CN108702576A - 电容式mems麦克风及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电容式MEMS麦克风(20,30,43)及电子装置。该电容式MEMS麦克风(20,30,43)包括：振膜(21,31)；和基板(24,34)，其中在所述振膜(21,31)与基板(24,34)之间形成腔体(23,33)，该腔体(23,33)以弹性体被填充。在电容式MEMS麦克风中采用弹性体取代空气间隙，从而提高麦克风的信噪比。

Description

电容式MEMS麦克风及电子装置
技术领域
本发明涉及电容式MEMS麦克风技术领域，更具体地，涉及一种电容式MEMS麦克风及电子装置。
背景技术
麦克风是将声能量转换为电能量的换能器。已经发展出许多换能原理，包括压电麦克风、电容式麦克风和接触式麦克风。
在现有技术中，大多数硅麦克风是基于电容检测原理的。这些麦克风也被称为电容式麦克风或电容麦克风。
P.R.Scheeper等人的“A review of silicon microphone,Sensors andActuators”,A44,1994,1-11中公开了一种电容麦克风，它在此处引入作为参考。图1示出了该电容麦克风，它包括振膜11、空气间隙12、背板13以及后室15。该背板13中包含连接空气间隙12和后室15的声孔14。
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)是采用微加工技术制造的微型机械和电机部件(即，设备或者结构)。MEMS麦克风是基于MEMS技术的麦克风。
因此，有必要提出一种新的电容式MEMS麦克风，以解决现有技术中存在的至少一个问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于电容式MEMS麦克风的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种电容式MEMS麦克风，包括：振膜；及基板，其中，所述振膜与所述基板之间形成腔体，所述腔体以弹性体被填充。
另选地或可选地，电介质间隔件被设置于所述基板上，所述振膜被设置于所述电介质间隔件上，并且所述腔体被所述振膜、所述电介质间隔件及所述基板所密封。
另选地或可选地，所述弹性体是被密封于所述腔体中的高电击穿气体,并且所述腔体内的压力高于环境压力。
另选地或可选地，所述弹性体是固态弹性体。
另选地或可选地，所述固态弹性体是弹性聚合物和凝胶中的至少一个。
另选地或可选地，所述固态弹性体通过间隙与所述腔体的侧壁分隔。
另选地或可选地，所述固态弹性体的弹性模量的范围为1kPa-5MPa。
另选地或可选地，顶部电极被安装于所述振膜上，以及底部电极被安装于所述基板上。
另选地或可选地，所述电容式MEMS麦克风的偏置电压为1-300V。
根据本发明的第二方面，提供一种电子装置，包括根据本发明的电容式MEMS麦克风。
根据本发明的实施例，在电容式MEMS麦克风中采用弹性体取代现有技术中的空气间隙，从而提高麦克风的信噪比。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是现有技术中的电容式麦克风的示意图。
图2是根据本发明的第一实施例的电容式MEMS麦克风的示意图。
图3是根据本发明的第二实施例的电容式MEMS麦克风的示意图。
图4是包含根据本发明的实施例的电容式MEMS麦克风的电路封装示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参考图1，在MEMS器件的情况下，空气间隙12中的空气被视为是不可压缩的。当振膜11振动时，空气间隙12中的空气会通过背板13中的声孔14流向后室15，这将会产生热噪声。结果，麦克风的信噪比受到限制。
此外，在图1的麦克风结构中，由于在高电场下振膜11可能会被吸合至背板13，因此振膜11与背板13之间的可允许电场受到限制。结果，麦克风的灵敏度受到限制。另外，为适应高电场就需扩大空气间隙12，这将增加麦克风的大小。
另外，空气间隙12和后室15是不密封的，因此它们对颗粒污染敏感。
此外，由于振膜11在空气间隙12没有被支撑，所以它相对脆弱。
考虑到上述因素中的至少一种，在本发明实施例中提出用弹性体(或间隙)代替空气间隙。将参考图2-4描述本发明的实施例及例子。
图2是根据本发明的第一实施例所述的电容式MEMS麦克风的示意图。
如图2所示，电容式MEMS麦克风20包含振膜21及基板24。在振膜21和基板24之间形成腔体23。该腔体23以弹性体被填充。
本领域技术人员能够想到的多种弹性体，它们都可以用于腔体23中。在图2的一个例子中，腔体23是密封的腔体。所述弹性体是被密封于腔体23中的高电击穿气体。在这情况下，该密封的气体被视为是弹性气体。
优选地，腔体23内的压力高于环境压力。通过这种方法，在一定程度上可以防止振膜21的吸合，因此相对高的电场可以被施加于振膜21与基板24之间。
如图2所示，电介质间隔件22被设置于所述基板24上，所述振膜21被设置于所述电介质间隔件22上。所述腔体23被所述振膜21、所述电介质间隔件22及所述基板24所密封。
例如，顶部电极(未示出)被安装于所述振膜21上，并且底部电极(未示出)被安装于所述基板24上。电场可以通过顶部电极与底部电极进行施加，以感应它们之间的电容变化。优选地，所述电容式MEMS麦克风的偏置电压为1-300V；更优选地，所述偏置电压为10-100V；进一步优选地，所述偏置电压为10-60V。
例如，基板24可以是硅、玻璃、陶瓷、PCB(Printed Circuit Board印刷电路板)、FPCB(Flexible Printed Circuit Board柔性印刷电路板)等。电介质间隔件22可以是SiO2(二氧化硅)、SixNy、聚合物、抗蚀剂等。所述高电击穿气体可以是SF6、C4F8等。在一个例子中，所述高电击穿气体可以是小分子量气体，如He(氦气)、Ar(氩气)等，从而它更易于被压缩。
振膜21的材料可以是硅、多晶硅、金属/金属叠层、合金、具有金属的聚合物，或者任何导电薄膜材料。
例如，腔体23是气密密封的。采用这种方式，麦风设备可以容忍如潮湿、化学或腐蚀性应用这样的恶劣环境。
图3是根据本发明第二实施例所述的电容式MEMS麦克风的示意图。与本发明第一实施例中重复的内容在此不再赘述。
如图3所示，电容式MEMS麦克风包括振膜31和基板34。在所述振膜31与基板34之间形成腔体33。腔体33以弹性体被填充。在本实施例中，该弹性体是固态弹性体，如弹性聚合物(硅胶)和/或凝胶。
振膜31可以在固态弹性体上被支撑，以增强麦克风的稳固性。
在本实施例中，没有无支撑/活动部件的固态结构可以带来麦克风的高可靠性。被设置于或被密封于在间隙内的诸如弹性聚合物(硅胶)或凝胶的弹性材料形成麦克风的主要刚度，而振膜31在声压下更具有挠性。
在一个例子中，所述固态弹性体通过间隙35与腔体33的侧壁(例如电介质间隔件32)分隔。这种结构可以保证在腔体33中是弹性模态位移而不是体模压缩，这将使得振膜31对声音震动更敏感。
一般来说，所述固态弹性体的弹性模量的范围为1kPa-5MPa，优选地是10kPa-1MPa。例如，顶部电极(未示出)被安装于振膜31上，并且底部电极(未示出)被安装于基板34上。电场可以通过所述顶部电极和所述底部电极进行施加，以感应它们之间的电容变化。优选地，所述电容式MEMS麦克风的偏置电压为1-300V；更优选地，所述偏置电压为10-100V；进一步优选地，所述偏置电压为10-60V。
在本实施例中，腔体33也可以是一个密封腔。通过这种方法，可以避免其受到颗粒污染。如图3所示，电介质间隔件32被设置于基板34上。振膜31被设置与电介质间隔件32上。腔体33可以被振膜31、电介质间隔件32以及基板34所密封。
例如，基板34可以是硅、玻璃、陶瓷、PCB(Printed Circuit Board印刷电路板)、FPCB(field programmable circuit board现场可编程电路板)等。电介质间隔件32可以是SiO2、SixNy、聚合物、抗蚀剂等。振膜31的材料可以是硅、多晶硅、金属/金属叠层、合金、具有金属的聚合物、或者任何导电薄膜材料。
在本发明的实施例中，在振膜31中的顶部电极和在基板34表面上的底部电极可以形成感测电容，由于其介电常数可被提高，与有空气间隙的典型的MEMS麦克风中的电容相比，该感测电容高得多。因此，与典型的MEMS麦克风相比，可以得到更低的寄生比及更高的信噪比。
此外，所述弹性体(例如密封气体或者固态弹性体)的介质击穿的阈值可以远高于空气间隙的介质击穿的阈值。再者，可以消除所述振膜的坍塌或吸合，并可以在振膜和基板之间施加与典型的MEMS麦克风相比更高的电场，以提高电容式MEMS麦克风的灵敏度和信噪比。
此外，所述腔体中相对高的介电常数还可以减少感测面积，从而缩减芯片的大小，这带来低成本。
这种电容式MEMS麦克风的结构不需要现有技术中所需的大后室。这将带来小尺寸和低成本的封装。
在所述腔体中的弹性体的体积谐振可以产生平滑的宽带频率响应。
由于所述弹性体具有垂直弹性刚度，麦克风将对封装应力不敏感，这将在制造时带来更高的产量、更高的稳定性以及更高的可靠性。
通过本发明的实施例，所述振膜的加工方法可以是丰富的，例如，通过振膜的键合和溶解，或者通过振膜的沉积和构图。
图4是包含根据本发明实施例所述的电容式MEMS麦克风的封装电路的示意图。
如图4所示，封装电路40包括盖子41、印刷电路板(PCB)42以及电容式MEMS麦克风43。盖子41和电容式MEMS麦克风43被安装在印刷电路板42。盖子41有开口44。声波将通过开口44传播至麦克风43。麦克风43是根据本发明所述的电容式MEMS麦克风。麦克风43通过线路45连接到印刷电路板42的导电线46。封装电路40是电子装置的一部分。在电子装置中的麦克风43可以用于检测声波。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种电容式MEMS麦克风，包括：
振膜；以及
基板，
其中，在所述振膜与基板之间形成腔体，所述腔体以弹性体被填充。
2.根据权利要求1所述的电容式MEMS麦克风，其中，电介质间隔件被设置在所述基板上，所述振膜被设置在电介质间隔件上，并且所述腔体被所述振膜、所述电介质间隔件及所述基板所密封。
3.根据权利要求1或2所述的电容式MEMS麦克风，其中，所述弹性体是被密封于所述腔体中的高电击穿气体,并且所述腔体内的压力高于环境压力。
4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的电容式MEMS麦克风，其中，所述弹性体是固态弹性体。
5.根据权利要求1-4中的任意一项所述的电容式MEMS麦克风，其中，所述固态弹性体是弹性聚合物和凝胶中的至少一个。
6.根据权利要求1-5中的任意一项所述的电容式MEMS麦克风，其中，所述固态弹性体通过间隙与所述腔体的侧壁分隔。
7.根据权利要求1-6中的任意一项所述的电容式MEMS麦克风，其中，所述固态弹性体的弹性模量的范围为1kPa-5MPa。
8.根据权利要求1-7中的任意一项所述的电容式MEMS麦克风，其中，顶部电极被安装于所述振膜上，以及底部电极被安装于所述基板上。
9.根据权利要求1-8中的任意一项所述的电容式MEMS麦克风，其中，所述电容式MEMS麦克风的偏置电压为1-300V。
10.一种电子装置，包括根据权利要求1-9中的任意一项所述的电容式MEMS麦克风。
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