CN101584226A - 带有压力释放的麦克风 - Google Patents

Abstract

一种麦克风，该麦克风包括：具有静止位置的可移动的膜片、固定部分、和可移动地联接膜片与固定部分的弹簧组。当膜片处于静止位置时，膜片与固定部分间隔第一距离。然而，当膜片不处在静止位置时，膜片与固定部分能够间隔第二距离，第二距离大于第一距离。不管距离如何变化，当膜片返回到静止位置时，膜片仍能够将间隔从第二距离恢复到第一距离。

Description

带有压力释放的麦克风

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年1月17日提交的美国临时专利申请No.60/885,314的优先权，该专利申请的全部公开内容在此通过引用并入这里。

技术领域

本发明一般地涉及一种麦克风，并且更具体地，本发明涉及麦克风膜片耐用性。

背景技术

许多类型的麦克风具有与固定构件形成可变电容器的膜片。在使用中，入射音频信号使得膜片相对于固定构件移动。因此，这种移动改变了可变电容器的电容，从而产生表示入射音频信号的电信号。最后，该电信号可以被处理，以在扬声器上再现入射音频信号。

一些麦克风具有借助多个弹簧与其下面的固定构件可移动地连接的膜片。例如，美国专利No.5,146,435示出这种麦克风。与具有以鼓状方式连接到固定构件的膜片的麦克风不同，该类型的麦克风更易于由于集中在弹簧上的应力而导致损坏。具体而言，基于弹簧的麦克风将力集中在相对较小的区域上(即在弹簧上)，而不是围绕整个周围连接构件分布力。结果，当经受相对较较高力情况，诸如高的机械和/或声震情况(即门撞击或喷气发动机)时，一个或多个弹簧可能损坏，因此，使得麦克风不可用。

这种问题的一种解决方案是，使用鼓状膜片方法。虽然可以更耐用，然而，鼓状膜片方法对于其他设计原因(例如考虑灵敏度)来说可能不是期望的构造。

发明内容

根据本发明的一个实施例，麦克风具有拥有至少一个内凹陷的固定部分。所述麦克风进一步包括具有静止位置的可移动膜片，其中，当可移动膜片处于静止位置时，可移动膜片的至少一部分位于内凹陷中。弹簧组可移动地联接膜片与固定部分。响应于较高力情况，膜片移动到内凹陷的外部，产生空气逸出的路径。弹簧组能够使膜片从凹陷的外部位置返回到凹陷的内部的静止位置。

弹簧组可以采取各种构造并且具有不同数量的弹簧(例如能够具有两个或更多弹簧)。例如，除此之外，弹簧组可以包括至少一个迂回曲折形弹簧、具有压力释放功能的至少一个弹簧，具有变化的宽度的至少一个弹簧、和/或大体上直的弹簧。

麦克风可以包括与膜片形成电容器的背板。可以产生输出信号作为膜片响应于输入音频信号移动的结果。

麦克风可具体化为微电子机械系统(MEMS)装置，其中麦克风的部件的每一个使用微机械加工技术从普通硅基板开始制造。麦克风芯片可以包括使用集成电路制造工艺制造的电气元件。在某些实施例中，硅可以是单晶硅。此外，膜片可以由多晶硅形成。背板也可以由单晶硅形成。

在一个实施例中，麦克风芯片包括膜片，该膜片包括第一表面和至少一个侧面。膜片可以由多晶硅形成。麦克风芯片包括具有至少一个侧面的固定部分。固定部分可以是硅基板的一部分。此外，麦克风芯片包括多个联接到膜片和固定部分的弹簧，其中在固定部分的侧面与膜片的侧面之间存在具有某个尺寸的间隙。此外，弹簧可以在由音频输入信号对膜片的第一表面施加的力的作用下伸长，增加尺寸。弹簧在基本上垂直于膜片的第一侧面的方向上延伸。麦克风芯片也可以包括与膜片形成电容器的背板。背板可以由单晶硅形成。电容器响应于音频输入信号产生电输出信号。背板可以具有一个或多个孔，这些孔允许可听见的输入信号穿过并且接触膜片。

附图说明

本领域的技术人员从下面参考以下紧接着概括的附图而讨论的“具体实施方式”将更加完整理解本发明各种实施例的优点。

图1A示意性示出麦克风的顶部透视图，该麦克风可以根据本发明的示例性实施例制造。

图1B示意性示出图1A的麦克风在静止位置时的横截面视图。

图1C示意性示出图1A的麦克风在延伸位置时的横截面视图。

图2A和2B示意性示出使用第一类型的迂回曲折形弹簧的本发明的实施例。

图3A和3B示意性示出使用第二类型的迂回曲折形弹簧的本发明的实施例。

图4A和4B示意性示出使用另一类型弹簧的本发明的实施例。

具体实施方式

在本发明示例性实施例中，麦克风被构造为当经受相对高的力的情况时，其膜片保持完好无损。为此，多个将膜片连接到基板的弹簧帮助形成有效的压力释放阀，这些压力释放阀在较高力情况中帮助在麦克风中释放压力。下面讨论各种实施例的细节。此外，麦克风在为较高力情况提供压力释放的同时保持灵敏度。

图1A示意性示出麦克风10(也称作“麦克风芯片10”)的顶部透视图，该麦克风可以根据本发明的示例性实施例来构造。图1B示意性示出同一麦克风10的跨过图1A的线B-B的横截面。图1A和图1B示出当处于静止位置(rest position)中时的麦克风10。

除了其它情形之外，麦克风10包括固定(static)背板12，其支撑且和柔性膜片14形成电容器。在示例性实施例中，背板12由单晶硅(即绝缘体上硅晶圆的顶层)形成，而膜片14由沉积的多晶硅形成。然而，其他实施例使用其他类型的材料来形成背板12和膜片14。例如，单晶硅块体晶圆或某种沉积的材料可以形成背板12。以类似的方式，单晶硅块体晶圆、绝缘体上硅晶圆的一部分或某种其他沉积的材料可以形成膜片14。为了便于操作，背板12具有多个通向背侧空腔的通孔16。在其他实施例中，背侧空腔也能够取决于麦克风类型(例如底部收音式)而位于膜片上方。

弹簧19可移动地将膜片连接到麦克风10的固定部分17，该固定部分17包括基板。音频信号引起膜片振动，因此，产生变化的电容。片内或片外电路(未示出)(经由接触15)接收该变化的电容并且将该变化的电容转换成能够被进一步处理的电信号。虽然膜片可以是柔性的，但当与弹簧的柔性相比较时膜片表现为刚性结构。

应注意图1A和图1B中示出的特定麦克风10的讨论仅仅用于示例性目的。因此，其他麦克风结构可以与本发明的示例性实施例一起使用。

如上所述，图1B示意性示出静止的麦克风10。具体来说，认为麦克风10在没有经受任何不可忽略的入力，诸如输入音频信号或较高力情况时静止。当处于这种状态中时，认为膜片14处于静止位置。例如，在所示实施例中，膜片14具有顶表面20A，该顶表面20A大体上与固定部分的顶表面共用一个平面。该固定部分在图1B中以附图标记17来标明。然而，应注意这种关系不是必需的。具体来说，在其他实施例中，固定部分17可以处于比膜片14的顶表面20A高或低的平面中。静止平面能够具有大体上与膜片14的静止平面相同的厚度。这样，至少一部分膜片在静止时位于在由固定部分形成的凹陷内。固定部分可以具有多个凹陷，并且凹陷可以堆叠。

当静止时，膜片14还在其外周与固定部分17之间形成间隔(图1B中示为间隔“D1”)。预计的是，经受小振动，间隔D1将保持基本上与经受正常入射音频信号时的相同大小。该间隔D1能够非常小(例如，1微米)，而膜片14基本上是实心(solid)的。因此，这种间隔D1基本上不能释放在膜片14下形成的空气压力。

处于静止位置的被示出的膜片14至少部分位于固定部分17中的凹陷内。能够认为该静止的凹陷具有背板12与和静止部分的侧壁一起形成静止部分17的顶表面的边界。在其他实施例中，材料的附加层可以形成附加的堆叠的凹陷。例如，另一层可以被放置在固定部分的顶部。该附加层可以形成另一凹陷或堆叠的凹陷。该凹陷的特征可以在于具有与静止凹陷不同的尺寸。例如，堆叠的凹陷的尺寸，诸如其宽度可以大于静止凹陷。因此，如果膜片在固定部分17的顶表面之上移动，而没有在堆叠的凹陷之上延伸，则膜片仍然被认为位于相对于静止凹陷的外部。作为在此所使用的，术语上、下、顶、和底用于表达相对关系，而不表达绝对的方向，并且不应认为本发明的实施例受到这些术语的限制。

当经受入射音频信号时，膜片14大体上沿着Z轴来回振动。如上所述，该振动产生可变电容，其能够被转换成表示入射音频信号的等效的电信号，作为膜片与背板之间的电荷的变化的结果。在该时间内，膜片14的底表面20B大体上保持低于由固定部分17的顶表面限定的平面，并且因此，大体上保持在静止平面内。

根据本发明的示例性实施例，弹簧19允许膜片14的底表面20B的至少一部分处在比固定部分17的顶表面更正向(positive)的平面内。图1C中更加清楚示出的这种关系在膜片14经受较高力情况诸如可能处于140dB量级的门撞击的音频信号时是特别有用的。结果，膜片14在经受较高力情况时可以与固定部分17间隔距离D2。例如，在膜片14之下可能出现高压情况，引起膜片移动以及弹簧拉伸。如图1C中所示，期望该距离D2大于静止距离D1。例如，该距离D2能够是高达十倍于距离D1的量级。因此，由于增加的距离D2，空气能够更容易地从膜片14下面流出。因此，距离D2的增加有效释放了膜片14下面的压力。换句话说，该新的间隔D2有效地用作麦克风10的压力释放阀。

图2A-4B示意性示出可以用于实施本发明的示例性实施例的多个不同弹簧构造。应注意这些实施例仅仅作为示例来讨论，并且不意在限制本发明的各种其他实施例。

图2A示意性示出使用迂回曲折形(serpentine)弹簧的一个实施例。如所示的，迂回曲折形弹簧19放置在膜片14周围的十二个位置处。弹簧19被认为具有大体上垂直于膜片14d外周表面的长度(long)方向(在图2A和2B中由字母“L”示出)。此外，如图2B中更加详细示出的，弹簧19示例性地具有进一步提高其性能的细节。除了其它情况之外，每个弹簧19可以被构造为在其整体之上更加均匀地分配应力。图3A和4A上的弹簧具有类似的长度方向和细节。

具体来说，如本领域技术人员所知，迂回曲折形弹簧可以被认为是具有长度尺寸和宽度尺寸(见图2B中参见字母“W”，其示出宽度的尺寸)的单个构件。然而，为了呈现其基本迂回曲折形结构，该单个构件被形成为具有一个或多个弯曲，所述弯曲在图2B中由字母“B”标识。本发明的示例性实施例改变该单个构件的宽度尺寸，以给弹簧的较高应力区域提供更大的强度。更具体地，预计的是，最靠近膜片14和固定部分17的弹簧19的部分会经受最高的应力。因此，这些区域被形成为具有比更靠近其中间的弹簧19的部分更宽的宽度。

弹簧19能够具有若干其他优化。例如，能够在弯曲B中的一些处形成应力释放圆孔22，并且角部能够被圆化。圆孔和角的圆化在更大的区域之上分布力。

图3A和3B示意性示出使用迂回曲折形弹簧19的另一实施例。与图2A和2B中所示的实施例不同，该实施例将迂回曲折形弹簧19构造为使得其长度尺寸大体上平行于膜片14的外圆周。

其他实施例使用非迂回曲折形形状的弹簧19。例如，图4A和4B示意性示出使用大体上直的弹簧19，该弹簧中每一个具有大体上平行于膜片14外表面的主要尺寸。

应指出的是，图2A-4B中所示弹簧19的各种方面可以被组合，以提供期望的性能。因此，单独讨论的这些特征并不意在表示他们不能够被组合。

当然，本领域的技术人员应当理解的是，当制造弹簧19时需考虑若干其他因素。具体来说，本领域的技术人员期望将弹簧19形成为具有共同(collective)弹簧常数。对确定弹簧常数有贡献的因素包括膜片的加速灵敏度、待测量的频率带宽和最大声压级。此外，需要考虑诸如对由高机械和/或声压力引起的断裂的免疫性和由偏置电压引起的静电吸合稳定性的因素。在一个实施例中，例如，全体弹簧具有7.8N/m的共同弹簧常数。该弹簧常数为直径大约500μm的膜片提供了音频信号的灵敏度(在对于4V偏置电压-36dBA ref.1V/Pa的量级上)，该灵敏度在正常操作下可以移动微米的十分之几并且在较高力情况下移出静止平面外大约7-10μm。除了已提到的因素之外，其他对灵敏度有贡献的因素包括膜片背部与背板之间感测间隙距离。

为了制造弹簧，除了考虑上面讨论的因素之外，本领域的技术人员还考虑其他因素，诸如用于形成弹簧19的材料和使用的弹簧19的数量。实际上，一些实施例可以围绕膜片14d周围使用两个或更多不同类型的弹簧19。

除了其它布置之外，本发明的示例性实施例将证明在麦克风10被直接安装到麦克风封装的输入孔(aperture)时是特别有用的。例如，参见示出这种安装构造的美国专利申请11/947,192(2007年11月29日由发明人Carl M.Roberts和Kieran P.Harney提交，标题为“MicrophoneSystem with Silicon Microphone Secured to Package Lid”)。该临时专利申请的公开内容和其全部通过引用并入这里。

虽然上述讨论公开了本发明的各种示例性实施例，但显而易见的是，本领域的技术人员在不偏离本发明的实际范围的情况下，能够做出实现本发明的某些优点的各种修改。

Claims (25)

1.一种麦克风，包括：

固定部分，其具有至少一个内凹陷；

可移动的膜片，其具有静止位置，其中当所述可移动的膜片处于所述静止位置时，所述可移动的膜片的至少一部分位于所述内凹陷中；和

弹簧组，其可移动地联接所述膜片与所述固定部分，所述膜片移动到所述内凹陷的外部，

所述弹簧组能够使所述膜片从所述内凹陷的外部返回到所述凹陷的内部的所述静止位置。

2.根据权利要求1所述的麦克风，其中当所述膜片处在所述静止位置，使所述膜片的至少一部分位于所述凹陷的内部时，在所述膜片与所述固定部分之间形成具有第一距离的间隙，并且其中，当所述膜片位于所述凹陷的外部时，所述膜片与所述固定部分间隔第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。

3.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述弹簧组包括至少一个迂回曲折形弹簧。

4.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述弹簧组包括至少一个具有压力释放功能的弹簧。

5.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述弹簧组包括至少一个具有变化的宽度或应力释放圆孔的弹簧。

6.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述弹簧组包括大体上直的弹簧。

7.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述弹簧组具有两个或更多弹簧。

8.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述固定部分是硅。

9.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述膜片在经受较高力情况时位于所述凹陷的外部。

10.根据权利要求1所述的麦克风，进一步包括：

背板，该背板与所述膜片一起形成电容器，响应于音频输入信号产生电输出信号。

11.根据权利要求10所述的麦克风，其中所述背板是单晶硅。

12.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述膜片是多晶硅。

13.一种麦克风芯片，包括：

膜片，其具有侧面和第一表面；

固定部分，其具有侧面；

多个弹簧，其被联接到所述膜片和所述固定部分，其中在所述固定部分的侧面与所述膜片的侧面之间存在具有一尺寸的间隙，并且在由音频输入信号施加到所述膜片的第一表面的力的作用下，所述弹簧可伸长，从而增加所述间隙的所述尺寸。

14.根据权利要求13所述的麦克风芯片，进一步包括：

背板，该背板与所述膜片一起形成电容器，响应于音频输入信号产生电输出信号。

15.根据权利要求13所述的麦克风芯片，其中所述多个弹簧在基本上垂直于所述膜片的第一侧面的平面中拉伸。

16.根据权利要求13所述的麦克风芯片，其中所述背板是单晶硅。

17.根据权利要求13所述的麦克风芯片，其中所述膜片是多晶硅。

18.根据权利要求14所述的麦克风芯片，其中所述背板具有一个或多个孔，所述一个或多个孔允许可听见的输入信号穿过并且接触所述膜片。

19.根据权利要求13所述的麦克风芯片，其中所述多个弹簧包括至少两个迂回曲折形弹簧。

20.根据权利要求13所述的麦克风芯片，其中所述多个弹簧包括至少一个具有压力释放功能的弹簧。

21.根据权利要求13所述的麦克风芯片，其中所述多个弹簧包括至少一个具有变化的宽度或应力释放圆孔的弹簧。

22.根据权利要求13所述的麦克风芯片，其中所述弹簧组包括大体上直的弹簧。

23.一种用于麦克风芯片的操作的方法，所述方法包括：

提供具有膜片的麦克风，所述膜片通过多个弹簧联接到一固定部分，其中所述膜片位于所述固定部分中的凹陷的内部；

将输入音频信号提供给所述麦克风的所述膜片；以及

由于所述输入音频信号，将所述膜片移动到所述内凹陷的外部，以提供压力释放。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述固定部分具有顶表面，且所述膜片具有底表面，并且当没有音频信号提供给所述膜片的底侧时，所述膜片的底表面位于低于所述固定部分的顶表面的平面中，并且

当所述输入音频信号提供给所述膜片时，所述膜片的底表面位于在所述固定部分的顶表面之上的平面中。

25.根据权利要求23所述的方法，其中所述多个弹簧包括至少一个迂回曲折形弹簧。

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