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表面微机械加工的差动式传声器

阅读：880发布：2021-03-02

IPRDB可以提供表面微机械加工的差动式传声器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种差动式传声器，具有围绕传声器膜片形成的一个周边缝隙，该周边缝隙替代在常规的硅制的、微机械加工的传声器中以前所要求的背侧孔。该差动式传声器是通过将硅制造技术仅应用到硅片的一个单独的前面上而形成的。现有技术中传声器的背侧孔典型地要求在制造过程中于硅片的后表面上进行一种二次机加工操作。这个二次操作使如此制造的微机械加工的传声器增加了复杂性和成本。形成的一个电容性安排的一部分的多个梳齿可以制成该差动式传声器膜片的一部分。，下面是表面微机械加工的差动式传声器专利的具体信息内容。

1.形成一个微型的、表面微机械加工的、差动式传声器的一种方法，其步骤包括：a）在一个硅片的顶表面上沉积一个牺牲层;

b）在所述牺牲层的上表面上沉积一个膜片材料层;

c）蚀刻所述膜片材料层以便在其中隔离一个膜片；并且

d）从所述膜片下的一个区域移除所述牺牲层的至少一个部分，

其中所述蚀刻步骤（c）进一步包括沿所述膜片周边的至少一个部分形成多个梳状感测指的子步骤。

2.如权利要求1中所述的方法，这些步骤进一步包括：

e）形成在所述硅片的所述顶表面与所述牺牲层中间的一个导电层。

3.如权利要求1中所述的方法，其中所述沉积步骤（a）包括沉积至少一种材料的一个层，该材料来自下组：二氧化硅、低温氧化物（LTO）、磷硅酸盐玻璃（PSG）、铝、光致抗蚀剂材料、高分子材料。

4.如权利要求1中所述的方法，其中所述沉积步骤（b）包括沉积至少一种材料的一个层，该材料来自下组：多晶硅、氮化硅、金、铝、和铜。

5.一种微型的、表面微机械加工的、差动式传声器，包括：

a)一个硅基片;

b）置于所述硅基片的上表面上的一个牺牲层;

c）置于所述牺牲层的上表面上的一个膜片材料层;

d）在所述膜片材料层中形成的一个膜片，该膜片由一个铰链支撑并且在其他方面由邻近所述膜片的外周的一个缝隙与所述膜片材料层的其余部分隔离开;e）在所述膜片下的一个封闭的背侧体积，该体积具有由所述牺牲层的厚度限定的一个深度，所述背侧体积仅通过所述缝隙与其外部的区域连通；以及f）沿所述膜片的周边的至少一个部分安置的多个梳状感测指。

6.如权利要求5中所述的微型的、表面微机械加工的、差动式传声器，进一步包括：在所述硅基片的顶表面与所述牺牲层中间的一个导电层。

7.如权利要求5中所述的微型的、表面微机械加工的、差动式传声器，其中所述牺牲层包括来自下组的至少一种材料：二氧化硅、低温氧化物（LTO），磷硅酸盐玻璃（PSG）、铝、光致抗蚀剂材料、高分子材料。

8.如权利要求5中所述的微型的、表面微机械加工的、差动式传声器，其中所述膜片材料层包括来自下组的至少一种材料：多晶硅、氮化硅、金、铝、和铜。

9.一种包括在一个微型的、表面微机械加工的、差动式传声器中的膜片，该膜片形成在一个膜片材料层中并由一个铰链支撑，以及所述膜片下的一个封闭的背侧体积，该背侧体积具有一个侧表面和一个底表面并具有位于所述侧表面和底表面之一中的一个孔，该孔允许在该背侧体积与在其外部的一个区域之间的连通，其改进包括：a）置于所述膜片的周边和一个膜片材料层之间的一个缝隙，通过该缝隙所述膜片与该膜片材料层隔离开；

b）在所述膜片下并具有一个侧表面和一个底表面的一个封闭的背侧体积，除了经由所述缝隙，所述侧表面和所述底表面各自与所述背侧体积外部的一个区域隔离开；以及c）沿所述膜片的周边的至少一个部分安置的多个梳状感测指。

10.一种传声器，包括：

一个基片，具有在其一个表面上沉积的一个牺牲层，以及置于所述牺牲层顶部的一个膜片层，穿过所述膜片层形成的一个孔，并且该膜片层下方的所述牺牲层的至少一部份被移除，产生了一个浮动膜片，该浮动膜片具有在所述膜片层和所述基片之间的一个空隙，其中所述浮动膜片具有响应于声波的一个旋转运动的轴线，该声波基本上平行于所述浮动膜片的一个平面，并且其中沿所述浮动膜片的至少一个部分安置有多个梳状感测指;以及一个转换器，用于产生一个电信号，该电信号响应于所述浮动膜片由于声波而引起的相对于所述基片的一个位移。

11.根据权利要求10所述的传声器，其中所述轴线被定位为，响应于一个声波，使所述浮动膜片的一个部分在沿垂直于所述浮动膜片的平面的一个轴线的方向上移动，同时所述浮动膜片的另一部分在相反方向上沿垂直于所述浮动膜片的平面的一个轴线移动。

12.根据权利要求11所述的传声器，其中就响应于声波的运动而言所述浮动膜片后面的一个体积是恒定的。

13.根据权利要求10所述的传声器，其中所述浮动膜片后面的一个空隙空间具有与所述牺牲层深度大致相同的一个深度。

14.根据权利要求10所述的传声器，其中所述浮动膜片具有多个对应的差动式响应区域，进一步包括至少有一个声屏障以将这些对应的差动式响应区域与一个入射声波的不同部分隔离开。

15.根据权利要求10所述的传声器，其中所述孔包括一个允许空气从中流过的缝隙。

16.根据权利要求15所述的传声器，其中，响应于具有振幅P和频率ω的声波，该声波具有大于所述空隙的最大线性尺寸的波长，所述浮动膜片具有沿所述轴线的维度Ly和垂直于所述轴线的维度Lx，所述声波将所述浮动膜片偏转小角度，从所述轴线测得的相对于所述轴线作用在所述浮动膜片的一个侧面上的一个力矩M是：

17.根据权利要求10所述的传声器，其中所述转换器具有对声波的一个近似一阶的方向性响应。

18.根据权利要求10所述的传声器，其中，所述轴线被定位为响应于一个声波使所述浮动膜片的一部分在沿垂直于所述浮动膜片的平面的一个轴线的方向上移动同时所述浮动膜片的另一部分在相反方向上沿垂直于所述浮动膜片的平面的一个轴线移动；并且其中就响应于声波的运动而言所述浮动膜片后面的一个空隙体积是恒定的；所述孔包括允许空气从中流过的一个缝隙；并且响应于振幅为P并具有大于所述空隙的一个最大线性尺寸的一个波长和频率ω的声波，所述浮动膜片具有沿所述轴线的维度Ly和垂直于所述轴线的维度Lx，所述声波使所述浮动膜片偏转小角度，从所述轴线测得的相对于所述轴线作用在所述浮动膜片的一个侧面上的一个力矩M是：

说明书全文

表面微机械加工的差动式传声器

技术领域

[0001] 本发明涉及差动式传声器，并且更具体地说，涉及一种微机械加工的、无背侧空气压力释放孔的、可利用表面微机械加工技术制造的差动式传声器。

背景技术

[0002] 本申请涉及2004年9月7日对于“差动式传声器”授权的美国专利号6,788,796；以及2003年10月20日对于“用于一种声学装置的耐用膜片”提交的共同未决的美国的专利申请序列号10/689,189；以及2005年8月5日对于“梳式感测传声器”提交的序列号
11/198,370；所有这些文件通过引用结合在此。
[0003] 在现有技术中的典型的微机械加工的传声器中，通常有必要在传声器膜片后保持一个相当体积的空气，以防止背面体积的空气阻碍膜片的运动。膜片后面的空气充当一种线性弹簧，其硬度与空气标称体积成反比。为了使这一空气体积尽可能的大，并因此减少有效硬度，通常从硅片的背面切开一个通孔。对该背面孔的要求显著地增加了这类现有技术的微机械加工传声器的的复杂性和成本。本发明能够制造一种不要求背面孔的传声器。因此，发明的传声器可以仅使用表面微机械加工技术来制造。

发明内容

[0004] 根据本发明，提供了具有围绕传声器膜片形成的一个周边缝隙的一种差动式传声器。因为膜片响应于声音的运动不会导致在膜片背后空间中空气的净压力，使用一个很小的后腔是可能的，从而排除了产生一个背侧孔的需要。现有技术传声器的背侧孔典型地要求在制造过程中在硅片上实施一种二次机加工操作。这种二次操作对如此制造的传声器增加了复杂性和成本并导致较低产率。因此，本发明的传声器要求只从硅片的一个单侧的表面机械加工。

附图说明

[0005] 通过参考附图并结合随后的详细说明来考虑可以得到对本发明充分理解，在附图中：
[0006] 图1是根据本发明的一个微机械加工的传声器膜片的一个俯视图；
[0007] 图2是本发明的一个差动式传声器的侧面、截面示意图；
[0008] 图3和4分别是图2的差动式传声器作为不具有或具有其动作指示的一系列膜片的示意图；
[0009] 图5是显示在图1膜片上的一个入射声波方向的一个图例；
[0010] 图6a至6d是本发明的创造性的表面微机械加工的传声器的各个制造阶段的示意图；
[0011] 图7是通过移除图6d中牺牲层的一部分所形成的一个差动式传声器的一个侧面的、断面的示意图；和
[0012] 图8是图2传声器的一个替代实施例的一个侧面的、断面的示意图。

具体实施方式

[0013] 本发明涉及通过硅片的一个单一表面进行表面微机械加工所形成的一种微机械加工的差动式传声器。
[0014] 一个典型的传声器膜片的运动导致在膜片后面区域的空气净体积(即，背侧体积)的波动。本发明提供了一种传声器膜片，该传声器膜片被设计为由于声压而摇动，并因此不会显著地压缩背侧体积的空气。
[0015] 已经开发了用于传声器膜片的声学响应的一种分析模型，该模型包括围绕周边的一个隙缝以及膜片后面的背侧体积中的空气的效果。如果将膜片设计为围绕一个中央枢轴摇动，那么该背侧体积以及该缝隙对其由声音引起的响应具有一个可忽略的作用。
[0016] 首先参见图1和2，它们分别显示了包括围绕膜片周边的一个缝隙的微机械加工传声器膜片的一个俯视图，和根据本发明的一个差动式传声器的一个侧面的、断面的示意图，总体上为参考号100。一个刚性膜片102由铰链104支撑，它构成一个支点106，围绕该支点膜片102可以“摇动”(即，往复地转动)。空气背侧体积108形成在一个腔体110中，该腔体形成在芯片基底112中。在膜片102的周边103和芯片基底112之间形成了一个缝隙114。
[0017] 膜片102由于一个净力矩而围绕支点106转动，该净力矩由声波压力中的差值而产生，该声波压力入射到由中央支点106分开的上表面部分116，118上。
[0018] 为了更加便于考察背侧体积108和围绕膜片102的缝隙114的效果，做出了几个假设。假设该支点106是中心定位的并且膜片102被设计为使膜片102的摇动的、或者失去相位的移动是其外表的两部分116，118上的压力差的结果。因为膜片102通常被设计为响应于它的两部分116，118上的压力差，传声器100为此被称为差动式传声器。然而，除了由压力差引起的运动外，也有可能膜片102由于它的外表面上的平均压力而被偏转。这种压力导致了膜片102的运动，其中由支点106分开的膜片102的两个部分116，118同相地响应。
[0019] 假设在每个部分116，118上围绕膜片102的缝隙114中的空气108a具有一个质量ma。因此，膜片102像一个振荡器一样进行响应。因此，差动传声器100的两个部分116，118，同这两个空气质量108，108a一起可由如图3所示的膜片120，122，124，126的一个系统所代表。这些膜片的每一个被确定为空气108(参考号120)，传声器部分116(参考号
122)，传声器部分118(参考号124)，和空气108a(参考号126)。每个膜片的响应由以下的等式支配：
[0020]
[0021] 其中：Fi是作用于每个膜片120，122，124，126的净力并且X4，X1，X2，和X3，代表每个相应的膜片120，122，124，126的运动。如在图4中可以看出，X1和X2代表膜片的每个部分116，118的平均运动并且X3和X4代表在缝隙114中的空气108a的运动。
[0022] 一个无缝隙114的差动式传声器(即一个现有技术的差动式传声器)可以由具有旋转响应θ和平移相应x的一种两个自由度的系统来代表：
[0023]
[0024]
[0025] 其中：F是净作用力，M是围绕支点所产生的力矩，k和kt分别代表膜片和支点102，以及106的有效横向机械硬度和扭转硬度。
[0026] 如果d是的膜片102每一部分116，118的中心之间的距离，那么X1和X2可以根据广义坐标x和θ的形式被表示为：
[0027] 和 和
[0028] 这些关系也可以写成矩阵的形式：
[0029]
[0030] 如果膜片102后面的空气腔110(图2)的尺寸远小于声音的波长，可以假定在背侧体积108中的空气压力在空气腔内是空间上均匀的。在该背侧体积(即腔110)中的空气108于是起到一种线性弹簧的作用。必须将背侧体积空气108中的压力与膜片102的位移相关联以估算该弹簧的硬度。如果假设背侧体积108中的空气质量是恒定的，那么膜片102的运动导致腔110中空气108的密度的变化。在声学的或波动的密度pa与声压p之间的关系就是状态方程：
[0031] p＝c2ρa (5)
[0032] 其中：c是声速。
[0033] 空气的总密度是质量除以体积，ρ＝M/V。如果由于膜片102的运动该体积以一个量ΔV波动，那么密度变为ρ＝M/(V+ΔV)＝M/V(1+ΔV/V)。对于体积上的微小变化，这可以展开为泰勒级数 那么声学波动的密度为ρa＝-ρ0ΔV/V，其中标称密度是ρ0＝M/V。由于波动ΔV，那么由膜片102的一个向外运动x产生的由于波动ΔV在体积V中的波动压力由下式给出：
[0034] Pd＝ρ0c2ΔV/V＝-ρ0c2Ax/V (6)
[0035] 其中：A是膜片面积的一半。
[0036] 在背侧体积108中的这种压力在膜片102上施加的一个力由下式给出：
[0037] Fd＝PdA＝-ρ0c2A2x/V＝-Kdx (7)
[0038] 其中：Kd＝ρ0c2A2x/V是空气108的等效弹簧常数，单位为N/m。
[0039] 由于空气108的背侧体积，该力加到来自膜片102的机械硬度的恢复力。将背侧容积108中的空气包括进来，方程(2)变为：
[0040]
[0041] 方程(8)右侧的负号是出于惯例，该惯例为膜片外部一个正压力产生了在负方向上的一个力。从方程(8)，在远低于共振频率的频率上的机械灵敏度由Sm＝A/(k+Kd)m/Pa给出。
[0042] 由于在膜片102后面的空间110内以及在外部声场中的波动压力，该缝隙或通风口114中的空气108a被迫移动(未示出)。再次，可以假定在缝隙114中移动的空气体积的大小要远小于声音的波长并因此可近似地代表为一个集中质量ma。缝隙114中空气108a的一个向外位移xa使得背侧体积108中的空气体积产生变化。类似于方程(6)的一个相应的压力由下式给出：
[0043] Paa＝-ρ0c2Aaxa/V (9)
[0044] 其中：Aa是缝隙114的面积，压力作用于其上。
[0045] 再次，由于缝隙114中空气108a的运动，压力在该质量上施加的一个恢复力由下式给出：
[0046] Faa＝PaaA＝-ρ0c2Aaxa/V＝-Kaaxa (10)
[0047] 因为在背侧体积108中的压力几乎独立于在背侧体积中的位置，由于缝隙114中空气108a的运动，压力的一个变化在膜片102上施加的一个力由下式给出：
[0048] Fad＝PaaA＝-ρ0c2Aaxa/V＝-Kadxa (11)
[0049] 类似地，膜片的运动在该空气108的质量上产生了一个力由下式给出：
[0050] Fda＝PdAa＝-ρ0c2AAax/V＝-Kdaxa (12)
[0051] 从方程(6)，(10)，(11)和(12)可以看出，这些力加到由于在方程(1)的系统中的机械硬度的恢复力上。因此由于所给每个坐标移动的体积变化由ΔVi＝AiXi和Fi＝PAi给出。现在，由于所有坐标的移动，总压力由下式给出：
[0052]
[0053] 在此模型中(表明图3中120，122，124，和126的移动)，由于在第j个坐标上的这种压力造成的力于是由下式给出：
[0054]
[0055] 其中：
[0056] 方程(14)可写为：
[0057]
[0058] 结合方程(4)及(15)，就差动式传声器的坐标θ和x而言，该力代表为：
[0059]
[0060] 就作用在差动式传声器100上的平均力以及作用于支点106上的净力矩而言，可以重写方程(16)。可由下式给出：
[0061] 和 和
[0062] 紧随其后的是：
[0063]
[0064]
[0065]
[0066] 因此，该方程组系统为：
[0067]
[0068] (18)
[0069]
[0070] 重要的是应当注意方程(18)中坐标之间的耦合是由于矩阵[K′]。从方程(4)及(17)来估计[K′]的元素，对于膜片的旋转量θ的决定性方程为：
[0071]
[0072] (19)
[0073]
[0074] 其中：
[0075] 注意，若膜片是对称的，则A1＝A2，和A3＝A4。其结果是，方程(19)中的系数x，X3，和X4变为零。这将导致对于旋转的决定性方程成为独立于其他的坐标并且独立于体积V(即， )。该旋转也独立于缝隙114的面积，因为假设在背侧体积108内产生的压力在空间上均匀的并因此不会在膜片102上产生任何净力矩。
[0076] 在以上分析中，已经假定传声器膜片102关于中央支点106是对称的。如上所述，在此情况下，膜片102如同一个差动式传声器膜片起作用并且具有一阶的方向响应。然而，如果将膜片102设计为关于支点106不对称，那么方向性就偏离一个差动式传声器的方向性并且趋向于一个非方向性传声器的方向性。背侧体积108对膜片102的旋转上的影响可以通过延伸前述的这种非对称情况的分析来确定。
[0077] 接下来，推导用于力和力矩的表达式，由于一个声平面波它们被施加到传声器膜片102上。对于平面波，作用在膜片102上的压力被假定为具有以下形式其中 并且 其中在角度图5中定义。由入射声
产生的净力矩由 支配，其中Lx和Ly分别代表在x和y方向
的长度。
[0078] 力 矩 的 表 达 式 可 以 分 别 在 x 和y 方 向 进 行 积 分 以 给 出在y坐标上的积分变为：
[0079]
[0080]
[0081] 在x分量上进行分部积分代表为：
[0082]
[0083] 简化上式给出：
[0084]
[0085] 因为膜片的尺寸相对声音的波长是非常小的，正弦和余弦函数的方程的变动幅度非常小，这造成 方程(20)中方括号中的第二项使用泰勒级数被扩展到二阶。利用
[0086] 和 在方程(16)中，
[0087]
[0088] 经简化给出：
[0089]
[0090] 净力由声压的面积分给出， 进行该积分给出：
[0091]
[0092] 再次，对于小角度，这变为：
[0093]
[0094] 利用方程(15)，(18)和(19)：
[0095]
[0096] 设 并且假设 和
[0097]
[0098]
[0099] 利用方程(23)，相对于压力的幅度的位移X/P和旋转量Θ/P，作为激发频率的一个函数，可以计算出ω。
[0100] 基于以上分析，可以看到如果背侧体积108中的空气被认为是粘性的，若后支持腔110的深度显着减小该差动传声器膜片102的性能不会退化。因此，传声器100可以制造为无需膜片102后面的一个后孔。用于表面微机械加工传声器膜片的制造过程在图6a-6d中示出。
[0101] 现在参见图6a，其中显示了在开始制作之前的一个裸硅片200。这种硅片对本领域的普通技术人员是已知的，在此不作进一步说明。
[0102] 如图6b中可见，一个牺牲层(如二氧化硅)202被沉积到薄片200的上表面上。尽管已经发现二氧化硅适合于形成牺牲层202，许多其他合适的材料对本领域的普通技术人员是已知的。例如，低温氧化物(LTO)、磷硅酸盐玻璃(PSG)、铝已知是合适的。同样地，可以使用光致抗蚀剂材料。在其他的实施例中，可以用高分子材料形成牺牲层202。应当认识到可能存在其他合适的材料。对本领域的普通技术人员应认为这种材料的选择和使用是已知的并且在此不作进一步说明。因此，不应认为本发明限于一种具体的牺牲层材料。相反，发明涵盖根据本发明的方法可用来形成一个牺牲层的任何合适的材料。
[0103] 在牺牲层202上，还沉积了一个结构材料(例如多晶硅)层。尽管已经发现多晶硅适于形成层204，应当认识到层204也可以由其他材料形成。例如，可以使用氮化硅、金、铝、铜或者其他具有类似特性的材料。因此，本发明不限于为公开目的所选的特定材料，而是涵盖任意和所有的类似的、适合的材料。层204将最终形成膜片102(图2)。
[0104] 如图6c所示，接下来膜片材料层204层被形成图形和蚀刻以形成膜片102，留下缝隙114。
[0105] 最后，如图6d中可见，将膜片102下面的牺牲层202移除留下了腔110。移除牺牲层后，传声器膜片102具有深度等于牺牲层202厚度的一个背侧体积108。图7中示例性地示出了该传声器。
[0106] 为了将膜片102的运动转换为一个电信号，结合在208处(图7)的多个梳齿可以与膜片相整合。这些梳状或交叉的指在于2005年8月5日对于“梳状感测传声器”提交的共同未决的美国专利申请序列号11/198,370中进行了详细说明。
[0107] 作为一种替代的感测方案，可以略微地修改图7的基本传声器结构以包括两个导电层206，它们置于硅芯片200和附加的导电层204之间以形成底板204，该底板构成固定的电容器电极。为了允许膜片运动的差动电容感测，这些底板相互电分离。
[0108] 应该注意，人们可以既使用梳状指208也使用底板206以进行电容性感测。在此情况下，除了作为一个电容感测安排的元件外，可以使用施加到梳状感测指208上的电压以稳定膜片102。在这些梳状指和膜片之间施加的电压可以用于减少塌陷电压的影响，在常规的基于底板的电容感测方案中，这是一种常见的设计问题，
[0109] 应当认识到，可以使用许多其他的感测安排以将膜片102的运动转换为一个电信号。因此，本发明并不限于任何特定的膜片运动感测安排。
[0110] 由于为了符合特定运行要求和环境所进行的其他修改和变化对本领域的普通技术人员将是显而易见的，本发明不被认为是限于为公开目的所选择的实例，并且涵盖对本发明实质精神和范围不构成背离的所有的变化和修改。
[0111] 已经如此描述了此发明，希望得到专利保护的内容在随后所附的权利要求中提出。
[0112] 资助的研究：
[0113] 本项工作部分由来自国家卫生研究所的下列拨款：R01DC005.762-03。政府在本发明中可能拥有一定的权利。
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