CN109413554A - 一种指向性mems麦克风 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种指向性MEMS麦克风，包括：由基板和壳体围成的具有容纳腔的封装结构；以及位于所述容纳腔内且结合固定在所述基板上的MEMS芯片；所述壳体上包括第一声孔，所述第一声孔包括：形成于壳体顶壁内第一声音通道；位于所述第一壳体的顶壁上且连通第一声音通道与外界的第一开孔，位于所述第二壳体的顶壁上且连通第一声音通道与容纳腔的第二开孔；所述基板上包括有第二声孔，所述第二声孔包括：形成于所述基板内部的第二声音通道；位于所述第二声音通道一端的且与所述MEMS芯片背腔对应连通的第三开孔；以及位于所述第二声音通道另一端的且贯穿所述基板底面的第四开孔。该MEMS麦克风具有良好的指向性能。
Description
技术领域
本发明涉及电声产品技术领域。更具体地，涉及一种指向性MEMS麦克风。
背景技术
MEMS(微型机电系统)麦克风是一种基于MEMS技术制作出来的声电转换器，其具有体积小、频响特性好、噪声低等特点。随着电子设备的小巧化、轻薄化发展，MEMS麦克风被越来越多广泛地运用到诸如手机、平板电脑、相机、助听器、智能玩具以及监听装置等电子设备上。
MEMS麦克风通常包括有MEMS芯片以及与之电连接的ASIC (ApplicationSpecific Integrated Circuit，功能集成电路)芯片，其中MEMS 芯片包括衬底以及固定在衬底上的振膜和背极，振膜和背极构成了电容器并集成在硅晶片上，声音由声孔进入麦克风并且作用在MEMS芯片振膜上，通过振膜的振动，改变振膜与背极之间的距离，从而将声音信号转换为电信号。
现有技术中的麦克风，声音通常从单一的声孔进入，作用于MEMS芯片的振膜上，此类结构的MEMS麦克风为全指向性麦克风，无法实现声音的指向性，这在一定程度上限制了MEMS麦克风的应用领域和范围。这是因为全指向性麦克风对来自每个角度的声音的敏感度是一样的，即来自各个方向的声音均可以被其拾取到。当需要应用到某些特定的场所时，全指向性麦克风便无法满足要求。
因此，需要提供一种指向性MEMS麦克风。
发明内容
本发明的一个目的在于是提供一种具有良好的指向性能的MEMS麦克风。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种指向性MEMS麦克风，包括：由基板和壳体围成的具有容纳腔的封装结构；以及位于所述容纳腔内且结合固定在所述基板上的MEMS芯片；
所述壳体包括第一壳体以及嵌套在第一壳体外的第二壳体，所述第一壳体顶壁与第二壳体顶壁之间形成有腔体空间；
所述壳体上包括有将所述容纳腔与外界连通的第一声孔，所述第一声孔包括：由所述腔体空间构成的第一声音通道；位于所述第二壳体的顶壁上且连通第一声音通道与外界的第一开孔，位于所述第一壳体的顶壁上且连通第一声音通道与容纳腔的第二开孔；
所述基板上包括有将所述MEMS芯片的背腔与外界连通的第二声孔；所述第二声孔包括：形成于所述基板内部的第二声音通道；位于所述第二声音通道一端的且与所述MEMS芯片背腔对应连通的第三开孔；以及位于所述第二声音通道另一端的且贯穿所述基板底面的第四开孔。
此外，优选地方案是，所述第一开孔的竖向投影与所述第二开孔的竖向投影不重叠。
此外，优选地方案是，所述第三开孔的竖向投影与所述第四开孔的竖向投影不重叠。
此外，优选地方案是，所述指向性MEMS麦克风还包括覆盖所述第三开孔或第四开孔的阻尼片。
此外，优选地方案是，所述第三开孔由若干形成于所述基板上的微孔构成，或所述第四开孔由若干形成于所述基板上的微孔构成。
此外，优选地方案是，所述第一声音通道与所述第二声音通道的长度和/ 或形状不相同。
此外，优选地方案是，所述指向性MEMS麦克风还包括位于所述容纳腔内且结合固定在所述基板上的ASIC芯片。
此外，优选地方案是，所述MEMS芯片与所述ASIC芯片间通过金线通信连接；所述ASIC芯片与所述基板间通过金线通信连接。
此外，优选地方案是，所述壳体与所述基板之间通过胶体粘接或者锡膏焊接结合固定在一起。
此外，优选地方案是，所述第一壳体和所述第二壳体通过模具同时冲压成型，且通过自然应力嵌套在一起。
本发明的有益效果如下：
1、本发明提供的MEMS麦克风，外界的声音分别通过第一声孔和第二声孔作用于MEMS芯片振膜的两侧，第一声孔中的第一声音通道可以形成管道阻尼，减小声音通过第一声孔的声压，在物理结构上加大了声音经过第一声孔和第二声孔到达MEMS芯片振膜的声程差。当外界环境中有不同角度的声音输入时，振膜的灵敏度会产生差异，即来自不同方向的声音可以产生不同的灵敏度，MEMS芯片在两路声波的共同作用下产生电信号输出，从而实现了MEMS麦克风良好的指向性能。
2、本发明的MEMS麦克风在壳体上设有第一声音通道，在基板上设有第二声音通道，使用时，气流首先经过第一声音通道或第二声音通道，然后再通过壳体上的第二开孔或基板上的第三开孔作用在MEMS芯片上，第一声音通道和第二声音通道可以对气流进行缓冲，防止较大气流通过声孔直接作用于MEMS芯片上，确保MEMS芯片不受大气流的影响，解决了现有MEMS 麦克风超过一定频率时频率响应曲线会明显下降的问题，起到调节麦克风的高频响应的作用，有效地保持MEMS麦克风的电声转换性能。
3、本发明的MEMS麦克风中，第二声音通道的设置能有效增大MEMS 芯片的背腔体积，使MEMS麦克风产品得到更高的灵敏度和更高的信噪比，提高了产品的声学性能，且第二声音通道设置在基板内部，适应目前电子行业小型化、微型化的发展需求。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施方式的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会更清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图进行简单的介绍。可以理解的是，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明一优选实施方式中指向性MEMS麦克风的截面结构示意图。
图2示出本发明另一优选实施方式中指向性MEMS麦克风的截面结构示意图。
图3示出本发明另一优选实施方式中指向性MEMS麦克风的截面结构示意图。
图4示出本发明另一优选实施方式中指向性MEMS麦克风的截面结构示意图。
附图标记说明：1、壳体；11、第二壳体；12、第一壳体；13、第一声孔； 131、第一开孔；132、第一声音通道；133、第二开孔；2、基板；21、第二声孔；211、第三开孔；212、第二声音通道；213、第四开孔；3、MEMS芯片；4、ASIC芯片；5、金线；6、阻尼片；7、微孔。
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和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术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。
现有技术中的麦克风，声音通常从单一的声孔进入并作用于MEMS芯片上，此类结构的MEMS麦克风为全指向性麦克风，无法实现声音的指向性，这在一定程度上限制了MEMS麦克风的应用领域和范围，当需要应用到某些特定的场所时，全指向性麦克风便无法满足要求。基于现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有新型结构的指向性MEMS麦克风。
具体地，下面结合附图进行详细说明。图1示出本发明一优选实施方式中指向性MEMS麦克风的截面结构示意图。图2示出本发明另一优选实施方式中指向性MEMS麦克风的截面结构示意图。图3示出本发明另一优选实施方式中指向性MEMS麦克风的截面结构示意图。图4示出本发明另一优选实施方式中指向性MEMS麦克风的截面结构示意图。
本发明提供一种指向性MEMS麦克风，如附图所示，所述指向性MEMS 麦克风包括：由基板2和壳体1围成的具有容纳腔的封装结构；以及位于所述容纳腔内且结合固定在所述基板2上的MEMS芯片3；
所述壳体1包括第一壳体12以及嵌套在第一壳体12外的第二壳体11，如附图1-4所示，所述第一壳体12侧壁可以被配置为与第二壳体11侧壁贴合，以减小麦克风的整体尺寸，在本发明的其它实施方式中，第一壳体侧壁也可以与第二壳体侧壁间隔设置，即第一壳体侧壁与第二壳体侧壁之间不贴合，此时同样也可实现本发明的麦克风指向功能；所述第一壳体12顶壁与第二壳体11顶壁之间形成有腔体空间；
所述壳体1上包括有将所述容纳腔与外界连通的第一声孔13，所述第一声孔13包括：由所述腔体空间构成的第一声音通道132；位于所述第二壳体 11的顶壁上且连通第一声音通道132与外界的第一开孔131，位于所述第一壳体12的顶壁上且连通第一声音通道132与容纳腔的第二开孔133；
所述基板2上包括有将所述MEMS芯片3的背腔与外界连通的第二声孔 21；所述第二声孔21包括：形成于所述基板2内部的第二声音通道212；位于所述第二声音通道212一端的且与所述MEMS芯片3背腔对应连通的第三开孔211；以及位于所述第二声音通道212另一端的且贯穿所述基板2底面的第四开孔213。
需要说明的是，在MEMS麦克风结构中，MEMS芯片3通常包括衬底，在所述衬底上设置有由振膜以及背极构成的平板电容器结构。为了保证背极与振膜之间可以构成具有一定间隙的平板电容器结构，在所述背极与振膜之间还设置有用于支撑的支撑部，所述支撑部在起到支撑背极的同时，还可以保证背极与振膜之间的绝缘。此外，在MEMS芯片3结构中，所述支撑部、背极可通过依次沉积的方式形成在衬底上，所述衬底可以采用单晶硅材料，所述背极可以采用单晶硅或者多晶硅材料，这种材料的选择以及沉积的工艺属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
一方面，本发明提供的MEMS麦克风，外界的声音分别通过第一声孔13 和第二声孔21作用于MEMS芯片3振膜的两侧，第一声孔13中的第一声音通道132可以形成管道阻尼，减小声音通过第一声孔13的声压，在物理结构上加大了声音经过第一声孔13和第二声孔21到达MEMS芯片3振膜的声程差，当外界环境中有不同角度的声音输入时，振膜的灵敏度会产生差异，即来自不同方向的声音可以产生不同的灵敏度，MEMS芯片3在两路声波的共同作用下产生电信号输出，从而实现了MEMS麦克风良好的指向性能。
另一方面，传统MEMS麦克风结构，基板上的声孔多为与MEMS芯片直接对应设置，外界灰尘易从声孔直接进入MEMS芯片背腔污染MEMS芯片，且外界的声音气流从声孔进入麦克风后，由于没有缓冲，易直接冲击 MEMS芯片，导致麦克风发声不良。本发明的MEMS麦克风在壳体1上设有第一声音通道132，在基板2上设有第二声音通道212，使用时，气流首先经过第一声音通道132或第二声音通道212，然后再通过壳体1上的第二开孔 133或基板2上的第三开孔211作用在MEMS芯片3上，第一声音通道132 和第二声音通道212可以对气流进行缓冲，防止较大气流通过声孔直接作用于MEMS芯片3上，确保MEMS芯片3不受大气流的影响；另外，延长了的声孔还可以对MEMS麦克风的频响曲线进行调节，具体地，外界声音气流进入麦克风的声阻增大，声阻越大，麦克风品质因数越小，从而抑制高频段声音频响曲线，频响曲线高频共振峰的峰高降低，MEMS麦克风频响曲线的高频峰趋于平坦，进而能够使MEMS麦克风获得更佳的声学性能。
此外，本发明的MEMS麦克风中，第二声音通道212的设置能有效增大 MEMS芯片3的背腔体积，使MEMS麦克风产品得到更高的灵敏度和更高的信噪比，提高了产品的声学性能，且第二声音通道212设置在基板2内部，适应目前电子行业小型化、微型化的发展需求。
在本发明的优选实施方式中，如附图1所示，所述第一开孔131的竖向投影与所述第二开孔133的竖向投影不重叠。进一步地，所述第三开孔211 的竖向投影与所述第四开孔213的竖向投影不重叠。这种声孔相互交错的设置方式，可以使气流经过较长的声音通道然后再作用于MEMS芯片3，避免 MEMS芯片3受到大气流的直接冲击，而且在一定程度上还可以起到防尘防水的效果，保护MEMS麦克风容纳腔内的部件。
为了改变声阻的大小，本实施方式中进一步优选地，所述指向性MEMS 麦克风还包括覆盖所述第四开孔213的阻尼片6，该阻尼片6具有适当的透气率，在满足声音透过的同时，还可以在一定程度上防尘防水，保护MEMS芯片3免被污染。本领域技术人员可以理解的是，在本发明的另一优选实施方式中，如附图2所示，所述阻尼片6也可以覆盖在所述第三开孔211上，此时阻尼片6所起的作用与本实施方式中阻尼片6的作用相同，在此不再进行赘述。
作为本优选实施方式的另一变形，在本发明的可实现的实施方式中，如附图3所示，所述第三开孔211由若干形成于所述基板2上的微孔7构成，相比较直接开设大孔径的开孔，微孔7可以将气流变得缓和均匀，且由微孔7 形成的开孔能够在保证麦克风声学性能的前提条件下，起到更好的防尘、防冲击MEMS芯片3振膜的效果。本领域技术人员可以理解的是，作为上一实施方式的又一变形，如附图4所示，所述第四开孔213由若干形成于所述基板2上的微孔7构成，这一结构与上一实施方式相对于现有技术的优势相同，在此不再进一步赘述。
本优选的实施方式中，如图1所示，所述第一声音通道132与所述第二声音通道212的长度和形状均不相同，在物理结构上加大了声音通过第一声音通道132、第二声音通道212到达MEMS芯片3振膜的声程差，从而使该麦克风对来自不同方向的声音产生不同的灵敏度，提升MEMS麦克风的指向性能。本领域技术人员可以理解的是，在本发明的其它可实现的实施方式中，所述第一声音通道与所述第二声音通道的长度或形状也可以配置为仅有一项不相同，此时也可实现本发明中的功能。
在本实施方式中，进一步具体地，所述指向性MEMS麦克风还包括位于所述容纳腔内且结合固定在所述基板2上的ASIC芯片4。需要说明的是，所述MEMS芯片3和ASIC芯片4可以通过胶体粘接在所述基板2顶面上，也可以通过锡膏焊接或其它方式固定在所述基板2顶面上。
为实现MEMS芯片3、ASIC芯片4和基板2之间的通信，优选地，所述 MEMS芯片3与所述ASIC芯片4间通过金线5通信连接；所述ASIC芯片4 与所述基板2间通过金线5通信连接。工作时，MEMS芯片3将声信号转换为电信号，然后通过金线5传递给ASIC芯片4，ASIC芯片4对电信号进行处理，然后再通过金线5和基板2将结果输出至外部的电子设备。
此外需要说明的是，在实际装配过程中，所述壳体1与所述基板2之间的连接固定方式可以选择常见的方式，例如通过胶体粘接或者锡膏焊接将其结合固定在一起。
本优选的实施方式中，所述第一壳体12和所述第二壳体11通过模具同时冲压成型，且通过自然应力嵌套在一起，一次性制备即可得到本发明的双层壳体结构，有效简化双层壳体的制备工艺，相比于传统工艺中通过锡膏焊接或胶粘内外壳体，本实施方式工艺简单，更易于实现。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，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，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种指向性MEMS麦克风，其特征在于，包括：由基板和壳体围成的具有容纳腔的封装结构；以及位于所述容纳腔内且结合固定在所述基板上的MEMS芯片；
所述壳体包括第一壳体以及嵌套在第一壳体外的第二壳体，所述第一壳体顶壁与第二壳体顶壁之间形成有腔体空间；
所述壳体上包括有将所述容纳腔与外界连通的第一声孔，所述第一声孔包括：由所述腔体空间构成的第一声音通道；位于所述第二壳体的顶壁上且连通第一声音通道与外界的第一开孔，位于所述第一壳体的顶壁上且连通第一声音通道与容纳腔的第二开孔；
所述基板上包括有将所述MEMS芯片的背腔与外界连通的第二声孔；所述第二声孔包括：形成于所述基板内部的第二声音通道；位于所述第二声音通道一端的且与所述MEMS芯片背腔对应连通的第三开孔；以及位于所述第二声音通道另一端的且贯穿所述基板底面的第四开孔。
2.根据权利要求1所述的指向性MEMS麦克风，其特征在于，所述第一开孔的竖向投影与所述第二开孔的竖向投影不重叠。
3.根据权利要求1所述的指向性MEMS麦克风，其特征在于，所述第三开孔的竖向投影与所述第四开孔的竖向投影不重叠。
4.根据权利要求1所述的指向性MEMS麦克风，其特征在于，所述指向性MEMS麦克风还包括覆盖所述第三开孔或所述第四开孔的阻尼片。
5.根据权利要求1所述的指向性MEMS麦克风，其特征在于，所述第三开孔由若干形成于所述基板上的微孔构成，或所述第四开孔由若干形成于所述基板上的微孔构成。
6.根据权利要求1所述的指向性MEMS麦克风，其特征在于，所述第一声音通道与所述第二声音通道的长度和/或形状不相同。
7.根据权利要求1所述的指向性MEMS麦克风，其特征在于，所述指向性MEMS麦克风还包括位于所述容纳腔内且结合固定在所述基板上的ASIC芯片。
8.根据权利要求7所述的指向性MEMS麦克风，其特征在于，所述MEMS芯片与所述ASIC芯片间通过金线通信连接；所述ASIC芯片与所述基板间通过金线通信连接。
9.根据权利要求1所述的指向性MEMS麦克风，其特征在于，所述壳体与所述基板之间通过胶体粘接或者锡膏焊接结合固定在一起。
10.根据权利要求1所述的指向性MEMS麦克风，其特征在于，所述第一壳体和所述第二壳体通过模具同时冲压成型，且通过自然应力嵌套在一起。
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