CN105611475B - 麦克风传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无需单独电路就能够提高灵敏度的麦克风。所述麦克风包括音频检测模块，包括：振动膜，其配置成通过从外部引入的音频而振动，从而输出电容信号；和压电元件，其配置成通过音频的声压输出压电信号。半导体芯片，包括：放大器，其配置成电连接至所述音频检测模块以从所述音频检测模块接收电容信号和压电信号，并且配置成将所述电容信号和所述压电信号放大成电信号。所述放大器包括：输入端，其配置成接收所述电容信号的输入；第一电阻器，其连接至所述输入端并且连接至所述压电元件；输出端，其配置成将所述电容信号和压电信号放大和输出为电信号；以及第二电阻器，其连接至所述输入端和所述输出端并且连接至所述压电元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种麦克风，且更具体地，涉及不外加单独电路就能提高灵敏度的麦克风。
背景技术
总体而言，麦克风是将音频转换成电信号的设备。麦克风应当改善电磁和音频性能，可靠性和可操作性。此外，麦克风逐渐形成为具有缩减的尺寸。因此，已开发使用微机电系统(MEMS：Micro Elctro Mechanical System)技术的麦克风。
与现有的驻极体电容式麦克风(ECM：Electret Condenser Microphone)相比，MEMS麦克风对潮湿和热的耐性更强，并且其能够减小尺寸并且能够集成到信号处理电路中。一般地，MEMS麦克风可分类成压电式MEMS麦克风和电容式MEMS麦克风。
压电型MEMS麦克风形成有振动膜，并且当振动膜通过外部音频而变化时，由于压电效应而产生电信号，因此可测量声压。电容式MEMS麦克风包括固定电极和振动膜，并且当音频从外部施加到振动膜，同时固定电极和振动膜之间的间隙改变时，电容值改变。基于在上述过程中产生的电信号测量声压。
然而，由于膜的振动位移受限，提高灵敏度的方法受限。因此，引入一种通过同时输出并且添加另一种形式的信号来提高强度的方法。例如，在现有方法中，当需要添加信号的附加电路时，两个输出信号中的每一个都需要一个信号处理电路。因此，半导体芯片面积增加导致价格增加以及功耗增加。
在本部分公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景的理解，并且因此其可包含在本国内不构成本领域技术人员已熟知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供一种具有提高的灵敏度的麦克风，并且能够通过将音频检测模块的压电元件连接至半导体芯片，从而将电阻的变化反映至放大倍数。
本发明的一示例性实施例提供一种麦克风，包括：音频检测模块，包括：振动膜，其配置成通过从外部引入的音频而振动，从而输出电容信号；和压电元件，其配置成通过音频的声压输出压电信号；以及半导体芯片，包括：放大器，其配置成电连接至所述音频检测模块以从所述音频检测模块接收电容信号和压电信号，并且配置成将所述电容信号和所述压电信号放大成电信号。所述放大器可以包括：输入端，其配置成接收所述电容信号的输入；第一电阻器，其连接至所述输入端并且连接至所述压电元件；输出端，其配置成将所述电容信号和压电信号放大和输出为电信号；以及第二电阻器，其连接至所述输入端和所述输出端并且连接至所述压电元件。
所述音频检测模块还可以包括：第一焊盘和第二焊盘，其连接至所述压电元件；以及输出焊盘，其配置成输出所述电容信号至所述半导体芯片。此外，所述第一焊盘可以连接至所述第一电阻器，并且所述第二焊盘可以连接至所述第二电阻器。此外，所述压电元件可以基于声压而变化并且可以通过所述第一焊盘和第二焊盘连接至所述第一电阻器和第二电阻器。
所述输入端可以包括：非反相输入端，其连接至输出所述电容信号的所述输出焊盘；以及反相输入端，其连接至所述第一电阻器和第二电阻器以及所述压电元件。所述输入端可以包括：非反相输入端，其接地；以及反相输入端，其连接至输出所述电容信号的所述输出焊盘、所述第一电阻器和第二电阻器以及所述压电元件。所述放大器可以是反相放大器或者非反相放大器。
本发明的另一示例性实施例提供一种麦克风，可以包括：音频检测模块，配置成输出借助于通过从外部引入的音频而振动的振动膜和固定电极而发生变化的电容信号、以及声压通过音频施加至压电元件时产生的压电信号。所述麦克风还可以包括：半导体芯片，其包括：放大器，其配置成接收所述电容信号和压电信号，并且将所述电容信号和压电信号放大成电信号。所述放大器可以包括：非反相输入端，其配置成接收所述电容信号的输入；反相输入端，其配置成接收连接至第一电阻器和第二电阻器的压电信号的输入。所述放大器还可以包括：输出端，其配置成将所述电容信号和压电信号放大和输出为电信号。
在另一示例性实施例中，一种麦克风，可以包括：音频检测模块，包括：振动膜，其配置成通过从外部引入的音频而振动，从而输出电容信号；和压电元件，其配置成通过音频输出压电信号。所述麦克风还可以包括：半导体芯片，包括：放大器，其配置成电连接至所述音频检测模块以从所述音频检测模块接收电容信号和压电信号，并且配置成将所述电容信号和所述压电信号放大成电信号。所述放大器还可以包括：非反相输入端，其接地；反相输入端，其配置成接收所述电容信号的输入；第一电阻器，其连接至所述反相输入端并且连接至所述压电元件；第二电阻器，其连接至所述反相输入端并且连接至所述压电元件；以及输出端，其连接至所述第二电阻器并且配置成基于所述压电元件、所述第一电阻器以及所述第二电阻器，将所述电容信号放大和输出为电信号。
附图说明
从以下结合附图进行的详细说明中，本发明的以上和其他目的、特征和优点将更加显而易见：
图1是示出根据本发明的示例性实施例的麦克风的示例图；
图2是根据本发明的示例性实施例示出音频检测模块的示例性截面图和示出半导体芯片的电路图；
图3是示出音频引入至根据本发明的示例性实施例的麦克风的情形的示例图；
图4是根据本发明的另一示例性实施例示出音频检测模块的示例性截面图和示出半导体芯片的电路图；以及
图5是示出音频被引入至根据本发明的另一示例性实施例的麦克风的情形的示例图。
附图标记说明
50：麦克风
100：音频检测模块
110：基板
130：振动膜
140：压电元件
151,155：焊盘
153：输出焊盘
160：支承层
170：固定电极
200：半导体芯片
210：非反相放大器
220,420：输入端
240,250,440,450：电阻器
260,470：输出端
410：非反相放大器
具体实施方式
本文所使用的术语仅是为了说明特定实施例的目的，而非意在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另外清楚表明，单数形式“一个”、“一种”和“该”意在也包括复数形式。还将理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”规定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何或全部组合。例如，为了使本发明的描述更加清楚，无关部件没有示出，并且为了清晰起见对层或区域的厚度进行了放大。另外，当指出一个层在另一层或基板上时，该层可以直接在另一层或基板上，或者其间也可以存在第三层。
以下将参照附图详细说明本发明的示例性实施例。
图1是示出根据本发明的示例性实施例的麦克风的示例图，并且图2是根据本发明的示例性实施例的示出音频检测模块的示例性截面图和示出半导体芯片的电路图。
根据图1和图2，麦克风50可包括音频检测模块100和半导体芯片200。音频检测模块100可包括基板110、振动膜130、压电元件140以及固定电极170。基板110可由硅形成，并且在基板110中可形成有贯通孔115。在基板110上可设置有氧化膜120。换句话说，氧化膜120可设置在基板110和振动膜130之间。振动膜130可设置在氧化膜120上以覆盖在基板110中形成的贯通孔115。振动膜130的一部分可以通过贯通孔115暴露，并且通过贯通孔115暴露的振动膜130的一部分可基于从外部引入的音频而振动。振动膜130可以大体上具有圆形形状，并且可包括多个槽135。槽135可位于贯通孔115上。
压电元件140可设置在氧化膜120上。压电元件140可连接至第一焊盘151和第二焊盘155。如图3所示，当通过从外部引入的音频300施加声压时，压电元件140可配置成产生压电信号。压电信号可通过连接至压电元件140的第一焊盘151和第二焊盘155输出至半导体芯片200。具体地，压电信号可以是电阻值。
第一焊盘151和第二焊盘155可连接至半导体芯片200。第一焊盘151和第二焊盘155可设置在压电元件140上。输出焊盘153可设置在振动膜130上并且可连接至半导体芯片200。支承层160可设置在振动膜130的边缘部分并且支承固定电极170。固定电极170可与振动膜130分开设置。此外，固定电极170可以包括多个空气进口175并且可设置和固定在支承层160上。固定电极170可由多晶硅或者金属制成。
空气层165可形成在固定电极170和振动膜130之间。固定电极170和振动膜130可以在其间有预设间隙地分开设置。如图3所示，来自外部的音频300可通过在固定电极170中形成的空气进口175引入以激励振动膜130振动。例如，固定电极170和振动膜130之间的间隙可变化，并且振动膜与固定电极之间的电容信号可变化。电容信号可通过连接至振动膜130的输出焊盘153输出至半导体芯片200。
半导体芯片200可与音频检测模块100电连接，并且可配置成将来自音频检测模块100的信号接收、放大和输出，并且检测来自外部的音频。因此，半导体芯片200可包括放大器。所述放大器可以是非反相放大器或者是反相放大器。非反相放大器可以参考图1到图3进行描述，并且反相放大器可以参考图4和图5进行描述。
所述半导体芯片可以是专用集成电路(ASIC：application specific integratedcircuit)。非反相放大器210可包括输入端220、电容230、第一电阻器240、第二电阻器250以及输出端260。输入端220可配置成接收来自音频检测模块100的压电信号和电容信号。此外，输入端220可包括非反相输入端223和反相输入端225。
非反相输入端223可连接至音频检测模块100的输出焊盘153，并且可配置成通过输出焊盘153接收电容信号。非反相输入端223可连接至电容230。电容230的一侧(例如，第一侧)可连接至输出焊盘153，并且电容230的另一侧可连接至非反相输入端223。反相输入端225可连接至第一电阻器240。第一电阻器240的一侧(例如，第一侧)可接地，并且第一电阻器240的另一侧可连接至与压电元件140连接的第一焊盘151。
第二电阻器250可连接至反相输入端225和输出端260。此外，第二电阻器250的一侧(例如，第一侧)可连接至与压电元件140连接的第二焊盘155，并且可通过第二焊盘155连接至反相输入端225。第二电阻器250的另一侧(例如，第二侧)可连接至输出端260。
如图3所示，当从外部引入音频300时，压电元件140可配置成执行可变电阻器270的功能。换句话说，由于压电元件140可通过第一焊盘151和第二焊盘155连接至第一电阻器240和第二电阻器250，压电元件140可表现出如同其插入在第一电阻器240和第二电阻器250之间的效果。因此，当从外部引入音频300时，压电信号可发生变化以反映非反相放大器210的放大倍数。换句话说，放大倍数可通过第一电阻器240、第二电阻器250，以及压电元件140确定。例如，可根据公式1确定放大倍数。
公式1:
其中，增益是放大倍数，R1代表第一电阻值，R2代表第二电阻值，并且ΔR代表压电信号。输出端260可配置成输出放大的电信号。
图4是根据本发明的另一示例性实施例的示出音频检测模块100的示例性截面图和示出半导体芯片200的电路图。根据图4，麦克风50可包括音频检测模块100和半导体芯片200。音频检测模块100可以包括基板110、氧化膜120、振动膜130、压电元件140、支承层160，以及固定电极170。在基板110中形成有贯通孔115。氧化膜120可设置于基板110上。换句话说，氧化膜120可设置在音频检测模块100的边缘部分。振动膜130可设置在基板110上以覆盖在基板110中形成的贯通孔115。
压电元件140可设置在氧化膜120上并且连接至第一焊盘151和第二焊盘155。在压电元件140中压电信号可通过从外部引入的音频的声压而改变。第一焊盘151和第二焊盘155可设置在压电元件140上，并且可连接至半导体芯片200。换句话说，第一焊盘151可连接至半导体芯片200的反相输入端，并且第二焊盘155可连接至半导体芯片200的第二电阻器。
输出焊盘153可设置在振动膜130上并且可连接至半导体芯片200。例如，输出焊盘153可连接至半导体芯片200的反相输入端。支承层160可设置在振动膜130上。具体地，支承层160可支承固定电极170并且设置在振动膜130的边缘部分。固定电极170可形成在支承层160上并且可与振动膜130分开设置。固定电极170可包括多个空气进口175。
空气层165可形成在振动膜130和固定电极170之间。从外部引入的音频激励振动膜130，从而使振动膜130振动，并且振动膜130和固定电极170之间的电容信号可以变化。半导体芯片200可电连接至音频检测模块100，并且配置成接收来自音频检测模块100的信号的输入。半导体芯片200可以配置成将从音频检测模块100接收的信号放大和输出。半导体芯片200可包括反相放大器。反相放大器410可包括输入端420、第一电阻器440、第二电阻器450以及输出端460。
输入端420可包括非反相输入端423以及反相输入端425。非反相输入端423可接地。反相输入端425可与音频检测模块100连接以接收来自音频检测模块100的电容信号的输入。具体地，反相输入端425可连接至音频检测模块100的输出焊盘153，并且可配置成通过输出焊盘153接收电容信号。
反相输入端425可连接至第一电阻器440。第一电阻器440的一侧可连接至音频检测模块100的输出焊盘153，并且第一电阻器440的另一侧可通过第一焊盘151连接至压电元件140。第一电阻器440的另一侧可连接至反相输入端425。第二电阻器450可连接至反相输入端425和输出端460。第二电阻器450的一侧可通过第二焊盘155连接至压电元件140，并且第二电阻器450的另一侧可连接至输出端460。输出端460可连接至第二电阻器450，并且可配置成将输入至反相放大器410的电容信号和压电信号放大和输出为电信号。
图5是示出音频被引入至根据本发明的另一示例性实施例的麦克风50的情形的示例图。根据图5，音频检测模块100可配置成注入外部产生的音频300，并且振动膜130可配置成通过音频300进行振动。因此，固定电极170和振动膜130之间的间隙可改变，并且振动膜130和固定电极170之间的电容信号可发生变化。电容信号可通过输出焊盘153输出至反相放大器410的非反相输入端423。
当通过从外部引入的音频300施加声压时，音频检测模块100的压电元件140可配置成产生压电信号。压电元件140可通过第一焊盘151连接至第一电阻器440，并且可通过第二焊盘155连接至第二电阻器450，因此表现出其插入在第一电阻器440与第二电阻器450之间的效果。更进一步地，由于压电信号可通过来自外部的声压而改变，压电元件140可执行可变电阻470的功能。
当使用反相放大器410时，放大倍数可通过第一电阻器440、第二电阻器450以及压电元件140进行确定。换句话说，放大倍数可通过公式2进行确定。
公式2：
其中，增益是放大倍数，R1代表第一电阻值，R2代表第二电阻值，并且ΔR代表压电信号。
根据本发明的示例性实施例，当维持将用于输入声压的电容方法和压电方法相结合的混合形式时，灵敏度将得以提高。由于麦克风50无需附加电路就能处理电容信号和压电信号，因此可以防止随半导体芯片200的尺寸增大而增加的附加面积和功耗。
本发明结合当前被认为实用的示例性实施例进行了描述，但需要理解的是，本发明不仅限于所公开的示例性实施例，而相反，其旨在涵盖被包括在所附权利要求书中的技术思想和范围内的各种修改和等效布置。
Claims (13)
1.一种麦克风，包括：
音频检测模块，包括：振动膜，其配置成通过从外部引入的音频而振动，从而输出电容信号；和压电元件，其配置成通过音频的声压输出压电信号；以及
半导体芯片，包括：放大器，其配置成电连接至所述音频检测模块以从所述音频检测模块接收电容信号和压电信号，并且配置成将所述电容信号和所述压电信号放大成电信号，
其中所述放大器包括：
输入端，其配置成接收所述电容信号的输入；
第一电阻器，其连接至所述输入端并且连接至所述压电元件；
输出端，其配置成将所述电容信号和压电信号放大和输出为电信号；以及
第二电阻器，其连接至所述输入端和所述输出端并且连接至所述压电元件。
2.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述音频检测模块包括：
第一焊盘和第二焊盘，其连接至所述压电元件；以及
输出焊盘，其配置成将所述电容信号输出至所述半导体芯片。
3.根据权利要求2所述的麦克风，其中所述第一焊盘连接至所述第一电阻器，并且所述第二焊盘连接至所述第二电阻器。
4.根据权利要求2所述的麦克风，其中所述压电元件基于声压而变化并且通过所述第一焊盘和第二焊盘连接至所述第一电阻器和第二电阻器。
5.根据权利要求2的麦克风，其中所述输入端包括：
非反相输入端，其连接至输出所述电容信号的所述输出焊盘；以及
反相输入端，其连接至所述第一电阻器和第二电阻器以及所述压电元件。
6.根据权利要求2所述的麦克风，其中所述输入端包括：
非反相输入端，其接地；以及
反相输入端，其连接至输出所述电容信号的所述输出焊盘、所述第一电阻器和第二电阻器以及所述压电元件。
7.根据权利要求1所述的麦克风，其中所述放大器是反相放大器或者非反相放大器。
8.一种麦克风，包括:
音频检测模块，配置成输出电容信号和压电信号，所述电容信号借助于通过从外部引入的音频而振动的振动膜和固定电极而发生变化，所述压电信号在通过音频将声压施加至压电元件时产生；以及
半导体芯片，包括：放大器，其配置成接收所述电容信号和压电信号，并且将所述电容信号和压电信号放大成电信号，
其中，所述放大器包括：
非反相输入端，其配置成接收所述电容信号的输入；
反相输入端，其配置成接收连接至第一电阻器和第二电阻器的压电信号的输入；以及
输出端，其配置成将所述电容信号和压电信号放大和输出为电信号。
9.根据权利要求8所述的麦克风，其中所述放大器配置成使用所述压电元件和所述第一电阻器和第二电阻器将所述电容信号和压电信号进行放大。
10.根据权利要求8所述的麦克风，其中所述音频检测模块包括：
第一焊盘和第二焊盘，其连接至所述压电元件；以及
输出焊盘，其连接至所述非反相输入端并且配置成将所述电容信号输出至所述半导体芯片。
11.根据权利要求10所述的麦克风，其中所述第一电阻器和第二电阻器通过所述第一焊盘和第二焊盘连接至压电元件。
12.一种麦克风，包括：
音频检测模块，包括：振动膜，其配置成通过从外部引入的音频而振动，从而输出电容信号；和压电元件，其配置成通过音频输出压电信号；以及
半导体芯片，包括：放大器，其配置成电连接至所述音频检测模块以从所述音频检测模块接收电容信号和压电信号，并且配置成将所述电容信号和所述压电信号放大成电信号，
其中所述放大器包括：
非反相输入端，其接地；
反相输入端，其配置成接收所述电容信号的输入；
第一电阻器，其连接至所述反相输入端并且连接至所述压电元件；
第二电阻器，其连接至所述反相输入端并且连接至所述压电元件；以及
输出端，其连接至所述第二电阻器并且配置成基于所述压电元件、所述第一电阻器以及所述第二电阻器，将所述电容信号放大和输出为电信号。
13.根据权利要求12所述的麦克风，其中所述音频检测模块包括：
第一焊盘，其连接至所述压电元件并且连接至所述第一电阻器；
第二焊盘，其连接至所述压电元件并且连接至所述第二电阻器；以及
输出焊盘，其连接至所述反相输入端并且配置成将所述电容信号输出至所述反相输入端。
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