CN102457801A - 差分mems电容式麦克风及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分MEMS电容式麦克风及其制备方法，其中电容式麦克风包括：衬底、背腔、上极板、下极板、中间极板和振动膜，其中，振动膜的边缘固定连接在衬底上，振动膜上设置有至少一个开孔，振动膜的下方为背腔；中间极板位于上极板和下极板之间，上极板与中间极板构成第一电容，下极板与中间极板构成第二电容；中间极板固定连接在振动膜上，用于当振动膜随声音发生振动时改变中间极板的位置以改变第一电容和第二电容的电容值；第一电容和第二电容构成差分电容对，用于以差分方式电连接并进行电信号的采集和处理。

Description

差分MEMS电容式麦克风及其制备方法

技术领域

本发明涉及硅工艺的微电子机械系统(Micro-electromechanical Systems，MEMS)，具体而言，涉及一种差分MEMS电容式麦克风及其制备方法。

背景技术

一般的硅麦克风设计均采用了单端连接方式，参考专利申请：

专利申请CN200480044734.4披露了一种硅基传声器元件及其制作方法。该传声器传感元件具有每边和角上邻接多孔板的膜片。该膜片被置于导电衬底中形成的一个或多个背孔上方，其中背孔小于膜片的宽度。多孔板悬于衬底上面的气孔上方。膜片由机械弹簧支撑，机械弹簧具有两个末端，连接到多孔板的角、边或者中心并且终止于固定在电介质空间层上的刚性衬垫。第一电极形成于一个或者多个刚性衬垫上，而第二电极形成于衬底上的一处或多处，从而建立可变电容电路。

专利申请CN200810166039.5披露了一种无专用背极板部件的传声器传感元件，该传感器传感元件包括：具有正面和背面并且其中形成有背孔的衬底；形成于衬底正面上具有第一厚度的电介质间隔层；排列在所述背孔上方具有第二厚度的膜片；与所述膜片邻接具有第二厚度的多个多孔板，该多孔板和膜片悬于衬底上具有第一厚度的气隙上；形成于电介质间隔层上具有第二厚度的多个刚性衬垫；连接到膜片的多个机械弹簧，其中每个机械弹簧具有第二厚度并具有两端，其中一端连接到膜片，另一端连接到刚性衬垫中的一个；形成于一个或多个刚性衬垫上的第一电极，和形成于衬底上的一个或多个第二电极，其中当膜片、多孔板和机械弹簧响应声音信号垂直于衬底上下振动时，第一电极和第二电极形成可变电容电路。

专利申请CN200610112887.9披露了一种单膜电容式传声器，利用单膜和基底形成电容结构。振膜通过悬梁的悬梁边框与悬梁支撑上表面相连接，形成悬梁、振膜不在同一平面的立体振动结构；悬梁柔软，振膜坚硬，振动时，变形主要集中在悬梁上，振膜基本保持平动；振膜边缘设有无数小孔改善频响特性，同时作腐蚀孔；另外，芯片上制作防震荡止挡。

专利申请CN200810057874.5披露的电容式传声器芯片利用振膜和基底即背极上表面相连，形成悬臂结构或准自由振膜结构，振膜在水平方向上保持自由，充分的释放振膜的残余应力，提高振膜的上下振动性能；在振膜自由端边缘有上止挡和下止挡，保持振膜的稳定状态；振膜自由端边缘可制作悬梁结构，下止挡设在悬梁结构之下，保持振膜柔软的振动特性。

电容式硅麦克风的基本原理都是通过检测振动膜(敏感膜)对另一个电容电极的电容量变化来实现对声音信号的检测。在这样的设计中，为了得到较高的灵敏度，需要振动膜和另一电容电极的空气间隙距离较小，或者需要振动膜本身较软，以得到对应固定幅度的声音信号时振膜检测电容的变化量更大，从而使麦克风的输出灵敏度更高。

但是由于在麦克风正常工作时，衬底和振动膜之间存在着较高的偏置电压，因此当衬底和振动膜间隙变小时，衬底和振动膜间的静电力将会增加，使得振动膜和衬底在静电力作用下吸合，导致麦克风无输出信号，降低了麦克风的可靠性。因此在这样的硅麦克风设计中，采用缩小空气间隙距离，或者设置更软的振动膜以提高麦克风灵敏度的方法受到了限制。

另外，偏置电压不变时，当麦克风的灵敏度增加时，对于同等幅度的输入声音信号，麦克风振膜的运动幅度会增加。这会导致麦克风的谐波失真增大。

同时，一般情况下硅麦克风需要一个高压偏置电压。而该高压偏置电压所带来的噪声电压会增加整体硅麦克风的噪声，典型的设计中，偏置电压贡献的噪声占整体硅麦克风噪声的25％以上。因此偏置电压的噪声的存在，限制了整体硅麦克风的噪声水平。

发明内容

本发明提供一种差分MEMS电容式麦克风及其制备方法，用以降低麦克风的噪声，减少MEMS麦克风的失真，增大麦克风的灵敏度。

本发明的一个方面，提供了一种差分MEMS电容式麦克风，其包括：衬底、背腔、上极板、下极板、中间极板和振动膜，其中，振动膜的边缘固定连接在衬底上，振动膜上设置有至少一个开孔，振动膜的下方为背腔；中间极板位于上极板和下极板之间，上极板与中间极板构成第一电容，下极板与中间极板构成第二电容；中间极板固定连接在振动膜上，用于当振动膜发生振动时改变中间极板的位置以改变第一电容和第二电容的电容值；第一电容和第二电容构成差分电容对，用于以差分方式电连接并进行电信号的采集和处理。

本发明的另一个方面，提供了一种差分MEMS电容式麦克风的制备方法，其包括以下步骤：在衬底上形成振动膜，振动膜具有至少一个开孔；采用淀积方法得到第一牺牲层，第一牺牲层覆盖振动膜；在第一牺牲层上形成下极板和第一中间极板，其中第一中间极板固定连接在振动膜上；采用淀积方法得到第二牺牲层，第二牺牲层覆盖下极板和第一中间极板；在第二牺牲层上形成上极板和第二中间极板，其中第二中间极板固定连接在振动膜上；将第一牺牲层和第二牺牲层刻蚀掉，并在衬底的背面挖孔，从衬底的背面将振动膜释放。

本发明的又一个方面，还提供了一种差分MEMS电容式麦克风的制备方法，其包括以下步骤：在衬底上形成振动膜，振动膜具有至少一个开孔；采用淀积方法得到第一牺牲层，第一牺牲层覆盖振动膜，在第一牺牲层上形成下极板；采用淀积方法得到第二牺牲层，第二牺牲层覆盖下极板；在第二牺牲层上形成中间极板，其中中间极板分别固定连接在振动膜上；采用淀积方法得到第三牺牲层，第三牺牲层覆盖中间极板和振动膜，并在第三牺牲层上形成上极板；将第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层刻蚀掉，并在衬底的背面挖孔，从衬底的背面将振动膜释放。

上述实施例将第一电容和第二电容构成差分电容对，由于第一电容和第二电容极板之间的静电吸合力相互抵消，可以实现非常小的空气间隙，从而得到较高的麦克风灵敏度或者较高的麦克风信噪比，提高了麦克风的可靠性，并降低了成本，克服了现有技术中存在的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一个实施例的差分MEMS电容式麦克风示意图；

图2是根据图1实施例中沿A-A′的剖面图；图3是根据图1实施例中沿B-B′的剖面图；

图4是根据本发明另一个实施例的差分MEMS电容式麦克风剖面图；

图5是根据本发明一个优选实施例的差分MEMS电容式麦克风示意图；

图6是根据图5沿A-A′的剖面图；

图7是根据图5沿B-B′的剖面图；

图8是根据图5实施例的采用生长工艺在衬底上形成振动膜的剖面图；

图9是根据本发明第一实施例的差分MEMS电容式麦克风的制备方法流程图；

图10是根据本发明第二实施例的差分MEMS电容式麦克风的制备方法流程图；

图11是根据本发明第三实施例的差分MEMS电容式麦克风的制备方法流程图；

图12是根据本发明第四实施例的差分MEMS电容式麦克风的制备方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。

图1是根据本发明一个实施例的差分MEMS电容式麦克风示意图，其包括：衬底301、背腔305、上极板、下极板302、中间极板303、振动膜304、设在振动膜304上的至少一个开孔306和差分电容检测单元(图中未示出)，其中，振动膜304的边缘固定连接在衬底301上，振动膜的下方为背腔305；中间极板303位于上极板和下极板302之间，上极板与中间极板303构成第一电容，下极板302与中间极板303构成第二电容；中间极板303固定连接在振动膜304上，用于当振动膜304发生振动时改变中间极板303的位置以改变第一电容和第二电容的电容值；第一电容和第二电容构成差分电容对，用于以差分方式电连接并进行电信号的采集和处理。

当有声音信号导致的压强差施加在振动膜上时，振动膜会产生位移，带动上述的中间极板产生位移，从而改变第一电容和第二电容的电容值并转化为电学输出。

本实施例将第一电容和第二电容构成差分电容对，由于第一电容和第二电容极板之间的静电吸合力相互抵消，因此可以实现非常小的空气间隙，从而得到较高的麦克风灵敏度或者较高的麦克风信噪比，提高了麦克风的可靠性，并降低了成本；同时通过将振动膜和电容极板分离开来，可以分别对声学特性和电学特性进行优化，最终方便地实现差分麦克风检测结构；实现了较小的空气间隙，从而得到较高的麦克风灵敏度或者较高的麦克风信噪比，可以方便的应用于前进声结构的麦克风中。

由于电容式麦克风的电容变化量deltaC与振膜位移量deltaD关系如下：

deltaC正比于deltaD/d*(d-deltaD)，这里d为电容两个极板之间的间距。

该变化关系是一个非线性函数，同时存在着2次谐波量和3次谐波量。在麦克风的应用要求中，典型的线性度指标为最大声压级输入时，整体谐波失真小于1％，因此当在单位声压级输入时振动膜位移变化量增加，即麦克风输出电容变化量信号增加时，谐波以信号幅度增加的2次方的速度增加。为了得到合适的线性度要求，需要人为增加麦克风极板空气间隙，因此在相同输出电容变化量信号时，麦克风的面积需要增加。

通过使用差分配置麦克风，可以极大程度上增加其线性度，差分麦克风的电容变化量与振膜位移量关系如下：

deltaC正比于deltaD/(d^2-deltaD^2)，

在满足同样的谐波失真要求条件下，其最大电容变化量为非差分麦克风的10倍以上。因此在相同的输出电容变化量信号时，麦克风的面积可以更小，成本可以更低。

在单端硅麦克风正常工作时，固定极板和可动极板之间存在着高压偏置电压，因此当极板间隙变小的时候，极板间的静电力将会增加，固定极板和可动极板由于静电力导致吸合，从而产生麦克风的可靠性问题。同样的，当麦克风的偏置电压设定得过高，或者可动极板或者振动膜过软时，也会导致固定极板和可动极板之间的静电吸合。因此典型的硅麦克风设计中，为防止静电吸合，在设计时需要对电容的极板间隙、偏置电压、以及振动膜的刚度等参数留有较大的设计裕量。上述这几个设计参数的限制使得在硅麦克风的设计中难以得到最优的灵敏度，而为了得到可接受的灵敏度范围，则会牺牲麦克风的可靠性、成本等方面的指标。

通过采用差分方式的麦克风结构，将2个电容的电容极板间的静电力相互抵消，消除了静电力导致极板吸合而带来的设计限制，从而在相同的灵敏度设计指标条件下可以得到更低的成本，或者更高的可靠性。

另外，通过采用差分方式的电容结构和后续的差分放大电路。高压偏置电压上存在的电压噪声在后续的差分放大电路中表现为共模噪声，并由差分电路消除掉。从而可以得到更低的噪声本底，实现优异的麦克风噪声性能。

图2是根据图1实施例中沿A-A′的剖面图；图3是根据图1实施例中沿B-B′的剖面图。如图2和3所示，上极板和下极板相对于中间极板不对称，上极板在中间极板303上的投影面积以及上极板与中间极板303之间的距离分别与下极板302在中间极板303上的投影面积以及下极板302与中间极板303之间的距离相等，当振动膜304振动时带动中间极板303的位置发生改变，从而改变第一电容和第二电容的电容值。

图4是根据本发明另一个实施例的差分MEMS电容式麦克风剖面图。在图4中振动膜304采用生长工艺在衬底上形成的，而图3中振动膜304是采用刻蚀工艺(例如选择性刻蚀)在衬底上形成的。

例如，第一极板、中间极板和第二极板分别为梳齿结构，通过使用梳齿结构，可以克服平板结构制备三层振动膜带来的巨大工艺困难。

衬底的材质可以是半导体材料，例如单晶硅，但也可以是玻璃、陶瓷或者金属等。

图5是根据本发明一个优选实施例的差分MEMS电容式麦克风示意图，其包括：衬底401、背腔405、上极板、下极板402、中间极板403、振动膜404和设在振动膜404上的至少一个开孔406，其中，振动膜404的边缘固定连接在衬底401上，振动膜404的下方为背腔405；中间极板403位于上极板和下极板402之间，上极板与下极板402相对于中间极板403对称，上极板与中间极板403构成第一电容，下极板402与中间极板403构成第二电容；中间极板403固定连接在振动膜404上，用于当振动膜404发生振动时改变中间极板403的位置以改变第一电容和第二电容的电容值；第一电容和第二电容构成差分电容对，用于以差分方式电连接并进行电信号的采集和处理。

图6是根据图5沿A-A′的剖面图，图7是根据图5沿B-B′的剖面图。如图6所示，每个中间极板403对应一对上极板和下极板，形成两个电容。图8是根据图5实施例的采用生长工艺在衬底上形成振动膜的剖面图。

上述实施例中振动膜的材质可以导电也可以不导电，并不影响该实施例的效果，例如可以采用多晶硅制作而成。

例如，在上述实施例中，差分MEMS电容式麦克风上设置有电连接至外部电路的导电连接和引出线结构，用于将第一电容和第二电容构成的差分电容对检测到的电信号传送到外部电路中。

例如，在上述实施例中，上极板、中间极板和下极板的材质为导电材料。

图9是根据本发明第一实施例的差分MEMS电容式麦克风的制备方法流程图，其包括以下步骤：在衬底上的选定区域采用离子注入形成振动膜，振动膜具有至少一个开孔；采用淀积方法得到第一牺牲层，第一牺牲层覆盖振动膜；在第一牺牲层上形成下极板和第一中间极板，其中中间极板固定连接在振动膜上；采用淀积方法得到第二牺牲层，第二牺牲层覆盖下极板和第一中间极板；在第二牺牲层上形成上极板和第二中间极板，其中第二中间极板固定连接在振动膜上；将第一牺牲层和第二牺牲层刻蚀掉，并在衬底的背面挖孔，从衬底的背面将振动膜释放。

图10是根据本发明第二实施例的差分MEMS电容式麦克风的制备方法流程图，其包括以下步骤：在衬底上采用淀积方法得到牺牲层，在牺牲层上形成振动膜，振动膜具有至少一个开孔；采用淀积方法得到第一牺牲层，第一牺牲层覆盖振动膜；在第一牺牲层上形成下极板和第一中间极板，其中中间极板固定连接在振动膜上；采用淀积方法得到第二牺牲层，第二牺牲层覆盖下极板和第一中间极板；在第二牺牲层上形成上极板和第二中间极板，其中第二中间极板固定连接在振动膜上；将牺牲层、第一牺牲层和第二牺牲层刻蚀掉，并在衬底的背面挖孔，从衬底的背面将振动膜释放。

图11是根据本发明第三实施例的差分MEMS电容式麦克风的制备方法流程图，其包括以下步骤：在衬底上选定区域，采用离子注入在选定区域上形成振动膜，振动膜具有至少一个开孔；采用淀积方法得到第一牺牲层，第一牺牲层覆盖振动膜，在第一牺牲层上形成下极板；采用淀积方法得到第二牺牲层，第二牺牲层覆盖下极板；在第二牺牲层上形成中间极板，其中中间极板固定连接在振动膜上；采用淀积方法得到第三牺牲层，第三牺牲层覆盖中间极板和振动膜，并在第三牺牲层上形成上极板；将第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层刻蚀掉，并在衬底的背面挖孔，从衬底的背面将振动膜释放。

图12是根据本发明第四实施例的差分MEMS电容式麦克风的制备方法流程图，其包括以下步骤：在衬底上采用淀积方法得到牺牲层，在牺牲层上形成振动膜，振动膜具有至少一个开孔；采用淀积方法得到第一牺牲层，第一牺牲层覆盖振动膜，在第一牺牲层上形成下极板；采用淀积方法得到第二牺牲层，第二牺牲层覆盖下极板；在第二牺牲层上形成中间极板，其中中间极板固定连接在振动膜上；采用淀积方法得到第三牺牲层，第三牺牲层覆盖中间极板，并在第三牺牲层上形成上极板；将牺牲层、第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层刻蚀掉，并在衬底的背面挖孔，从衬底的背面将振动膜释放。

上述实施例得到的MEMS电容式麦克风，进一步将第一电容和第二电容构成差分电容对，第一电容和第二电容极板之间的静电吸合力相互抵消，可以实现非常小的空气间隙，从而得到较高的麦克风灵敏度或者较高的麦克风信噪比，提高了麦克风的可靠性，并降低了成本；同时将振动膜和电容极板分离开来，因此可以分别对声学特性和电学特性进行优化，可以方便地实现差分麦克风检测结构；实现了较小的空气间隙，从而得到较高的麦克风灵敏度或者较高的麦克风信噪比，并且不受偏置电压所产生的静电力影响的限制，可以方便的应用于前进声结构的麦克风中。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种差分MEMS电容式麦克风，其特征在于，包括：衬底、背腔、上极板、下极板、中间极板和振动膜，其中

所述振动膜的边缘固定连接在所述衬底上，所述振动膜上设置有至少一个开孔，所述振动膜的下方为所述背腔；

所述上极板与所述中间极板构成第一电容，所述下极板与所述中间极板构成第二电容；

所述中间极板固定连接在所述振动膜上，用于当所述振动膜随声音发生振动时改变所述中间极板的位置以改变所述第一电容和所述第二电容的电容值；

所述第一电容和所述第二电容构成差分电容对，用于以差分方式电连接并进行电信号的采集和处理。

2.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述振动膜上设置有至少一个开孔。

3.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述上极板和所述下极板相对于所述中间极板对称。

4.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述上极板和所述下极板相对于所述中间极板不对称。

5.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述第一极板、所述中间极板和所述第二极板分别为梳齿结构。

6.一种差分MEMS电容式麦克风的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在衬底上形成振动膜，所述振动膜具有至少一个开孔；

采用淀积方法得到第一牺牲层，所述第一牺牲层覆盖所述振动膜；

在所述第一牺牲层上形成下极板和第一中间极板，其中所述第一中间极板固定连接在所述振动膜上；

采用淀积方法得到第二牺牲层，所述第二牺牲层覆盖所述下极板和所述第一中间极板；

在所述第二牺牲层上形成上极板和第二中间极板，其中所述第二中间极板固定连接在所述振动膜上；

将所述第一牺牲层和所述第二牺牲层刻蚀掉，并在所述衬底的背面挖孔，从所述衬底的背面将所述振动膜释放。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在半导体材料的衬底上形成振动膜步骤为：

在所述衬底上采用淀积方法得到牺牲层，在所述牺牲层上形成振动膜；或

在所述衬底上选定区域，采用离子注入在所述选定区域上形成振动膜。

8.一种差分MEMS电容式麦克风的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在衬底上形成振动膜，所述振动膜具有至少一个开孔；

采用淀积方法得到第一牺牲层，所述第一牺牲层覆盖所述振动膜，在所述第一牺牲层上形成下极板；

采用淀积方法得到第二牺牲层，所述第二牺牲层覆盖所述下极板；

在所述第二牺牲层上形成中间极板，其中所述中间极板分别固定连接在所述振动膜上；

采用淀积方法得到第三牺牲层，所述第三牺牲层覆盖所述中间极板和所述振动膜，并在所述第三牺牲层上形成上极板；

将所述第一牺牲层、所述第二牺牲层和第三牺牲层刻蚀掉，并在所述衬底的背面挖孔，从所述衬底的背面将所述振动膜释放。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在衬底上形成振动膜步骤为：

在所述衬底上采用淀积方法得到牺牲层，在所述牺牲层上形成振动膜；或

在所述衬底上选定区域，采用离子注入在所述选定区域上形成振动膜。

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