柔性膜及硅麦克风的制作方法

1.本发明涉及一种用于声电转换的电子器件，特别是涉及一种柔性膜以及基于该柔性膜制备的硅麦克风。


背景技术：

2.现今的智能手机和智能音箱中使用的都是用硅晶圆技术制造的麦克风。这种麦克风具有体积小、功耗低、性能优异、一致性好、便于装配等特点。硅麦克风的核心部件是一层可以往复振动的柔性膜，柔性膜在声波的作用下产生振动，导致柔性膜和背板之间的距离发生变化，进而使电容系统的电容发生改变，从而将声波信号转化为电信号。在制造这种麦克风的过程中以及麦克风在长期工作中，柔性膜可能因受到高气压的冲击而损坏。如何在承受高气压冲击时不损坏，成为了设计麦克风的一个难点。在授权专利cn205847597u和授权专利cn207706427u中分别提出了一种由多个圆形孔构成的圆形泄气孔的柔性膜，使得柔性膜在承受高气压冲击时，空气可以通过泄气缝泄露过去，从而降低柔性膜所需承受的压力。然而这种柔性膜在正常工作时，由于泄气缝的泄气作用过强，会造成麦克风的低频响应较差。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种柔性膜及硅麦克风，用于解决现有技术中柔性膜在受到高气压的冲击时容易损坏，而采用具有多个圆形孔构成泄气通道会因泄气作业过强而造成麦克风的音频低频响应性能劣化等问题。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种柔性膜，所述柔性膜包括柔性膜本体和位于所述柔性膜本体上的泄气结构，所述泄气结构包括依次蜿蜒连接的第一弧形缝、第一直线缝、第二弧形缝、第二直线缝、第三弧形缝、第三直线缝及第四弧形缝；所述泄气结构以所述第二直线缝的中点为中心呈圆心对称；所述第二弧形缝的弦长大于所述第一直线缝和所述第二直线缝之间的最小距离，所述第三弧形缝的弦长大于所述第二直线缝和所述第三直线缝之间的最小距离；所述第二弧形缝和所述第三弧形缝均朝背离所述第二直线缝的方向凸起；所述第一弧形缝和所述第三弧形缝具有第一外公切线，所述第二弧形缝和所述第四弧形缝具有第二外公切线，所述第一外公切线与所述第二直线缝的夹角及所述第二外公切线与所述第二直线缝的夹角均为锐角。
5.可选地，所述第二弧形缝的弦长大于所述第一弧形缝的弦长，所述第三弧形缝的弦长大于所述第四弧形缝的弦长。
6.可选地，所述第一弧形缝、第一直线缝、第二弧形缝、第二直线缝、第三弧形缝、第三直线缝及第四弧形缝的宽度小于5微米。
7.可选地，所述第一弧形缝未与所述第一直线缝相连接的端部为圆弧状，所述第四弧形缝未与所述第三直线缝相连接的端部为圆弧状。
8.可选地，所述柔性膜本体的材料包括多晶硅。
9.可选地，所述第一弧形缝、第二弧形缝、第三弧形缝及第四弧形缝的弧度相同。
10.可选地，所述泄气结构为多个，所述多个泄气结构沿所述柔性膜本体的周向均匀间隔分布。
11.本发明还提供一种硅麦克风，所述硅麦克风包括如上述任一方案中所述的柔性膜。
12.如上所述，本发明的柔性膜及硅麦克风具有以下有益效果：本发明通过在柔性膜本体上设置由多段弧形缝和直线缝构成的蜿蜒曲折状的泄气结构，使得柔性膜在承受高气压冲击时，空气可以通过泄气结构快速释放出去，从而降低柔性膜所需承受的压力，且可以有效避免在受到高气压冲击时泄气缝之间发生相互碰撞，在气压通过后可以迅速恢复至原貌。本发明将泄气结构设置为呈圆心对称的蜿蜒曲折状且各段泄气缝的形状及大小精心设置，在有限的区域内可以最大程度扩展泄气面积，有助于改善麦克风的低频响应性能。此外，本发明还可以确保泄气结构的两瓣被气压打开时，局部应力沿弧形均匀分布，降低泄气结构的两瓣破损的风险。基于本发明的柔性膜制备的硅麦克风，其性能和可靠性可以有效提高。
附图说明
13.图1及图2为本发明的柔性膜的例示性结构示意图。
14.图3为图1及图2中的泄气结构的放大示意图。
15.图4为本发明的柔性膜的泄气结构在受到高气压冲击发生形变的状态示意图。
16.图5为本发明的柔性膜的泄气结构的应力分布图。
17.图6为本发明的柔性膜的泄气结构在无两端的弧形缝时的应力分布图。
18.元件标号说明
19.11
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柔性膜本体
20.12
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泄气结构
21.121
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第一弧形缝
22.122
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第一直线缝
23.123
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第二弧形缝
24.124
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第二直线缝
25.125
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第三弧形缝
26.126
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第三直线缝
27.127
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第四弧形缝
28.128
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第一外公切线
29.129
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第二外公切线
具体实施方式
30.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
31.请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实
施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容的变更下，当亦视为本发明可实施的范畴。
32.如图1至图5所示，本发明提供一种柔性膜，所述柔性膜包括柔性膜本体11和位于所述柔性膜本体11上的泄气结构12，所述泄气结构12包括依次蜿蜒连接的第一弧形缝121、第一直线缝122、第二弧形缝123、第二直线缝124、第三弧形缝125、第三直线缝126及第四弧形缝127，即第一弧形缝121、第一直线缝122、第二弧形缝123、第二直线缝124、第三弧形缝125、第三直线缝126及第四弧形缝12并不在一条直线上而是成为蜿蜒曲折的多段；所述泄气结构12以所述第二直线缝124的中点为中心呈圆心对称；所述第二弧形缝123的弦长l2大于所述第一直线缝122和所述第二直线缝124之间的最小间距d1，比如所述第二弧形缝123的弦长l2可以为所述第一直线缝122和所述第二直线缝124之间的最小间距d1的1.5倍以上(优选为1.5～3倍)；所述第三弧形缝125的弦长l3大于所述第二直线缝124和所述第三直线缝126之间的最小间距d2；所述第二弧形缝123和所述第三弧形缝125均朝背离所述第二直线缝124的方向凸起，即所述第二弧形缝123、第一直线缝122和第二直线缝124共同围成了一个开口小的瓶颈结构，与之相应地，所述第三弧形缝125、第二直线缝124及第三直线缝126共同围成了一个开口小的瓶颈结构，瓶颈结构有助于进一步改善所述泄气结构的泄气效果，而直线缝的设计则可以极大降低所述泄气结构12在受到高气压冲击时相邻的缝隙段发生碰撞或挤压，且通过设计所述第一直线缝122、第二直线缝124及第三直线缝126可以使所述泄气结构12更加狭长，在受到高气压冲击时所述第二弧形缝123和第三弧形缝125所在的部分更容易自柔性膜本体11表面翘起而实现快速泄气的效果；所述第一弧形缝121和所述第三弧形缝125具有第一外公切线128(即该线段与所述第一弧形缝121和所述第三弧形缝125均有且仅有一个交点)，所述第二弧形缝123和所述第四弧形缝127具有第二外公切线129(同样地，该线段与所述第二弧形缝123和所述第四弧形缝127均有且仅有一个交点)，且所述第二弧形缝123和所述第四弧形缝127的第二外公切线129和所述第二直线缝124的夹角θ为锐角，与之相应地所述第一弧形缝121和所述第三弧形缝125的第一外公切线128和所述第二直线缝124的夹角θ同样为锐角，由此可以有效避免泄气结构12的两个对称部分在受高气压冲击打开时彼此发生碰撞和/或交叠，并使所述泄气结构在气压通过后可以迅速恢复原貌。本发明通过在柔性膜本体上设置蜿蜒曲折状的泄气结构，使得柔性膜在承受高气压冲击时，空气可以通过泄气结构释放出去，从而降低柔性膜所需承受的压力，并可以有效避免在受到高气压冲击时泄气缝之间发生碰撞，在气压通过后可以迅速恢复至原貌。本发明将泄气结构设置为呈圆心对称的蜿蜒曲折状且各段泄气缝的形状及大小精心设置，在有限的区域内可以最大程度扩展泄气面积，有助于改善麦克风的低频响应性能。此外，本发明还可以确保泄气结构的两瓣被气压打开时，局部应力沿弧形均匀分布，降低泄气结构的两瓣破损的风险。基于本发明的柔性膜制备的硅麦克风，其性能和可靠性可以有效提高。
33.弧形缝顾名思义就是缝隙本身具有弧度，而直线缝顾名思义就是呈直线状的缝隙，本发明通过将多段弧形缝与多段直线缝相结合的巧妙设计，可以极大提升柔性膜的可靠性。将本发明的柔性膜应用于各类电子器件时，可以有效提高器件的可靠性。
34.需要说明的是，所述第一直线缝122和所述第二直线缝124在各处的间距是不同的，在与所述第二弧形缝123相邻处的距离最大(该距离实际上与所述第二弧形缝123的弦长l2相等)，而在远离所述第二弧形缝123的一端(也即所述第一弧形缝121与第一直线缝122的交点与第二直线缝124与第三弧形缝125交点之间的距离)距离最小。同样地，所述第二直线缝124与第三直线缝126在各处的间距也不相同，具体可以参考图3。所述第一直线缝122、第二直线缝124和第三直线缝126的长度优选相同，有利于结构的稳定。
35.作为示例，所述柔性膜本体11的材料优选为多晶硅，即所述柔性膜本体11可以是多晶硅层，为确保所述柔性膜本体11的柔性，所述多晶硅层可以是基于对流辅助化学气相沉积方法(convection-assisted cvd，简称cocvd)制备并经快速热退火(rapid thermal processing，简称rtp)处理而成。所述泄气结构12优选完全贯穿所述柔性膜本体11，即所述第一弧形缝121、第一直线缝122、第二弧形缝123、第二直线缝124、第三弧形缝125、第三直线缝126及第四弧形缝127均完全穿透所述柔性膜本体11以形成泄气通道。且需要说明的是，将所述泄气结构12区分为所述第一弧形缝121、第一直线缝122、第二弧形缝123、第二直线缝124、第三弧形缝125、第三直线缝126及第四弧形缝127只是出于描述的方便，实际上所述泄气结构12优选通过同一刻蚀工艺一步形成，任意相邻的两段缝隙之间是连通的。所述泄气结构12的宽度需精心设置，太大容易造成其自身和柔性膜本体11的破损，太小则起不到好的泄气作用。发明人经反复试验发现，所述泄气结构12各处的宽度(即所述第一弧形缝121、第一直线缝122、第二弧形缝123、第二直线缝124、第三弧形缝125、第三直线缝126及第四弧形缝127的宽度)优选相同且宽度优选小于5微米，更优的为2-4微米(包括端点值)，比如为2微米，3微米、4微米或介于这区间的任意值，这样的设置可以在泄气能力和结构稳定性之间起到较好的平衡，同时在工艺上也很容易实现。当然，在其他示例中，所述泄气结构12的宽度可以沿纵向方向自上而下逐渐缩小，即所述泄气结构12的横截面呈倒梯形或类似漏斗状结构，也即所述泄气结构12的横截面呈现为斜面，有助于气压的释放，同时有助于泄气结构12以及所述柔性膜本体11的稳定。
36.作为示例，所述第二弧形缝123的弦长l2大于所述第一弧形缝121的弦长l1，由于所述泄气结构12以所述第二直线缝124的中点为圆心对称，故相应地，所述第三弧形缝125的弦长l3大于所述第四弧形缝127的弦长l4，所述第一弧形缝121和所述第四弧形缝127不仅有助于应力的均匀分布，同时有助于进一步提高所述柔性膜本体11和所述泄气结构12的稳固性。
37.第一外公切线128及第二外公切线129与第二直线缝124的夹角不宜太小，否则在气压太大，所述泄气结构被打开时可能导致所述第二直线缝124和所述第三直线缝126之间发生碰撞。发明人经多次试验发现，该角度在60
°
～80
°
之间是较为合适的选择。
38.作为示例，所述第一弧形缝121未与所述第一直线缝122相连接的端部，即所述第一弧形缝121的自由端为圆弧状，所述第四弧形缝127未与所述第三直线缝126相连接的端部，即所述第三弧形缝125的自由端为圆弧状，圆弧状的结构设置有助于在所述泄气结构12受到高气压冲击时，将高气压的冲击限制在所述泄气结构12内，避免对所述柔性膜本体11造成进一步的损伤。
39.作为示例，所述第一弧形缝121、第二弧形缝123、第三弧形缝125及第四弧形缝127的弧度相同，相同的弧度设置有助于在所述泄气结构12在受到高气压冲击时尽量保持各处
形变幅度的一致，有助于提高所述柔性膜的可靠性。
40.作为示例，所述泄气结构12为多个，所述多个泄气结构12沿所述柔性膜本体11的周向均匀间隔分布，比如为3个或3个以上，所述泄气结构12在所述柔性膜本体11上的分布可以如图1所示，即所述第二直线缝124与所述柔性膜本体11的径向近似垂直，也可以如图2所示，即所述第二直线缝124与所述柔性膜本体11的径向平行或接近平行。当然，所述泄气结构12的设置还可以有其他结构，比如所述泄气结构12可以沿所述柔性膜本体11的周向分布两圈，具体设置还与所述柔性膜的大小相关，本实施例中并不严格限制。当然，所述泄气结构12通常设置于所述柔性膜的外围的周向上，以避免对所述柔性膜的正常工作造成不良影响。
41.发明人对本发明的柔性膜的泄气效果进行了验证。如图4所示，因为设计了所述第一直线缝122、第二直线缝124及第三直线缝126使得所述泄气结构12更加狭长，故在受到高气压冲击时所述泄气结构12将发生形变，导致所述第二弧形缝123和第三弧形缝125所在的部分会更容易自所述柔性膜本体11的表面翘起以实现快速泄气(由于有所述第一弧形缝121和所述第四弧形缝127的支撑，所述泄气结构12整体相对稳定)，但由于所述第二弧形缝123和所述第四弧形缝127的第二外公切线129和所述第二直线缝124的夹角θ及所述第一弧形缝121和所述第三弧形缝125的第一外公切线128和所述第二直线缝124的夹角θ均为锐角，因而相邻的泄气缝之间不会发生碰撞和/或交叠，并使所述泄气结构12在气压通过后可以迅速恢复原貌。
42.发明人还对本发明的柔性膜的应力分布进行了模拟测试。如图5及图6所示，可以看到，在没有所述第一弧形缝121和第四弧形缝127的情况下，应力会相对集中在所述泄气结构12的末端(端部的应力值高达2.5gpa)；而通过设置所述第一弧形缝121和第四弧形缝127，应力均匀性得到极大改善(应力值可以降低至1.4-1.5gpa左右)，因而可以有效提高所述柔性膜的性能。
43.本发明还提供一种硅麦克风，所述硅麦克风包括如上述任一方案中所述的柔性膜，对所述柔性膜的介绍还请参考前述内容，出于简洁的目的不赘述。当然，所述硅麦克风还进一步包括基底和背板等结构，由于硅麦克风的结构为本领域技术人员所熟知，出于简洁的目的不赘述。基于本发明的柔性膜制备的硅麦克风在可靠性有效提升的同时，其低频响应性能可以得到显著改善。
44.综上所述，本发明提供一种柔性膜及基于该柔性膜的硅麦克风。所述柔性膜包括柔性膜本体和位于所述柔性膜本体上的泄气结构，所述泄气结构包括依次蜿蜒连接的第一弧形缝、第一直线缝、第二弧形缝、第二直线缝、第三弧形缝、第三直线缝及第四弧形缝；所述泄气结构以所述第二直线缝的中点为中心呈圆心对称；所述第二弧形缝的弦长大于所述第一直线缝和所述第二直线缝之间的最小距离，所述第三弧形缝的弦长大于所述第二直线缝和所述第三直线缝之间的最小距离；所述第二弧形缝和所述第三弧形缝均朝背离所述第二直线缝的方向凸起；所述第一弧形缝和所述第三弧形缝具有第一外公切线，所述第二弧形缝和所述第四弧形缝具有第二外公切线，所述第一外公切线与所述第二直线缝的夹角及所述第二外公切线与所述第二直线缝的夹角均为锐角。本发明通过在柔性膜本体上设置由多段弧形缝和直线缝构成的蜿蜒曲折状的泄气结构，使得柔性膜在承受高气压冲击时，空气可以通过泄气结构更加快速地释放出去，从而降低柔性膜所需承受的压力，且可以有效
避免在受到高气压冲击时泄气缝之间发生碰撞和/或交叠，并使所述泄气结构在气压通过后可以迅速恢复原貌。本发明将泄气结构设置为呈圆心对称的蜿蜒曲折状且各段泄气缝的形状及大小精心设置，在有限的区域内可以最大程度扩展泄气面积，有助于改善麦克风的低频响应性能。此外，本发明还可以确保泄气结构的两瓣被气压打开时，局部应力沿弧形均匀分布，降低泄气结构的两瓣破损的风险。基于本发明的柔性膜制备的硅麦克风，其性能和可靠性可以有效提高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
45.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。