曲(bending)，使得薄膜結構之聲學靈敏度降低，並使結構容易破損。其中，尤以梯度應力易使薄膜結構失效。

因此，業界亟需能兼顧聲學靈敏度及結構可靠性之聲學感測器。

本發明實施例提供一聲學感測器，包括支撐基板，具有一上表面及一下表面，上表面包括第一部分及第二部分，第二部分圍繞第一部分；凹槽，自上表面朝下表面延伸，凹槽位於上表面之第一部分與第二部分之間；可震動薄膜，設置於凹槽之正上方，可震動薄膜包括固定部分及懸空部分，固定部分固定於支撐基板上，懸空部分之邊緣大抵順應著凹槽之開口的邊緣延伸，懸空部分與上表面之第一部分之間隔有內間隙，且懸空部分與上表面之第二部分之間隔有外間隙；以及背板，設置於支撐基板之上而與可震動薄膜相對設置。

應了解的是以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本發明之不同樣態。以下所述特定的元件及排列方式儘為本發明之簡單描述。當然，這些僅用以舉例而非本發明之限定。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。除非特別指明，這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。再者，當述及一第一材料層位於一第二材料層上或之上時，包括第一材料層與第二材料層直接接觸或間隔有一或更多其他材料層之情形。

本發明實施例透過於聲學感測器中之可震動薄膜與支撐基板之間形成內間隙與外間隙，使得可震動薄膜之內側與外側皆具有自由邊界，可有效舒緩殘留於薄膜上之殘留應力，包括壓應力以及張應力。其中，自由邊界即為所形成之內間隙及外間隙，其為薄膜不與支撐基板連接之部分，使可震動薄膜能隨聲波而上下移動，且可有助於舒緩或釋放殘留應力。

第1圖顯示根據本發明一實施例之聲學感測器10的剖面圖。在此實施例中，聲學感測器10包括支撐基板100，其具有上表面100a及下表面100b。支撐基板100中具有自上表面100a朝下表面100b延伸之凹槽102a。在支撐基板100之上，設置有可震動薄膜104及背板106，且可震動薄膜104與背板106係以一間距而彼此相對設置。例如，在此實施例中，可震動薄膜104與背板106係透過其間之絕緣間隔層110而彼此相對設置，並相隔一預定距離。背板106中可形成有至少一貫穿背板106的孔洞108。例如，在第1圖所示實施例中，背板106中形成有複數個孔洞108，用以使空氣於背板106與可震動薄膜104之間流通。當聲波由孔洞108傳至背板106與可震動薄膜104之間時，可震動薄膜104上、下之壓力差將使可震動薄膜104移動或變形，使可震動薄膜104與背板106之間的間距改變。間距之改變將造成電容值之變化，藉此可將聲波轉為電子訊號。在一實施例中，背板106之材質例如可為金屬、半導體、或其他相似材料。

以下，配合第1圖說明本發明一實施例之聲學感測器10的製作流程。然應注意的是，以下之敘述僅為製作本發明實施例之聲學感測器的其中一種方式。此技藝人士自可掉換、添加、或修飾所述之製程而完成本發明實施例之聲學感測器。因此，以下之敘述僅舉例說明本發明實施例之製作方式，本發明實施例之形成方法不限於此。

如第1圖所示，在一實施例中，首先提供支撐基板100。接著，於支撐基板100之上表面100a上形成圖案化導電層。圖案化導電層在後續製程中將成為可震動薄膜104。圖案化導電層(或可震動薄膜)之材質包括導電材料，例如可為金屬材料、半導體材料、導電陶瓷材料、導電高分子材料、或前述之組合。接著，於支撐基板100及圖案化導電層上形成絕緣層。絕緣層在後續製程中將成為絕緣間隔層110。接著，於絕緣層上形成金屬層以作為背板106，並可於其中形成複數個孔洞108。之後，藉由非等向性蝕刻自支撐基板100之下表面100b移除部份的支撐基板100以形成凹槽102a。在凹槽102a形成之後，先前形成之圖案化導電層將成為可震動薄膜104。可震動薄膜104包括固定部分及懸空部分。固定部分固定於支撐基板100上(第1圖中未顯示)。懸空部分如圖所示與支撐基板100之間隔有間隙。凹槽102a之開口係具有與可震動薄膜104之懸空部分大抵相同之形狀，且面積需略大於懸空部分以使可震動薄膜104之懸空部分與支撐基板100之間隔有間隙。接著，將金屬板106與可震動薄膜104之間的絕緣層移除，僅留下金屬板106與可震動薄膜104之間的絕緣間隔層110以完成本發明一實施例之聲學感測器10的製作。應注意的是，本發明實施例之形成步驟不限於上述之方式。例如，可先形成絕緣間隔層110及金屬板106之後，才接著形成凹槽102a。

在本發明實施例中，基於支撐基板100、凹槽102a、及可震動薄膜104之間的特殊配置，將使聲學感測器10之靈敏度提高，並可有效舒緩或釋放殘留應力。以下，配合第2A-2B圖說明本發明實施例之聲學感測器10的支撐基板100、凹槽102a、及可震動薄膜104之間的特殊配置。第2A圖顯示一實施例中，具有凹槽102a之支撐基板100與可震動薄膜104的立體***圖。第2B圖顯示一實施例中，設置於具有凹槽102a之支撐基板100上的可震動薄膜104的上視圖。

如第2A及2B圖所示，在一實施例中，支撐基板100之上表面100a包括第一部分100a’及第二部分100a”，其中第二部分100a”圍繞第一部分100a’。凹槽102a位於第一部分100a’與第二部分100a”之間。凹槽102a自支撐基板100之上表面100a朝下表面100b延伸。在一實施例中，凹槽102a完全貫穿支撐基板100。

如第2A及2B圖所示，在一實施例中，可震動薄膜104設置於支撐基板100之上，且係設置於凹槽102a之正上方。如第2B圖所示，可震動薄膜104包括固定部分104a及懸空部分104b。可震動薄膜104透過固定部分104a而固定於支撐基板100上。以第2A及2B圖之實施例為例，可震動薄膜104之固定部分104a係與連接支撐基板100之第一部分100a’與第二部分100a”之連接部分100c相連接。因而使可震動薄膜104固定於支撐基板100之上。在此情形中，固定部分104a包括第一固定區104a1及第二固定區104a2。第一固定區104a1固定於左邊的連接部分100c上，而第二固定區104a2固定於右邊的連接部分100c上。在第2B圖之實施例中，第一固定區104a1及第二固定區104a2還分別與可震動薄膜104之懸空部分104b的兩端相連接。在第2B圖之實施例中，可震動薄膜104係圍繞上表面100a之第一部分100a’。

如先前所述，凹槽102a可在可震動薄膜104之形狀定義之後才形成，且凹槽102a之接近於上表面100a之開口係具有與可震動薄膜104之懸空部分104b大抵相同之形狀，且面積略大於懸空部分104b。也就是說，可震動薄膜104之懸空部分104b的邊緣係大抵順應著凹槽102a之開口的邊緣延伸。懸空部分104b之邊緣輪廓大抵與凹槽102a之接近上表面100a之開口的邊緣輪廓相同。然應注意的是，本發明實施例不限於上述之情形，在其他實施例中，可震動薄膜104之懸空部分104b的邊緣不一定要完全順應著凹槽102a之開口的邊緣延伸。也就是說，可震動薄膜104之懸空部分104b的形狀可能與凹槽102a之接近於上表面100a之開口的形狀不完全相同。

如第2B圖所示，在此實施例中，可震動薄膜104之懸空部分104b與支撐基板100上表面100a之第一部分100a’之間隔有內間隙112a，且懸空部分104b與上表面100a之第二部分100a”之間隔有外間隙112b。其中，內間隙112a及外間隙112b亦可稱為自由邊界(free boundary)。在一實施例中，內間隙112a及外間隙112b所佔之面積佔可震動薄膜104之面積的約0.1%至約2%之間。在另一實施例中，內間隙112a及外間隙112b所佔之面積佔可震動薄膜104之面積的約0.5%至約1.5%之間。然應注意的是，前述內間隙112a及外間隙112b所佔之面積比率僅舉例說明本發明實施例之可能樣態，本發明實施例不限於此。

由於本發明實施例之可震動薄膜104與支撐基板100之間隔有內間隙112a及外間隙112b，可震動薄膜104不致於太過堅硬而不易變形，也不致於太過柔軟而造成靈敏度不足。此外，經由本案發明人之研究發現，由於可震動薄膜104之內側及外側同時具有自由邊界(即內間隙112a及外間隙112b)，應力可同時於內側及外側之間隙處釋放，可避免因殘留應力(例如是壓應力及/或張應力)所造成之結構變形。因此，殘留於可震動薄膜104中之應力可有效地舒緩或釋放，有助於提升聲學感測器10之靈敏度與可靠度。

此外，經由本案發明人之研究發現，內間隙112a及外間隙112b較佳能分別具有一弧形部分。具弧形部分之間隙將更有利於舒緩或釋放殘留的梯度應力。在一實施例中，內間隙112a包括至少一弧形部分。在另一實施例中，外間隙112b包括至少一弧形部分。在又一實施例中，內間隙112a及外間隙112b皆分別包括至少一弧形部分。

例如，在第2B圖之實施例中，整個內間隙112a及整個外間隙112b皆為弧形部分。在此實施例中，上表面100a之第一部分100a’包括兩個半圓形部分及夾於兩半圓形部分之間的矩形部分。或者，上表面100a之第一部分100a’可包括扇形部分。扇形部分例如包括四分之三圓或八分之五圓等，即夾於矩形部分兩側者不限定為“半”圓形。

在一實施例中，內間隙112a及外間隙112b可為具有相同曲率中心的兩個圓弧，其中外間隙112b之曲率半徑R2大於內間隙112a之曲率半徑R1。在一實施例中，當外間隙112b之曲率半徑R2為內間隙112a之曲率半徑R1的兩倍時，可震動薄膜104因殘留梯度應力所造成之變形可降至最低。然應注意的是，前述之曲率半徑比例係為特定實施例之曲率半徑的較佳值。並非所有的實施例之較佳曲率半徑比值皆為此特定比值，可視情況而有所調整。

本發明實施例之聲學感測器還可有許多其他的變化。以下，將舉出部分之變化並配合圖式說明之。其中，相同或相似的標號將用以標示相同或相似的元件。然應注意的是，標號之重複使用僅為簡化本發明實施例之說明，除非特別指明，這些標號之重複不代表不同實施例之間具有關聯性。

第3A圖顯示一實施例中，具有凹槽102a之支撐基板100與可震動薄膜104的立體***圖。第3B圖顯示一實施例中，設置於具有凹槽102a之支撐基板100上的可震動薄膜104的上視圖。

第3A及3B圖之實施例與第2A及2B圖所示實施例相似，其差異主要在於第3A及3B圖之實施例中的可震動薄膜104的固定部分104a更包括與第一固定區104a1及第二固定區104a2相連的第三固定區104a3。第三固定區104a3可固定於支撐基板100之上。如第3B圖所示，在此實施例中，第三固定區104a3還橫跨支撐基板100之上表面100a的第一部分100a’，而連結於部分的第一部分100a’之上。可震動薄膜104之第三固定區104a3有助於增強可震動薄膜104與支撐基板100之間的結合強度，且有助於將整體可震動薄膜104拉平，有助於提升聲學感測器10之效能。

此外，請參照第4圖，在其他實施例中，聲學感測器10還可更包括第二凹槽102b，其位於凹槽102a之下方，且與凹槽102a相連互通。於聲學感測器10中額外形成與凹槽102a相連的第二凹槽102b可使可震動薄膜104下方的空間增加。當可震動薄膜104受聲波影響而向下移動或變形時，由於下方的空間增加了，所受到的空氣阻力將因而減小，使可震動薄膜104能有較大的變形量，使聲學感測器10的感測更為靈敏。如上所述，凹槽102a之開口需與可震動薄膜104之形狀相似且略大，使可震動薄膜104與支撐基板100之間僅隔有內間隙112a及外間隙112b。在一實施例中，可在形成凹槽102a之後，進行另一蝕刻製程以形成與凹槽102a連通之第二凹槽102b。以第4圖之實施例為例，第二凹槽102b可位於凹槽102a之下，且第二凹槽102b之截面積A2可大於凹槽102a之截面積A1。第二凹槽102b之形成的原因之一是為了增加可震動薄膜104下方的空間，因此第二凹槽102b之開口的形狀可不與凹槽102a之開口形狀相同。凹槽102a及102b皆係用作聲學感測器10之背腔。

此外，本發明實施例還可有許多變化，例如上表面100a之第一部分100a’除了如第1或2圖所述之實施例可包括半圓形部分、扇形部分、及/或矩形部分之外，還可例如包括半橢圓形部分。第5圖顯示本發明又一實施例中，設置於具有凹槽之支撐基板的可震動薄膜的上視圖，其中相同或相似之元件將已相同或相似的標號標示。如第5圖所示，在此實施例中，可震動薄膜104與支撐基板100之間的內間隙112a及外間隙112b順應著半橢圓形部分之輪廓而分別具有弧形部分(橢圓弧)，有助於舒緩或釋放可震動薄膜104中之殘留應力。

雖然，上述實施例中，可震動薄膜104與支撐基板100之間的內間隙112a及外間隙112b皆包括弧形部分，然本發明實施例的實施方式不限於此。在其他實施例中，內間隙112a及外間隙112b亦可不包括弧形部分。例如，在一實施例中，上表面100a之第一部分100a’可包括多邊形部分，如第6圖所示。在第6圖之實施例中，第一部分100a’包括一梯形部分，可震動薄膜104與支撐基板100之間的內間隙112a及外間隙112b由於順應著梯形部分之輪廓而不具有弧形部分。雖然如此，可震動薄膜104與支撐基板100之間仍可具有內間隙112a及外間隙112b，仍能同時於可震動薄膜104之內側及外側釋放應力，可有效提升聲學感測器10之靈敏度及可靠度。此外，多邊形部分除了可例如包括梯形部分之外，在其他實施例中，多邊形部分還可例如包括菱形、六邊形、八邊形、或十二邊形等等。換言之，本發明實施例之第一部分100a’可包括任意形狀，只要固定於第一部分100a’與第二部分100a”之間之凹槽102a的正上方之可震動薄膜104與支撐基板100之間能同時隔有內間隙112a及外間隙112b，便有助於使聲學感測器10之靈敏度及可靠度提升。

應注意的是，雖然在上述實施例中，聲學感測器之可震動薄膜係包圍部分的支撐基板，例如是支撐基板上表面中之第一部分，然本發明實施例之實施方式不限於此。在其他實施例中，聲學感測器之可震動薄膜可不將部分的支撐基板包圍於其中。此外，本發明實施例之聲學感測器中還可包括複數個可震動薄膜之組合。

第7A-7C圖顯示本發明數個實施例之聲學感測器中，設置於具有凹槽之支撐基板的可震動薄膜的上視圖。其中，相似或相同之元件將採用相似或相同的標號。

如第7A圖所示，此實施例之聲學感測器包括支撐基板100，具有上表面及下表面(可同時參照第1圖或第4圖，分別顯示上表面100a及下表面100b)，上表面包括第一部分100a’及第二部分100a”，較外圍的第二部分100a”圍繞較內部的第一部分100a’。聲學感測器還包括凹槽102a，自上表面朝下表面延伸(可同時參照第1圖或第4圖)，凹槽102a位於上表面之第一部分100a’與第二部分100a”之間。聲學感測器還包括可震動薄膜104，設置於凹槽102a之正上方，可震動薄膜104包括固定部分104a及懸空部分104b，固定部分104a固定於支撐基板100上，懸空部分104b之邊緣大抵順應著凹槽102a之開口的邊緣延伸，懸空部分104b與上表面之第一部分100a’之間隔有內間隙112a，且懸空部分104b與上表面之第二部分100a”之間隔有外間隙112b。聲學感測器還包括背板(可同時參照第1圖或第4圖，分別顯示出背板106)，設置於支撐基板100之上而與可震動薄膜104以一間距相對設置。在第7A圖之實施例中，可震動薄膜104與支撐基板100之間所隔之內、外間隙112a、112b有助於舒緩或釋放可震動薄膜104之殘留應力，例如是張應力及/或壓應力。尤其，在第7A圖之實施例中，內、外間隙112a、112b互為一同心圓的一部分，因而皆包括弧形部分，因此還可有助於舒緩或釋放梯度應力。

此外，本發明實施例之聲學感測器中還可包括複數個可震動薄膜之組合。例如，在第7B圖及第7C圖之實施例中，聲學感測器更包括至少一第二可震動薄膜204及其相應的第二凹槽202a。可震動薄膜204設置於支撐基板100之上且位於第二凹槽202a之正上方。可震動薄膜204包括固定部分204a及懸空部分204b，並與支撐基板100之間隔有內間隙212a及外間隙212b。然應注意的是，第7B圖及第7C圖之實施例僅為舉例說明，本發明實施例之實施方式不限於此。例如，在其他實施例中，可採用其他的組合方式(例如，可組合第2B圖及第6圖之實施例)或排列方式而於支撐基板上設置多種可震動薄膜。此外，還例如可於支撐基板上設置數個可震動薄膜陣列(例如，可為第7C圖實施例所排程之矩陣)，端視所需應用而定。再者，在一實施例中，複數個可震動薄膜下方之凹槽可以彼此相通。例如，在第7B或7C圖之實施例中，凹槽102a與202a可彼此互通。在另一實施例中，複數個可震動薄膜之間可僅以一狹縫相間距。例如，在第7B圖之實施例中，可震動薄膜104b與204b之間係以一狹縫相間距，狹縫之寬度約為可震動薄膜104b與凹槽102a間之寬度距離。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．聲學感測器

100．．．支撐基板

100a、100b．．．表面

100a’、100a”、100c．．．部分

102a、102b、202a．．．凹槽

104、204．．．可震動薄膜

104a、204a．．．固定部分

104a1、104a2、104a3．．．固定區

104b、204b．．．懸空部分

106．．．背板

108．．．孔洞

110．．．絕緣間隔層

112a、112b、212a、212b．．．間隙

R1、R2．．．曲率半徑

A1、A2．．．截面積

第1圖顯示根據本發明一實施例之聲學感測器的剖面圖。

第2A圖顯示本發明一實施例之聲學感測器中，具有凹槽之支撐基板與可震動薄膜的立體***圖。

第2B圖顯示本發明一實施例之聲學感測器中，設置於具有凹槽之支撐基板的可震動薄膜的上視圖。

第3A圖顯示本發明另一實施例之聲學感測器中，具有凹槽之支撐基板與可震動薄膜的立體***圖。

第3B圖顯示本發明另一實施例之聲學感測器中，設置於具有凹槽之支撐基板的可震動薄膜的上視圖。

第4圖顯示根據本發明一實施例之聲學感測器的剖面圖。

第5圖顯示本發明又一實施例之聲學感測器中，設置於具有凹槽之支撐基板的可震動薄膜的上視圖。

第6圖顯示本發明又一實施例之聲學感測器中，設置於具有凹槽之支撐基板的可震動薄膜的上視圖。

第7A-7C圖顯示本發明數個實施例之聲學感測器中，設置於具有凹槽之支撐基板的可震動薄膜的上視圖。

100．．．支撐基板

100a．．．表面

100a’、100a”．．．部分

102a．．．凹槽

104．．．可震動薄膜

104a．．．固定部分

104a1、104a2．．．固定區

104b．．．懸空部分

112a、112b．．．間隙

R1、R2．．．曲率半徑

Claims (20)

1. 一種聲學感測器，包括：一支撐基板，具有一上表面及一下表面，該上表面包括一第一部分及一第二部分，該第二部分圍繞該第一部分；一第一凹槽，自該上表面朝該下表面延伸，該第一凹槽位於該上表面之該第一部分與該第二部分之間；一可震動薄膜，設置於該第一凹槽之正上方，該可震動薄膜包括一固定部分及一懸空部分，該固定部分固定於該支撐基板上，該懸空部分之邊緣大抵順應著該第一凹槽之開口的邊緣延伸，該懸空部分與該上表面之該第一部分之間隔有一內間隙，且該懸空部分與該上表面之該第二部分之間隔有一外間隙；以及一背板，設置於該支撐基板之上而與該可震動薄膜相對設置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之聲學感測器，其中該可震動薄膜圍繞該上表面之該第一部分。
3. 如申請專利範圍第1項所述之聲學感測器，其中該可震動薄膜之該懸空部分的形狀與該第一凹槽之開口的形狀相同，且該懸空部分的面積小於該第一凹槽之開口的面積。
4. 如申請專利範圍第1項所述之聲學感測器，其中該內間隙包括至少一弧形部分。
5. 如申請專利範圍第1項所述之聲學感測器，其中該外間隙包括至少一弧形部分。
6. 如申請專利範圍第1項所述之聲學感測器，其中該可震動薄膜之該固定部分包括一第一固定區及一第二固定區，分別固定於該支撐基板上。
7. 如申請專利範圍第6項所述之聲學感測器，其中該第一固定區及該第二固定區分別與該可震動薄膜之該懸空部分的兩端連接。
8. 如申請專利範圍第7項所述之聲學感測器，其中該可震動薄膜之該固定部分更包括一第三固定區，該第三固定區與該第一固定區及該第二固定區相連，且固定於該支撐基板之上。
9. 如申請專利範圍第8項所述之聲學感測器，其中該第三固定區橫跨該支撐基板之該上表面的該第一部分。
10. 如申請專利範圍第1項所述之聲學感測器，其中該上表面之該第一部分包括一半圓形部分或一扇形部分。
11. 如申請專利範圍第10項所述之聲學感測器，其中該內間隙及該外間隙為具有相同曲率中心之兩圓弧，其中該外間隙之曲率半徑大於該內間隙之曲率半徑。
12. 如申請專利範圍第11項所述之聲學感測器，其中該外間隙之曲率半徑約為該內間隙之曲率半徑的兩倍。
13. 如申請專利範圍第1項所述之聲學感測器，其中該上表面之該第一部分包括一半橢圓形部分。
14. 如申請專利範圍第1項所述之聲學感測器，其中該上表面之該第一部分包括一多邊形部分。
15. 如申請專利範圍第1項所述之聲學感測器，更包括一第二凹槽，位於該第一凹槽之下方，且該第二凹槽與該第一凹槽彼此相連。
16. 如申請專利範圍第15項所述之聲學感測器，其中該第二凹槽之截面積大於該第一凹槽之截面積。
17. 如申請專利範圍第1項所述之聲學感測器，更包括至少一孔洞，貫穿該背板。
18. 如申請專利範圍第1項所述之聲學感測器，其中該可震動薄膜之材質包括一導電材料。
19. 如申請專利範圍第18項所述之聲學感測器，其中該導電材料包括一金屬材料、一半導體材料、一導電陶瓷材料、一導電高分子材料、或前述之組合。
20. 如申請專利範圍第1項所述之聲學感測器，更包括一絕緣間隔層，設置於該可震動薄膜與該背板之間。