一种梳齿结构、其制备方法及麦克风与流程

【技术领域】

本发明涉及一种梳齿结构及其制备方法，特别地涉及一种具有初始位置偏置的梳齿结构及其制备方法。

背景技术：

现有技术的一种梳齿结构装置，其由两个梳状结构组成，一个是移动的，一个是静止的，其指状是相互交叉的，即可用于驱动也可用于检测，一般来说，设置静梳齿在左边，动梳齿在右边，设置左右方向为x方向，上下方向为y方向，垂直于x方向与y方向的为z方向，则一种方式是动梳齿沿着x方向来回运动。这种梳齿结构装置的制备流程：比如在soi(silicononisolation)硅片的顶层硅直接一道光刻工艺即可完成(沿z方向干法刻蚀)，这种运动方式为面内运动(面内来回)，这种运动方式目前有成功运用在多种mems器件中如陀螺仪，mems静电驱动器，加速度计等。

但也有很多种运动是要实现面外方向的位移，沿z方向运动的梳齿可以带动其他机构运动，可检测和驱动。设置静梳齿与动梳齿存在z方向的位置偏置(一般取梳齿高度一半)。对驱动来说，如果静梳齿与动梳齿完全重叠则，在他们之间施加驱动电压不会在z方向产生驱动力；对检测来说，如果静梳齿与动梳齿开始完全重叠，则不管运动部件的运动方向是 z还是-z方向，他们间电容值均是降低，分不清运动方向，灵敏度也低。现有的偏置梳齿结构的制备方法，比如：直接通过mems的沉积刻蚀工艺一步一步按顺序做出静梳齿和动梳齿结构，首先先沉积左下厚度的薄膜，刻蚀梳齿结构，填充牺牲层，刻蚀到一半高度，沉积右上厚度的薄膜，刻蚀梳齿结构，最后释放；静梳齿和动梳齿分别刻蚀制作，不大可能保证他们间相对位置；且偏置量极难控制。其它的工艺方案是将两片晶圆，上面分别刻蚀好相应的梳齿结构然后键合一起，再进行后续步骤，这种工艺的缺点是对准精度难保证，并且静梳齿和动梳齿之间的间距一致性差。

因此，有必要提供一种具有初始位置偏置的梳齿结构及其制备方法，以解决以上静梳齿和动梳齿之间的间隙一致性差，静梳齿和动梳齿在z方向上的位置偏置精确度难以可控性等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种梳齿结构的制备工艺流程简单，静梳齿和动梳齿之间的相对初始位置偏置精确可控的梳齿结构及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

为实现上述目的，一方面本发明提供一种梳齿结构，其包括：一动梳状结构，所述动梳状结构具有多个第一梳齿，所述第一梳齿包括一第一动导电层以及一第二动导电层，所述第一动导电层与所述第二动导电层彼此电隔离；一静梳状结构，所述静梳状结构具有多个第二梳齿，所述第二梳齿与所述第一梳齿相对交叉间隔设置，所述第二梳齿与所述第一梳齿共面，且所述第二梳齿的上下两边分别与所述第一梳齿的上下两边对齐，所述第二梳齿包括一第一静导电层以及一第二静导电层，且所述第一静导电层与所述第二静导电层彼此电隔离，所述第一动导电层与所述第二动导电层之间设有一动绝缘层，所述第一静导电层与所述第二静导电层之间设有一第一静绝缘层，所述第一静绝缘层与所述动绝缘层在梳齿结构的厚度方向上相互错开。

优选的，所述第二梳齿还包括一第三静导电层，所述第三静导电层与所述第二静导电层之间设有第二静绝缘层。

优选的，所述第二静绝缘层与所述动绝缘层在梳齿结构的厚度方向上相互错开。

优选的，在所述第一动导电层上施加正电压，在所述第二动导电层上施加负电压，使得所述第一动导电层与所述第二静导电层之间形成电压差，同时所述第二动导电层与所述第二静导电层之间也形成电压差，使得所述动梳状结构相对于所述静梳状结构移动。

优选的，在所述第一动导电层与所述第二静导电层之间施加电压使得所述动梳状结构相对于所述静梳状结构移动。

为实现上述目的，另一方面本发明提供一种梳齿结构的制备方法，其包括以下步骤：s0.在基板上沉积牺牲层材料；s1.提供一基板，在所述基板上沉积第一导电材料和第一绝缘材料，所述第一绝缘材料位于所述第一导电材料的上面；s2.对所述第一绝缘材料进行造型，使得部分所述第一导电材料的表面露出；s3.在所述基板的顶部沉积第二导电材料，使得所述第二导电材料覆盖所述第一绝缘材料；s4.在所述基板的顶部沉积第二绝缘材料覆盖所述第二导电材料后，对所述第二绝缘材料进行造型，使得部分所述第二导电材料的表面露出；s5.在所述基板的顶部沉积第三导电材料，使得所述第三导电材料覆盖所述第二绝缘材料；s6.在基板的上方进行深刻蚀形成梳齿间缝隙后，形成多个梳状结构。

优选的，还包括以下步骤：s7.在基板上进行背腔刻蚀及释放工艺，以此形成动梳状结构以及静梳状结构，所述动梳状结构具有多个第一梳齿，所述静梳状结构具有多个第二梳齿，所述第二梳齿与所述第一梳齿交叉间隔设置，所述第二梳齿与所述第一梳齿共面，且所述第二梳齿的上下两边分别与所述第一梳齿的上下两边对齐。

优选的，在步骤s2中对所述第一绝缘材料进行造型后形成多个第一绝缘层，多个所述第一绝缘层在左右方向上间隔设置，在步骤s4中对所述第二绝缘材料进行造型后形成多个第二绝缘层，多个第二绝缘层间隔设置。

优选的，在步骤s5之后还包括以下步骤：s51.在所述基板的顶部沉积第三绝缘材料覆盖所述第三导电材料后，对所述第三绝缘材料进行造型，使得部分所述第三导电材料的表面露出；s52.在所述基板的顶部沉积第四导电材料，使得所述第四导电材料覆盖所述第三绝缘材料。

优选的，所述第一梳齿具有动绝缘层，所述动绝缘层设置由所述第二绝缘材料形成，所述第二梳齿具有第一静绝缘层，所述第一静绝缘层设置由所述第一绝缘材料形成，所述第一静绝缘层与所述动绝缘层在梳齿结构的厚度方向上相互错开。

优选的，在步骤s6中在基板的上方进行深刻蚀后，其中一个所述梳状结构的所述第一导电材料与所述第二导电材料电连接，且所述第二导电材料与所述第三导电材料通过所述第二绝缘材料彼此绝缘。

优选的，在步骤s6中在基板的上方进行深刻蚀后，其中一个所述梳状结构的所述第三导电材料与所述第二导电材料电连接，且所述第二导电材料与所述第一导电材料通过所述第一绝缘材料彼此绝缘。

优选的，在步骤s51中对所述第三绝缘材料进行造型后形成第三绝缘层，在步骤s6中在基板的上方进行深刻蚀后，其中一个所述梳状结构的所述第四导电材料与所述第三导电材料通过所述第三绝缘材料彼此绝缘，且所述第三导电材料与所述第二导电材料电连接，且所述第二导电材料与所述第一导电材料通过所述第一绝缘材料彼此绝缘。

优选的，所述其中一个所述梳状结构为第二梳齿。

本发明还提供了一种麦克风，其包括具有空腔的基底、与所述基底连接并覆盖所述空腔的振膜，所述麦克风包括如上所述的梳齿结构，所述梳齿结构置于所述振膜远离所述基底的一侧，所述麦克风还设有位于梳齿结构和振膜之间的支撑梁，所述支撑梁一侧与梳齿结构的动梳状结构固定连接，另一侧与所述振膜连接，所述静梳状结构通过连接层与所述振膜连接。

优选的，所述振膜包括位于中心的主体部和与所述主体部外周连接并与所述基底连接的固定部，所述支撑梁固定于所述主体部并与所述固定部间隔设置。

优选的，所述连接层为中空环状结构并与所述固定部连接。

本发明的有益效果在于：第二梳齿和第一梳齿之间形成梳齿对，且第二梳齿和第一梳齿的偏置量可通过沉积的材料厚度精确控制；第二梳齿和第一梳齿之间的间隙精确可控，且第二梳齿和第一梳齿之间的一致性好；第二梳齿和第一梳齿之间存在初始的重叠部分可以精确控制，使得梳齿结构既可用于驱动也可用于检测，制备梳齿结构的材料层不限，只要满足针对各层的绝缘和导电要求，同时工艺兼容即可，第二梳齿和第一梳齿之间的可驱动电压和接地可以互换。

【附图说明】

图1为本发明中其中一个实施例的梳齿结构的部分结构示意图；

图2为本发明中另外一个实施例的梳齿结构的部分结构示意图；

图3为本发明中一个实施例的梳齿结构加上电压的结构示意图；

图示4a至4g出根据本发明一个实施例中的根据梳齿结构的制备方法；

图示5a至5b出根据本发明另外一个实施例中的根据梳齿结构的制备方法；

图6为本发明的梳齿结构的制备方法流程示意图；

图7为本发明一个实施例的麦克风的立体图；

图8为本发明另一个实施例的麦克风的立体图；

图9为图8麦克风的分解图；

图10为图8沿cc线的剖视图。

图11为本发明的梳齿结构与传统梳齿结构同位移下的电容变化的仿真图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

请参考图1，一种具有初始位置偏置的梳齿结构，其包括一动梳状结构以及一静梳状结构。所述动梳状结构具有多个第一梳齿b，所述第一梳齿b包括一第一动导电层1以及一第二动导电层2，所述第一动导电层1与所述第二动导电层2彼此电隔离；在本实施例中，所述第一动导电层1与所述第二动导电层2彼此的电隔离为通过绝缘材料隔离，所述第一动导电层1位于所述第二动导电层2下方。

所述静梳状结构具有多个第二梳齿a，所述第二梳齿a与所述第一梳齿b相对交叉间隔设置，在本实施例中，所述第二梳齿a与所述第一梳齿b在左右方向上交叉间隔排列设置。所述第二梳齿a与所述第一梳齿b共面即所述第二梳齿a所在的平面与所述第一梳齿b所在的平面重合，且所述第二梳齿a的上下两边分别与所述第一梳齿b的上下两边对齐，即是所述第二梳齿a的上边与所述第一梳齿b的上边在同一条直线，所述第二梳齿a的下边与所述第一梳齿b的下边在同一条直线使得所述第二梳齿a的长度等于所述第一梳齿b的长度。所述第二梳齿a包括一第一静导电层3以及一第二静导电层4，且所述第一静导电层3与所述第二静导电层4彼此电隔离；在本实施例中，所述第一静导电层3与所述第二静导电层4彼此的电隔离为通过绝缘材料隔离，所述第一静导电层3位于所述第二静导电层4下方。

请参考图1及图2，所述第一动导电层1与所述第二动导电层2之间设有一动绝缘层5，所述第一静导电层3与所述第二静导电层4之间设有一第一静绝缘层6，所述第一静绝缘层6与所述动绝缘层5在梳齿结构的厚度方向上相互错开，以此使得所述第一梳齿b与所述第二梳齿a之间形成初始位置偏置。

请参考图1及图2，在其中一个实施例中，所述第二梳齿a还包括一第三静导电层7，所述第三静导电层7与所述第二静导电层4之间设有第二静绝缘层8，以此使得所述第一梳齿b与所述第二梳齿a组成差分形式的结构。所述第二静绝缘层8与所述动绝缘层5在梳齿结构的厚度方向上也相互错开。在其中一个实施例中，所述动绝缘层5在上下方向上位于第一静绝缘层6与第二静绝缘层8之间，使得所述第一梳齿b与所述第二梳齿a之间形成差分式的初始位置偏置。

请参考图3，在其中一个实施例中，在所述第二动导电层2上施加电压，将所述第一静导电层3接地，使得所述动梳状结构相对于所述静梳状结构移动；或者将所述第二动导电层2接地，在所述第一静导电层3上施加电压，使得所述动梳状结构能够相对于所述静梳状结构移动，以此使得所述静梳状结构和所述动梳状结构之间的可驱动电压和接地可以互换。

在其中一个实施例中，在所述第二动导电层2上施加正电压，在所述第一动导电层1上施加负电压，在所述第二静导电层4上施加一个初始电压，使得所述第二动导电层2与所述第二静导电层4之间形成电压差，同时所述第一动导电层1与所述第二静导电层4之间也形成电压差，使得所述动梳状结构能够相对于所述静梳状结构移动。

请参考图1至图6，一种具有初始位置偏置的梳齿结构的制备方法，其包括以下步骤：

s0.在基板10上沉积牺牲层材料；

s1.提供一基板10，在所述基板10上沉积第一导电材料11和第一绝缘材料12，所述第一绝缘材料12位于所述第一导电材料11的上面；

s2.对所述第一绝缘材料12进行造型，使得部分所述第一导电材料11的表面露出；

s3.在所述基板10的顶部沉积第二导电材料13，使得所述第二导电材料13覆盖所述第一绝缘材料12；

s4.在所述基板10的顶部沉积第二绝缘材料14覆盖所述第二导电材料13后，对所述第二绝缘材料14进行造型，使得部分所述第二导电材料13的表面露出；

s5.在所述基板10的顶部沉积第三导电材料15，使得所述第三导电材料15覆盖所述第二绝缘材料14；

s6.在基板10的上方进行深刻蚀形成梳齿间缝隙后，形成多个梳状结构；

s7.在基板10上进行背腔刻蚀及释放工艺，以此形成动梳状结构以及静梳状结构；其中，所述动梳状结构具有多个第一梳齿b，所述静梳状结构具有多个第二梳齿a，所述第二梳齿a与所述第一梳齿b在左右方向上交叉间隔设置，所述第二梳齿a与所述第一梳齿b共面，且所述第二梳齿a的上下两边分别与所述第一梳齿b的上下两边对齐。

在本实施例中，所述第一导电材料11、所述第二导电材料13以及所述第三导电材料15设置为采用同一种导电材料，所述第一绝缘材料12以及所述第二绝缘材料14设置为采用同一种绝缘材料(在其它实施例中，所述第一绝缘材料12以及所述第二绝缘材料14可以设置为采用不同的绝缘材料)。

在其中一个实施例中，在步骤s2中对所述第一绝缘材料12进行造型后形成多个第一绝缘层，多个所述第一绝缘层在左右方向上间隔设置，在步骤s4中对所述第二绝缘材料14进行造型后形成多个第二绝缘层，多个所述第二绝缘层在左右方向上间隔设置，多个所述第二绝缘层位于多个所述第一绝缘层上方。

请参考图5a以及图5b，在其中一个实施例中，在步骤s5之后还包括以下步骤：

s51.在所述基板10的顶部沉积第三绝缘材料16覆盖所述第三导电材料15后，对所述第三绝缘材料16进行造型，使得部分所述第三导电材料15的表面露出；

s52.在所述基板10的顶部沉积第四导电材料17，使得所述第四导电材料17覆盖所述第三绝缘材料16。在本实施例中，所述第一导电材料11、所述第二导电材料13、所述第三导电材料15以及所述第四导电材料17设置为采用同一种导电材料，所述第一绝缘材料12、所述第二绝缘材料14以及所述第三绝缘材料16设置为采用同一种绝缘材料(在其它实施例中，所述第一绝缘材料12、所述第二绝缘材料14以及所述第三绝缘材料16可以设置为采用不同的绝缘材料)。

请参考图4a至图4g，在其中一个实施例中，所述第一梳齿b具有多个所述动绝缘层5，所述动绝缘层5设置由所述第二绝缘材料14形成，所述第二梳齿a具有多个第一静绝缘层6，所述第一静绝缘层6设置由所述第一绝缘材料12形成，所述第一静绝缘层6与所述动绝缘层5在上下方向上相互错开，在本实施例中，所述动绝缘层5位于所述第一静绝缘层6上方，以此使得所述第一梳齿b与所述第二梳齿a在左右方向上交叉间隔设置。在其它实施例中，所述动绝缘层5可设置由所述第一绝缘材料12形成，所述第一静绝缘层6可设置为所述第二绝缘材料14，所述动绝缘层5位于所述第一静绝缘层6下方。

请参考图4a至图4g，在其中一个实施例中，在步骤s6中在基板10的上方进行深刻蚀后，其中一个所述梳状结构的所述第一导电材料11与所述第二导电材料13电连接，且所述第二导电材料13与所述第三导电材料15通过所述第二绝缘材料14彼此绝缘。在本实施例中，所述梳状结构设置为所述第一梳齿b(在其它实施例中，所述梳状结构也可以设置为第二梳齿a)。在步骤s6中在基板10的上方进行深刻蚀后，其中一个所述梳状结构的所述第三导电材料15与所述第二导电材料13电连接，且所述第二导电材料13与所述第一导电材料11通过所述第一绝缘层彼此绝缘。在本实施例中，所述梳状结构设置为所述第二梳齿a(在其它实施例中，所述梳状结构也可以设置为第一梳齿b)。

请参考图4a至图4g，在本实例中，通过具有初始位置偏置的梳齿结构的制备方法，最后得到：所述第一梳齿b设置在所述第一梳齿b的左侧，所述第一梳齿b包括所述第一导电材料11与所述第二导电材料13电连接形成的第一动导电层1、动绝缘层5以及第二动导电层2，所述动绝缘层5由所述第二绝缘材料14形成，所述第二动导电层2由第三导电材料15形成；第二梳齿a包括所述第三导电材料15与所述第二导电材料13电连接形成第二静导电层4、第一静绝缘层6以及第一静导电层3，所述第一静绝缘层6由所述第一绝缘材料12形成，所述第一静导电层3由所述第一导电材料11形成。所述第二梳齿a与所述第一梳齿b共面，且所述第二梳齿a的上下两边分别与所述第一梳齿b的上下两边对齐。

请参考图4a至图5b，在其中一个实施例中，在步骤s51中对所述第三绝缘材料16进行造型后形成第三绝缘层，在步骤s6中在基板10的上方进行深刻蚀后，其中一个所述梳状结构的所述第四导电材料17与所述第三导电材料15通过所述第三绝缘层彼此绝缘，且所述第三导电材料15与所述第二导电材料13电连接，且所述第二导电材料13与所述第一导电材料11通过所述第一绝缘材料12彼此绝缘。在本实施例中，所述梳状结构设置为所述第二梳齿a，即是所述其中一个所述梳状结构为第二梳齿a。在步骤s51中对所述第三绝缘材料16进行造型后形成第三绝缘层，在步骤s6中在基板10的上方进行深刻蚀后，其中一个所述梳状结构的所述第四导电材料17与所述第三导电材料15电连接，且所述第三导电材料15与所述第二导电材料13通过所述第二绝缘层彼此绝缘，且所述第二导电材料13与所述第一导电材料11电连接。在本实施例中，所述梳状结构设置为所述第一梳齿b，即是所述其中一个所述梳状结构为第一梳齿b，使得所述第一梳齿b与所述第二梳齿a之间形成差分式的初始位置偏置。

请参考图1至图6，在本实例中，通过具有初始位置偏置的梳齿结构的制备方法，最后得到所述第一梳齿b与所述第二梳齿a之间形成差分式的初始位置偏置：所述第一梳齿b设置在所述第一梳齿b的左侧，所述第一梳齿b包括第一动导电层1、动绝缘层5以及第二动导电层2，所述动绝缘层5由所述第二绝缘材料14形成，所述第一动导电层1由所述第二导电材料13与所述第一导电材料11电连接形成，所述第二动导电层2由所述第四导电材料17与所述第三导电材料15电连接形成。第二梳齿a包括第一静导电层3、第二静导电层4、第三静导电层7、第一静绝缘层6以及第二静绝缘层8，所述第一静绝缘层6由所述第一绝缘材料12形成，所述第一静导电层3由所述第一导电材料11形成，所述第二静导电层4由所述第二导电材料13与所述第三导电材料15电连接形成，所述第三静导电层7由所述第四导电材料17形成，所述第二静绝缘层8由第三绝缘材料16形成。所述第二梳齿a与所述第一梳齿b共面，且所述第二梳齿a的上下两边分别与所述第一梳齿b的上下两边对齐。

本发明，通过具有初始位置偏置的梳齿结构的制备方法，最后可以使得第二梳齿a和第一梳齿b之间形成梳齿对，且所述动梳状结构和所述静梳状结构的偏置量可通过沉积的材料厚度来精确控制；其所述第一梳齿b和所述第二梳齿a之间的间隙精确可控，因为本发明只有一次刻蚀成型，此种方法的使得所述第一梳齿b和所述第二梳齿a的一致性好；所述第一梳齿b和所述第二梳齿a之间存在初始的重叠部分也可以精确控制，使得梳齿结构既可用于驱动也可用于检测，而且制备梳齿结构的材料层不限，只要满足针对各层的绝缘和导电要求，同时工艺兼容即可，所述第一梳齿b和所述第二梳齿a之间的可驱动电压和接地可以互换。本发明中的梳齿结构的制备工艺流程简单，梳齿结构对初始位置偏置精确可控，适用于不同器件的需求。

请参考图7及图8，为本发明使用以上梳齿结构的麦克风，其中，图7中梳齿结构为单独的芯片。参图8至图10所示，所述麦克风包括具有空腔21的基底20、与所述基底20连接并覆盖所述空腔21的振膜30，所述梳齿结构置于所述振膜30远离所述基底20的一侧，梳齿结构包括第一梳齿a和第二梳齿b，第一梳齿a为静梳状结构，第二梳齿b为动梳状结构。麦克风还设有位于梳齿结构和振膜30之间的支撑梁40，支撑梁40一侧与梳齿结构的动梳状结构固定连接，另一侧与所述振膜30连接，所述静梳状结构通过连接层50与所述振膜30连接。

其中，振膜30包括位于中心的主体部32和与所述主体部32外周连接并与所述基底20连接的固定部31，所述支撑梁40固定于所述主体部32并与所述固定部31间隔设置，连接层50为中空环状结构并与所述固定部31连接，连接层50使得梳齿结构和振膜30间隔设置。支撑梁40置于梳齿结构和振膜30之间，支撑梁40将振膜30的振动传递至动梳状结构，由此带动动梳状结构运动。

请参考图11，本发明的具有初始位置偏置的梳齿结构在动梳齿运动状态下的电容变化率情况，其中正常梳齿对作为参照组，动梳齿相对静梳齿运动位移从-1um～1um，记录电容变化量(其他条件一致)。(1)从变化曲线可看出，随着动梳齿的移动，电容呈线性变化。(2)对比传统梳齿结构，同位移下本发明的具有初始位置偏置的梳齿结构的电容变化率要稍小，从仿真结果看，动梳齿同样位移的情况下，本发明的梳齿结构产生的电容变化量要小于传统的梳齿结构(10％～20％)，也就是同条件下，灵敏度会下降这个比例，不过考虑到传统方法极难制备带初始位置偏置的梳齿结构，损失可接受。(3)本发明的结构中的不作为电极使用的其他材料，可优选用介电常数低的材料，这样可以提高本发明的结构的电容变化量。

本发明，通过具有初始位置偏置的梳齿结构的制备方法，最后可以使得静梳齿第二梳齿a和动梳齿第一梳齿b之间形成梳齿对，且所述动梳状结构和所述静梳状结构的偏置量可通过沉积的材料厚度来精确控制；其所述第一梳齿b和所述第二梳齿a之间的间隙精确可控，因为本发明只有一次刻蚀成型，此种方法的使得所述第一梳齿b和所述第二梳齿a的一致性好；所述第一梳齿b和所述第二梳齿a之间存在初始的重叠部分也可以精确控制，使得梳齿结构既可用于驱动也可用于检测，而且制备梳齿结构的材料层不限，只要满足针对各层的绝缘和导电要求，同时工艺兼容即可，所述第一梳齿b和所述第二梳齿a之间的可驱动电压和接地可以互换。本发明中的梳齿结构的制备工艺流程简单，梳齿结构对初始位置偏置精确可控，适用于不同器件的需求。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。