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1、10申请公布号CN102349311A43申请公布日20120208CN102349311ACN102349311A21申请号201080010998322申请日2010020309154611920090309EPH04R3/00200601H04R19/00200601H04R1/24200601B81C1/0020060171申请人NXP股份有限公司地址荷兰艾恩德霍芬72发明人特温范利庞海尔特伦格瑞斯马特吉戈森斯74专利代理机构中科专利商标代理有限责任公司11021代理人王波波54发明名称麦克风和加速度计57摘要本发明涉及一种利用具有第一层2的晶片1制造微机械麦克风和加速度计的方法，所述。
2、方法包括步骤将所述第一层2分为麦克风层5和加速度计层6，用连续的第二层7覆盖麦克风层5的前侧和加速度计层6的前侧，用第三层8覆盖第二层7，在第三层8中形成多个沟槽9，去除麦克风层5背部一侧下面的晶片1的一部分10，在加速度计层6背部一侧下面的晶片1中形成至少两个晶片沟槽11，以及通过在第三层8中形成的多个沟槽去除第二层7的一部分12、13。根据本发明的微机械麦克风和加速度计的相对于现有技术的优势在于其允许消除结构自生噪声以便最小化结构本身的声音。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2011090886PCT申请的申请数据PCT/IB2010/0505052010020387PCT申请的公。
3、布数据WO2010/103410EN2010091651INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书7页附图2页CN102349330A1/2页21一种利用具有第一层2的晶片1制造微机械麦克风和加速度计的方法，所述方法包括步骤将所述第一层2分为麦克风层5和加速度计层6，用连续的第二层7覆盖麦克风层5的前侧和加速度计层6的前侧，用第三层8覆盖第二层7，在第三层8中形成多个沟槽9，去除麦克风层5背部一侧下面的晶片1的一部分10，在加速度计层6背部一侧下面的晶片1中形成至少两个晶片沟槽11，以及通过在第三层8中形成的多个沟槽去除第二层7的一部分12，13。2根据权利。
4、要求1所述的方法，其中经由第二层7覆盖麦克风层5和加速度计层6之间的交界的第三层8中的沟槽9比经由第二层7覆盖麦克风层5和/或加速度计层6的第三层8中的沟槽9更宽。3根据权利要求1或2所述的方法，其中加速度计层6背部一侧下面的至少两个晶片沟槽11形成了加速度计晶片块，所述加速度计晶片块由加速度计层6背部一侧下面的晶片1在一侧上的最外面沟槽11和加速度计层6背部一侧下面的晶片1在另一侧上的最外面沟槽11来限定。4根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中麦克风层5的质量与麦克风层5的柔度的乘积等于加速度计层6和加速度计晶片块的质量与加速度计层6的柔度的乘积。5根据权利要求1至4中任一项所述的方法。
5、，其中所述第一层2是SOI晶片1的器件层。6一种设备，包括具有第一层2的晶片1，其中将第一层2分为麦克风层5和加速度计层6，并且其中去除麦克风层5的背部一侧下面的晶片1的一部分10，在加速度计层6的背部一侧下面的晶片1中形成至少两个晶片沟槽11，用连续的第二层7覆盖麦克风层5的前侧和加速度计层6的前侧，其中用第三层8覆盖第二层7，其中在第三层8中形成多个沟槽9，以及通过在第三层8中形成的多个沟槽9去除第二层7的一部分12，13。7根据权利要求6所述的设备，其中所述麦克风层5适用于产生第一电信号，其中所述第一电信号与施加于麦克风层5和/或加速度计层6的压力成正比，并且其中所述加速度计层6适用于产。
6、生第二电信号，其中所述第二电信号与施加于麦克风层5和/或加速度计层6的压力成正比。8根据权利要求7所述的设备，包括减法模块，所述减法模块适用于从第一电信号中减去第二电信号。9根据权利要求6至8中任一项所述的设备，其中经由第二层7覆盖麦克风层5和加速度计层6之间的交界的第三层8中的沟槽9比经由第二层7覆盖麦克风层5和/或加速度计层6的第三层8中的沟槽9更宽。权利要求书CN102349311ACN102349330A2/2页310根据权利要求6至9中任一项所述的设备，其中加速度计层6的背部一侧下面的晶片1中的至少两个晶片沟槽11形成了加速度计晶片块，所述加速度计晶片块由加速度计层6的背部一侧下面的。
7、晶片1在一侧上的最外面沟槽11和加速度计层6的背部一侧下面的晶片1在另一侧上的最外面沟槽11来限定。11根据权利要求6至10中任一项所述的设备，其中麦克风层5的质量和麦克风层5的柔度的乘积等于加速度计层6和加速度计晶片块的质量与加速度计层6的柔度的乘积。12根据权利要求6至11中任一项所述的设备，其中所述第一层2是SOI晶片1的器件层。13根据权利要求6至12中任一项所述的设备，其中将所述设备用于电话。14一种根据权利要求6至13中任一项所述的具有微机械麦克风和加速度计的设备的使用方法，用于检测麦克风层5和相对地覆盖麦克风层5的第三层8之间的第一电信号，其中第一电信号与施加于麦克风层5和/或加。
8、速度计层6的压力成正比，检测加速度计层6和相对地覆盖加速度计层6的第三层8之间的第二电信号，其中第二电信号与施加于麦克风层5和/或加速度计层6的压力成正比，以及从第一电信号中减去第二电信号。15一种包括根据权利要求13所述的具有微机械麦克风和加速度计的设备的使用方法，用于检测施加到电话的至少一个晃动；以及执行包括以下任一个的动作使电话静音、抑制电话铃声、只抑制声音、将电话设置为静音模式、自动应答呼叫。权利要求书CN102349311ACN102349330A1/7页4麦克风和加速度计技术领域0001本发明涉及一种利用晶片制造微机械麦克风和加速度计的方法，以及涉及一种包括晶片的设备。背景技术00。
9、02电容性麦克风典型地包括隔膜和背板，其中在隔膜和背板之间提供空气隙。施加在隔膜上的声压波由于隔膜上的压力差而强迫隔膜振动。为了获得良好的全方向性能，通常声学隔离所述隔膜的背板。另外，所述隔膜通常与声学密闭的背部腔室相连，所述声学密闭的背部腔室影响隔膜的柔度COMPLIANCE，并且定义下限截止频率。在背部腔室中要求有小孔，以对大气压的缓慢变化进行补偿。0003当将导电材料用于隔膜和背板时，施加到隔膜上的声压对隔膜和背板之间的空气隙进行调制的结果是电学可检测的信号。按照这种方式，均配置有导电表面的隔膜和背板形成了电容器，所述电容器的电容与施加到隔膜上的声压波相关联地变化。理想地，背板是刚性板，。
10、声压波只能使隔膜位移。0004根据现有技术已知的这种电容性麦克风通常包含按照硅微机电系统MEMS工艺制作的隔膜和背板，而背部腔室由整个封装或者电容性麦克风自己来限定。优选地，通过将具有麦克风的电子设备集成到系统级封装SIP方案中来将所谓的MEMS麦克风用于移动电话，因为传统的分立麦克风不具有所需的形状因子。麦克风中的电子设备可以包括预放大器、偏置电路、A/D转换器以及信号处理和总线驱动器。0005麦克风的灵敏度由隔膜的柔度来确定，即由隔膜的弹性来确定。通过机械结构或者材料参数制造之后的应力和/或杨氏模量来控制柔度，其中依赖于麦克风的设计、机械结构或者材料参数支配所述性能。0006这种麦克风的一。
11、种重要性能参数是对于结构自生声音的灵敏度，所述结构自生声音是通过由于整体上作用于麦克风上的机械振动导致的隔膜和背板之间的不需要的相对运动来控制的。所谓的本体噪音是麦克风的干扰效果。这种干扰效果的一个示例是移动电话自身的扬声器与具有非线性传递函数的麦克风的串音。信号处理不能够补偿这种干扰效果。0007大多数麦克风用户必须处理的另一个问题是需要尽可能快地止住电话的铃声，因为他们在非常不希望铃声声音的时刻例如当在别人在场时，在演示或者其他类型的表演期间，在展览和会议期间，图书馆、法庭等等接到了电话。用户需要找到电话，从他或她的口袋或者包里取出电话，找到正确的按钮有时是在黑暗中或者需要尽可能不引人注目。
12、。这都需要时间，并且可能会惹恼周围的人们。发明内容0008因此，本发明的目的是提供一种麦克风，所述麦克风对于机械振动较不敏感，以及提供一种制造麦克风的方法，所述麦克风提供本体噪声的消除。说明书CN102349311ACN102349330A2/7页50009该目的是通过利用具有第一层的晶片制造微机械麦克风和加速度计的方法来是解决的，所述方法包括步骤将所述第一层分为麦克风层和加速度计层，用连续的第二层覆盖麦克风层的前侧和加速度计层的前侧，用第三层覆盖第二层，在第三层中形成多个沟槽，去除麦克风层背部一侧下面的晶片的一部分，在加速度计层背部一侧下面的晶片中形成至少两个晶片沟槽，以及通过在第三层中形成。
13、的多个沟槽去除第二层的一部分。0010因此，本发明的重要思想是在麦克风附近提供加速度计，优选地将所述加速度计配置为一维加速度计，其中在与麦克风相同的管芯中处理加速度计。根据本发明的麦克风和加速度计允许抑制机械振动，导致了改进的信噪比。当用于蜂窝电话时，所述加速度计可以促进另外的功能性，例如通过晃动蜂窝电话来结束会话，当将蜂窝电话正面朝上或反面朝上放置时实现静音模式。0011优选地，所述麦克风配置为MEMS电容性麦克风。本发明进一步的优点在于可以通过与电容性MEMS麦克风所要求的相同工艺流来生产这种加速度计，而无需改变MEMS麦克风管芯的物理尺寸。这样，对可能影响灵敏度的临界参数例如层应力的局部。
14、工艺变动进行优化，并且不需要额外的掩模来实现所伴随的一维加速度计。另外优选地是将第一层配置为硅层，将第二层配置为氧化层，以及将第三层配置为多晶硅层。0012可以使用根据现有技术已知的技术来制造根据本发明的微机械麦克风和加速度计，例如使用反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀DRIE，或者氢氧化钾KOH或四甲基铵TMAH的湿法各向异性刻蚀，或者牺牲层刻蚀之类的刻蚀。优选地，利用四烷氧基硅烷TETRAALCOXYSILAN，TEOS提供第二层。0013根据本发明的另一个优选实施例，经由第二层覆盖麦克风层和加速度计层之间的交界的第三层中的沟槽比经由第二层覆盖麦克风层和/或加速度计层的第三层中的沟槽更宽。这意。
15、味着通过包括多个沟槽的第三层覆盖优选地形成麦克风隔膜的麦克风层，并且意味着通过包括多个沟槽的第三层覆盖优选地形成加速度计隔膜的加速度计层，并且其中优选地在相对地覆盖麦克风层和加速度计层之间的交界的区域中去除第三层。0014根据本发明的另一个优选实施例，所述晶片中位于加速度计层背部一侧下面的至少两个晶片沟槽形成了加速度计晶片块，所述加速度计晶片块由加速度计层背部一侧下面的晶片的一侧上的最外面沟槽和加速度计层背部一侧下面的晶片的另一侧上的最外面沟槽来限定。0015根据本发明的另一个优选实施例，麦克风层的质量与麦克风层的柔度的乘积等于加速度计层和加速度计晶片块的质量与加速度计层的柔度的乘积。换句话说。
16、，优选地，将麦克风层和包括加速度计晶片块的加速度计层设计为使得它们提供对于机械振动的相等幅度的同相响应。这进一步意味着优选地，由于额外的加速度计晶片块，形成加速度计的加速度计层对于加速度更加敏感，而对于声压波不太敏感。应该注意的是将柔度定义为隔膜刚度STIFFNESS的倒数，即分别是麦克风层刚度的倒数或者加速度计层刚度的倒数。0016根据本发明的另一个优选实施例，第一层是绝缘体上硅SOI晶片的器件层。如现有技术中已知的，优选地SOI晶片包括通常称作器件层的顶部硅层、中间绝缘氧化层和典型地比顶部硅层厚得多的约650微米底部硅层。可选地，可以将第一硅层配置为硅晶片。0017本发明的目的还通过一种设。
17、备来实现，所述设备包括具有第一层的晶片，其中将说明书CN102349311ACN102349330A3/7页6第一层分为麦克风层和加速度计层，并且其中去除麦克风层的背部一侧下面的晶片的一部分，在加速度计层的背部一侧下面的晶片中形成至少两个晶片沟槽，用连续的第二层覆盖麦克风层的前侧和加速度计层的前侧，用第三层覆盖连续的第二层，在第三层中形成多个沟槽，以及通过在第三层中形成的多个沟槽去除第二层的一部分。这相对于现有技术的优点在于根据本发明的设备允许本体噪声消除，以便最小化结构自生声音。0018换句话说，根据本发明的这种设备包括麦克风，通过形成隔膜的麦克风层和形成背板的具有沟槽的第二层来提供麦克风；。
18、以及加速度计，通过形成加速度计隔膜的加速度计层和形成背板的具有沟槽的连续的第二层来提供加速度计。优选的是将第一层设置为硅层，将第二层设置为氧化层，并且将第三层设置为多晶硅层。0019根据本发明的另一个优选实施例，所述设备的麦克风层适用于产生第一电信号，其中所述第一电信号与施加于麦克风层和/或加速度计层的压力成正比，并且其中所述加速度计层适用于产生第二电信号，其中所述第二电信号与施加于麦克风层和/或加速度计层的压力成正比。优选地，由于在形成第一电容器的麦克风层和具有沟槽的第三层之间的空气隙的调制，产生第一电信号，以及由于加速度计层和形成第二导体的具有沟槽的第三层之间的空气隙的调制，产生第二电信号。
19、。0020根据本发明的另一个优选实施例，所述设备包括减法模块，所述减法模块适用于从第一信号中减去第二信号。因为从第一电信号中减去了第二电信号而获得有益效果，其中由麦克风层形成的第二导体所产生的第二电信号表示由于不希望的机械振动导致的结构自生声音；第一电信号由麦克风层的第一导体产生，从而获得了没有或几乎没有结构自生声音的声信号。0021根据本发明的另一个优选实施例，经由第二层覆盖麦克风层和加速度计层之间的交界的第三层中的沟槽比经由第二层覆盖麦克风层和/或加速度计层的第三层中的沟槽更宽。进一步优选地并且根据本发明的另一个优选实施例，加速度计层的背部一侧下面的晶片中的至少两个晶片沟槽形成了加速度计晶。
20、片块，所述加速度计晶片块由加速度计层的背部一侧下面的晶片的一侧上的最外面沟槽和加速度计层的背部一侧下面的晶片的另一侧上的最外面沟槽来限定。根据本发明的另一个优选实施例，麦克风层的质量和麦克风层的柔度的乘积等于加速度计层和加速度计晶片块的质量与加速度计层的柔度的乘积。进一步优选地，所述第一层是SOI晶片的器件层。0022本发明的目的还通过使用根据本发明的微机械麦克风和加速度计的方法来实现，用于检测麦克风层和相对地覆盖麦克风层的第三层之间的第一电信号，其中第一电信号与施加于麦克风层和/或加速度计层的压力成正比，检测加速度计层和相对地覆盖加速度计层的第三层之间的第二电信号，其中第二电信号与施加于麦克。
21、风层和/或加速度计层的压力成正比，以及从第一电信号中减去第二电信号。因为信号相减消除了由于声信号中不需要的机械振动导致的结构自生声音，这相对于现有技术是有利的。0023本发明也包括具有微机械麦克风和加速度计的设备的使用方法0024检测施加到电话的至少一个晃动；0025执行包括以下任一个内容的动作，包括使电话静音、抑制电话铃声、只抑制声音、将电话设置为静音模式、自动应答呼叫。0026根据下文所述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得清楚明白，并且参考下说明书CN102349311ACN102349330A4/7页7文所述的实施例进行解释。附图说明0027在附图中0028图1A1G示出了根据本发明。
22、的优选实施例形成微机械麦克风的典型工艺。具体实施方式0029在优选实施例的以下详细描述中，将参考形成实施例一部分的附图，在附图中作为说明示出了可以实践本发明的特定实施例。所述附图只是示意性的而不是限制性的。在附图中为了说明的目的，对一些元件的尺寸进行了夸大，并且没有按比例绘制。本领域普通技术人员应该认识到在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构变化。0030另外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分类似的元件，而不是为了描述次序顺序或时间顺序。应该理解的是所使用的术语在适当的情况下是可以互换的，并且这里所述的本发明实施例能够按照除了这里所述和所示的其他顺序。
23、而操作。0031此外，在说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上面、下面等用于描述性目的，而不一定是为了描述相对位置。应该理解的是所使用的术语在适当的环境下是可互换的，并且这里所述的本发明实施例能够按照除了这里所述和所示之外的其他朝向来操作。0032应该注意的是，权利要求中使用的术语“包括”不应该解释为局限于随后所列举的装置，其并没有排除其他元件和步骤。因此，表达方式“设备包括装置A和B”的范围不应该局限于只由部件A和B组成的设备。其意味着相对于本发明，设备的相关部件是A和B。0033根据本发明的优选实施例，可以在与电容性MEMS麦克风所要求的相同工艺流程中制造一维加速度计。所述一维加速度计定位。
24、为靠近电容性MEMS麦克风，而不会改变MEMS麦克风管芯的物理尺寸。这样，对可能影响灵敏度的临界参数例如层应力的局部工艺变动进行优化，并且不需要额外的掩模来实现所伴随的一维加速度计。0034因为根据本发明的针对测量声压进行了优化的电容性MEMS麦克风也对于加速度具有灵敏度，所以增加了在隔膜上具有附加质量的较小的第二“麦克风”。这种次级“麦克风”对于加速度更加敏感，而对于声音不太敏感。因此，将这种次级“麦克风”称作一维加速度计。0035通过使得质量柔度乘积对于加速度计和麦克风均相等来获得最优的频率和灵敏度匹配。下表总结了两种器件的性质。灵敏度是针对谐振频率以下的频率的灵敏度。0036说明书CN1。
25、02349311ACN102349330A5/7页80037参数是0038X/P是隔膜或块由于压力P导致的偏移0039X/是隔膜或块由于加速度导致的偏移0040D是隔膜或电极的尺寸。为了简单起见采用正方形DD隔膜0041CD是隔膜的柔度，是弹簧常数SPRINGCONSTANT的倒数K10042是对于隔膜曲率的补偿因子0043LD是隔膜的质量0044CD_ACC是加速度计中的悬置块的柔度0045LD_ACC是加速度计中检验块PROOFMASS的质量0046可以根据简单的质量弹簧系统来理解在低频下，加速度计对加速度的灵敏度，按照以下的等式0047FMA0048FKX0049MAKX00500051。
26、其中CD是隔膜柔度。当补偿麦克风对加速度的灵敏度时，满足以下等式00520053因此，所述加速度计应该具有相同的灵敏度，通过以下设计0054CDLDCD_ACCLD_ACC0055加速度计和麦克风将具有对于加速度相同的灵敏度，但是也具有相同的频率响应，因为谐振频率按照同样的方式相关。0056由于LDLD_ACC，这可以通过设计CDCD_ACC来实现。满足这种要求产生了相对于加速度计具有更高的声学灵敏度的麦克风。此外，通过使得尺寸更小实现了加速度计对于声音的灵敏度的进一步减小。0057本发明的这些和其他方面根据下文所述的实施例将是清楚明白的，并且参考下文所述的实施例进行阐述。说明书CN10234。
27、9311ACN102349330A6/7页90058图1A1G示出了根据本发明的优选实施例、利用晶片1形成微机械麦克风和加速度计的典型工艺。从图1A中可以看出，晶片1包括第一层2，所述第一层典型地厚度在10微米和50微米之间。根据本发明的优选实施例，将所述晶片1配置为SOI晶片，并且将第一层1配置为SI层。晶片1包括另外的SIO2层2和SI层3，SI层3典型地为650微米厚。根据现有技术已知的是，第一层1通常称作器件层，SIO2层3通常称作中间绝缘层，而SI层4通常称作底部硅层。0059首先并且如图1B所示，对第一层3进行构图，以创建麦克风层5和加速度计层6。如在随后的工艺中可以看出的，麦克风。
28、层5将形成麦克风隔膜，并且加速度计层6将形成加速度计的质量悬置部。应该注意的是，通过麦克风隔膜中的张应力来确定灵敏度。0060在图1C中，添加包括氧化物或四烷氧基硅烷TEOS的附加第二层7，用于覆盖麦克风层5和加速度计层6。用第三层8覆盖所述第二层7，所述第三层8包括多晶硅。如在随后的工艺中可以看出的，第三层8将形成麦克风和/或加速度计的背板。0061在图1D中，使用反应离子刻蚀来在背板中刻蚀声学孔，形成沟槽9。如可以进一步看出的，覆盖麦克风层5和加速度计6之间的交界的沟槽9比相对地覆盖麦克风层5和/或加速度计层6的第三层8中的沟槽9更宽。0062在图1E中，通过使用深度反应离子刻蚀DRIE或。
29、者氢氧化钾KOH或四甲基铵TMAH的湿法各向异性刻蚀，来刻蚀穿过整个晶片1的孔。如可以看出的，去除了麦克风层5的背部一侧下面的晶片1的一部分10，并且在加速度计6的背部一侧下面的晶片1中形成晶片沟槽11。0063如图1F所示，通过使用牺牲层刻蚀，通过在第三层8中形成的多个沟槽9去除了第二层7的部分12、13。按照这种方式，从通过第三层8中的沟槽9形成的麦克风的背板中释放了形成麦克风隔膜的麦克风层5。如可以进一步看出的，也释放了更小结构的加速度计，但是在这种情况下是作为形成了加速度计晶片块的悬置块。0064图1G示出了最终的微机械麦克风和加速度计。根据本发明，麦克风层5的质量与麦克风层5的柔度的。
30、乘积等于加速度计层6和加速度计晶片块的质量与加速度计层6的柔度的乘积。0065本发明的另一个实施例是如前述任一实施例所述的麦克风和加速度计的有用应用。可以检测例如通过容纳所述电话的背包或口袋的纺织或塑料材料的电话的晃动并且产生信号。然后可以将通过电话的加速度产生的信号用于使电话静音，例如抑制电话铃声、只抑制声音、将电话设置为静音模式、自动应答呼叫。0066可以按照多种方式实现该实施例。在大多数情况下，一维加速度计对于这种应用是足够好的。大多数人们将其电话放在口袋中，并且如上述任一实施例所述的加速度计的朝向确保了当直接轻叩在电话表面上时的最优灵敏度。0067此外，所述电话可以适用于不对单独的晃动。
31、起反应，而是对于特定顺序的晃动起反应。所述电话可以适用于使得用户可以自己编程应该对什么类型和节奏的“轻叩”或“砰击”进行识别，以及应该实现什么效果。所需效果的示例为“只抑制声音”、“将电话设置为静音模式”、“应答呼叫”等等0068尽管在附图和说明书中详细说明和描述了本发明，将这些说明和描述看作是说明或示意性的，而不是限制性的；本发明不局限于所公开的实施例。本领域普通技术人员在实说明书CN102349311ACN102349330A7/7页10践请求保护的本发明时，根据对附图、公开和所附权利要求的研究，可以理解和实现对于所公开实施例的其他变体。在权利要求中，不定冠词“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载特定措施这一事实单独不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的“任意参考符号”不应该解释为限制其范围。说明书CN102349311ACN102349330A1/2页11图1A图1B图1C图1D图1E说明书附图CN102349311ACN102349330A2/2页12图1F图1G说明书附图CN102349311A。