CN109660927A - 一种麦克风芯片及麦克风 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种麦克风芯片及麦克风。所述麦克风芯片包括：依次层叠设置的基底、振膜、牺牲层和背极板；所述基底上设置有第一通孔作为背腔；所述牺牲层与所述第一通孔对应的区域设置有第二通孔，使所述背极板与所述振膜之间形成空腔；所述振膜与所述第二通孔对应的第一振动区域设置有多个第三通孔，所述背极板与所述第二通孔对应的第二振动区域设置有多个第四通孔；所述第三通孔的直径大于或等5微米，且所述第三通孔的个数大于或等于10；所述第四通孔的直径大于或等于5微米。本发明实施例的方案提升了麦克风的信噪比。
Description
技术领域
本发明实施例涉及麦克风技术，尤其涉及一种麦克风芯片及麦克风。
背景技术
随着人工智能时代的来临,智能语音系统被广泛应用于家居、车载、可穿戴设备等。用于语音采集的硅麦克风的频率响应范围为100Hz～10kHz,一般来讲，人们平时讲话的声音频率范围只覆盖到300Hz～3kHz。语音识别系统(如翻译器，机器人)对语音清晰度要求较高，这就需要硅麦克风具有较高的信噪比(65dB～68dB)，而传统的硅麦克风的信噪比一般很难高于65dB，因此亟需提高硅麦克风的信噪比。
发明内容
本发明提供一种麦克风芯片及麦克风，以提升麦克风的信噪比。
第一方面，本发明实施例提供了一种麦克风芯片，该麦克风芯片包括：
依次层叠设置的基底、振膜、牺牲层和背极板；
所述基底上设置有第一通孔作为背腔；
所述牺牲层与所述第一通孔对应的区域设置有第二通孔，使所述背极板与所述振膜之间形成空腔；
所述振膜与所述第二通孔对应的第一振动区域设置有多个第三通孔，所述背极板与所述第二通孔对应的第二振动区域设置有多个第四通孔；
所述第三通孔的直径大于或等于5微米，且所述第三通孔的个数大于或等于10；所述第四通孔的直径大于或等于5微米。
可选的，所述第三通孔的直径大于或等于5微米，且小于或等于10微米；
所述第四通孔的直径大于或等于5微米，且小于或等于15微米。
可选的，沿垂直于所述基底的方向，所述振膜与所述背极板之间的间距小于或等于2微米。
可选的，多个所述第三通孔相对于所述振膜的中心点中心对称分布。
可选的，所述振膜的第一振动区域为圆形，所述第一振动区域的边缘设置有多个缓冲结构，多个所述缓冲结构沿所述第一振动区域的圆周均匀分布；
所述缓冲结构包括圆心位于所述第一振动区域的边界的第一圆弧形沟槽，以及与所述第一振动区域同心的第二圆弧形沟槽；所述第一圆弧形沟槽和所述第二圆弧形沟槽的深度小于所述振膜的厚度；
所述第一圆弧形沟槽与所述第二圆弧形沟槽相交，且所述第二圆弧形沟槽在所述第一圆弧形沟槽处截止。
可选的，所述缓冲结构包括多个同心设置的第一圆弧形沟槽，且沿所述第一振动区域的直径方向，多个所述同心设置的第一圆弧形沟槽的间距相等；
所述缓冲结构包括多个半径不同的第二圆弧形沟槽，且沿所述第一振动区域的直径方向，所述多个半径不同的第二圆弧形沟槽的间距相等。
第二方面，本发明实施例还提供了一种麦克风，该麦克风包括：
ASIC芯片、基座、保护壳和权利要求1-7任一项所述的麦克风芯片；
所述麦克风芯片和所述ASIC芯片设置于所述基座与所述保护壳形成的空腔内，且所述麦克风芯片和所述ASIC芯片固定在所述基座上，所述麦克风芯片和所述ASIC芯片之间电气连接。
可选的，所述保护壳的高度大于或等于0.8毫米。
可选的，所述保护壳上设置有进音孔，所述进音孔表面设置有保护圈，所述保护圈沿垂直于所述保护壳的方向的厚度为大于或等于5毫米，且小于或等于6毫米。
本发明实施例通过收紧频响带宽的手段提升麦克风的信噪比，具体为通过在振膜上增加第三通孔，第三通孔的直径大于或等于5微米，且第三通孔的个数大于或等于10，使得振膜的响应频率向低频偏移，且可以有效降低振膜的应力，并缓解振膜振动时的空气阻尼压迫，从而提升了麦克风的灵敏度和信噪比性能。并且通过设置背极板上的第四通孔的直径大于或等于5微米，使得振膜振动时，与背极板之间产生的气流更为容易排泄，从而降低麦克风的噪音，提高信噪比，同时较大的第四通孔可以降低麦克风的亥姆霍兹谐振频率，即降低麦克风的高频截止频率，使得麦克风的频响带宽变窄，从而提升品质因数，降低阻尼损耗，进一步提升硅麦克风的信噪比和灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种麦克风芯片的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种麦克风振膜的示意图；
图3是本发明实施例提供的一种麦克风背极板的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种麦克风的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本实施例提供了一种麦克风芯片，图1是本发明实施例提供的一种麦克风芯片的示意图，图2是本发明实施例提供的一种麦克风振膜的示意图，图3是本发明实施例提供的一种麦克风背极板的示意图。参考图1-图3，该麦克风芯片包括：
依次层叠设置的基底10、振膜20、牺牲层30和背极板40；
基底10上设置有第一通孔11作为背腔；
牺牲层30与第一通孔11对应的区域设置有第二通孔31，使背极板40与振膜20之间形成空腔；
振膜20与第二通孔31对应的第一振动区域22设置有多个第三通孔21，背极板40与第二通孔31对应的第二振动区域42设置有多个第四通孔41；
第三通孔21的直径D1大于或等于5微米，且第三通孔21的个数大于或等于10；第四通孔41的直径D2大于或等于5微米。
其中，振膜20第一振动区域22之外的区域为边缘固定区，用于将振膜20固定到基底10上。振膜20与背极板40组成电容，当振膜20感受到外部的音频声压信号后，振膜20发生振动，振膜20与背极板40之间的距离改变，电容容量变化，麦克风芯片输出的电信号变化，通过检测电信号变化得到音频声压信号。
本实施例通过在振膜20上增加第三通孔21，第三通孔21的直径D1大于或等于5微米，且第三通孔21的个数大于或等于10，使得振膜20的响应频率向低频偏移，且可以有效降低振膜20的应力，并缓解振膜20振动时的空气阻尼压迫，从而提升了麦克风的灵敏度和信噪比性能。并且通过设置背极板40上的第四通孔41的直径D2大于或等于5微米，使得振膜20振动时，与背极板40之间产生的气流更为容易排泄，从而降低麦克风的噪音，提高信噪比，同时较大的第四通孔41可以降低麦克风的亥姆霍兹谐振频率，即降低麦克风的高频截止频率，使得麦克风的频响带宽变窄，从而提升品质因数，降低阻尼损耗，进一步提升硅麦克风的信噪比和灵敏度。
可选的，第三通孔21的直径D1大于或等于5微米，且小于或等于10微米；
第四通孔41的直径D2大于或等于5微米，且小于或等于15微米。
具体的，第三通孔21的直径D1过大时，低频衰减过大，通过设置D1大于或等于5微米，且小于或等于10微米，保证了麦克风具有较高的灵敏度和信噪比性能。此外，第四通孔41的直径过大时，外界的水汽等污染物容易通过第四通孔41进入麦克风芯片内部，附着到振膜20上，影响振膜20的灵敏度，通过设置D2大于或等于5微米，且小于或等于15微米，保证了麦克风具有较高的信噪比和灵敏度。
优选的，第三通孔21的直径D1大于或等于7微米，且小于或等于8微米，保证了麦克风具有较高的灵敏度和信噪比性能。
可选的，参考图2，多个第三通孔21相对于振膜20的中心点中心对称分布。这样设置，保证了振膜20各个位置受力均匀，避免某一处应力集中影响振膜20性能。
需要说明的是，第一振动区域22可以设置多圈第三通孔21，每一圈第三通孔21沿与振膜20的第一振动区域22同心的圆周均匀分布。
可选的，参考图1，沿垂直于基底10的方向，振膜20与背极板40之间的间距D3小于或等于2微米。
具体的，由于背极板40上的第四通孔41具有较大的尺寸，使得振膜20上的压膜阻尼得有效释放，因此振膜20与背极板40之间的间距D3可以适当的减小，以提升麦克风的灵敏度。通过设置振膜20与背极板40之间的间距D3小于或等于2微米，保证了麦克风具有较高的灵敏度。
可选的，振膜20的第一振动区域22为圆形，第一振动区域22的边缘设置有多个缓冲结构23，多个缓冲结构23沿第一振动区域22的圆周均匀分布；
缓冲结构23包括圆心位于第一振动区域22的边界的第一圆弧形沟槽231，以及与第一振动区域22同心的第二圆弧形沟槽232；第一圆弧形沟槽231和第二圆弧形沟槽232的深度小于振膜20的厚度；
第一圆弧形沟槽231与第二圆弧形沟槽232相交，且第二圆弧形沟槽232在第一圆弧形沟槽231处截止。
其中，振膜20的第一振动区域22的中央区域221主要用于对音频声压信号产生响应发生形变，中央区域221之外的区域即边缘区域。第三通孔21设置于中央区域221，边缘区域上设置有缓冲结构23，用于对振膜20的第一振动区域22受到的机械应力进行缓冲。其中，边缘区域可以为振膜20的第一振动区域22二分之一半径之外的区域，也可以根据需要设置其大小，本实施例并不做具体限定。多个缓冲结构23沿第一振动区域22的圆周均匀分布使得应力在第一振动区域22上均匀分布，避免某一处应力集中造成振膜20破裂。
第一圆弧形沟槽231沿第一振动区域22的圆周均匀分布，即相邻第一圆弧形沟槽231的圆心的连线为正多边形，示例性的可以为正方形。第一圆弧形沟槽231可以对振膜20受到的轴向应力起到缓冲作用，同时可以增加振膜20的机械振动强度，提高麦克风振膜的灵敏度。
第二圆弧形沟槽232与第一振动区域22同心，第二圆弧形沟槽232可以对振膜20受到的径向应力起到缓冲作用，避免工艺制造过程中热应力使振膜产20生挤压形变，提高了产品的加工良率及产品性能。
另外，第一圆弧形沟槽231和第二圆弧形沟槽232的深度小于振膜20的第一振动区域22的厚度，保证了振膜20的完整性，使得振膜20在受到高气压冲击或跌落产生的剧烈振动时，可以通过中央区域221的膜片带动缓冲结构23弹性形变运动，将应力释放到振膜20的边缘固定区，降低了振膜20破裂的可能性。
此外，第一圆弧形沟槽231与第二圆弧形沟槽232相交，且第二圆弧形沟槽232在第一圆弧形沟槽231处截止。即沿振膜20的第一振动区域22的圆周方向第一圆弧形沟槽231和第二圆弧形沟槽232交替设置，使得缓冲结构23占用的空间较小，在第一振动区域22的边缘区域可以设置更多的缓冲结构23，对应力起到更好的缓冲作用，且这样设置，沿同一圆周上第一圆弧形沟槽231和第二圆弧形沟槽232连为一体，可以同时对轴向应力和径向应力起到缓冲作用，更好的对振膜20受到的机械应力进行缓冲。
可选的，缓冲结构23包括多个同心设置的第一圆弧形沟槽231，且沿第一振动区域22的直径方向，多个同心设置的第一圆弧形沟槽231的间距相等；
缓冲结构23包括多个半径不同的第二圆弧形沟槽232，且沿第一振动区域22的直径方向，多个半径不同的第二圆弧形沟槽232的间距相等。
其中，多个同心设置的第一圆弧形沟槽231组成包络状弹簧结构，可以更好的对轴向应力起到缓冲作用，同时进一步增加了振膜20的机械振动强度，提升振膜20的灵敏度。另外通过设置多个同心设置的第一圆弧形沟槽231的间距相等，使得各第一圆弧形沟槽231受到的应力较为均匀，避免应力集中对第一圆弧形沟槽231产生破坏，影响产品性能。
其中，多个半径不同的第二圆弧形沟槽232组成弹簧结构，可以更好的对径向应力起到缓冲作用，进一步避免制造过程中热应力使振膜20产生挤压形变，提高了产品的加工良率及产品性能。且通过设置多个半径不同的第二圆弧形沟槽232的间距相等，使得各第二圆弧形沟槽232受到的应力较为均匀，避免应力集中对第二圆弧形沟槽232产生破坏，影响产品性能。
可选的，第二圆弧形沟槽232的最小半径大于或等于第一振动区域22的半径的二分之一。这样设置，使得振膜20的中央区域221较大，可以更好的响应对音频声压信号，提升检测灵敏度。
可选的，第一圆弧形沟槽231的最大半径小于或等于第一振动区域22的半径的二分之一。这样设置，使得振膜20的中央区域221较大，可以更好的响应对音频声压信号，提升检测灵敏度。
本实施例的方案通过将振膜上的第三通孔的直径由2um-5um增加到5um-10um，且数量大于或等于10；将背极板上的第四通孔的直径由小于5um增大到5um-15um；并且将振膜到背极板的距离由5-7um减小到小于2um，缩小了麦克风芯片的频响带宽，提升了信噪比性能。
本实施例还提供了一种麦克风，图4是本发明实施例提供的一种麦克风的示意图，参考图4，该麦克风包括：
ASIC芯片100、基座200、保护壳300和本发明任意实施例所述的麦克风芯片400；
麦克风芯片400和ASIC芯片100设置于基座200与保护壳300形成的空腔内，且麦克风芯片400和ASIC芯片100固定在基座200上，麦克风芯片400和ASIC芯片100之间电气连接。
其中，保护壳300可以为金属壳，基座200可以为PCB基板，麦克风芯片400的基底固定于基座200。麦克风芯片400的振膜和背极板之间形成电容结构。当振膜感受到外部的音频声压信号后(音频声压信号从图4中进音口301进入麦克风)，振膜与背极板之间的距离改变，改变电容容量，再通过ASIC芯片100将电容变化转化为电压信号变化并进行输出。
可选的，保护壳300高度h大于或等于0.8毫米。
这样设置，增加了保护壳300与基座200组成的腔体体积，即增大了声音前腔室的容积，可以有效降低麦克风的高频截止频率，缩小硅麦克风响应带宽，并且通过增高保护壳300的高度h增长了声音到麦克风芯片400的传输路径，提升麦克风的灵敏度。
优选的，保护壳300的高度h大于或等于0.8毫米，且小于或等于1.2毫米，避免保护壳300体积过大。此外，保护壳300的长度l可以为大于或等于3.5毫米，宽度可以为大于或等于2.65毫米。
可选的，保护壳300上设置有进音孔301，进音孔301表面设置有保护圈302，保护圈302沿垂直于保护壳300的方向的厚度d大于或等5毫米，且小于或等于6毫米。这样设置，增长了声音传输路径，有利于降低麦克风的高频截止频率，且保证麦克风安装到其他装置时不会占用过大的体积。
其中，保护圈302用于麦克风安装到其他装置时对麦克风起到固定和保护作用，保护圈302可以为橡胶圈。
本实施例通过设置保护壳的高度大于或等于0.8毫米，使保护壳的容积增大10％以上，并且通过将保护圈的高度由2mm～3mm增加到5mm～6mm，进一步缩小了麦克风的频响带宽，提升了麦克风的信噪比性能。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (9)
1.一种麦克风芯片，其特征在于，包括：
依次层叠设置的基底、振膜、牺牲层和背极板；
所述基底上设置有第一通孔作为背腔；
所述牺牲层与所述第一通孔对应的区域设置有第二通孔，使所述背极板与所述振膜之间形成空腔；
所述振膜与所述第二通孔对应的第一振动区域设置有多个第三通孔，所述背极板与所述第二通孔对应的第二振动区域设置有多个第四通孔；
所述第三通孔的直径大于或等于5微米，且所述第三通孔的个数大于或等于10；所述第四通孔的直径大于或等于5微米。
2.根据权利要求1所述的麦克风芯片，其特征在于：
所述第三通孔的直径大于或等于5微米，且小于或等于10微米；
所述第四通孔的直径大于或等于5微米，且小于或等于15微米。
3.根据权利要求1所述的麦克风芯片，其特征在于：
沿垂直于所述基底的方向，所述振膜与所述背极板之间的间距小于或等于2微米。
4.根据权利要求1所述的麦克风芯片，其特征在于：
多个所述第三通孔相对于所述振膜的中心点中心对称分布。
5.根据权利要求1所述的麦克风芯片，其特征在于：
所述振膜的第一振动区域为圆形，所述第一振动区域的边缘设置有多个缓冲结构，多个所述缓冲结构沿所述第一振动区域的圆周均匀分布；
所述缓冲结构包括圆心位于所述第一振动区域的边界的第一圆弧形沟槽，以及与所述第一振动区域同心的第二圆弧形沟槽；所述第一圆弧形沟槽和所述第二圆弧形沟槽的深度小于所述振膜的厚度；
所述第一圆弧形沟槽与所述第二圆弧形沟槽相交，且所述第二圆弧形沟槽在所述第一圆弧形沟槽处截止。
6.根据权利要求5所述的麦克风芯片，其特征在于：
所述缓冲结构包括多个同心设置的第一圆弧形沟槽，且沿所述第一振动区域的直径方向，多个所述同心设置的第一圆弧形沟槽的间距相等；
所述缓冲结构包括多个半径不同的第二圆弧形沟槽，且沿所述第一振动区域的直径方向，所述多个半径不同的第二圆弧形沟槽的间距相等。
7.一种麦克风，其特征在于，包括：
ASIC芯片、基座、保护壳和权利要求1-6任一项所述的麦克风芯片；
所述麦克风芯片和所述ASIC芯片设置于所述基座与所述保护壳形成的空腔内，且所述麦克风芯片和所述ASIC芯片固定在所述基座上，所述麦克风芯片和所述ASIC芯片之间电气连接。
8.根据权利要求7所述的麦克风，其特征在于：
所述保护壳的高度大于或等于0.8毫米。
9.根据权利要求7所述的麦克风，其特征在于：
所述保护壳上设置有进音孔，所述进音孔表面设置有保护圈，所述保护圈沿垂直于所述保护壳的方向的厚度为大于或等于5毫米，且小于或等于6毫米。
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