专利名称：微机电系统麦克风的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及微机电系统(MEMS)麦克风，更具体地，涉及对MEMS麦克风的背板 的谐振频率的控制。
背景技术：
微机电系统(MEMQ是使用与制造传统模拟和数字CMOS电路所使用的步骤相同类 型的步骤(例如材料层的沉积和材料层的选择性去除)来制造的麦克风装置。一种类型的MEMS是麦克风。电容性MEMS麦克风使用响应于压力变化(例如声 波)而振动的薄膜(或隔膜)。薄膜是跨过衬底中的开口而悬置的薄材料层。麦克风通过 测量薄膜变形的变化来将压力变化转换为电信号。薄膜的变形导致薄膜的电容(作为电容 性薄膜/对电极布置的一部分)的改变。在操作中，空气压力(例如声波)的变化引起薄 膜振动，薄膜振动引起薄膜电容的改变，薄膜电容的改变与薄膜的变形成比例，因此薄膜振 动可以用于将压力波转换为电信号。MEMS麦克风容易受机械振动(例如结构传递声音(structure-born sound)的影 响，例如可以与麦克风和/或采用了麦克风的设备的移动有关。这些振动可以被不期望检 测为噪声，干扰麦克风精确检测声音的能力。另外，减轻噪声的许多方法可以影响麦克风检 测声音的能力，妨碍麦克风的分辨力(resolution)。鉴于上述和其他问题，MEMS麦克风的实施仍然具有挑战性。
发明内容
与本发明的示例实施例一致，电容性微机电系统(MEMS)麦克风包括半导体衬底， 半导体衬底具有通过衬底延伸的开口。麦克风具有跨过开口延伸的薄膜和跨过开口延伸的 背板。薄膜被配置为响应于声音产生信号。背板通过绝缘体与薄膜分离并且背板表现出弹 簧常数。麦克风还包括后腔室，封闭开口以与薄膜形成压力腔；以及调谐结构，被配置为 将背板的谐振频率设置为与薄膜的谐振频率值实质上相同的值(例如将背板的机械加速 度响应与薄膜的机械加速度响应相匹配)。根据本发明的另一示例实施例，电容性MEMS麦克风包括半导体衬底，半导体衬底 具有通过衬底延伸的开口。麦克风具有压敏薄膜，压敏薄膜跨过开口延伸并且被配置为响 应于声波产生信号。麦克风还具有跨过开口延伸的弹性悬置背板。弹性悬置背板通过第一 绝缘体与压敏薄膜分离，背板表现出弹簧常数。麦克风还具有调谐背板，调谐背板跨过开口 延伸并且通过第二绝缘体与弹性悬置背板分离。麦克风还包括后腔室，封闭开口以与薄膜 形成压力腔；以及偏置电路，被配置为为向调谐背板施加调谐偏置电压电压以将弹性悬置 背板的谐振频率(例如基本谐振频率)设置为与薄膜的谐振频率值实质上相同的值。以上概述不旨在描述本公开的每个实施例或每一种实现方式。随后的附图和详细 说明更具体地示例多种实施例。
结合附图考虑到本发明的多种实施例的以下详细说明，可以更完全地理解本发 明，在附图中图1示出了根据本发明的示例实施例的MEMS麦克风的图示；图2示出了根据本发明的另一示例实施例的MEMS麦克风的图示；图3示出了与本发明的又一示例实施例一致的MEMS麦克风的图示；以及图4示出了根据本发明的又一示例实施例的MEMS麦克风的示意图。尽管本发明适用于多种修改和替代形式，但是附图中仅以示例的方式示出了其中 的一些并对其进行详细描述。然而，应理解的是，本发明不限于所描述的具体的实施例。相 反，本发明包含落入包括由所附权利要求限定的方面的本发明的范围内的所有修改、同等 和替换。
具体实施例方式认为本发明可应用于与MEMS麦克风一起使用的多种不同类型的过程、设备和布 置。尽管本发明不必限于此，然而可以通过使用这种上下文讨论示例来意识到本发明的各 方面。根据本发明的示例实施例，电容性MEMS麦克风包括半导体衬底，半导体衬底具有 通过衬底延伸的开口。薄膜跨过衬底中的开口延伸，薄膜被配置为响应于声音产生信号。背 板也跨过衬底中的开口延伸并且通过绝缘体与薄膜分离。背板表现出弹簧常数。后腔室封 闭衬底中的开口以与薄膜形成压力腔。麦克风包括调谐结构，调谐结构被配置为将背板的 谐振频率设置为与薄膜的谐振频率的值实质上相同的值。将背板的谐振频率设置为与薄膜 的谐振频率实质上相等(或者例如将背板的机械加速度响应与薄膜的机械加速度响应相 匹配)减轻了 MEMS麦克风对机械振动的敏感性。在一种实现方式中，调谐结构包括调谐背 板，背板的谐振频率是通过在背板和调谐板之间施加偏置电压来设置的。在以下讨论中，做出了多种参考以相对于薄膜来匹配或设置背板的谐振频率。在 这些实施例中，设置谐振频率的该方法可以包含(作为相同方法的备选方法或一部分)设 置或控制背板的机械加速度响应，使得背板的机械加速度响应与薄膜的机械加速度响应相 匹配。因此，包含谐振频率匹配的多种实施例可以取而代之地和/或另外还匹配背板和薄 膜的机械加速度响应。根据本发明的另一示例实施例，电容性MEMS麦克风包括薄膜、可弯曲背板以及在 可弯曲背板顶部的第二较硬背板。第二较硬背板用于精细调谐背板和薄膜之间的频率匹 配。背板始终是可弯曲的，因为背板是由具有特定杨氏模量/应力的材料制成的并且背板 具有特定的有限厚度。可弯曲背板比第二较硬背板稍微更易弯曲，第二较硬背板也是稍微 可弯曲的。在薄膜和可弯曲背板之间施加第一偏置电压。第一偏置电压影响薄膜的灵敏度 以及薄膜和可弯曲背板的谐振频率。在可弯曲背板和硬背板之间施加第二偏置电压。第二 偏置电压影响可弯曲背板的谐振频率并且用于在不影响薄膜对声音的灵敏度的情况下调 节可弯曲背板的谐振频率。因此，第二较硬背板和第二偏置电压允许以独立于薄膜的方式 调谐可弯曲背板的谐振频率。根据本发明的又一示例实施例，通过减小(例如最小化)机械振动(例如结构传递声音)的影响来将电容性硅MEMS麦克风的灵敏度设置为期望水平。在一个实现方式中， 通过使背板具有与薄膜相同的谐振频率，从而使麦克风对听觉频率范围内的机械噪声本质 上不敏感，来达到这种结果。相同的谐振频率是指背板和薄膜对于特定加速度具有相同偏 移，因为薄膜或背板的谐振频率和对加速度的灵敏度都是通过k/M比(质量上的弹簧常数 (spring constant over mass))来给出的。在特定实现方式中，背板的谐振频率被设置为 使得背板和薄膜的谐振频率在10%内匹配。根据本发明的另一实施例，可弯曲背板(例如弹性悬置背板)的电可调谐频率匹 配是在麦克风操作期间来执行的，以完全抑制体噪声。经由调谐背板与背板之间的静电力 来设置背板的谐振频率，静电力是由于施加至调谐背板的偏置电压而产生的。在一个实现 方式中，背板是可弯曲的，调谐背板是比背板更不易弯曲的硬背板。根据本发明的另一实施例，电容性MEMS包括薄膜和背板，薄膜和背板对于加速度 具有不同灵敏度，这引起不同的偏转，从而产生输出信号。该效应称作体噪声，通过将背板 的谐振频率与薄膜的谐振频率相匹配来抑制该效应。薄膜偏移Δχ与加速度有关，如方程 式1所表示
权利要求
1.一种电容性微机电系统MEMS麦克风，包括半导体衬底，具有通过衬底延伸的开口 ；薄膜，跨过开口延伸，被配置为响应于声音而产生信号；背板，跨过开口延伸，背板通过绝缘体与薄膜分离并表现出弹簧常数；后腔室，封闭开口以与薄膜形成压力腔；以及调谐结构，被配置为将背板的谐振频率设置为与薄膜的谐振频率值实质上相同的值。
2.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，调谐结构包括调谐板，被配置为响应于施加 至调谐板的偏置电压来设置背板的谐振频率。
3.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，调谐结构被配置为通过施加电学力以影响 背板的弹簧常数来设置背板的谐振频率，从而设置背板的谐振频率的值并抑制体噪声的引 入。
4.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，调谐结构包括被布置为与薄膜和背板实质上平行的调谐板，背板位于薄膜和调谐板之 间，以及所述MEMS麦克风还包括偏置电路，偏置电路被配置为在背板和薄膜之间施加第一偏置电压，以设置用于响应于声音的薄膜的频率响应，以及在调谐板与背板之间施加第二偏置电压以控制调谐板设置背板的谐振频率。
5.权利要求4所述的MEMS麦克风，其中，施加在调谐板与背板之间的第二偏置电压基 于施加在背板与薄膜之间的第一偏置电压。
6.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，调谐结构包括后腔室，后腔室被配置为响应于 施加在后腔室的壁与背板之间的偏置电压来设置背板的谐振频率。
7.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，调谐结构包括调谐背板，调谐背板通过另一绝 缘体与背板分离并且表现出弹簧常数，调谐背板被配置为响应于施加至调谐背板的偏置电 压来设置背板的谐振频率。
8.权利要求7所述的MEMS麦克风，其中，调谐结构还包括偏置电路，被配置为向调谐 背板施加偏置电压。
9.权利要求7所述的MEMS麦克风，其中，调谐背板与背板之间有距离，所述距离使得由 于向调谐背板施加偏置电压而产生的静电力控制背板的谐振频率。
10.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，后腔室位于衬底的表面上，薄膜位于背板与 后腔室之间。
11.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，调谐结构被配置为将背板的机械加速度响应 与薄膜的机械加速度响应相匹配。
12.一种电容性微机电系统MEMS麦克风，包括半导体衬底，具有通过衬底延伸的开口 ；压敏薄膜，跨过开口延伸，被配置为响应于声波来产生信号；弹性悬置背板，跨过开口延伸，弹性悬置背板通过第一绝缘体与压敏薄膜分离并且表 现出弹簧常数；调谐背板，调谐背板跨过开口延伸并通过第二绝缘体与弹性悬置背板分离；后腔室，封闭开口以与薄膜形成压力腔；以及偏置电路，被配置为向调谐背板施加调谐偏置电压以将弹性悬置背板的谐振频率设置 为与薄膜的谐振频率值实质上相同的值。
13.权利要求12所述的MEMS麦克风，其中，偏置电路还被配置为在弹性悬置背板与薄 膜之间施加偏置电压以设置用于响应于声音的薄膜的频率响应，调谐偏置电压基于施加在 弹性悬置背板与薄膜之间的偏置电压。
14.权利要求12所述的MEMS麦克风，其中，调谐背板被配置为通过表现出电学力以 影响弹性悬置背板的弹簧常数，来响应于调谐偏置电压设置弹性悬置背板的谐振频率，从 而设置弹性悬置背板的谐振频率的值并抑制经由弹性悬置背板引入体噪声。
15.权利要求12所述的MEMS麦克风，其中，调谐背板比弹性悬置背板硬。
16.权利要求12所述的MEMS麦克风，其中，偏置电路被配置为向调谐背板施加调谐 偏置电压，以设置弹性悬置背板的有效弹簧常数，从而将背板的机械加速度响应与薄膜的 机械加速度响应相匹配。
17.—种抑制在电容性微机电系统MEMS麦克风中引入体噪声的方法，麦克风包括具 有通过衬底延伸的开口的半导体衬底；跨过开口延伸并且被配置为响应于声波产生信号的 薄膜；跨过开口延伸并通过第一绝缘体与薄膜分离的背板；跨过开口延伸并通过第二绝缘 体与背板分离的调谐背板；以及封闭开口以与薄膜形成压力腔的后腔室，该方法包括选择要施加在薄膜与背板之间的偏置电压；在薄膜与背板之间施加偏置电压以设置薄膜的灵敏度；选择要施加在背板与调谐背板之间的调谐偏置电压；以及在背板与调谐背板之间施加调谐偏置电压，以设置背板的谐振频率并且抑制在MEMS 麦克风中引入体噪声。
18.权利要求17所述的方法，其中，施加调谐偏置电压包括施加偏置电压，以将背板 的机械加速度响应与薄膜的机械加速度响应相匹配。
19.权利要求18所述的方法，其中，响应于施加在薄膜与背板之间的偏置电压来选择 调谐偏置电压，在背板与调谐背板之间施加调谐偏置电压将背板的谐振频率设置为与薄膜 的谐振频率实质上相等。
20.权利要求17所述的方法，其中，在背板与调谐背板之间施加调谐偏置电压使背板 与薄膜分开。
全文摘要
本发明提供了一种电容性微机电系统(MEMS)麦克风，包括半导体衬底，半导体衬底具有通过衬底延伸的开口。麦克风具有跨过开口延伸的薄膜以及跨过开口延伸的背板。薄膜被配置为响应于声音产生信号。背板通过绝缘体与薄膜分离，背板表现出弹簧常数。麦克风还包括后腔室，封闭开口以与薄膜形成压力腔；以及调谐结构，被配置为将背板的谐振频率设置为与薄膜的谐振频率的值实质上相同的值。
文档编号H04R19/04GK102075840SQ20101055937
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月23日 优先权日2009年11月24日
发明者伊丽丝·博米纳-西尔金斯, 弗朗茨·费尔伯拉, 格特·兰格雷斯, 特温·范利庞, 雷默克·亨里克斯·威廉默斯·皮内伯格 申请人:Nxp股份有限公司