一種應用柔性背極的硅電容麥克風的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及硅麥克風的設計與制造領域，特別涉及一種應用柔性背極的硅電容麥克風。
【背景技術】
[0002]微機電(MEMS micro-electro-mechanical system)麥克風或稱娃麥克風因其體積小、適于表面貼裝等優點而被廣泛用于平板電子裝置的聲音采集，例如:手機、MP3、錄音筆和監聽器材等。相關技術中，硅電容麥克風包括基底、背極和振膜。其中，振膜與背極是硅電容麥克風的核心部件之一，既需要靈敏地敏感聲壓信號并將之轉化為電信號，又需要在外界風壓吹擊、跌落沖擊的應力和內部加工工藝釋放應力作用后保持性能基本不變地正常工作。
[0003]背極與振膜形成相向的可動結構之后，兩者在聲學信號和外界干擾下的相對運動情況，直接與硅電容麥克風的靈敏度、線性度、信噪比、吸合電壓、敏感電容、動態響應等指標相關，也決定了產品的環境適應性。
[0004]傳統的硅微麥克風一般限于在振膜與固定的剛性基板和相對基板靜止的剛性背極之間構造多種相對運動方式，這種約束方式由于基板和剛性背極在敏感運動中相對靜止，設計較為簡便，但靈活性也受限。
[0005]本發明通過將背極的剛度設置得更低來引入振膜和柔性背極協同工作的結構，使得背極與振膜形成相向的可動電容，同時設置背極和振膜的參數，擴大了設置硅電容麥克風結構參數時的自由度。從而使得以現有工藝水平可以實現在多晶硅振膜及與其正對的柔性背極之間靈活地設置敏感運動的方式，規避甚至合理利用膜片翹曲等工藝缺陷，以更進一步提高靈敏度、線性度、信噪比、敏感電容、動態響應等指標，并增強產品的環境適應性。換言之，使得硅電容麥克風在成本基本不變甚至有所降低的前提下提高性能和環境適應性，從而優化產品性價比，拓寬產品應用范圍。
【發明內容】
[0006]本發明提供了應用柔性背極的硅電容麥克風，能在現有工藝水平下改善振膜振型，規避工藝中的膜片翹曲，膜片易碎等不利因素，從而優化靈敏度、線性度、信噪比、敏感電容、動態響應等指標，提尚廣品的環境適應性。
[0007]為解決上述問題，本發明采用的技術方案是:
[0008]一種用于應用柔性背極的硅電容麥克風，包括基底、振膜和背極，所述背極與振膜形成相向的可動結構，即可變電容，其中所述背極的自振頻率，可以低于振膜的自振頻率，也可以等于或大于某一振膜單元的自振頻率，但不超過各振膜單元的自振頻率最大值的5倍。背極的自振頻率決定于背極的剛度，如果其自振頻率低于麥克風工作頻率范圍(一般為音頻范圍20?20kHz)，則會在輸入聲音信號頻率較高時使硅麥克風無法以正確的相位響應輸入信號，而背極自振頻率高于各振膜單元的自振頻率最大值的5倍時，就與剛性背極的概念非常接近了，這樣設置的背極在使用本發明技術方案時，存在背極較脆而易碎的工藝可靠性問題，因為背極的厚度與工藝難度和成本相關，而設計的芯片尺寸決定背極平面形狀尺寸的前提下，提高背極剛度唯一的辦法是增加其張應力，而張應力過大雖然會帶來背極剛度的提高，也會帶來背極較脆而易碎的風險。
[0009]優選的硅電容麥克風，其在受加工工藝影響，有殘余應力導致振膜和背極的翹曲時，可通過設置工藝參數的方法，來減少振膜和背極的翹曲對頻響曲線和麥克風電學模型的影響，背極上平整處最高點與最低點高度差在0.2?20微米，即所述柔性背極因殘余應力導致的翹曲小于或等于20微米。在剛性背極結構中，在振膜由于工藝中的殘余應力釋放而翹曲時，因背極剛性大，在應力釋放過程中基本無翹曲的緣故，背極相對振膜的電容分布和敏感運動方式會受到較明顯干擾。使用柔性背極時，由于背極與振膜的剛度、厚度、應力等參數相似，可以使振膜和背極發生的翹曲程度相近，從而相互抵消后使其相對翹曲減少，從而減少振膜和背極的翹曲對頻響曲線和麥克風電學模型的非理想性影響。
[0010]優選的硅電容麥克風，在背極上設置波紋或加強筋。已有技術中，多見在振膜上設置波紋或加強筋以優化敏感運動振型和剛性分布的方案。對于剛性背極而言，由于其剛度很高，設置的波紋或加強筋對背極剛度幾乎沒有影響，而在柔性背極上設置波紋或加強筋，可以與其開孔、開槽和突起等結構一同決定背極的剛性分布，從而達到優化敏感運動振型的技術效果。
[0011]優選的硅電容麥克風，在背極上設置多個突起，且所述多個突起具有不同的高度。由于振膜和柔性背極之間相對敏感運動振型既受振膜振型又受柔性背極振型影響，相對運動不均勻，故在背極上設置的多個突起所需要的最優化的高度并不一致，可根據敏感運動的需要在背極上設置的多個突起，其突起高度大于一種。
[0012]優選的硅電容麥克風，其中在背極上通過在振膜邊緣上方設置凹陷或開槽，并劃分主要區域與非主要區域的方式，設置到振膜邊緣不同相對高度和防撞強度的背極材料。對于柔性背極而言，可以通過在背極上設置開槽的方式劃分出位于振膜上方的主要區域與非主要區域，主要區域的背極與振膜之間構成敏感結構運動的相對電容，而非主要區域的背極則可以起到輔助作用，通過設置到振膜邊緣不同相對高度和防撞強度的背極材料，從而使麥克風遇到外界風壓吹擊、跌落沖擊的應力和內部加工工藝釋放應力作用后不被損壞，并保持性能基本不變地正常工作。
[0013]優選的硅電容麥克風，其中在背極上設置多個孔或槽，且在所述背極上至少存在一個帶狀區域，位于所述帶狀區域中的每個孔或槽的面積比位于背極上其他區域內的最大的孔或槽的面積小5%以上。一般地，設置較小的孔和槽，會使附近的材料強度上升。在一條帶狀區域中設置較小的孔或槽，會形成與一條加強筋類似的技術效果。在背極中設置這樣的孔或槽，會有助于背極受到較大沖擊時的結構生存，特別地，在柔性背極中通過設置這樣的孔或槽，相當于改變了帶狀區域中的結構強度和應力釋放條件，所以還可以達到控制和調整應力釋放后的背極翹曲程度的技術效果。
[0014]由于采用上述技術方案，應用柔性背極到硅電容麥克風產品中，本發明的有益效果是:能在現有工藝水平下，提高硅電容麥克風的靈敏度、線性度、信噪比、吸合電壓、敏感電容、動態響應等指標，改善產品的環境適應性，從而在保持產品生產效率、可靠性、良率和成本基本不變的基礎上提高產品性能，拓寬產品的應用場合，增加產品競爭力。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明的硅電容麥克風的振膜和柔性背極與敏感變形的剖視示意圖；
[0016]圖2是本發明一個實施例的在柔性背極上設置波紋和加強筋的俯視示意圖；
[0017]圖3是本發明另一實施例的在柔性背極上設置不同高度突起的剖視示意圖；
[0018]圖4是本發明又一實施例的設置到振膜邊緣不同相對高度和防撞強度的背極材料的俯視不意圖；
[0019]圖5是本發明再一實施例的在柔性背極上設置小孔帶狀區域的俯視示意圖。
【具體實施方式】
[0020]本發明提供了應用柔性背極的硅電容麥克風，能在現有工藝水平下改善振膜振型，從而優化靈敏度、線性度、信噪比、吸合電壓、敏感電容、動態響應等指標，同時提高產品的環境適應性。下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0021]傳統的硅微麥克風一般限于在振膜與固定的剛性基板和相對基板靜止的剛性背極之間構造多種相對運動方式，這種約束方式由于基板和剛性背極在敏感運動中相對靜止，設計較為簡便，但靈活性也受限。
[0022]為此，本發