[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

专利申请No.PCT/CN2013/080908公开了一种具有挡块结构(stopper structure)的硅麦克风，其中在振膜的边缘的周围形成有窄槽(narrowslot) 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AnalogDevices 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。

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。

P.Scheeper等(PatrickR.Scheeper、WouterOlthuis和PietBergveld，“褶 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)环状褶皱导致可以观察 到高达2～7μm的振膜的大的静态挠度(staticdeflection)，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

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。

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。

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。

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。