CN107690114B - Mems麦克风振膜及mems麦克风 - Google Patents

Mems麦克风振膜及mems麦克风 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种MEMS麦克风振膜及MEMS麦克风，MEMS麦克风振膜包括：膜片和子结构，所述子结构设置有多个；所述子结构包括支撑部和梁结构，所述支撑部与所述梁结构连接，所述梁结构与所述膜片连接。本发明提供的MEMS麦克风振膜，在膜片边缘设置子结构，且子结构通过梁结构连接到膜片上，通过设置刚度较小的梁结构使MEMS麦克风振膜在工作时，当其中一个或多个子结构失效时，对所述膜片的灵敏度影响较小，所述膜片可以正常工作，并保证工作质量。进一步地，设置有上述MEMS麦克风振膜的MEMS麦克风灵敏度更高，信号质量更好，且使用寿命更长，可靠性更高。

Description

MEMS麦克风振膜及MEMS麦克风
技术领域
本发明涉及麦克风技术领域，特别是一种MEMS麦克风振膜及MEMS麦克风。
背景技术
MEMS麦克风是采用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)，与传统驻极体电容式麦克风(ECM)相比，具有更好的声学性能、更高的信噪比、更好的一致性及更低的功耗。MEMS麦克风已经广泛应用在智能手机、笔记本电脑及平板电脑等领域，以提供更高的语音质量。
振膜作为MEMS麦克风的重要部件，其性能直接影响MEMS麦克风的拾音效果。现有技术常用的振膜在其边缘处形成包薄膜板结构，通过薄膜板结构来支撑振膜，但是，在这种结构中，当局部的薄膜板结构失效或者或形状发生变化时由于薄膜板结构的传导性，容易引起其他振膜的运动，从而影响整个振膜的拾音效果。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种MEMS麦克风振膜及MEMS麦克风，以解决现有技术中的技术问题。
根据本发明的第一方面，提供一种MEMS麦克风振膜，包括：
膜片和子结构，所述子结构设置有多个；
所述子结构包括支撑部和梁结构，所述支撑部与所述梁结构连接，所述梁结构与所述膜片连接。
优选地，多个所述子结构沿所述膜片的边缘设置并连接到所述膜片上。
优选地，所述子结构与所述膜片一体形成。
优选地，所述子结构与膜片之间设置有开槽。
优选地，所述子结构在所述膜片边缘向其外侧延伸形成。
优选地，在所述子结构还包括板结构，所述梁结构与所述板结构连接，所述板结构连接到所述膜片上。
优选地，所述子结构形成在所述膜片上形成。
优选地，所述梁结构刚度小于所述膜片刚度的40％。
优选地，所述子结构的面积小于所述膜片面积的10％。
优选地，所述子结构的自振频率高于所述膜片的自振频率。
根据本发明的第二方面，提供一种MEMS麦克风，包括：
衬底；
第一支撑层，设置在所述衬底上；
上述的MEMS麦克风振膜，所述子结构设置在所述第一支撑层上；
第二支撑层，设置在所述子结构上；
背极板，所述背极板的一部分设置在所述第二支撑层上，另一部与所述MEMS麦克风振膜的膜片通过电介质流体分开；
第一导电层，设置在所述第二支撑层上；
第一焊盘，设置在所述背极板上；及
第二焊盘，设置在所述第一导电层上，其中所述第一导电层与所述背极板彼此电隔离，且，所述第一导电层与所述MEMS麦克风振膜连接。
本发明提供的MEMS麦克风振膜，在膜片边缘设置子结构，且子结构通过梁结构连接到膜片上，通过设置刚度较小的梁结构使MEMS麦克风振膜在工作时，当其中一个或多个子结构失效时，对所述膜片的灵敏度影响较小，所述膜片可以正常工作，并保证工作质量。进一步地，设置有上述MEMS麦克风振膜的MEMS麦克风灵敏度更高，信号质量更好，且使用寿命更长，可靠性更高。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明提供的MEMS麦克风振膜第一实施例结构示意图；
图2为本发明提供的MEMS麦克风振膜第二实施例结构示意图；
图3为本发明提供的MEMS麦克风振膜第三实施例结构示意图；
图4为设置有本发明MEMS麦克风振膜的MEMS麦克风。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
图1为本发明MEMS麦克风振膜10第一实施例结构示意图。
如图1所示，本发明提供的MEMS麦克风振膜10包括膜片11和子结构12，所述子结构12沿所述膜片11的边缘设置。所述子结构12包括支撑部和梁结构所述支撑部通过梁结构连接到所述膜片11上。
所述子结构12包括第一子结构121和第二子结构122。
所述第一子结构121在所述膜片11边缘向其外侧延伸形成，包括第一板支撑部1211、第一梁结构1212和板结构1213，所述板结构1213连接到所述膜片11的边缘，所述第一梁结构1212的第一端连接到所述板结构1213上，所述第一梁结构1212的第二端与所述第一支撑部1211连接，在本实施例中，所述第一梁结构1212设置有两个，分别连接到所述第一支撑部1211的两侧。优选地，所述第一子结构121与所述膜片11一体形成，然后通过蚀刻或其他工艺在所述膜片11的边缘形成所述第一子结构121。如图1所示，所述第一子结构121与所述膜片11之间形成有第一开槽1214，即所述第一开槽1214形成在所述板结构1213与所述膜片11之间，以降低所述第一子结构121整体的刚度。进一步的，在所述第一梁结构1212与第一支撑部1211之间形成有分隔槽1215，所述分隔槽1215形成在所述第一支撑部1211与所述第一梁结构1212及板结构1213之间，进一步降低所述第一梁结构1212的刚度。所述第一开槽1214沿所述第一支撑部1211边缘并通过所述第一支撑部1211与板结构1213之间的部分设置。进一步地，在本实施例中所述第一梁结构1212的长度与宽度之比大于5，所述板结构1213的长度与宽度之比小于5，以使所述第一子结构121特别是所述第一梁结构1212的刚度小于所述膜片11整体刚度的40％，使单个所述第一子结构121失效时对所述膜片11的灵敏度影响较小，优选地，单个所述第一子结构121失效时所述膜片11的灵敏度下降小于3dB。每个所述第一子结构121的面积小于所述膜片11总面积的10％，保证所述第一子结构121的局部性，使所述第一支撑部1211的自振频率高于所述膜片11的自振频率，优选地，所述第一支撑部1211的自振频率高于声学频率20KHz，使其在声学20Hz～20KHz带内能够与所述膜片11一起运动。
进一步地，为了进一步降低所述第一子结构121的失效对所述膜片11灵敏度的影响，可以将所述第一梁结构1212的刚度设计的更小，优选可将灵敏度影响降低至小于1db，或者，多个所述第一子结构121失效时影响所述膜片11灵敏度变化达到3dB。同时控制所述第一支撑部1211的面积，以保证其自振频率高于所述膜片11的自振频率。
如图1所示，所述第二子结构122在所述膜片11上形成，包括第二支撑部1221和第二梁结构1222，所述第二梁结构1222的第一端与所述膜片11连接，所述第二梁结构1222的第二段与所述第二支撑部1221连接。在本实施例中，所述第二梁结构1222设置有一个。如图1中所示，在所述第二子结构122的两侧分别通过蚀刻或其他工艺形成有第二开槽1223，两个所述第二开槽1223由所述膜片11的边缘向其内部形成，且两个所述第二开槽1223不连通，在两个所述第二开槽1223之间形成所述第二子结构122，并保证所述第二子结构122与所述膜片11连接。优选地，在本实施例中，所述第二子结构122特别是第二梁结构1222的刚度小于所述膜片11整体刚度的40％，使单个所述第二子结构122失效时对所述膜片11的灵敏度影响较小，优选地，单个所述第二子结构122失效时所述膜片11的灵敏度下降小于3dB。且每个所述第二子结构122的面积小于所述膜片11总面积的10％，保证所述第二子结构122的局部性，使所述第二支撑部1221的自振频率高于所述膜片11的自振频率，优选地，所述第二支撑部1221的自振频率高于声学频率20KHz，使其在声学20Hz～20KHz带内能够与所述膜片11一起运动。
进一步地，为了进一步降低所述第二子结构122失效对所述膜片11灵敏度的影响，可以将所述第二梁结构1222的刚度设计的更小，优选可将灵敏度影响降低至小于1db，或者，多个所述第一子结构121失效时影响所述膜片11灵敏度变化达到3dB。同时控制所述第二支撑部1221的面积，以保证其自振频率高于所述膜片11的自振频率。
在本实施例中，所述MEMS麦克风振膜10中同时设置有多个第一子结构121和第二子结构122，优选地，所述第一子结构121和第二子结构122相互间隔的设置在所述膜片11的边缘，多个所述第一子结构121和第二子结构122的子振动频率相近。且距离所述膜片11边缘所述膜片11最大结构尺寸的1/4范围内的所述第一子结构121和第二子结构122的宽度总和大于所述膜片11周长的20％，即在所述第一梁结构1212和第二梁结构1222刚度较小的情况下，通过保证所述第一子结构121和第二子结构122的数量来使所述第一梁结构1212和第二梁结构1222对所述膜片11起到有效的支撑作用。
图2、图3分别为本发明MEMS麦克风振膜10第二、三实施例结构示意图。
在其他实施例中所述MEMS麦克风振膜10还可以只在所述膜片11上设置第一子结构121或第二子结构122。
如图2所示，在第二实施例中，所述膜片11边缘只设置所述第一子结构121，优选地，多个所述第一子结构121在所述膜片11边缘均匀设置，且多个所述第一子结构121的形状及自振频率相同或相近，以保证多个所述第一子结构121在高阶振动模态和失效模态的一致性。
如图3所示，在第三实施例中，所述膜片11上只设置所述第二子结构122，优选地，多个所述第二子结构122在所述膜片11边缘均匀设置，且多个所述第二子结构122的形状及自振频率相同或相近，以保证多个所述第二子结构122在高阶振动模态和失效模态的一致性。
在本发明的上述或者其他可行的实施例中，所述梁结构在被破坏前允许发生一定量的形变，所述梁结构的形变与所述膜片11的形变量的差值最大处可超过1μm，以达到释放气流的作用，从而平衡所述膜片11两侧气压差，可延长所述膜片11的使用寿命及应用范围。
且，所述子结构12可以在电学上设置成与所述膜片11相同或不同的电极，从而获得电学设置上的便利。
由于本发明中所述梁结构的刚度较小，所述MEMS麦克风振膜10在工作时，当其中一个或多个所述第一子结构121和/或第二子结构122失效时，对所述膜片11的灵敏度影响较小，所述膜片11可以正常工作，并保证工作质量。
图4为设置有发明MEMS麦克风振膜10的MEMS麦克风。
如图4所示，在本实施例中，所述MEMS麦克风包括衬底20、第一支撑层30、MEMS麦克风振膜10、第二支撑层40、背极板50、第一导电层60、第一焊盘70和第二焊盘80。
所述第一支撑层30设置在所述衬底20和MEMS麦克风振膜10之间，且所述MEMS麦克风振膜10的子结构12与所述第一支撑层30接触。在所述衬底20上形成有声腔201，所述声腔201与所述MEMS麦克风振膜10的膜片11对应，且所述声腔201的截面大于所述膜片11的面积。所述膜片11随着声音信号振动，从而将声音信号转变为电信号。
所述第二支撑层40设置在所述MEMS麦克风振膜10的子结构12未与所述第一支撑层30接触的一面上，所述第二支撑层40上设置有通孔401，所述通孔401可暴露所述子结构12的表面。
所述背极板50部分与所述第二支撑层40接触，且所述第二支撑层40上的通孔401位于所述背极板50的范围之外，即所述背极板50不会遮挡所述通孔401；所述背极板50未与所述第二支撑层40接触的部分与所述MEMS麦克风振膜10的膜片11通过电解质流体(如空气)分开。
所述第一导电层60设置在所述第二支撑层40未与所述背极板50接触的部分上，且所述第一导电层60与所述背极板50彼此不接触，并通过所述第二支撑层40上的通孔401与所述MEMS麦克风振膜10的子结构12连接。所述第一焊盘70设置在所述背极板50上，所述第二焊盘80设置所述第一导电层60上。
通过设置所述MEMS麦克风振膜10使MEMS麦克风的灵敏度更高，且其信号质量更好。由于所述MEMS麦克风振膜10的单个甚至多个所述子结构12失效对所述振膜11的灵敏度影响可控制在3dB以内甚至小于1dB，使所述MEMS麦克风的使用寿命更长，可靠性更高。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种MEMS麦克风振膜，其特征在于，包括：
膜片和子结构，所述子结构设置有多个；
所述子结构包括在所述膜片边缘向外侧延伸形成的第一子结构，
所述第一子结构包括第一支撑部、第一梁结构和板结构，所述板结构连接到所述膜片的边缘、所述第一梁结构的第一端与所述板结构连接，所述第一梁结构的第二端与所述第一支撑部连接，
其中，所述第一梁结构的长度与宽度之比大于5，所述板结构的长度与宽度之比小于5。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风振膜，其特征在于，多个所述子结构沿所述膜片的边缘设置并连接到所述膜片上。
3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风振膜，其特征在于，所述子结构与所述膜片一体形成。
4.根据权利要求3所述的MEMS麦克风振膜，其特征在于，所述子结构与膜片之间设置有开槽。
5.根据权利要求4所述的MEMS麦克风振膜，其特征在于，所述子结构还包括形成在所述膜片上的第二子结构，所述第二子结构包括第二支撑部和第二梁结构，所述第二梁结构的一端与所述膜片连接，第二第二梁结构的第二段与所述第二支撑部连接。
6.根据权利要求1～5任一项所述的MEMS麦克风振膜，其特征在于，所述梁结构刚度小于所述膜片刚度的40％。
7.根据权利要求1～5任一项所述的MEMS麦克风振膜，其特征在于，所述子结构的面积小于所述膜片面积的10％。
8.根据权利要求1～5任一项所述的MEMS麦克风振膜，其特征在于，所述子结构的自振频率高于所述膜片的自振频率。
9.一种MEMS麦克风，其特征在于，包括：
衬底；
第一支撑层，设置在所述衬底上；
权利要求1～8中任一项所述的MEMS麦克风振膜，所述子结构设置在所述第一支撑层上；
第二支撑层，设置在所述子结构上；
背极板，所述背极板的一部分设置在所述第二支撑层上，另一部与所述MEMS麦克风振膜的膜片通过电介质流体分开；
第一导电层，设置在所述第二支撑层上。
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