CN102812729B - 声音传感器与麦克风 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一个能够提高传感器信噪比而不妨碍缩小其尺寸的声音传感器。一隔膜(43)作为可移动电极板形成在硅质基板(42)的顶表面上。所述隔膜(43)是矩形，四个角和所述隔膜(43)长边的中部由固定体(46)所支撑。在连接长边中部处的固定体(46)的线D上隔膜(43)的位移最小。位移最大点G，在该点位移最大，呈现在该线D的各侧，该线D沿一方向延伸，该方向与连接一条位移最大点G的线相交。

Description

声音传感器与麦克风
技术领域
本发明涉及一种声音传感器和麦克风。本发明特别地涉及一种运用微电子机械系统MEMS（MicroElectroMechanicalSystem）技术或微机械技术制造的电容型声音传感器。本发明更进一步地涉及一种使用该声音传感器的麦克风。
背景技术
麦克风在多种设备上都有应用，诸如移动电话和集成电路（IC）录音机。装备在这种麦克风里的声音传感器要求有改良的信噪比和减小的尺寸。
作为提高声音传感器信噪比的方法,首先，得有一种提高这种声音传感器灵敏度的方法。为了提高这种电容型声音传感器的灵敏度，可采用的方法一种是加宽隔膜的区域面积，另一种是降低隔膜的弹性性能来增加隔膜的位移量。然而，前一种方法加宽隔膜的区域面积会对缩小声音传感器的尺寸造成妨碍。后一种方法降低隔膜的弹性性能，由于隔膜的位移量增加了，声音传感器的耐久性降低了。
第二种提高声音传感器的信噪比的方法是减少这种声音传感器的噪声。作为此类电容型声音传感器的噪声，在隔膜（可移动的电极板）和后挡板（固定的电极板）之间形成的空气间隙中产生的热噪声是难以解决的。
在空气间隙里的热噪声是噪声，其生成机理见图1(A)。如图1(A)所示，空气分子α在隔膜11和后挡板12之间的空气间隙13里，也是一半封闭的空间，因起伏波动（热运动）而与隔膜11相互碰撞。因与空气分子α的碰撞而产生的微小的力作用在隔膜11上，而该作用在隔膜11上的微小的力随机起伏波动。因此，隔膜11由于与空气分子α碰撞而振动，进而在振动传感器中产生电噪声。特别在高灵敏度的声音传感器或麦克风中，基于这种热噪声的噪声是大的，因而信噪比变差。
由这种热噪声产生的噪声，会因如图1(B)所示的开在后挡板12上的声音孔14开口率增加便于空气间隙13中的空气经由该声音孔14通过而减轻。另外，这种噪声也可以通过加宽隔膜11和后挡板12之间的空气间隙13来得到减轻。然而，当声音孔14的开口率增加或者空气间隙13被加宽时，由隔膜11和后挡板12形成的电容的电容量降低。由于这个原因，藉由这种简单的减少噪声的方法，在减少噪声的同时声音传感器的灵敏度降低,因此这种方法不可能改善声音传感器的信噪比。
（常规已知的振动传感器）
专利文献1公开了一种旨在提高信噪比的区别感应系统的麦克风。如图2所示，在这种麦克风21中，一基板22上有两个声音传感器23a和23b，并且垂直构造的传感器23a、23b彼此倒置。就是说，在一个声音传感器23a里，有声音孔26a的固定挡板25a是在隔膜24a上面的，构成声音传感的电容。在另外一个声音传感器23b里，隔膜24a在有声音孔26b的固定挡板25b的上面，构成声音传感的电容。
随着声音传感器23a、23b中的隔膜24a、24b释放出的传感信号，当两个声音传感器23a、23b检测到同一个声音振动时，具有位相180°的传感信号是来自两个传感器23a、23b。从声音传感器23a中的输出与从声音传感器23b中的输出被输入进一个信号处理电路中（ASIC），然后在该信号处理电路中进行减弱处理。结果是，由传感器23a、23b检测到的声音检测信号被相加，这样麦克风21的检测灵敏度提高了，信噪比也被期待得以改善。
在这种区别感应系统的麦克风里，除非被两个声音传感器检测到的声音检测信号的位相、频率和灵敏度完全相同，检测的灵敏度降低。然而，使同一基板上独自形成的各个声音传感器的规格参数相同是困难的。另外，在这种麦克风里，当两个传感器23a、23b上的电容的极性彼此相反时，因寄生电容的缘故，产生两个相同的声音传感器23a、23b是困难的。因此，如专利文献2中所述及的，实践中，要在这类麦克风中提高信噪比，迄今为止是困难的。
另外，在这种麦克风中，衍生自不匹配的噪声趋于产生，因此限制了信噪比的改善。
进而，一个额外的计算功能需要加到该信号处理电路中，这导致信号处理电路造价的提高。也因为需要在所述基板上提供多个声音传感器，减小麦克风尺寸的困难始终是个问题。
（另一常规已知的振动传感器）
专利文献2公开了另外一种常规的麦克风。这种麦克风31基本上与专利文献1中的麦克风21有相似的结构。如图3(A)所示，在专利文献2中的麦克风31里，多个具有相同结构的独立的声音传感器33a、33b…被放置在一共同基板32上。这就是说，任何一个声音传感器33a、33b……是借助于一与固定档板35的顶表面相对的其上放置有开口的声音孔36的隔膜34形成的。另外，如图3(B)所示，信号处理电路37被置于基板32的顶表面上，各个声音传感器33a、33b……的一个输出通过接在基板32上的电极引线38与信号处理电路37连接。如果这种麦克风31，藉由各个声音传感器33a、33b……具有相同的结构，各个声音传感器33a、33b……的输出在信号处理电路37里进行相加处理，因此信噪比也有望得到改善。
然而，即使像专利文献2中所描述的麦克风也存在如下问题。由于在麦克风生产过程中隔膜的热形变不同，导致各个声音传感器之间的灵敏度的变化趋于大。另一方面，当意欲减小这种灵敏度的变化时，麦克风的生产率降低。还有一个问题是，当连接各个声音传感器和基板上的信号处理电路板的电极导线变长时，麦克风的寄生电容和寄生电阻变大，这会导致特征,诸如灵敏度,变差。
另外，由于使用了多个独立的声音传感器，各个传感器的非灵敏度的声音特征也趋于不一致。例如，由于频率特征、位相和其他类似的因受后室与通风孔的影响，各个传感器趋于拥有不同的特征。
在专利文献2的麦克风中，如所描述的各个声音传感器在灵敏度和其他声音特征的变化的出现，在现实中要使信噪比得到有效提高迄今为止是困难的。
另外，由于数个独立的声音传感器需要在基板上被布置成列，减小麦克风的尺寸也是迄今为止面临的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文件1：公开号为No.2008-5439的未审日本专利
专利文件2：公开号为No.2007/0047746的美国专利
发明内容
针对上述技术上的问题，本发明旨在提供一种能够提高传感器信噪比而不妨碍缩小其尺寸的声音传感器，和使用该声音传感器的麦克风。
解决问题的方法
本发明的声音传感器包括：一个有一中空部分的基板；一个置于该基板上并将该中空部分盖住的薄的像膜一样的隔膜；一个在该隔膜上形成的可移动电极板；一固定在该基板顶表面以与该隔膜相对的后档板；和在该后档板上位置与该可移动电极板相对的一固定电极板，特征在于该隔膜是由一支撑部分支撑于该基板或该后档板，所述隔膜有数个点，当振动时，在这些点处位移量最大，该支撑部分在一直线上呈现，该直线与一线段相交，所述线段连接所述隔膜具最大位移量的邻接最大点。另外，该可移动电极板可被放置于该隔膜上，或该隔膜本身可充当可移动电极板。
在本发明的声音传感器里，隔膜有数个点，在这些点处当振动时，在数处，位移量最大，该支撑部分在一直线上呈现，该直线与一线段相交，所述线段连接所述隔膜具最大位移量的邻接最大点，由此，隔膜的刚性在直线上是大的，所述直线与连接所述邻接最大点的线段相交。因此，当振动时在出自数个邻近最大点处的一个最大点处的位移量通过该与连接最大位移量的邻接点的线段相交的直线抵抗传递到另一最大点处。这使得数电容（在实施例中的声音传感部分）互相独立，每个电容由可移动电极板和固定电极板在被所述与连接最大位移量的邻接点的线段相交的直线分割的一区域的各侧构成。
根据这样一种声音传感器，当各个电容并联时，噪声能降低而灵敏度并无甚变差，故而声音传感器的信噪比得以改善。另外，隔膜只是被分割成数个独立可振动的区域，因此不会阻碍声音传感器的尺寸减小。
在本发明的声音传感器中，隔膜被数个在基板或后档板上的支撑部分间隔地部分地支撑。根据这样的一个实施例，隔膜的刚性与隔膜的整个外周被支撑部分支撑相比能够更低，因此声音传感器的灵敏度得以提高。
在本发明的另一声音传感器的实施例中，所述隔膜有数个向外延伸的梁部分，各个梁部分被所述的支撑部分所支撑。在这样一个实施例中，甚至当隔膜被支撑部分的数目增加时，隔膜的刚性也不增加，因此声音传感器的灵敏度增加。
在本发明的声音传感器的再一实施例中，所述隔膜是矩形。虽然所述隔膜可以是矩形、圆盘形、或其他形状，当隔膜是矩形时，声音传感器的线性输出变佳。
在本发明的声音传感器的另一实施例中，所述隔膜被数个以栅格形状安排的支撑部分所支撑。例如，具有矩形形状的隔膜被支撑部分在四个角所支撑只是基本的，进而位于该些角之间的一中间部分处的支撑部分所支撑，该中间部分位于所述隔膜的矩形的相对的两个边上。根据这样一个实施例，在隔膜，被四个支撑点所包围的各个区域具有最大位移点，是基本上独立的可振动区域。
在本发明的声音传感器的再一实施例中，所述隔膜的外围被支撑部分所支撑，所述隔膜并进一步被至少三个沿着所述直线的支撑部分所支撑，该直线与一线段相交，所述线段连接所述隔膜具最大位移量的邻接最大点。根据这样一个实施例，增加隔膜沿着所述与连接最大位移量的邻接点的线段相交的直线的刚性是可能的，因此增加所述隔膜各个区域的独立性。
在本发明的声音传感器的另一实施例中，在所述直线上的两支撑部分之间的距离小于位于所述隔膜的相对的角处的两支撑部分间的距离，该直线与一线段相交，所述线段连接所述隔膜具最大位移量的邻接最大点。在这种情形下，所述隔膜的外围的整个周边可由基板或后档板上的支撑部分所支撑。按照这样的一个实施例，增加隔膜沿着所述与连接最大位移量的邻接点的线段相交的直线的刚性是可能的，因此增加所述隔膜各个区域的独立性。
根据本发明的声音传感器的一实施例,其特征在于所述隔膜被裂缝分割。根据该实施例，所述具有所述具间裂缝的隔膜的两边能独立振动，因此，所述隔膜的独立振动的区域数能够增加。特别是，当裂缝形成在所述隔膜中的一连接两个所述支撑部分的直线上时，使得增加所述隔膜被支撑部分分开的各个区域的独立性成为可能。
在本发明另外一个声音传感器实施例中，裂缝的宽度不大于10μm。在一般尺寸大小的MEMS声音传感器中，当裂缝的宽度超过10μm时，向上转移的频率可以变得高达500Hz而导致低频特性的变差，因此，裂缝的宽度希望不大于10μm。
在本发明另外一个声音传感器实施例中，裂缝的长度不小于所述隔膜周长的一半。当裂缝的长度小于隔膜宽度一半时，在被裂缝分割的各个区域的位移的不连续性被损害，总的说来，减小噪声的效果变差，因此，裂缝的长度希望不小于在裂缝延伸方向上隔膜周长的一半。
在本发明另外一个声音传感器实施例中，一空隙在所述的邻接支撑部分间的至少一处形成在隔膜和基板间。根据这样一个实施例，在支撑部分间的空隙能用作通风孔。
在本发明的声音传感器的一实施例中,其特征在于声音振动通过所述中空部分到达隔膜。根据这样一个实施例，由于在半导体基板内部的所述中空部分作为前室，在声音传感器外面的空间作为后室，该后室的体积能做大，因此提高声音传感器的灵敏度。
根据本发明的麦克风具有：根据本发明的所述声音传感器；一处理输出自该声音传感器的电路板。使用了本发明的声音传感器的麦克风，使得提高麦克风的信噪比成为可能。
值得注意的是，解决上述问题的手段，其特点在于将以上描述的构成元素适当组合，对于将这些构成元素经多种变化的组合变形，本发明均适用。
附图说明
图1(A)和1(B)为解释声音传感器热噪声的示意图。
图2为专利文献1中公开的麦克风的示意解释图。
图3(A)和(B)为专利文献2中公开的麦克风的剖视图和平面图。
图4为本发明实施例1中的声音传感器的剖视图。
图5为实施例1中的声音传感器的平面图。
图6为例1中的声音传感器中的隔膜一种形状的平面图。
图7（A），7（B），7（C）为展示实施例1中隔膜的一种动作的图。
图8为简化声音传感器后得到的代表一相应电路的图。
图9为代表仅有一个声音传感部分被应用了声音振动和噪声的状态的相应电路图。
图10(A)为仅有一个声音传感部分被施加了声音振动时的输出自声音传感器的敏感度信号波形图。图10(B)为仅有另一个声音传感部分被施加了声音振动时的输出自声音传感器的敏感度信号波形图。图10(C)为当两个声音传感部分同时被施加了声音振动时的输出自声音传感器的敏感度信号波形图。。
图11(A)为噪声仅在一个声音传感部分产生时的来自声音传感器的噪声信号波形图。图11(B)为噪声仅在另一个声音传感部分产生时的来自声音传感器的噪声信号波形图。图11(C)为噪声同时在两个声音传感部分产生时的来自声音传感器的噪声信号波形图。
图12为本发明实施例2中隔膜一形状的平面图。
图13为实施例2中的隔膜作用的示意图。
图14为实施例2的一改变例子中隔膜一形状的平面图。
图15为本发明实施例3中的一声音传感器的剖视图。
图16为实施例3中隔膜一形状的平面图。
图17为本发明实施例4中隔膜一形状的平面图。。
图18为本发明实施例5中隔膜一形状的平面图。
图19为本发明实施例6中隔膜一形状的平面图。
图20为实施例6中一不同形状隔膜的平面图。
图21为为实施例6中另一不同形状隔膜的平面图。
图22为本发明实施例7中麦克风的剖视图
图23为实施例7中麦克风移去盖子后的一状态的平面图。
图24为实施例7中具另一不同结构的麦克风的剖视图。
附图标记说明
41、61、62、65：声音传感器
42：硅质基板
43：隔膜
43a,43b：隔膜区域
45：后室
46，63：固定体
48：后档板
49：固定电极板
60a，60b：声音传感部分
64：裂缝
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的较佳实施例。但是本发明不受下述的实施例的限制，并且在不偏离本发明的主旨的范围内，可以做出各种设计上的变化。
(第一实施例）
本发明实例1中的声音传感器的结构将参照附图4到6进行说明。附图4是实施例1中的声音传感器41的剖视图。附图5是声音传感器41的平面图。另外，附图6是将罩盖部分44从声音传感器41移去后的状态的平面图。
声音传感器41是运用MEMS技术生产的电容型元件。如图4所示，在声音传感器41里，隔膜43（振动电极板）通过固定体46置于硅质基板42（半导体基板）的顶表面上，罩盖部分44经过微小空气间隙50（空的）置于其上。
在由单晶体硅做成的硅质基板42里，一个穿透自前表面到后表面的后室45（中空部分）是敞开的。后室45的内周表面可以是一垂直表面，或以锥体倾斜。
用来支撑隔膜43外部边缘底表面的多个固定体46置于硅质基板42的顶表面上。另外，在硅质基板42的顶表面上，有一个基座部分51将隔膜43围住。固定体46和基座部分51是用二氧化硅做成的。
如图6所示，隔膜43大体上是矩形的。隔膜43是用多晶硅薄膜做成的具有导电性，隔膜43本身作为可移动电极板。一横梁部分47从隔膜43四个角和其短边的各个中心伸出。隔膜43被安放在硅质基板42上以盖住后室45的上部空间，六个横梁部分被固定体46支撑。因此，隔膜43被撑起在空中，和在邻接的固定体46之间，一个能让声音振动通过的狭窄排气孔52在隔膜43外周边的下表面与硅质基板42的顶表面之间形成。另外，引线53从隔膜43内向外延伸。
在将隔膜43的整个外周固定在硅质基板42上时，隔膜43的绑定力变得更大，导致隔膜43的弹性性能增强和声音传感器41的灵敏度下降。为此，在这个实施例中，隔膜43被固定体46间隔地支撑，从而在各个固定体46之间形成排气孔52（空的）。
罩盖部分44经提供一多晶硅做成的固定电极板49在氮化硅SiN做成的后挡板48（固定膜）的下表面上形成。罩盖部分44做成一种形状，其下有中空部分，该中空部分盖住隔膜43。在罩子部分44下表面（也就是固定电极板49的下表面）和隔膜43的顶表面之间形成微小空隙50（空的）。固定电极板49和隔膜43彼此相对而置，构成一个电容。
如图5所示，在几乎整个罩盖部分44中，开了大量让声音振动从顶表面到底表面通过的声孔54。如图4和图5所示，声孔54有序的排列着。在这个例子中，声孔54沿三个方向排列成三角形形状，相互之间成120°夹角，但声孔也可以被排列成矩形或者同心形等其它形状。
如图4所示，一个柱形的微小档块55（突出）从罩盖部分44的下表面突兀出来。这个小档块55从后挡板48的下表面完整的突出来，并且穿透了固定电极板49从罩盖部分44的下表面突出来。这个小档块55和后挡板48是用氮化硅做成，具有绝缘性。这个小档块55可以防止隔膜43黏附到固定电极板49上并因静电力不能将其分开。
一保护膜56从像罩子一样的后挡板48的整个外部边缘连续延伸出来。这个保护膜56盖住了基座部分51以及其外部的一区域。
引线53被固定到基座部分51，从固定电极板49伸出来的引线57也被固定到基座部分51的顶表面。同时，该保护膜56上有一开口，通过该开口一可移动侧面电极垫58在引线53的顶表面形成，可移动侧面电极垫58通过引线53连到隔膜43上。另外，在后挡板48顶表面上的一固定侧面电极垫59经过通孔或类似物连接到引线57，并进一步连接到固定电极板49。
在这个声音传感器41中，隔膜43不仅在四个角处被固定体46支撑，而且在短边的中心处被固定体46支撑。也即，隔膜43被六个固定体46以栅格形状所支撑。基于此，隔膜43的刚性沿连接位于隔膜43各自短边的固定体46，46间的线D（在图7（A）中用点划线所表示）是高的，在线D上有一处隔膜43的位移最小。因此，在隔膜43中，一个区域（被四个固定体46围裹的区域，如图7（B）所示，此后称作隔膜区域43a）和另一区域（被四个固定体46围裹的区域，如图7（C）所示，此后称作隔膜区域43b）能独立与置于其间的线D振动，最大位移点G，在该点，位移特别大，分别呈现在两个隔膜区域43a，43b。然后，一个声音感应部分60a被配置成一由隔膜区域43a和相对着隔膜区域43a的一固定电极板49区域构成的电容。另外，另一个声音感应部分60b被配置成一由隔膜区域43b和相对着隔膜区域43b的一固定电极板49区域构成的电容。进而，两个声音感应部分60a，60b都完整地在罩盖部分44内的同一个地方形成，而且它们有相同的构造、相同的形状和相同的尺寸，基本上具有一样的特性。
在这个声音传感器41中，当声音振动通过声孔54并进入罩盖部分44内的空气间隙50时，隔膜区域43a、43b作为薄膜通过该声音振动以同相振动。当隔膜区域43a、43b振动并且在各个隔膜43a、43b和固定电极板49之间的间隙距离变化时，各个声音传感部分60a、60b的电容量变化。这导致在各个传感部分60a、60b里，各个隔膜43a、43b感应到的声音振动（在声压上的变化）变为一个在各个隔膜43a、43b与固定电极板49之间电容量的变量，并且作为电信号输出。另外，由于隔膜区域43a和43b与可移动侧面电极垫58相连，和固定电极板49是其间共有的，声音传感部分60a（电容）和声音传感部分60b（电容）彼此之间电并连。
在这个声音传感器41中，隔膜区域43a和隔膜区域43b彼此之间电连接，固定电极板49是其间共有的。另外，声音传感部分60a、60b安置在基板42的同一位置上，并且两个传感部分60a、60b感应具有相同声相的一声音振动。由于这个原因，即使隔膜43a、43b基本上彼此独立，当其被看作整个隔膜43，声音传感器41作为声音传感器工作，并这样保持基本上未变与固定体46未被置于短边中心时的情形相比。
与此相反，隔膜区域43a，43b被线D分开，在线D上刚性大，位移最小，这样能基本上独立。因此，隔膜区域43a，43b能独立地展示在线D的两侧。所以，在声音传感部分60a生成的热噪声与在声音传感部分60b生成的热噪声作为在不同声相的信号感应。因此，当每个传感部分60a、60b的噪声叠加起来时，这些噪声互相抵销，而减小。这样，使得声音传感器41的信噪比提高。
上面简述了提高声音传感器41的信噪比的原因，此后，将进一步用相应的电路来描述。图8代表一相应电路，其是将声音传感器41简化了。藉由在短边中心的固定体46，两个被分开的声音传感部分60a、60b用两个并联的可变电容CP1、CP2表示。在此，该两可变电容CP1、CP2起同样的作用。另外，声音振动、噪声及类似物的信号产生源用交流电源SG1、SG2表示，它们依次分别与可变电容CP1、CP2相连。这样如图8所示，以一依次连接可变电容CP1和交流电源SG1构成的电路代表声音传感部分60a，以一依次连接可变电容CP2和交流电源SG2构成的电路代表声音传感部分60b。另外，声音传感器41以一并联两个序列连接电路的相应电路所代表。
相应电路附图8中的特征参数或电路常数以下述符号表示。
Ca/2[F]：可变电容CP1的电容量
Cb/2[F]：可变电容CP2的电容量
ΔCa/2[F]：接受压力后可变电容CP1的电容量变化
ΔCb/2[F]：接受压力后可变电容CP2的电容量变化
V[V]：施加到声音传感器41的电压
Sa[V]：声音传感部分60a的灵敏度输出
Sb[V]：声音传感部分60b的灵敏度输出
Na[V]：声音传感部分60a的噪声输出
Nb[V]：声音传感部分60b的噪声输出
Sa/Na：声音传感部分60a的信噪比
Sb/Nb：声音传感部分60b的信噪比
在这里，灵敏度输出是一信号输出，其通过生成在交流电源的声音振动来自声音感应部分（或可变电容），表示为：（电压）×（固定电容的电容量变化）/（固定电容的电容量）。因此，声音传感部分60a的灵敏度输出是：Sa=V×(ΔCa/2)/(Ca/2)=V×ΔCa/Ca。类似的，声音传感部分60b的灵敏度输出是：Sb=V×(ΔCb/2)/(Cb/2)=V×ΔCb/Cb。
在此，考虑一种仅有一个声音传感部分60a被加上声音振动和噪声的状态，如图9所示。在声音传感部分60b中，由于一基于一声音振动或噪声的信号未产生，声音传感部分60b的交流电源SG2被省去，可变电容CP1的电容量被认为保持未变。
首先，当只有声音振动从交流电源SG1输出时，声音传感部分60a产生的灵敏度输出为：Sa=V×ΔCa/Ca，如上所述。然而，随着声音传感部分60b的电容CP2并连于声音传感部分60a，电容CP2充当在声音传感部分60a上的寄生电容量，以减小声音传感部分60a的灵敏度。藉由电容CP1、CP2具有相同的电容量，来自声音传感器41的一灵敏度输出量Stot（即一个灵敏度输出输入进该信号处理电路）被减为一半，如下面方程式所表达的那样。
Stot=[(Ca/2)/{(Ca/2)+(Cb/2)}]×Sa=Sa/2
接下来，考虑只有噪声从电源SG1输出的情形。也在此，当声音传感部分60a产生的噪声输出是Na，由于受到与声音传感部分60a并联的电容CP2的影响，从声音传感器41产生的噪声输出（即一个噪声输出输入进该信号处理电路）Ntot被减为一半，如下面方程式所表达的那样。
Ntot=[(Ca/2)/{(Ca/2)+(Cb/2)}]×Na=Na/2
与图9对应，仅一个声音传感部分60b被施加上声音振动，考虑这种状态类似于图9的情形，产生自声音传感器41的灵敏度输出Stot以下面的方程式来表示为声音传感部分60b的灵敏度输出被减小一半。
Stot=[(Cb/2)/{(Cb/2)+(Ca/2)}]×Sb=Sb/2
再考虑一种情况，噪声只产生在声音传感部分60b中，由于受到声音传感部分60a的电容CP1的影响，产生自声音传感器41的噪声输出Ntot以下面的方程式表示为声音传感部分60b的噪声输出Nb被减小一半。
Ntot=[(Cb/2)/{(Cb/2)+(Ca/2)}]×Nb=Nb/2
再考虑一种情况，灵敏度输出Sa、Sb和噪声输出Na、Nb同时产生在声音传感部分60a、60b，如图8所示。灵敏度输出和噪声输出被分开来考虑。对于灵敏度输出，藉由被安置于同一罩盖部分44内十分接近的位置每个隔膜区域43a、43b，两个隔膜43a、43b在同一时间以相同的位相和振幅振动。另外，声音传感部分60a的可变电容CP1和声音传感部分60b的可变电容CP2彼此并联。结果，声音传感器41的灵敏度输出Stot是各个声音传感部分60a、60b的灵敏度输出Sa/2、Sb/2之和，已如上获得。
Stot=Sa/2+Sb/2
在此，藉由Sa=Sb，上面方程式表达为Stot=Sa。这代表图10(A)至10(C)所示情形，由两个具有相同位相和振幅的信号（图10(A)和图10(B)中的灵敏度输出量Sa/2、Sb/2）叠加获得的一个信号作为声音传感器41的整个灵敏度输出：Stot=Sa（图10(C)），这意味着即使声音传感器41被分开成声音传感部分60a，60b，声音传感器41的灵敏度输出与没有固定体46在隔膜43短边中心相比保持未变。
另一方面，由于噪声来自热噪声，在彼此分开的各自声音传感部分60a、60b里，噪声是独立随机产生的。因此，声音传感部分60a的噪声和声音传感部分60b的噪声作为具有不同位相和振幅的独立信号，如图11(A)和11(B)所示。因此如图11(C)所示，产生自声音传感器41的噪声输出Ntot是由通过计算在执行产生自声音传感部分60a的噪声输出Nb/2和产生自声音传感部分60b的噪声输出Nb/2分散加合得到的。这就得到如下方程式。
Ntot = √ { ( Na / 2 ) 2 + ( Nb / 2 ) 2 }
在此，当Na=Nb时，上面的方程表示为
如上所述，声音传感器41的灵敏度输出Stot是相加后得到的，而噪声输出Ntot是通过计算在执行加合位移时得到的。因此，声音传感器41的信噪比是与声音传感器41没有被分开成声音感应部分60a，60b相比，信噪比变为倍大（或者改进了3dB）。根据原型，在隔膜43的短边中心有无固定体46灵敏度输出没有变化，但因在隔膜43的短边中心有固定体46时噪声输出减少了3dB。因此，通过分成声音感应部分60a，60b，信噪比增加了+3dB。
因此，通过增加固定体46的数目和用其在特别的位置以分开成声音感应部分60a，60b，声音传感器41的信噪比能被改善已在量上显示出来。
（第二实施例）
接下来描述本发明第二实施例的声音传感器。图12展示本发明实施例2中用于一声音传感器中的隔膜43的结构的平面图。因为罩盖部分44和其他部分均类似于实施例1，对其的描述故而略去。
在这个实施例中，隔膜43基本上是矩形。隔膜43总共被六个固定体46，在硅基板46的四个角和长边中心处所支撑。也即，隔膜43的短边的两端被固定体46在两处支撑，而其长边的两端和中心处被固定体46在三处支撑。
甚至在如图13所示的这样一种形状，隔膜43在线D上连接长边中心处的固定体46的刚性是高的，因此在线D上的位移最小。另外，在线D的两边各个隔膜区域43a，43b的中心时位移最大点G，在那里位移是大的。因此，在线D两边的隔膜43分别作为独立振动膜。这些隔膜区域43a，43b和固定电极板49构成两个彼此独立的声音传感部分。以此方式，只要两个声音传感部分是彼此并联的，在实施例2中的声音传感器的信噪比能如实施例1一样提高。
在本发明的声音传感器中，一个电容结构作为一个单元被分开成数个具有独立振动模式的部分（声音传感部分60a和60b）。也即，其被构成为所述隔膜被分成数个区域，独立位移最大点G在各个被分开的区域内生成。
因为这个原因，在本发明的某些实施例中，在线D上的固定体46以对角方向连接在各个分开的隔膜区域43a，43b内的位移最大点G以支撑隔膜43，如图13所示。藉由这样一种结构，在线D连接在中心固定体46的位置上，隔膜43的刚性增加，位移变成最小。藉由通过一个位移最大点G和另一位移最大点G的线D，位移阻止从一位移最大点G传送到另一一位移最大点G，如图13中箭头所示，因策，允许声音传感部分独立性增强。藉由这样一种结构，数个声音传感部分在同时接收声压后能再同相运作，并能相对于自生的噪声独立运作。
然而，在本发明的实施例中，数个声音传感部分不必具有相同的结构和同样的尺寸，而是，所述声音传感部分可以具有不同的结构或不同的尺寸并因而具有不同的特征。
图14是实施例的一个修改例。在图14的修改例中，基本上是矩形的隔膜43由栅格形的固定体46支撑。也即，隔膜43短边的两端在两处被固定体46所支撑，在长边的两端和数个介于其间的点处被数个（四个或更多）固定体46支撑。也在该例中，隔膜43在连接两个相对的固定体46的线D上的位移是小的。因此，隔膜43被数个线D分成三个矩形隔膜区域43a，43b，43c，其中间部分是位移最大点G，并被固定体46在四角支撑。并且，这些隔膜区域43a,43b，43c和固定电极板49构成数个独立的声音传感部分。
增加声音传感部分的数量（各个隔膜的形状和区域可以不同）能减小声音传感器的噪声，进而增加改进信噪比的效果。
（第三个实施例）
图15是本发明实施例3的声音传感器62的剖视图。图16是用于实施例3的声音传感器62中隔膜43的平面图。
在实施例3的声音传感器62中，隔膜43不是像实施例1中那样由支撑体46所支撑，而是仅仅放置在硅质基板42的顶表面上。另一方面，从一个出自后挡板48与隔膜43相对的位置，与隔膜43顶表面接触的固定体63（支撑部分）向下凸出。因此，当电压施加于隔膜43和固定电极49之间时，隔膜43被静电吸引力拉向固定电极板49。向上拉起的隔膜43与固定体63的较低尾表面接触并被固定在那里，这样在隔膜43和固定电极板49之间形成了规则间隔的空气间隙50。当施加声音振动到隔膜43，由隔膜43和固定电极板49构成的电容的电容量变化，这样声音振动就被检测了。
如图16所示，隔膜43具有一磁盘形状。从后挡板凸起的固定体63被规则间距沿隔膜43的外周边排放。另外，数个固定体63以规则间隔排放于藉由隔膜43中心排放的一对彼此相向的固定体63之间。
在这样一个声音传感器62中，隔膜43的位移在线D上沿数个沿着隔膜43的直径线性排放的固定体63是最小的，位移最大点G分别生成在线D的两边。而且，固定体63在直径上（线D的方向）排成一排的方向垂直于连接位移最大点G的方向。因此，独立的隔膜区域43在线D的两边形成。因此，这些隔膜区域43a，43b与固定电极板49构成数个独立的声音传感部分。这能使声音传感器62的导致信噪比提高。
另外，尽管在如图16所示的，在磁盘形状的隔膜43上五个固定体63以垂直于连接最大位移点G的连线的方向排放，基本上仅四个或多于四个固定体63被排放着。另外，在隔膜是非-旋转对称形状，诸如矩形隔膜，仅三个或多于三个固定体以垂直于连接位移最大点G的方向排列。
（第四实施例）
图17是根据本发明实施例4，一个声音传感器中使用的隔膜43的结构平面图。该隔膜43具有在纵向中部向内收缩的形状，整个外围通过连续的固定体46经由硅基板42固定。因为隔膜43的刚性在收缩处增加，并因此减小宽度，线D的两边沿收缩方向变成独立可振动的隔膜43a，43b。任一隔膜区域43a，43b均有一部分缺口的磁盘形状，在那里位移最大点G分别生成，连接位移最大点连线的方向垂直于线D。因此，也是在这样的一种形状中，隔膜43a，43b和固定电极板49构成数个独立的声音传感部分。这能使声音传感器62的导致信噪比提高。
另外，实施例三和四也适用于矩形的隔膜。并且，在实施例二中，位于长边中心的固定体46可以相对于隔膜43向内移动。这使得位于长边中心的固定体46之间的距离小于图12所示，致使隔膜43沿线D方向的刚性增加。
（第五实施例）
图18是根据本发明实施例5，一个声音传感器中使用的隔膜43的结构平面图。该隔膜43具有一钻石形状，并由固定体46支撑于四角。在这样一种隔膜43中，隔膜43在线D上位于钻石形状隔膜43较短对角线上的位移最小。另外，因为隔膜43分别具有位移最大点G，再那里，位移在线D两边的位移最大，线D的两边是独立的可振动隔膜43a，43b。
（第六实施例）
图19是根据本发明实施例6，一个声音传感器中使用的隔膜43的结构平面图。在该实施例中，在实施例12的隔膜43（参照图12）中，在隔膜43沿线D位置有一个裂缝64。以这种方式沿线D提供一裂缝64提高了隔膜区域43a和43b的独立性，因而提高了改进信噪比的效果。
裂缝64的长度希望横跨不小于隔膜43宽度的50%。也即，裂缝64的长度不小于隔膜43宽度的一半。这是因为提供裂缝64的目的在于隔离在隔膜区域43a一侧的位移与在隔膜区域43b一侧的位移，已使它们不连续，而如果裂缝64的长度小于隔膜43宽度的一半，隔膜区域43a一侧的位移与在隔膜区域43b一侧的位移的不连续性被损害。
并且，裂缝64的宽度希望不大于10μm。这是因为，如果裂缝64的宽度过大，从空气间隙50通过裂缝64渗漏入后室45的空气量增加，向上移转频率增加，导致声音传感器的低频特征变坏。尤其，当裂缝64的宽度超过10μm时，向上移转频率变得显著的高，低频特征变坏，导致声音传感器41的灵敏度极大的损害。
然而，裂缝64的位置不必局限于线D上。例如，如图20所示，裂缝64与线D垂直，以在两边形成隔膜区域43a，43b。进而，如图21所示，在隔膜43上有数个裂缝64，一形成三个或更多的隔膜区域43a，43b，43c，43d。
（第七实施例）
图22是用了每个上述实施例中声音传感器的MEMS麦克风的剖视图。图23是盖子被移走后该麦克风一状态的平面图。
麦克风81是一在由电路基板82和一盖子83做成的包装箱内装有一个声音传感器65和一个信号处理电路84（ASIC）。声音传感器65和信号处理电路84被置于电子线路基板82的顶表面上。声音传感器65的电极垫58、59分别经由连线91连接到信号处理电路板84的垫片85a、85b上。用来电连接麦克风81与外界的多个终端88被置于电路基板82的下表面上，与终端88相连的电极部分89a到89c、90a、90b被置于电路基板82的顶表面上。在电路基板82上的信号处理电路84的各个垫片86a到86c、87a、87b分别由连线92连接到电极部分89a到89c、90a、90b。值得注意的是，信号处理电路84的垫片有为声音传感器65供电的功能，以及向外传出声音传感器65电容变化信号的功能。
盖子83附着于电路基板82的顶表面以盖住声音传感器65和信号处理电路84。在盖子83的顶表面上有一声音导入端口93将声音振动导入包装箱。另外，该包装箱具有电磁屏蔽功能，保护麦克风81免受来自外部的电干扰和机械冲撞。
因此，通过声音导入端口93进入该包装箱的声音振动被声音传感器65检测，然后被信号处理电路84进行预信号处理，再输出。在此，藉由按照本发明的声音传感器用作声音传感器65，就形成了具有高信噪比的麦克风81。
此外，图24展示了一个具有不同结构的麦克风94。在这种麦克风94中，声音导入端口93的开口不在盖子83上，而在电路基板82相对于硅质基板42中空部分的下表面上。在这种麦克风94中，藉由电路基板82的声音导入口93导入声音振动，硅质基板42的中空部分作为前室95，包装箱内部的空间作为后室45。根据这种模式，后室45的容量能增大，从而进一步提高麦克风81的灵敏度。
最后，也是很重要的，位移最大点在隔膜上如何呈现不仅取决于固定体（支撑部分）的排放方式，而且取决于隔膜的材质或厚度，固定体（支撑部分）的尺寸或与此相类似的。

Claims (14)

1.一种声音传感器，包括：
一个有一中空部分的基板；
一个置于该基板上并将该中空部分盖住的薄的像膜一样的隔膜；
一个在该隔膜上形成的可移动电极板；
一固定在该基板顶表面以与该隔膜相对的后档板；和
在该后档板上一位置与该可移动电极板相对的一固定电极板，
其特征在于：
该隔膜是由多个支撑部分沿所述隔膜的周边支撑于该基板或该后档板，
所述隔膜有数个点，在这些点处当振动时，位移量最大，并且所述多个支撑部分将所述隔膜的周边支撑于所述隔膜由一线段分割的两侧，所述线段连接所述隔膜具最大位移量的邻接最大点之间，
并且所述多个支撑部分将所述隔膜的周边支撑于所述隔膜位于所述邻接最大点之间的区域，一空隙在邻接支撑部分间的至少一处形成在隔膜和基板间，其中所述空隙是形成在隔膜外周边的下表面与基板的顶表面之间的一个排气孔，所述排气孔能让声音振动通过。
2.根据权利要求1所述的声音传感器，其特征在于：所述隔膜有数个向外延伸的梁部分，各个梁部分被所述的支撑部分所支撑。
3.根据权利要求1所述的声音传感器，其特征在于：所述隔膜是矩形。
4.根据权利要求3所述的声音传感器，其特征在于：所述隔膜被以栅格形状安排的所述多个支撑部分所支撑。
5.根据权利要求4所述的声音传感器，其特征在于：所述隔膜是矩形，被支撑部分在四个角所支撑，并进而被位于该些角之间的一中间部分处的支撑部分所支撑，该中间部分位于所述隔膜的矩形的相对的两个边上。
6.根据权利要求1所述的声音传感器，其特征在于：所述隔膜进一步被至少三个沿着一直线的支撑部分所支撑，该直线与一线段相交，所述线段连接所述隔膜具最大位移量的邻接最大点之间。
7.根据权利要求1所述的声音传感器，其特征在于：所述多个支撑部分位于与所述线段相交的直线上，所述线段连接所述邻接最大点，在所述直线上的所述支撑部分之间的距离小于位于所述隔膜的相对的角处的两支撑部分间的距离。
8.根据权利要求7所述的声音传感器，其特征在于：所述隔膜的外围的整个周边由基板或后档板上的支撑部分所支撑。
9.根据权利要求1所述的声音传感器，其特征在于：所述隔膜被一裂缝分割。
10.根据权利要求9所述的声音传感器，其特征在于：所述裂缝形成在所述隔膜中在连接两个所述支撑部分的一条直线上。
11.根据权利要求9所述的声音传感器，其特征在于：所述裂缝的宽度不大于10μm。
12.根据权利要求9所述的声音传感器，其特征在于：裂缝的长度不小于所述隔膜周长的一半。
13.根据权利要求1所述的声音传感器，其特征在于：声音振动通过所述中空部分到达所述隔膜。
14.一麦克风，具有根据权利要求1所述的声音传感器，和一处理输出自所述声音传感器的信号的电路。
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