一种MEMS元件以及电声转换装置的制作方法

一种mems元件以及电声转换装置
技术领域
1.本技术涉及微机电系统技术领域，特别是一种mems元件以及电声转换装置。


背景技术：

2.在现有的具有双膜结构的微机电系统(mems)中，包括上膜、下膜以及用于连接上膜和下膜的若干支撑件，支撑件允许上膜和下膜在它们最接近的地方连接。
3.上膜、下膜以及相邻的两个支撑件之间产生一个与空气隔离的密封体积的腔室。通过适当的设计和适当的制造技术，这种腔室的密封体积可以在降低的大气压下或在完全没有空气的情况下(即在真空下)。
4.支撑件的目的是保持膜片平坦，或者至少限制/控制每个支撑件之间膜片的弯曲/变形，以避免当腔室密封体积处于降低的大气压下而外部处于环境大气压下时，上膜和下膜相互折叠(导致重要的压力差)。
5.然而，这种双膜结构的刚度随着内外压力差的增加而增加。刚度被定义为机械灵敏度的反比，因此这种情况导致这种结构的机械灵敏度较低。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本技术提供一种mems元件以及电声转换装置，以解决现有技术中的技术问题，它能够提高mems元件的机械灵敏度。
7.第一方面，本技术提供了一种mems元件，包括：
8.基底，一空腔穿过所述基底；
9.振膜，与所述基底连接，并覆盖所述空腔，所述振膜包括相对设置的第一膜片和第二膜片，所述第一膜片位于所述第二膜片的背离所述空腔的一侧，其中：
10.所述第一膜片包括凸出于所述第一膜片上的第一凸起，所述第一凸起朝向背离所述第二膜片的一侧延伸，所述第一凸起设有开口朝向所述第二膜片的第一凹槽；
11.所述第二膜片包括凸出于所述第二膜片上的第二凸起，所述第二凸起朝向背离所述第一膜片的一侧延伸，所述第二凸起与所述第一凸起相对设置，所述第二凸起设有开口朝向所述第一膜片的第二凹槽。
12.本技术实施例的技术方案中，通过于第一膜片上设有第一凸起，第二膜片上设有第二凸起，第一凸起和第二凸起组合形成波纹形的振膜，能减小所形成的振膜的内应力，随着内外压差的增大，振膜膜片的刚度减小，有效提高mems元件的机械灵敏度。
13.在一些实施例中，所述第一凸起和所述第二凸起均设有多个，多个所述第一凸起和多个所述第二凸起均沿着所述振膜的径向间隔设置。
14.在一些实施例中，所述第一凸起和所述第二凸起靠近所述振膜的边缘设置。
15.在一些实施例中，所述第一凸起和所述第二凸起靠近所述振膜的中心设置。
16.在一些实施例中，所述第一凸起和所述第二凸起的形状以及尺寸均相同。
17.在一些实施例中，所述第一凸起和所述第二凸起在垂直于所述振膜表面的形状为
矩形、梯形或三角形。
18.在一些实施例中，所述第一膜片和所述第二膜片之间设有支撑件，所述支撑件的第一端与所述第一膜片连接，且位于两个相邻的所述第一凸起之间，所述支撑件的第二端与所述第二膜片连接，且位于相邻的两个所述第二凸起之间。
19.在一些实施例中，所述第一膜片、第二膜片与两个相邻的所述支撑件之间合围形成容纳腔，所述容纳腔内设有对电极。
20.在一些实施例中，所述容纳腔是气密密封的，所述容纳腔的内部压力小于外部大气压力。
21.在一些实施例中，所述容纳腔的内部压力与外部大气压力之间形成压差，所述第一膜片和所述第二膜片的机械灵敏度随所述压差的增加而增加。
22.在一些实施例中，所述第一膜片和所述第二膜片均由导电材料制成或包括其上设置有导电元件的绝缘膜。
23.在一些实施例中，所述对电极包括单个导体，使得在所述第一膜片和所述单个导体之间形成第一电容，在所述第二膜片和所述单个导体之间形成第二电容。
24.在一些实施例中，其中所述对电极包括面向所述第一膜片的第一表面和面向所述第二膜片的第二表面，导电元件分别设置在所述第一表面和第二表面上，使得第一电容形成在所述第一膜片和设置在所述第一表面上的导电元件之间，第二电容形成在所述第二膜片和设置在所述第二表面上的导电元件之间。
25.第二方面，本技术还提供了一种电声转换装置，包括前述的mems元件以及与所述mems元件电连接的电路装置。
26.上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。
附图说明
27.通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本技术的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：
28.图1是第一种结构振膜的结构示意图；
29.图2是第一种结构振膜状况下的第一膜片的俯视图；
30.图3是第二种结构振膜的结构示意图；
31.图4是第三种结构振膜的结构示意图；
32.图5是第四种结构振膜的结构示意图；
33.图6是电声转换装置的结构示意图。
34.在附图中，附图未必按照实际的比例绘制。
35.具体实施方式中的附图标号如下：
36.10-基底，11-空腔；
37.20-振膜，21-第一膜片，211-第一凸起，212-第一凹槽，22-第二膜片，221-第二凸起，222-第二凹槽，23-容纳腔；
38.30-支撑件；
39.40-对电极，41-导电元件；
40.50-辐条；
41.100-电声转换装置；
42.200-mems元件；
43.300-电路装置。
具体实施方式
44.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，而不能解释为对本发明的限制。
45.参照图1至图5所示，本发明提供了一种mems元件200，包括：
46.基底10，一空腔11穿过基底10，优选的是，空腔11的内轮廓面为圆形结构。
47.振膜20，与基底10连接，并覆盖空腔11，振膜20包括相对设置的第一膜片21和第二膜片22，第一膜片21位于第二膜片22的背离空腔11的一侧，本实施例中，第一膜片21和第二膜片22均为同心设置的圆形结构，第一膜片21和第二膜片22之间保持预设间隙，第一膜片21和第二膜片22可以由导电材料制成，或者包括在其上设置有导电元件的绝缘膜。其中：
48.第一膜片21包括凸出于第一膜片21上的第一凸起211，第一凸起211朝向背离第二膜片22的一侧延伸，第一膜片21上不存在第一凸起211的部分是平坦的，第一凸起211设有开口朝向第二膜片22的第一凹槽212，第一凹槽212的槽型可根据第一凸起211的截面形状相同，第一膜片21的上表面为背离空腔11的表面，第一凸起211的上表面的高于第一膜片21的上表面，可以理解的是，第一膜片21中一部分呈弯折状(包括多个第一凸起211)构成波纹，另一部分为非弯折状，其中，非弯折状的部分例如为平板状结构。
49.第二膜片22包括凸出于第二膜片22上的第二凸起221，第二凸起221朝向背离第一膜片21的一侧延伸，第二膜片22上不存在第二凸起221的部分是平坦的，第二凸起221与第一凸起211相对设置，第二凸起221设有开口朝向第一膜片21的第二凹槽222，第二凹槽222的槽型可根据第二凸起221的截面形状相同。第二膜片22的下表面为靠近空腔11的表面，第二凸起221的下表面的低于第二膜片22的下表面。可以理解的是，第二膜片22中一部分呈弯折状(包括多个第一凸起211)构成波纹，另一部分为非弯折状，其中，非弯折状的部分例如为平板状结构。
50.优选的是，第一凸起211和第二凸起221的形状以及尺寸均相同，以形成规则波纹，使得整个振膜20所受的应力分布均匀，同时利于成型加工。同时，第一凸起211和第二凸起221在垂直于振膜20表面的形状可以为矩形、梯形或三角形等，第一凸起211和第二凸起221的倾斜面的角度大于0
°
，小于等于90
°
，本领域的技术人员可以知晓，第一凸起211和第二凸起221在垂直于振膜20表面的形状可以是规则图形也可以是不规则图形，在此不做限定。
51.第一凸起211和第二凸起221共同构成振膜20的波纹，由于波纹结构允许振膜20中的拉应力减小，因此振动膜20的拉应力减小，能够承受较大的声压；同时第一凸起211背向空腔11突起，第二凸起221朝向空腔11突起，从而使所构成的振膜20具有较小的内应力，随着内外压差的增大，振膜20膜片的刚度减小，有效提高mems元件200的机械灵敏度。
52.进一步的，第一凸起211和第二凸起221均设有多个，多个第一凸起211和多个第二
凸起221均沿着振膜20的径向间隔设置，从而使得振膜20中至少设置有两个波纹，多个波纹可根据振膜20的中心对称分布。具体的说，当振动膜为圆盘状结构时，波纹可以为围绕圆盘状结构的中心呈圆周排布。
53.振膜20内部压力与外部大气压之间的压差在超过一定阈值后，由于膜片20在水平方向(平行于膜片20的表面)上的拉应力的减小，多个波纹可以有效地增加膜片20的机械灵敏度。
54.当然，波纹结构的数量有一个最佳值，具有此最佳数量的波纹结构情况下，振膜20的机械灵敏度具有最优值，在一些实施例中，波纹结构为7是最佳数量，本领域的技术人员可以知晓，此最佳数量可以根据实际条件得出，在此不做限定。
55.参照图3和图4所示，第一凸起211和第二凸起221靠近振膜20的边缘设置，第一凸起211和第二凸起221可设为一个或多个，以避免振膜20产生较大的形变。
56.参照图5所示，第一凸起211和第二凸起221靠近振膜20的中心设置，从而使得双膜结构具有最高的柔顺性，相对于传统的单层沉积材料形成的传统膜的机械灵敏度更高。
57.参照图1至图5所示，第一膜片21和第二膜片22之间设有支撑件30，支撑件30沿着垂直于振膜20的方向延伸，支撑件30的第一端与第一膜片21连接，且位于两个相邻的第一凸起211之间，支撑件30的第二端与第二膜片22连接，且位于相邻的两个第二凸起221之间。以将第一膜片21和第二膜片22机械耦合，支撑件30优选由氮化硅制成。
58.支撑件30可以是一个整体壁状结构，也可以是内设有空间，空间内可填充有填充材料，填充材料可以是氧化物，例如氧化硅。或者，空间内可以是空的。也可以于空间上开设有槽洞，允许外部环境的空气或者蚀刻溶液进入空间内，以释放填充材料，从而增加第一膜片21和第二膜片22的柔顺性，同时减少第一膜片21和第二膜片22之间的板间电容。
59.支撑件30可以与第一膜片21和第二膜片22中的一个一体形成。或者，在第一膜片21和第二膜片22组装在一起之后，在两者之间形成支撑件30。
60.第一膜片21、第二膜片22与两个相邻的支撑件30之间合围形成容纳腔23，其中容纳腔23是气密密封的，在一些实施例中，其内部压力小于外部大气，优选的是，容纳腔23的内部压力为0.1atm-0.2atm，在一些实施例中，容纳腔23是真空的。
61.容纳腔23的内部压力与外部大气压力之间形成压差，并且由第一膜21和第二膜22形成的结构的机械灵敏度随着压差的增加而增加。即，由第一膜21和第二膜22形成的结构的刚度随着压差的增大而减小。
62.参照图2所示，容纳腔23内设有对电极40，对电极40利用辐条50悬挂到容纳腔23内，对电极40沿着振膜20的周向方向延伸，对电极40和支撑件30之间无机械耦合，多个对电极40和多个支撑件30沿着振膜20的径向方向交替布置。
63.导电元件41分别设置在对电极40的相对的上表面和下表面上，第一膜片21与对电极40的导电元件41隔开，使得在它们之间形成第一电容。第二膜片22与对应的对电极40的导电元件41隔开，使得在它们之间形成第二电容。响应于施加在第一膜片21和第二膜片22上的压力，第一膜片21和第二膜片22相对于对应的对电极40可移动，从而改变第一膜片21和第二膜片22与支撑件30的对应的对电极40之间的距离，这导致电容改变并相应地输出电信号。
64.或者，对电极40包括单个导体，使得第一电容形成在第一膜片21和单个导体之间，
第二电容形成在第二膜片22和单个导体之间。
65.基于以上实施例，本发明还提供了一种电声转换装置100，参照图6所示，包括前述的mems元件200以及与mems元件200电连接的电路装置300(asic)，电声转换装置100可以是麦克风或扬声器等。
66.上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。