專利名稱：微機(jī)電系統(tǒng)麥克風(fēng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)，更具體地，涉及對MEMS麥克風(fēng)的背板 的諧振頻率的控制。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMQ是使用與制造傳統(tǒng)模擬和數(shù)字CMOS電路所使用的步驟相同類 型的步驟(例如材料層的沉積和材料層的選擇性去除)來制造的麥克風(fēng)裝置。一種類型的MEMS是麥克風(fēng)。電容性MEMS麥克風(fēng)使用響應(yīng)于壓力變化(例如聲 波)而振動(dòng)的薄膜(或隔膜)。薄膜是跨過襯底中的開口而懸置的薄材料層。麥克風(fēng)通過 測量薄膜變形的變化來將壓力變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。薄膜的變形導(dǎo)致薄膜的電容(作為電容 性薄膜/對電極布置的一部分)的改變。在操作中，空氣壓力(例如聲波)的變化引起薄 膜振動(dòng)，薄膜振動(dòng)引起薄膜電容的改變，薄膜電容的改變與薄膜的變形成比例，因此薄膜振 動(dòng)可以用于將壓力波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。MEMS麥克風(fēng)容易受機(jī)械振動(dòng)(例如結(jié)構(gòu)傳遞聲音(structure-born sound)的影 響，例如可以與麥克風(fēng)和/或采用了麥克風(fēng)的設(shè)備的移動(dòng)有關(guān)。這些振動(dòng)可以被不期望檢 測為噪聲，干擾麥克風(fēng)精確檢測聲音的能力。另外，減輕噪聲的許多方法可以影響麥克風(fēng)檢 測聲音的能力，妨礙麥克風(fēng)的分辨力(resolution)。鑒于上述和其他問題，MEMS麥克風(fēng)的實(shí)施仍然具有挑戰(zhàn)性。

發(fā)明內(nèi)容
與本發(fā)明的示例實(shí)施例一致，電容性微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)包括半導(dǎo)體襯底， 半導(dǎo)體襯底具有通過襯底延伸的開口。麥克風(fēng)具有跨過開口延伸的薄膜和跨過開口延伸的 背板。薄膜被配置為響應(yīng)于聲音產(chǎn)生信號(hào)。背板通過絕緣體與薄膜分離并且背板表現(xiàn)出彈 簧常數(shù)。麥克風(fēng)還包括后腔室，封閉開口以與薄膜形成壓力腔；以及調(diào)諧結(jié)構(gòu)，被配置為 將背板的諧振頻率設(shè)置為與薄膜的諧振頻率值實(shí)質(zhì)上相同的值(例如將背板的機(jī)械加速 度響應(yīng)與薄膜的機(jī)械加速度響應(yīng)相匹配)。根據(jù)本發(fā)明的另一示例實(shí)施例，電容性MEMS麥克風(fēng)包括半導(dǎo)體襯底，半導(dǎo)體襯底 具有通過襯底延伸的開口。麥克風(fēng)具有壓敏薄膜，壓敏薄膜跨過開口延伸并且被配置為響 應(yīng)于聲波產(chǎn)生信號(hào)。麥克風(fēng)還具有跨過開口延伸的彈性懸置背板。彈性懸置背板通過第一 絕緣體與壓敏薄膜分離，背板表現(xiàn)出彈簧常數(shù)。麥克風(fēng)還具有調(diào)諧背板，調(diào)諧背板跨過開口 延伸并且通過第二絕緣體與彈性懸置背板分離。麥克風(fēng)還包括后腔室，封閉開口以與薄膜 形成壓力腔；以及偏置電路，被配置為為向調(diào)諧背板施加調(diào)諧偏置電壓電壓以將彈性懸置 背板的諧振頻率(例如基本諧振頻率)設(shè)置為與薄膜的諧振頻率值實(shí)質(zhì)上相同的值。以上概述不旨在描述本公開的每個(gè)實(shí)施例或每一種實(shí)現(xiàn)方式。隨后的附圖和詳細(xì) 說明更具體地示例多種實(shí)施例。


結(jié)合附圖考慮到本發(fā)明的多種實(shí)施例的以下詳細(xì)說明，可以更完全地理解本發(fā) 明，在附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例的MEMS麥克風(fēng)的圖示；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一示例實(shí)施例的MEMS麥克風(fēng)的圖示；圖3示出了與本發(fā)明的又一示例實(shí)施例一致的MEMS麥克風(fēng)的圖示；以及圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的又一示例實(shí)施例的MEMS麥克風(fēng)的示意圖。盡管本發(fā)明適用于多種修改和替代形式，但是附圖中僅以示例的方式示出了其中 的一些并對其進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，應(yīng)理解的是，本發(fā)明不限于所描述的具體的實(shí)施例。相 反，本發(fā)明包含落入包括由所附權(quán)利要求限定的方面的本發(fā)明的范圍內(nèi)的所有修改、同等 和替換。
具體實(shí)施例方式認(rèn)為本發(fā)明可應(yīng)用于與MEMS麥克風(fēng)一起使用的多種不同類型的過程、設(shè)備和布 置。盡管本發(fā)明不必限于此，然而可以通過使用這種上下文討論示例來意識(shí)到本發(fā)明的各 方面。根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，電容性MEMS麥克風(fēng)包括半導(dǎo)體襯底，半導(dǎo)體襯底具有 通過襯底延伸的開口。薄膜跨過襯底中的開口延伸，薄膜被配置為響應(yīng)于聲音產(chǎn)生信號(hào)。背 板也跨過襯底中的開口延伸并且通過絕緣體與薄膜分離。背板表現(xiàn)出彈簧常數(shù)。后腔室封 閉襯底中的開口以與薄膜形成壓力腔。麥克風(fēng)包括調(diào)諧結(jié)構(gòu)，調(diào)諧結(jié)構(gòu)被配置為將背板的 諧振頻率設(shè)置為與薄膜的諧振頻率的值實(shí)質(zhì)上相同的值。將背板的諧振頻率設(shè)置為與薄膜 的諧振頻率實(shí)質(zhì)上相等(或者例如將背板的機(jī)械加速度響應(yīng)與薄膜的機(jī)械加速度響應(yīng)相 匹配)減輕了 MEMS麥克風(fēng)對機(jī)械振動(dòng)的敏感性。在一種實(shí)現(xiàn)方式中，調(diào)諧結(jié)構(gòu)包括調(diào)諧背 板，背板的諧振頻率是通過在背板和調(diào)諧板之間施加偏置電壓來設(shè)置的。在以下討論中，做出了多種參考以相對于薄膜來匹配或設(shè)置背板的諧振頻率。在 這些實(shí)施例中，設(shè)置諧振頻率的該方法可以包含(作為相同方法的備選方法或一部分)設(shè) 置或控制背板的機(jī)械加速度響應(yīng)，使得背板的機(jī)械加速度響應(yīng)與薄膜的機(jī)械加速度響應(yīng)相 匹配。因此，包含諧振頻率匹配的多種實(shí)施例可以取而代之地和/或另外還匹配背板和薄 膜的機(jī)械加速度響應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明的另一示例實(shí)施例，電容性MEMS麥克風(fēng)包括薄膜、可彎曲背板以及在 可彎曲背板頂部的第二較硬背板。第二較硬背板用于精細(xì)調(diào)諧背板和薄膜之間的頻率匹 配。背板始終是可彎曲的，因?yàn)楸嘲迨怯删哂刑囟钍夏Ａ?應(yīng)力的材料制成的并且背板 具有特定的有限厚度?？蓮澢嘲灞鹊诙^硬背板稍微更易彎曲，第二較硬背板也是稍微 可彎曲的。在薄膜和可彎曲背板之間施加第一偏置電壓。第一偏置電壓影響薄膜的靈敏度 以及薄膜和可彎曲背板的諧振頻率。在可彎曲背板和硬背板之間施加第二偏置電壓。第二 偏置電壓影響可彎曲背板的諧振頻率并且用于在不影響薄膜對聲音的靈敏度的情況下調(diào) 節(jié)可彎曲背板的諧振頻率。因此，第二較硬背板和第二偏置電壓允許以獨(dú)立于薄膜的方式 調(diào)諧可彎曲背板的諧振頻率。根據(jù)本發(fā)明的又一示例實(shí)施例，通過減小(例如最小化)機(jī)械振動(dòng)(例如結(jié)構(gòu)傳遞聲音)的影響來將電容性硅MEMS麥克風(fēng)的靈敏度設(shè)置為期望水平。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中， 通過使背板具有與薄膜相同的諧振頻率，從而使麥克風(fēng)對聽覺頻率范圍內(nèi)的機(jī)械噪聲本質(zhì) 上不敏感，來達(dá)到這種結(jié)果。相同的諧振頻率是指背板和薄膜對于特定加速度具有相同偏 移，因?yàn)楸∧せ虮嘲宓闹C振頻率和對加速度的靈敏度都是通過k/M比(質(zhì)量上的彈簧常數(shù) (spring constant over mass))來給出的。在特定實(shí)現(xiàn)方式中，背板的諧振頻率被設(shè)置為 使得背板和薄膜的諧振頻率在10%內(nèi)匹配。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，可彎曲背板(例如彈性懸置背板)的電可調(diào)諧頻率匹 配是在麥克風(fēng)操作期間來執(zhí)行的，以完全抑制體噪聲。經(jīng)由調(diào)諧背板與背板之間的靜電力 來設(shè)置背板的諧振頻率，靜電力是由于施加至調(diào)諧背板的偏置電壓而產(chǎn)生的。在一個(gè)實(shí)現(xiàn) 方式中，背板是可彎曲的，調(diào)諧背板是比背板更不易彎曲的硬背板。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，電容性MEMS包括薄膜和背板，薄膜和背板對于加速度 具有不同靈敏度，這引起不同的偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生輸出信號(hào)。該效應(yīng)稱作體噪聲，通過將背板 的諧振頻率與薄膜的諧振頻率相匹配來抑制該效應(yīng)。薄膜偏移Δχ與加速度有關(guān)，如方程 式1所表示
權(quán)利要求
1.一種電容性微機(jī)電系統(tǒng)MEMS麥克風(fēng)，包括半導(dǎo)體襯底，具有通過襯底延伸的開口 ；薄膜，跨過開口延伸，被配置為響應(yīng)于聲音而產(chǎn)生信號(hào)；背板，跨過開口延伸，背板通過絕緣體與薄膜分離并表現(xiàn)出彈簧常數(shù)；后腔室，封閉開口以與薄膜形成壓力腔；以及調(diào)諧結(jié)構(gòu)，被配置為將背板的諧振頻率設(shè)置為與薄膜的諧振頻率值實(shí)質(zhì)上相同的值。
2.權(quán)利要求1所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，調(diào)諧結(jié)構(gòu)包括調(diào)諧板，被配置為響應(yīng)于施加 至調(diào)諧板的偏置電壓來設(shè)置背板的諧振頻率。
3.權(quán)利要求1所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，調(diào)諧結(jié)構(gòu)被配置為通過施加電學(xué)力以影響 背板的彈簧常數(shù)來設(shè)置背板的諧振頻率，從而設(shè)置背板的諧振頻率的值并抑制體噪聲的引 入。
4.權(quán)利要求1所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，調(diào)諧結(jié)構(gòu)包括被布置為與薄膜和背板實(shí)質(zhì)上平行的調(diào)諧板，背板位于薄膜和調(diào)諧板之 間，以及所述MEMS麥克風(fēng)還包括偏置電路，偏置電路被配置為在背板和薄膜之間施加第一偏置電壓，以設(shè)置用于響應(yīng)于聲音的薄膜的頻率響應(yīng)，以及在調(diào)諧板與背板之間施加第二偏置電壓以控制調(diào)諧板設(shè)置背板的諧振頻率。
5.權(quán)利要求4所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，施加在調(diào)諧板與背板之間的第二偏置電壓基 于施加在背板與薄膜之間的第一偏置電壓。
6.權(quán)利要求1所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，調(diào)諧結(jié)構(gòu)包括后腔室，后腔室被配置為響應(yīng)于 施加在后腔室的壁與背板之間的偏置電壓來設(shè)置背板的諧振頻率。
7.權(quán)利要求1所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，調(diào)諧結(jié)構(gòu)包括調(diào)諧背板，調(diào)諧背板通過另一絕 緣體與背板分離并且表現(xiàn)出彈簧常數(shù)，調(diào)諧背板被配置為響應(yīng)于施加至調(diào)諧背板的偏置電 壓來設(shè)置背板的諧振頻率。
8.權(quán)利要求7所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，調(diào)諧結(jié)構(gòu)還包括偏置電路，被配置為向調(diào)諧 背板施加偏置電壓。
9.權(quán)利要求7所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，調(diào)諧背板與背板之間有距離，所述距離使得由 于向調(diào)諧背板施加偏置電壓而產(chǎn)生的靜電力控制背板的諧振頻率。
10.權(quán)利要求1所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，后腔室位于襯底的表面上，薄膜位于背板與 后腔室之間。
11.權(quán)利要求1所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，調(diào)諧結(jié)構(gòu)被配置為將背板的機(jī)械加速度響應(yīng) 與薄膜的機(jī)械加速度響應(yīng)相匹配。
12.一種電容性微機(jī)電系統(tǒng)MEMS麥克風(fēng)，包括半導(dǎo)體襯底，具有通過襯底延伸的開口 ；壓敏薄膜，跨過開口延伸，被配置為響應(yīng)于聲波來產(chǎn)生信號(hào)；彈性懸置背板，跨過開口延伸，彈性懸置背板通過第一絕緣體與壓敏薄膜分離并且表 現(xiàn)出彈簧常數(shù)；調(diào)諧背板，調(diào)諧背板跨過開口延伸并通過第二絕緣體與彈性懸置背板分離；后腔室，封閉開口以與薄膜形成壓力腔；以及偏置電路，被配置為向調(diào)諧背板施加調(diào)諧偏置電壓以將彈性懸置背板的諧振頻率設(shè)置 為與薄膜的諧振頻率值實(shí)質(zhì)上相同的值。
13.權(quán)利要求12所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，偏置電路還被配置為在彈性懸置背板與薄 膜之間施加偏置電壓以設(shè)置用于響應(yīng)于聲音的薄膜的頻率響應(yīng)，調(diào)諧偏置電壓基于施加在 彈性懸置背板與薄膜之間的偏置電壓。
14.權(quán)利要求12所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，調(diào)諧背板被配置為通過表現(xiàn)出電學(xué)力以 影響彈性懸置背板的彈簧常數(shù)，來響應(yīng)于調(diào)諧偏置電壓設(shè)置彈性懸置背板的諧振頻率，從 而設(shè)置彈性懸置背板的諧振頻率的值并抑制經(jīng)由彈性懸置背板引入體噪聲。
15.權(quán)利要求12所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，調(diào)諧背板比彈性懸置背板硬。
16.權(quán)利要求12所述的MEMS麥克風(fēng)，其中，偏置電路被配置為向調(diào)諧背板施加調(diào)諧 偏置電壓，以設(shè)置彈性懸置背板的有效彈簧常數(shù)，從而將背板的機(jī)械加速度響應(yīng)與薄膜的 機(jī)械加速度響應(yīng)相匹配。
17.—種抑制在電容性微機(jī)電系統(tǒng)MEMS麥克風(fēng)中引入體噪聲的方法，麥克風(fēng)包括具 有通過襯底延伸的開口的半導(dǎo)體襯底；跨過開口延伸并且被配置為響應(yīng)于聲波產(chǎn)生信號(hào)的 薄膜；跨過開口延伸并通過第一絕緣體與薄膜分離的背板；跨過開口延伸并通過第二絕緣 體與背板分離的調(diào)諧背板；以及封閉開口以與薄膜形成壓力腔的后腔室，該方法包括選擇要施加在薄膜與背板之間的偏置電壓；在薄膜與背板之間施加偏置電壓以設(shè)置薄膜的靈敏度；選擇要施加在背板與調(diào)諧背板之間的調(diào)諧偏置電壓；以及在背板與調(diào)諧背板之間施加調(diào)諧偏置電壓，以設(shè)置背板的諧振頻率并且抑制在MEMS 麥克風(fēng)中引入體噪聲。
18.權(quán)利要求17所述的方法，其中，施加調(diào)諧偏置電壓包括施加偏置電壓，以將背板 的機(jī)械加速度響應(yīng)與薄膜的機(jī)械加速度響應(yīng)相匹配。
19.權(quán)利要求18所述的方法，其中，響應(yīng)于施加在薄膜與背板之間的偏置電壓來選擇 調(diào)諧偏置電壓，在背板與調(diào)諧背板之間施加調(diào)諧偏置電壓將背板的諧振頻率設(shè)置為與薄膜 的諧振頻率實(shí)質(zhì)上相等。
20.權(quán)利要求17所述的方法，其中，在背板與調(diào)諧背板之間施加調(diào)諧偏置電壓使背板 與薄膜分開。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電容性微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)麥克風(fēng)，包括半導(dǎo)體襯底，半導(dǎo)體襯底具有通過襯底延伸的開口。麥克風(fēng)具有跨過開口延伸的薄膜以及跨過開口延伸的背板。薄膜被配置為響應(yīng)于聲音產(chǎn)生信號(hào)。背板通過絕緣體與薄膜分離，背板表現(xiàn)出彈簧常數(shù)。麥克風(fēng)還包括后腔室，封閉開口以與薄膜形成壓力腔；以及調(diào)諧結(jié)構(gòu)，被配置為將背板的諧振頻率設(shè)置為與薄膜的諧振頻率的值實(shí)質(zhì)上相同的值。
文檔編號(hào)H04R19/04GK102075840SQ20101055937
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者伊麗絲·博米納-西爾金斯, 弗朗茨·費(fèi)爾伯拉, 格特·蘭格雷斯, 特溫·范利龐, 雷默克·亨里克斯·威廉默斯·皮內(nèi)伯格 申請人:Nxp股份有限公司