CN108260061B - 横向模式电容式麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包括MEMS麦克风的电容式麦克风。在所述麦克风中，可移动或可偏转的薄膜/隔膜相对于固定背板以横向方式移动，而不是朝向固定背板/从固定背板移动。基本上避免了挤压膜阻尼，并且显著改善了麦克风的性能。

Description

横向模式电容式麦克风

技术领域

本发明总地涉及一种横向模式电容式麦克风。本发明的麦克风可以应用在智能手机、电话、助听器、用于音乐厅和公共事件的公共广播系统、电影制作、直播和录制的音频工程、双向无线电、扩音器、无线电和电视广播，以及应用在用于录制声音、语音识别、VoIP以及用于非声学目的例如超声波传感器或爆震传感器等等的计算机中。

背景技术

麦克风是将声音转换为电信号的换能器。在麦克风的不同设计中，常规地采用所谓的“平行板”电容式设计来构造电容式麦克风或电容器(condenser)麦克风。与需要声波做更多工作的其他麦克风类型不同，在电容式麦克风中只有非常小的块(mass)需要由入射声波移动。电容式麦克风通常产生高质量的音频信号，并且从电话发送器到便宜的卡拉OK麦克风再到高保真录制麦克风，现在是在消费电子产品、实验室和录制室应用中的热门选择。

图1是现有技术中的平行电容式麦克风的示意图。几乎平行地紧密放置两个薄层101和102。它们中的一个是固定背板101，并且另一个是可移动/可偏转的薄膜/隔膜102，其可以由声压移动或驱动。隔膜102充当电容器的一个板，并且其振动产生在两个层101和102之间的距离的变化，以及在它们之间的互电容的变化。

“挤压膜”和“被挤压膜”是指用于对移动组件相对于固定组件的振动运动进行阻尼的一类液压或气动阻尼器。当移动组件垂直移动并紧密靠近固定组件的表面(例如，在大约2和50微米之间)时，被挤压膜阻尼出现。被挤压膜效果产生于压缩和膨胀被困在移动板和固体表面之间的空间中的流体(例如，气体或液体)。流体具有高阻力，并且随着流体流过移动板和固体表面之间的空间，阻尼移动组件的运动。

在如图1所示的电容式麦克风中，当两个层101和102彼此紧密靠近且其间布置有空气时，挤压膜阻尼出现。层101和102被安置得如此紧密在一起(例如，在5μm以内)，使得空气可以被“挤压”和“拉伸”以减缓薄膜/隔膜101的移动。随着层101和102之间的间隙收缩，空气必须流出该区域。因此，空气的流动粘度引起了抵抗移动薄膜/隔膜101的运动的力。当薄膜/隔膜101具有大的表面积与间隙长度比时，挤压膜阻尼是显著的。两个层101和102之间的这种挤压膜阻尼变成机械噪声源，这是整个麦克风结构中的所有噪声源中的主导因素。

有利的是，本发明提供了一种麦克风设计，其中由于可移动薄膜/隔膜没有移动进入固定背板，因此基本上避免了挤压膜阻尼。

发明内容

本发明提供一种电容式麦克风，其包括第一电导体和第二电导体。这两个导体被配置为在它们之间具有相对空间关系，使得它们之间能够生成互电容。可以通过声压沿着3D空间中的影响方向的范围对第一电导体和/或第二电导体进行影响，改变所述相对空间关系以及互电容两者。在给定声压的同一力度/强度时，可以通过声压沿着上述影响方向的范围中的一个方向对第一电导体和/或第二电导体进行影响来最多地改变(或最大地改变)互电容。这样的方向被定义为主方向。第一电导体在垂直于主方向的概念平面(conceptualplane)上具有沿着主方向的第一凸起。第二电导体在概念平面上具有沿着主方向的第二凸起。第一凸起和第二凸起之间具有最短的距离Dmin，并且不管第一电导体和/或第二电导体是否沿着主方向受声压影响，Dmin保持大于零。

在结合附图时，根据以下对实施本发明的最佳模式的详细描述，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。

附图说明

在附图的图中通过示例的方式而非通过限制的方式说明了本发明，并且其中相同的附图标记指代相似的元件。所有图是示意性的，并且通常仅示出了为了阐明本发明所必需的部分。为了说明的简单和清楚，图中所示的和下面所讨论的元件不一定按比例绘制。以简化形式示出了众所周知的结构和设备，从而避免不必要地模糊本发明。可以省略或者仅仅建议其他部分。

图1示出了现有技术中的常规电容式麦克风。

图2A示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的横向模式电容式麦克风。

图2B图示了根据本发明的示例性实施例的横向模式电容式麦克风。

图3图示了声压沿着方向的范围影响麦克风。

图4图示了根据本发明的示例性实施例的关于如何为麦克风中的内部组件确定主方向的方法。

图5示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的MEMS电容式麦克风。

图6图示了根据本发明的示例性实施例的具有梳齿配置的第一/第二电导体。

图7描绘了根据本发明的示例性实施例的图6的两个梳齿之间的空间关系。

图8示出了根据本发明的示例性实施例的以2×2阵列配置布置四个可移动薄膜。

图9展示了根据本发明的示例性实施例的一个或更多个例如两个空气流动限制器的设计。

图10示出了由于空气泄漏麦克风灵敏度在低频处下降。

图11示出了根据本发明的示例性实施例的在减少/防止空气泄漏的情况下的频率响应。

图12展示了根据本发明的示例性实施例的横向模式麦克风(麦克风)设计的频率响应。

图13示出了用于比较的常规麦克风设计的频率响应。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节从而提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或在等效布置的情况下来实践本发明。

在本文中公开了数字范围的情况下，除非另外指明，否则这样的范围是连续的，包括范围的最小值和最大值以及在这样的最小值和最大值之间的每个值。另外，在该范围指代整数的情况下，只包含从该范围的最小值到最大值并且包含该最大值的整数。另外，在提供多个范围来描述特征或特性的情况下，可以组合这些范围。

图2A图示了根据本发明的各种实施例的例如MEMS麦克风的电容式麦克风200。第一电导体201和第二电导体202被配置为在它们之间具有相对空间关系，使得它们之间可以生成互电容。第一电导体201和第二电导体202彼此独立地由多晶硅、金、银、镍、铝、铜、铬、钛、钨和铂制成。可以通过声压对第一电导体201和/或第二电导体202进行影响来改变相对空间关系以及互电容两者。如图3所示，声压可以沿着由虚线所示的3D空间中的影响方向的范围影响201和/或202。在给定声压的同一力度/强度时，可以通过声压沿着上述如图3所示的影响方向的范围中的某个方向对第一电导体201和/或第二电导体202进行影响来最多地改变(或最大地改变)互电容。在图4中概念性地画出了由具有同一强度的来自3D空间的声压的各种影响方向(IDAPWSI)造成的互电容的改变(ΔMC)。主方向被定义为生成ΔMC的峰值的影响方向，并且在图2A中被标记为方向210。应该认识到，在给定声压的同一力度/强度时，可以通过声压沿着如图3所示的影响方向的范围中的某个方向X对第一电导体201和/或第二电导体202进行影响来最多地改变(或最大地改变)相对空间关系。方向X可以与上面所定义的主方向210相同或不同。在本发明的某些实施例中，主方向可以被可替换地定义为方向X。

返回参考图2A，第一电导体201在垂直于主方向210的概念平面220上具有沿着主方向210的第一凸起201P。第二电导体202在概念平面220e上具有沿着主方向210的第二凸起202P。第一凸起201P和第二凸起202P之间具有最短的距离Dmin。在本发明中，Dmin可以是恒定的或可改变的，不管第一电导体201和/或第二电导体202是否沿着主方向210受声压影响，但总是大于零。图2B示出了图2A的麦克风的示例性实施例。第一电导体201是静止的，并且具有与现有技术中的固定背板类似的功能。类似于图1中的可移动/可偏转薄膜/隔膜102的第二电导体202的大平坦面积接收声压，并且沿着垂直于平坦面积的主方向上下移动。然而，导体201和202以并排的空间关系配置。作为电容器的一个“板”，第二电导体202不会朝向第一导体201和从第一导体201移动。相反，第二导体202在第一导体201上方横向移动或“滑动”，产生了201和202之间的重叠面积的变化，并因此改变了它们之间的互电容。基于导体201和202之间的这种相对移动的电容式麦克风在本发明中被称为横向模式电容式麦克风。

在本发明的示例性实施例中，麦克风可以是MEMS(微机电系统)麦克风、AKA芯片/硅麦克风。典型地，通过MEMS处理技术将压敏隔膜直接蚀刻到硅晶片中，并且压敏隔膜经常伴随有集成的前置放大器。对于数字MEMS麦克风，它可以包括内置在同一个CMOS芯片上的模数转换器(ADC)电路，使该芯片成为数字麦克风，并且因此更容易与数字产品集成。

在如图5所示的实施例中，电容式麦克风200可以包括例如硅的基板230。基板230可以被视为图2A中的概念平面220。第一电导体201和第二电导体202可以被并排地构造在基板230上方。可替代地，第一电导体201可以围绕第二电导体202，如图5所示。在示例性的实施例中，第一电导体201相对于基板230是固定的。另一方面，第二电导体202可以是相对于基板230可移动的薄膜。主方向可以垂直于薄膜平面202。可移动的薄膜202可以经由三个或更多个悬架202S(例如四个悬架202S)被附接到基板230。如稍后将描述和说明的，每个悬架202S可以包括折叠和对称的悬臂。

在如图6所示的实施例中，第一电导体201包括第一组梳齿201f。作为第二导体202的可移动薄膜包括围绕薄膜的周边区域的第二组梳齿202f。两组梳齿201f和202f彼此交错。相对于第一组梳齿201f，第二组梳齿202f是沿着垂直于薄膜平面202的主方向可移动的。这样，来自位于薄膜202和基板之间的间隙内的空气的阻力被降低，例如，降低了25倍的挤压膜阻尼。在优选实施例中，第一组梳齿201f和第二组梳齿202f具有相同的形状和尺寸。如图7所示，每个梳齿具有沿着主方向210测量的同一宽度W，并且在没有由声波造成的振动的情况下，第一组梳齿201f和第二组梳齿202f具有沿着主方向210的位置偏移PS。例如，沿着主方向210的位置偏移PS可以是宽度W的三分之一，PS＝1/3W。换句话说，在没有由声波造成的振动的情况下，第一组梳齿201f和第二组梳齿202f具有沿着主方向210的2/3W的重叠。

在实施例中，可移动的薄膜202可以具有正方形的形状。如图8所示，本发明的电容式麦克风可以包括一个或更多个可移动的薄膜。例如，可以以2×2阵列配置布置四个可移动的薄膜。

在如图9所示的某些实施例中，本发明的电容式麦克风包括一个或更多个例如两个空气流动限制器241，其限制流入/流出在薄膜202和基板230之间的间隙的空气的流动速率。空气流动限制器241可以被设计为减小用于空气流入/流出间隙的空气通道240的大小。可替代地或另外地，空气流动限制器241可以增加用于空气流入/流出间隙的空气通道240的长度。例如，空气流动限制器241可以包括进入凹槽243的插入件(insert)242，其不仅减小了空气通道240的大小，而且增加了空气通道240的长度。

返回参考图6和图7，梳齿201f被固定在锚上，并且梳齿202f与薄膜形状的第二电导体202(为了简化，在下文中称为薄膜202)集成。当薄膜202由于声波而振动时，齿202f与薄膜202一起移动。两个相邻齿201f和202f之间的重叠面积随着该移动而变化，因此电容也变化。最终检测到与常规电容式麦克风相同的电容变化信号。

泄漏一直是麦克风设计中的关键问题。在如图1所示的常规平行板设计中，为了使空气缓慢通过，它在边缘周围一般具有一对小孔，以保持在低频下薄膜101两侧的空气压力平衡。这是希望的泄漏。然而，大的泄漏是不希望的，因为它会让某些低频声波经由孔容易地避开薄膜振动，并且会导致在低频下的灵敏度下降。图10示出了由于泄漏灵敏度在低频处下降。对于典型的电容式MEMS麦克风，频率范围是在100Hz和20kHz之间，因此图10中的灵敏度下降是不希望的。

为了防止这种大的泄漏，设计了更优选的结构并在图9中示出，图9图示了防止泄漏的凹槽或者槽和壁。返回参考图9，空气流动限制器241可以用作防止本发明的麦克风中的空气泄漏的结构。空气流动限制器241包括进入凹槽243的插入件242，其不仅减小了空气通道240的大小，而且增加了空气通道240的长度。在MEMS麦克风中，可以在正方形薄膜202的边缘周围的基板上蚀刻深槽，然后连接到薄膜202的壁242被沉积以形成长且窄的空气管240，该空气管240给出了大的声阻力。图11描绘了在防止泄漏的情况下的频率响应。这种泄漏防止结构对于保持频率响应曲线在100Hz至1000Hz的范围上更平坦具有显著的效果。空气阻力的水平可以通过蚀刻在基板上的槽深度来控制。槽越深，阻力越高。

在下文中，将使用某些理论和建模来分析本发明的优选实施例。然而，应该理解，本发明不受任何特定的理论和建模的限制或约束。

压力噪声N_p可以被定义为：

其中k_T为在300k(1.38×10^-23J/K*300K)处的玻尔兹曼常数，R_a为整个系统中的声阻力，以及A_m为薄膜的面积。

灵敏度和信噪比(SNR)是描述麦克风的性能的最重要的两个因素。作为标准计算，20μPa声压被标记为1个声音单位或0dB。

以dB为单位的声级＝20log(声音单位) (2)

当只有1个声音单位时，以dB为单位的声级将为零。但是如果有为1Pa等效声压的50000个声音单位，以dB为单位的声级将是94dB。等效噪声级(ENL)经常被用于表示1Pa以下的噪声级。因此，SNR可以被推导为：

在表1中评估、估计和列出了根据本发明的横向模式麦克风的实施例的性能。由于小得多的挤压膜阻尼，单一薄膜的等效噪声级(ENL)可以被减少4dB。此外，4裸芯(4-die)阵列也可以将噪声减少2倍(即6dB)。因此，最终的SNR可以具有10dB的改善。

表1：本发明的新横向麦克风(新麦克风)和常规平行板麦克风(原始麦克风)之间的比较

	新麦克风	原始麦克风
			灵敏度(dB)/4裸芯阵列	-33dB/-21dB	-48dB
SNR/4裸芯阵列	71dB/77dB	67dB

至于频率响应的比较，横向模式设计由于更低的阻尼而具有更高的Q因子，如图12所示。然而，同时它也具有从10kHz到100Hz的较大灵敏度范围，因为泄漏水平仍然不是足够低。为了比较，图13展示了原始麦克风设计的频率响应。

为了具有更平坦的频率响应曲线，可以在麦克风结构中引入更深的泄漏防止槽和壁，甚至双槽。可以通过再增加一个槽/凹槽来修改设计。如在图9的下面的图所图示的，这种双槽可以显著地改善性能，如表2所展示的。

表2：双槽泄漏防止设计的性能

灵敏度@1kHz/4裸芯阵列	-34.9dB/-22.9dB
		SNR	70.8dB/76.8dB

在前面的说明书中，已经参考从实现方式到实现方式可以改变的许多具体细节描述了本发明的实施例。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。本发明的范围以及申请人希望成为本发明的范围的内容的唯一和排他的标识采用具体的形式的本申请得出的一组权利要求(包括任何后续更正)的文字和等同范围，这样的权利要求以所述具体形式得出。

Claims (16)

1.一种电容式麦克风，包括被配置为在其间具有相对空间关系的第一电导体和第二电导体，

其中在所述第一电导体和所述第二电导体之间能够生成互电容；

其中可以通过声压沿着3D空间中的影响方向的范围对所述第一电导体和/或所述第二电导体进行影响，改变所述相对空间关系和所述互电容两者；

其中通过声压沿着所述影响方向的范围中的一个方向对所述第一电导体和/或所述第二电导体进行影响来最多地改变所述互电容，所述一个方向被定义为主方向；

其中所述第一电导体在垂直于所述主方向的概念平面上具有沿着所述主方向的第一凸起；

其中所述第二电导体在所述概念平面上具有沿着所述主方向的第二凸起；以及

其中所述第一凸起和所述第二凸起之间具有最短的距离Dmin，并且不管所述第一电导体和/或所述第二电导体是否沿着所述主方向受声压影响，Dmin保持大于零，

其中所述电容式麦克风还包括基板，所述基板能够被视为所述概念平面，并且其中所述第一电导体和所述第二电导体被并排地构造在所述基板上方，

其中所述第一电导体相对于所述基板是固定的，其中所述第二电导体包括相对于所述基板是可移动的薄膜，并且其中所述主方向垂直于所述薄膜平面，

其中所述电容式麦克风还包括空气流动限制器，所述空气流动限制器限制流入/流出所述薄膜与所述基板之间的间隙的空气的流动速率，并且所述空气流动限制器包括进入凹槽的插入件。

2.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其中所述第一电导体和所述第二电导体彼此独立地由多晶硅、金、银、镍、铝、铜、铬、钛、钨或铂制成。

3.根据权利要求2所述的电容式麦克风，所述电容式麦克风是MEMS麦克风。

4.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其中所述可移动的薄膜经由三个或更多个悬架诸如四个悬架被附接到所述基板。

5.根据权利要求4所述的电容式麦克风，其中所述悬架包括折叠和对称的悬臂。

6.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其中所述第一电导体包括第一组梳齿，其中所述可移动的薄膜包括围绕薄膜的周边区域的第二组梳齿，并且其中这两组梳齿彼此交错。

7.根据权利要求6所述的电容式麦克风，其中所述第二组梳齿相对于所述第一组梳齿是横向可移动的，并且来自位于所述薄膜和所述基板之间的间隙内的空气的阻力被降低。

8.根据权利要求6所述的电容式麦克风，其中所述第一组梳齿和所述第二组梳齿具有相同的形状和尺寸。

9.根据权利要求8所述的电容式麦克风，其中每个梳齿具有沿着所述主方向测量的同一宽度，并且所述第一组梳齿和所述第二组梳齿具有沿着所述主方向的位置偏移。

10.根据权利要求9所述的电容式麦克风，其中沿着所述主方向的所述位置偏移是所述宽度的三分之一。

11.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其中所述可移动的薄膜是正方形形状的。

12.根据权利要求11所述的电容式麦克风，所述电容式麦克风包括一个或更多个所述可移动的薄膜。

13.根据权利要求12所述的电容式麦克风，所述电容式麦克风包括以2×2阵列配置布置的四个可移动的薄膜。

14.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其中所述空气流动限制器减小用于空气流入/流出所述薄膜与所述基板之间的间隙的空气通道的大小。

15.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其中所述空气流动限制器增加用于空气流入/流出所述薄膜与所述基板之间的间隙的空气通道的长度。

16.根据权利要求1所述的电容式麦克风，还包括至少两个空气流动限制器，所述至少两个空气流动限制器限制流入/流出所述薄膜与所述基板之间的间隙的空气的流动速率。

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