專利名稱：用于mems電容式麥克風(fēng)的改進(jìn)膜片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及任意數(shù)量的連接元件。
當(dāng)所述元件螺旋形配置時(shí)更有利。在本發(fā)明的上下文中的"螺旋形" 不僅應(yīng)用于圓形結(jié)構(gòu)，而且應(yīng)用于任何形狀的膜片第二區(qū)域，意味著所 有的元件按相同的方式配置，或者說(shuō)，所有元件順時(shí)針或逆時(shí)針凸出。 因此，第二部分沿移動(dòng)方向的移動(dòng)總是包括旋轉(zhuǎn)分量，因?yàn)楫?dāng)元件彎曲 時(shí)，元件在第一部分表面上的凸出縮短(shorten)所述移動(dòng)。因此，總 體上第二部分按照螺旋移動(dòng)方式移動(dòng)。應(yīng)當(dāng)注意如下一點(diǎn)再次不排除 膜片的彎曲或第二部分。
當(dāng)將至少一個(gè)元件對(duì)稱地成型或者將至少一個(gè)元件相對(duì)于其他螺 旋形設(shè)置元件相反地設(shè)置時(shí)特別有利。該方法顯著地或完全地減小了膜
片的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)。當(dāng)激勵(lì)具有僅螺旋形設(shè)置的元件的膜片時(shí)明顯地出現(xiàn)這 種旋轉(zhuǎn)。這是當(dāng)?shù)谝粎^(qū)域和所述元件之間以及第二區(qū)域與所述元件之間 的自由空間較大時(shí)、并且對(duì)于或多或少圓形的第二區(qū)域的次要問(wèn)題，但 是對(duì)于小結(jié)構(gòu)可能是主要問(wèn)題，因?yàn)樾—M縫顯著地減小了膜片的旋轉(zhuǎn)可 能性。
當(dāng)本發(fā)明的膜片是由半導(dǎo)體組成時(shí)，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明膜片的另一個(gè)有 利實(shí)施例。半導(dǎo)體層的制造是一種眾所周知的工藝。因此，膜片較易于 產(chǎn)生。
當(dāng)所述第一部分、所述第二部分和所述元件只由矩形結(jié)構(gòu)組成、并 且所述結(jié)構(gòu)與所述半導(dǎo)體的晶格一致時(shí)是特別有利的。因?yàn)榫Ц?，矩?結(jié)構(gòu)應(yīng)該是優(yōu)選的，因?yàn)榫匦谓Y(jié)構(gòu)易于刻蝕。因此，膜片的結(jié)構(gòu)應(yīng)該與 半導(dǎo)體的晶體一致。
本發(fā)明的另一個(gè)有利實(shí)施例是通過(guò)膜片實(shí)現(xiàn)的，其中所述第一部 分、所述第二部分和所述元件表現(xiàn)為具有實(shí)質(zhì)相同厚度的相同材料的平 坦管芯。按照這種方式，不得不將恒定厚度的層簡(jiǎn)單地放到襯底上。最 終通過(guò)刻蝕形成膜片的形狀。因?yàn)榭涛g工藝對(duì)于全部結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同的時(shí) 間，同樣對(duì)于刻蝕工藝，層的恒定厚度是有利的。
當(dāng)所述第一部分、所述第二部分和所述元件之間存在配置為襯墊的 狹縫時(shí)是進(jìn)一步有利的。因?yàn)榈谝粎^(qū)域和所述元件之間以及第二區(qū)域和 所述元件之間的自由空間原理上允許流通空氣，其尺寸不應(yīng)該超過(guò)確定 限制。所述狹縫一般形成用于到達(dá)聲波的高通，因?yàn)橥ㄟ^(guò)所述狹縫不受 妨礙地補(bǔ)償了空氣的較慢變化，而狹縫作為用于快速變化的障礙物。狹 縫越薄對(duì)流通空氣的阻抗越高。因此，可以分別根據(jù)膜片或麥克風(fēng)的所 需特征選擇狹縫的尺寸。假設(shè)是不旋轉(zhuǎn)膜片，這些狹縫對(duì)于膜片移動(dòng)的 流通空氣具有相同的截面。因此，當(dāng)用于流通空氣的狹縫長(zhǎng)度變化時(shí)， 對(duì)于在所述狹縫內(nèi)部的流體摩擦隨著膜片幅度線性地變化。
最后，當(dāng)膜片所配置的最大幅度小于膜片厚度時(shí)是有利的。為了避 免所述狹縫的截面的顯著增加，并且避免上述高通特征的顯著變化，膜 片的最大幅度不應(yīng)該超過(guò)確定限制。幅度相對(duì)于膜片厚度越低，對(duì)于聲 學(xué)行為的影響越低。然而，因?yàn)榍笆鑫锢肀尘?，麥克風(fēng)在特定頻率處的
靈敏度總是依賴于聲壓。假設(shè)當(dāng)施加空氣差壓時(shí)膜片不會(huì)顯著地彎曲，
特定空氣差壓或特定聲壓處膜片的最大幅度分別依賴于連接膜片的第一
和第二區(qū)域的元件的剛性。
在這一點(diǎn)上應(yīng)該注意的是膜片的各種實(shí)施例以及對(duì)于膜片所陳述 的優(yōu)點(diǎn)也應(yīng)用于包括本發(fā)明膜片的本發(fā)明麥克風(fēng)上。根據(jù)下文所述的實(shí) 施例本發(fā)明的這些和其他方面是顯而易見(jiàn)的，并且將參考下文所述實(shí)施 例進(jìn)行描述。


在下文中參考附圖所示實(shí)施例更加詳細(xì)地以非限制性示例的方式 描述本發(fā)明。
圖la示出了現(xiàn)有技術(shù)MEMS電容式麥克風(fēng)的剖面圖； 圖lb示出了圖la膜片的彎曲；
圖2a示出了具有應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)膜片的俯視圖2b示出了圖2a的膜片的剖面圖3a示出了具有兩個(gè)螺旋連接元件的本發(fā)明膜片；
圖3b示出了應(yīng)力釋放之后圖3a的膜片；
圖3c示出了處于空閑位置的圖3a的膜片的剖面圖3d示出了處于受激位置的圖3a的膜片的剖面圖4示出了具有四個(gè)螺旋形連接元件的本發(fā)明膜片；
圖5示出了具有相反設(shè)置的連接元件的膜片；
圖6示出了具有對(duì)稱成型的連接元件的膜片；
圖7示出了具有對(duì)稱成型的連接元件的另一個(gè)膜片；
圖8示出了圓形的本發(fā)明膜片；
圖9示出了六邊形的本發(fā)明膜片。
附圖是示意性畫(huà)出的，并且沒(méi)有按比例繪制，并且不同圖中的相同 參考符號(hào)表示相應(yīng)的元件。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員清楚的是在不脫離本發(fā) 明真實(shí)概念的情況下的替換的等效實(shí)施例是可能的，并且本發(fā)明的范圍 僅由權(quán)利要求限制。
具體實(shí)施例方式
圖3a示出了本發(fā)明膜片2的第一實(shí)施例的俯視圖，包括第一部分A1、 第二部分A2和具有有效長(zhǎng)度1的兩個(gè)元件E1和E2，所述元件連接所述第一 部分A1和所述第二部分A2。這兩個(gè)元件E1、 E2螺旋形設(shè)置，并且從第二 部分A2逆時(shí)針?lè)较虻赝钩?。第二部分A2具有寬度g和長(zhǎng)度h。通過(guò)刻蝕兩 個(gè)U型狹縫S1和S2制造所述結(jié)構(gòu)，這將第二部分A2從第一部分A1中釋放出 來(lái)，并且同時(shí)形成兩個(gè)元件E1、 E2。應(yīng)該易于理解的是將元件E1、 E2的 主要部分配置為與第二部分A2平行。最后，在圖l中示出了移動(dòng)方向dm， 從平面膜片2垂直地凸出。
圖3b示出了在當(dāng)沿箭頭表示的x方向^和y方向ay的平面張應(yīng)力在 膜片2內(nèi)部時(shí)，在兩個(gè)狹縫S1、 S2的刻蝕之后圖3a的膜片2。在將第二部 分A2從第一部分A1中釋放出來(lái)時(shí)，第二部分A2和兩個(gè)元件E1、 E2如圖所 示變形，因?yàn)樗鼋Y(jié)構(gòu)由于內(nèi)部應(yīng)力(同樣參見(jiàn)沿x方向作用于元件El、 E2上的力Fx)導(dǎo)致變得更小。與此同時(shí)，第二部分A2再次與第一部分A1 扭轉(zhuǎn)。因此，將平面張應(yīng)力^、 c^減小到依賴于兩個(gè)元件El、 E2的機(jī) 械剛性的特定限制。因?yàn)橥ㄟ^(guò)元件E1、 E2的形狀很好地確定了元件E1、 E2的剛性，可以容易地確定所述限制。簡(jiǎn)單地說(shuō)，元件E1和E2越短越厚， 它們?cè)接膊⑶覒?yīng)力限制越高。因?yàn)樾纬蓛蓚€(gè)狹縫S1、 S2的刻蝕工藝很好 地受控制，膜片2的機(jī)械以及由此聲學(xué)行為是高度可重現(xiàn)的。
現(xiàn)在圖3c示出了管芯3上處于空閑位置的圖3a的膜片2的剖面圖C、 C'。為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)省略了背板和絕緣。如可以容易地看出的，膜片2由 恒定厚度d的層組成。
圖3d示出了管芯3上處于受激位置的圖3a的膜片2的剖面圖C、 C'。 第二部分已經(jīng)沿移動(dòng)方向dm向上移動(dòng)了幅度s。因此具有寬度b的這兩個(gè) 元件E1、 E2也向上彎曲(同樣參見(jiàn)作用于元件E1、 E2末端的沿移動(dòng)方向 dm的力Fm)。沿移動(dòng)方向dm的彈簧常數(shù)再次通過(guò)這兩個(gè)元件El、 E2很好地 限定。元件E1、 E2越短越厚，彈簧系數(shù)越高。當(dāng)?shù)诙糠諥2沿移動(dòng)方向 dm移動(dòng)時(shí)，縮短了元件E1、 E2在第一部分A1平面上的凸起。因此，隨著 第二部分A2沿移動(dòng)方向dm的平移的進(jìn)行，發(fā)生了繞法線軸的旋轉(zhuǎn)。另外，
由于空氣壓力，第二部分A2可以向上彎曲到確定的程度。然而，由于假 設(shè)第二部分A2較硬，該效應(yīng)在圖3d中為示出。最后，當(dāng)?shù)诙糠諥2只在 兩個(gè)點(diǎn)上支撐時(shí)，第二部分A2可以容易地傾斜。
下面，沿移動(dòng)方向dm并且針對(duì)膜片2的第二部分A2內(nèi)部的所得到的 平面張應(yīng)力和/或壓應(yīng)力cr;c、 or來(lái)計(jì)算針對(duì)彈簧常數(shù)的近似。在這兩種 情況下，假設(shè)元件E1、 E2作為簡(jiǎn)單的彎曲條。為了計(jì)算彈簧常數(shù)，將一 個(gè)元件E1、 E2的彎曲以及因此第二部分A2的幅度定義為
3 E I
其中，F(xiàn)m是沿引起彎曲的移動(dòng)方向的力，1是一個(gè)元件E1、 E2的有 效長(zhǎng)度，E是所使用材料的楊氏模量，以及I是一個(gè)元件E1、 E2的慣性相 關(guān)力矩。將彈簧常數(shù)定義為由這兩個(gè)元件E1、 E2引起的力Fm與幅度s之間 的比率
s I3
對(duì)于沿移動(dòng)方向dm的移動(dòng)，相應(yīng)的慣性力矩是
〗2
并且因此對(duì)于沿移動(dòng)方向dm的移動(dòng)的彈簧常數(shù)如下獲得
Fm -E.b-d3 s 2-l3
下面，計(jì)算在第二部分A2內(nèi)部所得到的平面張應(yīng)力，其中只考慮沿
X方向的應(yīng)力^，作為粗略的近似，所述CTX定義如下
其中，h是第二部分A2沿x方向的伸展，AA是其縮短，cr。是在刻蝕狹 縫Sl和S2之前沿x方向的內(nèi)應(yīng)力，以及 是在釋放第二部分A2之后沿x方
向的應(yīng)力。因此，縮短AA的等式如下獲得 Ah = (<r。-crx)^
總的縮短AA的一半等于一個(gè)元件E1、 E2沿x方向的彎曲,
Ah ^ 、 h '
■■"""—■=Cft —CTv J' = 一-"'一""'"'一"一
2 2.E 3E'I
沿x方向作用于一個(gè)元件El、 E2上的力是
因此獲得了以下等式
d.l:
2E 3EI
u 2'E2.E 3EI
31
h
:cr0
1
3.1 3I.h
慣性相關(guān)力矩是
12
并且因此沿x方向的應(yīng)力遵循
CTX=CT0"
1 +
8g卞
顯而易見(jiàn)的是因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)的除數(shù)總是大于l，減小了內(nèi)應(yīng)力 。通 過(guò)對(duì)照沿移動(dòng)方向的彈簧常數(shù)和所得到的平面張應(yīng)力和/或壓應(yīng)力的公 式
s 22
1
1+
b3'h
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該易于理解存在獨(dú)立限定彈簧常數(shù)Fm/s 和應(yīng)力 的獨(dú)立參數(shù)。然而，以上公式僅示出了粗略的近似。在實(shí)際上，
分別在一個(gè)元件E1、 E2或第二部分A2上添加了拉伸、壓縮、彎曲、剪切 和扭轉(zhuǎn)，從而使機(jī)械載荷的正確計(jì)算復(fù)雜化。因此，對(duì)于所述計(jì)算，使 用基于針有限元方法的計(jì)算機(jī)模型也許是有用的。
圖4示出了本發(fā)明膜片2的另一個(gè)實(shí)施例，包括第一部分A1、第二部 分A2以及連接所述第一部分A1和第二部分A2的四個(gè)元件E1…E4。在該示 例中，四個(gè)元件E1…E4是螺旋形設(shè)置的，并且從第二部分A2順時(shí)針?lè)较?凸出。同樣，該結(jié)構(gòu)是通過(guò)刻蝕狹縫形成的，在這種情況下是四個(gè)狹縫 S1…S4。在該圖以及另外的圖中，假定這些狹縫較小，這就是為什么它 們只示出為簡(jiǎn)單的線條。
圖5示出了與圖4中所示示例很類似的膜片2的實(shí)施例，唯一的不同 在于將第一元件E1'與其他元件E2…E3相反地配置，換句話說(shuō)其從 第二部分A2按照逆時(shí)針?lè)较蛲钩觥亩?，顯著地減小了當(dāng)?shù)诙糠諥2沿 移動(dòng)方向dm移動(dòng)時(shí)第二部分A2的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，從而導(dǎo)致用于流通空氣的或 多或少的恒定條件。
圖6示出了膜片2的另一個(gè)實(shí)施例。這里，第一部分A1和第二部分A2 通過(guò)從第二部分A2順時(shí)針?lè)较蛲钩龅乃膫€(gè)元件E1…E4以及從第二部分A2 逆時(shí)針?lè)较蛲钩龅乃膫€(gè)元件E1'…E4'相連。按照這種方式，避免了第 二部分A2在沿移動(dòng)方向dm移動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)。所述結(jié)構(gòu)通過(guò)八個(gè)狹縫S1…S8 形成。應(yīng)該注意的是可以將角落兩端(例如E1和E1')或者長(zhǎng)邊上(例 如E1'和E2)的一對(duì)元件看作是簡(jiǎn)單對(duì)稱形狀的元件。
圖7示出了與圖6中所示實(shí)施例很類似的膜片2的實(shí)施例，唯一的不 同在于與圖6的實(shí)施例相反，現(xiàn)在將直狹縫S1、 S3、 S5、 S7配置在L型 狹縫S2、 S4、 S6、 S8的外側(cè)。
圖8現(xiàn)在示出了本發(fā)明同樣適用于圓形形狀的膜片2。這里第一部分 A1和第二部分A2通過(guò)從第二部分順時(shí)針?lè)较蛲钩龅娜齻€(gè)元件E1…E3相 連。元件E1…E3每一個(gè)偏移120。。需要三個(gè)狹縫S1…S3以刻蝕所示結(jié)構(gòu)。 由于圓形結(jié)構(gòu)，第二部分A2在沿移動(dòng)方向dm移動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)在該特定情況 下幾乎沒(méi)什么麻煩，意味著所述結(jié)構(gòu)不會(huì)具有可能碰到狹縫邊緣的角落。
最后，圖9示出了本發(fā)明還可應(yīng)用于多邊形形狀結(jié)構(gòu)。在圖9a中示 出了六邊形膜片2。這里，將第一部分A1和第二部分A2通過(guò)從第二部分A2 順時(shí)針?lè)较蛲钩龅牧鶄€(gè)元件E1…E6以及從第二部分A2逆時(shí)針?lè)较蛲钩龅?六個(gè)部件E1'…E6'相連。按照這種方式，再次避免了第二部分A2在沿 移動(dòng)方向dm時(shí)的旋轉(zhuǎn)。這里為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)沒(méi)有用參考符號(hào)標(biāo)記所述狹縫。 再次，可以將角落兩端(例如E1和E1，)或長(zhǎng)邊上(例如E1，禾卩E2)的 一對(duì)元件看作簡(jiǎn)單對(duì)稱形狀的元件。
應(yīng)該注意的是盡管在圖中示出了對(duì)稱的實(shí)施例，本發(fā)明當(dāng)然也應(yīng) 用于拉長(zhǎng)的形狀。因?yàn)?，本發(fā)明的范圍不僅覆蓋分別為正方形、圓形或 等腰多邊形的膜片或第二部分，而且覆蓋為一般的矩形、橢圓形或不規(guī) 則多邊形的膜片或第二部分。特定形狀的選擇通常將依賴于目的和裝置 中的自由空間，所述自由空間是針對(duì)本發(fā)明麥克風(fēng)而保留的。
最后應(yīng)該注意的是上述實(shí)施例所示并非限制本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍的情況下，將能夠設(shè) 計(jì)許多替換實(shí)施例。在權(quán)利要求中，不應(yīng)該將括號(hào)中放置的任意參考符 號(hào)解釋為限制權(quán)利要求。詞語(yǔ)"包括"等不排除除了在任意權(quán)利要求和 說(shuō)明書(shū)全文中所列之外的元件或步驟的存在。單數(shù)形式的元件不排除多 個(gè)這種元件，反之亦然。在列舉了幾種裝置的設(shè)備中，可以通過(guò)一個(gè)或 相同項(xiàng)目的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)幾個(gè)這些裝置。唯一的事實(shí)在于在相互不同的從 屬權(quán)利要求中敘述的特定措施不表示不能有利地使用這些措施的組合。
權(quán)利要求
1.一種用于麥克風(fēng)(1)的膜片(2)，包括第一部分(A1)、第二部分(A2)和連接所述第一部分(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)設(shè)置為在空閑位置附近相對(duì)于所述第一部分(A1)移動(dòng)，所述移動(dòng)至少包括沿與所述膜片(2)垂直的移動(dòng)方向(dm)的平移分量；其中所述元件(E1...E4，E1’...E4’)實(shí)質(zhì)上沿所述第二部分(A2)的外邊界設(shè)置；以及其中所述元件(E1…E4，E1’…E4’)配置成限定在所述空閑位置附近的所述移動(dòng)的彈簧常數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)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閑位置所述第一部分(Al)內(nèi)部的平面 張應(yīng)力和壓應(yīng)力(ct;c， (t;O。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的膜片(2)，至少包括三個(gè)元件(E1…E4， E1，…E4')。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜片(2)，其中所述元件(E1…E4， El'… E4')螺旋形設(shè)置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜片(2)，其中至少一個(gè)元件是對(duì)稱成 型的，或者至少一個(gè)元件(El')是與另一個(gè)螺旋形設(shè)置元件(E1…E3) 相反地設(shè)置的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜片(2)，由半導(dǎo)體組成，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 由矩形結(jié)構(gòu)組成，并且其中所述結(jié)構(gòu)與所述半導(dǎo)體的晶格一致。
7. 根據(jù)權(quán)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，)由具有實(shí)質(zhì)上相 同厚度(d)的相同材料的平坦管芯組成。
8. 根據(jù)權(quán)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')之間存在作為襯墊 而配置的狹縫(S1…S8)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的膜片(2)，其中設(shè)置膜片(2)的最大幅 度(s)小于膜片(2)的厚度(d)。
10. —種麥克風(fēng)(1)，包括根據(jù)權(quán)利要求1至9所述的膜片(2)。
全文摘要
公開(kāi)了一種用于麥克風(fēng)(1)的膜片(2)，包括第一部分(A1)、第二部分(A2)和連接所述第一部分(A1)和所述第二部分(A2)的元件(E1…E4，E1’…E4’)。第二部分(A2)設(shè)置成在空閑位置附近相對(duì)于所述第一部分(A1)移動(dòng)，所述移動(dòng)至少包括沿與所述膜片(2)垂直的移動(dòng)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閑位置附近的所述移動(dòng)的彈簧常數(shù)，并且配置成實(shí)質(zhì)上沿所述第二部分(A2)的外邊界設(shè)置。
文檔編號(hào)H04R19/00GK101180917SQ200680017335
公開(kāi)日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2006年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月17日
發(fā)明者約瑟夫·盧茨 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司