CN102932722A - Mems传声器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MEMS传声器，包括：内置于传声器外壳与印刷电路板连结形成的腔体中的集成电路芯片、MEMS芯片和设置于MEMS芯片上的振膜，所述印刷电路板上设有音孔；所述集成电路芯片和MEMS芯片固定在所述印刷电路板上并通过金属线实现三者电连接；在所述MEMS芯片与印刷电路板之间设置有包含若干透气孔的垫片。本发明通过在印刷电路板和MEMS芯片之间设置包含透气孔的垫片，当有较大声压或气压通过音孔时，可以增加阻尼，减小对振膜的冲击，进而能够简单有效地保护MEMS芯片，减少MEMS芯片振膜的破损风险，提高MEMS传声器的可靠性，延长MEMS传声器的使用寿命。

Description

MEMS传声器
技术领域
本发明涉及传声器技术领域，特别地，涉及一种MEMS传声器。 
背景技术
MEMS麦克风是采用微机电系统（Microelectromechanical Systems，MEMS）工艺制作的microphone。其中，麦克风又称传声器。 
这种新型麦克风内含两个芯片―MEMS芯片和专用集成电路(ASIC)芯片，两枚芯片封装在一个表面贴装器件封装体中。MEMS芯片包括一个刚性穿孔背电极和一片用作电容器的弹性硅膜。该弹性硅膜将声波转换为电容变化。ASIC芯片用于检测电容变化，并将其转换为电信号输出。 
MEMS麦克风与传统电容式麦克风（ECM）相比，不仅具有很好的声学性能，还具有较高的信噪比和一致性较好的敏感度，并且在不同温度下的性能都十分稳定。MEMS麦克风的另一突出优点是功耗很低，平均只有70μW，工作电压范围1.5V～3.3V。而且，MEMS麦克风相对于传统ECM麦克风更易于组合成麦克风阵列，且稳定性很高，结合后端的语音算法，麦克风阵列能够实现通话的指向性和提高通话质量。目前Windows Vista已经内置了麦克风阵列的算法，因此各大笔记本厂家都在争相寻找高质量的MEMS麦克风，从而提高其视频通话中的语音传输质量。 
基于上述特性，MEMS麦克风具有非常广泛的用途，既可用于智慧型手机，也可用于消费类电子产品、笔记本电脑以及医疗设备(如助听器)，还可应用于汽车行业(如免提通话装置)。甚至是将其应用于工业领域，例如用声波传感器监控设备运转。 
MEMS麦克风分前进音和零高度两种结构，对于零高度产品，MEMS芯片正对音孔，没有保护装置，外部声(气)压直接施加在MEMS芯片上。但MEMS麦克风内部的关键性器件—MEMS芯片即振动组件上的振膜材料为既薄又脆弱的单晶或多晶硅结构，在较大声或气压冲击下会发生过度形变而破碎，由此会导致整个麦克风因振动组件损坏而无声音信号输出。另外，由于振膜材料为既薄又脆弱的单晶或多晶硅，在生产过程中，均会由于MEMS芯片破损造成一定的资源浪费，甚至会影响到产品的用户体验。以上现状为目前MEMS麦克风领域普遍存在的可靠性问题，也是MEMS芯片亟需解决的一个难题。 
总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够降低MEMS传声器中MEMS芯片的损坏机率。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种MEMS传声器，其包含的MEMS芯片能够得到有效保护，减小MEMS芯片上振膜的破损风险。 
为了解决上述问题，提供了一种MEMS传声器，包括：内置于传声器外壳与印刷电路板连结形成的腔体中的集成电路芯片、MEMS芯片和设置于MEMS芯片上的振膜，上述印刷电路板上设有音孔；上述集成电路芯片和MEMS芯片固定在上述印刷电路板上并通过金属线实现三者电连接；在上述MEMS芯片与印刷电路板之间设置有包含若干透气孔的垫片。 
优选的，上述垫片上的透气孔为规则排列的小圆孔。 
优选的，上述垫片为不锈钢垫片。 
优选的，上述垫片为铜垫片。 
优选的，上述垫片为玻璃垫片。 
优选的，上述垫片为塑料垫片。 
优选的，上述垫片上透气孔的数量、位置、形状可调。 
与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有以下优点： 
本发明通过在印刷电路板和MEMS芯片之间设置包含透气孔的垫片，当有较大声压或气压通过音孔时，可以增加阻尼，减小对振膜的冲击，进而能够简单有效地保护MEMS芯片，减少MEMS芯片振膜的破损风险，提高MEMS传声器的可靠性，延长MEMS传声器的使用寿命。
附图说明
图1是现有MEMS传声器的结构示意图； 
图2是本发明MEMS传声器实施例的结构示意图；
图3是本发明MEMS传声器的垫片的结构示意图；
图4是本发明MEMS传声器的实验测试结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 
参照图1所示的现有的MEMS传声器的结构示意图，现有的MEMS传声器包括：印刷电路板1、MEMS芯片2、集成电路芯片（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）5、振膜11、传声器外壳8、音孔12。 
其中，传声器外壳8与印刷电路板1结合形成腔体，内置ASIC芯片5和MEMS芯片2。传声器外壳8与印刷电路板1的连接处采用密封胶9进行密封，也可以采用锡膏进行密封。印刷电路板1上设置有音孔12。外界的声压或气压通过音孔12触发MEMS芯片上的振膜11振动。 
在上述腔体内部，ASIC芯片5通过固定胶6粘接在印刷电路板1上，并通过封装胶7进行封装。MEMS芯片2通过MEMS片封装胶3固定在印刷电路板1上。MEMS芯片2上设置有振膜11。ASIC芯片5、MEMS芯片2和印刷电路板1通过金属线4实现三者的电连接，将信号送到印刷电路板1上然后输出。 
参照图2示出了本发明MEMS传声器实施例的结构示意图，本发明实施例在图1所示的MEMS传声器的基础上增加了垫片10。本实施例中，垫片10通过粘结剂3与印刷电路板1、MEMS芯片2粘结。图3示出了垫片10的结构示意图，如图所示，垫片10上设置有规则排列的透气孔13。透气孔13可以是小圆孔，也可以是其它形状的小孔。垫片的材料可以使用金属如不锈钢、铜、铁等，也可以使用非金属材料如玻璃、塑料等。 
本发明的设计原理是：当有较大声压或气压冲击通过音孔12之后，进入到传声器内部腔体，需要通过垫片10上的透气孔13进入到MEMS芯片2上，冲击MEMS芯片上的振膜11，垫片10上的透气孔13起到阻尼的作用，能够减小声压、气压对振膜11的冲击，起到保护MEMS芯片2的作用。 
为了验证本发明实施例的效果，技术人员分别选取了25件无垫片的传声器和有垫片10的传声器作为实验对象，采用风枪对着传声器的音孔正面吹击的方式进行测试。实验方法为：调整风枪的气压和与传声器音孔12的距离，依次对上述各传声器进行吹击，查看传声器内MEMS芯片的振膜11有无破损。表一为测试结果。 
表一 
Figure 2012104428936100002DEST_PATH_IMAGE001
从表一可以看出：
没有设置垫片的传声器，在距离传声器音孔3厘米处、施加0.25MPa的情况下，已有5件振膜破损，而在同样距离对无垫片传声器施加0.3MPa，25件传声器的振膜全部损坏。
对于设置了垫片10的传声器，在距离3厘米处，25件传声器的振膜无一损坏。甚至在距离1厘米处，外加0.5MPa的压强的情况下，全部传声器内的MEMS芯片仍完好无损。 
可见，本发明提供的设置了垫片的MEMS传声器能够有效保护MEMS芯片。 
另外，参见图4所示的频响曲线对比图，可以清楚地看到垫片对频响曲线的影响。其中，黑色曲线显示了无垫片的传声器对不同音频的灵敏度响应，灰色曲线显示了有垫片的传声器对不同音频的灵敏度响应。 
由于MEMS芯片2的固有特点，MEMS 传声器的曲线高频处是上翘的，而添加的垫片10可以起到阻尼的作用。从图4上可以很明显地看到5KHz之后的曲线变化，随着声音频率的提高，垫片上声阻提高，消耗的能量变大，可以将高频处的曲线下拉，而这种变化是可以通过改变垫片10上透气孔13的数量、形状、大小及位置来调控。因而，通过垫片10上透气孔13的设置，可以使传声器高频曲线处平整，实现较宽范围内的曲线平滑。因此，通过设置垫片10的方式可以制作宽频的MEMS传声器，满足市场对宽频MEMS传声器的要求。 
综上所述，使用本发明提供的MEMS传声器，在较大声压或气压下，振膜发生较大形变，本发明通过在印刷电路板和MEMS芯片之间设置包含透气孔的垫片，当有较大声压或气压通过音孔时，可以增加阻尼，减小对振膜的冲击，进而能够简单有效地保护MEMS芯片，减少MEMS芯片振膜的破损风险，提高MEMS传声器的可靠性，延长MEMS传声器的使用寿命。 
另外，通过对垫片上透气孔的位置、形状、数量、大小的设置，可以制作宽频的MEMS传声器，满足市场对宽频MEMS传声器的要求。 
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。 
以上对本发明所提供的一种MEMS传声器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (7)

1.一种MEMS传声器，包括：内置于传声器外壳与印刷电路板连结形成的腔体中的集成电路芯片、MEMS芯片和设置于MEMS芯片上的振膜，所述印刷电路板上设有音孔；所述集成电路芯片和MEMS芯片固定在所述印刷电路板上并通过金属线实现三者电连接；其特征在于，在所述MEMS芯片与印刷电路板之间设置有包含若干透气孔的垫片。
2.根据权利要求1所述的MEMS传声器，其特征在于，所述垫片上的透气孔为规则排列的小圆孔。
3.根据权利要求1所述的MEMS传声器，其特征在于，所述垫片为不锈钢垫片。
4.根据权利要求1所述的MEMS传声器，其特征在于，所述垫片为铜垫片。
5.根据权利要求1所述的MEMS传声器，其特征在于，所述垫片为玻璃垫片。
6.根据权利要求1所述的MEMS传声器，其特征在于，所述垫片为塑料垫片。
7.根据权利要求1所述的MEMS传声器，其特征在于，所述垫片上透气孔的数量、位置、形状可调。
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