[go: up one dir, main page]

CN105492373A - 具有高深厚比褶皱振膜的硅麦克风和有该硅麦克风的封装 - Google Patents

具有高深厚比褶皱振膜的硅麦克风和有该硅麦克风的封装 Download PDF

Info

Publication number
CN105492373A
CN105492373A CN201480037949.7A CN201480037949A CN105492373A CN 105492373 A CN105492373 A CN 105492373A CN 201480037949 A CN201480037949 A CN 201480037949A CN 105492373 A CN105492373 A CN 105492373A
Authority
CN
China
Prior art keywords
vibrating diaphragm
fold
microphone
silicon
described vibrating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201480037949.7A
Other languages
English (en)
Inventor
邹泉波
王喆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Goertek Inc
Original Assignee
Goertek Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Goertek Inc filed Critical Goertek Inc
Publication of CN105492373A publication Critical patent/CN105492373A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/02—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • H04R7/12—Non-planar diaphragms or cones
    • H04R7/14—Non-planar diaphragms or cones corrugated, pleated or ribbed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00222—Integrating an electronic processing unit with a micromechanical structure
    • B81C1/0023—Packaging together an electronic processing unit die and a micromechanical structure die
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/02—Casings; Cabinets ; Supports therefor; Mountings therein
    • H04R1/04—Structural association of microphone with electric circuitry therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/01—Electrostatic transducers characterised by the use of electrets
    • H04R19/016—Electrostatic transducers characterised by the use of electrets for microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/04—Microphones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0257—Microphones or microspeakers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0127—Diaphragms, i.e. structures separating two media that can control the passage from one medium to another; Membranes, i.e. diaphragms with filtering function
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/019—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement characterized by their profile
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/11—Treatments for avoiding stiction of elastic or moving parts of MEMS
    • B81C2201/115—Roughening a surface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/151—Die mounting substrate
    • H01L2924/1517—Multilayer substrate
    • H01L2924/15192—Resurf arrangement of the internal vias
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2307/00—Details of diaphragms or cones for electromechanical transducers, their suspension or their manufacture covered by H04R7/00 or H04R31/003, not provided for in any of its subgroups
    • H04R2307/027—Diaphragms comprising metallic materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

一种具有高深厚比的褶皱振膜(200)的硅麦克风(10)。所述麦克风(10)包括柔性振膜(200)，在所述柔性振膜(200)上，至少一个环形褶皱(210)形成在固定在所述基底(100)上的所述振膜(200)的边缘的附近，其中，所述褶皱(210)的深度与所述振膜(200)的厚度的比大于5：1，优选地20：1，并且所述褶皱(210)的壁以80°至100°的角度范围相对于所述振膜(200)的表面倾斜。具有高深厚比的褶皱振膜(200)的麦克风(10)可以实现一致且最佳的灵敏度并且在跌落试验中减小了施加在其上的冲击，使得可以提高性能、可再现性、可靠性和产率。

Description

具有高深厚比褶皱振膜的硅麦克风和有该硅麦克风的封装
技术领域
本发明涉及麦克风技术领域，并且更具体地讲，涉及具有高深厚比褶皱振膜的硅麦克风以及具有该硅麦克风的封装。
背景技术
多年来都在研发硅麦克风，或硅基MEMS麦克风，也称为声换能器。硅麦克风由于其微型化、性能、可靠性、环境耐久性、成本和大批量生产能力方面的潜在优势而被广泛用于许多应用领域，例如，手机、平板电脑、照相机、助听器、智能玩具和监视设备。
典型的硅麦克风包括堆叠在硅基底上并且通过形成在硅基底中的背孔向外部暴露的高柔性振膜，以及位于振膜的上方的固定的穿孔背板，在振膜与穿孔背板之间有空气间隙。柔性振膜和穿孔背板形成可变气隙(air-gap)电容器，当振膜响应于通过背孔到达振膜的外部声波或声压冲击振动时，该电容器可以将声能转换成用于检测的电能。
作为硅麦克风的关键部件，振膜在确定麦克风的性能中发挥非常重要的作用，例如，在振膜中的较大的张应力可能导致不期望的效果，例如，低的且不可再现的麦克风灵敏度。因此，对麦克风设计者而言一个主要主题是减小振膜的应力以便提高麦克风的性能，例如，灵敏度和可再现性。
专利申请No.PCT/CN2013/080908公开了一种具有挡块结构(stopperstructure)的硅麦克风，其中在振膜的边缘的周围形成有窄槽(narrowslot)以释放在振膜中的应力，然而，窄槽使麦克风在跌落试验中易碎，然而引入的用于改善跌落性能的挡块结构增加了工艺复杂性并且因此引起成本顾虑。其他无应力振膜设计，例如，Knowles公司的悬浮振膜方案和AnalogDevices公司的折叠弹簧支撑的振膜方案等，也因生产控制和高可靠性而优选。然而，其要么涉及复杂的制造过程，要么在跌落试验中变得太过易碎。
邹泉波等(邹泉波、李志坚和刘理天，“使用褶皱振膜技术的硅电容式麦克风的设计与制造”，微机电系统期刊，1996年9月第5卷第3期)提出了具有形成在整个振膜上的矩形褶皱的单晶片电容式麦克风，其有利于减小在振膜中的初始应力并且使麦克风具有高灵敏度。然而，此麦克风的缺点是，需要在振膜中形成桥接部分用于背板工艺，从而振膜的应力释放不完全，另一方面，整个振膜上的多个褶皱实际上会增加振膜的抗弯刚度并且因此降低麦克风的灵敏度。
P.Scheeper等(PatrickR.Scheeper、WouterOlthuis和PietBergveld，“褶皱氮化硅振膜的设计、制造以及试验”，微机电系统期刊，1994年3月第3卷第1期)公开了一种用于在初始张应力下提高机械灵敏度的褶皱氮化硅振膜。振膜的机械灵敏度得到显著提高，但是付出了增大振膜面积的代价(比正常设计约大3倍)。由于大的振膜面积上具有多个(8)环状褶皱导致可以观察到高达2～7μm的振膜的大的静态挠度(staticdeflection)，这使得构造振膜与背板之间的空气间隙通常为几微米的MEMS麦克风不切实际。此外，振膜上的多个褶皱也将增加振膜的抗弯刚度并且因此降低振膜的灵敏度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，以及具有该硅麦克风的封装，所述硅麦克风可以减轻对机械灵敏度的应力效应以及振膜的静态挠度，并且不增加麦克风的振膜的抗弯刚度，因此提高麦克风的灵敏度和可再现性，同时可以在跌落试验中表现出高可靠性和在制造中表现出低成本。
在本发明的一方面，提供了一种具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，包括：硅基底，在所述硅基底中设置有背孔；柔性振膜，设置在所述硅基底的背孔的上方；穿孔背板，设置在所述振膜的上方，在所述穿孔背板与所述振膜之间夹有空气间隙，其中所述振膜和所述背板用于形成可变电容器的电极板，其中至少一个环形褶皱形成在固定在所述基底上的所述振膜的边缘的附近，并且其中所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于5：1，并且所述褶皱的壁以80°至100°的角度范围相对于所述振膜的表面倾斜。
优选地，所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值可以大于20：1。更优选地，一个环形褶皱可以形成在所述振膜的边缘的附近，并且所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值可以大于20：1。
优选地，所述具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风可以进一步包括凹座，所述凹座从所述穿孔背板的下表面突出，和/或者从所述振膜的上表面突出。
优选地，所述振膜可以形成有多晶硅层。
在本发明的另一方面，提供了一种麦克风封装，包括：PCB板；如上所述的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，安装在所述PCB板上；以及盖，围住所述麦克风，其中声孔(acousticport)形成在所述PCB板和所述盖的任意一个上。
在本发明的又另一方面，提供了另一麦克风封装，包括：PCB板；振膜组件，倒装安装在所述PCB板上；以及盖，围住所述振膜组件，其中声孔形成在所述PCB板和所述盖中的任意一个上，其中，所述振膜组件包括：硅基底，在所述硅基底中设置有背孔；柔性振膜，设置在所述硅基底的所述背孔的上方；以及隔离体，设置在所述振膜的上方并且围绕(surrounding)其边缘，其中，所述振膜组件的隔离体粘结在所述PCB板上，所述振膜组件的所述振膜与最初堆叠在所述PCB板上并且现位于与所述振膜相对的金属层用于形成可变电容式麦克风的电极板，并且所述振膜与所述金属层之间夹有空气间隙，其中，至少一个环形褶皱形成在固定在所述基底上的所述振膜的边缘的附近，并且其中，所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于5：1，并且所述褶皱的壁以80°至100°的角度范围相对于所述振膜的表面倾斜。
优选地，一个环形褶皱可以形成在所述振膜的边缘的附近并且所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于20：1。
优选地，所述隔离体可以形成有导电的金属/合金层。
根据本发明的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风的优点在于：硅麦克风的性能，例如灵敏度，对振膜的初始应力不敏感，因此在本发明中可以获得一致且最佳的灵敏度，从而可以提高可再现性和产率；深厚比大于20：1的单个褶皱可以给振膜提供最好的机械灵敏度和最小的翘曲或静态挠度，因此更好的可再现性和可制造性；在跌落试验中所施加的冲击可以大大地降低，是因为跌落试验中引起的应力都沿着整个环状褶皱均匀分布，相比起在具有开口槽(openingslot)的振膜中的应力，此处的应力更不集中，因此本发明的麦克风具有更高的稳健性和可靠性。
根据本发明的实施例的麦克风封装的优点在于，除上述优点之外，简化了晶片加工，降低了成本，并且提高了产率；耦接在PCB上的寄生电容很低，因此可以潜在地将灵敏度和SNR提高2-6dB；空气间隙很大，因此声阻很低并且信噪比很高；更多背体积可用于麦克风，同时，然而由于亥姆霍兹共振，零前体积(zerofront-volume)对麦克风的高频响应没有影响。
尽管已经在上述发明内容中讨论了各种实施例，但是应当理解，未必所有的实施例包括相同特征，并且以上所述的一些特征不是必要的并且在一些实施例中是可取的。在以下的具体实施方式中讨论了许多额外的特征、实施例和益处。
附图说明
从以下给出的结合附图对实施例的描述中，本发明的目的和特征将变得显而易见，其中：
图1是示出了根据本发明的实施例的具有高深厚比褶皱振膜的硅麦克风的实例性结构的截面图；
图2是示出了根据本发明的振膜200的截面图(上部)和平面图(下部)的示意图；
图3是示出了根据本发明的实施例的麦克风和现有技术的麦克风的仿真的开路灵敏度对(versus)振膜的初始应力的图表；
图4是示出了根据本发明的实施例的麦克风的仿真的机械灵敏度对深厚比的图表；
图5是示出了根据本发明的具有高深厚比的褶皱振膜的麦克风与现有技术的麦克风在跌落测试中的应力风险比较的图表；
图6是示出了根据本发明的另一实施例的麦克风封装的实例性结构的截面图；以及
图7是示出了图6的振膜组件(diaphragmmodule)的实例性结构的截面图。
具体实施方式
现在参照附图描述要求保护的主题的多个方面，其中附图所示是示意性的并未按比例(scale)，并且全文中相同的附图标记用于指代相同的元件。在以下描述中，为了解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供一个或多个方面的透彻理解。然而，显然这些方面显然可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，熟知的结构和设备被图示为方框图形式以便描述一个或多个方面。
在说明书和所附权利要求书中，应当理解，当层、区域或元件被称为在另一层、另一区域、或另一元件“上”或“下”时，其可以“直接地”或“间接地”在另一层、区域或元件上或下，或者还可以存在一个或多个中间层。
图1是示出了根据本发明的实施例的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风的实例性结构的截面图。如图1所示，根据本发明的实施例的硅麦克风10主要包括：硅基底100，在硅基底100中设置有背孔140；柔性(compliant)振膜200，设置在硅基底100的背孔140的上方；以及穿孔背板400，设置在振膜200的上方并且穿孔背板400与振膜200之间夹有空气间隙150，振膜200和背板400用于形成可变电容器的电极板，从而可以接收声信号并且将所接收的声信号转换成电信号用于随后的处理和输出。
具体地讲，柔性振膜200可以被支撑在硅基底100上，在振膜200与基底100之间夹有氧化物层120。此外，振膜200是导电的，并且因此可以用作电极以及振动膜，该振动膜响应于通过背孔140到达振膜200的外部声波或声压冲击而振动。优选地，振膜200可以形成有多晶硅层。
图2是示出了根据本发明的振膜200的截面图(上部)和平面图(下部)的示意图。如图2所示，根据本实施例，一个环形褶皱(corrugation)210形成在固定在基底100上的振膜200的边缘的附近，并且褶皱210的深度与振膜200的厚度的比值(即，深厚比)大于5：1，并且褶皱210的壁以80°至100°范围内的角度相对于振膜200的表面倾斜。在其他优选实施例中，多于一个的环形褶皱可以形成在振膜200的边缘的附近，此外，优选地，褶皱210的深度与振膜200的厚度的比值可以大于20：1。
穿孔背板400可以形成有CMOS钝化层，金属层嵌入该钝化层中，用作背板400的电极板，或者穿孔背板400可以形成有多晶硅层或SiGe层，或者穿孔背板400可以形成有图案化电极板金属层(例如，Ni、Cu或Au等)。背板400提供麦克风10的另一电极，并且其中形成有多个通孔430，这些通孔用于通气以便减小振膜200在开始振动时会遇到的空气阻尼。
空气间隙150设置在振膜200与背板400之间，隔离体300形成其边界。隔离体300可以形成有CMOS电介质氧化硅层，或者包括但不限于硅酸盐玻璃或聚合物的任何其他的电介质层。此外，根据本实施例的硅麦克风10可以具有用于振膜200的引出电极410和用于背板400的引出电极420。
另外，在本实施例中，硅麦克风10可以进一步包括凹座500，该凹座从与振膜200相对的穿孔背板400的下表面突出，并且用于防止振膜200粘在背板400上。然而，本发明不限于此，在其他实施例中，凹座500可以从振膜200的上表面突出。
以下，将结合图3至图5所示的仿真结果描述根据本发明的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风的性能，用仿真软件ComsolV4.4完成仿真。
图3是示出了根据本发明的实施例的麦克风和现有技术的麦克风的仿真的开路灵敏度对(versus)振膜的初始应力的图表。在此仿真中，为根据本发明的麦克风采用直径为640μm并且厚度为1μm的圆形振膜，一个褶皱具有5μm的宽度和20μm的深度，因此在振膜上形成20：1的深厚比，振膜的边缘与褶皱的中心之间的距离是20μm，并且假定振膜的初始应力在-70MPa至70MPa的范围内，然而，从此仿真结果得出的结论不依赖于以上采用的参数值。开路灵敏度(Soc)可以定义为单位声压下的开路输出电压。
如图3所示，根据本实施例的具有高深厚比的褶皱振膜的麦克风的Soc对振膜的初始应力不敏感，因此根据本发明的麦克风能够明确承受在更宽范围内的初始应力，这意味着在制造根据本发明的麦克风期间没有对振膜应力控制的特殊要求。相比之下，对于现有技术的大部分硅麦克风，振膜应力控制在麦克风的制造期间是不可或缺的，因为振膜的初始应力可能对麦克风的灵敏度具有很大影响，正如图3中所示的现有技术的麦克风情形，其中在振膜的边缘周围形成窄槽以释放在振膜中的应力。具体地讲，麦克风的灵敏度由麦克风的尺寸参数和振膜的初始应力决定。麦克风的尺寸误差可以控制在2％至3％的范围内，然而，振膜的初始应力可以在更宽的范围(20％或更多)内变化。因此，振膜的初始应力控制对于确定麦克风的性能，例如灵敏度、可靠性和可再现性等，很关键。由于例如具有高深厚比的褶皱振膜的麦克风的灵敏度的性能对振膜的初始应力不敏感，所以在本发明中可以获得一致且最佳的灵敏度，并且因此可以提高可再现性和可靠性，并且不需要采用在InfineonTechnologies中实施的Vpi分级(binning)和ASICVp匹配(matching)方案。
图4是示出了根据本发明的实施例的麦克风的仿真的机械灵敏度对深厚比的图表。在此仿真中，根据本发明的三个麦克风(在这三个麦克风的圆形振膜上分别具有一个褶皱、两个褶皱、三个褶皱)的机械灵敏度可以使用假定为70MPa的振膜的初始应力来仿真。具体地，三个麦克风的振膜具有640μm的直径和1μm的厚度，形成在三个麦克风的振膜上的褶皱具有5μm的宽度，每个振膜的边缘和与其相邻的褶皱的中心之间的距离以及任意两个相邻褶皱的中心之间的距离是20μm，然而，从仿真结果得出的结论不依赖于以上采用的参数值。褶皱的深厚比定义为褶皱的深度与振膜的厚度的比例，机械灵敏度(Sm)定义为在单位声压下的振膜位移(或挠度(deflection))。
如图4所示，与常规的低深厚比的褶皱(即，浅褶皱)的振膜相比，褶皱的深厚比大于5：1，并且优选地大于20：1的高深厚比的褶皱振膜可以给麦克风提供更高的机械灵敏度。尤其是，深厚比大于20：1的单个褶皱可以给振膜提供最好的机械灵敏度，实践表明，与之前提及的现有技术中的2～7μm的振膜挠度相比，在初始应力为70MPa的深褶皱振膜中观察到的最小的翘曲(theleastwarpage)，例如，小于0.13μm的最大的静态挠度。
图5是示出了根据本发明的具有高深厚比的褶皱振膜的麦克风与现有技术的麦克风在跌落测试中的应力风险比较的图表。详细地，图5示出了本发明(PI)的麦克风与现有技术(PA)的麦克风在跌落试验中或极高的声压级(soundpressurelevel)(SPL)下出现在振膜中的仿真的最大主应力(maximumfirstprincipalstress)对施加在振膜上的等效压力负载，在每种情况下都在振膜的边缘周围形成窄槽以释放振膜中的应力。另外，图5示出了本发明的麦克风与现有技术的麦克风之间的最大主应力比值(ratio)。在此仿真中，采用了本发明的三个麦克风(结构尺寸相应地相同，但是振膜的初始应力分别假定为-70MPa、0MPa和70MPa)以及现有技术的三个麦克风(结构尺寸相应地相同，但是振膜的初始应力分别假定为-10MPa、0MPa和10MPa)。具体地，本发明的三个麦克风具有直径为640μm并且厚度为1μm的圆形振膜，在振膜上的一个褶皱具有5μm的宽度和20μm的深度，因此形成20：1的深厚比，其中振膜的边缘与褶皱的中心之间的距离是20μm，然而，从仿真结果得出的结论不依赖于以上采用的参数值。此外，假定极高的SPL处于稳定状态。
如图5所示，当在跌落试验中在振膜上施加压力负载时，在本发明的麦克风的振膜中出现的最大主应力比在现有技术的麦克风的振膜中出现的最大主应力低很多。实际上，在跌落测试中，施加在本发明的麦克风上的冲击仅仅是施加在现有技术的麦克风上的冲击的1/5至1/8，因此，本发明的麦克风具有更高的稳健性和可靠性。
具有高深厚比的褶皱振膜的上述硅麦克风可以封装在麦克风封装(package)中。实际上，根据本发明的实施例的麦克风封装可以包括：PCB板；如上所述的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，安装在PCB板上；和盖，围住麦克风，其中声孔(acousticport)形成在PCB板和盖上。
图6是示出了根据本发明的另一实施例的麦克风封装的实例性结构的剖视图。如图6所示，根据本发明的另一实施例的麦克风封装1000包括：PCB板20；振膜组件30，倒装(flip-chip)安装在PCB板20上；和盖40，围住(enclosing)振膜组件30，其中声孔50形成在PCB板20上，然而，本发明不限于此，声孔50可以形成在盖40上。
图7是示出了图6的振膜组件30的实例性结构的截面图。如图7所示，振膜组件30主要包括：硅基底100，在硅基底100中设置有背孔140；柔性振膜200，设置在硅基底100的背孔140的上方；和隔离体300，设置在振膜200的上方并且围绕其边缘。具体地，柔性振膜200可以被支撑在硅基底100上，在振膜200与硅基底100之间夹有氧化物层120。此外，振膜200是导电的，因此可以用作电极以及振动膜，该振动膜响应于到达振膜200的外部声波或声压冲击而振动。优选地，振膜200可以形成有多晶硅层。
一个环形褶皱210形成在固定在基底100上的振膜200的边缘的附近，并且褶皱210的深度与振膜200的厚度的比值(即，深厚比)大于5：1，并且褶皱210的壁以80°至100°范围内的角度相对于振膜200的表面倾斜。在其他优选实施例中，多于一个的环形褶皱可以形成在振膜200的边缘的附近，此外，优选地，褶皱210的深度与振膜200的厚度的比值可以大于20：1。
优选地，隔离体300可以是具有良好控制的厚度的导电的金属/合金层(例如，厚度5～20μm的环形电镀金(Au)层)。金属/合金隔离体300可以通过热声波(thermalsonic)或共晶键合(eutecticbonding)工艺粘结在PCB板20的对应的金属焊盘上，使得振膜组件30可以倒装安装在PCB板20上。在这种情况下，由于隔离体300形成为窄金属/合金环，所以麦克风的寄生电容可以潜在地最小化并且还可以进一步减少制造成本。
此外，振膜组件30可以进一步包括从振膜200的上表面突出的凹座500。
当振膜组件30的隔离体300粘结在PCB板20上时，振膜组件30的振膜200与最初堆叠在PCB板20上并且现位于与振膜200相对的金属层21用于形成可变电容式麦克风的电极板，并且在振膜200与金属层21之间夹有空气间隙150。换句话讲，金属层21可以充当如上所述的硅麦克风10的背板400，并且隔离体300的厚度可能是空气间隙150的厚度的主要贡献体(contributor)。
此外，麦克风封装1000可以进一步包括引线键合(wire-bonded)或倒装安装在PCB板20上的ASIC组件，其可以执行在麦克风封装1000中的可变电容式麦克风的输出信号的信号处理等。
如上所述，在麦克风封装1000中，振膜组件30和PCB板20上的金属层21结合成麦克风。麦克风封装1000与包括安装在PCB板上的麦克风10的麦克风封装相比的优点在于：首先，不需要形成穿孔背板400，并且因此简化晶片加工，降低成本，提高产率；第二，消除了片上(on-chip)焊盘和互连电容(interconnectcapactiances)，因此耦接在PCB上的寄生电容很低，可以将灵敏度和SNR潜在地提高2-6dB；第三，空气间隙150很大，因此寄生电容很低，并且信噪比很高；第四，振膜靠近PCB板，因此更多的背体积(back-volume)可用于麦克风，同时，然而由于亥姆霍兹共振，零前体积对麦克风的高频响应没有影响。
提供了本公开的此前描述以使本领域技术人员能做出或使用本公开。本领域的技术人员将容易明白本公开的各种修改，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他变形。因此，本公开并不旨在局限于本文描述的实例，而是符合与本文公开的原理和新特征一致的最宽范围。

Claims (12)

1.一种具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，包括：
硅基底，在所述硅基底中设置有背孔；
柔性振膜，设置在所述硅基底的所述背孔的上方；
穿孔背板，设置在所述振膜的上方，在所述穿孔背板与所述振膜之间夹有空气间隙，
其中，所述振膜与所述背板用于形成可变电容器的电极板，
其中，至少一个环形褶皱形成在固定在所述基底上的所述振膜的边缘的附近，并且
其中，所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于5：1，并且所述褶皱的壁以80°至100°的角度范围相对于所述振膜的表面倾斜。
2.根据权利要求1所述的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，其中，所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于20：1。
3.根据权利要求1所述的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，其中，一个环形褶皱形成在所述振膜的边缘的附近，并且所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于20：1。
4.根据权利要求1所述的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，进一步包括凹座，所述凹座从所述穿孔背板的下表面突出和/或者从所述振膜的上表面突出。
5.根据权利要求1所述的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，其中，所述振膜形成有多晶硅层。
6.一种麦克风封装，包括：PCB板；根据权利要求1所述的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，安装在所述PCB板上；以及盖，围住所述麦克风，其中，声孔形成在所述PCB板和所述盖中的任意一个上。
7.一种麦克风封装，包括：PCB板；振膜组件，倒装安装在所述PCB板上；以及盖，围住所述振膜组件，其中，声孔形成在所述PCB板和所述盖中的任意一个上，
其中，所述振膜组件包括：硅基底，在所述硅基底中设置有背孔；柔性振膜，设置在所述硅基底的背孔的上方；以及隔离体，设置在所述振膜的上方并且围绕其边缘，
其中，所述振膜组件的隔离体粘结在所述PCB板上，所述振膜组件的所述振膜与最初堆叠在所述PCB板上而现位于与所述振膜相对的金属层用于形成可变电容式麦克风的电极板，并且在所述振膜与所述金属层之间夹有空气间隙，
其中，至少一个环形褶皱形成在固定在所述基底上的所述振膜的边缘的附近，并且其中，所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于5：1，并且所述褶皱的壁以80°至100°的角度范围相对于所述振膜的表面倾斜。
8.根据权利要求7所述的麦克风封装，其中，所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于20：1。
9.根据权利要求7所述的麦克风封装，其中，一个环形褶皱形成在所述振膜的边缘的附近，并且所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于20：1。
10.根据权利要求7所述的麦克风封装，进一步包括从所述振膜的上表面突出的凹座。
11.根据权利要求7所述的麦克风封装，其中，所述隔离体形成有导电的金属/合金层。
12.根据权利要求7所述的麦克风封装，其中，所述振膜形成有多晶硅层。
CN201480037949.7A 2014-07-15 2014-07-15 具有高深厚比褶皱振膜的硅麦克风和有该硅麦克风的封装 Pending CN105492373A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2014/082266 WO2016008106A1 (en) 2014-07-15 2014-07-15 A silicon microphone with high-aspect-ratio corrugated diaphragm and a package with the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105492373A true CN105492373A (zh) 2016-04-13

Family

ID=55077806

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480037949.7A Pending CN105492373A (zh) 2014-07-15 2014-07-15 具有高深厚比褶皱振膜的硅麦克风和有该硅麦克风的封装

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9930453B2 (zh)
CN (1) CN105492373A (zh)
WO (1) WO2016008106A1 (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018040259A1 (zh) * 2016-08-31 2018-03-08 歌尔股份有限公司 一种敏感膜及mems麦克风
CN107986225A (zh) * 2016-10-26 2018-05-04 鑫创科技股份有限公司 微机电系统装置以及制作微机电系统的方法
CN108217577A (zh) * 2016-12-22 2018-06-29 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种mems器件及制备方法、电子装置
CN111212369A (zh) * 2019-12-31 2020-05-29 杭州士兰微电子股份有限公司 Mems麦克风及其制造方法
CN111757223A (zh) * 2020-06-30 2020-10-09 瑞声声学科技(深圳)有限公司 一种mems麦克风芯片
CN112678764A (zh) * 2021-03-15 2021-04-20 山东新港电子科技有限公司 一种mems芯片及其制作方法、mems麦克风
WO2021253498A1 (zh) * 2020-06-16 2021-12-23 歌尔微电子有限公司 电容型微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170355591A1 (en) * 2016-06-08 2017-12-14 Infineon Technologies Ag Microelectromechanical device and a method of manufacturing a microelectromechanical device
GB2552555B (en) * 2016-07-28 2019-11-20 Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd MEMS device and process
US12091313B2 (en) 2019-08-26 2024-09-17 The Research Foundation For The State University Of New York Electrodynamically levitated actuator
JP7610628B2 (ja) * 2022-08-26 2025-01-08 エーエーシーアコースティックテクノロジーズ（シンセン）カンパニーリミテッド マイクロフォンチップ及びマイクロフォン

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN200983677Y (zh) * 2006-08-22 2007-11-28 美律实业股份有限公司 硅晶电容式麦克风
CN101931852A (zh) * 2009-08-11 2010-12-29 无锡麦哲科技有限公司 硅麦克风的制造方法
CN102244832A (zh) * 2010-05-12 2011-11-16 歌尔声学股份有限公司 电容式传声器芯片
CN102826502A (zh) * 2011-06-16 2012-12-19 英飞凌科技股份有限公司 半导体器件及其制造方法
US20130028459A1 (en) * 2011-07-28 2013-01-31 Yunlong Wang Monolithic Silicon Microphone
US20130140655A1 (en) * 2011-12-01 2013-06-06 Industrial Technology Research Institute Mems acoustic transducer and method for fabricating the same

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2577709C (en) * 2004-09-01 2013-04-16 Microchips, Inc. Multi-cap reservoir devices for controlled release or exposure of reservoir contents
US7152481B2 (en) * 2005-04-13 2006-12-26 Yunlong Wang Capacitive micromachined acoustic transducer
CN101267689A (zh) * 2007-03-14 2008-09-17 佳乐电子股份有限公司 电容式微型麦克风的麦克风芯片
JP5481852B2 (ja) * 2008-12-12 2014-04-23 船井電機株式会社 マイクロホンユニット及びそれを備えた音声入力装置
EP2244490A1 (en) * 2009-04-20 2010-10-27 Nxp B.V. Silicon condenser microphone with corrugated backplate and membrane
CN101835079B (zh) * 2010-04-09 2013-01-02 无锡芯感智半导体有限公司 一种电容式微型硅麦克风及其制备方法
US8737674B2 (en) * 2011-02-11 2014-05-27 Infineon Technologies Ag Housed loudspeaker array
US9344808B2 (en) * 2014-03-18 2016-05-17 Invensense, Inc. Differential sensing acoustic sensor

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN200983677Y (zh) * 2006-08-22 2007-11-28 美律实业股份有限公司 硅晶电容式麦克风
CN101931852A (zh) * 2009-08-11 2010-12-29 无锡麦哲科技有限公司 硅麦克风的制造方法
CN102244832A (zh) * 2010-05-12 2011-11-16 歌尔声学股份有限公司 电容式传声器芯片
CN102826502A (zh) * 2011-06-16 2012-12-19 英飞凌科技股份有限公司 半导体器件及其制造方法
US20130028459A1 (en) * 2011-07-28 2013-01-31 Yunlong Wang Monolithic Silicon Microphone
US20130140655A1 (en) * 2011-12-01 2013-06-06 Industrial Technology Research Institute Mems acoustic transducer and method for fabricating the same

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018040259A1 (zh) * 2016-08-31 2018-03-08 歌尔股份有限公司 一种敏感膜及mems麦克风
CN107986225A (zh) * 2016-10-26 2018-05-04 鑫创科技股份有限公司 微机电系统装置以及制作微机电系统的方法
CN107986225B (zh) * 2016-10-26 2020-06-09 鑫创科技股份有限公司 微机电系统装置以及制作微机电系统的方法
US10798493B2 (en) 2016-10-26 2020-10-06 Solid State System Co., Ltd. Micro-electro-mechanical systems (MEMS) device and method for fabricating the MEMS
CN108217577A (zh) * 2016-12-22 2018-06-29 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种mems器件及制备方法、电子装置
CN108217577B (zh) * 2016-12-22 2020-09-08 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种mems器件及制备方法、电子装置
CN111212369A (zh) * 2019-12-31 2020-05-29 杭州士兰微电子股份有限公司 Mems麦克风及其制造方法
WO2021253498A1 (zh) * 2020-06-16 2021-12-23 歌尔微电子有限公司 电容型微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备
US12284483B2 (en) 2020-06-16 2025-04-22 Goertekmicroelectronics Co. Ltd. Capacitive MEMS microphone, microphone unit and electronic device
CN111757223A (zh) * 2020-06-30 2020-10-09 瑞声声学科技(深圳)有限公司 一种mems麦克风芯片
CN112678764A (zh) * 2021-03-15 2021-04-20 山东新港电子科技有限公司 一种mems芯片及其制作方法、mems麦克风
CN112678764B (zh) * 2021-03-15 2021-07-30 山东新港电子科技有限公司 一种mems芯片及其制作方法、mems麦克风

Also Published As

Publication number Publication date
US9930453B2 (en) 2018-03-27
US20170055081A1 (en) 2017-02-23
WO2016008106A1 (en) 2016-01-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105492373A (zh) 具有高深厚比褶皱振膜的硅麦克风和有该硅麦克风的封装
CN104541521B (zh) 抗冲击硅基mems麦克风、包含该麦克风的系统和封装
CN103563399B (zh) Cmos兼容的硅差分电容器麦克风及其制造方法
US10433068B2 (en) MEMS acoustic transducer with combfingered electrodes and corresponding manufacturing process
CN103347808B (zh) 硅基mems麦克风、包含该麦克风的系统和封装
US10158951B2 (en) Silicon microphone with suspended diaphragm and system with the same
CN209218393U (zh) Mems麦克风
CN204652659U (zh) 一种差分电容式mems麦克风
CN106303867B (zh) Mems麦克风
CN101374373A (zh) 振动传感器
US20130028459A1 (en) Monolithic Silicon Microphone
WO2020133352A1 (zh) Mems声音传感器、mems麦克风及电子设备
CN209072736U (zh) 一种指向性mems麦克风
US11496820B2 (en) MEMS device with quadrilateral trench and insert
US10524060B2 (en) MEMS device having novel air flow restrictor
TWI747102B (zh) 微機電系統麥克風的結構
CN113784266A (zh) 硅基麦克风装置及电子设备
CN216391412U (zh) Mems麦克风
CN113596690B (zh) 新型压电式mems麦克风的结构及装置
KR20150063825A (ko) 마이크로폰 패키지 및 마이크로폰 패키지 제조방법
US9420365B2 (en) Silicon condenser microphone
JP2011244448A (ja) マイクロエレクトロマシンコンデンサマイクロホン
CN216775026U (zh) Mems芯片、麦克风及电子设备
US11697582B2 (en) MEMS transducer
CN101321408A (zh) 内旋转梁振膜及其组成的传声器芯片

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Industrial Development Zone, Shandong, China, No. 268

Applicant after: Goertek Inc.

Address before: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Industrial Development Zone, Shandong, China, No. 268

Applicant before: Goertek Inc.

COR Change of bibliographic data
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160413