CN110418266B - 微机电麦克风 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及微机电麦克风。微机电麦克风包括：衬底(2)；传感器芯片(5)，集成微机电电声换能器(35)；以及控制芯片(6)，操作性地耦合至传感器芯片(5)。传感器芯片(5)和控制芯片(6)接合至衬底(2)，并且传感器芯片(5)与控制芯片(6)部分重叠。

Description

微机电麦克风

本申请是申请日为2016年3月22日、国家申请号为201610165187.X的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及微机电麦克风。

背景技术

已知微机电麦克风，其包括第一芯片(结合有微机电电声薄膜换能器)和第二芯片(结合有控制电路或ASIC(专用集成电路))。电声换能器将进入的声波(引起薄膜的振动)转换为电信号。例如，薄膜可以电容性地耦合至参考电极。薄膜的变形改变电容耦合，这可以容易地利用电荷放大器电路来检测。控制电路包括信号处理级(例如，电荷放大器电路)和能够适当操作微机电麦克风1(具体地，声信号的转换)所需的部件。

第一芯片和第二芯片容纳在电子器件的相同封装结构内，其中电子器件通常包括支持衬底和塑料或金属材料的盖。

衬底可以是聚合或陶瓷衬底(例如，LGA(栅格阵列)类型)，并且设置有用于第一芯片和第二芯片(彼此并排布置)的电连接的连接结构(焊盘和线)。此外，衬底具有开口(也称为“声口”)，其能够将来自外部的声信号传输至位于封装结构内的换能器。

盖接合至衬底并且可以具有声室的保护和限定的双重功能，为此其可以具有针对微机械麦克风的性能的确定效应。

用于开发和集成微机电传感器的关注越来越多，这与诸如智能手机和平板电脑的便携式电子器件或者所谓的“可佩戴”类型的其他电子器件的扩展同步。这种类型的产品的爆发式开发在一些情况下可放下对比或难以协调的要求。另一方面，例如，存在为微机电换能器提供越来越高等级的性能以满足用户需求的要求。这通常导致提供同时用于微机电换能器和控制电路的较大尺寸的芯片。相反，另一方面，存在越来越减小微机电麦克风的尺寸以满足它们尤其在便携式和可佩戴系统中的开发的相对应的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机电麦克风，其能够克服或至少减少所述限制。

根据本发明，提供了如权利要求1所限定的微机电麦克风。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例并参照附图来描述一些实施例，其中：

图1是根据本发明一个实施例的微机电麦克风的沿着纵向平面部分截取的顶视图；

图2是从图1的微机电麦克风的下方观看的平面图；

图3是沿着图1的线III-III截取的图1的微机电麦克风的侧视图；

图4是沿着图1的线III-III截取并且为了清楚去掉一部分的图1的微机电麦克风的立体图；

图5至图8是组装过程期间的图1的微机电麦克风的立体图；

图9是根据本发明的不同实施例的微机电麦克风的沿着纵向平面部分截取的顶视图；

图10是从图9的微机电麦克风的下方观看的平面图；

图11是沿着图9的线XI-XI部分截取并且为了清楚去掉一部分的图5的微机电麦克风的立体图；以及

图12是根据本发明一个实施例的结合微机电麦克风的电子系统的简化框图。

具体实施方式

参照图1至图3，根据本发明一个实施例的微机电麦克风整体通过参考标号1表示，并且包括衬底2、盖3、传感器芯片5和控制芯片6。传感器芯片5和控制芯片6操作性地耦合到一起。

衬底2和盖3接合到一起(图1)并形成其中容纳传感器芯片5和控制芯片6的封装结构。盖3具有保护功能，并且还限定微机电麦克风1的声室4。

在一个实施例中，衬底2可以是LGA类型的衬底，并且包括：核7；外金属层8和内金属层9(例如，铜)，位于核7的相对面上；以及焊料掩模10。衬底2中的通孔限定声口11并且能够实现封装结构的内部(具体地，传感器芯片5)与外部环境的声耦合。

核7(图3和图4)是通过刚性介电材料(例如，FR4)的芯片来限定的，其具有较大的纵向尺寸和较小的横向尺寸。

外金属层8(图2)被布置在核7的外表面上，即与盖3相对。在外金属层8中限定第一特征，具体为用于微机电麦克风1的电连接的外接触件12以及环绕声口11的外保护环13。外保护环13也可以用于连接至地，由此还称为“地环”。

内金属层9(图1、图3和图4)被布置在核7的内表面上，被盖3包围。在内金属层9中限定第二特征，其中有内接触件15、沿着核7的周界的接合环16、环绕声口11的内保护环17以及支持部18。

盖3固定至接合环16。

内接触件15利用核7中的通孔20电耦合至对应的外接触件12。在一个实施例中，内接触件15相对于声口11纵向相对地对准并且布置在衬底2的一端处。

焊料掩模10接合至内金属层9的支持部18。在一个实施例中，焊料掩模10和支持部18被成形为在平面图中呈现出相同的轮廓并且一起限定环绕内接触件15的接触岛部21、环绕声口11的组装基部22以及位于基部22和接触岛部21之间的壳体23。

接触岛部21环绕内接触件15，将它们与衬底2上的剩余导电结构横向分离。

基部22用作传感器芯片5的锚地(anchorage)。为此，基部22以横跨声口11的稳定方式在充分用于支持传感器芯片5的区域上方延伸。在一个实施例中，基部22基本为C形，并且沿着衬底2的三侧环绕声口11延伸。

壳体23通过利用基部22在一侧以及利用接触岛部21在相反侧上限定的凹部来限定。壳体23可以进一步在侧面上通过外周壁25来限定，其中外周壁25将接触岛部21与基部22邻接。在底部上，壳体23通过核7来限定。壳体23的深度基本等于内金属层9的高度和焊料掩模10的高度。

控制芯片6容纳集成控制电路或ASIC(未详细示出)，其包括信号处理级(例如，用于电容性电声传感器的电荷放大器电路)和能够适当操作麦克风所需的部件(具体关于声信号的转换)。控制芯片6布置在壳体23内，而不妨碍声口11。更详细地，控制信号6的面通过粘合层26接合至衬底2的核7。粘合层26例如可以为在壳体23内的衬底2的核7上分布的胶层或者为胶条。在相对面上，控制芯片6具有用于通过第一接合线30连接至内接触件15以及通过第二接合线31连接至传感器芯片5的接触焊盘28。

控制芯片6和粘合层26具有大体等于壳体23的深度的总厚度，以这种方式使得控制芯片6不相对于焊料掩模10的高度以显著方式突出。可能地，控制芯片6会经受机械或化学机械表面加工以使其厚度适应壳体23的深度。因此，控制芯片6的面6a基本与基部22的组装表面22a(即，实际上为焊料掩模10与内金属层9相对的表面)平齐。然而，还存在可以容忍控制芯片6的面6a被布置为稍微进入或突出的情况，而不需要特定布置以补偿未对准。

电声换能器35集成到传感器芯片5中，并且在一个实施例中包括半导体材料的薄膜37(在形成在传感器芯片5的主体5a中的腔38上方延伸)和刚性金属背板40(电容性地耦合至薄膜37)。背板40设置有孔并且在与腔38相对的侧面上沿着薄膜37布置。腔38在一侧上通过薄膜37限定并且在相对侧上打开。

传感器芯片5接合至衬底2，以这种方式薄膜37与由衬底2和盖3形成的封装结构的外部通过声口11声学连通。在一个实施例中，传感器芯片5以声口11为中心。

此外，传感器芯片5部分地纵向布置在控制芯片6的顶部上，如已经提到的，控制芯片6基本与焊料掩模10平齐。更详细地，传感器芯片5具有固定至控制芯片6的面6a的第一部分以及在声口11周围固定至基部22的第二部分。通过粘合层41(例如，胶或焊料膏)来实现固定，其沿着传感器芯片5的周界在基部22上部分延伸以及在控制芯片6的面6a上部分延伸。

给出相同的尺寸，将传感器芯片5和控制芯片6重叠设置，其中控制芯片6位于壳体23中，并且传感器芯片5部分固定至基部22，这样能够减小被占用的总面积而不增加微机电麦克风1的总厚度。反之亦然，给出占用的相同面积，传感器芯片5和控制芯片6可具有较大的尺寸，对性能而言具有优势。

可以按照以下参照图5至图8描述的方式来执行微机电麦克风1的组装。初始地，外金属层8、内金属层9和焊料掩模10利用光刻工艺来限定以得到外接触件12、内接触件15、接合环16和基部22(图5)。接下来，在壳体23的底部上分配或布置(根据所使用粘合剂的类型)粘合层26(图6)。然后，控制芯片6通过粘合层26接合至衬底2(图7)。然后，粘合层41被放置在基部22上和控制芯片6的面6a的一部分上，然后传感器芯片5通过粘合层41接合至衬底2和控制芯片6(图8)。最后，接合线30形成在控制芯片6和内电极15之间，接合线31形成在控制芯片6和传感器芯片5之间，并且盖3接合至衬底2的接合环16，由此得到图1的结构。

在图9至图11中示出了本发明的不同实施例。在这种情况下，微机电麦克风100包括衬底102、盖103、传感器芯片105和控制芯片106。

传感器芯片105和控制芯片106操作性地耦合到一起，并且容纳在通过接合到一起的衬底102和盖103限定的封装结构内。

衬底102包括核107、外金属层108和内金属层109。衬底102中的通孔限定声口111。

外金属层108(图10)形成外接触件112以及环绕声口111的外保护环113。

在核107的与外金属层108相对的面上，内金属层109(图9和图11)限定内接触件115、用于盖103的接合环116以及环绕声口111的内保护环117。焊料掩模110利用内金属层109的一部分限定环绕外接触件的接触岛部121。

在核107的定位有内金属层109的面上，环绕声口111限定组装基部122。基部122为C型并且环绕声口111延伸而不妨碍声口。基部122例如可以为金属、玻璃或硅，并且其厚度基本等于控制芯片106的厚度。

控制芯片106(包括信号处理级以及能够适当操作微机电麦克风100所需的部件)通过粘合层126接合至衬底102的核107并且被布置为与基部122邻接而不妨碍声口111。

传感器芯片105集成电声换能器(图11)，其基本为上文参照图1至图4描述的类型。具体地，电声换能器135包括在腔138上方延伸的薄膜137以及在与腔138相对的侧面上电容性地耦合至薄膜137的刚性金属背板140。腔138在一侧上通过薄膜137限定以及在相对侧上打开。

传感器芯片105接合至衬底102，从而通过声口111与通过衬底102和盖103形成的封装结构的外部实现声学连通。在一个实施例中，传感器芯片105以声口111为中心。

此外，传感器芯片105纵向地部分布置在控制芯片106上，控制芯片106基本与基部122的组装表面122a平齐。更详细地，传感器芯片105具有固定至控制芯片106的面106a的第一部分以及环绕声口111固定至基部122的第二部分。通过粘合层141(例如，胶或焊料膏)实现固定，其沿着传感器芯片105的周界延伸。

盖103沿接合环116接合至衬底102。

在这种情况下，对控制芯片106的厚度不存在约束，因为基部122可具有任何厚度。在制造期间，可以通过控制基部122的厚度来实现控制芯片106的面106a和基部122之间的对准以具有均匀的接合表面。

图12示出了结合有所描述的微机电麦克风1的电子系统200。

电子系统200可以是任何类型的电子设备，具体为通过非限制性示例自主提供的便携式设备，诸如蜂窝电话、便携式计算机、摄像机、照相机、多媒体阅读器、用于视频游戏的便携式装置、用于计算机的运动激活用户界面或者用于视频游戏的控制台、卫星导航设备等。在图12的实施例中，电子系统200是蜂窝电话。

微机电麦克风1可以耦合至音频模块201的获取接口202。

电子系统200可进一步包括刚性耦合至碰撞传感器204的盒203、控制单元205、存储模块206、耦合至天线208的RF通信模块207、显示器210、摄影设备212、串联连接端口213(例如，USB端口)以及用于自动供电的电池215。

控制单元205与微机电麦克风1协作，例如通过音频模块201交换信号。

应该注意，本发明的范围不限于具体具有所列设备或者所有设备的实施例。

最后，在不背离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对本文描述的微机电麦克风进行修改和变化。

Claims (12)

1.一种微机电麦克风，包括：

衬底；

耦合至所述衬底的基部；

传感器芯片，接合至所述衬底，并且集成微机电声换能器；以及

控制芯片，接合至所述衬底，并且操作性地耦合至所述传感器芯片，所述传感器芯片具有覆盖并接合至所述控制芯片的第一部分，所述传感器芯片具有覆盖并接合至所述基部的第二部分，其中所述基部具有第一厚度，并且所述控制芯片具有第二厚度，所述第二厚度是与所述第一厚度基本相同的厚度。

2.根据权利要求1所述的微机电麦克风，其中所述控制芯片具有第一面，其中所述传感器芯片的所述第一部分接合至所述控制芯片的所述第一面，其中所述声换能器包括与所述衬底中的声口声学连通的换能部件。

3.根据权利要求1所述的微机电麦克风，包括粘合层，所述粘合层沿着所述传感器芯片的周界、部分地位于所述基部上并且部分地位于所述控制芯片的第一面上，所述传感器芯片通过所述粘合层而接合至所述基部和所述控制芯片。

4.根据权利要求1所述的微机电麦克风，其中所述基部环绕所述衬底中的声口而延伸。

5.根据权利要求1所述的微机电麦克风，其中所述衬底包括刚性介电材料的核、以及位于所述核的面上的金属层，所述传感器芯片和所述控制芯片接合至所述金属层。

6.根据权利要求5所述的微机电麦克风，其中所述控制芯片固定至所述衬底的所述核，并且具有与所述基部的组装表面基本平齐的面。

7.根据权利要求5所述的微机电麦克风，其中：

所述衬底的所述金属层限定支持部；

焊料掩模固定至所述支持部；以及

所述焊料掩模和所述金属层的所述支持部形成所述基部。

8.根据权利要求7所述的微机电麦克风，包括容纳所述控制芯片的壳体，所述壳体在一侧上由所述衬底的所述核限定。

9.根据权利要求8所述的微机电麦克风，其中所述壳体与所述基部相邻。

10.根据权利要求5所述的微机电麦克风，其中所述基部被布置为与声口相邻、并且具有第一厚度，所述控制芯片具有基本上等于所述第一厚度的第二厚度。

11.根据权利要求2所述的微机电麦克风，其中所述换能部件以所述声口为中心。

12.根据权利要求2所述的微机电麦克风，其中所述换能部件包括在所述传感器芯片的主体中的腔之上的半导体材料的膜，所述腔在一侧上由所述换能部件限定、并且在相对侧上打开。

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