專利名稱：微機電系統麥克風的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及微機電系統(MEMS)麥克風，更具體地，涉及對MEMS麥克風的背板 的諧振頻率的控制。
背景技術：
微機電系統(MEMQ是使用與制造傳統模擬和數字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)來制造的麥克風裝置。一種類型的MEMS是麥克風。電容性MEMS麥克風使用響應于壓力變化(例如聲 波)而振動的薄膜(或隔膜)。薄膜是跨過襯底中的開口而懸置的薄材料層。麥克風通過 測量薄膜變形的變化來將壓力變化轉換為電信號。薄膜的變形導致薄膜的電容(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，薄膜振動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 動可以用于將壓力波轉換為電信號。MEMS麥克風容易受機械振動(例如結構傳遞聲音(structure-born sound)的影 響，例如可以與麥克風和/或采用了麥克風的設備的移動有關。這些振動可以被不期望檢 測為噪聲，干擾麥克風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檢 測聲音的能力，妨礙麥克風的分辨力(resolution)。鑒于上述和其他問題，MEMS麥克風的實施仍然具有挑戰性。
發明內容
與本發明的示例實施例一致，電容性微機電系統(MEMS)麥克風包括半導體襯底， 半導體襯底具有通過襯底延伸的開口。麥克風具有跨過開口延伸的薄膜和跨過開口延伸的 背板。薄膜被配置為響應于聲音產生信號。背板通過絕緣體與薄膜分離并且背板表現出彈 簧常數。麥克風還包括后腔室，封閉開口以與薄膜形成壓力腔；以及調諧結構，被配置為 將背板的諧振頻率設置為與薄膜的諧振頻率值實質上相同的值(例如將背板的機械加速 度響應與薄膜的機械加速度響應相匹配)。根據本發明的另一示例實施例，電容性MEMS麥克風包括半導體襯底，半導體襯底 具有通過襯底延伸的開口。麥克風具有壓敏薄膜，壓敏薄膜跨過開口延伸并且被配置為響 應于聲波產生信號。麥克風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，背板表現出彈簧常數。麥克風還具有調諧背板，調諧背板跨過開口 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，被配置為為向調諧背板施加調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)設置為與薄膜的諧振頻率值實質上相同的值。以上概述不旨在描述本公開的每個實施例或每一種實現方式。隨后的附圖和詳細 說明更具體地示例多種實施例。
結合附圖考慮到本發明的多種實施例的以下詳細說明，可以更完全地理解本發 明，在附圖中圖1示出了根據本發明的示例實施例的MEMS麥克風的圖示；圖2示出了根據本發明的另一示例實施例的MEMS麥克風的圖示；圖3示出了與本發明的又一示例實施例一致的MEMS麥克風的圖示；以及圖4示出了根據本發明的又一示例實施例的MEMS麥克風的示意圖。盡管本發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 的一些并對其進行詳細描述。然而，應理解的是，本發明不限于所描述的具體的實施例。相 反，本發明包含落入包括由所附權利要求限定的方面的本發明的范圍內的所有修改、同等 和替換。
具體實施例方式認為本發明可應用于與MEMS麥克風一起使用的多種不同類型的過程、設備和布 置。盡管本發明不必限于此，然而可以通過使用這種上下文討論示例來意識到本發明的各 方面。根據本發明的示例實施例，電容性MEMS麥克風包括半導體襯底，半導體襯底具有 通過襯底延伸的開口。薄膜跨過襯底中的開口延伸，薄膜被配置為響應于聲音產生信號。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。背板表現出彈簧常數。后腔室封 閉襯底中的開口以與薄膜形成壓力腔。麥克風包括調諧結構，調諧結構被配置為將背板的 諧振頻率設置為與薄膜的諧振頻率的值實質上相同的值。將背板的諧振頻率設置為與薄膜 的諧振頻率實質上相等(或者例如將背板的機械加速度響應與薄膜的機械加速度響應相 匹配)減輕了 MEMS麥克風對機械振動的敏感性。在一種實現方式中，調諧結構包括調諧背 板，背板的諧振頻率是通過在背板和調諧板之間施加偏置電壓來設置的。在以下討論中，做出了多種參考以相對于薄膜來匹配或設置背板的諧振頻率。在 這些實施例中，設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 置或控制背板的機械加速度響應，使得背板的機械加速度響應與薄膜的機械加速度響應相 匹配。因此，包含諧振頻率匹配的多種實施例可以取而代之地和/或另外還匹配背板和薄 膜的機械加速度響應。根據本發明的另一示例實施例，電容性MEMS麥克風包括薄膜、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調諧背板和薄膜之間的頻率匹 配。背板始終是可彎曲的，因為背板是由具有特定楊氏模量/應力的材料制成的并且背板 具有特定的有限厚度。可彎曲背板比第二較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 節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立于薄膜的方式 調諧可彎曲背板的諧振頻率。根據本發明的又一示例實施例，通過減小(例如最小化)機械振動(例如結構傳遞聲音)的影響來將電容性硅MEMS麥克風的靈敏度設置為期望水平。在一個實現方式中， 通過使背板具有與薄膜相同的諧振頻率，從而使麥克風對聽覺頻率范圍內的機械噪聲本質 上不敏感，來達到這種結果。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，因為薄膜或背板的諧振頻率和對加速度的靈敏度都是通過k/M比(質量上的彈簧常數 (spring constant over mass))來給出的。在特定實現方式中，背板的諧振頻率被設置為 使得背板和薄膜的諧振頻率在10%內匹配。根據本發明的另一實施例，可彎曲背板(例如彈性懸置背板)的電可調諧頻率匹 配是在麥克風操作期間來執行的，以完全抑制體噪聲。經由調諧背板與背板之間的靜電力 來設置背板的諧振頻率，靜電力是由于施加至調諧背板的偏置電壓而產生的。在一個實現 方式中，背板是可彎曲的，調諧背板是比背板更不易彎曲的硬背板。根據本發明的另一實施例，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，從而產生輸出信號。該效應稱作體噪聲，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。薄膜偏移Δχ與加速度有關，如方程 式1所表示
權利要求
1.一種電容性微機電系統MEMS麥克風，包括半導體襯底，具有通過襯底延伸的開口 ；薄膜，跨過開口延伸，被配置為響應于聲音而產生信號；背板，跨過開口延伸，背板通過絕緣體與薄膜分離并表現出彈簧常數；后腔室，封閉開口以與薄膜形成壓力腔；以及調諧結構，被配置為將背板的諧振頻率設置為與薄膜的諧振頻率值實質上相同的值。
2.權利要求1所述的MEMS麥克風，其中，調諧結構包括調諧板，被配置為響應于施加 至調諧板的偏置電壓來設置背板的諧振頻率。
3.權利要求1所述的MEMS麥克風，其中，調諧結構被配置為通過施加電學力以影響 背板的彈簧常數來設置背板的諧振頻率，從而設置背板的諧振頻率的值并抑制體噪聲的引 入。
4.權利要求1所述的MEMS麥克風，其中，調諧結構包括被布置為與薄膜和背板實質上平行的調諧板，背板位于薄膜和調諧板之 間，以及所述MEMS麥克風還包括偏置電路，偏置電路被配置為在背板和薄膜之間施加第一偏置電壓，以設置用于響應于聲音的薄膜的頻率響應，以及在調諧板與背板之間施加第二偏置電壓以控制調諧板設置背板的諧振頻率。
5.權利要求4所述的MEMS麥克風，其中，施加在調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.權利要求1所述的MEMS麥克風，其中，調諧結構包括后腔室，后腔室被配置為響應于 施加在后腔室的壁與背板之間的偏置電壓來設置背板的諧振頻率。
7.權利要求1所述的MEMS麥克風，其中，調諧結構包括調諧背板，調諧背板通過另一絕 緣體與背板分離并且表現出彈簧常數，調諧背板被配置為響應于施加至調諧背板的偏置電 壓來設置背板的諧振頻率。
8.權利要求7所述的MEMS麥克風，其中，調諧結構還包括偏置電路，被配置為向調諧 背板施加偏置電壓。
9.權利要求7所述的MEMS麥克風，其中，調諧背板與背板之間有距離，所述距離使得由 于向調諧背板施加偏置電壓而產生的靜電力控制背板的諧振頻率。
10.權利要求1所述的MEMS麥克風，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.權利要求1所述的MEMS麥克風，其中，調諧結構被配置為將背板的機械加速度響應 與薄膜的機械加速度響應相匹配。
12.一種電容性微機電系統MEMS麥克風，包括半導體襯底，具有通過襯底延伸的開口 ；壓敏薄膜，跨過開口延伸，被配置為響應于聲波來產生信號；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 現出彈簧常數；調諧背板，調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，被配置為向調諧背板施加調諧偏置電壓以將彈性懸置背板的諧振頻率設置 為與薄膜的諧振頻率值實質上相同的值。
13.權利要求12所述的MEMS麥克風，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置用于響應于聲音的薄膜的頻率響應，調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.權利要求12所述的MEMS麥克風，其中，調諧背板被配置為通過表現出電學力以 影響彈性懸置背板的彈簧常數，來響應于調諧偏置電壓設置彈性懸置背板的諧振頻率，從 而設置彈性懸置背板的諧振頻率的值并抑制經由彈性懸置背板引入體噪聲。
15.權利要求12所述的MEMS麥克風，其中，調諧背板比彈性懸置背板硬。
16.權利要求12所述的MEMS麥克風，其中，偏置電路被配置為向調諧背板施加調諧 偏置電壓，以設置彈性懸置背板的有效彈簧常數，從而將背板的機械加速度響應與薄膜的 機械加速度響應相匹配。
17.—種抑制在電容性微機電系統MEMS麥克風中引入體噪聲的方法，麥克風包括具 有通過襯底延伸的開口的半導體襯底；跨過開口延伸并且被配置為響應于聲波產生信號的 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置薄膜的靈敏度；選擇要施加在背板與調諧背板之間的調諧偏置電壓；以及在背板與調諧背板之間施加調諧偏置電壓，以設置背板的諧振頻率并且抑制在MEMS 麥克風中引入體噪聲。
18.權利要求17所述的方法，其中，施加調諧偏置電壓包括施加偏置電壓，以將背板 的機械加速度響應與薄膜的機械加速度響應相匹配。
19.權利要求18所述的方法，其中，響應于施加在薄膜與背板之間的偏置電壓來選擇 調諧偏置電壓，在背板與調諧背板之間施加調諧偏置電壓將背板的諧振頻率設置為與薄膜 的諧振頻率實質上相等。
20.權利要求17所述的方法，其中，在背板與調諧背板之間施加調諧偏置電壓使背板 與薄膜分開。
全文摘要
本發明提供了一種電容性微機電系統(MEMS)麥克風，包括半導體襯底，半導體襯底具有通過襯底延伸的開口。麥克風具有跨過開口延伸的薄膜以及跨過開口延伸的背板。薄膜被配置為響應于聲音產生信號。背板通過絕緣體與薄膜分離，背板表現出彈簧常數。麥克風還包括后腔室，封閉開口以與薄膜形成壓力腔；以及調諧結構，被配置為將背板的諧振頻率設置為與薄膜的諧振頻率的值實質上相同的值。
文檔編號H04R19/04GK102075840SQ20101055937
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月23日 優先權日2009年11月24日
發明者伊麗絲·博米納-西爾金斯, 弗朗茨·費爾伯拉, 格特·蘭格雷斯, 特溫·范利龐, 雷默克·亨里克斯·威廉默斯·皮內伯格 申請人:Nxp股份有限公司