CN103716741A - 用于恶劣环境的mems传声器系统 - Google Patents

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Abstract

一种适合于恶劣环境的MEMS传声器系统。系统使用集成电路封装。第一固体金属盖覆盖陶瓷封装基座的一个面，面包括腔，从而形成声室。封装基座包括贯穿基座的相对面的孔，孔用于接收声频信号至声室中。MEMS传声器在声室内被固定至孔附近。过滤器覆盖封装基座的相对面中的孔径开口，以防止污染物进入声室。第二金属盖将基座的相对面围起来，并且将过滤器附接至基座的该面。盖通过通孔电连接，以形成射频干扰屏蔽。陶瓷基座材料与硅传声器材料热匹配，从而实现了在扩展的温度范围上的操作。

Description

用于恶劣环境的MEMS传声器系统
技术领域
本发明总体上涉及传声器，更具体地，本发明涉及用于恶劣环境的封装式传声器。
背景技术
微型机电系统("MEMS")电容式传声器管芯典型地具有形成带有底层背板的可变电容器的隔膜。声频信号的接收引起该隔膜振动并生成表示该声频信号的可变电容信号。该可变电容信号可以被放大，被记录，或者被传输到另一个电子器件。这种传声器典型地被装入封装中，以使得灵敏的传声器部件从环境条件屏蔽。
这些传声器封装具有允许声信号到达传声器的孔（aperture）。令人不满意的是，该孔除了允许声信号的进入，还可能允许污染物的进入，这些污染物可以损害传声器的操作。例如，颗粒和水分可以进入该传声器的内部，并且干扰可变电容器的移动。另外，传声器管芯和其上安装有该传声器管芯的封装材料之间的热膨胀的不匹配会限制这些传声器系统的工作温度范围。这些问题往往损害了在具有非常高的温度、射频干扰/电磁干扰（"RFI"/"EMI"）、以及诸如杂质、灰尘和液体的大量空气污染物的恶劣环境中运行的电容式传声器系统。
发明内容
在本发明的第一实施例中，提供了一种用于恶劣环境的集成电路封装中的硅MEMS传声器系统。传声器系统包括封装基座，封装基座包括相对的第一面和第二面。封装基座具有位于其第一面中的腔以及与第一面耦合的第一金属盖，第一金属盖覆盖腔，从而形成声室。封装基座包括贯穿其第二面的孔，孔用于接收声频信号至声室中。MEMS传声器在声室内在孔附近被固定至封装基座。过滤器覆盖封装基座的第二面中的孔，以防止污染物到达传声器。第二金属盖将基座的第二面以及过滤器围起来；第二金属盖包括允许声频信号到达声室的开口；并且第二金属盖电连接至第一金属盖，从而形成EMI屏蔽。
在本发明的一些实施例中，封装基座是能够为硅传声器以及附接于封装基座的任何硅处理部件提供好的热膨胀匹配的陶瓷材料。在优选实施例中，金属盖通过通孔相连，通孔的数目和间隔减少了影响传声器信号的射频干扰。在本发明的优选实施例中，过滤器材料可以是具有受控的声阻抗的织物，其可以从聚醚醚酮织物、聚四氟乙烯织物、或等同物中选择。根据本发明的各种实施例，传声器部件可以通过包括侧面铜焊（side-brazed）直线型引线、J-引线、鸥翼引线的各种手段或者通过将集成电路封装表面式安装在电路板上与集成电路封装外部的其他系统组成部分进行通信。
附图说明
参照附图，结合以下详细描述，可以更容易地理解实施例的上述特征，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的例示性实施例配置的传声器系统的剖视图；
图2示意性地示出了图1的系统中的传声器的剖视图；
图3示意性地示出了在没有盖的情况下的图1的传声器系统的顶视图，以及
图4例示了根据本发明的例示性的实施例的用于制造图1的传声器系统的过程。
具体实施方式
在本发明的一个例示性实施例中，传声器系统被专门地配置成用于恶劣环境。例如，该传声器系统应该能够基本上正常地运行在不寻常的和极端的情况中，诸如那些具有极端温度波动、高湿度和水分（例如，海上环境）、高冲击(例如，军队环境)、以及极干条件(例如，沙漠）的情况。该系统由此可以被认为是"加强的"传声器系统。
为此，概括地说，传声器系统具有带有腔的基座，以及覆盖腔的固体金属盖，从而形成容纳硅传声器(即，MEMS传声器)的声室。封装基座包括自声室起贯穿基座的相对面的孔，孔用于接收声频信号至声室中。为了防止污染物进入声室，系统还包括覆盖基座的相对面中的孔开口的过滤器。第二金属盖将基座的相对面围起来。为了防止该硅传声器遭受电磁干扰(a/k/a"EMI")，通孔或者其它电连接器电连接盖，以形成EMI屏蔽(也被称为"射频干扰屏蔽")。最后，基座材料优选地与硅传声器热匹配，以便在宽的温度范围内使用。下面将给出各种例示性实施例的详细说明。
图1示意性地示出了根据本发明的例示性实施例的传声器系统10的剖视图。如本领域所知的，传声器系统(也称为“封装式传声器”)可以安装至较大的系统，诸如，较大的系统的印刷电路板。例如，较大的系统可以是移动电话，以及印刷电路板可以将传声器系统10定位在其外壳中的开口附近，以接收语音信号。印刷电路板还可以具有除了传声器以外的许多部件，诸如，电源电路、过滤器等等，这些部件可以或者可以不直接控制传声器系统10。事实上，系统印刷电路板可以是固定至较大的印刷电路板(即，母板)的子板。
所示传声器系统10可以被认为是端口位于顶部而腔位于底部的设计。该"端口位于顶部"的表述是由于下述事实，即，其端口90（关于该端口的详情，参见下文）位于封装的一侧，当固定至系统印刷电路板时，该侧离板最远，从该视角看，端口位于封装的顶部。按照相应的方式，该"腔位于底部"的表述是由于下述事实，即，当安装后从印刷电路板的视角看，腔40（下文将要讨论）是凹的。
为此，传声器系统10包括形成腔40的封装基座20，以及固定在腔40之上的固体金属盖30。盖30在腔40上的该连接形成了声室。基座20形成贯穿相对面的孔50，用于使声信号(例如声音信号)进入声室。
硅传声器70(即，MEMS传声器)在孔50附近附接至基座的第一面。图2示意性地示出了根据本发明的例示性实施例的硅传声器70的剖视图。其中，传声器70包括静态背板71，静态背板7支撑柔性隔膜72并与柔性隔膜72形成可变电容器。在例示性实施例中，背板71和隔膜72均由单晶硅(例如，硅上绝缘体晶片的顶层，如下将要讨论的）组成。替代地，隔膜72由基于硅的材料（诸如，多晶硅、碳化硅、或硅锗）的膜组成。按类似的方式，其它类型的材料可以形成背板71。例如，背板71可以由相对低温的膜组成，诸如，硅锗。如果热预算不是主要的问题，那么背板71可以由高温材料组成，诸如，多晶硅、碳化硅、或硅锗。
为了易于操作，背板71具有多个穿通式孔("背板孔73"），这些孔通向背面侧的腔40。弹簧74可移动地将隔膜72连接至传声器70的静态/固定部分，静态/固定部分包括衬底，衬底至少部分地包括该背板71。该弹簧74有效地形成多个开口，这些开口允许至少声频信号的一部分穿过该传声器70。这些开口可以是任何合理的形状，诸如，呈狭缝形、圆孔形或一些不规则的形状。
由此孔50形成用于传声器系统10的顶部端口。传声器系统10由此具有扩大的背部容积，其主要地包括由腔40和盖30形成的声室。如本领域技术人员所知，该放大的背部容积增强了整个系统10的性能。此外，为了防止污染物到达形成该传声器的可变电容器的灵敏的微型结构，孔开口50优选地由过滤器覆盖。该过滤器应该被选择为允许所期望的声信号容易地进入，同时降低不期望的颗粒的进入的可能性。
第二金属盖80连接至基座20的相对面。第二金属盖包括开口90，以允许声音到达孔50的开口。在一些实施例中，该第二金属盖具有凸起的部分，该凸起的部分在该第二金属盖所安装的面之上形成前部容积。然而，这种前部容积是可选的，因此可以省略。
在例示性实施例中，第一金属盖30和第二金属盖80电连接，以在传声器管芯70的附近形成EMI屏蔽。这两个金属盖30和80至少部分地形成法拉第氏罩（Faraday cage），其可以减轻电磁干扰的影响。相应地，传声器系统10在这两个盖30和80之间具有电互连，以确保它们基本上处于相同的电势。为此，图1所示的系统具有多个通孔85，形成减少电磁干扰的壳体，该电磁干扰可能会将噪音引入至传声器信号中。
在一些实施例中，传声器系统10具有专门的电路管芯110，该专门的电路管芯110控制传声器管芯70的操作。为此，管芯110可以被实施为附着于封装基座20的第一面（即，腔40的内部）的专用集成电路("ASIC110"）。接合线120将该电路元件管芯110连接至传声器70，以及将传声器管芯70和专用集成电路110中的一个或两者连接至基座20上的焊盘。图3是在没有封装盖80的情况下的传声器系统的俯视图，其示出了焊盘115。焊盘115还将接合线120（以及，因此传声器70和专用集成电路110)连接至互连器（将在下文讨论），这些互连器将系统10连接至所提到的系统印刷电路板。
图3还示出了连接金属盖30和80的通孔85。可以选择通孔85的数目和间隔使得可以通过两个金属盖和通孔的组合扼制电磁干扰。
传声器系统10可以使用多种电气相互连接系统中的任何一个，以电气地和机械地与下层系统电路板或基座连接。例如，图1示出了从基座延伸出来的多个引线100，以允许传声器管芯70(和专用集成电路管芯110，如下所述)与其它电子元件(未示出)通信。如图1所示，这种引线100可以是用于直接连接至电路板（或者插座）的侧面铜焊直线型引线。替代地，该引线可以是用于将传声器系统封装表面式安装至电路板的J-引线或者鸥翼引线（未示出)。在其它实施例中，系统10可以具有用于与下层系统表面式安装在一起的焊盘(未示出)。
可以选择封装基座20的材料使得其热膨胀系数("CTE")与传声器70和专用集成电路110的CTE严密地匹配。相应地，减轻CTE不匹配将减轻基座20和传声器系统元件之间的热应力，有利地扩展了整个传声器系统的工作温度范围。在优选实施例中，封装基座的材料是具有与硅的CTE接近的CTE的陶瓷。用于该基座的陶瓷材料可以从包括（例如然而并非局限于）氮化铝和氧化铝(矾土)的各种陶瓷材料中选择。陶瓷封装基座可以通过高温共烧陶瓷制造工艺、低温共烧陶瓷制造工艺或本领域已知的其它工艺来制造。
在本发明的其它实施例中，可以使用除了陶瓷以外的材料用于该封装基座，诸如，塑料或复合材料，例如FR-4环氧薄片。在本发明的利用陶瓷封装基座的优选实施例中，这些传声器系统的工作温度范围可以从大约-55摄氏度延伸至大约215摄氏度甚至超过该温度。
上述滤波器60应该使声室免遭许多污染物的影响。为此，可以利用粘合剂（例如，环氧粘合剂）将过滤器附着于封装基座20的相对面上。在本发明的一些实施例中，过滤器通过形状适配的第二金属该80附着于封装基座，可以在封装基座上施加粘合剂也可以不施加粘合剂。可以从本领域已知的高温声学织物中选择过滤器材料。这些织物提供受控的声阻抗，并且可以其中包括聚醚醚酮("PEEK"）织物、聚四氟乙烯("PTFE"）织物、或其等同物。该过滤器也可以形成在第二金属盖80中。例如，可以通过烧结法形成该过滤器。例如，也可以通过烧结法在封装基座中形成该过滤器。
应该注意到，关于端口位于顶部腔位于下部的封装的描述仅仅是众多不同的可能实施例中的一个。例如，一些实施例可以使用端口位于底部的设计，其中腔位于上部或下部。作为另一个示例，一些实施例也可以具有腔位于上部的设计，其中端口位于顶部或底部。此外，除了固体金属盖30和80以外，一些实施例可以是由另一种材料、或一组分层的复合材料形成。例如，一些实施例可以使用金属镀的盖、导电或不导电的塑料盖、或具有金属层的塑料盖。盖的类型和结构取决于期望的应用。
事实上，一些实施例可以省略盖30和80中的一个。替代地，其它实施例可以使用由一组材料形成的一个盖（例如，固体金属盖)以及有另一组材料形成的另一个盖30或80(例如，塑料盖)。相应地，对于固体金属盖30和80的讨论仅仅是例示性的，而并不是意图对所有的实施例进行限制。
用于MEMS传声器系统的制造工艺
图4示出了根据本发明的例示性的实施例的用于传声器系统10的过程。应该注意到，为简单起见，所描述的过程是用于形成传声器系统10的实际过程的相当简化的版本。相应地，本领域技术人员将理解到，该过程可能具有在图4中没有明确示出的附加步骤。此外，一些步骤可以按照与所示的顺序不同的顺序来执行，或者基本上同时执行。本领域技术人员应该能够修改该过程，以适合其特定的要求
该过程始于步骤210，其提供了封装基座20，封装基座20具有对于基座的相对的第一面和第二面。如图1所示以及如上所述，该基座具有位于其第一面中的腔40、通孔85、以及贯穿其第二面的孔50。该过程然后1)在封装基座的孔附近将MEMS传声器70固定在腔中(步骤220)，以及2)在相同的腔中将专用集成电路110紧邻传声器固定。其中，该过程可以使用导电的或者绝缘的粘合剂来将两个芯片的底部侧固定至腔。可以布置接合线120以将专用集成电路110连接至传声器70，以及将传声器管芯70和专用集成电路110中的一个或两者连接至基座20上的焊盘115。
接下来，该过程将第一金属盖30连接至封装基座20的第一面(步骤230)以形成声室，该声室容纳该传声器。此外，该步骤还电气地和机械地将第一金属盖30连接至通孔80。然后，将过滤器60附接至封装基座的相对面(步骤240)，以覆盖孔50。然后，该过程按照机械地和电气地与通孔连接（步骤260)的方式，将第二金属盖80固定至基座的相对面(步骤250)。相应地，这还电气地连接了两个盖，以形成EMI屏蔽。其中，可以使用诸如锡银铜合金之类的焊料通过低温焊接将盖附接至封装基座。替代地，可以利用缝焊或通过使用导电粘合剂来实现盖的附接。
相应地，例示性实施例允许在更多种的环境中使用MEMS传声器。CTE匹配的基座和管芯可以实现更宽的温度波动，而相对的盖提供了电磁干扰防护以及更坚固的封装。此外，过滤器进一步地限制了颗粒进入MEMS可变电容器的灵敏的微型结构中。
上述本发明的实施例仅仅是示例性的；对于本领域技术人员来说，很多变型和修改是清楚的。所有这些变型和修改应当在如所附权利要求书所限定的本发明的范围之内。

Claims (18)

1.一种集成电路封装中的传声器系统，其包括：
封装基座，所述封装基座包括相对的第一面和第二面，所述封装基座包括位于所述第一面中的腔；
第一金属盖，所述第一金属盖与所述封装基座的第一面耦合，以覆盖所述腔从而形成声室，所述封装基座包括贯穿所述封装基座的第二面的孔，用于将声频信号接收至所述声室中；
过滤器，所述过滤器覆盖所述封装基座的第二面中的所述孔；
硅传声器，所述硅传声器在所述声室内在所述孔附近被固定至所述封装基座；以及，
第二金属盖，所述第二金属盖将所述基座的第二面以及所述过滤器围起来，所述第二金属盖电连接至所述第一金属盖，所述第二金属盖包括允许所述声频信号到达所述声室的开口。
2.根据权利要求1的传声器系统，其中，所述封装基座的材料是陶瓷。
3.根据权利要求1的传声器系统，其中，所述封装基座的材料是从由氧化铝和氮化铝组成的组中选择的。
4.如权利要求1所述的传声器系统，其中，所述过滤器通过所述第二金属盖附接至所述基座。
5.如权利要求1所述的传声器系统，其中，所述第二金属盖包括所述过滤器。
6.如权利要求1所述的传声器系统，其中，所述过滤器包括聚醚醚酮织物。
7.根据权利要求1的传声器系统，其中，所述过滤器是从由聚四氟乙烯织物和烧结金属网组成的组中选择的。
8.如权利要求1所述的传声器系统，其中，所述过滤器具有受控声阻抗。
9.如权利要求1所述的传声器系统，进一步包括固定在所述声室内部的处理部件，所述处理部件与所述传声器进行电通信。
10.如权利要求1所述的传声器系统，进一步包括直线型封装引线，所述直线型封装引线侧面铜焊至引线框架。
11.如权利要求1所述的传声器系统，进一步包括J引线封装引线。
12.如权利要求1所述的传声器系统，进一步包括鸥翼封装引线。
13.如权利要求1所述的传声器系统，其中，所述集成电路封装是表面安装的。
14.如权利要求1所述的传声器系统，其中，所述第一金属盖和所述第二金属盖通过通孔连接，其中所述通孔按照减少射频干扰的方式彼此隔开。
15.一种形成传声器系统的方法，所述方法包括：
提供包括相对的第一面和第二面的封装基座，所述基座包括位于所述第一面中的腔、通孔、以及贯穿所述第二面的孔；
在所述封装基座的孔附近固定MEMS传声器；
将第一金属盖固定至所述封装基座的第一面，以形成包括所述腔的声室，其中所述声室容纳所述传声器；
将过滤器连接至所述封装基座的第二面，其中，所述过滤器覆盖所述孔；以及，
将第二金属盖附接至所述基座的第二面；以及，
将所述通孔电连接至所述第一金属盖和所述第二金属中的每一个。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述封装基座是陶瓷。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述第一金属盖和所述第二金属盖通过缝焊附接至所述封装基座。
18.如权利要求15所述的方法，其中，所述第一金属盖和所述第二金属盖通过焊接附接至所述封装基座。
CN201310416784.1A 2012-10-01 2013-09-13 用于恶劣环境的mems传声器系统 Active CN103716741B (zh)

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