CN102665161A - 单片硅麦克风 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单片硅麦克风，一个单片硅麦克风包括一个第一背板，一个第二背板以及位于第一背板和第二背板间的隔板；第一背板由一个带多穿孔的硅基板支撑。第二背板系在一个穿孔板上，穿孔板支撑在硅基板的上方。单片硅麦克风有集成的信号调节电路。信号调节电路与第一背板、第二背板及隔板间电连接。隔板与第一背板、隔板与第二背板间的信号送入信号调节电路中，并分别进行放大。

Description

单片硅麦克风
技术领域
本发明涉及一种麦克风，尤其是一种单片硅麦克风，属于硅麦克风的技术领域。
背景技术
相关的参考文献，如美国专利文件：5,146,435；5,452,268；5,619,476；5,870,351；5,894,452；6,493,288；6,535,460；6,847,090；6,870,937；7,166,910；7,202,101；7,221,767；2007/0278601。
微加工的成批处理推动了电容性微加工换能器的出现。换能器可以提供大量的性能优化参数，易加工，是电子一体化的设备。许多期刊和专利中也对微加工换能器的加工和操作做出了描述。例如，编号为5,619,476，5,870,351，5,894,452和,493,288的美国专利文件对电容型超声波换能器的加工做出了描述。编号为5,146,435；5452,268,和6,870,937的美国专利文件也对微加工电容性换能器(在音频范围内，主要用于拾音器)做出了描述。在大多数结构中，微加工换能器的移动隔板由基板或绝缘支架支撑，所述基板或绝缘支架的选择如氮化硅，氧化硅或聚酰胺。绝缘支架支撑导电薄膜的边缘，在基板和导电薄膜之间施加电压，可以在声波传过时引起导电薄膜振动。在编号为6,535,460的美国专利文件中描述的特定条件下，隔板悬挂在支撑环上方，并能使其自由的停留在支撑环上。
许多微加工电容式麦克风是将一个类似的薄膜结构用在大尺寸麦克风和录音麦克风中。如图1所示：为现有的电容式麦克风的结构，其由一个悬挂在导电背板2上的导电隔板3组成的，导电背板2有许多第一声孔4。导电薄膜3由绝缘柱5支撑，与导电2保持预定的距离。导电背板2由一个硅衬底1支撑。当冲击压力波振动导电薄膜3，以使得换能器的电容发生变化时，可以进行声检测。在正常操作情况下，通过测量恒定偏压下的输出电流来检测电容式麦克风芯片10的电容变化。第一声孔4也用于将背气腔6中的压力均衡至环境气压，从而防止大气压强产生波动压偏与导电背板2相对应的导电薄膜3。微加工麦克风有密封背气腔6的特殊电路板。
在实际应用中，麦克风芯片10需要封装在一个环保的外壳中，该环保外壳可以放入电子设备中，所述电子设备如移动电话。有许多期刊也论述了这种封装设计。例如，Minervini，et al.等申请编号为6,781,231的美国专利文件示出，一个微型机电系统封装包括一个微型机电系统麦克风，一个基板和一个外壳。基板有一个表面可以支撑微型机电系统麦克风。外壳包括一个导电层，该导电层的中心部分受周围边缘部分的限制。在外壳周围边缘部分与基板连接后，形成一个壳体。外壳中心部分从基板表面处隔开，可以容纳微型机电系统麦克风。壳体包括一个允许声信号到达微型机电系统麦克风的声孔。
Minervini et al.等申请编号为7,166,910的美国专利文件也列出了一个硅电容式麦克风封装。该硅电容式麦克风包包括一个换能器单元，一个基板和一个外壳。基板包括一个上表面，里面有一个凹槽。换能器单元系在基板的上表面，至少与凹槽的一部分重合。这样，换能器单元的后面音量可以在换能器单元和基板间产生。外壳有一个小孔，放置在换能器单元的上方。
这种包装的特殊设计情况可以参看图2。微加工麦克风芯片10放置在电路板8上。在电路板8上还可以设置专用集成电路芯片14。专用集成电路芯片14通过焊线15与微加工麦克风芯片10电连接。外壳12与壳壁11间形成机械腔16。外壳12上的第二声孔13可以使声信号通过通道到达麦克风芯片10。焊盘17位于电路板8的背面，图2中封装的麦克风可以安装到电子设备的主板上。
参照编号为6,781,231和7,166,910的美国专利文件，壳壁11和外壳12本身具有导电性或有导电层，他们之间可以形成电磁屏蔽，用来保护麦克风免受电磁干扰。壳壁11、外壳12与电路板8间形成一个带地电极的接地电流。
Mullenborn，et al.等人申请编号为7,221,767的美国专利文件表明一个表面贴声能转换器系统，其包含一个以上的换能器，连接到一个以上换能器上的接通电流，设定在换能器系统外表面部分上的接触点。该接触点适用于换能器系统和外部基板的电气连接，也适用于通过普通的贴片技术，方便在外部基板上的换能器系统安装。在特定的声能转换器系统中，如图3所示，一个麦克风芯片10通过焊锡密封圈19安装在硅载体基板20上。专用集成电路芯片14通过撞击焊18安装在所述硅载体基板20上。外壳12盖住麦克风芯片10和专用集成电路芯片14。在外壳12上有一个或多个第二声孔13，可以使声信号通过通道到达麦克风芯片10。焊盘17安装在硅载体基板20的末端，因此，通过倒装芯片接合器17能将封装的声能转换器系统安装在相应的电气设备上。
以上期刊使我们了解到可以参考“两个芯片”方案进行硅麦克风封装。从这些期刊中，我们可以看到这些方案都要求一个用于从麦克风芯片处调节信号的微加工麦克风芯片和专用集成电路芯片。麦克风芯片和专用集成电路芯片都封装在一个机械外壳中，防止他们与外界接触，达到最终操作的目的。
也有许多关于麦克风芯片合为一个单独微加工芯片的综合方案例子。Gabriel et al.等人申请编号为7,202,101的美国专利文件显示一个结构，其包括金属交替层和牺牲材料。这些牺牲材料是使用标准互补金属氧化物半导体加工程序，结构构建程序，按此结构加工设备及按此结构装配的设备程序组合的。具体是，第一金属层支持第一牺牲层。第一牺牲层支持第二金属层。第二金属层有一部分形成微加工金属网。当去除微加工金属网区域中的第一牺牲层部分时，微加工金属网脱出并以第一牺牲层厚度确定的高度，悬挂在第一金属层的上方。在基板和第一金属层之间是否提供牺牲材料的基极层会导致结构的变化。以这种方式，去除微加工金属网区域中的第一牺牲层部分时，部分第一金属层可以形成脱出的微加工网。除此之外，也可能提供牺牲材料的第二层金属层和第三金属层。微加工网可能在第三金属层中形成。当密封某些微加工网时，可以形成一个结构，所述结构可用于加工形成可变电容器，开关，扬声器和麦克风。
尽管这些事例合并了麦克风芯片和专用集成电路芯片，需要使用与图2中类似的封装方案来生产可以贴装在电子设备末端的麦克风芯片。根据编号为2007/0278601的美国期刊，微电子机械系统设备包括一个芯片载体(其声孔可以从芯片载体的第一表面延伸至第二表面)，一个配置在芯片载体上的微电子机械系统(可以覆盖芯片载体第一表面上的声埠)和一个外壳(接合在芯片载体上并封装在微电子机械系统芯片中)。
在以上所有期刊中，要求一个复杂的芯片封装方案。封装方案包括：需要生产一个电气连接并能避免电磁干扰的环保外壳。这种封装方案不仅耗费时间，而且在后期的硅片加工时需要购买昂贵的设备。以上所述对连接外壳的需要也限制了麦克风的尺寸，使其难以放置在终端设备系统中。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种单片硅麦克风，其能检测声波，封装方便，抗干扰能力强。
本发明是一个可以检测声波由微加工集成电容传感元件组成的单片硅麦克风。
本发明还是一个可以通过微加工集成电容传感元件调控传感声波由集成电子设备组成的单片硅麦克风。
本发明还是一个可以调控电子设备不受环境因素影响由微加工集成电容传感元件组成的单片硅麦克风。
本发明还是一个可以调控电子设备不受电磁干扰由微加工集成电容传感元件组成的单片硅麦克风。
本发明是一个可以调控电子设备(有一个可随冲击声波而振动的移动隔板)由微加工集成电容传感元件组成的单片硅麦克风。
本发明还是一个可调控电子设备(有两个背板)由微加工集成电容传感元件组成的单片硅麦克风。
本发明还是一个可调控电子设备(隔板放置在两个背板之间)由微加工集成电容传感元件组成的单片硅麦克风。
本发明是一个可调控电子设备(调控电子设备从微加工电容传感元件处进行差分输入)由微加工集成电容传感元件组成的单片硅麦克风。
本发明可以通过单片硅麦克风实现。
按照本发明提供的技术方案，所述单片硅麦克风，包括一由硅基板支撑的第一背板；一位于穿孔板表面的第二背板；一位于第一背板与第二背板间，并支撑在第一背板上方的隔板；及在所述硅基板上集成的信号调节电路。
所述硅基板上设有至少一个贯通硅基板的第一穿孔。
所述穿孔板通过垫片支撑在硅基板上方，且穿孔板上设有至少一个贯通穿孔板的第二穿孔。
所述硅基板上设有用于电气连接的直通晶片。
还包括用于表面贴装的焊接凸点。
一种类似的技术方案为：所述单片硅麦克风，包括一由硅基板支撑的第一背板；一位于穿孔板表面的第二背板；一位于第一背板与第二背板间，并支撑在第一背板上方的隔板；一在所述硅基板上集成的信号调节电路，所述信号调节电路与隔板、第一背板、第二背板间电连接。
所述硅基板上设有至少一个贯通硅基板的第一穿孔。
所述穿孔板通过垫片支撑在硅基板上方，且穿孔板上设有至少一个贯通穿孔板的第二穿孔。
所述硅基板上设有用于电气连接的直通晶片。
还包括用于表面贴装的焊接凸点。
一种单片硅麦克风的操作使用方法，包括一由硅基板支撑的第一背板；一位于穿孔板表面的第二背板；一位于第一背板与第二背板间，并支撑在第一背板上方的隔板；一在所述硅基板上集成的信号调节电路；将隔板与第一背板连接到信号调节电路的第一输入对，将隔板与第二背板连接到信号调节电路的第二输入对；并通过差分放大器对信号进行放大。
所述硅基板上设有至少一个贯通硅基板的第一穿孔。
所述穿孔板通过垫片支撑在硅基板上方，且穿孔板上设有至少一个贯通穿孔板的第二穿孔。
所述硅基板上设有用于电气连接的直通晶片。
还包括用于表面贴装的焊接凸点。
本发明的优点：单片硅麦克风包括一个放置在两个相对背板之间的隔板。第一个背板由硅基板支撑，第二个背板悬挂在隔板的上方。第二个背板的悬挂也形成了微加工硅传感元件的外壳。隔板由第一背板支撑，第一背板和第二背板有穿孔，允许声压波通过。隔板和第一背板组成第一个电容器，隔板和第二个背板组成第二个电容器。第一个电容器和第二个电容器的容量随声波振动的隔板运动而变化。单片硅麦克风已融合了专用集成调控电子设备。第一电容器到第二电容器的电容变化可流入到信号调电子设备的差分输入中，抗干扰能力强，封装方便，安全可靠。
附图说明
图1为现有微加工的硅麦克风结构截面示意图。
图2为现有封装的微加工麦克的结构截面示意图。
图3为现有另一个封装的微加工硅麦克的结构截面示意图。
图4为硅麦克风的等效电路图。
图5为本发明的等效电路图。
图6为本发明实施例1的结构截面示意图。
图7为本发明实施例2的结构截面示意图。
图8为本发明实施例3的结构截面示意图。
图9为本发明实施例4的结构截面示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
蜂窝电话包括一个麦克风和一个将声波转换为电子信号的相关电路，并能将电子信号传送给另外一个电话。电路调制一个带传送器信号的高频率射频载体信号(例如：1-2赫兹)并通过电话上的天线输送该调制载体信号。基站(“单元”)接收该调制射频载体信号并转发到另一个电话上。
蜂窝电话包括许多封装在一个小空间内的零部件。因此，电磁能量可以从这些零部件上散发出来，并入其它蜂窝电话零部件中，从而造成噪音干扰。(特别是从电话天线外散发出的能量)。由于噪音信号可能干扰扬声器或麦克风的操作，音频段的噪音拾取是相当麻烦的。声音干扰相反也会影响蜂窝电话的作用，主要问题在于声音干扰信号可能会通过发送器的信号和电话接收信号的分时交叉而受干扰。接收器的交叉电流和传送器的交叉电流可以进行交叉。例如，可以在全球通移动系统(GSM“手机的分时多址(TDMA)传送器/接收器中以217赫兹比率进行传送器和接收器射频载体信号交叉。蜂窝电话中的非线型电路元件可以转化电话射频载体开启和闭合以217赫兹的比率传送到217赫兹的声音干扰信号中。在该频率上的声音信号噪音类似于大黄蜂的声音，因此，被称为“大黄蜂噪音”。“大黄蜂噪音”会影响蜂窝电话执行音频通话功能的能力。
大黄蜂噪音电磁耦合传送到接收麦克风中。在使用过程中，麦克风如同一个带天线的可变电容器，参见图4。这是一个简化的硅电容式麦克风。假设隔板33连接到正偏压表棒上，第一背板32连接到负偏压表棒上，如图4所示。当声压波撞击麦克风时，隔板33将随压力波和变化的电容器电容上下偏转。同时，麦克风结构也作为天线拾取电磁耦合。天线长度取决于麦克风的实际结构，例如，隔板33和第一背板32的实际尺寸。当隔板33上下偏转时，它的实际尺寸变化非常小。因此，麦克风的电磁耦合可视为一个常数。
参看图5。这是一个带有两个背板的麦克风。隔板33位于第一背板32和第二背板34之间。电容器C1由隔板33和第一背板32形成。类似地，电容器C2由隔板33与第二背板34形成。当声压波撞击隔板33时，隔板33会上下偏转。为了便于为析，我们假设隔板33向下偏转，电容器C1对应电荷量总数增加了q，电容器C2对应电荷量总数减少了q。但是，电容器C1和电容器C2上都保留了相当多的耦合电磁信号。当电容器C1和电容器C2信号作为差分输入送入信号调节电路中时，当随声压波变化的电容加倍时，电容器C1和电容器C2中的电磁耦合由于有共有的部分其输出将会抵消。
实施例1
根据本发明参看第一种实施方案，如图6所示；单片硅麦克风50有一个硅基板51。第一背板52位于硅基板51上并由其支撑。隔板53悬挂在第一背板52的顶部，当使用支撑55时，可以与第一背板52进行预定分离。隔板53和第一背板52形成第一空腔57。基板51和第一背板52都有第一穿孔54，即第一穿孔54贯通第一背板52及基板51。
基板51也支撑垫片90，而垫片90自身也支撑着一个穿孔板95。穿孔板95自身不导电，但是在穿孔板95的一侧设有第二背板59。垫片90可以使穿孔板95与隔板53进行预定分离，并使得隔板53与第一背板52的分离与隔板53与第二背板59的分离类似。然后，在隔板53与第二背板59间形成。穿孔板95有第二穿孔56，声信号可以通过这些第二穿孔56撞击隔板53。
信号调节电子设备80位于硅基板51的另一侧。通过直通晶片70用于隔板53，第一背板52，第二背板54和信号调节电路80间的电气连接。撞击焊凸点60系在信号调节电路80所处硅基板51的表面。
实施例2
本发明的第二个优先实施方案如图7所示。第一背板52位于硅基板51上，并由硅基板51支撑。隔板53悬挂在第一背板52的顶部，并由支撑55支撑在第一背板52上方，与第一背板52进行预定的分离。隔板52和第一背板52间形成第一空腔57。基板51和第一背板52都有第一穿孔54。
基板51也支撑垫片90，而垫片90自身也支撑着一个穿孔板95。穿孔板95自身不导电，但是在穿孔板95的一侧表面上设有第二背板59。垫片90可以使穿孔板95与隔板53进行预定分离，并使得隔板53与第一背板52的分离与隔板53与第二背板59的分离类似。然后，第二空腔58在隔板53和第二背板59之间形成。穿孔板95有第二穿孔56，声信号可以通过这些第二穿孔56撞击隔板53。
信号调节电子设备80位于硅基板51的另一侧。通过直通晶片70用于隔板53，第一背板52，第二背板54和信号调节电路80间的电气连接。撞击焊凸点60系在穿孔板95上，根据本发明第二种优先方案安装单片硅麦克风50。
实施例3
本发明的第三种优先实施方案如图8所示。单片硅麦克风50有一个硅基板51。第一背板52位于硅基板51上，并由硅基板51支撑。隔板53悬挂在第一背板52的顶部，使用支撑55，与第一背板52进行预定的分离。隔板52和第一背板52形成第一空腔57。基板51和第一背板52都有第一穿孔54。
基板51也支撑垫片90，而垫片90自身也支撑着一个穿孔板95。穿孔板95自身不导电，但是在穿孔板95的一侧表面上设有第二背板59。垫片90可以使穿孔板95与隔板53进行预定分离，并使得隔板53与第一背板52的分离与隔板53与第二背板59的分离类似。然后，第二腔58在隔板53和第二背板59之间形成。穿孔板95有第二穿孔56，声信号可以通过这些第二穿孔56撞击隔板53。
信号调节电子设备80位于硅基板51对应设置硅传感元件对应的一侧表面上。撞击焊凸点60系在硅基板51的另一个表面，根据本发明第三种优先方案安装单片硅麦克风50。通过直通晶片70用于撞击焊凸点60和信号调节电路80之间的电气连接。
实施例4
本发明的第四种优先实施方案如图9所示。单片硅麦克风50有一个硅基板51。第一背板52位于硅基板51上，并由硅基板51支撑。隔板53悬挂在第一背板52的顶部，使用支撑55，与第一背板52进行预定的分离。隔板52和第一背板52形成一个腔。基板51和第一背板52都有第一穿孔54。
基板51也支撑垫片90，而垫片90自身也支撑着一个穿孔板95。穿孔板95自身不导电，但是在穿孔板95的一侧表面上设有第二背板59。垫片90可以使穿孔板95与隔板53进行预定分离，并使得隔板53与第一背板52的分离与隔板53与第二背板59的分离类似。然后，第二腔58在隔板53和第二背板59之间形成。穿孔板95有第二穿孔56，声信号可以通过这些第二穿孔56撞击隔板53。
信号调节电子设备80位于硅基板51对应设置硅传感元件对应的一侧表面上。撞击焊凸点60系在穿孔板95上，根据本发明第二种优先方案安装单片硅麦克风50。
本发明的以上几种实施方案也通过插图进行说明。这些描述并不详尽或仅限于公开的形式；综上所述，也可能存在许多修改和变动。所选的实施方案是为了更好的解释本发明的原理和其实际应用，帮助那些技术人员更好的使用本发明。修改后的各种实施方案适用于特定的使用。本发明的范围应由以下说明和同等描述确定。

Claims (15)

1.一种单片硅麦克风，其特征是：包括
一由硅基板支撑的第一背板；
一位于穿孔板表面的第二背板；
一位于第一背板与第二背板间，并支撑在第一背板上方的隔板；
及在所述硅基板上集成的信号调节电路。
2.根据权利要求1所述的单片硅麦克风，其特征是：所述硅基板上设有至少一个贯通硅基板的第一穿孔。
3.根据权利要求1所述的单片硅麦克风，其特征是：所述穿孔板通过垫片支撑在硅基板上方，且穿孔板上设有至少一个贯通穿孔板的第二穿孔。
4.根据权利要求1所述的单片硅麦克风，其特征是：所述硅基板上设有用于电气连接的直通晶片。
5.根据权利要求1所述的单片硅麦克风，其特征是：还包括用于表面贴装的焊接凸点。
6.一种单片硅麦克风，其特征是：包括
一由硅基板支撑的第一背板；
一位于穿孔板表面的第二背板；
一位于第一背板与第二背板间，并支撑在第一背板上方的隔板；
一在所述硅基板上集成的信号调节电路，所述信号调节电路与隔板、第一背板、第二背板间电连接。
7.根据权利要求6所述的单片硅麦克风，其特征是：所述硅基板上设有至少一个贯通硅基板的第一穿孔。
8.根据权利要求6所述的单片硅麦克风，其特征是：所述穿孔板通过垫片支撑在硅基板上方，且穿孔板上设有至少一个贯通穿孔板的第二穿孔。
9.根据权利要求6所述的单片硅麦克风，其特征是：所述硅基板上设有用于电气连接的直通晶片。
10.根据权利要求6所述的单片硅麦克风，其特征是：还包括用于表面贴装的焊接凸点。
11.一种单片硅麦克风的操作使用方法，其特征是：包括
一由硅基板支撑的第一背板；
一位于穿孔板表面的第二背板；
一位于第一背板与第二背板间，并支撑在第一背板上方的隔板；
一在所述硅基板上集成的信号调节电路；将隔板与第一背板连接到信号调节电路的第一输入对，将隔板与第二背板连接到信号调节电路的第二输入对；并通过差分放大器对信号进行放大。
12.根据权利要求11所述的单片硅麦克风的操作使用方法，其特征是：所述硅基板上设有至少一个贯通硅基板的第一穿孔。
13.根据权利要求11所述的单片硅麦克风的操作使用方法，其特征是：所述穿孔板通过垫片支撑在硅基板上方，且穿孔板上设有至少一个贯通穿孔板的第二穿孔。
14.根据权利要求11所述的单片硅麦克风的操作使用方法，其特征是：所述硅基板上设有用于电气连接的直通晶片。
15.根据权利要求11所述的单片硅麦克风的操作使用方法，其特征是：还包括用于表面贴装的焊接凸点。
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