梳齿式麦克风的制作方法

1.本发明涉及微型电子机械系统技术领域，特别是涉及一种微型电子机械系统的梳齿式麦克风。


背景技术：

2.梳齿式麦克风是一种执行器，可用于管理静电力的产生和流动，该静电力在一组被称为梳状的装置之间产生。驱动器中梳状部分的正确排列有助于产生这种能量，而这种能量又可用于许多制造应用，例如，微电子机械系统(mems)应用。
3.通常，梳齿式麦克风包括移动元件(振膜)和固定元件(背板)。振膜包括主体部和设置在主体部上的多个动梳齿。背板包括背板主体和设置在背板主体上的多个定梳齿。一般来说，主体部可以是质量块、悬臂或隔膜。振膜的位移导致动梳齿相对于定梳齿产生位移。在振膜-背板间隙上施加静电偏压。位移导致梳状结构上的输出电压与位移/压力成比例变化。梳齿式麦克风与mems麦克风相比有特定优势，即梳状结构可以被设置为彼此之间可相对滑动，而不是像大多数平行板型麦克风那样的相互挤压。这降低了粘性阻尼，增加了设备的声学信噪比。进一步，在mems设备的差分信号领域，可以从设备中提取两个相反极性的信号，然后结合起来，形成比单端设备的输出信号大得多的输出信号，这也可以驱动更高的系统信噪比。
4.图1是相关技术中梳齿式麦克风的结构示意图。所述梳齿式麦克风包括：振膜rt，其包括主体部1和动梳齿2动梳齿；背板st，其包括背板主体3和定梳齿4。由于振膜rt和背板st是由相同的材料制成的，静电场不仅在动梳齿2和定梳齿4之间的间隙中形成，而且在主体部1和定梳齿4之间也形成静电场。因此，整个结构是有偏置的。这导致梳齿式麦克风产生了很大的杂散电容。
5.然而，本领域中的梳齿式麦克风存在以下限制/缺点。
6.1.主体部、动梳齿、背板主体和定梳齿通常由一种共同的材料制成，即多晶硅。这样可以简化工艺，有利于梳齿式麦克风与支持性电子装置进行电连接。然而，在这种配置下，整个结构是有偏置的。这导致在梳状结构以外的结构部分产生大的杂散电容。
7.2.通常情况下，对于梳齿式麦克风，有一些部分的偏置被施加在装置位移的法线上，这将导致静电作用在与位移相同的轴上，并将减小了装置的拉力。
8.3.多晶硅材料的屈服强度为3至5gpa，这使得在跌落测试中围绕机械可靠性的一些要求非常具有挑战性。
9.4.对设备的所有元素使用单一的、共同的材料，对能够产生可行的差分信号输出的工艺步骤造成了限制——特别是在将一个以上的偏置电压设置在共同的电连接上，就像全多晶硅结构那样，以及设置一定结构以允许梳状结构具有正确的方向以进行差分感应。


技术实现要素：

10.为了解决或改善相关技术中的问题或缺点，本发明提供了一种梳齿式麦克风，以
提高梳齿式麦克风的灵敏度和电容效率。
11.为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种梳齿式麦克风，其包括：振膜，包括主体部和设置在所述主体部上的多个动梳齿；以及背板，包括一个或多个背板主体和设置在所述一个或多个背板主体上的多个定梳齿；其中，所述振膜与所述背板间隔设置，所述振膜和所述背板沿所述振膜可移动的方向排列，所述多个动梳齿和所述多个定梳齿在与所述振膜可移动的方向垂直的方向上交替排列；所述主体部由绝缘材料制成，所述多个动梳齿中的每个都由导电材料制成或涂有导电材料。
12.优选地，所述绝缘材料是氮化硅或碳化硅。
13.优选地，所述导电材料是多晶硅、金属或氮化钛。
14.优选地，所述一个或多个背板主体中的每一个都是由导电材料或绝缘材料制成。
15.优选地，所述一个或多个背板主体的所述导电材料与所述动梳齿的所述导电材料不同。
16.优选地，所述一个或多个背板主体的所述绝缘材料与所述主体部的所述绝缘材料不同。
17.优选地，所述多个定梳齿中的每一个都是由所述导电材料制成。
18.优选地，所述多个定梳齿的所述导电材料与所述动梳齿的所述导电材料不同。
19.优选地，所述动梳齿与相邻所述定梳齿之间的距离为1μm至3μm，所述相邻动梳齿之间的距离为6μm至10μm，所述相邻定梳齿之间的距离为6μm至10μm，所述主体部与所述定梳齿之间的距离为3μm至6μm。
20.优选地，所述动梳齿在所述主体部上的投影与所述主体部的周长平行，或者跟随主体部的半径。
21.优选地，所述定梳齿在所述主体部上的投影与所述主体部的周长平行，或跟随所述主体部的半径。
22.优选地，所述定梳齿的宽度为3μm，高度为5μm。
23.通过上述梳齿式麦克风，本发明可以带来以下好处：
24.1)通过隔离和分隔动梳齿和定梳齿，可以实现差分感应，因为同一主体部或背板主体上的梳状结构可以偏向彼此不同的极性和幅度。
25.2)通过隔离和分隔动梳齿和定梳齿，静电场只在梳状结构之间的间隙中形成，而不是在梳状结构的上方或下方的振膜或背板中形成。因此，只在与振膜位移方向垂直的方向上形成静电力，所以可以通过较大的偏压施加较大的静电力，而不会因拉动不稳定而导致梳齿式麦克风失效。
26.3)主体部的材料具有较高的屈服强度，从而大大增加了机械可靠性的安全系数。
27.4)多种材料用于不同的元件：主体部、动梳齿、背板主体和定梳齿。因此，在选择材料方面有较大的余地，从而在工艺上优化了其互补性(例如，选择相互之间具有高蚀刻选择性的材料)。
28.5)通过上述设置梳状结构的方式，使每个梳齿的投影与主体部的周长平行，可以最大限度地提高设备的机械顺应性，从而确保高灵敏度的输出。
29.6)由于只有梳状结构有偏压，杂散、寄生电容就会少得多。因此，灵敏度和电容效率得到提高。因此，提高梳齿式麦克风的灵敏度和电容效率。
附图说明
30.参照以下附图可以更好地理解本示例性实施方式的许多方面。附图中的部件不一定是按比例绘制的，而是强调要清楚地说明本发明的原理。此外，在附图中，类似的参考数字指定了几个视图中的相应部分。
31.图1是相关技术中梳齿式麦克风的结构示意图；
32.图2a是本发明第一种实施方式的梳齿式麦克风的结构示意图；
33.图2b是本发明第二种实施方式的梳齿式麦克风的结构示意图；
34.图3是本发明第三种实施方式的梳齿式麦克风的结构示意图；
35.图4是本发明第四种实施方式的梳齿式麦克风的结构示意图；
36.图5是本发明第五种实施方式的梳齿式麦克风的结构示意图；
37.图6是本发明第六种实施方式的梳齿式麦克风的结构示意图；
38.图7是本发明第七种实施方式的梳齿式麦克风的结构示意图；
39.图8是本发明第八种实施方式的梳齿式麦克风的结构示意图；
40.图9是本发明第九种实施方式的梳齿式麦克风的俯视图；
41.图10是本发明第十种实施方式的梳齿式麦克风的俯视图；
42.图11a是本发明第十一种实施方式的梳齿式麦克风的俯视图；
43.图11b是本发明第十一种实施方式提供的梳齿式麦克风的仰视图；
44.图12是本发明第十二种实施方式提供的梳齿式麦克风的俯视图。
45.此处的附图被纳入本说明书并构成其一部分，说明了本发明的实施方式并与本说明书一起解释了本发明的原理。
具体实施方式
46.下面将参照附图对本发明实施方式中的技术方案进行描述。应当注意的是，所描述的实施方式仅仅是本发明的示例性实施方式，不应被解释为对本发明提供限制。本领域的技术人员根据本发明的实施方式，在没有创造性努力的情况下获得的所有其他实施方式都在本发明的范围内。
47.为了解决上述问题，本发明的实施方式提供了一种梳齿式麦克风。在本实施方式中，如图2a所示，梳齿式麦克风包括：振膜rt，其包括主体部1和设置在主体部1上的多个动梳齿2；以及背板st，其包括背板主体3和设置在背板主体3上的多个定梳齿4。振膜rt与背板st间隔设置。振膜rt和背板st沿振膜rt可移动的方向y设置，振膜rt可沿方向y往复移动，多个动梳齿2和多个定梳齿4沿x方向交替排布，该y方向与x方向垂直。主体部1由绝缘材料制成，每个动梳齿2由导电材料制成或涂有导电材料。可选地，主体部1的绝缘材料具有高屈服强度，从而显著提高机械可靠性的安全系数。绝缘材料可以是氮化硅、碳化硅等，导电材料可以是多晶硅、金属或氮化钛。多个定梳齿4的每一个都由导电材料制成。
48.可选地，背板主体3可以由导电材料或绝缘材料制成。如果背板主体3由导电材料制成，则背板主体3的导电材料可以与定梳齿4的导电材料不同。
49.可选地，动梳齿2的导电材料可以与定梳齿4的导电材料相同(如图2a所示)。本发明的第二种实施方式，所述动梳齿2与定梳齿4的导电材料不同(如图2b所示)。
50.可选地，主体部1的材料、动梳齿2的材料、背板主体3的材料和定梳齿4的材料都可
以彼此不同，如图8所示。
51.通过这种配置，可以将多种材料用于不同的元件：振膜rt的主体部1、背板主体3、动梳齿2和定梳齿4。这样，为选择材料提供了更大的范围，从而在加工过程中优化其互补性(例如，选择彼此之间具有高蚀刻选择性的材料)。此外，静电力只存在于动梳齿2和定梳齿4之间，而不是主体部1和定梳齿4之间。因此，在梳状结构之外的结构部分中，不会形成大的杂散电容，从而提高梳齿式麦克风的灵敏度和电容效率。
52.在本发明第三种实施方式中，如图3所示，在梳齿式麦克风的两侧分别设置了两个背板，具体地，分别为第一背板主体3和第二背板主体3'。背板主体3和背板主体3'连接在同一个电荷泵上。在本实施方式中，主体部1为质量块，悬臂或膜片。如图3所示，主体部1的两端是固定的，第一背板主体3和第二背板主体3'的一端是固定的。而每个动梳齿2都连接到同一个的输出端。如图3所示的梳齿式麦克风被配置为单端输出，动梳齿和定梳齿由相同的材料制成。
53.在本发明第四种实施方式中，如图4所示，在梳齿式麦克风的两侧分别设置两个背板，具体为：梳齿式麦克风包括第一背板主体3和第二背板主体3'，第一背板主体3与正电荷泵连接，第二背板主体3'与负电荷泵连接。动梳齿2与配置在与第二背板主体3'同一侧的定梳齿4配合连接到第一输出端i。动梳齿2与设置在第一背板主体3同一侧的定梳齿4配合连接到第二输出端ii。需要注意的是，这里的第一输出端i和第二输出端ii只是为了区分输出端，而不是为了限制其具体的连接关系。如图4所示的梳齿式麦克风被配置为差分输出，动梳齿和定梳齿由同一材料制成。
54.在本发明第五种实施方式中，如图5所示，在梳齿式麦克风的两侧分别设置两个背板，具体为：梳齿式麦克风包括第一背板主体3和第二背板主体3'，第一背板主体3与正电荷泵连接，第二背板主体3'与负电荷泵连接。第一背板主体3和设置在第一背板主体3同侧的定梳齿4配置在主体部1上方，而第二背板主体3'和设置在第二背板主体3'同侧的定梳齿4配置在主体部1下方。因此，动梳齿2与设置在与第一背板主体3同侧的定梳齿4配合，并被设置在主体部1的上方。而另外的动梳齿2与设置在与第二背板主体3'同侧的定梳齿4配合，并被设置在主体部1的下方。如图5所示的梳齿式麦克风被配置为差分输出，动梳齿和定梳齿由同一材料制成。
55.在本发明第六种实施方式中，如图6所示，多个动梳齿2中的每个可以由涂有导电材料的绝缘材料制成。该涂层材料可以形成为薄膜20。如图6所示的梳齿式麦克风被配置为差分输出，动梳齿和定梳齿由同一材料制成。绝缘材料可以是氮化硅、碳化硅等。导电材料可以是多晶硅、金属、氮化钛等。
56.在本发明第七种实施方式中，如图7所示，多个动梳齿2中的每一个可以由涂有导电材料的绝缘材料制成。如图7所示的梳齿式麦克风被配置为差分输出，定梳齿背板主体的材料和定梳齿的材料不同。在本实施方式中，背板主体的材料是绝缘材料，而定梳齿的材料是导电材料。绝缘材料可以是氮化硅、碳化硅等。导电材料可以是多晶硅、金属、氮化钛等。在本实施方式中，每个定梳齿4包括两个子梳。如图7所示，梳齿式麦克风一侧的每个动梳齿2与负电荷泵连接，梳齿式麦克风另一侧的每个动梳齿2与正电荷泵连接。因此，与连接到负电荷泵的动梳齿2配置在同一侧的定梳齿4连接到第一输出端i，与连接到正电荷泵的动梳齿2配置在同一侧的定梳齿4连接到第二输出端ii。
57.在本发明第八种实施方式中，如图8所示，多个动梳齿2中的每一个可以由涂有导电材料的绝缘材料制成。如图8所示的梳齿式麦克风被配置为差分输出，背板主体的材料和定梳齿的材料不同。在本实施方式中，背板主体的材料是绝缘材料，而定梳齿的材料是导电材料。绝缘材料可以是氮化硅、碳化硅等。导电材料可以是多晶硅、金属、氮化钛等。在本实施方式中，每个定梳齿4包括定梳齿两个子梳。如图8所示，梳齿式麦克风一侧的每个动梳齿2与负电荷泵连接，梳齿式麦克风另一侧的每个梳2与正电荷泵连接。这样，每个定梳齿4包括两个子梳，两个子梳中的一个与第一输出端i相连，两个子梳中的另一个与第二输出端ii相连。
58.在如上的实施方式中，多个动梳齿中的每一个与多个动梳齿中的一个相邻的定梳齿之间的距离为1μm至3μm，多个动梳齿中的相邻的动梳齿之间的距离为6μm至10μm，多个定梳齿中的相邻的定梳齿之间的距离为6μm至10μm，主体部与多个定梳齿中的每一个之间的距离为3μm至6μm。
59.在第九种实施方式中，如图9所示，该图示出了本发明的实施方式所提供的梳齿式麦克风的俯视图。主体部为圆形，并且梳齿式麦克风被配置为单端输出。在本实施方式中，多个动梳齿2中的每一个在主体部1的平面上的投影与主体部1的周长平行，或跟随主体部1的半径。多个定梳齿中的每一个在主体部1的平面上的投影与主体部1的周长平行或跟随主体部1的半径。可选的是，多个定梳齿的每个都有3μm的宽度和5μm的高度。
60.在第十种实施方式中，如图10所示，该图示出了本发明的实施方式所提供的梳齿式麦克风的俯视图。主体部1为方形，并且梳齿式麦克风被配置为单端输出。在本实施方式中，多个动梳齿2中的每一个在主体部1的平面上的投影与主体部1的周长平行，多个定梳齿中的每一个在主体部1的平面上的投影与主体部1的周长平行。
61.在第十一种实施方式中，如图11a和图11b所示，分别展示了本发明的实施方式所提供的梳齿式麦克风的俯视图和仰视图。主体部为圆形，并且梳齿式麦克风被配置为差分输出。在本实施方式中，多个动梳齿2中的每一个在主体部1的平面上的投影与主体部1的周长平行，多个定梳齿中的每一个在主体部1的平面上的投影与主体部1的周长平行，或跟随主体部1的半径。
62.在第十二种实施方式中，如图12所示，该图示出了本发明的实施方式所提供的梳齿式麦克风的俯视图。该梳齿式麦克风被配置为单端输出。在本实施方式中，多个动梳齿2中的每一个在主体部1的平面上的投影与主体部1的周长平行，多个定梳齿4中的每一个在主体部1的平面上的投影与主体部1的周长平行。
63.在上述实施方式中，通过以这样的方式设置梳状结构，即每个梳的投影与主体部1的周长平行，可以最大限度地提高设备的机械顺应性，从而确保高灵敏度输出。通过上述梳齿式麦克风，本发明可以带来以下好处。1)通过隔离和分隔动梳齿和定梳齿，可以实现差分感应，因为同一主体部或背板主体上的梳状结构可以偏向彼此不同的极性和幅度。
64.2)通过隔离和分隔动梳齿和定梳齿，静电场只在梳状结构之间的间隙中形成，而不是在梳状结构的上方或下方的振膜或背板中形成。因此，只在与振膜位移方向垂直的方向上形成静电力，所以可以通过较大的偏压施加较大的静电力，而不会因拉动不稳定而导致梳齿式麦克风失效。
65.3)主体部的材料具有较高的屈服强度，从而大大增加了机械可靠性的安全系数。
66.4)多种材料用于不同的元件：主体部、动梳齿、背板主体和定梳齿。因此，在选择材料方面有较大的余地，从而在工艺上优化了其互补性(例如，选择相互之间具有高蚀刻选择性的材料)。
67.5)通过上述设置梳状结构的方式，使每个梳齿的投影与主体部的周长平行，可以最大限度地提高设备的机械顺应性，从而确保高灵敏度的输出。
68.6)由于只有梳状结构有偏压，杂散、寄生电容就会少得多。因此，灵敏度和电容效率得到提高。因此，提高梳齿式麦克风的灵敏度和电容效率。
69.然而，本发明的实施方式可以以多种方式实现，不应理解为仅限于本文提供的实施方式。提供这些实施方式是为了使本发明的公开内容能够被理解，并将更好地将本发明的实施方式的概念传递给本领域的技术人员。本发明中关于位置和方向的表述都是以附图为例进行描述的，但是，必要时可以进行修改，这些修改都应包括在本发明的保护范围内。本发明的附图仅用于说明相对位置关系，为了便于理解，对某些部分的层厚进行了夸大，图中的层厚并不代表实际层厚的比例关系。本发明中的实施方式和实施方式中的特征可以相互结合。本发明中各实施方式的附图使用相同的参考符号。此外，各实施方式的共同特征在此不再重复。
70.需要指出的是，上述实施方式仅仅是本发明的示例性实施方式，并不是为了限制本发明。在本发明原理范围内进行的任何修改、等同替换和改进都应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种梳齿式麦克风，其特征在于，所述梳齿式麦克风包括：振膜，包括主体部和设置在所述主体部上的多个动梳齿；以及背板，包括一个或多个背板主体和设置在所述一个或多个背板主体上的多个定梳齿；其中，所述振膜与所述背板间隔设置，所述振膜和所述背板沿所述振膜可移动的方向排列，所述多个动梳齿和所述多个定梳齿在与所述振膜可移动的方向垂直的方向上交替排列；所述主体部由绝缘材料制成，所述多个动梳齿中的每个都由导电材料制成或涂有导电材料。2.如权利要求1所述的梳齿式麦克风，其特征在于，所述绝缘材料是氮化硅或碳化硅。3.如权利要求1所述的梳齿式麦克风，其特征在于，所述导电材料是多晶硅、金属或氮化钛。4.如权利要求1所述的梳齿式麦克风，其特征在于，所述一个或多个背板主体中的每一个都是由导电材料或绝缘材料制成。5.如权利要求4所述的梳齿式麦克风，其特征在于，所述一个或多个背板主体的所述导电材料与所述动梳齿的所述导电材料不同。6.如权利要求4所述的梳齿式麦克风，其特征在于，所述一个或多个背板主体的所述绝缘材料与所述主体部的所述绝缘材料不同。7.如权利要求1所述的梳齿式麦克风，其特征在于，所述多个定梳齿中的每一个都是由所述导电材料制成。8.如权利要求7所述的梳齿式麦克风，其特征在于，所述多个定梳齿的所述导电材料与所述动梳齿的所述导电材料不同。9.如权利要求1所述的梳齿式麦克风，其特征在于，所述动梳齿与相邻所述定梳齿之间的距离为1μm至3μm，所述相邻动梳齿之间的距离为6μm至10μm，所述相邻定梳齿之间的距离为6μm至10μm，所述主体部与所述定梳齿之间的距离为3μm至6μm。10.如权利要求1所述的梳齿式麦克风，其特征在于，所述动梳齿在所述主体部上的投影与所述主体部的周长平行，或者跟随主体部的半径。11.如权利要求1所述的梳齿式麦克风，其特征在于，所述定梳齿在所述主体部上的投影与所述主体部的周长平行，或跟随所述主体部的半径。12.如权利要求1所述的梳齿式麦克风，其特征在于，所述定梳齿的宽度为3μm，高度为5μm。

技术总结
本发明提供了一种梳齿式麦克风，其包括：振膜，包括主体部和设置在所述主体部上的多个动梳齿；以及背板，包括一个或多个背板主体和设置在所述一个或多个背板主体上的多个定梳齿。其中，所述振膜与所述背板间隔设置，所述振膜和所述背板沿所述振膜可移动的方向排列，所述多个动梳齿和所述多个定梳齿在与所述振膜可移动的方向垂直的方向上交替排列；所述主体部由绝缘材料制成，所述多个动梳齿中的每个都由导电材料制成或涂有导电材料。本发明可以提高梳齿式麦克风的灵敏度和电容效率。高梳齿式麦克风的灵敏度和电容效率。高梳齿式麦克风的灵敏度和电容效率。


技术研发人员：斯科特
受保护的技术使用者：瑞声声学科技（深圳）有限公司
技术研发日：2021.12.28
技术公布日：2022/3/8