专利名称：用于mems电容式麦克风的改进膜片的制作方法
技术领域：
本发明涉及任意数量的连接元件。
当所述元件螺旋形配置时更有利。在本发明的上下文中的"螺旋形" 不仅应用于圆形结构，而且应用于任何形状的膜片第二区域，意味着所 有的元件按相同的方式配置，或者说，所有元件顺时针或逆时针凸出。 因此，第二部分沿移动方向的移动总是包括旋转分量，因为当元件弯曲 时，元件在第一部分表面上的凸出縮短(shorten)所述移动。因此，总 体上第二部分按照螺旋移动方式移动。应当注意如下一点再次不排除 膜片的弯曲或第二部分。
当将至少一个元件对称地成型或者将至少一个元件相对于其他螺 旋形设置元件相反地设置时特别有利。该方法显著地或完全地减小了膜
片的旋转趋势。当激励具有仅螺旋形设置的元件的膜片时明显地出现这 种旋转。这是当第一区域和所述元件之间以及第二区域与所述元件之间 的自由空间较大时、并且对于或多或少圆形的第二区域的次要问题，但 是对于小结构可能是主要问题，因为小狭缝显著地减小了膜片的旋转可 能性。
当本发明的膜片是由半导体组成时，实现了本发明膜片的另一个有 利实施例。半导体层的制造是一种众所周知的工艺。因此，膜片较易于 产生。
当所述第一部分、所述第二部分和所述元件只由矩形结构组成、并 且所述结构与所述半导体的晶格一致时是特别有利的。因为晶格，矩形 结构应该是优选的，因为矩形结构易于刻蚀。因此，膜片的结构应该与 半导体的晶体一致。
本发明的另一个有利实施例是通过膜片实现的，其中所述第一部 分、所述第二部分和所述元件表现为具有实质相同厚度的相同材料的平 坦管芯。按照这种方式，不得不将恒定厚度的层简单地放到衬底上。最 终通过刻蚀形成膜片的形状。因为刻蚀工艺对于全部结构进行相同的时 间，同样对于刻蚀工艺，层的恒定厚度是有利的。
当所述第一部分、所述第二部分和所述元件之间存在配置为衬垫的 狭缝时是进一步有利的。因为第一区域和所述元件之间以及第二区域和 所述元件之间的自由空间原理上允许流通空气，其尺寸不应该超过确定 限制。所述狭缝一般形成用于到达声波的高通，因为通过所述狭缝不受 妨碍地补偿了空气的较慢变化，而狭缝作为用于快速变化的障碍物。狭 缝越薄对流通空气的阻抗越高。因此，可以分别根据膜片或麦克风的所 需特征选择狭缝的尺寸。假设是不旋转膜片，这些狭缝对于膜片移动的 流通空气具有相同的截面。因此，当用于流通空气的狭缝长度变化时， 对于在所述狭缝内部的流体摩擦随着膜片幅度线性地变化。
最后，当膜片所配置的最大幅度小于膜片厚度时是有利的。为了避 免所述狭缝的截面的显著增加，并且避免上述高通特征的显著变化，膜 片的最大幅度不应该超过确定限制。幅度相对于膜片厚度越低，对于声 学行为的影响越低。然而，因为前述物理背景，麦克风在特定频率处的
灵敏度总是依赖于声压。假设当施加空气差压时膜片不会显著地弯曲，
特定空气差压或特定声压处膜片的最大幅度分别依赖于连接膜片的第一
和第二区域的元件的刚性。
在这一点上应该注意的是膜片的各种实施例以及对于膜片所陈述 的优点也应用于包括本发明膜片的本发明麦克风上。根据下文所述的实 施例本发明的这些和其他方面是显而易见的，并且将参考下文所述实施 例进行描述。
在下文中参考附图所示实施例更加详细地以非限制性示例的方式 描述本发明。
图la示出了现有技术MEMS电容式麦克风的剖面图； 图lb示出了图la膜片的弯曲；
图2a示出了具有应力释放结构的现有技术膜片的俯视图2b示出了图2a的膜片的剖面图3a示出了具有两个螺旋连接元件的本发明膜片；
图3b示出了应力释放之后图3a的膜片；
图3c示出了处于空闲位置的图3a的膜片的剖面图3d示出了处于受激位置的图3a的膜片的剖面图4示出了具有四个螺旋形连接元件的本发明膜片；
图5示出了具有相反设置的连接元件的膜片；
图6示出了具有对称成型的连接元件的膜片；
图7示出了具有对称成型的连接元件的另一个膜片；
图8示出了圆形的本发明膜片；
图9示出了六边形的本发明膜片。
附图是示意性画出的，并且没有按比例绘制，并且不同图中的相同 参考符号表示相应的元件。本领域普通技术人员清楚的是在不脱离本发 明真实概念的情况下的替换的等效实施例是可能的，并且本发明的范围 仅由权利要求限制。
具体实施例方式
图3a示出了本发明膜片2的第一实施例的俯视图，包括第一部分A1、 第二部分A2和具有有效长度1的两个元件E1和E2，所述元件连接所述第一 部分A1和所述第二部分A2。这两个元件E1、 E2螺旋形设置，并且从第二 部分A2逆时针方向地凸出。第二部分A2具有宽度g和长度h。通过刻蚀两 个U型狭缝S1和S2制造所述结构，这将第二部分A2从第一部分A1中释放出 来，并且同时形成两个元件E1、 E2。应该易于理解的是将元件E1、 E2的 主要部分配置为与第二部分A2平行。最后，在图l中示出了移动方向dm， 从平面膜片2垂直地凸出。
图3b示出了在当沿箭头表示的x方向^和y方向ay的平面张应力在 膜片2内部时，在两个狭缝S1、 S2的刻蚀之后图3a的膜片2。在将第二部 分A2从第一部分A1中释放出来时，第二部分A2和两个元件E1、 E2如图所 示变形，因为所述结构由于内部应力(同样参见沿x方向作用于元件El、 E2上的力Fx)导致变得更小。与此同时，第二部分A2再次与第一部分A1 扭转。因此，将平面张应力^、 c^减小到依赖于两个元件El、 E2的机 械刚性的特定限制。因为通过元件E1、 E2的形状很好地确定了元件E1、 E2的刚性，可以容易地确定所述限制。简单地说，元件E1和E2越短越厚， 它们越硬并且应力限制越高。因为形成两个狭缝S1、 S2的刻蚀工艺很好 地受控制，膜片2的机械以及由此声学行为是高度可重现的。
现在图3c示出了管芯3上处于空闲位置的图3a的膜片2的剖面图C、 C'。为了简洁起见省略了背板和绝缘。如可以容易地看出的，膜片2由 恒定厚度d的层组成。
图3d示出了管芯3上处于受激位置的图3a的膜片2的剖面图C、 C'。 第二部分已经沿移动方向dm向上移动了幅度s。因此具有宽度b的这两个 元件E1、 E2也向上弯曲(同样参见作用于元件E1、 E2末端的沿移动方向 dm的力Fm)。沿移动方向dm的弹簧常数再次通过这两个元件El、 E2很好地 限定。元件E1、 E2越短越厚，弹簧系数越高。当第二部分A2沿移动方向 dm移动时，縮短了元件E1、 E2在第一部分A1平面上的凸起。因此，随着 第二部分A2沿移动方向dm的平移的进行，发生了绕法线轴的旋转。另外，
由于空气压力，第二部分A2可以向上弯曲到确定的程度。然而，由于假 设第二部分A2较硬，该效应在图3d中为示出。最后，当第二部分A2只在 两个点上支撑时，第二部分A2可以容易地倾斜。
下面，沿移动方向dm并且针对膜片2的第二部分A2内部的所得到的 平面张应力和/或压应力cr;c、 or来计算针对弹簧常数的近似。在这两种 情况下，假设元件E1、 E2作为简单的弯曲条。为了计算弹簧常数，将一 个元件E1、 E2的弯曲以及因此第二部分A2的幅度定义为
3 E I
其中，Fm是沿引起弯曲的移动方向的力，1是一个元件E1、 E2的有 效长度，E是所使用材料的杨氏模量，以及I是一个元件E1、 E2的惯性相 关力矩。将弹簧常数定义为由这两个元件E1、 E2引起的力Fm与幅度s之间 的比率
s I3
对于沿移动方向dm的移动，相应的惯性力矩是
〗2
并且因此对于沿移动方向dm的移动的弹簧常数如下获得
Fm -E.b-d3 s 2-l3
下面，计算在第二部分A2内部所得到的平面张应力，其中只考虑沿
X方向的应力^，作为粗略的近似，所述CTX定义如下
其中，h是第二部分A2沿x方向的伸展，AA是其缩短，cr。是在刻蚀狭 缝Sl和S2之前沿x方向的内应力，以及 是在释放第二部分A2之后沿x方
向的应力。因此，縮短AA的等式如下获得 Ah = (<r。-crx)^
总的缩短AA的一半等于一个元件E1、 E2沿x方向的弯曲,
Ah ^ 、 h '
■■"""—■=Cft —CTv J' = 一-"'一""'"'一"一
2 2.E 3E'I
沿x方向作用于一个元件El、 E2上的力是
因此获得了以下等式
d.l:
2E 3EI
u 2'E2.E 3EI
31
h
:cr0
1
3.1 3I.h
惯性相关力矩是
12
并且因此沿x方向的应力遵循
CTX=CT0"
1 +
8g卞
显而易见的是因为分数的除数总是大于l，减小了内应力 。通 过对照沿移动方向的弹簧常数和所得到的平面张应力和/或压应力的公 式
s 22
1
1+
b3'h
本领域的普通技术人员应该易于理解存在独立限定弹簧常数Fm/s 和应力 的独立参数。然而，以上公式仅示出了粗略的近似。在实际上，
分别在一个元件E1、 E2或第二部分A2上添加了拉伸、压縮、弯曲、剪切 和扭转，从而使机械载荷的正确计算复杂化。因此，对于所述计算，使 用基于针有限元方法的计算机模型也许是有用的。
图4示出了本发明膜片2的另一个实施例，包括第一部分A1、第二部 分A2以及连接所述第一部分A1和第二部分A2的四个元件E1…E4。在该示 例中，四个元件E1…E4是螺旋形设置的，并且从第二部分A2顺时针方向 凸出。同样，该结构是通过刻蚀狭缝形成的，在这种情况下是四个狭缝 S1…S4。在该图以及另外的图中，假定这些狭缝较小，这就是为什么它 们只示出为简单的线条。
图5示出了与图4中所示示例很类似的膜片2的实施例，唯一的不同 在于将第一元件E1'与其他元件E2…E3相反地配置，换句话说其从 第二部分A2按照逆时针方向凸出。从而，显著地减小了当第二部分A2沿 移动方向dm移动时第二部分A2的旋转趋势，从而导致用于流通空气的或 多或少的恒定条件。
图6示出了膜片2的另一个实施例。这里，第一部分A1和第二部分A2 通过从第二部分A2顺时针方向凸出的四个元件E1…E4以及从第二部分A2 逆时针方向凸出的四个元件E1'…E4'相连。按照这种方式，避免了第 二部分A2在沿移动方向dm移动时的旋转。所述结构通过八个狭缝S1…S8 形成。应该注意的是可以将角落两端(例如E1和E1')或者长边上(例 如E1'和E2)的一对元件看作是简单对称形状的元件。
图7示出了与图6中所示实施例很类似的膜片2的实施例，唯一的不 同在于与图6的实施例相反，现在将直狭缝S1、 S3、 S5、 S7配置在L型 狭缝S2、 S4、 S6、 S8的外侧。
图8现在示出了本发明同样适用于圆形形状的膜片2。这里第一部分 A1和第二部分A2通过从第二部分顺时针方向凸出的三个元件E1…E3相 连。元件E1…E3每一个偏移120。。需要三个狭缝S1…S3以刻蚀所示结构。 由于圆形结构，第二部分A2在沿移动方向dm移动时的旋转在该特定情况 下几乎没什么麻烦，意味着所述结构不会具有可能碰到狭缝边缘的角落。
最后，图9示出了本发明还可应用于多边形形状结构。在图9a中示 出了六边形膜片2。这里，将第一部分A1和第二部分A2通过从第二部分A2 顺时针方向凸出的六个元件E1…E6以及从第二部分A2逆时针方向凸出的 六个部件E1'…E6'相连。按照这种方式，再次避免了第二部分A2在沿 移动方向dm时的旋转。这里为了简洁起见没有用参考符号标记所述狭缝。 再次，可以将角落两端(例如E1和E1，)或长边上(例如E1，禾卩E2)的 一对元件看作简单对称形状的元件。
应该注意的是尽管在图中示出了对称的实施例，本发明当然也应 用于拉长的形状。因为，本发明的范围不仅覆盖分别为正方形、圆形或 等腰多边形的膜片或第二部分，而且覆盖为一般的矩形、椭圆形或不规 则多边形的膜片或第二部分。特定形状的选择通常将依赖于目的和装置 中的自由空间，所述自由空间是针对本发明麦克风而保留的。
最后应该注意的是上述实施例所示并非限制本发明，本领域普通技 术人员在不脱离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，将能够设 计许多替换实施例。在权利要求中，不应该将括号中放置的任意参考符 号解释为限制权利要求。词语"包括"等不排除除了在任意权利要求和 说明书全文中所列之外的元件或步骤的存在。单数形式的元件不排除多 个这种元件，反之亦然。在列举了几种装置的设备中，可以通过一个或 相同项目的硬件来实现几个这些装置。唯一的事实在于在相互不同的从 属权利要求中叙述的特定措施不表示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求
1.一种用于麦克风(1)的膜片(2)，包括第一部分(A1)、第二部分(A2)和连接所述第一部分(A1)和所述第二部分(A2)的元件(E1...E4，E1’...E4’)，其中所述第二部分(A2)设置为在空闲位置附近相对于所述第一部分(A1)移动，所述移动至少包括沿与所述膜片(2)垂直的移动方向(dm)的平移分量；其中所述元件(E1...E4，E1’...E4’)实质上沿所述第二部分(A2)的外边界设置；以及其中所述元件(E1…E4，E1’…E4’)配置成限定在所述空闲位置附近的所述移动的弹簧常数。
2. 根据权利要求1所述的膜片(2)，其中所述元件(E1…E4， El'… E4')附加地配置成限定在所述空闲位置所述第一部分(Al)内部的平面 张应力和压应力(ct;c， (t;O。
3. 根据权利要求l所述的膜片(2)，至少包括三个元件(E1…E4， E1，…E4')。
4. 根据权利要求1所述的膜片(2)，其中所述元件(E1…E4， El'… E4')螺旋形设置。
5. 根据权利要求1所述的膜片(2)，其中至少一个元件是对称成 型的，或者至少一个元件(El')是与另一个螺旋形设置元件(E1…E3) 相反地设置的。
6. 根据权利要求1所述的膜片(2)，由半导体组成，其中所述第 一部分(Al)、所述第二部分(A2)和所述元件(E1…E4， E1，…E4，)只 由矩形结构组成，并且其中所述结构与所述半导体的晶格一致。
7. 根据权利要求1的所述的膜片(2)，其中所述第一部分(Al)、 所述第二部分(A2)和所述元件(E1…E4， E1，…E4，)由具有实质上相 同厚度(d)的相同材料的平坦管芯组成。
8. 根据权利要求l所述的膜片(2)，其中所述第一部分(Al)、所述第二部分(A2)和所述元件(E1…E4， E1，…E4')之间存在作为衬垫 而配置的狭缝(S1…S8)。
9. 根据权利要求l所述的膜片(2)，其中设置膜片(2)的最大幅 度(s)小于膜片(2)的厚度(d)。
10. —种麦克风(1)，包括根据权利要求1至9所述的膜片(2)。
全文摘要
公开了一种用于麦克风(1)的膜片(2)，包括第一部分(A1)、第二部分(A2)和连接所述第一部分(A1)和所述第二部分(A2)的元件(E1…E4，E1’…E4’)。第二部分(A2)设置成在空闲位置附近相对于所述第一部分(A1)移动，所述移动至少包括沿与所述膜片(2)垂直的移动方向(dm)的平移分量。所述元件(E1…E4，E1’…E4’)配置成限定在所述空闲位置附近的所述移动的弹簧常数，并且配置成实质上沿所述第二部分(A2)的外边界设置。
文档编号H04R19/00GK101180917SQ200680017335
公开日2008年5月14日 申请日期2006年4月25日 优先权日2005年5月17日
发明者约瑟夫·卢茨 申请人:Nxp股份有限公司