CN105516871A - 一种扩大后腔的硅电容麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扩大后腔的硅电容麦克风，所述的硅电容麦克风包括：一块基板和一个外壳组成封装结构，封装结构内部设有垫片，或者基板、垫片、外壳一起构成封装结构；在外壳上设置有声孔；所述封装结构内部设置有集成电路和自带声腔的微机械敏感结构；所述垫片上设有两个开孔，分别与外壳上的声孔和敏感结构的声腔相连接；所述基板上设有导气槽；所述垫片在固定到基板上后，其下方与基板将导气槽形成连通空间，使垫片上的两个开孔相互连通；所获得的后腔容积大于敏感结构自带声腔的容积。采用本发明的优化手段，可以在保证整体结构的可靠性前提下，有效的扩大麦克风的后腔，同时保持硅电容麦克风原有的外观、封装尺寸和后续工艺实现方式。

Description

一种扩大后腔的硅电容麦克风

技术领域

本发明涉及一种麦克风，特别是一种扩大后腔的封装结构的硅电容麦克风。

背景技术

微机电(MEMSmicro-electro-mechanicalsystem)系统因其体积小、适于表面贴装等优点而被广泛用于消费电子和一些高端电子产品，例如：手机、MP3、录音笔、汽车电子等。一般地，MEMS系统在最前端包含将其他物理信号转化为电信号的微机械的敏感结构，或在最后端包含将电信号转化为其他物理信号的微机械结构执行器。微机械的敏感结构在MEMS系统中起到电信号与其他物理信号的转换接口作用。为满足人民群众日益增长的物质文化需求，MEMS系统的体积、成本、灵敏度、线性度等指标也在不断地优化提高。在相关优化技术方案中，不乏众多努力，试图通过对后腔(“后腔(BackVolume)”为行内术语，指声波遇到敏感结构后，敏感部后方的空间)予以增加，这样可以使硅电容麦克风的灵敏度更高，频响曲线更好。

然而，现行的诸多的技术方案中，许多运用传统机械加工技术实现的结构，其实现方式受传统工艺限制，未能在保持硅电容麦克风原有的外观、封装和成本特点的基础上实现较优的增大后腔效果。例如美国专利US8705776B2，通过在敏感结构下方设置一个凸盖来构造声孔到敏感结构之间的传声路径，这种方案可以很简便地通过冲压工艺实现，但是凸盖下方没有设置支撑结构，使得凸盖上在贴装敏感结构后可能受装配力作用发生变形，后续工艺中无法保证基板和凸盖同时与外壳可靠地相接触；凸盖下方的前腔(“前腔”为行内术语，指声波进入封装体直到遇到敏感结构前，敏感部前方的空间)占据容积过大，使得后腔容积较小，不但使扩大后腔的效果不能达到最优，也存在前腔体积和形状影响麦克风频响曲线的问题；凸盖下方的前腔空间过大也不能有效地起到防尘的作用，在原方案中只能通过将凸盖与外壳的声孔相接处的开孔改为多个小孔来解决，这种做法使得麦克风蒙受了灵敏度的损失。

根据麦克风的声孔设置位置，其封装分为声孔设置在外壳上(行内根据声孔设置在外壳上部或侧部，分别称为“前进音”、“侧进音”)和设置在基板上(因这种封装使声孔直接与敏感结构自带声腔相连接，行内称为“零高度”)的两大类。也有的专利，虽然实现了较优的增大后腔的效果，在前进音、侧进音这类封装的麦克风中取得了较好的优化，但是其敏感结构进音方向与零高度封装使用的敏感结构相反，造成声音敏感方向、过载保护方向相反，使得两种封装的集成电路或敏感结构不能兼容。

中国专利CN101026902、CN201138866，利用基板制作上盖板，将敏感结构固定在上盖板上，并通过基板或其他导电材料将电气信号传导向下方基板，组成与“前进音”相似的封装结构，虽然起到了较优的增大后腔效果，但利用基板构成的外壳，且将微弱电信号在封装壳内上下传递，其力学强度、电磁屏蔽、工艺可行性与加工成本，均与传统意义上的使用金属外壳的硅电容麦克风相差甚远。此外由于材料强度所限，基板厚度一般大于金属外壳，故这种方案在产品小型化的尺寸要求下会在厚度方向上受到较大压力。

中国CN101677423、CN202019450U是另一类典型的“双外壳”技术方案，是先封装一个较小的零高度封装，再将这个封装封入另一个较大的前进音封装，并在大封装与小封装之间构造传声路径。在产品小型化的尺寸要求下，这种方案在尺寸上受到的压力是显然的。

本发明的提出，在保证整体结构的可靠性前提下，有效地扩大麦克风的后腔，同时保持硅电容麦克风原有的外观、封装尺寸和后续工艺实现方式，使得前进音封装与零高度封装的集成电路和敏感结构芯片能兼容的同时，避免了在封装中将微弱电信号上下传递而面临的信号传递可靠性和干扰风险。

发明内容

本发明提供了一种扩大后腔的硅电容麦克风，能结合新的机械制造技术，通过将微机械的敏感结构下方与外壳上声孔相连的方式，将封装内部其他空间设置为麦克风的后腔，在保证整体结构可靠性、小封装、低成本的前提下，较优地扩大了敏感结构的后腔，从而提高硅电容麦克风的极限灵敏度。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种扩大后腔的硅电容麦克风，它包括：基板、外壳及垫片；所述外壳上设置有声孔；所述垫片设于所述基板与所述外壳之间，所述垫片包括外围框架和薄片，所述基板、所述外壳和所述垫片的外围框架一起构成封装结构；所述封装结构内部在所述基板上方设置有集成电路和自带声腔的微机械敏感结构；其中所述集成电路设在所述基板上，所述敏感结构与所述基板间隔有所述薄片；所述垫片上至少设有两个开孔，该两个开孔分别与所述外壳上的声孔和所述敏感结构的声腔相连；所述基板上设有导气槽；所述的垫片在固定到所述基板上后，其下方与所述基板将所述导气槽形成连通空间，使所述垫片上的两个开孔相互连通；所获得的后腔容积大于敏感结构自带声腔的容积。或者

该扩大后腔的硅电容麦克风，包括：基板、外壳和垫片，所述基板和所述外壳组成封装结构，所述垫片设在所述封装结构内部；所述外壳上设置有声孔；所述封装结构内部基板上方设置有集成电路和自带声腔的微机械敏感结构，所述敏感结构与所述基板间隔有所述垫片；所述垫片上设有两个开孔，该两个开孔分别与所述外壳上的声孔和所述敏感结构的自带声腔相连接；所述基板上设有导气槽；所述垫片在固定到基板上后，其下方与所述基板将所示导气槽形成连通空间，使所述垫片上的该两个开孔相互连通；所获得的后腔容积大于敏感结构自带声腔的容积。

使用垫片的有益之处在于：相较如美国专利US8705776B2、中国专利CN201383873Y的其他增大或扩大后腔的方案而言，垫片可以使得前腔容积占据封装体内部体积尽量少的部分，从而为后腔留出更多空间。

优选的扩大后腔的硅电容麦克风，其中所述的垫片，其剖面为台阶形。为使垫片占据封装体内部体积尽量少的部分，一般设置其形状时以最少体积、便于加工、有效隔绝前腔与后腔、保证力学强度为原则。这样，垫片可根据实际封装的需要设置成各种形状，如台阶形，是兼顾垫片体积与加工可行性的较优选择。

优选的扩大后腔的硅电容麦克风，其中所述的垫片，其材料为金属，可通过金属腐蚀或三维打印工艺制成。选用金属材料制作垫片是为了优化总体封装电磁屏蔽的效果。相较如美国专利US8705776B2的增大或隔离前腔的结构而言，一般采用传统的冲压加工方式实现。这样的加工方式虽然能保证较低的成本和加工便利，但美国专利US8705776B2的方案中的隔离结构占据了较大的封装内部空间，影响了扩大后腔的效果。通过金属腐蚀或三维打印工艺，可以以与相当甚至低于冲压加工等传统加工方式的成本，来实现如台阶形等传统加工方式难以实现的结构，从而获得较优的扩大后腔的效果。

优选的扩大后腔的硅电容麦克风，其中所述的垫片开孔与外壳声孔之间的连接，可以通过设置垫片与外壳连接处的局部形状尺寸相匹配(保证垫片与外壳密切配合使垫片上的开孔及外壳上的声孔与封装结构的后腔隔绝)来实现，也可以通过在垫片与外壳之间设置连接件实现，其中所述的连接件可与外壳或垫片连为一体一同制备。在具体实施时，可根据外壳制作、垫片制作以及连接件制作的具体尺寸精度和安装尺寸精度来确定。所述连接件可以是中空的或非中空的。

优选的扩大后腔的硅电容麦克风优选的扩大后腔的硅电容麦克风，其中所述的导气槽，内部留有与垫片直接相接触的支撑部。这是为了保证垫片上安装敏感结构甚至安装了集成电路后，避免由于安装力使垫片发生变形，从而影响后续外壳的装配工艺，避免封装漏气的风险。

优选的扩大后腔的硅电容麦克风，可通过设置所述的导气槽的形状和尺寸实现防尘，也可通过在导气槽内部设置防尘网实现防尘。如美国专利US8705776B2，在凸盖下方的前腔空间过大也不能有效地起到防尘的作用，在原方案中只能通过将凸盖与外壳的声孔相接处的开孔改为多个小孔来解决，这种做法使得麦克风蒙受了灵敏度的损失。本发明中通过控制导气槽的形状和尺寸来起到防尘的作用，就避免了相应的灵敏度损失，也为制作垫片时带来了便利。在进行后文所述的按需设置导气槽尺寸来控制频响曲线的工作时，有时会遇到两者不能兼顾的情况，此时可以再考虑在导气槽中设置防尘网。

优选的扩大后腔的硅电容麦克风，可通过设置所述的导气槽的形状和尺寸调整前腔传声条件，从而调整麦克风的频响曲线。由于导气槽和前文所述的支撑部均在基板上，且其形状尺寸可按需要设置，甚至在不能兼顾防尘时还可以在导气槽中设置防尘网，这就使设置导气槽时拥有较大的设计空间。其中，在麦克风的频响曲线中，所述导气槽越宽显得低频响应越低而高频响应越高，所述导气槽越窄显得高频响应越低而低频响应高。

优选的扩大后腔的硅电容麦克风，其中所述的集成电路和自带声腔的微机械敏感结构，与其他的声孔设置在基板上的封装方案中使用的集成电路和微机械敏感结构相同。如本申请人的另外一件专利申请(申请号为201410379944.4，暂未公开)，虽然实现了较优的增大后腔的效果，在前进音、侧进音这类封装的麦克风中取得了较好的优化，但是其敏感结构进音方向与零高度封装使用的敏感结构相反，造成声音敏感方向、过载保护方向相反，使得两种封装的集成电路或敏感结构不能兼容。本发明使得敏感结构进音方向与零高度封装使用的敏感结构相同，从而使得声音敏感方向、过载保护方向也相同，使得两种封装的集成电路或敏感结构可以兼容。使得仅调整后续工艺，使用相同的集成电路和敏感结构来实现前进音、侧进音、零高度这些不同封装的麦克风成为可能。

本发明的提出，使得在外壳上设置进音孔的这类扩大后腔的硅电容麦克风，所使用的敏感结构和集成电路可以与在基板上设置进音孔的这类硅电容麦克风兼容，增加了后续工艺的兼容性，在保证整体结构可靠性、小封装、低成本的前提下，较优地扩大了所述的敏感结构下方的空气空间(后腔)，从而提高硅电容麦克风的极限灵敏度。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的扩大后腔的硅电容麦克风的三维示意图；

图2a、图2b、图2c分别是图1所示本发明的一个实施例的扩大后腔的硅电容麦克风的剖视图、不包括外壳的俯视图及垫片的剖面图；

图3a～图3e为本发明五个实施例的扩大后腔的硅电容麦克风的剖视图；其中a、c、d、e为基板、垫片的外围框架和外壳共同形成封装结构的实施例，b为基板和外壳形成封装结构、垫片设在封装结构内部的实施例；

图4a～图4e是本发明五个实施例的扩大后腔的硅电容麦克风的垫片的俯视和剖视图；其中a、b、c为和基板、外壳共同形成封装结构的垫片的实施例，d、e为设在基板和外壳形成封装结构内部的垫片实施例；a、b、d为设为台阶状的垫片实施例，c、e为不设台阶的垫片实施例；

图5a～图5d是本发明的扩大后腔的硅电容麦克风的导气槽与支撑部的四种具体实施例的俯视图；

图6a是本发明一实施例的扩大后腔的硅电容麦克风的进音示意图；

图6b是与图6a所示的本发明实施例的进音构成对比的零高度封装敏感结构进音示意图。

附图标记说明：100-外壳；200-垫片；300-集成电路；400-敏感结构；500导气槽；600-支撑部；700-基板。

具体实施方式

本发明主要用于扩大后腔的硅电容麦克风，能在保持硅电容麦克风原有的外观、封装尺寸和后续工艺实现方式的前提下，较优地扩大麦克风的后腔容积，下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一个实施例的扩大后腔的硅电容麦克风的三维示意图。如图1所示，本发明的扩大后腔的硅电容麦克风，它包括：一块基板700、一个外壳100及一个垫片200；外壳100上设置有声孔；垫片200设于基板700与外壳100之间，垫片200包括外围框架和薄片，基板700、外壳100和垫片200的外围框架配合在一起构成封装结构。如图2所示，其中涂黑的部分是所述的垫片200；所述封装结构内部在基板700上方设置有集成电路300和自带声腔的微机械敏感结构400；其中集成电路300设在基板700上，敏感结构400与基板700间隔有垫片200的所述薄片；垫片200的所述薄片上至少设有两个开孔，其中一个开孔与外壳100上的声孔相连，另一个开孔与敏感结构400的声腔相连；敏感结构400固定在垫片200的其中一个开孔的上方，敏感结构400的自带声腔与垫片200的自带开孔连通；外壳100设置在垫片200的上方，外壳100上的声孔与设置在垫片200的薄片上的另一个开孔相接；在外壳100与垫片200之间在声孔处相接处，可以设置垫片200与外壳100连接处的局部形状尺寸相匹配(保证垫片与外壳密切配合使垫片上的开孔与外壳上的声孔与封装结构的后腔隔绝，比如密封卡槽等)来实现，也可以设置与垫片200一体加工的连接件；垫片200固定在基板700上方，且其外围框架与外壳100、基板700共同形成了封装结构；在基板700上表面设置有导气槽500，起连接垫片200上两个开孔的作用：垫片200在固定到基板700上后，垫片200的下方与基板700将所述导气槽形成连通空间，连通空间的的两个开口(即垫片200的所述薄片上的两个开孔)相互连通，构成麦克风的前腔，封装结构内部被隔开的剩余部分自由空间成为麦克风的后腔；所获得的后腔容积大于敏感结构自带声腔的容积。在本发明的一个实施例中，导气槽500内部设置有支撑部600，起支撑垫片、防止其受装配力作用发生变形的作用。在敏感结构400与集成电路300间和集成电路300与基板700间设有若干起电气连接作用的连线。在本发明的一部分实施例中，外壳100制成了平板形状且未与基板700直接接触，如图1、图3(a、c、d、e)所示的实施例。同时外壳100在声孔处与垫片200相接的连接件被设置在了垫片200上方并与垫片200一体成形，这样可以用金属腐蚀工艺制作台阶状的金属垫片，并通过合理设置台阶来优化后腔容积。

图3a～图3e给出了本发明的5种实施例方案的剖视示意图，其中涂黑的部分是所述的垫片200。

如图3b中所示的实施例，本发明也可以设置为基板700与外壳100一起构成封装结构，垫片200设在所述封装结构内部，相当于在上述实施例中垫片200不包括外围框架的薄片部分。在图3a～图3e给出的实施例中，图3a、图3c、图3d、图3e为基板、垫片的外围框架和外壳共同形成封装结构的实施例，图3b为基板和外壳形成封装结构、垫片设在封装结构内部的实施例。

从图3a～图3e中可以看到，外壳100可以具有一种弯曲高度(如图3a中声孔为开放式，外壳100的外围框架及其在声孔处边缘向下弯曲同一个高度；其中图3d中声孔为外壳100上的一个开孔，不设向下凹的边缘，外壳100的外围框架向下弯曲同一个高度；图3e中外壳100的声孔设在侧面，垫片200的开孔通过垫片200与外壳100形成连通空间将外壳100的声孔与垫片200的开孔连通，外壳100的外围框架向下弯曲同一个高度)，也可以具有多种弯曲高度(如图3b、图3c中声孔为和图3a一样的开放式，但外壳100在声孔处边缘没有向下弯曲到和外壳100的外围框架向下弯曲的同一个高度)；可以设置外壳100与基板700直接相接的(如图3b所示)，也可以设置外壳不与基板直接相接的(如图3a、图3c、图3d、图3e所示)；可以设置前进音封装(如图3a、图3b、图3c、图3d所示，声孔设在外壳100上平面)，也可以设置侧进音封装(如图3e所示，声孔设在外壳100侧面)。在外壳100与垫片200(包括所述的垫片200与外壳100之间的连接件)中，可以在制作和装配工艺允许的范围内实施便于实现和低成本的优选方案。当然，从这个意义上说，也可以选用图1的平板外壳或图3的弯曲外壳。

图4a～图4e给出的是本发明的垫片200的5种实施方案的俯视和剖视的示意图。如图4所示，垫片200可以设置成台阶形(如图4a、图4b、图4d所示)或非台阶形(如图4c、图4e所示)的；垫片200可以设置成与封装平面尺寸相当的在外壳与基板之间起支撑作用的(如图4a、图4b、图4c所示)实施样态或位于封装内部平面尺寸较小的(如图4d、图4e所示)实施样态。综合垫片200(包括垫片200与外壳100之间的连接件)制作的便利性与低成本、垫片200(包括所述的垫片200与外壳100之间的连接件)与其他零件装配的便利性和可靠性这些因素来确定较优的方案。

图5a～图5d是本发明的导气槽500和支撑部600的四种实施方案的俯视示意图。从图5中可以看到，可以在基板700上设置没有支撑部的导气槽500(如图5a所示)，也可以设置有支撑部600(如图5b、图5c、图5d所示)，甚至有多个支撑部600(如图5c所示)的导气槽500。一般的，调整导气槽500的局部宽度，改变导气槽500本身的通气通道及导气槽500和支撑部600之间的通气通道的宽窄，可以调整频响曲线，同时合理的设置也能够实现防尘。其中，频响曲线中，所述导气槽越宽使低频响应越低而高频响应越高，所述导气槽越窄使高频响应越低而低频响应高。导气槽500和图5a～图5d的四种实施方案中，导气槽500和支撑部600的设置方式都不相同，其频响曲线也不同，其中图5c与图5d的设置方式还能实现防尘。因此可以设置简单图形的导气槽500(如图5a、图5b、图5c所示)，也可以根据防尘和调整频响曲线需要设置复杂形状的支撑部600(如图5c所示)和导气槽500(如图5d所示)。如果调整频响和防尘不能兼顾，也可以在导气槽500中设置防尘网。

图6a是本发明一实施例的扩大后腔的硅电容麦克风的进音示意图。图6a中，声音信号从外壳100上的声孔进入后，依次经垫片200的对应外壳声孔的开孔、导气槽500、垫片200的另一开孔，到达敏感结构400下方的自带声腔，从而传递到敏感结构的膜片上，驱动膜片产生对应声学信号的电信号；相当于导气槽500连接了敏感结构400的自带声腔到外壳上的声孔形成前腔，使得敏感结构另一面与封装外壳之间的剩余部分成为麦克风的后腔，即扩大了硅麦克风的后腔。

图6b是与图6a所示的本发明实施例的进音构成对比的零高度封装敏感结构进音示意图。图6b中声音信号从基板700上的声孔进入后，直接到达敏感结构400下方的自带声腔驱动膜片产生对应声学信号的电信号。因此在本发明和常见零高度封装这两种情况下，声音敏感方向、过载保护方向都相同，使得两种封装的集成电路或敏感结构可以兼容。本发明的基板、垫片、外壳需另行设计和制作，但装配工艺与常见零高度装配工艺相近，这使得通过调整后续工艺，使用相同的集成电路和敏感结构来实现前进音、侧进音、零高度这些不同封装的麦克风，成为可能。在基板、垫片、外壳的制作成本低于敏感结构制作成本时，这将获得更低的总体成本。

此外，说明书和权利要求书中的术语“顶”，“底”，“上”，“下”，“左”，“右”等(如果存在)用于说明性目的且不一定用于描述永久的相对位置。可以理解的是如此使用的术语可在适当情况下互换，使得本文所述的本发明的实施例能够在例如不同于上述或本文中所述的方向的其他方向上进行操作。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种扩大后腔的硅电容麦克风，其特征在于，包括：基板、外壳、垫片；所述外壳上设置有声孔；所述垫片设于所述基板与所述外壳之间，所述垫片包括外围框架和薄片，所述基板、所述外壳和所述垫片的外围框架一起构成封装结构；所述封装结构内部在所述基板上方设置有集成电路和自带声腔的微机械敏感结构，所述集成电路设在所述基板上，所述敏感结构与所述基板间隔有所述薄片；所述垫片上至少设有两个开孔，该两个开孔分别与所述外壳上的声孔和所述敏感结构的声腔相连；所述基板上设有导气槽；所述垫片固定到基板上后，其下方与所述基板将所述导气槽的形成连通空间，使所述垫片上的该两个开孔相互连通。

2.一种扩大后腔的硅电容麦克风，其特征在于：包括：基板、外壳和垫片，所述基板和所述外壳组成封装结构，所述垫片设在所述封装结构内部；所述外壳上设置有声孔；所述封装结构内部基板上方设置有集成电路和自带声腔的微机械敏感结构，所述敏感结构与所述基板间隔有所述垫片；所述垫片上设有两个开孔，该两个开孔分别与所述外壳上的声孔和所述敏感结构的自带声腔相连接；所述基板上设有导气槽；所述垫片在固定到基板上后，其下方与所述基板将所示导气槽形成连通空间，使所述垫片上的该两个开孔相互连通。

3.根据权利要求1或2所述的扩大后腔的硅电容麦克风，其特征在于：所述的垫片，其剖面为台阶形。

4.根据权利要求1或2所述的扩大后腔的硅电容麦克风，其特征在于：所述的垫片，其材料为金属，通过金属腐蚀或三维打印工艺制成。

5.根据权利要求1或2所述的扩大后腔的硅电容麦克风，其特征在于：所述的垫片开孔与所述外壳声孔之间的连接，通过设置所述垫片与所述外壳连接处的局部形状尺寸匹配实现，或者通过在所述垫片与所述外壳之间设置连接件实现。

6.根据权利要求5所述的扩大后腔的硅电容麦克风，其特征在于：所述的连接件与所述外壳或所述垫片是一体的结构，且一同制备。

7.根据权利要求1或2所述的扩大后腔的硅电容麦克风，其特征在于：所述的导气槽，内部设有与所述垫片直接相接触的支撑部，用以支撑所述垫片。

8.根据权利要求1或2所述的扩大后腔的硅电容麦克风，其特征在于：所述的支撑部包括多个子支撑部，所述多个子支撑部以阵列方式排列，以实现防尘。

9.根据权利要求1或2所述的扩大后腔的硅电容麦克风，其特征在于：所述导气槽内部设置防尘网，以实现防尘。

10.根据权利要求1或2所述的扩大后腔的硅电容麦克风，其特征在于：通过设置所述的导气槽的局部宽度，从而调整麦克风的频响曲线；其中，所述导气槽越宽低频响应越低而高频响应越高，所述导气槽越窄高频响应越低而低频响应高。