CN102595295A - 一种mems麦克风 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS麦克风，由外壳和线路板构成MEMS麦克风的外部封装结构，在所述封装结构上设置有拾音孔，在所述封装结构内部的所述线路板上设置有偶数个MEMS声学换能器和一个ASIC芯片，所述偶数个MEMS声学换能器对称分组后实现差分连接。本发明的MEMS麦克风，由于差分连接的偶数个MEMS声学换能器能够将同时感知的外界声压的变化转换为整体电容变化，由ASIC芯片检测该整体电容变化并将其转换为电信号输出，从而提高了器件整体的灵敏度和信噪比增益。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS麦克风。
背景技术
目前应用较多且性能较好的麦克风是微电机系统(Micro-Electro-Mechanical-System，简称MEMS)麦克风，其封装体积比传统的驻极体麦克风小。MEMS麦克风是一种集成麦克风，由外壳和线路板构成外部封装结构，封装结构上设置有声音通道，在封装结构内部的线路板上设置有一个MEMS芯片和一个专用集成电路(Application Specific Intergrated Circuits，简称ASIC)芯片。该MEMS芯片由一个MEMS声学换能器构成，包括一个刚性穿孔背电极和一个弹性振膜。MEMS芯片上的弹性振膜能有效感知外界声压的变化，并将其转换为电容的变化，ASIC芯片检测该电容变化并将其转换为电信号输出。
由于现有结构的MEMS麦克风仅包含一个MEMS声学换能器，使得器件整体的灵敏度和信噪比将受到该单个MEMS声学换能器的制约。
发明内容
本发明提供了一种能够提高器件整体的灵敏度和信噪比增益的MEMS麦克风。
本发明的MEMS麦克风，由外壳和线路板构成MEMS麦克风的外部封装结构，在所述封装结构上设置有拾音孔，其中，在所述封装结构内部的所述线路板上设置有偶数个MEMS声学换能器和一个ASIC芯片，所述偶数个MEMS声学换能器对称分组后实现差分连接。
优选地，所述偶数个MEMS声学换能器之间良好匹配。
在一个实施方式中，所述偶数个MEMS声学换能器在各自基底上，分别构成独立的MEMS芯片。
在一个实施方式中，所述偶数个MEMS声学换能器在同一基底上，构成一个整体式MEMS芯片。
在一个实施方式中，所述ASIC芯片集成有一个缓冲电路、一个DC-DC偏置电路和至少一个差分放大电路，所述差分放大电路集成在所述缓冲电路的前端，在差分放大电路的反相输入端设置有一反相器；所述偶数个MEMS声学换能器对称分组后，其输入端连接所述DC-DC偏置电路的输出端，其输出端分别连接至所述差分放大电路的正相和反相输入端。
在一个实施方式中，所述拾音孔设置在所述外壳上。
在一个实施方式中，所述拾音孔设置在所述线路板上。其中可选地，该线路板为多层板结构，所述拾音孔设置在所述线路板的下表面，并且在所述线路板的上表面设置有与MEMS声学换能器个数一致数量的开孔，且每个开孔均位于其对应的MEMS声学换能器的下方，在所述线路板中设置有连接所述拾音孔与所述开孔的埋藏沟道。
本发明的MEMS麦克风，通过在线路板上设置偶数个MEMS声学换能器和一个ASIC芯片，该偶数个MEMS声学换能器对称分组后实现差分连接，由于差分连接的偶数个MEMS声学换能器能够将同时感知的外界声压的变化转换为整体电容变化，由ASIC芯片检测该整体电容变化并将其转换为电信号输出，从而实现了器件整体的灵敏度和信噪比增益的提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了两个换能器元件差分连接的电路示意图；
图2示出了四个换能器元件差分连接的一种电路示意图；
图3示出了四个换能器元件差分连接的另一种电路示意图；
图4示出了本发明的MEMS麦克风的剖视立体图；
图5示出了本发明的MEMS麦克风在线路板上设置两个独立的MEMS芯片实施方式的立体示意图；
图6示出了本发明的MEMS麦克风在线路板上设置四个独立的MEMS芯片实施方式的立体示意图；
图7示出了本发明在外壳上设置拾音孔实施方式的剖面示意图；
图8示出了本发明在多层线路板上设置拾音孔实施方式的剖面示意图；
图9示出了本发明的MEMS麦克风在线路板上设置的四个MEMS声学换能器构成一个整体式MEMS芯片实施方式的立体示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
首先对本发明基于的原理进行说明。
参见图1，图1示出了两个换能器元件差分连接的电路示意图。每个换能器元件被描绘成可变电容器，两个换能器元件的输入端都与DC-DC偏置电路的输出端相连接，而输出端分别与差分放大电路的正相、反相输入端相连，在差分放大电路的反相输入端设置有一反相器，两个换能器元件的输入信号差分放大后输入缓冲电路，经过缓冲电路后输出。两个换能器元件在完全匹配的情况下，即在相同工作状态下的输出电压幅度(正弦波)相等，在其中一路信号经过反相器后，形成差分输入信号，即输入电压幅度相等但极性相反，Ui1＝-Ui2，从而最终输出信号增大为单个换能器元件输出信号的2倍，即灵敏度增加了6dB。
考虑换能器元件的本底热噪声水平，假设这两个换能器元件的热噪声电压分别为Vnoise1，Vnoise2，因为电子热噪声是非相关信号，同时由于差分放大电路自身的热噪声水平远低于换能器元件，可忽略，那么总的系统本底噪声为来自每个换能器元件的各自单独噪声功率之和：Vnoise 2＝V2 noise1+Vnoise2 2。在两个换能器元件完全匹配，即Vnoise1＝Vnoise2的情况下，那么本接入方式将导致系统的本底噪声较单个换能器元件增加3dB。
信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)可以通过系统输出电压与系统本底噪声电压之比进行计算。综合上述描述，两个匹配的换能器元件在图1所示的差分连接方式下，能够实现整体输出的灵敏度提高6dB，而同时使得非相关的噪声输出增大3dB，由此得到总信噪比SNR提升3dB。
图2示出了四个换能器元件差分连接的一种电路示意图。如图2所示，四个换能器元件按两个一组的模式对称分为两组，每组中的两个换能器元件串联连接后再进行图1所示的差分连接。同样每个换能器元件被描绘成可变电容器，在四个换能器元件完全匹配的情况下，最终输出信号增大为单个换能器元件输出信号的4倍，也就是灵敏度增加了12dB，同时系统本底噪声功率增大了4倍，即非相关的噪声输出增大6dB，由此得到总信噪比SNR提升6dB。
图3示出了四个换能器元件差分连接的另一种电路示意图。如图3所示，有两级共有三个差分放大电路，每个差分放大电路的反相输入端设置有一反相器，四个换能器元件按两个一组的模式对称分为两组，每组中的两个换能器元件的输入端都与DC-DC偏置电路的输出端相连接，而输出端分别与一个第一级差分放大电路的正相、反相输入端相连；输入信号经第一级差分放大电路的差分放大后再经一个第二级差分放大电路后输入缓冲电路。在图3所示的差分连接方式下，当四个换能器元件完全匹配时，将得到与图2所示差分连接方式同样的结论，即：系统灵敏度增加了12dB，总信噪比SNR提升6dB。
上述结论代表利用两个或四个换能器元件在差分连接方式下，可以获得的灵敏度和信噪比增益的理论最大值。容易得知，如果使用不太匹配的换能器元件，在上述所示的差分连接方式下，也可带来提高灵敏度和信噪比增益的结果。
另外需要说明的是，上述推导是建立在每个换能器元件处于正常偏压情况下得到，在上述图1或图3差分连接方式下，毋须对DC-DC偏置电路进行定制，但在图2差分连接方式下，为保持每一个换能器元件工作在正常状态，那么配套的DC-DC偏置电路的输出电压应为2*Vbias。
下面是基于上述原理给出的本发明的实施例。
图4示出了本发明的MEMS麦克风的剖视立体图。本实施例的MEMS麦克风，由所述外壳2和线路板1构成MEMS麦克风的外部封装结构，其中，外壳2可采用金属或镀金属的材料构成，外壳2与线路板1之间可以通过焊锡或者导电胶进行粘接，使得外壳2和线路板1之间保证较好的电路连接，并且实现MEMS麦克风需要的电磁屏蔽效果。在外壳2上设置有接收外界声音信号的拾音孔21，在封装结构内部的线路板1上设置有一个ASIC芯片4和偶数个MEMS声学换能器3，所述偶数个MEMS声学换能器3对称分组后实现差分连接。
在一个线路板上设置偶数个MEMS声学换能器可以通过切割分离工艺，将期望数量的MEMS声学换能器切割分离在不同基底上来实现。每个MEMS声学换能器在各自基底上分别构成独立的MEMS芯片，MEMS芯片之间可通过外部引线实现互连。
图5和图6分别示出了本发明MEMS麦克风在线路板上设置两个和四个独立的MEMS芯片的立体图。偶数个MEMS芯片3位于线路板1上的相临近位置，其对称分组后实现差分连接(连接线在图中未被示出)。ASIC芯片4靠近偶数个MEMS芯片3的一端。MEMS芯片及ASIC芯片可以通过固晶、表面安装或本领域其他常用技术将其定位在线路板上，MEMS芯片之间的连接以及MEMS芯片与ASIC芯片之间的连接可以通过引线接合的方式实现。其中，在图5所示的线路板上设置两个MEMS芯片3实施方式中，两个MEMS芯片3可以按图1的电路示意图实现差分连接；在图6所示的线路板上设置四个MEMS芯片3实施方式中，四个MEMS芯片3可以按图2或图3的任一种电路示意图实现差分连接。
通过将偶数个MEMS芯片3对称分组后进行差分连接，使得偶数个MEMS芯片3的弹性振膜能够将同时感知的外界声压的变化转换为整体电容变化，由ASIC芯片检测该整体电容变化，并将其转换为电信号传递给相关处理器件。根据上述理论推导可知，MEMS麦克风的灵敏度和信噪比性能将随着线路板上设置的MEMS芯片数量的增加而改善，多于图5和图6所示的2个或4个MEMS芯片可以达到更高的灵敏度和信噪比性能。
ASIC芯片是标准的集成电路IC技术，能够根据需求快速向ASIC芯片增添相应的功能模块。这种功能模块既可以是额外构件，如音频信号处理、RF屏蔽，也可以是任何可以集成在标准IC上的功能。
在一个实施方式中，ASIC芯片4可以包括一个缓冲电路、一个DC-DC偏置电路和至少一个差分放大电路，差分放大电路集成在缓冲电路的前端，在差分放大电路的反相输入端设置有一反相器；所述偶数个MEMS芯片3对称分组后，其输入端连接所述DC-DC偏置电路的输出端，其输出端分别相连所述差分放大电路的正相和反相输入端。对于MEMS芯片3分组存在2组或更多分组的情况，将对应地在ASIC芯片4中集成更多的差分放大电路来匹配。其中DC-DC偏置电路用于为每个MEMS芯片3提供正常工作的偏置电压，偶数个MEMS芯片3的输入信号差分放大后输入缓冲电路，经过缓冲电路缓冲后输出，同时缓冲电路还用于为高阻抗MEMS芯片与后续应用接口电路提供阻抗匹配，避免传输信号在传递过程中的损耗。
参见图7，图7示出了本发明在外壳上设置拾音孔实施方式的剖面示意图。当外界声音信号通过在外壳2上设置的拾音孔21传入时，由于MEMS芯片尺寸很小，约为1mm*1mm，因此可认为在线路板上设置的偶数个MEMS芯片能同时接收到该外界声音信号。对称分组后实现差分连接的偶数个MEMS芯片3的弹性振膜将同时有效感知的外界声压的变化转换为整体电容变化，由ASIC芯片4检测该差分连接MEMS芯片3输出的整体电容变化并将其转换为电信号输出至后续应用接口电路。
还可以在线路板上开设声音通道。参见图8，图8示出了本发明在线路板上设置拾音孔实施方式的剖面示意图。如图8所示，线路板1为多层板结构，在线路板1的下表面设置有拾音孔11，在线路板1的上表面设置有与MEMS芯片个数一致数量的开孔12，每个开孔12均位于其对应的MEMS芯片的下方，拾音孔11与开孔12之间通过线路板1中的埋藏沟道13连接，这样由拾音孔11、埋藏沟道13和开孔12之间构成一个声音通道，从拾音孔11进入的外界声音信号通过埋藏沟道13后再经由开孔12直接撞击每个MEMS芯片的弹性振膜，从而引起在线路板1上对称分组后实现差分连接的偶数个MEMS芯片3的整体电容变化。ASIC芯片4同样将检测到该整体电容变化并将其转换为电信号输出至后续应用接口电路。
需要说明的是，本发明并不限定为图8所示的多层板结构线路板，在两层板和单层板结构的线路板上同样可实现声音通道。
由于MEMS芯片的制造可以采用与集成电路制造类似的成熟技术或工艺，因此制造出的MEMS芯片在灵敏度、信噪比等性能方面的一致性非常高，可视为同一批次的MEMS芯片是良好匹配的。采用多个良好匹配的MEMS芯片可以使得本发明的MEMS麦克风的灵敏度和信噪比性能获得最佳提升。当然，本发明MEMS麦克风中偶数个MEMS芯片并不需要良好匹配，即便如此，仍然可以提高器件整体的灵敏度和信噪比增益。
在再一个实施方式中，可以设计具有偶数个MEMS声学换能器的整体式芯片结构，偶数个MEMS声学换能器对称分组后进行差分连接在芯片内部实现。如图9所示，图9示出了本发明的MEMS麦克风在线路板上设置的四个MEMS声学换能器共同构成整体式MEMS芯片实施方式的立体示意图。四个MEMS声学换能器在同一个基底上，构成一个整体式MEMS芯片。该实施方式中四个MEMS换能器，或四个输入端在芯片内合并为一个公共输入端，或两两串联后串联支路的输入端再合并为一个公共输入端，由于不需要通过外部的引线接合方式来连接，从而减少了后序引线接合的数量，保证MEMS麦克风内部引线的走线自如，减少了干扰信号导入的几率。同时这种实施方式也减少了晶圆上预留的芯片分割道，有助于在同样尺寸的晶圆上制备更多声学换能器。因此该实施方式可以提供更高效的生产效率及更低生产成本。
需要说明的是，本发明的MEMS麦克风在线路板上设置的偶数个差分连接的MEMS声学换能器，也可以是上述两种实施方式的组合，即：部分MEMS声学换能器在同一基底上构成整体式MEMS芯片，其余MEMS声学换能器分别在各自基底上分别构成独立的MEMS芯片。
综上所述，本发明的MEMS麦克风，通过在线路板上设置偶数个MEMS声学换能器和一个ASIC芯片，该偶数个MEMS声学换能器对称分组后实现差分连接，由于差分连接的偶数个MEMS声学换能器能够将同时感知的外界声压的变化转换为整体电容变化，由ASIC芯片检测该整体电容变化并将其转换为电信号输出，从而实现了器件整体的灵敏度和信噪比增益的提高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种MEMS麦克风，由外壳和线路板构成MEMS麦克风的外部封装结构，在所述封装结构上设置有拾音孔，其特征在于，在所述封装结构内部的所述线路板上设置有偶数个MEMS声学换能器和一个ASIC芯片，所述偶数个MEMS声学换能器对称分组后实现差分连接。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述偶数个MEMS声学换能器之间良好匹配。
3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述偶数个MEMS声学换能器在各自基底上，分别构成独立的MEMS芯片。
4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述偶数个MEMS声学换能器在同一基底上，构成一个整体式MEMS芯片。
5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述ASIC芯片集成有一个缓冲电路、一个DC-DC偏置电路和至少一个差分放大电路，所述差分放大电路集成在所述缓冲电路的前端，在差分放大电路的反相输入端设置有一反相器；所述偶数个MEMS声学换能器对称分组后，其输入端连接所述DC-DC偏置电路的输出端，其输出端分别连接至所述差分放大电路的正相和反相输入端。
6.根据权利要求1-5任一项所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述拾音孔设置在所述外壳上。
7.根据权利要求1-5任一项所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述拾音孔设置在所述线路板上。
8.根据权利要求7所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述线路板为多层板结构，所述拾音孔设置在所述线路板的下表面，并且在所述线路板的上表面设置有与MEMS声学换能器个数一致数量的开孔，且每个开孔均位于其对应的MEMS声学换能器的下方，在所述线路板中设置有连接所述拾音孔与所述开孔的埋藏沟道。
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