TWI852327B - 麥克風及其微機電系統聲學感測器 - Google Patents

Abstract

一種微機電系統聲學感測器，包含：一矽基層；一絕緣層，設置於該矽基層之上；三第一電極層，相互間隔地設置於該絕緣層之上；三第二電極層，分別設置於該三第一電極層之上，該三第二電極層、該三第一電極層及位於該三第一電極層之間的絕緣層共同形成二聲流通道，該聲流通道具有一聲流方向，該三第二電極層之中，位於兩側的第二電極層分別由一前段及一後段所組成，該前段沿著該聲流方向形成漸擴之一第一弧面，該後段由該第一弧面之表面連續延伸，且沿著該聲流方向形成漸縮之一第二弧面。

Description

麥克風及其微機電系統聲學感測器

本發明主要為一種聲學裝置，特別是有關於一種應用於聲學領域的麥克風及其微機電系統聲學感測器。

按，麥克風種類繁多，諸如動圈式、電容式、鋁帶式及碳精式等等；此外，在行動裝置中，如手機，又以駐極體(ECM)電容麥克風及微機電(Micro-Electromechanical System，MEMS)麥克風最為常見。其中，微機電系統乃是利用半導體製程來製造微小機械元件，是透過沈積、選擇性蝕刻材料層等半導體技術，以完成麥克風的聲學感測器。

習知麥克風之聲學感測器，影響其靈敏度的主要因素在於製成該聲學感測器之電極層與絕緣層之厚度，會因為在蝕刻階段的過度蝕刻，導致該電極層與該絕緣層連帶受到侵蝕，或上下兩層電極吸附在一起，使得該聲學感測器的良率受到影響，進而降低該聲學感測器的靈敏度。

有鑑於此，有必要提供一種麥克風及其微機電系統聲學感測器，以解決上述之問題。

本發明的目的在於提供一種微機電系統聲學感測器，係可以提高聲源所造成的電極振動幅度。

本發明的次一目的在於提供一種麥克風，係具有上述微機電系統聲學感測器。

為達成上述目的，本發明提供一種微機電系統聲學感測器，包含：一矽基層；一絕緣層，連接設置於該矽基層之上；三第一電極層，相互間隔地連接設置於該絕緣層之上，且沿著該絕緣層的一列方向延伸；三第二電極層，分別連接設置於該三第一電極層之上，該三第二電極層之中，位於兩側的第二電極層各自形成至少一支撐件，並透過該至少一支撐件連接設置於相對應的第一電極層之上，該三第二電極層、該三第一電極層及位於該三第一電極層之間的絕緣層共同形成二聲流通道，該聲流通道具有一入口端及一出口端，並由該入口端往該出口端方向形成沿著該列方向延伸的一聲流方向，該三第二電極層之中，位於兩側的第二電極層分別由較鄰近該入口端的一前段，以及一後段所組成，該前段背對位於中間的第二電極層的外側表面，沿著該聲流方向形成漸擴之一第一弧面，該後段背對位於中間的第二電極層的外側表面，由該第一弧面之表面連續延伸，且沿著該聲流方向形成漸縮之一第二弧面。

本發明另提供一種微機電系統聲學感測器，包含：一矽基層；一絕緣層，連接設置於該矽基層之上；三第一電極層，相互間隔地連接設置於該絕緣層之上，且沿著該絕緣層的一列方向延伸；三第二電極層，分別連接設置於該三第一電極層之上，該三第二電極層之中，位於兩側的第二電極層各自形成至少一支撐件，並透過該至少一支撐件連接設置於相對應的第一電極層之上，該三第 二電極層、該三第一電極層及位於該三第一電極層之間的絕緣層共同形成二聲流通道，該聲流通道具有一入口端及一出口端，並由該入口端往該出口端方向形成沿著該列方向延伸的一聲流方向，該三第二電極層之中，位於兩側的第二電極層分別由較鄰近該入口端的一前段，以及一後段所組成，該前段面向位於中間的第二電極層的內側表面，沿著該聲流方向形成漸擴之一第一弧面，該後段面向位於中間的第二電極層的內側表面，由該第一弧面之表面連續延伸，且沿著該聲流方向形成漸縮之一第二弧面。

在一些實施例中，與位於兩側的第二電極層相連接的第一電極層，係由至少一電極件所組成，該第一電極層的電極件數量等同於所連接的第二電極層的支撐件數量，且該電極件的截面積不小於該支撐件的截面積。

在一些實施例中，位於兩側的第二電極層之支撐件的數量分別為兩個，且該二支撐件之間形成一穿孔。

在一些實施例中，該前段與該後段的交界處，係對位於該二支撐件中較鄰近該入口端的支撐件中心位置。

在一些實施例中，該矽基層選自矽、矽鍺、碳化矽、玻璃襯底或三五族化合物半導體所製成。

在一些實施例中，該絕緣層選自氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、介電常數落在2.5~3.9的介電材料或介電常數小於2.5的介電材料所製成。

在一些實施例中，該三第一電極層與該三第二電極層皆由導電材料所製成。

在一些實施例中，該導電材料為金屬、金屬化合物或摻雜離子的半導體材料。

在一些實施例中，位於中間的第二電極層具有相對設置的一第一端及一第二端，該第一端較鄰近該入口端，並形成朝該入口端凸出的曲面，該第二端較鄰近該出口端，並形成朝該出口端凸出的曲面。

在一些實施例中，位於中間的第二電極層具有相對設置的一第一端及一第二端，該第二端較鄰近該出口端，並形成朝該入口端方向的一水滴形狀態態樣。

為達成上述目的，本發明提供一種麥克風，包含；一殼體，具有一第一堆疊區、一第二堆疊區及一第三堆疊區，該第二堆疊區位於該第一堆疊區與該第三堆疊區之間，且該第一堆疊區、該第二堆疊區及該第三堆疊區共同形成一容置空間，該殼體具有一音孔；上述微機電系統聲學感測器，位於該容置空間，並使該聲流通道之入口端與該音孔呈面對面配置；及一積體電路晶片，位於該容置空間且電性連接該微機電系統聲學感測器。

在一些實施例中，該殼體朝該容置空間開設貫穿該第二堆疊區內外表面的一穿孔，以形成該音孔。

在一些實施例中，該殼體朝該容置空間開設貫穿該第三堆疊區內外表面的一穿孔，以形成該音孔。

在一些實施例中，該殼體另具有一排音孔，該排音孔設置在該音孔的相對側的殼體上。

本發明的麥克風及其微機電系統聲學感測器具有下列特點：藉由將位於兩側的第二電極層的前段設計成漸擴之弧面，以及將其後段設計成漸縮之弧面，使外部聲源在通過時，部分通過該二聲流通道，另一部分沿著位於兩側的第二電極層的外側表面，並最終皆匯流至該第二電極層的尾端，且在該外部 聲源流動的過程中，使位於兩側的第二電極層分別相對於位於中間的第二電極層產生晃動而造成間距的改變，進而產生約莫兩倍的電容值。如此，本發明的麥克風及其微機電系統聲學感測器，係具有提升靈敏度及具有高指向性等功效。

〔本發明〕

1:矽基層

2:絕緣層

3:第一電極層

3a:電極件

4:第二電極層

4a:前段

4b:後段

41:支撐件

5:殼體

5a:第一堆疊區

5b:第二堆疊區

5c:第三堆疊區

51:音孔

52:排音孔

6:積體電路晶片

C:聲流通道

D:聲流方向

E1:入口端

E2:出口端

H:穿孔

S:容置空間

X:行方向

Y:列方向

[圖1]為本發明第一實施例之微機電系統聲學感測器的俯視圖；[圖2]為本發明第一實施例之微機電系統聲學感測器的側視圖；[圖3]為本發明第二實施例之微機電系統聲學感測器的俯視圖；[圖4]為本發明第三實施例之微機電系統聲學感測器的俯視圖；[圖5]為本發明第三實施例之微機電系統聲學感測器的側視圖；[圖6]為本發明第四實施例之微機電系統聲學感測器的俯視圖；[圖7]為本發明之麥克風的側視圖；[圖8]為本發明之麥克風使用時，聲音之流動方向的狀態圖。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可據以實施的特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、 「後」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本申請，而非用以限制本申請。另外，在說明書中，除非明確地描述為相反的，否則詞語“包含”將被理解為意指包含所述元件，但是不排除任何其它元件。

請參照圖1、2，分別為本發明微機電系統聲學感測器之第一實施例的俯視圖及側視圖，係包含：一矽基層1、一絕緣層2、三第一電極層3及三第二電極層4，該絕緣層2設置於該矽基層1之上，該三第一電極層3設置於該絕緣層2之上，該三第二電極層4分別設置於該三第一電極層3之上。

在本實施例中，該矽基層1可以選自矽(Si)、矽鍺(SiGe)、碳化矽(SiC)、玻璃襯底或三五族化合物半導體(例如：氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs))等材料所製成。

該絕緣層2連接設置於該矽基層1之上，在本實施例中，該絕緣層2可以選自氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或介電材料(Dielectric Material)等材料所製成，該介電材料可以為低介電常數材料(介電常數落在2.5~3.9)，或是超低介電常數材料(介電常數小於2.5)。值得注意的是，該絕緣層2的數量還可以為複數個，並相互層層堆疊設置於該矽基層1之上，屬於本發明所屬相關領域中的通常知識。

在本實施例中，該三第一電極層3可以由金屬、金屬化合物或摻雜離子的半導體材料等導電材料所製成。該三第一電極層3相互間隔地連接設置於該絕緣層2之上，且沿著該絕緣層2的一列方向Y延伸。

在本實施例中，該三第二電極層4亦可以由金屬、金屬化合物或摻雜離子的半導體材料等導電材料所製成。該三第二電極層4分別連接設置於該三第一電極層3之上。具體而言，該三第二電極層4之中，位於兩側的第二電 極層4各自形成至少一支撐件41，並透過該至少一支撐件41連接設置於相對應的第一電極層3之上。另一方面，在本發明的最佳實施例中，位於兩側的第二電極層4的極性與位於中間的第二電極層4的極性相反，意即，該三第二電極層4的極性依序可以為正極、負極、正極，或是負極、正極、負極，屬於本發明相關領域中具有通常知識者可以理解。

在本發明中，位於兩側的第二電極層4之支撐件41的數量係以兩個作為實施態樣進行說明，且該二支撐件41之間形成一穿孔H，但不以此為限。如此，位於兩側的第二電極層4在外部聲源通過時，可以較容易沿著該絕緣層2的一行方向X產生晃動，以改變位於兩側的第二電極層4各自與位於中間的第二電極層4之間的間距，使電容值的改變更為明顯，具有進一步提升感測器靈敏度之功效。

該三第二電極層4、該三第一電極層3及位於該三第一電極層3之間的絕緣層2共同形成二聲流通道C。該聲流通道C具有一入口端E1及一出口端E2，該聲流通道C由該入口端E1往該出口端E2方向形成沿著該列方向Y延伸的一聲流方向D。

在本實施例中，該二聲流通道C為彼此相互獨立；而在其他實施例中，在不影響位於中間的第二電極層4穩固性的前提下，意即，當外部聲源通過該二聲流通道C時，位於中間的第二電極層4儘量維持固定不動，則位於中間的第二電極層4係可以開設至少一連通孔，使該二聲流通道C相互連通。

再者，該三第二電極層4之中，位於兩側的第二電極層4分別由較鄰近該入口端E1的一前段4a，以及一後段4b所組成。其中，該前段4a背對位於中間的第二電極層4的外側表面，沿著該聲流方向D形成漸擴之一第一弧 面。該後段4b背對位於中間的第二電極層4的外側表面，由該第一弧面之表面連續延伸，且沿著該聲流方向D形成漸縮之一第二弧面。另一方面，該前段4a及該後段4b各自面向位於中間的第二電極層4的內側表面，係可以形成一平面或一曲面，但不以此為限。

值得注意的是，當位於兩側的第二電極層4之支撐件41的數量分別為兩個時，該前段4a與該後段4b的交界處，係對位於該二支撐件41中較鄰近該入口端E1的支撐件41中心位置。

較佳地，位於中間的第二電極層4具有相對設置的一第一端及一第二端，其中，該第一端較鄰近該入口端E1，並形成朝該入口端E1凸出的曲面。該第二端較鄰近該出口端E2，並形成朝該出口端E2凸出的曲面。如此，係可以提升聲源通過時的流暢性之功效。在其他實施例中，較鄰近該出口端E2的第二端還可以形成朝該入口端E1方向的一水滴形狀態樣。

請參照圖3，為本發明微機電系統聲學感測器之第二實施例的俯視圖，相較於本發明之第一實施例而言，該前段4a面向位於中間的第二電極層4的內側表面，沿著該聲流方向D形成漸擴之一第一弧面。該後段4b面向位於中間的第二電極層4的內側表面，由該第一弧面之表面連續延伸，且沿著該聲流方向D形成漸縮之一第二弧面。另一方面，該前段4a及該後段4b各自背對位於中間的第二電極層4的外側表面，係可以形成一平面或一曲面，但不以此為限。

請參照圖4、5，分別為本發明微機電系統聲學感測器之第三實施例的俯視圖及側視圖，相較於本發明之第一實施例而言，與位於兩側的第二電極層4相連接的第一電極層3，係由至少一電極件3a所組成，該第一電極層3的 電極件3a數量等同於所連接的第二電極層4的支撐件41數量，且該電極件3a的截面積不小於該支撐件41的截面積。在本發明中，該電極件3a的總數係以四個作為實施態樣進行說明，但不以此為限。

請參照圖6，為本發明微機電系統聲學感測器之第四實施例的俯視圖，相較於本發明之第三實施例而言，該前段4a面向位於中間的第二電極層4的內側表面，沿著該聲流方向D形成漸擴之一第一弧面。該後段4b面向位於中間的第二電極層4的內側表面，由該第一弧面之表面連續延伸，且沿著該聲流方向D形成漸縮之一第二弧面。另一方面，該前段4a及該後段4b各自背對位於中間的第二電極層4的外側表面，係可以形成一平面或一曲面，但不以此為限。

請參照圖7，為本發明麥克風之較佳實施例的側視圖，係包含：一殼體5、上述任一實施例的微機電系統聲學感測器及一積體電路晶片6，該微機電系統聲學感測器及該積體電路晶片6分別設置於該殼體5內部。

該殼體5具有一第一堆疊區5a、一第二堆疊區5b及一第三堆疊區5c，該第二堆疊區5b位於該第一堆疊區5a與該第三堆疊區5c之間。該第一堆疊區5a、該第二堆疊區5b及該第三堆疊區5c共同形成一容置空間S。在本實施例中，該第一堆疊區5a係可以選用導電材料或為一印刷電路板，該第二堆疊區5b與該第三堆疊區5c係可以由各式塑膠、金屬、陶瓷、電木板、玻璃纖維或陶瓷材料所製成，且該第二堆疊區5b與該第三堆疊區5c可以為相互分離或一體成型的設計方式。

再者，該殼體5具有一音孔51，用以供外部聲源進入該容置空間S。在本實施例中，該殼體5朝該容置空間S開設貫穿該第二堆疊區5b內外表 面的一穿孔，以形成該音孔51。如此，該微機電系統聲學感測器在設置時，為設置於該第一堆疊區5a之上，並使該聲流通道C之入口端E1與該音孔51呈面對面配置，使外部聲源經由該音孔51進入至該聲流通道C。

該殼體5還可以具有一排音孔52，用以將該殼體5內部的聲源排出，較佳地，該排音孔52為設置在該音孔51的相對側的殼體上。如此，該聲源不會在該殼體5內產生回音，具有避免影響麥克風效能之功效。

在其他實施例中，該殼體5係可以朝該容置空間S開設貫穿該第三堆疊區5c內外表面的一穿孔，以形成該音孔51，並可以進一步在該音孔51的相對側的第一堆疊區5a上開設該排音孔52。

請參照圖8，為本發明之麥克風在使用時，聲音之流動方向的狀態圖。具體而言，該麥克風在被使用時，外部聲源由該音孔51進入至該容置空間S，其中一部分的外部聲源通過該二聲流通道C，另一部分的外部聲源沿著位於兩側的第二電極層4的外側表面，分別朝遠離該音孔51方向傳遞，最終皆匯流至該第二電極層4的尾端(該後段4b最遠離該前段4a的部分)。藉此，位於兩側的第二電極層4的外側表面相較於自身的內側表面而言，係具有較快空氣流動速度，以及具有較小壓力等情況發生，使位於兩側的第二電極層4分別相對於位於中間的第二電極層4產生晃動而造成間距的改變，進而產生約莫兩倍的電容值(相較於不具備位於中間的第二電極層時所產生的電容值)。如此，本發明之微機電系統聲學感測器，具有提升感測器靈敏度，以及具有高指向性等功效。

承上所述，本發明的麥克風及其微機電系統聲學感測器，係可以藉由將位於兩側的第二電極層的前段設計成漸擴之弧面，以及將其後段設計成 漸縮之弧面，使外部聲源在通過時，部分通過該二聲流通道，另一部分沿著位於兩側的第二電極層的外側表面，並最終皆匯流至該第二電極層的尾端，且在該外部聲源流動的過程中，使位於兩側的第二電極層分別相對於位於中間的第二電極層產生晃動而造成間距的改變，進而產生約莫兩倍的電容值。如此，本發明的麥克風及其微機電系統聲學感測器，係具有提升靈敏度及具有高指向性等功效。

上述揭示的實施形態僅例示性說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。

2:絕緣層

3:第一電極層

4:第二電極層

4a:前段

4b:後段

C:聲流通道

D:聲流方向

E1:入口端

E2:出口端

X:行方向

Y:列方向

Claims (15)

1. 一種微機電系統聲學感測器，包含：一矽基層；一絕緣層，連接設置於該矽基層之上；三第一電極層，相互間隔地連接設置於該絕緣層之上，且沿著該絕緣層的一列方向延伸；三第二電極層，分別連接設置於該三第一電極層之上，該三第二電極層之中，位於兩側的第二電極層各自形成至少一支撐件，並透過該至少一支撐件連接設置於相對應的第一電極層之上，該三第二電極層、該三第一電極層及位於該三第一電極層之間的絕緣層共同形成二聲流通道，該聲流通道具有一入口端及一出口端，並由該入口端往該出口端方向形成沿著該列方向延伸的一聲流方向，該三第二電極層之中，位於兩側的第二電極層分別由較鄰近該入口端的一前段，以及一後段所組成，該前段背對位於中間的第二電極層的外側表面，沿著該聲流方向形成漸擴之一第一弧面，該後段背對位於中間的第二電極層的外側表面，由該第一弧面之表面連續延伸，且沿著該聲流方向形成漸縮之一第二弧面。
2. 一種微機電系統聲學感測器，包含：一矽基層；一絕緣層，連接設置於該矽基層之上；三第一電極層，相互間隔地連接設置於該絕緣層之上，且沿著該絕緣層的一列方向延伸；三第二電極層，分別連接設置於該三第一電極層之上，該三第二電極層之中，位於兩側的第二電極層各自形成至少一支撐件，並透過該至少一支撐件連接 設置於相對應的第一電極層之上，該三第二電極層、該三第一電極層及位於該三第一電極層之間的絕緣層共同形成二聲流通道，該聲流通道具有一入口端及一出口端，並由該入口端往該出口端方向形成沿著該列方向延伸的一聲流方向，該三第二電極層之中，位於兩側的第二電極層分別由較鄰近該入口端的一前段，以及一後段所組成，該前段面向位於中間的第二電極層的內側表面，沿著該聲流方向形成漸擴之一第一弧面，該後段面向位於中間的第二電極層的內側表面，由該第一弧面之表面連續延伸，且沿著該聲流方向形成漸縮之一第二弧面。
3. 如請求項1或2所述之微機電系統聲學感測器，其中，與位於兩側的第二電極層相連接的第一電極層，係由至少一電極件所組成，該第一電極層的電極件數量等同於所連接的第二電極層的支撐件數量，且該電極件的截面積不小於該支撐件的截面積。
4. 如請求項1或2所述之微機電系統聲學感測器，其中，位於兩側的第二電極層之支撐件的數量分別為兩個，且該二支撐件之間形成一穿孔。
5. 如請求項4所述之微機電系統聲學感測器，其中，該前段與該後段的交界處，係對位於該二支撐件中較鄰近該入口端的支撐件中心位置。
6. 如請求項1或2所述之微機電系統聲學感測器，其中，該矽基層選自矽、矽鍺、碳化矽、玻璃襯底或三五族化合物半導體所製成。
7. 如請求項1或2所述之微機電系統聲學感測器，其中，該絕緣層選自氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、介電常數落在2.5~3.9的介電材料或介電常數小於2.5的介電材料所製成。
8. 如請求項1或2所述之微機電系統聲學感測器，其中，該三第一電極層與該三第二電極層皆由導電材料所製成。
9. 如請求項8所述之微機電系統聲學感測器，其中，該導電材料為金屬、金屬化合物或摻雜離子的半導體材料。
10. 如請求項1或2所述之微機電系統聲學感測器，其中，位於中間的第二電極層具有相對設置的一第一端及一第二端，該第一端較鄰近該入口端，並形成朝該入口端凸出的曲面，該第二端較鄰近該出口端，並形成朝該出口端凸出的曲面。
11. 如請求項1或2所述之微機電系統聲學感測器，其中，位於中間的第二電極層具有相對設置的一第一端及一第二端，該第二端較鄰近該出口端，並形成朝該入口端方向的一水滴形狀態態樣。
12. 一種麥克風，包含：一殼體，具有一第一堆疊區、一第二堆疊區及一第三堆疊區，該第二堆疊區位於該第一堆疊區與該第三堆疊區之間，且該第一堆疊區、該第二堆疊區及該第三堆疊區共同形成一容置空間，該殼體具有一音孔；一如請求項1至11中任一項所述之微機電系統聲學感測器，位於該容置空間，並使該聲流通道之入口端與該音孔呈面對面配置；及一積體電路晶片，位於該容置空間且電性連接該微機電系統聲學感測器。
13. 如請求項12所述之麥克風，其中，該殼體朝該容置空間開設貫穿該第二堆疊區內外表面的一穿孔，以形成該音孔。
14. 如請求項12所述之麥克風，其中，該殼體朝該容置空間開設貫穿該第三堆疊區內外表面的一穿孔，以形成該音孔。
15. 如請求項12所述之麥克風，其中，該殼體另具有一排音孔，該排音孔設置在該音孔的相對側的殼體上。

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