一种提高线性度的MEMS硅麦集成电路及设计方法与流程

本发明涉及一种提高线性度的mems硅麦集成电路及设计方法。

背景技术：

麦克风是把声学信号转换为电信号以供助听器音频信号链处理的传感器。有许多技术可用于这种声电转换，但电容麦克风是其中尺寸最小、精度最高的一类麦克风。电容麦克风中的薄膜随着声学信号而运动，这种运动引起电容变化，进而产生电信号。

驻极体电容麦克风(ecm)是助听器中使用最广泛的技术。ecm采用可变电容，其一个极板是由具有永久电荷的材料制成。ecm在当今助听行业声名显赫，但这些设备背后的技术自1960年代以来并无多大变化。其性能、可重复性以及相对于温度和其他环境条件的稳定性不是非常好。助听器以及其他注重高性能和一致性的应用，为新型麦克风技术的发展创造了机会。

微机电系统(mems)技术是电容麦克风变革的中坚力量。基于mems技术制造的mems麦克风又称硅麦，是利用了过去数十年来硅技术的巨大进步发展而来，包括超小型制造结构、出色的稳定性和可重复性、低功耗，所有这些都已成为硅工业不折不扣的要求。迄今为止，mems麦克风的功耗和噪声水平还是相当高，不宜用于助听器，但满足这两项关键要求的新器件已经出现，正在掀起助听器麦克风的下一波创新浪潮。

mems硅麦的主要结构

mems硅麦的主要结构如图1所示相类似，mems麦克风工作原理像ecm一样也是电容麦克风。mems麦克风包含一个灵活悬浮的薄膜，它可在一个固定背板上上下自由振动，所有元件均在一个硅晶圆上制造。该结构形成一个可变电容，固定电荷施加于薄膜与背板之间。传入的声压波通过背板中的孔，引起薄膜运动，其运动量与压缩和稀疏波的幅度成比例。这种运动改变薄膜与背板之间的距离，进而改变电容，在电荷恒定的情况下，此电容变化转换为电信号。

在硅晶圆上制造麦克风传感器元件的工艺与其他集成电路(ic)的制造工艺相似。与ecm制造技术不同，硅制造工艺非常精密且高度可重复。一个晶圆上制造的所有mems麦克风元件都具有相同的性能，不仅如此，而且在该产品的多年生命周期中，不同晶圆上的每一个元件也都具有相同的性能。

传统mems硅麦的缺点

传统mems硅麦传感器是在硅衬底上制作的，在硅衬底上先外延一层背极板，然后在背极板上制作一层感应薄膜，在具体工作的时候，声音从拾音孔输入，由于声波的震动，会导致感应薄膜与硅衬底的上下电极之间的距离发生改变，导致等效电容值发生变化。通过测量硅麦的等效电容值变化，就可以达到间接测量输入声波的目的。

感应薄膜上下极板等效电容值可表示为：

其中c代表电容值，ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数，a为上、下极板的面积，d为上下极板的距离。

传统硅麦在传感线性度响应方面不太理想，主要原因是：由于感应薄膜是一个沿着周边固定的薄膜，随着声音幅度的变化，电容型传感器的电容变化不随之成正比变化，导致电信号的输出随着输入很难保持线性关系。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于克服传统硅麦的缺点，本发明提出一种提高线性度的mems硅麦集成电路，包括mems传感器芯片，所述mems传感器芯片包括位于上方的第一硅片和位于下方的第二硅片，所述第一硅片由上至下依次设有第一背板层、第一氧化物层，振动膜片层，所述第二硅片由上至下依次设有淀积金属层、第二氧化物层、第二背板层，所述第一硅片的振动膜片层的下底面和所述第二硅片的淀积金属层的上表面之间电连接，所述第一背板层设有上下贯通的至少一个第一通孔，所述第二背板层设有上下贯通的至少一个第二通孔，所述振动膜片层中的振动膜片区域设有上下贯通的至少一个第三通孔，所述第三通孔与所述第一通孔和第二通孔二者之一保持贯通，所述第一通孔和第二通孔彼此之间错位设置，所述振动膜片区域上方的第一氧化物层和正下方的第二氧化物层以及淀积金属层均作为牺牲层对所述振动膜片区域进行释放，所述第二背板层的淀积金属层通过第一电极与所述振动膜片层的下底面电连接,所述第一背板层还连接有第三电极。

另外，根据本发明实施例可以具有如下附加的技术特征：

至少一个所述第一通孔与其上下贯通的第三通孔之间设有第一延伸管，所述第一延伸管包括管本体，所述管本体靠近所述第一通孔且在所述振动膜片层的上表面之上的近端部沿径向方向设有若干第四通孔，所述管本体远离所述第一通孔且在所述振动膜片层的下表面之下的远端部沿径向方向设有若干第五通孔。

至少一个所述第二通孔与其上下贯通的第三通孔之间设有第二延伸管，所述第二延伸管包括管本体，所述管本体靠近所述第二通孔且在所述振动膜片层的下表面之下的近端部沿径向方向设有若干第六通孔，所述管本体远离所述第二通孔且在所述振动膜片层的上表面之上的远端部沿径向方向设有若干第七通孔。

所述第二背板层的淀积金属层还通过第二电极与所述振动膜片层的下底面电连接。

所述第二背板层还连接有第四电极。

一种提高线性度的mems硅麦集成电路的设计方法，包括：

所述第一硅片选择为soi衬底片；在soi衬底上的第一氧化物层上刻出纳米孔后并采用二氧化硅层覆盖在纳米孔上；在第一氧化物层外生长一层厚度为10微米至20微米的外延层构成振动膜片层；在该外延层上光刻出至少一个第三通孔的机械结构构成振动膜片层中的振动膜片区域；

对所述第二硅片中的第二背板层的淀积金属层的第一电极进行金属引线，并在引线后，沉积上第三氧化物层，实现对引线的保护；

将备好的所述的第一硅片的振动膜片层的下底面和所述第二硅片的第三氧化物层的上表面对准后烧结并同时使淀积金属层经所述第一电极与振动膜片层下底面键合形成电连接；

对第一硅片设有的第一背板层和第二硅片设有的第二背板层进行研磨减厚并抛光后，通过干法刻蚀技术对所述第一背板层刻蚀出上下贯通构成声波的出口的至少一个第一通孔，对所述第二背板层刻蚀出上下贯通的至少一个第二通孔构成声波的入口，所述第一通孔和第二通孔彼此之间错位设置，所述第三通孔与所述第一通孔和第二通孔二者之一保持贯通；

在所述第一背板层上刻蚀金属引线形成第三电极，在所述第二背板层上刻蚀金属引线形成第四电极；通过氢氟酸的腐蚀，将振动膜片区域上方的第一氧化物层和正下方的淀积金属层以及第二氧化物层以及所述第三氧化物层作为牺牲层去掉，实现对所述振动膜片区域的释放。

一种提高线性度的mems硅麦集成电路的设计方法还包括：在至少一个所述第一通孔与其上下贯通的第三通孔之间设有第一延伸管，所述第一延伸管包括管本体，所述管本体靠近所述第一通孔且在所述振动膜片层的上表面之上的近端部沿径向方向设有若干第四通孔，所述管本体远离所述第一通孔且在所述振动膜片层的下表面之下的远端部沿径向方向设有若干第五通孔。

一种提高线性度的mems硅麦集成电路的设计方法还包括：至少一个所述第二通孔与其上下贯通的第三通孔之间设有第二延伸管，所述第二延伸管包括管本体，所述管本体靠近所述第二通孔且在所述振动膜片层的下表面之下的近端部沿径向方向设有若干第六通孔，所述管本体远离所述第二通孔且在所述振动膜片层的上表面之上的远端部沿径向方向设有若干第七通孔。

一种提高线性度的mems硅麦集成电路的设计方法还包括：在至少一个所述第一通孔与其上下贯通的第三通孔之间设有第一延伸管的前提下，至少一个所述第二通孔与其上下贯通的第三通孔之间设有第二延伸管，所述第二延伸管包括管本体，所述管本体靠近所述第二通孔且在所述振动膜片层的下表面之下的近端部沿径向方向设有若干第六通孔，所述管本体远离所述第二通孔且在所述振动膜片层的上表面之上的远端部沿径向方向设有若干第七通孔。

本发明的工作原理为：

主要结构由两个硅片组成，即所述的位于上方的第一硅片和位于下方的第二硅片，第一硅片为soi(silicon-on-insulator，绝缘衬底上的硅)，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。即所述的第一氧化物层。所述第一硅片中包括位于下底面刻蚀的振动膜片层，通过该振动膜片层与所述第二硅片中的的上表面对准后烧结键合，构成了将振动膜片层加持在上、下两个背极板间的结构。

通过干法刻蚀技术对上、下两个背极板上分别刻蚀出上下贯通且错位设置的至少一个通孔，构成声波的出口和入口；通过氢氟酸的腐蚀，把振动膜片区域上方的第一氧化物层和下方的第二氧化物层等作为牺牲层去掉，实现对所述振动膜片区域的释放获得振动膜片。振动膜片的作用在于，当声波从入口进入后，声音信号使振动膜片发生振动，导致和上、下两个背极板的相对距离均发生变化，从而改变上、下两个背极板的电容值。获得两个电容值的变化电信号实现声电之间的转化。分别在上、下两个背极板以及振动膜片区域上刻蚀金属引线；电连接在asic功放集成电路中，实现声电之间的转化信号的放大输出。声波从入口进去，从出口出来，保证输入声波的静态压力处于平衡的状态，从而保证等效电容值的变化随着声波幅度的变化，呈现线性变化的趋势。

本发明通过在mems传感器芯片采用上、下背极板和错位设置声音入口和出口的结构，实现在不同频率下的响应曲线的一致，没有相位偏离，具有较好的线性度。

发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解；

图1是一种提高线性度的mems硅麦集成电路示意图；

图2是另一种提高线性度的mems硅麦集成电路结构示意图；

图3为图2中局部放大示意图；

图4所示为整个mems传感器芯片和专用集成电路的连接示意图；

图5为本发明不同频率下的响应曲线；

图6为传统单背板硅麦的频率响应特性曲线；

图7本发明不同增益下的信噪比响应曲线；

其中:1.第三通孔，2.第一背板层，3.第四通孔，4.第一延伸管，5.第一通孔，6.第三电极，7.第一氧化物层，8.第二电极，9.第二氧化物层，10.第四电极，11.振动膜片区域，12.第二通孔，13.第六通孔，14.第二延伸管，15.第二背板层，16.淀积金属层，17.第一电极，18.第三氧化物层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。下面结合附图进一步说明；为了克服传统硅麦的缺点，本发明提出一种新的硅麦传感器结构，目的是使感应薄膜的等效电容随着输入声音的幅度呈现线性变化的趋势，可显著提高传感器的线性度。

图1之图7中，本发明主要思想是设计一个同时具有声波的输入端口和输出端口的结构,使硅麦获得线性的电容变化趋势，因此提供一种提高线性度的mems硅麦集成电路，包括mems传感器芯片，所述mems传感器芯片包括位于上方的第一硅片和位于下方的第二硅片，所述第一硅片由上至下依次设有第一背板层2、第一氧化物层7，振动膜片层，所述第二硅片由上至下依次设有淀积金属层16、第二氧化物层9、第二背板层15，所述第一硅片的振动膜片层的下底面和所述第二硅片的淀积金属层16的上表面之间电连接，所述第一背板层2设有上下贯通的至少一个第一通孔5，所述第二背板层15设有上下贯通的至少一个第二通孔12，所述振动膜片层中的振动膜片区域11设有上下贯通的至少一个第三通孔1，所述第三通孔1与所述第一通孔5和第二通孔12二者之一保持贯通，所述第一通孔5和第二通孔12彼此之间错位设置，所述振动膜片区域11上方的第一氧化物层7和正下方的第二氧化物层9以及淀积金属层16均作为牺牲层对所述振动膜片区域11进行释放，所述第二背板层15的淀积金属层16通过第一电极17与所述振动膜片层的下底面电连接,所述第一背板层2还连接有第三电极6。

至少一个所述第一通孔5与其上下贯通的第三通孔1之间设有第一延伸管4，所述第一延伸管4包括管本体，所述管本体靠近所述第一通孔5且在所述振动膜片层的上表面之上的近端部沿径向方向设有若干第四通孔3，所述管本体远离所述第一通孔5且在所述振动膜片层的下表面之下的远端部沿径向方向设有若干第五通孔。

至少一个所述第二通孔12与其上下贯通的第三通孔1之间设有第二延伸管14，所述第二延伸管14包括管本体，所述管本体靠近所述第二通孔12且在所述振动膜片层的下表面之下的近端部沿径向方向设有若干第六通孔13，所述管本体远离所述第二通孔12且在所述振动膜片层的上表面之上的远端部沿径向方向设有若干第七通孔。

所述第二背板层15的淀积金属层16还通过第二电极8与所述振动膜片层的下底面电连接。与第一电极一起实现双电极采集，增强电容变化量采集的实时性和稳定性。

所述第二背板层15还连接有第四电极10。与第一背极板2一道构成将振动膜片层加持在上、下两个背极板间的电容结构。

一种提高线性度的mems硅麦集成电路的设计方法，包括：

所述第一硅片选择为soi衬底片；在soi衬底上的第一氧化物层7上刻出纳米孔后并采用二氧化硅层覆盖在纳米孔上；在第一氧化物层7外生长一层厚度为10微米至20微米的外延层构成振动膜片层；在该外延层上光刻出至少一个第三通孔1的机械结构构成振动膜片层中的振动膜片区域11；

对所述第二硅片中的第二背板层15的淀积金属层16的第一电极17进行金属引线，并在引线后，沉积上第三氧化物层18，实现对引线的保护；

将备好的所述的第一硅片的振动膜片层的下底面和所述第二硅片的第三氧化物层18的上表面对准后烧结并同时使淀积金属层16经所述第一电极17与振动膜片层下底面键合形成电连接；

对第一硅片设有的第一背板层2和第二硅片设有的第二背板层15进行研磨减厚并抛光后，通过干法刻蚀技术对所述第一背板层2刻蚀出上下贯通构成声波的出口的至少一个第一通孔5，对所述第二背板层15刻蚀出上下贯通的至少一个第二通孔12构成声波的入口，所述第一通孔5和第二通孔12彼此之间错位设置，所述第三通孔1与所述第一通孔5和第二通孔12二者之一保持贯通；

在所述第一背板层2上刻蚀金属引线形成第三电极6，在所述第二背板层15上刻蚀金属引线形成第四电极10；通过氢氟酸的腐蚀，将振动膜片区域11上方的第一氧化物层7和正下方的淀积金属层16以及第二氧化物层9以及所述第三氧化物层18作为牺牲层去掉，实现对所述振动膜片区域11的释放。

一种提高线性度的mems硅麦集成电路的设计方法还包括：在至少一个所述第一通孔5与其上下贯通的第三通孔1之间设有第一延伸管4，所述第一延伸管4包括管本体，所述管本体靠近所述第一通孔5且在所述振动膜片层的上表面之上的近端部沿径向方向设有若干第四通孔3，所述管本体远离所述第一通孔5且在所述振动膜片层的下表面之下的远端部沿径向方向设有若干第五通孔。

一种提高线性度的mems硅麦集成电路的设计方法还包括：至少一个所述第二通孔12与其上下贯通的第三通孔1之间设有第二延伸管14，所述第二延伸管14包括管本体，所述管本体靠近所述第二通孔12且在所述振动膜片层的下表面之下的近端部沿径向方向设有若干第六通孔13，所述管本体远离所述第二通孔12且在所述振动膜片层的上表面之上的远端部沿径向方向设有若干第七通孔。

一种提高线性度的mems硅麦集成电路的设计方法还包括：在至少一个所述第一通孔5与其上下贯通的第三通孔1之间已经设有第一延伸管4的前提下，至少一个所述第二通孔12与其上下贯通的第三通孔1之间还设有第二延伸管14，所述第二延伸管14包括管本体，所述管本体靠近所述第二通孔12且在所述振动膜片层的下表面之下的近端部沿径向方向设有若干第六通孔13，所述管本体远离所述第二通孔12且在所述振动膜片层的上表面之上的远端部沿径向方向设有若干第七通孔。

无论是设置的第一延伸管4还是第二延伸管14，都是为了实现均匀分布声压到振动膜片区域11的腔室内，并且通过第一延伸管4在振动膜片层上、下两表面的等高位置设置第四、第五通孔，单独亦或同时将第二延伸管14在振动膜片层上、下两表面的等高位置设置第六、七五通孔，来保证输入声波的静态压力在振动膜片区域11处于整体平衡的状态，使振动膜片层对低频和高频声波响应稳定、平稳，不会出现突变噪点，保持mems传感器在不同频率下的线性响应。此外，所述的第一延伸管4，第二延伸管14可以是两端口的管，也可以是一端口的盲管，都可以满足利用其上设置的小通孔实现对振动膜片区域11的声压均布。

上述所提及的第三氧化物层18可为二氧化硅氧化物层。所述第一电极17或第二电极8，第三电极6、第四电极10与放大电路电连接，放大电路其功能就是为了实现对mems传感器芯片所采集的声电转化信号的差分放大处理，可采用硅麦中常见的专用集成电路asic，其中包括设有mcu的逻辑控制模块以及与mems传感器相关所述电极电连接的运算放大器模块以及外围电源电路模块、时钟等，可参考图4中所采用的专用集成电路asic的成熟的常规技术实施。

图5为本发明专利不同频率下的响应曲线，可以看出，本发明所设计的新型硅麦，在不同频率下的响应曲线一致，在整个频带内没有明显的相位偏离，证明了所设计硅麦具有良好的线性度。

图6所示为传统单背板硅麦的频率响应特性曲线，从对比的角度可以看出，相比图5，图6在低频和高频处具有明显的相位偏离的这种情况下，硅麦偏离线性，出现比较明显的失真，表明传统单背板的硅麦在低频和高频范围内线性度较差。

图7所示为本发明方案在不同增益下，硅麦的信噪比响应曲线，可以看出，最小在88db以上，最高可达92db，该硅麦具有较理想的信噪比。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。