专利名称：用于硅基器件的凸微观部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及微型硅换能器，具体而言，本发明涉及用于硅基器件的凸微观部件。
背景技术：
现有技术里公知麦克风采用硅基电容换能器。通常，这样的麦克风包括四个部分 一个固定的后板；一个具有高柔顺性、可移动的隔膜(它们共同形成一个可变空气间隙电 容的两个板)；一个电压偏置源和一个阻尼器。正如从集成电路技术中所知的那样，使用相同方法批量制造的声换能器提供了关 于生产成本、可重复性和尺寸减小这些令人感兴趣的特征。而且，此技术为建立可在均衡的 高灵敏性下宽带工作的单片换能器提供了唯一的可能性。其提供一换能器，在很少或不用 改进的情况下，可以被使用在不同的用途中，比如通信、音响和超声波领域、图像和运动检 测系统。
隔膜的结构。 以前的设计已经在Bernstein美国专利号为5，146，435的专利和Bernstein美国专利号为 5，452，268的专利中提出。在这些结构中，隔膜悬挂在多个具有很好韧性的可移动弹片上。 然而，弹片的应用会使结构上出现控制声泄漏的固有问题，它反过来会影响换能器低频跌 落。另一种方法将隔膜悬挂于一点，它也能够提供一种极灵敏的结构。见Lo印pert美国专 利号为5490220的专利。不幸的是，这种情况下隔膜材料属性变得很重要，尤其是造成自由 薄膜弯曲的内在压力梯度。最终会出现有关换能器低频跌落可重复性的结构的这种类似的 问题。两个机械部件、后板和隔膜，通常通过使用现有技术里公知的刨光和容积微切削 加工的结合使用形成于一单硅基片上。两个部件中的一个通常形成在与支持硅晶片表面相 同的平面上。另一个部件，由于其本身通常是平面的，通过支柱或者侧壁支持以高于第一个 部件几个微米，所以术语称之为“凸微观结构”。通常，两个部件的相对位置会影响整个器件的性能。包括凸微观结构的薄膜内在 压力会使此结构偏移设计位置。尤其在麦克风中，隔膜和后板之间空气间隙的变化会影响 麦克风的灵敏性、噪声和过压响应。多个另外的因素也会影响麦克风的制造、结构、组成和整个设计。这些问题被更加 全面地讨论过，并且在Berggvist的美国专利号为5408731的专利，Loeppert的美国专利 号为5490220的专利和Lo印pert的美国专利号为5870482的专利中介绍。在麦克风后板作为凸微观结构设计的具体例子中，其目标是在相对隔膜的精确位 置上建立一个硬部件。一种达到此目的的方法是将硅氮化合物薄膜沉淀于成形的硅氧体消 耗层以形成后板，该硅氧体消耗层用于实现所需要的分离。这个消耗层后来通过公知的蚀 刻工序除去，以留下凸后板。硅氮化合物后板内在的张应力将会使它偏移位置。应该避免 此种压应力，因为它会造成结构弯曲。图12描述了现有技术中这样凸微观结构110。在氧化体被除去以留下了凸微观结构Iio之后，板112内将会存在一个内在的张力。张力T源于制造工序及凸微观结构110 材料与支持晶片116扩张系数的差别。如图所示，张力T直接向外径向发散。板112内在 张力T会形成一如侧壁114的基片118附近的箭头M方向所示的力矩。这个力矩M会形成 板112在箭头D的方向上向晶片116偏移的趋势。板112的偏移会对麦克风的灵敏度和性 能造成负面影响。现有技术里公开了一些使薄膜凸微观结构内在张力的影响无效的不必要的装置。 其中薄膜的合成能够通过增加硅以减少内在压力水平进行调整。然而这些技术也有不利的 方面。它会导致薄膜对HF酸的腐蚀抵抗力降低，增加了制造的困难和花费。现有技术里公 开的另外方案将会增加侧壁的厚度以支持凸后板，从而增加侧壁抵抗薄膜偏移内在趋势的 能力。虽然从几何学的角度听起来可以接受，当使用薄膜沉淀实现凸微观结构时，这种厚侧 壁的制造就会不切实际。
本发明的目的是解决这些和另一些问题。
发明内容
本发明的一个方面依据这样一个事实如果隔膜能够在它的平面上自由移动，它 就具有最高的机械灵敏度。此外，如果隔膜置于与穿孔部件相连的支持环上，就可以实现一 个紧密的声密封以良好地控制换能器低频跌落性能。另外，如果选择一种悬挂装置，其仅允 许隔膜在其平面上移动且不参与隔膜向入射声压力波的偏移，与穿孔部件完全去耦以减少 换能器对外部压力的灵敏度。在一个实施例中，本发明特征在于包含一穿孔部件和与穿孔部件相离的可移动隔 膜的声换能器。这个间隔由与隔膜置于其上的穿孔部件相连的支持环保持。采用悬挂隔膜 的装置使隔膜在其平面上自由移动，由此使隔膜的机械灵敏性实现最大化。在支持环和穿 孔部件相连的基片之间横向限制隔膜以实现悬挂。采用在穿孔部件和隔膜之间施加电场的 装置。当隔膜由于入射声压力波发生偏移时，采用装置以检测穿孔部件和隔膜之间电容的 变化。根据本发明的一个方面，其提供一种声换能器，包括包括其中具有多个穿孔的平 面表面的覆盖件；以可操作方式与所述穿孔部件相连的基片；位于所述覆盖件和所述基片 之间的隔膜，所述隔膜能够在与所述覆盖件的所述表面平行的平面上横向移动；其中所述 覆盖件包括在所述覆盖件和所述基片之间的连接周边，其形成图案以降低所述覆盖件对固 有内在弯曲力矩的灵敏度。选择隔膜的厚度和尺寸以使隔膜的谐振频率大于最大声工作频率。同样地，选择 穿孔部件的尺寸以使谐振频率大于最大声工作频率。穿孔部件和基片相连的圆周有选择地 做成一定的形状以使由所述其因内在压力引起的穿孔部件的曲率最小。隔膜的悬挂装置应 该使其平面上存在的机械阻力最小，且保持隔膜与穿孔部件间的近距离。支持环形成于穿 孔部件上并且确定了隔膜活动部分的尺寸。在隔膜和穿孔部件上有一个或者更多的孔来提 供一条从换能器后腔到周围的声通路以去除向上横过隔膜的大气压力。换能器低频率跌落 性能由角频率限制，所述角频率由所述孔和位于隔膜和基片之间间隔的声阻并结合换能器 后腔的声容抗而限定。穿孔部件具有系统图案的孔以提供流入流出于可移动的隔膜和穿孔 部件之间空气间隙的空气的低声阻。孔的系统图案和尺寸选择成使得换能器高跌落频率被角频率限制，所述角频率由换能器的后腔和隔膜的声阻结合声容抗引入。器件中产生的噪 声即主要由此种声阻引起。对于本技术领域的熟练人员来说，应权衡阻尼和噪声。穿孔部件、支持环、悬挂装置和隔膜通过使用微机械薄膜技术和影印石版从硅晶 片上得到，并且可以由下列材料中的一种或几种制成，这些材料包括碳基聚合体、硅、多晶 体硅、非结晶硅、硅氧体、硅氮化合物、碳化硅、锗、砷化镓、碳、钛、金、铁、铜、铬、钨、铝、钼、 钯、镍、钽和它们的合金。本发明另一实施例也体现在一包含穿孔部件和与穿孔部件远离的可移动隔膜的 声换能器。这个间距由置于隔膜上且与穿孔部件相连的支持环保持。采用悬挂装置使隔膜 可以在其平面上自由移动，由此使隔膜的机械灵敏度最大。通过使用隔膜和穿孔部件之间 的具有高度柔顺性弹片就能够实现这种悬挂。弹片 会用于构造和隔膜的释放过程，除了当 静电吸引使得隔膜和穿孔部件支持结构接触之外。和Bernstein的美国专利号为5146435 的专利和Bernstein的美国专利号为5452268的专利所说的相反，本专利的弹片在建立隔 膜声容抗方面扮演重要的角色。采用装置在穿孔部件和隔膜之间施加电场。当隔膜由于入 射声声压力波产生偏移时，进一步采用装置来检测穿孔部件和隔膜之间电容的变化。选择隔膜的厚度和尺寸以使隔膜的谐振频率要大于最大声工作频率。同样，选择 穿孔部件的尺寸以使谐振频率要大于最大声工作频率。穿孔部件和基片相连的圆周有选择 地做成一定的形状以使得由所述其内在压力所造成穿孔部件的曲率最小。具有高度柔顺性 的悬挂弹片制作得足够硬，其通过微机械技术来实现此种结构，并且足够声容抗以能机械 地将穿孔部件从隔膜上去藕且保证隔膜与弹片在平面谐振频率与换能器设计的低跌落频 率相比尽可能地小，以防止隔膜运行过程中发生平面振动。支持环形成于穿孔部件上并且 设定了隔膜活动部分的尺寸。支持环的高度确定隔膜和穿孔部件之间的初始距离。在支持 环上有一个或者多个孔来提供一条从换能器后腔到周围的声通路以去除向上横过隔膜的 大气压力。换能器的低跌落频率由角频率限制，所述角频率由孔的声阻和后腔的声容抗所 限定。穿孔部件具有系统图案的孔以给流入流出于可移动的隔膜和穿孔部件之间空气间隙 的空气提供低声阻。选择孔的系统图案和尺寸以使换能器高跌落频率被角频率限制，该角 频率由由声阻结合换能器的后腔和隔膜的声容抗引入。穿孔部件、支持环、悬挂装置和隔膜 通过使用微机械薄膜技术和影印石版技术从硅晶片上得到，并且可以由于下列材料的一种 或几种制成，这些材料包括碳基聚合体、硅、多晶体硅、非结晶硅、硅氧体、硅氮化合物、碳 化硅、锗、砷化镓、碳、钛、金、铁、铜、铬、钨、铝、钼、钯、镍、钽和它们的合金。本发明的另一方面是提供一种用于硅基器件凸微观结构的改进装置，该凸微观部 件包括通常呈平面的薄膜；支持薄膜的侧壁；所述凸微观部件上的侧壁在其基底处连接 到硅基片上；其中侧壁呈肋状并且形成多个脊和凹槽。依据本发明此方面的一个实施例， 本发明提供一种应用于硅基器件的凸微观结构，其包括平面薄膜和呈肋状的支持薄膜的侧 壁。通过对下述优选实施例的描述并参照附图，本发明的所述和其他方面及优点将变 得更加明显。
图1是根据本发明具有箝位悬挂的声换能器沿图2中1-1线的放大剖面图2是图1所示声换能器的部分剖视的俯视图；图3是图2所示声换能器沿图2中3-3线的剖面透视图；图4是和图2相似的声换能器的部分剖视的部分俯视放大图，其中穿孔部件包含 一个选择形状的连接周边；图5是根据本发明具有高度柔顺性弹片悬挂的声换能器在图6沿平面5-5的剖面 放大图；图6是图5所示声换能器的部分剖视的俯视图，；
图7是图6上沿平面7-7的声换能器的剖面透视图；图8是相似于图5的声换能器的部分剖视的部分放大俯视图，其中穿孔部件包含 一个选择形状的连接周边；图9示出了当麦克风上维持一固定电流时，用于检测麦克风电容变化的电路图；图10示出了当麦克风上维持一固定电压时，用于检测麦克风电容变化的电路图；图11是如图4所示声换能器的剖面透视图；图12是现有技术中公知的凸微观结构的剖面图；图13是体现在本发明实例中凸微观结构的剖面透视图；图14是图13所示凸微观结构的剖面图；和图15是图13中沿11-11线的平面图。
具体实施例方式由于本发明包含多个不同形式的实例，将在图中显示并且详细介绍本发明的优选 实施例以理解本公开仅仅是在本发明原则下的实例，而不会因为显示的实施例对本发明的 广泛方面构成限制。现在参考附图，特别是图1-3，公开根据本发明的声换能器。声换能器10包含传导 隔膜12和由基片30支持并且由空气间隙20分开的穿孔部件40。一非常窄空气间隙或宽 度22存在于隔膜12和基片30之间以允许隔膜在其平面上自由移动，由此释放隔膜材料内 部压力和将隔膜从基片上去耦。多个小锯齿13形成于隔膜上以阻止窄隙上隔膜和基片之 间的静态阻力。隔膜12的横向移动受穿孔部件40上的支持结构41的限制，其也用于保持 隔膜和穿孔部件之间适当的初始距离。支持结构41或者为连续环或者为多个凸块。如果 支持结构41为连续环，置于支持结构41上的隔膜12形成紧密的声密封，以实现良好控制 换能器的低频率跌落性能。如果支持结构41为多个凸块，声密封可以通过限制凸块之间的 距离、窄空气间隙22或者它们的结合形成。传导隔膜12通过绝缘层31与基片30形成电绝缘。传导电极42和非传导穿孔部 件40相连。穿孔部件包含数个孔21，通过它隔膜和穿孔部件之间的消耗层(未示出)在制 作时被蚀刻以形成空气间隙20，其以后用于减少空气间隙中空气的声阻尼以给换能器提供 足够的带宽。多个孔也设置于隔膜12和穿孔部件40上以形成泄漏通路14，其和其上装配 有换能器的后腔(未示出)的声容抗结合在一起，形成高通滤波器使得跌落频率足够低以 不会阻碍换能器的声功能，并且足够高以去除气压变化的影响。孔14通过影印石版技术形 成并由此被紧密地控制以实现换能器的精确的低频性能。穿孔部件40沿周边43的连接能 够变化以减少由于内部内在弯曲力矩造成的穿孔部件的弯曲。周边43可以为连续的曲面(参见图1-3)或者为不连续的，比如波纹形(图4)。不连续的周边43为穿孔部件40提供增强的硬度，并由此减少在穿孔部件上内在弯曲力矩造成的的弯曲。参见图5至图7，其中示出了本发明的声换能器的变更实施例。换能器50包括传 导隔膜12和基片30支撑并由空气间隙20分离的穿孔部件40。隔膜12通过多个弹片11 和基片相连，其用于机械地将隔膜从基片去耦，从而消除隔膜上的内在压力。而且，隔膜释 放了基片上和封装上的压力。隔膜12的横向移动受穿孔部件40上支持结构41的限制，其也用于保持隔膜和穿 孔部件40之间的初始距离。支持结构41或者为连续环或者为多个凸块。如果支持结构41 是连续环，置于支持结构41上的隔膜12形成紧密的声密封，以形成良好控制的换能器低频 率跌落性能。如果支持结构41为多个凸块，可以通过限制凸块之间的距离或者通过环绕隔 膜并通过孔21提供一有效的长通路来形成声密封。传导隔膜12通过绝缘层31与基片30形成电绝缘。传导电极42和非传导穿孔部 件40相连。穿孔部件包含多个孔21，通过它隔膜和穿孔部件之间的消耗层(未示出)在制 作时被蚀刻以形成空气间隙20，其以后用于减少空气间隙中空气的声阻尼以给换能器提供 足够的带宽。多个孔也设置于支持结构41上以形成泄漏通路14(参见图6)，其和其上装 配有换能器的后腔(未示出)的声容抗相结合，形成高通滤波器使得跌落频率足够低以不 会阻碍换能器的声功能，并且足够高以消除气压变化的影响。孔14优选通过影印石版技术 形成并由此被精密地控制以形成换能器的精确限定的低频性能。穿孔部件沿周边43的连 接可以变化以减少由于内部内在弯曲力矩造成的穿孔部件的弯曲。周边43可以为光滑的 (参见图5至图7)或者为波纹形的(参见图8和图11)。波纹形的周边为穿孔部件提供增 强的硬度，并由此减少由穿孔部件上内在弯曲力矩造成的弯曲。在运行状态下，传导隔膜12和穿孔部件上的电极42之间施加一电势。电势和相 应导体的电荷会在隔膜和穿孔部件之间产生电吸力。其结结果是，自由隔膜12向穿孔部件 40移动直到它停在支持结构41上，其确定具有清晰空气间隙20和通过路径14产生声泄漏 的换能器的初始工作点。当遇到声能量时，隔膜12产生横向压力差以使其向穿孔部件40 靠近或者远离。隔膜12的偏移会造成电场的变化并由此在隔膜12和穿孔部件40之间产 生电容变化。这样，换能器的电容受到声能量的调制。图9示出了一种电容调制检测方法。在检测电路100上，换能器102和直流电压 源101和具有高输入阻抗单位增益放大器104相连。一偏置电阻103将放大器输入直流电 势连接到地，借此直流电势“ViSB”施加于到换能器上。假设在此电路换能器上施加一固定 电流，电容的改变会导致换能器上电势产生改变，其由单位增益放大器进行测量。图10示出了电容调制检测的另一种方法。在检测电路200上，换能器202与直流 电压源201和具有反馈电阻203及电容204的电流放大器结构205相连。反馈电阻203确 保电路直流稳定性和保持放大器输入直流电势，由此直流电势“ViSB-Vb”施加于与换能器 上。假设此电路换能器上有一固定电势，依据放大器的虚拟接地原理，电容的改变会导致换 能器上电荷的变化，从而引起反馈电容的输入端的改变，并由此在放大器负极和正极输入 端之间形成一个偏置。放大器在反馈电容的输出端提供一个相对应的电荷以去除偏置，以 导致输出电压变化。此电路中的电流增益由初始换能器电容和反馈电容的比值确 定。这个检测电路的优点在于放大器的虚拟接地原理去除了换能器电接地的寄生电容，否则其会削弱麦克风电容动态变化的影响。并且，应该考虑减少寄生电容以使在信号“Vb”上噪声和内在放大器噪声的增益最小化。图13和14示出了本发明凸微结构110的一个实施例。凸微结构110包含一通常 呈圆形薄膜平面或由侧壁114支持的后板112。相关技术例的普通技术人员应当理解，凸微结构110由使用沉积和蚀刻技术在硅 晶片116的消耗硅氧层顶层沉积的硅碳化合物薄膜片112构成。为清楚起见，图示中已经将 消耗硅氧层从电路上去除。凸微结构110上的侧壁114在其基底118处连接到硅晶片116 上，且在相反端连到板112上。侧壁114通常和板112垂直，当然值得说明的是，在侧壁114 和板112之间也可以采用其它角度。图15示出了图13中组件的平面图，其中以剖面形式示出了本发明中侧壁114的 表面。可以看出，图13-15中本发明的侧壁114呈肋状，形成多个周期脊120和凹槽122。 在优选实例中，脊120和凹槽122平行和等距离间隔，以形成波纹状结构。另外，优选实施 例采用方形部分的脊120和凹槽122。在这种方式下将侧壁做成波纹状的效果是形成如板 112中的内在张力T 一样的发射状侧壁114的片断124。通过使侧壁114部分形成如张力T 一样的发射状，侧壁114得到强化。现有技术中与板112相切的侧壁114与本发明中发射 状部分124相比更易于弯曲。能够想象并能够有效地采用以提高侧壁114抵抗力矩M的能力的不同于图13-15 所示的波纹状或者脊120和凹槽122的几何结构，图13-15所示的几何结构不应当理解为 对本发明范围的一种限制。举例来说，通常的环形几何结构，通常的三角形几何结构或者任何这些几何结构 的结合或者变形或其它结构也可以用于形成脊120和凹槽122。在优选实施例中，波纹状沿径向方向，从而侧壁114和后板112的张力平行。而且， 消耗材料利用这种方式蚀刻，当薄膜后板112被沉积时，侧壁114相对于基片发生倾斜以形 成良好的阶梯覆盖。虽然本发明通过优选实例进行了公开和说明，但是应当认为本领域的熟练技术人 员可能在此基础上做出各种变更而不会脱离由权利要求所限定的发明保护范围和主题精 神，本发明的保护范围仅由权利要求所限定。
权利要求
一种用于硅基器件的凸微观部件(110)，凸微观部件(110)包括通常呈平面的薄膜(112)；支持薄膜(112)的侧壁(114)；所述凸微观部件(110)上的侧壁(114)在其基底(118)处连接到硅基片(116)上；其中侧壁(114)呈肋状并且形成多个脊和凹槽。
2.如权利要求1所述的凸微观部件，其特征在于，所述的侧壁的横截面在所述基片表 面的平面上为波纹状。
3.如权利要求1所述的凸微观部件，其特征在于，肋状物具有通常呈弧形的截面。
4.如权利要求1所述的凸微观部件，其特征在于，肋状物具有通常呈三角形的截面。
5.如权利要求1所述的凸微观部件，其特征在于，肋状物具有通常呈长方形的截面。
6.如权利要求1所述的凸微观部件，其特征在于，侧壁包括多个肋条。
7.如权利要求6所述的凸微观部件，其特征在于，所述肋条环绕侧壁间隔相等的距离。
8.如权利要求1所述的凸微观部件，其特征在于 所述平面薄膜具有第一厚度和周边；所述侧壁具有第二厚度；所述侧壁在距离硅基片所述第二厚度的所述周边之上支持所述平面薄膜； 其中侧壁呈肋状并且形成多个脊和凹槽。
9.如权利要求8所述的凸微观部件，其特征在于，所述第一厚度与所述平面薄膜的横 向长度相比要小。
10.如权利要求8所述的凸微观部件，其特征在于，所述第二厚度与其所述第一厚度近 似相等。
11.如权利要求8所述的凸微观部件，其特征在于，所述周边与所述基片之间的距离与 所述第二厚度相比要大。
12.如权利要求8所述的凸微观部件，其特征在于，肋状物紧随周边的周期性路径相对 于所述平面薄膜的中心向内或者向外。
13.如权利要求12所述的凸微观部件，其特征在于，所述路径呈弧形。
全文摘要
本发明公开了一种声换能器，包括包括其中具有多个穿孔的平面表面的覆盖件；以可操作方式与所述穿孔部件相连的基片；位于所述覆盖件和所述基片之间的隔膜，所述隔膜能够在与所述覆盖件的所述表面平行的平面上横向移动；其中所述覆盖件包括在所述覆盖件和所述基片之间的连接周边，其形成图案以降低所述覆盖件对固有内在弯曲力矩的灵敏度。本发明还公开了一种用于硅基器件上的凸微观结构。凸微观结构包括用以支持薄膜的肋状侧壁的通常呈平面的薄膜。
文档编号H04R19/04GK101867858SQ20101020622
公开日2010年10月20日 申请日期2001年8月10日 优先权日2000年8月11日
发明者彼得·V·勒佩特, 李承复, 迈克尔·佩德森 申请人:诺利斯电子公司