CN109714690A - Mems麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS麦克风，包括具有背腔的基底以及设于所述基底上的电容系统，所述电容系统包括背板以及与所述背板相对且分别设置在所述背板两侧的第一振膜和第二振膜，所述第一振膜和所述第二振膜与所述背板间隔设置并分别形成第一空腔和第二空腔，所述背板设有多个连通所述第一空腔与所述第二空腔的通孔，且所述第一空腔和所述第二空腔内填充有粘滞系数小于空气的气体。与相关技术相比，本发明提供的MEMS麦克风具有更低的本底噪声、更好的抗异物侵入及抗高温高湿环境的能力、以及更高的结构强度。

Description

MEMS麦克风

【技术领域】

本发明涉及声电技术领域，尤其涉及一种MEMS(Micro Electro MechanicSystem)麦克风。

【背景技术】

MEMS(微型机电系统)麦克风是一种用微机械加工技术制作出了的电能换声器，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、薄型化发展，MEMS麦克风被越来越广泛地运用到这些设备上。

相关技术中的MEMS麦克风包括硅基底以及由振膜和背板组成的平板电容，振膜与背板相对并间隔设置。振膜在声波的作用下产生振动，导致振膜和背板之间的距离发生改变，随之平板电容的电容发生改变，从而将声波信号转化为电信号。平板电容的电容值与振膜和背板之间的间隙成反比，因此，为了保证足够的电容值，二者之间的间隙通常控制在1μm到5μm之间。同时在振膜与背板之间的间隙内填充有空气，成为薄流层，由于薄流层很薄，气体分子在其中进行无规则的热运动，撞击振膜，形成麦克风的本底噪声，噪声幅值正比于空气的粘滞系数。

另外，由于MEMS麦克风与外界连通，外来或工艺过程中产生异物容易进入振膜和背板之间，阻碍振膜的正常振动，造成麦克风性能的改变甚至失效。

因此，有必要提供一种改进的MEMS麦克风来解决上述问题。

【发明内容】

针对相关技术中的MEMS麦克风由于薄流层气体分子的无规则热运动导致麦克风本底噪声大的技术问题，本发明提供了一种通过双振膜构造密闭腔体的MEMS麦克风。

一种MEMS麦克风，包括具有背腔的基底以及设于所述基底上的电容系统，所述电容系统包括背板以及与所述背板相对且分别设置在所述背板两侧的第一振膜和第二振膜，所述第一振膜和所述第二振膜与所述背板间隔设置并分别形成第一空腔和第二空腔，所述背板设有多个连通所述第一空腔与所述第二空腔的通孔，且所述第一空腔和所述第二空腔内填充有粘滞系数小于空气的气体。

优选的，在所述MEMS麦克风通电工作时，所述第一振膜产生第一电信号，所述第二振膜产生第二电信号，且所述第一电信号与所述第二电信号相位相反。

优选的，所述第一振膜位于所述背板远离所述基底的一侧，所述第一振膜的振幅大于所述第二振膜的振幅。

优选的，所述第一振膜与所述第二振膜的振幅相同。

优选的，所述第一振膜与所述第二振膜的振动方向相同。

优选的，所述气体为丁烷、丙烷、丙烯、氢气、乙烷、氨、乙炔、乙基氯、乙烯、甲烷、二氧化硫、硫化氢、氯气、二氧化碳、二氧化氮、氮气中的至少一种。

优选的，所述第一空腔和所述第二空腔与外界环境的压差小于或等于0.1atm。

优选的，所述MEMS麦克风还包括第一支撑件和第二支撑件，所述第一支撑件将所述第一振膜与所述背板分隔一定距离并形成所述第一空腔，所述第二支撑件将所述第二振膜与所述背板分隔一定距离并形成所述第二空腔。

优选的，所述第一支撑件和所述第二支撑件均为绝缘件。

与相关技术相比，本发明的MEMS麦克风通过双振膜构造密闭腔体，并在密闭腔体内填充粘滞系数比空气小的气体，使所述MEMS麦克风实现更低的本底噪声；由于麦克风的有效工作区完全密闭，液体、颗粒物、湿气、以及挥发物不会侵入到工作区域内，大大提升了产品抵抗异物侵入以及抵抗高温高湿环境的能力；还有助于提高产品的抗跌落、抗吹气性能。

【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作简单地介绍，显而易见地，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它的附图，其中：

图1为本发明MEMS麦克风的结构示意图；

图2为图1所示A-A线的剖视图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请结合参阅图1和图2，本发明提供了一种MEMS麦克风100，其包括具有背腔10的基底1以及设于所述基底1上并与其绝缘相连的电容系统2。所述基底1由半导体材料制成，例如硅，其中所述背腔10可以通过体硅工艺或干法腐蚀形成。

所述电容系统2包括背板21、与所述背板21相对且分别设置在所述背板2两侧的第一振膜22和第二振膜23、设于所述第一振膜22与所述背板21之间的第一支撑件24、以及设于所述第二振膜23与所述背板21之间的第二支撑件25。所述第一振膜22位于所述背板21远离所述基底1的一侧。

所述第一支撑件24将所述第一振膜22与所述背板21分隔一定距离并形成第一空腔26，所述第一振膜22与所述背板21构成一电容器结构。所述第二支撑件25将所述第二振膜23与所述背板21分隔一定距离并形成第二空腔27，所述第二振膜23与所述背板21构成另一电容器结构。所述背板21与所述第一振膜22和所述第二振膜23配合设置形成的两个电容器结构可以构成差分电容器结构，以提高麦克风的精度。

所述第一支撑件24和所述第二支撑件25均为绝缘件，其在起到支撑作用的同时，还可以保证两个振膜22、23与背板21之间的绝缘。同理，为了保证所述第二振膜23与所述基底1之间的绝缘，在所述第二振膜23与所述基底1之间连接的位置设置有绝缘层，该绝缘层可以采用二氧化硅材料。

所述背板21设有多个连通所述第一空腔26与所述第二空腔27的通孔211，且所述第一空腔26和所述第二空腔27内填充有粘滞系数小于空气的气体。

粘滞系数表征的是受力时气体分子间相互作用所产生的内摩擦力，且粘滞系数通常与温度、压强有关。因此粘滞系数小于空气的气体指的是在同等条件下的粘滞系数小于空气的气体。

现有技术中，粘滞系数低于空气的气体很多，可以选择那些在麦克风工作条件下小于空气粘滞系数的气体，这些气体例如可以选用丁烷、丙烷、丙烯、氢气、乙烷、氨、乙炔、乙基氯、乙烯、甲烷、二氧化硫、硫化氢、氯气、二氧化碳、二氧化氮、氮气中。

在所述第一空腔26和所述第二空腔27内填充粘滞系数小于空气的气体，可以降低空腔26、27内的阻尼，从而实现更低的本底噪声。例如，以丁烷为例，其粘滞系数只有空气的40％，用丁烷填充后所述MEMS麦克风100的本底噪声可以降低8dB。

当一侧振膜受到声压驱动时，所述第一空腔26和所述第二空腔27内气体压强发生改变，驱动另一侧振膜作出相同方向的运动，所述背板21与所述第一振膜22和所述第二振膜23之间的间距发生变化，从而导致电容系统的电容发生改变，所述第一振膜22产生第一电信号，所述第二振膜23产生第二电信号，且所述第一电信号与所述第二电信号相位相反，从而实现麦克风的相应功能。

通常靠近声源方向的振膜称为前振膜，远离声源方向的振膜称为后振膜，在本实施方式中，所述第一振膜22为前振膜，所述第二振膜23为后振膜。所述第一振膜22与所述第二振膜23的振幅不相同，通常所述第一振膜22的振幅较大，灵敏度大约高6dB，所述第二振膜23的振幅较小，在高声压情况下，THD更低。两个振膜同时工作，可以实现双模式输出，提高产品动态范围。当然，也可以通过两侧偏转电压的校准，使所述第一振膜22和所述第二振膜23输出振幅相同、相位相反的信号，实现差分输出，得到更好的抗干扰性能。

优选地，所述第一空腔26和所述第二空腔27与外界环境的压差小于或等于0.1atm。虽然外界环境的压强是变化的，但是封装之后空腔26、27内的压强是固定不变的，可以让空腔26、27内的压强尽量接近外界的环境压强，例如可以选择空腔26、27的压强为一个标准大气压，从而可以尽量减小空腔26、27与外界环境的压差，以降低振膜由于压差而导致的偏转程度，从而可以提高麦克风的灵敏度，保证麦克风的声学性能；或者让空腔26、27内的压强略大于外界环境压强，例如在空腔26、27内填充约0.1MPa的气体，可以避免平板电容的库仑力产生的压强(约50Pa)导致的吸合。所述第一空腔26和所述第二空腔27内的压强还会随使用环境温度的升高而增大，当温度每升高1℃，所述第一空腔26和所述第二空腔27内的压强会因气体膨胀略有增加，只要灵敏度变化不超过0.03dB，这一般认为是可接受的。

采用低粘滞系数的气体填充空腔的另一个优点在于，可以提高所述MEMS麦克风100的抗跌落、抗吹气性能。当受到气流冲击的时候，受冲击一侧会碰撞背板21，同时腔内气压升高，另一侧振膜鼓起，这意味着两侧振膜、中间背板同时分担受到的气流冲击，因此，在同样的材料强度下，产品的抗跌落、抗吹气性能会有所提高。

此外，采用低粘滞系数的气体填充空腔还有助于提高产品抵抗异物侵入以及抵抗高温高湿环境的能力。由于麦克风的有效工作区完全密闭，液体、颗粒物、湿气、以及挥发物不会侵入到工作区域内，大大提升了产品抵抗异物侵入以及抵抗高温高湿环境的能力。

与相关技术相比，本发明的MEMS麦克风通过双振膜构造密闭腔体，并在密闭腔体内填充粘滞系数比空气小的气体，使所述MEMS麦克风实现更低的本底噪声；由于麦克风的有效工作区完全密闭，液体、颗粒物、湿气、以及挥发物不会侵入到工作区域内，大大提升了产品抵抗异物侵入以及抵抗高温高湿环境的能力；还有助于提高产品的抗跌落、抗吹气性能。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种MEMS麦克风，包括具有背腔的基底以及设于所述基底上的电容系统，其特征在于，所述电容系统包括背板以及与所述背板相对且分别设置在所述背板两侧的第一振膜和第二振膜，所述第一振膜和所述第二振膜与所述背板间隔设置并分别形成第一空腔和第二空腔，所述背板设有多个连通所述第一空腔与所述第二空腔的通孔，且所述第一空腔和所述第二空腔内填充有粘滞系数小于空气的气体。

2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，在所述MEMS麦克风通电工作时，所述第一振膜产生第一电信号，所述第二振膜产生第二电信号，且所述第一电信号与所述第二电信号相位相反。

3.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一振膜位于所述背板远离所述基底的一侧，所述第一振膜的振幅大于所述第二振膜的振幅。

4.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一振膜与所述第二振膜的振幅相同。

5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一振膜与所述第二振膜的振动方向相同。

6.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述气体为丁烷、丙烷、丙烯、氢气、乙烷、氨、乙炔、乙基氯、乙烯、甲烷、二氧化硫、硫化氢、氯气、二氧化碳、二氧化氮、氮气中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一空腔和所述第二空腔与外界环境的压差小于或等于0.1atm。

8.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述MEMS麦克风还包括第一支撑件和第二支撑件，所述第一支撑件将所述第一振膜与所述背板间隔设置并形成所述第一空腔，所述第二支撑件将所述第二振膜与所述背板间隔设置并形成所述第二空腔。

9.根据权利要求8所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一支撑件和所述第二支撑件均为绝缘件。