CN108024184B - 麦克风系统及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种麦克风系统及其制造方法，该麦克风系统，包括：测量装置，其包括多个声音元件和连接于声音元件的半导体芯片，并且测量装置从外部接收振动信号和噪声信号，以抵消振动信号并改变噪声信号的相位，从而输出反相噪声信号；以及驱动器，其连接于半导体芯片并且包括在车辆的前玻璃中，驱动器响应于反相噪声信号而振动，以抵消从驱动器外部输入的噪声信号。

Description

麦克风系统及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种麦克风系统及其制造方法。
背景技术
近年来，将声音转换为电信号的麦克风的尺寸已缩小。人们正在基于微机电系统(MEMS,microelectromechanical systems)技术开发微型麦克风。
与传统的驻极体电容式麦克风(ECM，electret condenser microphone)相比，MEMS麦克风具有更强的耐湿热性，并且可缩小尺寸并与信号处理电路集成。
MEMS麦克风应用于包括例如智能电话、耳机、助听器等的移动通信设备的各种通信设备。MEMS麦克风可分为电容式和压电式麦克风。
电容式MEMS麦克风包括固定膜和膜片。当外部施加声压时，固定膜与膜片之间的间隙因膜片的振动而变形，因此改变电容。
基于在本过程中生成的电信号来测量声压。
另一方面，压电式MEMS麦克风仅包括振动膜。振动膜因外部声音而变形，并且通过压电效应生成电信号，从而测量声压。
目前大多数MEMS麦克风使用电容式MEMS麦克风。最近仅用于通信设备的MEMS麦克风被配置成在经常产生噪声的地方(例如，在车辆内)测量噪声。
通过车辆的挡风玻璃传输的噪声产生被引入到车辆中的噪声的大约51％。
通常，使用防噪声材料来防止噪声被引入到车辆中。然而，随着老化，车辆会产生更多的噪声，并且防噪材料的效果会退化。
因此，需要研究和开发以减少车辆内的噪声。
在本发明背景技术部分中公开的信息仅用于增强对本发明的一般背景的理解，并且不应被视为承认或任何形式的暗示该信息构成本领域技术人员已知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面旨在提供一种麦克风系统及其制造方法，其被配置为统一去除经由车辆的前玻璃(或挡风玻璃)传输的全频带上的噪声，并且被配置为具有高噪声抵消率。
本发明的一个示例性实施例旨在提供上述麦克风系统，包括：测量装置，其布置有多个声音元件和连接于声音元件的半导体芯片。测量装置从外部环境接收振动信号和噪声信号，并且被配置成抵消振动信号并改变噪声信号的相位以输出反相噪声信号。该系统包括驱动器，其连接于半导体芯片并且布置在车辆的前玻璃中，该驱动器被配置成响应于反相噪声信号而振动，以抵消从外部环境输入的噪声信号。
测量装置可包括：第一声音元件，其形成在与形成于壳体的第一侧的声音入口的位置相对应的位置处，并接收振动信号和噪声信号以输出第一输出信号；第二声音元件，其形成在与第一声音元件相邻的位置处，在壳体内处于被屏蔽的状态，并包括形成于第二声音元件下部的第一侧处的空气通道，并且仅接收振动信号以输出第二输出信号；以及半导体芯片，其连接于第一声音元件和第二声音元件，并被配置成接收第一输出信号和第二输出信号，以抵消振动信号并改变噪声信号的相位以输出反相噪声信号。
驱动器可电连接至半导体芯片，并且可介于车辆的内部前玻璃与外部前玻璃之间，并且驱动器可包括由反相噪声信号操作的压电致动器。
驱动器可包括：压电膜；电极层，其接合至压电膜的两个表面上，并且电连接至半导体芯片；以及柔性层，其接合至电极层的外表面，并接合至内部前玻璃和外部前玻璃的内表面。
柔性层中的每一层都包括透明且柔性的聚合物材料。
电极层中的每一层都包括石墨烯(graphene)材料。
半导体芯片可经由多个载流部件电连接至声音元件。
本发明的一个示例性实施方式旨在提供一种用于制造麦克风系统的方法，包括以下步骤：在包括声音入口的壳体中形成包含第一声音元件、第二声音元件和半导体芯片的测量装置；以及形成连接于半导体芯片并布置在车辆的前玻璃中的驱动器。
形成测量装置的步骤可包括：在与声音入口的位置相对应的位置处制造第一声音元件；以及在与第一声音元件相邻的位置处制造第二声音元件，第二声音元件在壳体中处于被屏蔽的状态，并且包括形成在第二声音元件的下部的第一侧处的空气通道。
形成测量装置的步骤可包括：在半导体芯片内产生多个载流部件，使得载流部件连接于第一声音元件和第二声音元件。
形成驱动器的步骤可包括：在第一铜箔的一个表面上形成第一电极层；在第一电极层的上部上涂覆第一柔性层；对第一铜箔进行蚀刻；在第二铜箔的一个表面上形成第二电极层；在第二电极层的一个表面上涂覆压电膜；将压电膜接合至第一电极层；对第二铜箔进行蚀刻；以及在第二电极层的另一个表面上涂覆第二柔性层。
第一柔性层和第二柔性层可包括透明且柔性的聚合物材料。
第一电极层和第二电极层可包括石墨烯材料。
本发明的示例性实施例可包括驱动器，该驱动器被配置成根据从包括多个声音元件和半导体芯片的测量装置传输的反相噪声信号而振动，并且在车辆前玻璃中大面积布置。驱动器可统一去除被引入到车辆前玻璃中的整个频带的噪声，使得本发明的示例性实施例具有高噪声抵消率。
本发明的方法和装置具有其它特征和优点，这些特征和优点将从本文包括的附图以及以下具体实施方式中变得显而易见并且进行更详细地阐述，附图以及具体实施方式一起用于解释本发明的某些原理。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施例的麦克风系统的测量装置的示意性配置图；
图2是根据本发明的示例性实施例的麦克风系统的驱动器的示意性配置图；
图3是示出根据本发明的示例性实施例的麦克风系统的信号处理操作的配置图；
图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13和图14是顺序示出根据本发明的示例性实施例的麦克风系统的制造方法的过程图。
应当理解，附图不一定按比例绘制，而呈现了说明本发明的基本原理的各种特征的稍微简化的表示。本文公开的本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、定向、位置和形状)将部分地由特定的预期应用和使用环境来确定。
在附图中，在附图的若干图中，附图标记始终指代本发明的相同或等同的部件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各种实施例，在附图中示出并在下面描述本发明的示例。虽然将结合示例性实施例描述本发明，但是应当理解，本说明书并不旨在将本发明限制于这些示例性实施例。相反，本发明旨在不仅涵盖示例性实施例，而且还包括各种替代、变型、等同物和其他实施例，其可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内。
图1是根据本发明的示例性实施例的麦克风系统的测量装置的示意性配置图。图2是根据本发明的示例性实施例的麦克风系统的驱动器的示意性配置图。
麦克风系统可包括测量装置(或检测器)1和驱动器100。
参考图1，可利用微机电系统(MEMS)技术形成测量装置1。
测量装置1可包括第一声音元件D1、第二声音元件D2和半导体芯片C。
第一声音元件D1可形成在与形成于壳体200的下部一侧的声音入口5的位置相对应的位置处。
壳体200包括下壳体10a和上壳体10b。
下壳体10a包括声音信号穿过的声音入口5，并且该下壳体可在振动信号作用下振动。
上壳体10b可安装在下壳体10a的上部上，并且可具有用于容纳第一声音元件D1、第二声音元件D2和半导体芯片C的预定容纳室。
壳体200可包括金属材料。
壳体200可具有圆柱状或矩形管形状。
第一声音元件D1可形成在壳体200内部与声音入口5相对应的位置处。
第一声音元件D1可从外部接收振动信号和噪声信号，并且可输出第一输出信号。
振动信号可以是由车身的振动而生成的信号，并且噪声信号可被定义为由车辆的发动机或风噪生成的信号。
第二声音元件D2可形成在壳体200内部与第一声音元件D1相邻的位置处。
第二声音元件D2可在壳体200内保持被屏蔽的状态，并且可被配置成独立于外部噪声信号。
第二声音元件D2可包括形成在第二声音元件下部一侧处的空气通道(或空气通路)19。
空气通道19被配置成只有空气流过的通道。空气通道19是形成在下壳体10a与第二声音元件D2之间的室，并且因与第一声音元件D1的因原始振动信号引起的机械振动相等的振动信号，可产生第二声音元件D2的机械振动。
第二声音元件D2可仅从下壳体10a接收振动信号，并且可输出第二输出信号。
除了空气通道19之外，第一声音元件D1和第二声音元件D2的结构可相同。声音元件D1和D2可分别包括衬底10、膜片20和固定膜30。
衬底10可包括硅，并且可包括声孔11。
膜片20可形成在衬底10的上部上，并且可暴露于声孔11。
多个槽21可形成在膜片20中。
固定膜30可布置在距离膜片20预定距离的位置处，并且可包括多个空气入口31。
换句话说，膜片20和固定膜30可彼此分开预定距离，并且预定距离的一部分可形成空气层。
空气层被配置成防止膜片20与固定膜30彼此接触。
当膜片20振动时，使得膜片20与固定膜30彼此接触，形成在固定膜的下部上的多个突起33被配置成使膜片20与固定膜30之间的接触面积最小。
支撑层23可形成在膜片20与固定膜30之间。
绝缘膜40可形成在固定膜30和支撑层23的整个上部上。
膜片20和固定膜30部分地露出，使得电极孔41可分别形成在绝缘膜40的两侧上。膜片20和固定膜30可通过电极孔41电连接至半导体芯片C。
半导体芯片C可形成在第一声音元件D1和第二声音元件D2的上部上，并且可电连接至第一声音元件D1和第二声音元件D2。
半导体芯片C可通过对形成在第一声音元件D1和第二声音元件D2的上部上的衬垫50应用共晶接合(eutectic bonding)，而被结合到该衬垫。
半导体芯片C可以是专用集成电路(ASIC)。
参考图2，驱动器100可连接到测量装置1的半导体芯片C，并且可被插入到车辆的内部前玻璃101a与外部前玻璃101b之间。
驱动器100可以布置在整个前玻璃101a和101b中的大部分区域中。
驱动器100可以是压电致动器，并且可包括压电膜110、电极层120和柔性层130。
压电膜110可包括作为压电材料的聚偏二氟乙烯(PVDF)。
电极层120可被接合至压电膜110的两个表面。
电极层120可通过电极线电连接至半导体芯片C。电极层120可包括石墨烯材料。
柔性层130可接合至电极层120的外表面。柔性层130可由透明且柔性的聚合物形成，使得驱动器100柔性地振动，例如柔性层130可包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
在下文中，将参考图3来描述根据本发明的示例性实施例的麦克风系统的信号处理方法。
图3是示出根据本发明的示例性实施例的麦克风系统的信号处理操作的配置图。
参考图3，噪声信号和振动信号可输入至测量装置1和驱动器100。
包含声音元件D1和D2的测量装置1可同时接收噪声信号和振动信号，并且驱动器100可被配置为独立于振动信号，因此仅接收噪声信号。
更具体地，第一声音元件D1可从外部接收噪声信号和振动信号，并且可输出第一输出信号。
第二声音元件D2可接收振动信号并且可输出第二输出信号。
半导体芯片C可接收第一输出信号和第二输出信号，以抵消振动信号，并且可改变噪声信号的相位以输出反相噪声信号。
当反相噪声信号传输至驱动器100时，该驱动器可根据反相噪声信号振动。驱动器100可将反相噪声信号与从外部传输的噪声信号相结合，其中从外部输入的噪声信号被抵消。因此，驱动器100可防止噪声信号进入车辆。
在下文中，将参考图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13和图14，来描述根据本发明的示例性实施例的麦克风系统的制造方法。
图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13和图14是顺序示出麦克风系统的制造方法的过程图。
第一声音元件D1和第二声音元件D2彼此相邻地形成在单个衬底10的相反两侧。
尽管第一声音元件D1和第二声音元件D2彼此相邻地形成在单个衬底10上，然而可根据需要改变第一声音元件D1和第二声音元件D2的位置，并且可分别利用两个衬底来形成第一声音元件D1和第二声音元件D2。
参考图4，可在衬底10上形成氧化物膜，并且可使所形成的氧化物膜图案化，以便可以形成第一氧化物层13a和第二氧化物层13b。
接下来，第一膜片20a和第二膜片20b可分别形成在第一氧化物层13a和第二氧化物层13b上。
第一膜片20a和第二膜片20b可分别包括槽21。
参考图5，牺牲层15可形成在衬底10、第一膜片20a和第二膜片20b上。
牺牲层15可迫使固定膜30从膜片分离预定距离。
接着，多个凹口17可分别形成在与第一膜片20a和第二膜片20b对应的牺牲层15的上部。
参考图6，第一固定膜30a和第二固定膜30b可分别形成在与第一膜片20a和第二膜片20b相对应的牺牲层15的上部。
第一固定膜30a和第二固定膜30b可包括与凹口17相对应的突起33。
当膜片20振动时，其中膜片与固定膜30彼此接触，突起33可使膜片与固定膜之间的接触面积最小。
空气入口31可形成在第一固定膜30a和第二固定膜30b中。
接下来，在牺牲层15的一侧以使第一膜片20a和第二膜片20b的一部分表面露出的方式而形成多个电极孔41。
电极孔41为了向第一膜片和第二膜片施加电流而露出第一膜片20a和第二膜片20b的一部分。
参考图7，绝缘膜40可完全形成在牺牲层15、第一固定膜30a和第二固定膜30b上。
接下来，对与空气入口31的一部分相对应的绝缘膜40进行蚀刻。
接下来，对与每个电极孔41相对应的绝缘膜40进行蚀刻，使得第一膜片20a和第二膜片20b的一部分露出。
可以对绝缘膜40的与第一固定膜30a和第二固定膜30b相对应的部分进行蚀刻，以便可形成露出第一固定膜和第二固定膜的电极孔41。
参考图8，衬垫50可形成在绝缘膜40的上表面的一部分上。
衬垫50可包括用于接合半导体芯片C的金属材料。
参考图9，在第一光刻胶膜(photoresist film)P1形成在衬底10的下部上之后，可将第一光刻胶膜用作掩模，使得空气通道19形成在衬底10的下部的一侧处。
参考图10，在去除第一光刻胶膜P1并形成第二光刻胶膜之后，可使用第二光刻胶膜作为掩模，分别在与第一膜片20a和第二膜片20b对应的衬底10中形成第一声孔11a和第二声孔11b。
接下来，可去除第二光刻胶膜。
接下来，在去除第一氧化物层13a和第二氧化物层13b之后，可去除牺牲层15，从而形成支撑层23。
参考图11，包括多个载流部件60的半导体芯片C，可通过对形成在第一声音元件D1和第二声音元件D2的上部上的衬垫50应用共晶接合而接合至衬垫50。载流部件60可沿其竖直方向形成。
在通过上述制造方法制造的测量装置1中，第一声音元件D1可包括第一膜片20a、第一声孔11a和第一固定膜30a，第二声音元件D2可包括第二膜片20b、第二声孔11b和第二固定膜30b。
可通过利用微机电系统(MEMS)技术的半导体批量处理，将测量装置1制造为单个芯片。可使用单个衬底彼此相邻地形成测量装置的第一声音元件D1和第二声音元件D2，并且可通过测量装置的半导体芯片C处理振动信号和噪声信号。
参考图12，驱动器100的第一电极层120a可形成在第一铜箔103a的一个表面上。第一电极层120a可包括石墨烯材料。
接下来，第一柔性层130a可涂覆在第一电极层120a的上部上。第一柔性层130a可包括透明且柔性的聚合物材料。例如，第一柔性层130a可包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
接下来，可通过蚀刻工艺去除第一铜箔103a。
参考图12，驱动器100的第二电极层120b可形成在第二铜箔103b的一个表面上。第二电极层120b可包括石墨烯材料。
接下来，压电膜110可涂覆在第二电极层120b的一个表面上。
参考图12，压电膜110可结合至第一电极层120a。
参考图13，可通过蚀刻工艺去除第二铜箔103b。
参考图14，第二柔性层130b可涂覆在第二电极层120b的另一表面上。
第二柔性层130b可包括透明且柔性的聚合物材料，例如，第二柔性层130b可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
根据本发明的示例性实施例的麦克风系统及其制造方法可包括驱动器100，该驱动器根据从具有声音元件D1和D2以及半导体芯片C的测量装置1传输的反相噪声信号而振动，并且布置在车辆的前玻璃101a和101b的大面积区域中。因而，驱动器100可去除被引入到车辆前玻璃的整个频带的噪声，使得本发明的示例性实施例具有高噪声抵消率。
为了便于说明和所附权利要求中的精确定义，术语“上部”、“下部”、“内部”、“外部”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“后部”、“内”、“外”、“向内”、“向外”、“内部的”、“外部的”、“向前”和“向后”用于参考附图中显示的特征的位置来描述示例性实施例的特征。
已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的具体示例性实施例的前述描述。它们并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的那些精确实施方式，并且显然根据上述教导许多变型和变化都是可能的。选择和描述示例性实施例以解释本发明的某些原理及其实际应用，以使本领域技术人员能够制造和使用本发明的各种示例性实施例，以及其各种替代和变型。意图是由所附权利要求及其等同物限定本发明的范围。

Claims (11)

1.一种麦克风系统，包括：
测量装置，其包括多个声音元件和连接于所述声音元件的半导体芯片，并且所述测量装置从外部接收振动信号和噪声信号，以抵消振动信号并改变噪声信号的相位，从而输出反相噪声信号；以及
驱动器，其连接于所述半导体芯片并且包括在车辆的前玻璃中，所述驱动器响应于反相噪声信号而振动，以抵消从所述驱动器外部输入的噪声信号，
所述驱动器包括：
压电膜；
电极层，其接合至所述压电膜的第一表面和第二表面，并且电连接至所述半导体芯片；以及
柔性层，其接合至所述电极层的外表面，并接合至内部前玻璃和外部前玻璃的内表面。
2.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述测量装置包括：
第一声音元件，其形成在与形成于壳体的内部的声音入口的位置相对应的位置处，并接收振动信号和噪声信号以输出第一输出信号；
第二声音元件，其形成在与所述第一声音元件相邻的位置处，在所述壳体内处于被屏蔽的状态，并包括形成于所述第二声音元件下部的一侧处的空气通道，并且接收振动信号以输出第二输出信号；以及
半导体芯片，其连接于所述第一声音元件和所述第二声音元件，并接收所述第一输出信号和所述第二输出信号，以抵消振动信号并改变噪声信号的相位，从而输出反相噪声信号。
3.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述驱动器电连接至所述半导体芯片，并且介于车辆的内部前玻璃与外部前玻璃之间，并且所述驱动器包括由反相噪声信号操作的压电致动器。
4.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述柔性层中的每一层都包括透明且柔性的聚合物材料。
5.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述电极层中的每一层都包括石墨烯材料。
6.根据权利要求1所述的麦克风系统，其中，所述半导体芯片经由多个载流部件电连接至所述声音元件。
7.一种用于制造麦克风系统的方法，包括以下步骤：
在包括声音入口的壳体中形成包含第一声音元件、第二声音元件和半导体芯片的测量装置；以及
形成连接于所述半导体芯片并包含在车辆的前玻璃中的驱动器,
其中，形成所述驱动器的步骤包括：
在第一铜箔的第一表面上形成第一电极层；
在所述第一电极层的上部上涂覆第一柔性层；
对所述第一铜箔进行蚀刻；
在第二铜箔的第一表面上形成第二电极层；
在所述第二电极层的第一表面上涂覆压电膜；
将所述压电膜接合至所述第一电极层；
对所述第二铜箔进行蚀刻；以及
在所述第二电极层的第二表面上涂覆第二柔性层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，形成测量装置的步骤包括：
在与所述声音入口的位置相对应的位置处形成所述第一声音元件；以及
在与所述第一声音元件相邻的位置处形成第二声音元件，所述第二声音元件在所述壳体中处于被屏蔽的状态，并且包括形成在所述第二声音元件的下部的一侧处的空气通道。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，形成测量装置的步骤包括：
在所述半导体芯片内形成多个载流部件，其中所述载流部件连接于所述第一声音元件和所述第二声音元件。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一柔性层和所述第二柔性层中的每一个都包括透明且柔性的聚合物材料。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一电极层和所述第二电极层中的每一个都包括石墨烯材料。
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