骨传导传感器芯片 |
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| 申请号 | CN202110616380.1 | 申请日 | 2021-06-02 | 公开(公告)号 | CN113277464B | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 苏州敏芯微电子技术股份有限公司; | 发明人 | 徐復; 梅嘉欣; 庄瑞芬; | ||||
| 摘要 | 本 申请 提供了一种骨传导 传感器 芯片，解决了 现有技术 中的骨传导传感器芯片的灵敏度不稳定的问题。其中，骨传导传感器芯片包括：振动膜； 质量 块 ，位于振动膜的一侧；以及止挡结构，用于限制质量块在平行于振动膜的方向上的振动幅度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种骨传导传感器芯片，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 骨传导传感器芯片技术领域背景技术[0002] 随着MEMS技术的飞速发展，MEMS骨传导传感器芯片(以下简称骨传导传感器芯片)应运而生。常规的骨传导传感器芯片通常包括相对设置的背极板和振动膜，并在振动膜远离背极板的一侧悬挂质量块。质量块感受声带振动产生的骨骼振动而产生机械振动，质量块的机械振动带动振动膜振动，从而改变背极板和振动膜之间的间距，进而改变电容信号，以此实现对声音信号的检测。然而，常规的骨传导传感器芯片的灵敏度不是很稳定，从而对其应用领域造成了限制。 [0003] 申请内容 [0005] 本申请提供一种骨传导传感器芯片，包括：振动膜；质量块，位于振动膜的一侧；以及止挡结构，用于限制质量块在平行于振动膜的方向上的振动幅度。利用止挡结构来限制质量块的水平振动的幅度，从而降低水平振动对竖直振动的干扰程度，确保质量块的竖直振动更稳定，进而提高了芯片的灵敏度均一性。 [0006] 在一个实施例中，止挡结构包括共平面的第一止挡层和第二止挡层，第一止挡层位于可动区域和质量块之间，第二止挡层与固定区域叠置；第一止挡层和第二止挡层之间具有第一间隔。 [0008] 在一个实施例中，还包括牺牲层，牺牲层包括间隔设置的中央区域和环绕中央区域的边缘区域；中央区域位于可动区域和第一止挡层之间，边缘区域位于固定区域和第二止挡层之间；中央区域和边缘区域之间具有第二间隔，第二间隔大于第一间隔，并与第一间隔连通。 [0010] 在一个实施例中，在经过质量块的中心线的截面上，第一间隔占第一空腔的长度的比例大于零并且小于或等于1/10。 [0011] 在一个实施例中，止挡结构包括第一空腔，质量块位于第一空腔内，质量块的侧壁和第一空腔的壁体之间间隔设置。 [0012] 在一个实施例中，在经过质量块的中心线的截面上，质量块的侧壁和第一空腔的壁体之间的最小间隔占第一空腔的长度的比例大于零并且小于或等于1/10。 [0013] 在一个实施例中，质量块包括主体部和位于主体部的侧壁上的至少一个凸起。 [0014] 在一个实施例中，质量块包括第二空腔。 [0015] 在一个实施例中，第一空腔包括开口；振动膜包括可动区域和环绕可动区域的边缘区域；可动区域覆盖开口，固定区域与止挡结构连接。 [0016] 在一个实施例中，还包括位于质量块的远离振动膜一侧的底板；止挡结构包括设置在底板的靠近质量块的表面上的至少一个凸起，每个凸起的端部所在表面穿过质量块；在平行于振动膜的方向上，每个凸起的侧壁和质量块的侧壁之间具有间隔。 [0018] 在一个实施例中，还包括支撑结构，支撑结构包括两端开口的第一空腔，质量块位于第一空腔内；支撑结构的一端与振动膜连接，另一端与底板连接。 [0019] 在一个实施例中，在经过质量块的中心线的截面上，每个凸起的侧壁和质量块的侧壁之间的间隔占第一空腔的长度的比例大于零并且小于或等于1/10。 [0020] 在一个实施例中，振动膜上设置有通孔，通孔沿厚度方向贯穿振动膜。 [0021] 在一个实施例中，还包括背极板，位于振动膜背离质量块的一侧，背极板和振动膜之间具有第三空腔。 [0022] 根据本申请提供的骨传导传感器芯片，通过设置止挡结构来限制质量块的水平振动的幅度，以使质量块的水平振动的实际幅度小于没有止挡结构的情况下质量块可产生的最大幅度。从而降低水平振动对竖直振动的干扰程度，确保质量块的竖直振动更稳定，进而提高了芯片的灵敏度均一性。附图说明 [0023] 图1a为本申请第一实施例提供的骨传导传感器芯片的截面结构示意图。 [0024] 图1b为图1a所示骨传导传感器芯片的俯视结构示意图。 [0025] 图2为本申请第二实施例提供的骨传导传感器芯片的截面结构示意图。 [0026] 图3a为本申请第三实施例提供的骨传导传感器芯片的截面结构示意图。 [0027] 图3b为图3a所示的骨传导传感器芯片的俯视结构示意图。 [0028] 图4a为本申请第四实施例提供的骨传导传感器芯片的截面结构示意图。 [0029] 图4b为图4a所示的骨传导传感器芯片的俯视结构示意图。 [0030] 图5a为本申请第四实施例提供的骨传导传感器芯片的截面结构示意图。 [0031] 图5b为图5a所示的骨传导传感器芯片的俯视结构示意图。 具体实施方式[0032] 如背景技术所述，常规的骨传导传感器芯片的灵敏度不是很稳定。发明人研究发现，常规的骨传导传感器芯片包括间隔设置的背极板和振动膜，振动膜远离背极板的一侧悬挂有质量块。质量块感测由声带振动产生的骨骼振动，产生机械振动，质量块的机械振动带动振动膜振动，从而改变背极板和振动膜之间的间距，进而改变电容信号，以此实现对声音信号的检测。然而，在质量块振动的过程中，除了有利的垂直于振动膜的方向上的振动(以下简称竖直振动)之外，通常还包括平行于振动膜的方向上的振动(以下简称水平振动)，该水平振动会对竖直振动产生干扰。由于不同场景下的水平振动参数，例如振动强度不同，从而导致骨传导传感器芯片的灵敏度不稳定。 [0033] 有鉴于此，本申请提供了一种骨传导传感器芯片，通过设置止挡结构来限制质量块的水平振动的幅度，以使质量块的水平振动的实际幅度小于没有止挡结构的情况下质量块可产生的最大幅度。从而降低水平振动对竖直振动的干扰程度，确保质量块的竖直振动更稳定，进而提高了芯片的灵敏度均一性和对骨骼振动信号的敏感程度。与此同时，由于减小了质量块的水平振动的幅度，即减小了质量块对振动膜的水平方向上的拉扯，进而减小了振动膜中集中的应力，从而降低了振动膜损坏的风险，提高了骨传导传感器芯片的可靠性。 [0034] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。 [0035] 图1a为本申请第一实施例提供的骨传导传感器芯片的截面结构示意图。图1b为图1a所示骨传导传感器芯片的俯视结构示意图。图1b中仅示出了图1a中的部分结构。如图1a和图1b所示，骨传导传感器芯片10包括：支撑结构11、振动膜12和位于振动膜12一侧的质量块13。在一个实施例中，质量块13和振动膜12的中心重合，以避免质量偏移。 [0036] 其中，支撑结构11包括第一空腔Q，第一空腔Q具有开口，振动膜12位于开口处，振动膜12的边缘区域与支撑结构11固连。在一示例中，如图1a所示，支撑结构11为两端开口的桶形，例如圆桶形或矩形桶形。振动膜12位于支撑结构11的一端开口处。在另一示例中，支撑结构11为一端开口的桶形，振动膜12位于该开口处，振动膜12的边缘区域与支撑结构11固连。 [0037] 质量块13位于第一空腔Q内，与振动膜12连接。这里提到的连接可以是直接连接，也可以是通过其他结构，例如膜层间接连接。在经过质量块13的中心线的截面上，第一空腔Q的侧壁和质量块13的侧壁的间隔d1占第一空腔Q的长度D的比例大于零并且小于或等于1/10。例如，间隔d1占第一空腔Q的长度D的比例小于或等于1/100。在一示例中，第一空腔Q的侧壁和质量块13的侧壁的间隔d1为几个微米，例如6微米，8微米或10微米等。当不同位置处第一空腔Q的侧壁和质量块13的侧壁之间的间隔不等时，间隔d1是指间隔的最小值。这样，可以利用支撑结构11作为止挡结构，以限制质量块13的水平振动幅度。 [0038] 在本实施例中，如图1a和图1b所示，质量块13包括主体部131和位于主体部131的侧壁上设置有至少一个凸起132。每个凸起132的端部和第一空腔Q的壁体之间具有间隔d1。在一个实施例中，至少一个凸起132关于质量块13的中心对称分布，从而确保整体稳定性。 在一个实施例中，质量块13的侧壁上设置有四个凸起132，该四个凸起132沿质量块13的周向等间隔排布。主体部131的形状和凸起132的形状可以根据实际需要合理设置。在一示例中，主体部131的形状包括圆柱或棱柱。凸起132的形状包括半球体、立方体等。例如，如图1a和图1b所示，凸起132为沿垂直于振动膜12的方向延伸的条形，凸起132的长度等于质量块 13的厚度。这种情况下，质量块13大致呈齿轮状。应当理解，齿轮状的质量块13的齿轮的个数，即凸起132的数量可以根据实际需要合理设置，例如4个或8个等。在另一个实施例中，主体部131的侧壁上设置有一个凸起132，该凸起132为环形。 [0039] 根据本实施例提供的骨传导传感器芯片10，和常规骨传导传感器芯片相比，仅需要改变质量块13的形状，即在质量块13的侧壁上增设凸起132，以缩小质量块13和支撑结构11之间的间隔，便可以利用支撑结构11实现止挡。因此，骨传导传感器芯片10的制备过程在常规制备工艺的基础上，改动较小，易于工艺实现。 [0040] 图2为本申请第二实施例提供的骨传导传感器芯片的截面结构示意图。如图2所示，第一空腔Q包括垂直于振动膜22的侧壁，第一空腔Q的侧壁上设置有至少一个凸起210。在经过质量块23的中心线的截面上，每个凸起210的端部和质量块23的侧壁之间的间隔d2占第一空腔Q的长度D的比例大于零并且小于或等于1/10。例如，间隔d2占第一空腔Q的长度D的比例大于零并且小于或等于1/100。在一示例中，每个凸起210的端部和质量块23的侧壁之间的间隔d2为几个微米，例如6微米，8微米或10微米等。当不同位置处凸起210的端部和质量块13的侧壁之间的间隔不等时，间隔d2是指间隔的最小值。这样，可以利用支撑结构21作为止挡结构，以限制质量块23的水平振动幅度。 [0041] 在一示例中，第一空腔Q的侧壁上设置有一个凸起210，凸起210为环形，凸起210环绕质量块23。在另一示例中，第一空腔Q的侧壁上设置有多个凸起210，该多个凸起210沿环绕质量块23的方向间隔排布。凸起210的形状和数量可以根据实际需要合理设置。至少一个凸起210在第一空腔Q的侧壁上的位置是任意的。 [0042] 在一个实施例中，质量块23包括靠近振动膜22的第一端A和远离振动膜22的第二端B，与第一端A相比，至少一个凸起210更靠近质量块23的第二端B。第一端A相当于固定端，第二端B相当于自由端。由于自由端的振动灵敏度高于固定端，因此将凸起210设置在靠近自由端的位置，可以更好的发挥止挡作用。 [0043] 根据本实施例提供的骨传导传感器芯片20，和常规骨传导传感器芯片相比，仅需要改变支撑结构21的形状，即在第一腔体Q的侧壁上增设凸起210，以缩小质量块23和支撑结构21之间的间隔，便可以利用支撑结构21实现止挡。因此，骨传导传感器芯片20的制备过程在常规制备工艺的基础上，改动较小，易于工艺实现。 [0044] 图3a为本申请第三实施例提供的骨传导传感器芯片的截面结构示意图。图3b为图3a所示的骨传导传感器芯片的俯视结构示意图。图3b中仅示出了图3a中的部分结构。如图 3a和图3b所示，骨传导传感器芯片30的第一空腔Q的壁体包括平行于振动膜32的底壁，止挡结构包括位于第一腔体Q的底壁上的至少一个凸起310。在一示例中，第一空腔Q的底壁上设置有一个环形的凸起310，凸起310环绕质量块33。在平行于振动膜32的方向上，凸起310和质量块33之间具有交叠区域。在另一示例中，第一空腔Q的底壁上设置有多个凸起310，多个凸起310环绕质量块33等间隔排布。在平行于振动膜32的方向上，每个凸起310和质量块33之间具有交叠区域。 [0045] 具体而言，骨传导传感器芯片30还包括位于质量块33的远离振动膜32一侧的底板34。至少一个凸起310设置在底板34上，每个凸起310的端部所在表面穿过质量块33，即如图 3a所示的竖直方向上，凸起310的端面的高度大于质量块33的底部表面的高度。在经过质量块33的中心线的截面上，每个凸起310的侧壁和质量块33的侧壁之间的间隔d3占第一空腔Q的长度D的比例大于零并且小于或等于1/10。例如，间隔d3占第一空腔Q的长度D的比例大于零并且小于或等于1/100。在一示例中，每个凸起310的侧壁和质量块33的侧壁之间的间隔d3为几个微米，例如6微米，8微米或10微米等。当不同位置处凸起310的侧壁和质量块33的侧壁之间的间隔不等时，间隔d3是指间隔的最小值。这样，可以利用凸起310作为止挡结构，以限制质量块33的水平振动幅度。 [0046] 在一个实施例中，如图3a和图3b所示，骨传导传感器芯片20还包括支撑结构31，支撑结构31包括两端开口的第一空腔Q，质量块33位于第一空腔Q内。支撑结构31的一端与振动膜32连接，另一端与底板34连接。在一示例中，底板34和支撑结构31的材料均为硅。这样，便于在二者之间形成连接关系，例如键合、粘结或焊接等。在一示例中，凸起310的材料为硅。这种情况下，凸起310和底板34可以由同一硅片形成。在另一示例中，凸起310的材料为胶材。这样，可以避免止挡过程中损坏质量块33。在其他示例中，凸起310还可以是氧化硅等。 [0047] 根据本实施例提供的骨传导传感器芯片30，通过增设底板34并在底板34上设置凸起310来形成对质量块33的止挡作用。这样，可以确保凸起310直接作用在质量块33的自由端，即第二端B，从而使得骨传导传感器芯片30更好地发挥止挡作用。 [0048] 图4a为本申请第四实施例提供的骨传导传感器芯片的截面结构示意图。图4b为图4a所示的骨传导传感器芯片的俯视结构示意图。图4b仅示出了图4a中的部分结构。如图4a和图4b所示，骨传导传感器芯片40包括振动膜42、位于振动膜42一侧的质量块43和止挡结构45。其中，振动膜42包括可动区域和环绕可动区域的固定区域。图4b中的圆形实线表示可动区域和固定区域之间的边缘线。止挡结构45包括共平面的第一止挡层451和第二止挡层 452，第一止挡层451位于可动区域和质量块43之间，第二止挡层452与固定区域叠置。第一止挡层451和第二止挡层452间隔设置。这样，可以利用第一止挡层451和第二止挡层452的相对端部作为止挡结构，以限制质量块33的水平振动幅度。 [0049] 在一个实施例中，如图4a和图4b所示，骨传导传感器芯片40还包括支撑结构41。支撑结构41包括第一空腔Q，第一空腔Q包括开口。质量块43位于第一空腔Q内，振动膜42的可动区域覆盖开口，振动膜42的固定区域与支撑结构41连接。在经过质量块43的中心线的截面上，第一止挡层451和第二止挡层452之间的第一间隔D1占第一空腔Q的长度D的比例大于零并且小于或等于1/10。例如，第一间隔D1占第一空腔Q的长度D的比例大于零并且小于或等于1/100。在一示例中，第一间隔D1为几个微米，例如6微米，8微米或10微米等。当不同位置处第一止挡层451和第二止挡层452之间的间隔不等时，第一间隔D1是指间隔的最小值。 [0050] 如图4a和图4b所示，第一止挡层451的形状和质量块43的形状相适应。在一个实施例中，质量块43在垂直于振动膜42的方向上的正投影落入第一止挡层451内，质量块43的正投影的边缘和第一止挡层451的边缘之间具有一定间隔，并且任意位置的间隔相等。例如，质量块43和第一止挡层451为同心圆形，第一止挡层451的半径大于质量块43的半径。第二止挡层452以固定间隔环绕第一止挡层451设置，第二止挡层452和第一止挡层451在任意位置的间距相等。例如，当质量块43和第一止挡层451为同心圆形时，第二止挡层452为同心圆环。 [0051] 在一个实施例中，第一止挡层451和第二止挡层452的材料均为多晶硅。 [0052] 根据本实施例提供的骨传导传感器芯片40，相当于在传统骨传导传感器芯片的质量块43和振动膜42之间增加了一个止挡层，并对该止挡层进行刻蚀，得到第一止挡层451和第二止挡层452，利用第一止挡层451和第二止挡层452之间的间隔限定质量块43的水平振动幅度，以实现对质量块43的水平振动幅度的限位。骨传导传感器芯片40的制备过程无需对现有制备工艺进行改变，仅需增加制备止挡层，并刻蚀得到第一止挡层451和第二止挡层452的步骤，工艺更简单，易实现。 [0053] 在一个实施例中，如图4a和图4b所示，骨传导传感器芯片40还包括牺牲层44。牺牲层44包括间隔设置的中央区域和环绕中央区域的边缘区域。中央区域位于可动区域和第一止挡层451之间，边缘区域位于固定区域和第二止挡层452之间。中央区域和边缘区域之间的第二间隔D2大于第一间隔D1，并与第一间隔D1连通。 [0054] 具体而言，牺牲层44的中央区域在垂直于振动膜42的方向上的正投影落入第一止挡层451内，中央区域的正投影的边缘和第一止挡层451的边缘之间具有一定间隔。牺牲层44的边缘区域在垂直于振动膜42的方向上的正投影落入第二止挡层452内，边缘区域的正投影靠近中央区域一侧的边缘和第二止挡层452的边缘之间具有一定间隔。这种情况下，中央区域和边缘区域之间的间隔D2大于第一间隔D1，并与第一间隔D1连通。这样，通过设置牺牲层44，相比于第一止挡层451和振动膜42直接连接而言，可以使得第一止挡层451更远离振动膜42，从而可以提高第一止挡层451的水平振动幅度，以提升止挡结构45的灵敏度。牺牲层44的中央区域和边缘区域的形状是任意的。牺牲层44的材料例如为二氧化硅。 [0055] 在一个实施例中，如图4a和图4b所示，振动膜42上设置有至少一个通孔420，通孔420沿厚度方向贯穿振动膜42。通孔420起到泄气的作用，这样，可以增强振动膜42在竖直方向上的张力，从而进一步提高灵敏度。通孔420的数量和形状可以根据实际需要合理设置。 在一示例中，振动膜42未悬挂质量块13的区域上开设有多个环形排布的条形通孔。 [0056] 图5a为本申请第四实施例提供的骨传导传感器芯片的截面结构示意图。图5b为图5a所示的骨传导传感器芯片的俯视结构示意图。图5b仅示出了图5a中的部分结构。如图5a和图5b所示，骨传导传感器芯片50中的质量块53包括第二空腔M。在经过质量块53的中心线的截面上，质量块53的侧壁和第一空腔Q的侧壁之间的间隔d4占第一空腔Q的长度D的比例大于零微米并且小于1/10。例如，间隔d4占第一空腔Q的长度D的比例大于零微米并且小于 1/100。在一示例中，间隔d4为几个微米，例如6微米，8微米或10微米等。当不同位置处质量块53的侧壁和第一空腔Q的侧壁之间的间隔不等时，间隔d4是指间隔的最小值。这样，可以利用支撑结构51作为止挡结构，以限制质量块53的水平振动幅度。 [0057] 第二空腔M的形状、体积和数量均可以根据实际需要合理设置。在一示例中，质量块53为两端开口的桶形，即第二空腔M为与质量块53同轴的柱体，例如圆柱或棱柱。 [0058] 根据本实施例提供的骨传导传感器芯片50，和常规骨传导传感器芯片相比，仅需要改变质量块53的结构，即在质量块53中设置第二空腔M，这样，便可以在增大质量块53体积以使间隔d4满足止挡要求的同时，不会增大质量块53的质量，以避免超出振动膜52的称重范围。相应地，骨传导传感器芯片50的制备过程在常规制备工艺的基础上，改动较小。 [0059] 对于上述任一实施例提供的骨传导传感器芯片而言，还可以在振动膜上设置通孔。以图4a和图4b所示骨传导传感器芯片40为例，振动膜42上设置有至少一个第一通孔420，该至少一个第一通孔420沿厚度方向贯穿振动膜42。至少一个第一通孔420起到泄气的作用，这样，一方面，可以增强振动膜42在竖直方向上的张力，从而进一步提高灵敏度。另一方面，可以起到释放应力的作用，提高振动膜42的可靠性。第一通孔420的数量和形状可以根据实际需要合理设置。在一示例中，振动膜42的非对应质量块43的区域上开设有多个环形排布的条形通孔。 [0060] 上述任一实施例提供的骨传导传感器芯片还可以包括背极板。仍以图4a和图4b所示骨传导传感器芯片40为例，骨传导传感器芯片40还包括位于振动膜42背离质量块43一侧的背极板46。背极板46和振动膜42之间具有第三空腔P，用于容纳背极板46和振动膜42之间的介质，以形成电容结构。背极板46上开设有多个第二通孔460，第二通孔460从厚度方向上贯穿背极板46。该多个第二通孔460分别起到泄气作用和释放作用，其中释放作用是指用于排出腐蚀掉的牺牲层。多个第二通孔460的形状和排布方式可以根据实际需要合理设置。背极板46靠近振动膜42的表面还设置有突出部462，用于限制振动膜42的竖直振动的幅度，避免因振动膜42的振动幅度过大而损坏，进一步提高可靠性。 [0061] 提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。 [0062] 应当理解，本申请实施例描述中所用到的限定词“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”和“第六”仅用于更清楚的阐述技术方案，并不能用于限制本申请的保护范围。 [0063] 为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。 |
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