CN100502560C - 电容麦克风组件 - Google Patents

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Abstract

一种麦克风组件，包括壳体(20)，壳体(20)包括上唇部(18)；硅背板(12)，硅垫块(14、15)，它们与背板一体地形成并包括至少一个凸起和绝缘层(30)，如二氧化硅或含氟聚合物。具有金属化聚合物薄膜的单个隔膜(10)既作用为保护性外界屏障，又作用为电容性电声传感器的探测电极。

Description

电容麦克风组件
技术领域
本申请涉及一种麦克风，并尤其涉及一种电容麦克风组件，如由半导体器件制成的具有一体的垫块的背板。
背景技术
电容器或电容麦克风广泛用于音频、电子和检测仪表工业中。电容器麦克风包括柔性隔膜或薄膜，以及刚性的背板，该背板包括一个或多个开口。麦克风的薄膜和背板一起形成电容器(capacitor)，这也称为转换电容器(condenser)。当声波撞击薄膜时，薄膜运动，导致薄膜和背板之间的气隙的高度变化。这个间隙变化造成薄膜和背板形成的电容器的电容变化。如果在电容器上维持固定的或受控的电荷Q，将横跨电容器形成一电压，那么这个电压将与气隙高度变化成比例地变化。如在现有技术中公知的，传统隔膜由金属膜或金属化的聚合物薄膜构成。
对于各种用途，希望制造小型、高质量的电容麦克风。如在现有技术中公知的，背板中的开口可以通过钻或冲孔形成。随着孔变得越来越小，要控制这个孔的精确尺寸和位置变得愈加困难，而这是关键所在。
如在现有技术中公知的，包括隔膜在内的整个电容麦克风可以通过微型电子机械系统(MEMS)制造方法形成在硅衬底上，这是基于硅集成电路制造工艺形成机械部件。例如，美国专利5889872公开了一种用半导体加工工艺形成的电容麦克风。作为加工过程的一部分，通过在氮化硅层上施加多晶硅层而形成隔膜，多晶硅层得以构图或蚀刻以形成隔膜。
美国专利5870482解释了与使硅晶片制造的隔膜保持高度柔顺性并精确定位该隔膜相关的挑战。该专利公开了另一种具有半导体支承结构的固态电容麦克风。
美国专利6075867公开了一种具有多个隔膜的微型机械麦克风。为了解决潮湿、灰尘和污垢的问题，这种麦克风在变换器的每一侧上包括两个密封薄膜。然而，在探测变换器之前的周边薄膜会影响音频特性，如信噪比、频响和灵敏度。
通过MEMS工艺形成完整的电容麦克风极其困难并且成本高。此外，完全由MEMS工艺形成的电容麦克风经常呈现出较差的音频和可靠性特性。
发明内容
本发明通过一种如下的麦克风组件解决多个上述问题，该麦克风组件包括：壳体、安装在壳体内的半导体背板和位于背板之上的柔性隔膜。半导体垫块与背板一体形成并在背板和隔膜中间。背板和垫块与隔膜、隔膜框架或壳体不是一体形成的。隔膜在隔膜框架上伸展并粘性地固定于后者上。隔膜框架保持隔膜中的张力。隔膜由金属膜或金属化的聚合物薄膜构成，且隔膜既是电容性电声变换器的保护性外界屏障，又是该变换器的探测电极。壳体可以由金属制成，而背板由硅制成。垫块还可以包括电绝缘层，如二氧化硅或含氟聚合物。
背板包括顶部、底部和侧部，以及多个从背板的顶部延伸到背板的底部的开口。在一个实施例中，多个开口沿着背板的侧部定位，并从垫块径向向外。背板可以是圆形的、三角形的或其他所需形状。垫块可以由环形侧壁、一系列弧形侧壁、一系列弧形延伸部或矩形侧壁构成。
壳体包括上唇部，而隔膜框架包括相对上唇部定位的金属环。该组件还包括背板底部上的金属触点。此外，本发明可以包括定位于背板和壳体下部之间的弹簧。
另外，本发明可以包括连接到壳体和背板上的晶体管。麦克风组件还可以包括耦合到背板上的特定用途集成电路(ASIC)，而ASIC可以包括晶体管。
本发明的这些以及其他新颖的优点、细节、实施例、特征和目的将从随后在此列出的本发明的详细描述、所附的权利要求书、以及附图中由本领域技术人员理解到，这些详细描述、权利要求书和附图可用来解释本发明。
附图说明
在下文和附图中，遍及若干视图，类似的附图标记标示类似的元件，本发明将参照所图示的实施例加以解释，图中：
图1是根据本发明制造的麦克风组件的第一实施例的透视图；
图2是根据本发明制造的麦克风组件的一部分的透视图；
图3是根据本发明制造的背板的第一实施例的平面图；
图4是根据本发明制造的背板的第二实施例的平面图；
图5是根据本发明制造的背板的第三实施例的平面图；
图5A是图5中由区域104所示的部分的放大图；以及
图6是根据本发明制造的背板的第四实施例的平面图。
具体实施方式
参照图1和2，在优选实施例中，本发明包括一个与背板12分离开的薄膜或隔膜10。隔膜10是柔性的并暴露于空气中。保护性隔栅(未示出)可以安装在隔膜10之上。隔膜10由公知的用于构造麦克风隔膜的材料，如金属膜或金属化聚合物薄膜制成。
背板12是刚性的或固定的。与背板12一体形成的是垫块，例如在图1中在标号14处示出，且在图2中在标号15处示出。隔膜10与背板12分离开一个狭窄的气隙13(仅在图2中示出)，该气隙由垫块14、15限定。背板12和垫块14例如由半导体材料、如硅，通过批处理技术制造。参照图1，垫块14的顶部区域28包括一层电绝缘材料，如二氧化硅或含氟聚合物，如特氟隆。类似地，参照图2，垫块15的顶部区域30包括类似的绝缘层。垫块可以采取多种形状的形式，如侧壁或凸脊。
薄膜10和背板12形成一个电容器，公知为转换电容器(condenser)。当声波撞击到薄膜10时，薄膜运动，导致薄膜10和背板12之间的气隙13高度变化。这个间隙变化造成薄膜10和背板12所形成的电容器的电容变化。如果在电容器上保持固定的或受控的电荷Q，横跨电容器将形成电压，而该电压将与气隙13的高度变化成比例地变化。隔膜10在隔膜框架16上伸展，并胶合地或粘着地固定到隔膜框架16上。隔膜框架16保持隔膜10中的张力。隔膜框架16定位在垫块14和壳体20的上边缘18之间。壳体20是公知的壳体，不通过批处理技术制造，并优选地由金属，而不是硅制成。壳体20作用为电接地。背板12可以包括由箭头22、24和26指出的开口或孔。这些开口允许空气从背板12之上的区域穿行到背板12之下的区域。
图1所示的背板12是矩形或正方形的。背板通过定位座32位于壳体20中。背板12和定位在32之间的开口34也允许空气从背板12之上的区域穿行到背板12之下的区域。在一个实施例中，诸如金属的材料可以选择性淀积到附图标记40所标示的圆形部分内。
参照图2，弹簧42用于将背板12机械地偏压到壳体20的底部44上，后者为一个PC板。弹簧42使得背板12的垫块15推入到隔膜10和隔膜框架或环16中，该垫块15随后压在壳体20的上边缘或唇部18上。以这种方式，隔膜耦接到垫块15上。从而，弹簧42、隔膜框架16、壳体20的上唇部18、壳体20和PC板44一起配合，以将隔膜固定到垫块15的绝缘层30上。隔膜10未与垫块15一体形成。
麦克风组件优选地采用单个隔膜10，该隔膜10既作用为保护性外界屏障，又作用为电容性电声变换器的探测电极。相反，现有技术的硅制造的电容麦克风系统采用或是无保护性外界屏障的或多个一个隔膜或薄膜，其中一个作用为外界屏障，而另一个不是。
各种形状和结构都可以用于隔膜10和背板12。例如在图1中，隔膜框架16是圆形的，并为圆环形式，而背板12是正方形的。本领域技术人员将理解到隔膜框架16和背板可以包括其他的形状，这取决于壳体20和本发明其他部件的形状。
由于隔膜10不是作为背板12的一部分制造或加工，该隔膜可免于与制造和安装背板12相关的应力。另外，隔膜10上的张力与背板12内的内部应力无关。如在本领域中所认识到的，这些不可控制的内部应力都是半导体加工工艺的共同的不期望结果。从而，隔膜10相对于与背板12的表面或隔膜10的表面平行的应力自由浮动。通过将隔膜10安装到与背板12和垫块15相独立的适当的隔膜框架16上，隔膜10的拉应力不会受到包装和背板的影响。
图3～6示出背板上具有不同的垫块和孔排列的另一实施例。如本领域技术人员可以理解到的，孔的位置、数量和尺寸影响麦克风的音频特性。MEMS将使得对孔的尺寸和设置的控制得以改善，这将增强控制频响和灵敏度的能力。
参照图3，孔80可以从垫块82径向向内定位。垫块82可以为小的圆形凸起。
另外，图4示出沿背板95一例的孔90和凹口92，这些孔90和凹口92允许空气从背板之上穿行到背板之下。图4也示出环形垫块侧壁94。图5示出不带有从弧形垫块部分100径向向内的孔的背板。而是，空气从背板之上经由开口102穿行到背板之下。图5A中的箭头106、108和110描绘了空气从背板112的顶部流动到背板112的下侧，图5A是图5中区域104的放大图。图6进一步示出矩形或正方形背板130，其具有正方形或矩形垫块侧壁和隔栅或孔，其中一个孔由134示出。如本领域技术人员将理解到的，垫块也可以为侧壁中的足以支承隔膜10和隔膜框架16的弧形部分。
再参照图2，背板12在输出140处由偏置电压外部偏压。背板可以用直流(DC)电压或射频(RF)偏置电压外部偏压。在一个实施例中，晶体管或FET(未示出)安装到PC板44和壳体20限定区域之内的PC板44上。FET也可以位于壳体20的外侧或直接位于背板12的底部上。通常，将FET靠近背板定位将改善本发明的噪声特性。该单元也可以由驻极体偏压，例如由背板12上的充电或极化层偏压。
背板12的下侧可以包括接触区域142，它们优选是金属的，并可以通过化学气相沉积(CVD)技术淀积。弹簧42可以提供从接触区域142到区域140的电接触。
再参照图1，集成电路(IC)或特定用途集成电路(ASIC)180可以安装到PC板(未示出)之下。ASIC可以包含晶体管，如FET。ASIC也可以包括前置放大器，以增大麦克风的电输出和/或改进麦克风的响应。
ASIC也可以包括模-数转换器(A/D)。A/D的用途是将麦克风或麦克风前置放大器的模拟输出转变成数字信号，该信号或是用作来自麦克风的直接的数字输出，或是馈送到数字信号处理(DSP)电路中。DSP的目的是改进A/D之后的麦克风的输出。该输出可以是数字的、或模拟的、或二者都有。特定的用途可以包括均衡、信号压缩、频率相关的信号压缩、自校准。
升压电路也可以用于轻易获得紧凑的电源(例如，9V电池)，以提供一个用来外部DC偏压电容器的升高的电压(例如200V)。
本发明另一实施例可以包括射频(RF)偏压电路，以提供以RF波长振荡的偏置电压。这种电路的另一目的是使得麦克风可以输出用于无线传输的RF调制信号。从而，在壳体20中结合的不同的背板和不同的ASIC电路使得麦克风具有各种潜在的工况和功能。
在上面说明书中，本发明已经参照其特定的示例性实施例加以描述。虽然本发明已经在优选实施例方面得以描述，但是，本领域技术人员将认识到在所附权利要求书中陈述的本发明的范围和精髓之内，可以对本发明作出各种改进、实施或变化。因此，说明书和附图被认为是示例性的，而非限制性的。于是，除了在所附权利要求书的角度上是需要的以外，并不意在限制本发明。

Claims (45)

1.一种麦克风组件，包括：
壳体；
安装在壳体内的半导体背板；
位于背板上的柔性隔膜，该柔性隔膜既作用为保护性外界屏障，又作用为电容性电声传感器的探测电极；
半导体垫块，该垫块与背板成一体，并在背板和隔膜中间；以及
隔膜框架，隔膜在隔膜框架上伸展并粘结地固定到隔膜框架上，隔膜框架保持隔膜内的张力，该隔膜框架相对所述半导体背板和所述半导体垫块是独立的。
2.如权利要求1所述的麦克风组件，其中，隔膜包括由金属膜或金属化聚合物薄膜构成的组中的材料。
3.如权利要求2所述的麦克风组件，其中，壳体是金属的。
4.如权利要求3所述的麦克风组件，其中，背板是硅的。
5.如权利要求4所述的麦克风组件，其中，垫块还包括来自二氧化硅或含氟聚合物构成的组的绝缘层。
6.如权利要求5所述的麦克风组件，其中，背板包括顶部、底部和侧部，以及多个从背板的顶部延伸到背板的底部的开口。
7.如权利要求6所述的麦克风组件，其中，多个开口沿着背板的侧部定位，并从垫块径向向外。
8.如权利要求7所述的麦克风组件，其中，背板是圆形的。
9.如权利要求7所述的麦克风组件，其中，背板是矩形的。
10.如权利要求8所述的麦克风组件，其中，垫块包括由环形侧部、一系列弧形侧壁、一系列弧形延伸部或矩形侧部构成的组。
11.如权利要求10所述的麦克风组件，其中，壳体包括上唇部，而隔膜框架包括相对上唇部定位的金属环。
12.如权利要求11所述的麦克风组件，其特征在于，还包括背板底部上的金属触点。
13.如权利要求12所述的麦克风组件，其特征在于，还包括位于背板和壳体下部之间的弹簧。
14.如权利要求13所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到壳体上的晶体管。
15.如权利要求13所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的晶体管。
16.如权利要求13所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有晶体管。
17.如权利要求13所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有升压电路。
18.如权利要求13所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有RF偏压电路。
19.如权利要求18所述的麦克风组件，其中，RF偏压电路产生RF调制的输出，而RF调制的输出用于RF无线传输。
20.如权利要求13所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有数字信号处理器。
21.如权利要求13所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有模-数转换器。
22.如权利要求1所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有晶体管。
23.如权利要求1所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有升压电路。
24.如权利要求1所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有RF偏压电路。
25.如权利要求24所述的麦克风组件，其中，RF偏压电路产生RF调制的输出，而RF调制的输出用于RF无线传输。
26.如权利要求1所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有数字信号处理器。
27.如权利要求1所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有模-数转换器。
28.如权利要求1所述的麦克风组件，其中，壳体包括上边缘，而上边缘将隔膜框架和隔膜压入垫块中。
29.一种麦克风组件，包括：
壳体；
安装到壳体内的半导体背板；
半导体垫块，其包括从背板突出并与背板成一体的凸起；
单个隔膜，其包括金属膜或金属化聚合物薄膜构成的组，所述单个隔膜既作用为保护性外界屏障，又作用为电容器电声探测变换器的探测电极；以及
隔膜框架，隔膜在该框架上伸展并粘结到该框架上，该隔膜框架相对所述半导体背板和所述半导体垫块是独立的。
30.一种麦克风组件，包括：
壳体，壳体包括上唇部；
硅背板，其具有顶部、底部和环形侧部；
硅垫块，其与背板一体形成，并包括至少一个凸起，该凸起从硅背板的顶部伸出并与硅背板的顶部为一体，垫块还包括由二氧化硅或含氟聚合物构成的组形成的绝缘层；
多个开口，它们从背板顶部延伸到背板底部；
单个隔膜，其由金属化聚合物薄膜构成，所述单个隔膜既作用为保护性外界屏障，又作用为电容器电声探测变换器的探测电极；以及
金属环，其相对于壳体的上唇部定位，隔膜粘结地固定到该金属环上，该金属环与上唇部和弹簧配合而将隔膜固定。
31.一种麦克风组件，包括：
壳体，其中壳体是金属的；
安装在壳体内的半导体背板，其中所述背板是硅的，包括顶部、底部和侧部，以及多个从背板的顶部延伸到背板的底部的开口，且其中多个开口沿着背板的侧部定位，并从垫块径向向外；
位于背板上的柔性隔膜，该柔性隔膜既作用为保护性外界屏障，又作用为电容性电声传感器的探测电极，其中所述隔膜包括由金属膜或金属化聚合物薄膜构成的组中的材料；
半导体垫块，该垫块与背板成一体，并在背板和隔膜中间，其中所述垫块还包括来自二氧化硅或含氟聚合物构成的组的绝缘层；
隔膜框架，隔膜在隔膜框架上伸展并粘结地固定到隔膜框架上，隔膜框架保持隔膜内的张力。
32.如权利要求31所述的麦克风组件，其中，背板是圆形的。
33.如权利要求31所述的麦克风组件，其中，背板是矩形的。
34.如权利要求32所述的麦克风组件，其中，垫块包括由环形侧部、一系列弧形侧壁、一系列弧形延伸部或矩形侧部构成的组。
35.如权利要求34所述的麦克风组件，其中，壳体包括上唇部，而隔膜框架包括相对上唇部定位的金属环。
36.如权利要求35所述的麦克风组件，其特征在于，还包括背板底部上的金属触点。
37.如权利要求36所述的麦克风组件，其特征在于，还包括位于背板和壳体下部之间的弹簧。
38.如权利要求37所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到壳体上的晶体管。
39.如权利要求37所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的晶体管。
40.如权利要求37所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有晶体管。
41.如权利要求37所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有升压电路。
42.如权利要求37所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有RF偏压电路。
43.如权利要求42所述的麦克风组件，其中，RF偏压电路产生RF调制的输出，而RF调制的输出用于RF无线传输。
44.如权利要求37所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有数字信号处理器。
45.如权利要求37所述的麦克风组件，其特征在于，还包括耦接到背板上的集成电路，该集成电路具有模-数转换器。
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