CN102655627B

CN102655627B - Mems扩音器

Info

Publication number: CN102655627B
Application number: CN201210051207.2A
Authority: CN
Inventors: W.帕尔; A.莱德尔; M.容孔茨; A.贝尔
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: CN102655627A; US8611566B2; US20120224726A1

Abstract

本发明涉及MEMS扩音器。提供了一种由于减小的DC漏电流而具有改善的噪声性能的MEMS扩音器。为此，保持MEMS扩音器的信号线与其它传导结构之间的最小距离。此外，提供了将信号线的至少一部分围起来的DC保护结构。

Description

MEMS扩音器

技术领域

本发明涉及MEMS扩音器。

背景技术

朝向例如MEMS扩音器（MEMS＝微机电系统）的小型化的当前趋势需要较小的电气或机械或机电设备。通常，MEMS扩音器包括柔性或可移动薄膜以及刚性背板。薄膜和背板充当电容器的电极。接收到的声音及其各自气压变化的影响导致此类MEMS电容器的变化的容量。在MEMS扩音器中，借助于施加的在10V范围内的DC偏置电压来将此变化的容量转换成电信号。

各电容器电极的面积提供在1pF范围内的容量。作为小型化的效果，各电信号水平是相对弱的。因此，需要诸如具有非常高的输入阻抗的低噪声放大器的信号放大器。信号放大器的输入侧的阻抗通常在1TΩ范围内。

从US2009/0001553A1，已知MEMS扩音器。

所需的是可以成本高效的方式、尤其是在低成本衬底上产生的低噪声MEMS扩音器。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种能够以成本高效的方式产生且可与用于小型化的当前生产技术和手段兼容的低噪声MEMS扩音器。

独立权利要求提供此类扩音器。从属权利要求提供有利实施例。

在第一变体中，提出了一种MEMS扩音器，其包括具有信号输出端的MEMS换能器、具有信号输入端的IC芯片、衬底、信号线和传导结构。MEMS换能器和IC芯片被布置在衬底上。信号线将MEMS换能器的信号输出端与IC芯片的信号输入端电连接。传导结构被电连接至MEMS换能器、IC芯片或电路的参考电位（例如地）或通常地至不同于DC偏置电压的电位。信号线与传导结构之间的最小距离被保持为至少200μm或更好地至少500μm，以便减小流过由薄膜电位与地之间的电位差U_bias驱动的绝缘电阻的DC漏电流。

已发现信号线的设计要求特殊的考虑。信号线主要是高阻抗MEMS输出端与高阻抗放大器输入端之间的连接。以下方法能够应用于改善信号线：

方法1：将MEMS、放大器和所述信号线集成在公共芯片上。因此，能够以类似于氧化物或氮化物的高质量电介质材料来使得信号线非常短且被绝缘。然而，这种方法需要非常复杂的处理步骤，这导致高成本和相对低的产率。

方法2：将MEMS和放大器体现为被并排地安装在公共载体衬底上的两个单独芯片。两个芯片上的端子远离衬底并借助于延伸通过空气的芯片间接合线被互连，空气也是优良的电介质。但是此类导线接合环路要求芯片之上的一定净空高度，并且从芯片至衬底的诸如电源的其余连接占用芯片旁边的连接盘区（landingarea）。因此，用这种方法，可实现的小型化受到限制。

方法3：MEMS和放大器被体现为两个单独芯片，这些被倒装地安装到公共载体衬底上，端子面朝衬底且被通过在此衬底上或中的导电结构互连。这种方法提供高设计灵活性、小型化和最经济的处理，但是可能受到衬底的电介质性质的危害，导致不足的绝缘电阻。

通常，高度灵敏的放大器的任何高阻抗输入端倾向于源自于电荷载流子的统计运动的热噪声。

本发明发现—在MEMS扩音器电路的情况下—显著的附加噪声源是流过由薄膜电位与地之间的电位差U_bias驱动的绝缘电阻的DC电流，导致叠加换能器信号的噪声电压信号。原因是DC漏电流的电荷传输的离散性质。

通常，发现MEMS扩音器和专用放大器在低成本标准多层层压件（例如“FR4”等）上的倒装组装虽然适合于大多数需要的电子应用，但遭受由于此原因而引起的增加的噪声水平。

因此，除上述方法之外，可以有用于改善MEMS设备的信号质量的以下特征：

MEMS换能器可以包括MEMS扩音器的组成元件，诸如柔性或可移动薄膜、背板或背面容积。

IC芯片可以包括用于处理或建立提供各接收声学信息的电信号的电子电路。IC芯片可以包括诸如低噪声放大器的信号放大器和用于MEMS换能器的柔性或可移动薄膜与背板之间的DC偏置电压的DC偏置电压源。此外，IC芯片可以包括模数转换器。然后，可以在IC芯片的数字端口处提供声学信息。

此外，IC芯片可以包括用于建立DC偏置电压的电荷泵。

可以将MEMS换能器和IC芯片一个挨一个地布置在衬底上。

此外，已发现具有高电阻率的衬底允许信号线的良好电绝缘。信号线负责从MEMS换能器向IC芯片传播非常小的AC电压信号。因此，信号线的良好电绝缘对于良好的MEMS扩音器而言至关重要。

然而，高电阻率的衬底是昂贵的且需要小心处理以便保持其高电阻率。此组衬底的部件是显著地无机材料，诸如陶瓷（HTCC＝高温共烧陶瓷或LTCC＝低温共烧陶瓷）和玻璃，以及类似于PTFE（聚四氟乙烯）的氟化聚合物。为了提供可以成本高效的方式产生的MEMS扩音器，优选的是使用更便宜的衬底。然而，更便宜的衬底的使用需要为了保持良好MEMS扩音器的其它手段。所述更便宜的衬底、特别是类似于基于环氧树脂的层压件的有机材料遭受其表面上及其体积中的水吸收，两者都降低可实现的绝缘电阻。特别地，表面效应是至关重要的。

还发现增强信号线与其周围环境的空间隔离改善了信号线的电绝缘且尽管有小型化的趋势但仍是有利的。

传导结构可以是诸如接地结构或另一信号线的任何传导结构。

在第一变体的一个实施例中，信号线与传导结构之间的距离为至少500μm。

在一个实施例中，传导结构包括在信号线的附近具有凹槽以便保持传导结构与信号线之间的最小距离的区域。

可以用传导材料覆盖大的区域以便实现各MEMS扩音器的良好RF屏蔽。然而，必须保持作为传导结构的屏蔽结构与信号线之间的各距离。

在一个实施例中，MEMS扩音器的电路具有电磁屏蔽电位且传导结构充当电磁屏蔽，并被电连接至屏蔽电位。

屏蔽电位可以是MEMS扩音器电路的接地电位或具有低源阻抗的任何其它恒定电位。

被连接至屏蔽电位的电磁屏蔽能够保护灵敏信号结构免于外部干扰信号影响。

在一个实施例中，MEMS扩音器还包括衬底与MEMS换能器之间或衬底与IC芯片之间的凸块连接。凸块连接可以形成信号线的一部分。凸块连接或信号线的其它部分与布置在衬底上或中的其它传导结构之间的距离为至少200μm，更优选地至少500μm。

朝向小型化的当前趋势导致倒装安装的芯片。此类芯片被经由凸块连接电气地且机械地连接至承载衬底。由被附着于衬底或掩埋在多层衬底中的诸如信号线的传导结构来实现不同芯片之间的电连接。倒装接合的应用允许小型化中的另一步骤。然而，与接合线相反，被附着于衬底的信号线的电绝缘由于衬底与信号线之间的直接接触而被减小。

在一个实施例中，衬底包括两个电介质层和两个电介质层之间的金属化层。信号线的至少一部分被布置在两个电介质层之间的金属化层内。此类衬底称为多层衬底。在多层衬底中，能够通过将信号线嵌入多层衬底的主体中来改善信号线与传导结构之间的隔离。因此，能够在金属化层中将信号线和其它传导结构结构化。可以经由倒装连接或经由SMD连接将诸如电阻元件、电容元件或电感元件的其它电路元件安装到衬底的表面，或者也可以将其集成到衬底中。

在一个实施例中，MEMS扩音器还包括将朝向相邻传导结构的信号线的至少一部分围起来的DC保护结构，所述相邻传导结构具有不同于DC偏置电压的DC电位。

已发现通过提供DC保护结构，能够显著地减少通过绝缘电阻的漏电流和因此的小型化MEMS扩音器的噪声信号。

DC保护结构充当缓冲器并提供主要具有与信号线类似的相同DC电位的信号线的各部分的环境。结果，实际上在信号线的各部分与其环境之间不存在DC电位差。因此，实际上消除了通过绝缘电阻的DC漏电流和还有因此的噪声信号。

出于该目的，可以在其中信号线面对具有与DC偏置电压不同的电位的相邻传导结构的位置处提供DC保护结构。然后，DC保护结构特别地在不能应用上述方法时是有用的。由此，很明显，DC保护结构不一定必然是信号线的封闭周围物。相反，其可以与分别在信号线的接近点或边缘与所述传导结构之间的围栏类似地应用。

在一个实施例中，衬底包括选自FR-4材料、FR-5材料、聚四氟乙烯以及玻璃纤维加强材料的材料。

在本发明的另一变体中，提供了一种MEMS扩音器，其包括具有信号输出端的MEMS换能器、具有信号输入端的IC芯片、衬底、信号线以及DC保护结构。MEMS换能器和IC芯片被布置在衬底上。信号线将MEMS换能器的信号输出端与IC芯片的信号输入端电连接。在操作期间由IC芯片经由信号线向MEMS换能器提供DC偏置电压。DC保护结构将朝向相邻传导结构的信号线的至少一部分围起来，所述相邻传导结构具有与DC偏置电压不同的DC电位。

信号线能够将MEMS换能器的或柔性或可移动薄膜与IC芯片的信号放大器电连接或将MEMS换能器的背板与IC芯片的信号放大器电连接。在MEMS扩音器的操作期间，能够将DC偏置电压施加于信号线以及MEMS换能器的MEMS电容器。出于该目的，IC芯片可以是ASIC芯片（ASIC＝专用集成电路）。IC芯片可以包括电荷泵或用于提供DC偏置电压的任何其它适当电路。电荷泵能够经由电阻元件来提供其DC偏置电压。电阻元件的电阻可以在10GΩ的范围内。

IC芯片还可以包括被直接连接到电荷泵的DC偏置端口。可以将电阻元件电连接在IC芯片的信号输入端与IC芯片的DC偏置端口之间。可以将DC保护结构电连接至DC偏置端口。这意味着向DC保护结构供应相同的DC电压。然而，由于DC保护结构和信号线被电阻元件分离，所以DC保护结构充当缓冲器并为信号线的各部分提供主要具有相同DC电位的环境。结果，实际上在信号线的各部分与其环境之间不存在DC电位差。因此，实际上消除了通过绝缘电阻的DC漏电流和因此的噪声信号。

在本变体的一个实施例中，IC芯片包括信号放大器、电阻偏置元件和DC偏置电压源。MEMS换能器被经由电阻偏置元件连接至DC偏置电压源。DC保护结构被电连接至电荷泵。此外，可以将DC保护结构直接连接至作为优选DC偏置电压源的电荷泵。

在一个实施例中，DC保护结构包括传导材料。信号线的一部分被布置在DC保护结构之上或之下。

在一个实施例中，衬底包括两个电介质层、在两个电介质层之间的金属化层以及DC保护结构的上和下金属化层。信号线的一部分被布置在金属化层内。信号线的该部分被布置在DC保护结构的上金属化和下金属化之间。

因此，通过将各信号线嵌入DC保护结构的上金属化与下金属化之间来实现进一步改善的保护效果。在各多层衬底中，实际上不存在DC保护结构所需的其它空间，因为能够将DC保护结构组件嵌入多层衬底中。

在一个实施例中，DC保护结构包括在信号线周围环状地布置、但不一定是圆形的或被封闭的金属化件。可以将DC保护结构的信号线和金属化件布置在衬底的表面上。然后，在相同的金属化层中布置DC保护结构的金属化件和信号线。

然而，可能的是DC保护结构的金属化件和信号线被布置在多层衬底的不同金属化层内。DC保护结构可以具有管状形状且可以将信号线或信号线的一部分布置在管状DC保护结构内。

在一个实施例中，MEMS扩音器还包括屏蔽信号线的一部分的电磁屏蔽结构。

在一个实施例中，电磁屏蔽结构屏蔽DC保护结构的一部分，即DC保护结构或DC保护结构的至少一部分被嵌入电磁干扰屏蔽结构内。

在一个实施例中，衬底包括选自高温共烧陶瓷、低温共烧陶瓷和玻璃的材料。

在另一变体中，MEMS扩音器包括具有信号输出端的MEMS换能器、具有信号输入端的IC芯片、衬底、信号线和传导结构。MEMS传感器和IC芯片被布置在衬底上。信号线将MEMS换能器的信号输出端与IC芯片的信号输入端电连接。由IC芯片经由信号线向MEMS换能器提供DC偏置电压。信号线和传导结构被电隔离。

附图说明

在所述附图中

图1示出在传导结构中具有凹槽的MEMS扩音器的横截面图，

图2示出具有DC保护结构的MEMS扩音器的横截面，

图3示出具有电磁干扰屏蔽结构的MEMS扩音器的等效电路图，

图4示出具有电磁干扰屏蔽结构和DC保护结构的MEMS扩音器的等效电路图，

图5示出包括多层衬底的MEMS扩音器的矢状横截面，

图6示出在衬底的表面上具有信号线的MEMS扩音器的矢状横截面。

具体实施方式

为了明了起见，在图中未示出与本发明无关的部分，即使其对于MEMS扩音器的功能而言可能是必要的，例如外壳、声端口、外部端子等。

图1示出MEMS扩音器MM的横截面。MEMS扩音器MM包括MEMS换能器MT和IC芯片IC。MEMS换能器MT和IC芯片IC被两个传导结构CS和信号线SL电连接。信号线SL分别将换能器MT的信号输出端SO与IC芯片IC的信号输入端SI电连接。传导结构CS还将MEMS换能器MT和IC芯片IC电连接。传导结构CS可以包括到地的连接，或者可以包括另一信号或电源传导结构。

图1的上部分中所示的传导结构CS包括凹槽REC。凹槽REC的形状被以信号线SL与传导结构CS之间或信号输入端SI或信号输出端SO端口与传导结构之间的距离保持超过由x1指示的某个最小值的方式布置。此外，图1的下部分中所示的信号线SL和传导结构被以如x2和x3所指示地保持最小距离的方式布置。这些距离仅仅是示例。更一般地，意指具有除U_bias之外的其它电位的从信号线的任何点至传导结构的任何点的横向距离。在任何情况下，此距离必须为至少200μm、更优选地至少500μm。凹槽REC仅仅是意图实现以上条件的各种可能布局的示例。

作为这些最小距离的结果，增加了信号线SL与另一传导结构CS之间的有效电阻。如果适当地选择传导结构的各凹槽或传导结构的布置，则此类最小距离未显著地抵消朝向小型化的趋势。

图2示出包括图1的上传导结构CS和DC保护结构DCGS的MEMS扩音器MM的横截面。DC保护结构DCGS完全或在某种程度上至少在与衬底平行的平面内环状地围绕信号线SL，使得DC保护结构DCGS被至少部分地布置在上传导结构CS中的凹槽内。DC保护结构DCGS被电连接至IC芯片IC的另一端口P。DC保护结构DCGS减小信号线SL与另一围绕的传导结构CS之间的漏电流。由于此效果，不再需要保持以上最小距离。此外，由于不存在对保护结构与类似于屏蔽的其它传导结构之间的距离的限制，所以布局得到简化。再次地，凹槽仅仅是用于可能布置的布局示例。

图3示出包括MEMS换能器MT中的MEMS电容器MC和IC芯片IC中的信号放大器AMP的MEMS扩音器的等效电路图。信号放大器AMP是被集成在IC芯片IC中的ASIC（ASIC＝专用集成电路）的一部分。ASIC还包括可以是电荷泵CP的电压源。电荷泵CP具有本征电阻R_chargepump。ASIC还包括偏置电阻元件R_bias。借助于电荷泵CP，MEMS电容器MC的薄膜被保持在可以在10V范围内的某个工作电压。电磁干扰屏蔽结构EMIS屏蔽将MEMS换能器MT与IC芯片IC电连接的信号线SL的至少一部分。在本实施例中，电磁干扰屏蔽结构EMIS被电连接至地。电阻元件R_SL仅仅是虚拟的并表示信号线SL的不完美DC绝缘。虽然电磁干扰屏蔽结构EMIS增加了针对诸如射频信号的电磁信号的保护，但电磁干扰屏蔽结构EMIS通常不改善信号线的DC绝缘。

为此，如在图4中能够看到的，提供DC保护结构DCGS。图4示出MEMS扩音器的—示意性—等效电路图，其中，信号线SL的一部分被DC保护结构DCGS围绕。DC保护结构DCGS被电连接至ASIC的电荷泵。因此，DC保护结构DCGS主要被保持在与信号线SL相同的DC电位。然而，电荷泵CP与信号线SL之间的电阻元件R_bias分别缓冲信号线与DC保护结构DCGS之间的所需电压的变化。由于信号线和DC保护结构DCGS主要在相同DC电位上，所以来自信号线的漏电流的流动被抑制且电阻元件R_SL不再能够使在信号线SL中传播的信号的质量劣化。MEMS扩音器的噪声水平被降低。

此外，电磁干扰屏蔽结构EMIS分别保护DC保护结构DCGS和信号线SL免于高频失真。

图5示出MEMS扩音器MM的矢状横截面。扩音器MM包括多层衬底ML、MEMS换能器MT和IC芯片IC。MEMS换能器MT和IC芯片IC被布置在多层衬底ML的表面上。多层衬底ML包括两个电介质层DL。在电介质层DL之间，布置了金属化层ML。在金属化层ML内，对信号线SL进行结构化。信号线借助于多层衬底ML中的通孔将MEMS换能器MT的凸块连接与IC芯片IC电连接。

MEMS换能器MT包括换能器芯片TC。换能器芯片TC包括柔性或可移动薄膜MB和建立MEMS换能器MT的MEMS电容器的背板BP。

由于信号线SL被集成在多层衬底ML内，所以改善了信号线的电隔离。尤其是减小了表面漏电流。

图6示出MEMS扩音器MM的矢状横截面，其中，信号线SL被布置在衬底SU的表面上。矢状横截面示出DC保护结构DCGS的两个部分，其环状地围绕信号线SL且被布置在衬底SU的表面上。

本发明包括用于减小来自MEMS扩音器的信号线的DC漏电流的装置。本发明的基本概念并不取决于诸如关于DC保护结构或信号线和传导结构的布局的几何细节的细节。此外，本发明不受变体或实施例或附图的限制。尤其是基于不同几何构造的实施例也是可能的。例如，可以将信号线布置在衬底上或中。因此，在不脱离本发明的情况下，可以有脱离附图的许多变化。

附图标记列表：

AMP：信号放大器

ASIC：专用集成电路

BP：背板

BU：凸块连接

CP：电荷泵/电压源

CS：传导结构

DCGS：DC保护结构

DL：电介质层

EMIS：电磁干扰屏蔽结构

IC：IC芯片

MB：柔性或可移动薄膜

MC：MEMS电容器

ML：金属化层

ML：多层衬底

MM：MEMS扩音器

MT：MEMS换能器

P：换能器芯片或IC芯片的另一端口

R_bias：偏置电阻元件（约10GΩ）

R_chargepump：电荷泵的本征电阻（在1MΩ范围内）

REC：凹槽

RSL：信号线的绝缘电阻

SI：IC芯片IC的信号输入端

SL：信号线

SO：换能器MT的信号输出端

SU：衬底

TC：换能器芯片

x1、x2、x3：信号线与其它传导结构之间的距离。

Claims

1.一种MEMS扩音器，

—包括具有信号输出端的MEMS换能器、具有信号输入端的IC芯片、衬底、信号线、传导结构和形成信号线的一部分的、衬底与MEMS换能器之间或衬底与IC芯片之间的凸块连接，其中

—MEMS换能器和IC芯片被布置在衬底上，

—信号线将MEMS换能器的信号输出端与IC芯片的信号输入端电连接，

—由IC芯片经由信号线向MEMS换能器提供DC偏置电压，

—传导结构被电连接至不同于DC偏置电压的DC电位，以及

—信号线与传导结构之间的横向距离被保持在至少200μm。

2.权利要求1的MEMS扩音器，其中，信号线与传导结构之间的横向距离为至少500μm。

3.权利要求1的MEMS扩音器，其中，传导结构包括在信号线附近具有凹槽以便保持传导结构与信号线之间的最小距离的区域。

4.权利要求1的MEMS扩音器，其中

—MEMS扩音器具有电磁屏蔽电位，以及

—传导结构被电连接至电磁屏蔽电位。

5.权利要求1的MEMS扩音器，其中

—MEMS扩音器具有接地电位，以及

—传导结构被电连接至接地电位。

6.权利要求1的MEMS扩音器，其中

—衬底包括两个电介质层和在两个电介质层之间的金属化层，

—信号线的一部分被布置在金属化层内。

7.权利要求1的MEMS扩音器，还包括将朝向相邻传导结构的信号线的一部分围起来的DC保护结构，所述传导结构具有不同于DC偏置电压的DC电位。

8.权利要求1的MEMS扩音器，其中，所述衬底是包括选自FR-4材料、FR-5材料、聚四氟乙烯、以及玻璃纤维加强材料的材料的有机层压件。

9.一种MEMS扩音器，包括

—具有信号输出端的MEMS换能器、具有信号输入端的IC芯片、衬底、信号线、形成信号线的一部分的、衬底与MEMS换能器之间或衬底与IC芯片之间的凸块连接和DC保护结构，其中

—MEMS换能器和IC芯片被布置在衬底上，

—由IC芯片经由信号线向MEMS换能器提供DC偏置电压，

—DC保护结构将朝向相邻传导结构的信号线的一部分围起来，所述相邻传导结构具有不同于DC偏置电压的DC电位。

10.权利要求9的MEMS扩音器，还包括

—信号放大器、电阻偏置元件和DC偏置源，其中

—MEMS换能器经由电阻偏置元件被连接至DC偏置电压，

—DC保护结构被电连接至DC偏置源。

11.权利要求9的MEMS扩音器，其中，所述DC保护结构包括传导材料且信号线的一部分被布置在DC保护结构之上或之下。

12.权利要求9的MEMS扩音器，其中

—衬底包括两个电介质层、在两个电介质层之间的金属化层、以及DC保护结构的上和下金属化层，

—信号线的一部分被布置在金属化层内，

—信号线的该部分被布置在DC保护结构的上金属化和下金属化之间。

13.权利要求9的MEMS扩音器，其中，所述DC保护结构包括环状地布置在信号线周围的金属化件。

14.权利要求9的MEMS扩音器，还包括屏蔽信号线的一部分的电磁屏蔽结构。

15.权利要求14的MEMS扩音器，其中，所述电磁屏蔽结构屏蔽DC保护结构的一部分。

16.权利要求9的MEMS扩音器，其中，所述衬底是包括选自FR-4材料、FR-5材料、聚四氟乙烯、以及玻璃纤维加强材料的材料的有机层压件。

17.权利要求1的MEMS扩音器，其中，所述衬底包括选自高温共烧陶瓷、低温共烧陶瓷和玻璃的材料。

18.一种MEMS扩音器，包括

—具有信号输出端的MEMS换能器、具有信号输入端的IC芯片、衬底、信号线、形成信号线的一部分的、衬底与MEMS换能器之间或衬底与IC芯片之间的凸块连接、和传导结构，其中

—MEMS换能器和IC芯片被布置在衬底上，

—由IC芯片经由信号线向MEMS换能器提供DC偏置电压，

—信号线和传导结构被电隔离。