具有高深厚比褶皱振膜的硅麦克风和有该硅麦克风的封装的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及麦克风技术领域，并且更具体地讲，涉及具有高深厚比褶皱振膜的硅麦克风以及具有该硅麦克风的封装。
【背景技术】
[0002]多年来都在研发硅麦克风，或硅基MEMS麦克风，也称为声换能器。硅麦克风由于其微型化、性能、可靠性、环境耐久性、成本和大批量生产能力方面的潜在优势而被广泛用于许多应用领域，例如，手机、平板电脑、照相机、助听器、智能玩具和监视设备。
[0003]典型的硅麦克风包括堆叠在硅基底上并且通过形成在硅基底中的背孔向外部暴露的高柔性振膜，以及位于振膜的上方的固定的穿孔背板，在振膜与穿孔背板之间有空气间隙。柔性振膜和穿孔背板形成可变气隙(air-gap)电容器，当振膜响应于通过背孔到达振膜的外部声波或声压冲击振动时，该电容器可以将声能转换成用于检测的电能。
[0004]作为硅麦克风的关键部件，振膜在确定麦克风的性能中发挥非常重要的作用，例如，在振膜中的较大的张应力可能导致不期望的效果，例如，低的且不可再现的麦克风灵敏度。因此，对麦克风设计者而言一个主要主题是减小振膜的应力以便提高麦克风的性能，例如，灵敏度和可再现性。
[0005]专利申请N0.PCT/CN2013/080908公开了一种具有挡块结构(stopper structure)的娃麦克风，其中在振膜的边缘的周围形成有窄槽(narrow slot)以释放在振膜中的应力，然而，窄槽使麦克风在跌落试验中易碎，然而引入的用于改善跌落性能的挡块结构增加了工艺复杂性并且因此引起成本顾虑。其他无应力振膜设计，例如，Knowles公司的悬浮振膜方案和Analog Devices公司的折叠弹簧支撑的振膜方案等，也因生产控制和高可靠性而优选。然而，其要么涉及复杂的制造过程，要么在跌落试验中变得太过易碎。
[0006]邹泉波等(邹泉波、李志坚和刘理天，“使用褶皱振膜技术的硅电容式麦克风的设计与制造”，微机电系统期刊，1996年9月第5卷第3期)提出了具有形成在整个振膜上的矩形褶皱的单晶片电容式麦克风，其有利于减小在振膜中的初始应力并且使麦克风具有高灵敏度。然而，此麦克风的缺点是，需要在振膜中形成桥接部分用于背板工艺，从而振膜的应力释放不完全，另一方面，整个振膜上的多个褶皱实际上会增加振膜的抗弯刚度并且因此降低麦克风的灵敏度。
[0007]P.Scheeper等(Patrick R.Scheeper、Wouter Olthuis和Piet Bergveld，“裙皱氮化硅振膜的设计、制造以及试验”，微机电系统期刊，1994年3月第3卷第1期)公开了一种用于在初始张应力下提高机械灵敏度的褶皱氮化硅振膜。振膜的机械灵敏度得到显著提高，但是付出了增大振膜面积的代价(比正常设计约大3倍)。由于大的振膜面积上具有多个(8)环状裙皱导致可以观察到高达2?7μηι的振膜的大的静态烧度(static deflect1n)，这使得构造振膜与背板之间的空气间隙通常为几微米的MEMS麦克风不切实际。此外，振膜上的多个褶皱也将增加振膜的抗弯刚度并且因此降低振膜的灵敏度。
【发明内容】
[0008]为了解决上述问题，本发明提供了一种具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，以及具有该硅麦克风的封装，所述硅麦克风可以减轻对机械灵敏度的应力效应以及振膜的静态挠度，并且不增加麦克风的振膜的抗弯刚度，因此提高麦克风的灵敏度和可再现性，同时可以在跌落试验中表现出高可靠性和在制造中表现出低成本。
[0009]在本发明的一方面，提供了一种具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，包括:硅基底，在所述硅基底中设置有背孔;柔性振膜，设置在所述硅基底的背孔的上方;穿孔背板，设置在所述振膜的上方，在所述穿孔背板与所述振膜之间夹有空气间隙，其中所述振膜和所述背板用于形成可变电容器的电极板，其中至少一个环形褶皱形成在固定在所述基底上的所述振膜的边缘的附近，并且其中所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于5:1，并且所述褶皱的壁以80°至100°的角度范围相对于所述振膜的表面倾斜。
[0010]优选地，所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值可以大于20:1。更优选地，一个环形褶皱可以形成在所述振膜的边缘的附近，并且所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值可以大于20:1。
[0011]优选地，所述具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风可以进一步包括凹座，所述凹座从所述穿孔背板的下表面突出，和/或者从所述振膜的上表面突出。
[0012]优选地，所述振膜可以形成有多晶硅层。
[0013]在本发明的另一方面，提供了一种麦克风封装，包括:PCB板;如上所述的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，安装在所述PCB板上；以及盖，围住所述麦克风，其中声孔(acoustic port)形成在所述PCB板和所述盖的任意一个上。
[0014]在本发明的又另一方面，提供了另一麦克风封装，包括:PCB板;振膜组件，倒装安装在所述PCB板上；以及盖，围住所述振膜组件，其中声孔形成在所述PCB板和所述盖中的任意一个上，其中，所述振膜组件包括:硅基底，在所述硅基底中设置有背孔;柔性振膜，设置在所述硅基底的所述背孔的上方；以及隔离体，设置在所述振膜的上方并且围绕(surrounding)其边缘，其中，所述振膜组件的隔离体粘结在所述PCB板上，所述振膜组件的所述振膜与最初堆叠在所述PCB板上并且现位于与所述振膜相对的金属层用于形成可变电容式麦克风的电极板，并且所述振膜与所述金属层之间夹有空气间隙，其中，至少一个环形褶皱形成在固定在所述基底上的所述振膜的边缘的附近，并且其中，所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于5:1，并且所述褶皱的壁以80°至100°的角度范围相对于所述振膜的表面倾斜。
[0015]优选地，一个环形褶皱可以形成在所述振膜的边缘的附近并且所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于20: 1。
[0016]优选地，所述隔离体可以形成有导电的金属/合金层。
[0017]根据本发明的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风的优点在于:硅麦克风的性能，例如灵敏度，对振膜的初始应力不敏感，因此在本发明中可以获得一致且最佳的灵敏度，从而可以提高可再现性和产率;深厚比大于20:1的单个褶皱可以给振膜提供最好的机械灵敏度和最小的翘曲或静态挠度，因此更好的可再现性和可制造性;在跌落试验中所施加的冲击可以大大地降低，是因为跌落试验中引起的应力都沿着整个环状褶皱均匀分布，相比起在具有开口槽(opening slot)的振膜中的应力，此处的应力更不集中，因此本发明的麦克风具有更高的稳健性和可靠性。
[0018]根据本发明的实施例的麦克风封装的优点在于，除上述优点之外，简化了晶片加工，降低了成本，并且提高了产率;耦接在PCB上的寄生电容很低，因此可以潜在地将灵敏度和SNR提高2-6dB;空气间隙很大，因此声阻很低并且信噪比很高；更多背体积可用于麦克风，同时，然而由于亥姆霍兹共振，零前体积(zero front-volume)对麦克风的高频响应没有影响。
[0019]尽管已经在上述
【发明内容】
中讨论了各种实施例，但是应当理解，未必所有的实施例包括相同特征，并且以上所述的一些特征不是必要的并且在一些实施例中是可取的。在以下的【具体实施方式】中讨论了许多额外的特征、实施例和益处。
【附图说明】
[0020]从以下给出的结合附图对实施例的描述中，本发明的目的和特征将变得显而易见，其中:
[0021]图1是示出了根据本发明的实施例的具有高深厚比褶皱振膜的硅麦克风的实例性结构的截面图；
[0022]图2是示出了根据本发明的振膜200的截面图(上部)和平面图(下部)的示意图；
[0023]图3是示出了根据本发明的实施例的麦克风和现有技术的麦克风的仿真的开路灵敏度对(versus)振膜的初始应力的图表；
[0024]图4是示出了根据本发明的实施例的麦克风的仿真的机械灵敏度对深厚比的图表；
[0025]图5是示出了根据本发明的具有高深厚比的褶皱振膜的麦克风与现有技术的麦克风在跌落测试中的应力风险比较的图表；
[0026]图6是示出了根据本发明的另一实施例的麦克风封装的实例性
【技术领域】
[0001]本发明涉及麦克风技术领域，并且更具体地讲，涉及具有高深厚比褶皱振膜的硅麦克风以及具有该硅麦克风的封装。
【背景技术】
[0002]多年来都在研发硅麦克风，或硅基MEMS麦克风，也称为声换能器。硅麦克风由于其微型化、性能、可靠性、环境耐久性、成本和大批量生产能力方面的潜在优势而被广泛用于许多应用领域，例如，手机、平板电脑、照相机、助听器、智能玩具和监视设备。
[0003]典型的硅麦克风包括堆叠在硅基底上并且通过形成在硅基底中的背孔向外部暴露的高柔性振膜，以及位于振膜的上方的固定的穿孔背板，在振膜与穿孔背板之间有空气间隙。柔性振膜和穿孔背板形成可变气隙(air-gap)电容器，当振膜响应于通过背孔到达振膜的外部声波或声压冲击振动时，该电容器可以将声能转换成用于检测的电能。
[0004]作为硅麦克风的关键部件，振膜在确定麦克风的性能中发挥非常重要的作用，例如，在振膜中的较大的张应力可能导致不期望的效果，例如，低的且不可再现的麦克风灵敏度。因此，对麦克风设计者而言一个主要主题是减小振膜的应力以便提高麦克风的性能，例如，灵敏度和可再现性。
[0005]专利申请N0.PCT/CN2013/080908公开了一种具有挡块结构(stopper structure)的娃麦克风，其中在振膜的边缘的周围形成有窄槽(narrow slot)以释放在振膜中的应力，然而，窄槽使麦克风在跌落试验中易碎，然而引入的用于改善跌落性能的挡块结构增加了工艺复杂性并且因此引起成本顾虑。其他无应力振膜设计，例如，Knowles公司的悬浮振膜方案和Analog Devices公司的折叠弹簧支撑的振膜方案等，也因生产控制和高可靠性而优选。然而，其要么涉及复杂的制造过程，要么在跌落试验中变得太过易碎。
[0006]邹泉波等(邹泉波、李志坚和刘理天，“使用褶皱振膜技术的硅电容式麦克风的设计与制造”，微机电系统期刊，1996年9月第5卷第3期)提出了具有形成在整个振膜上的矩形褶皱的单晶片电容式麦克风，其有利于减小在振膜中的初始应力并且使麦克风具有高灵敏度。然而，此麦克风的缺点是，需要在振膜中形成桥接部分用于背板工艺，从而振膜的应力释放不完全，另一方面，整个振膜上的多个褶皱实际上会增加振膜的抗弯刚度并且因此降低麦克风的灵敏度。
[0007]P.Scheeper等(Patrick R.Scheeper、Wouter Olthuis和Piet Bergveld，“裙皱氮化硅振膜的设计、制造以及试验”，微机电系统期刊，1994年3月第3卷第1期)公开了一种用于在初始张应力下提高机械灵敏度的褶皱氮化硅振膜。振膜的机械灵敏度得到显著提高，但是付出了增大振膜面积的代价(比正常设计约大3倍)。由于大的振膜面积上具有多个(8)环状裙皱导致可以观察到高达2?7μηι的振膜的大的静态烧度(static deflect1n)，这使得构造振膜与背板之间的空气间隙通常为几微米的MEMS麦克风不切实际。此外，振膜上的多个褶皱也将增加振膜的抗弯刚度并且因此降低振膜的灵敏度。
【发明内容】
[0008]为了解决上述问题，本发明提供了一种具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，以及具有该硅麦克风的封装，所述硅麦克风可以减轻对机械灵敏度的应力效应以及振膜的静态挠度，并且不增加麦克风的振膜的抗弯刚度，因此提高麦克风的灵敏度和可再现性，同时可以在跌落试验中表现出高可靠性和在制造中表现出低成本。
[0009]在本发明的一方面，提供了一种具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，包括:硅基底，在所述硅基底中设置有背孔;柔性振膜，设置在所述硅基底的背孔的上方;穿孔背板，设置在所述振膜的上方，在所述穿孔背板与所述振膜之间夹有空气间隙，其中所述振膜和所述背板用于形成可变电容器的电极板，其中至少一个环形褶皱形成在固定在所述基底上的所述振膜的边缘的附近，并且其中所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于5:1，并且所述褶皱的壁以80°至100°的角度范围相对于所述振膜的表面倾斜。
[0010]优选地，所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值可以大于20:1。更优选地，一个环形褶皱可以形成在所述振膜的边缘的附近，并且所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值可以大于20:1。
[0011]优选地，所述具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风可以进一步包括凹座，所述凹座从所述穿孔背板的下表面突出，和/或者从所述振膜的上表面突出。
[0012]优选地，所述振膜可以形成有多晶硅层。
[0013]在本发明的另一方面，提供了一种麦克风封装，包括:PCB板;如上所述的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风，安装在所述PCB板上；以及盖，围住所述麦克风，其中声孔(acoustic port)形成在所述PCB板和所述盖的任意一个上。
[0014]在本发明的又另一方面，提供了另一麦克风封装，包括:PCB板;振膜组件，倒装安装在所述PCB板上；以及盖，围住所述振膜组件，其中声孔形成在所述PCB板和所述盖中的任意一个上，其中，所述振膜组件包括:硅基底，在所述硅基底中设置有背孔;柔性振膜，设置在所述硅基底的所述背孔的上方；以及隔离体，设置在所述振膜的上方并且围绕(surrounding)其边缘，其中，所述振膜组件的隔离体粘结在所述PCB板上，所述振膜组件的所述振膜与最初堆叠在所述PCB板上并且现位于与所述振膜相对的金属层用于形成可变电容式麦克风的电极板，并且所述振膜与所述金属层之间夹有空气间隙，其中，至少一个环形褶皱形成在固定在所述基底上的所述振膜的边缘的附近，并且其中，所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于5:1，并且所述褶皱的壁以80°至100°的角度范围相对于所述振膜的表面倾斜。
[0015]优选地，一个环形褶皱可以形成在所述振膜的边缘的附近并且所述褶皱的深度与所述振膜的厚度的比值大于20: 1。
[0016]优选地，所述隔离体可以形成有导电的金属/合金层。
[0017]根据本发明的具有高深厚比的褶皱振膜的硅麦克风的优点在于:硅麦克风的性能，例如灵敏度，对振膜的初始应力不敏感，因此在本发明中可以获得一致且最佳的灵敏度，从而可以提高可再现性和产率;深厚比大于20:1的单个褶皱可以给振膜提供最好的机械灵敏度和最小的翘曲或静态挠度，因此更好的可再现性和可制造性;在跌落试验中所施加的冲击可以大大地降低，是因为跌落试验中引起的应力都沿着整个环状褶皱均匀分布，相比起在具有开口槽(opening slot)的振膜中的应力，此处的应力更不集中，因此本发明的麦克风具有更高的稳健性和可靠性。
[0018]根据本发明的实施例的麦克风封装的优点在于，除上述优点之外，简化了晶片加工，降低了成本，并且提高了产率;耦接在PCB上的寄生电容很低，因此可以潜在地将灵敏度和SNR提高2-6dB;空气间隙很大，因此声阻很低并且信噪比很高；更多背体积可用于麦克风，同时，然而由于亥姆霍兹共振，零前体积(zero front-volume)对麦克风的高频响应没有影响。
[0019]尽管已经在上述
【发明内容】
中讨论了各种实施例，但是应当理解，未必所有的实施例包括相同特征，并且以上所述的一些特征不是必要的并且在一些实施例中是可取的。在以下的【具体实施方式】中讨论了许多额外的特征、实施例和益处。
【附图说明】
[0020]从以下给出的结合附图对实施例的描述中，本发明的目的和特征将变得显而易见，其中:
[0021]图1是示出了根据本发明的实施例的具有高深厚比褶皱振膜的硅麦克风的实例性结构的截面图；
[0022]图2是示出了根据本发明的振膜200的截面图(上部)和平面图(下部)的示意图；
[0023]图3是示出了根据本发明的实施例的麦克风和现有技术的麦克风的仿真的开路灵敏度对(versus)振膜的初始应力的图表；
[0024]图4是示出了根据本发明的实施例的麦克风的仿真的机械灵敏度对深厚比的图表；
[0025]图5是示出了根据本发明的具有高深厚比的褶皱振膜的麦克风与现有技术的麦克风在跌落测试中的应力风险比较的图表；
[0026]图6是示出了根据本发明的另一实施例的麦克风封装的实例性
再多了解一些
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