CN110475193A - 一种单指向mems麦克风及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及麦克风领域，尤其涉及本发明公开了一种单指向MEMS麦克风及其生产方法，由PCB上层、PCB中间层和PCB下层组成，所述PCB上层、PCB中间层和PCB下层组装后形成有声腔，所述PCB上层上分别固定有贯穿PCB上层的第一声孔和第二声孔，所述PCB上层远离PCB下层的端面上与前述第一声孔和第二声孔对应位置均固定有阻尼网布，所述第一声孔与声腔相连，所述第二声孔通过PCB中间层上设置的导气槽与声腔相连，所述声腔内部固定有MEMS芯片，所述MEMS芯片通过键合线连接固定在声腔内部的ASIC芯片。外界声音只可以通过第一声孔以及第二声孔到达声音感应的MEMS芯片上，通过MEMS芯片完成麦克风拾音的指向性。

Description

一种单指向MEMS麦克风及其生产方法

【技术领域】

本发明涉及麦克风领域，尤其涉及一种单指向MEMS麦克风及其生产方法。

【背景技术】

MEMS是微机电系统，英文全称是Micro-Electro mechanical System，是指尺寸在几毫米乃至更小的传感器装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。简单来说，MEMS就是将传统传感器的机械部件微型化后，通过三维堆叠技术，例如三维硅穿孔TSV等技术把器件固定在硅晶元(wafer)上，最后根据不同的应用场合采用特殊定制的封装形式，最终切割组装而成的硅基传感器。受益于普通传感器无法企及的IC硅片加工批量化生产带来的成本优势，MEMS同时又具备普通传感器无法具备的微型化和高集成度；

根据麦克风拾音方式的不同，可以分为全指向，双指向，单指向；全指向麦克风对于四面八方的声音具有相同的感度，对不同方向声音辨识程度一致；双指向麦克风只对正前方和正后方的声音比较敏感，对其他区域的声音的感度会降低；单指向麦克风只对正前方声音敏感，对去他区域的声音感度会降低；单指向和双指向麦克风统称为指向性麦克风，和全指向麦克风相比，指向性麦克风可以剔除大量环境噪音，选择性拾取固定区域的声音信号，可以通过单只产品实现指向性拾音功能，对于需要区域拾音的终端产品具有重要的价值。但是现有麦克风无法做到完全单指向拾音，在使用时还说有杂音产生。

【发明内容】

本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供了一种单指向MEMS麦克风及其生产方法，能够有效避免麦克风单指向拾音时拾取的杂音。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种单指向MEMS麦克风及其生产方法，由PCB上层、PCB中间层和PCB下层组成，所述PCB上层、PCB中间层和PCB下层组装后形成有声腔，所述PCB上层上分别固定有贯穿PCB上层的第一声孔和第二声孔，所述PCB上层远离PCB下层的端面上与前述第一声孔和第二声孔对应位置均固定有阻尼网布，所述第一声孔与声腔相连，所述第二声孔通过PCB中间层上设置的导气槽与声腔相连，所述声腔内部固定有MEMS芯片，所述MEMS芯片包含环绕在第一声孔外周侧的圆环状硅基，所述硅基上方固定有覆盖硅基的背极，所述背极下方固定有环绕设置在硅基内壁上的振膜，所述MEMS芯片通过键合线连接固定在声腔内部的ASIC芯片；PCB上层设置有两个声孔，为便于区分，将其分别命名为第一声孔和第二声孔，PCB上层设置有供电和信号输出PIN脚；PCB中间层为连接PCB上层和PCB下层的框架结构，同时，PCB中间层和PCB上层以及PCB下层构成声腔结构，该结构用于MEMS芯片和ASIC芯片的贴装的容纳腔，同时，该PCB中间层上设置有导气槽，此中间层和PCB上层紧配后，声音可以由此第二声孔进入声腔内；PCB下层与PCB中间层紧配实现密封腔体的作用，该PCB上层、PCB中间层和PCB下层通过粘合剂结合到一起，外界声音只可以通过第一声孔以及第二声孔到达声音感应的MEMS芯片上；

一种单指向MEMS麦克风的生产方法，包含以下步骤

a.将ASIC芯片使用粘合剂贴装在PCB上层，并通过烘烤固化；

b.将MEMS芯片通过粘合剂贴装在第一声孔的正上方，MEMS芯片底部通过粘合剂完全密封；

c.通过引线键合的方式，使用键合线完成MEMS芯片，ASIC芯片以及PCB板之间的电气连接；

d.使用粘合剂将PCB中间层和PCB上层粘合到一起，粘合层完全密封；

f.使用粘合剂将PCB下层和PCB中间层粘合到一起，粘合层完全密封；

g.将阻尼网布贴在第一声孔和第二声孔处。

优选的，所述PCB上层上还固定有通过键合线与前述ASIC芯片相连的ASIC供电PIN和信号输出PIN。

优选的，所述第一声孔处的阻尼网布的阻尼要小于第二声孔处阻尼网布的阻尼。

优选的，所述键合线为金，铝，铜等金属材质制成。

优选的，所述粘合剂为硅胶材料制成。

本发明与现有的技术相比有如下优点：

1.外界声音只可以通过第一声孔以及第二声孔到达声音感应的MEMS芯片上，通过第一声孔以及第二声孔进入的声音在振膜上下位置形成压力差带动振膜震动，由于不同方向传递来的声音作用在振膜上的力是不同的，这个过程中第一声孔的声压大于等于第二声孔的声压，而且随着方向会发生变化，不同方向因为音程比较长的原因，声音信号衰减比较大，所以到达第一声孔再经过阻尼后的信号和到达第二声孔再经过阻尼的信号差别就不是很大了，两个信号几乎可以相互抵消，两个几乎一样大的力作用在振膜上下两侧，所以信号几乎就没有了，所以能有效拾取第一声孔正对面前方的声音。

2.PCB中间层具有导气槽设计，通过PCB中间层和PCB上层的粘合，将第二声孔，导气槽，腔体相连，声音可以通过此结构设计进入声腔内部，此结构可以衰减进入第二声孔的声压。

3.阻尼网布还具有防尘的效果，能有效避免粉尘等异物等进入到声腔内，影响本装置使用。

4.本产品通过贴装方式制作可缩小产品体积，使产品更加小型化。

【附图说明】

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的爆炸图；

图3为本发明的剖视图；

图4为本发明的内部结构示意图；

图5为本发明的PCB板结构图；

图6为本发明的MEMS芯片结构图；

图7为本发明的MEMS芯片结构图原理图；

图8为本发明的麦克风电路图；

图中：1、PCB上层；2、PCB中间层；3、PCB下层；4、MEMS芯片；401、背极；402、硅基；403、振膜；5、ASIC芯片；6、阻尼网布；7、键合线；8、第一声孔；9、第二声孔；10、声腔；11、导气槽；12、ASIC供电PIN；13、信号输出PIN；

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明：

如图1至图8所示，本发明公开了一种单指向MEMS麦克风及其生产方法，由PCB上层1、PCB中间层2和PCB下层3组成，PCB上层1、PCB中间层2和PCB下层3组装后形成有声腔10，PCB上层1上分别固定有贯穿PCB上层1的第一声孔8和第二声孔9，PCB上层1远离PCB下层3的端面上与第一声孔8和第二声孔9对应位置均固定有阻尼网布6，第一声孔8与声腔10相连，第二声孔9通过PCB中间层2上设置的导气槽11与声腔10相连，声腔10内部固定有MEMS芯片4，MEMS芯片4包含环绕在第一声孔8外周侧的圆环状硅基402，硅基402上方固定有覆盖硅基402的背极401，背极401下方固定有环绕设置在硅基402内壁上的振膜403，MEMS芯片4通过键合线7连接固定在声腔10内部的ASIC芯片5；PCB上层1设置有两个声孔，为便于区分，将其分别命名为第一声孔8和第二声孔9，PCB上层1设置有ASIC供电PIN12和信号输出PIN13；PCB中间层2为连接PCB上层1和PCB下层3的框架结构，同时，PCB中间层2和PCB上层1以及PCB下层3构成声腔10结构，该结构用于MEMS芯片4和ASIC芯片5的贴装的容纳腔，同时，该PCB中间层2上设置有导气槽11，此PCB中间层2和PCB上层1紧配后，声音可以由此第二声孔9进入声腔10内；PCB下层3与PCB中间层2紧配实现密封腔体的作用，该PCB上层1、PCB中间层2和PCB下层3通过粘合剂结合到一起，外界声音只可以通过第一声孔8以及第二声孔9到达声音感应的MEMS芯片4上；

一种单指向MEMS麦克风的生产方法，包含以下步骤

a.将ASIC芯片5使用粘合剂贴装在PCB上层1，并通过烘烤固化；

b.将MEMS芯片4通过粘合剂贴装在第一声孔8的正上方，MEMS芯片4底部通过粘合剂完全密封；

c.通过引线键合的方式，使用键合线7完成MEMS芯片4，ASIC芯片5以及PCB板之间的电气连接；

d.使用粘合剂将PCB中间层2和PCB上层1粘合到一起，粘合层完全密封；

f.使用粘合剂将PCB下层3和PCB中间层2粘合到一起，粘合层完全密封；

g.将阻尼网布6贴在第一声孔8和第二声孔9处。

其中，PCB上层1上还固定有通过键合线7与ASIC芯片5相连的ASIC供电PIN12和信号输出PIN13。

其中，第一声孔8处的阻尼网布6的阻尼要小于第二声孔9处阻尼网布6的阻尼。

其中，键合线7为铜材质制成。

其中，粘合剂为硅胶材料制成。

如图7所示：△为振膜403前后相隔的等效距离，声音到达振膜403的两面的距离不相同，因而振膜403的两面存在压差，如图7所示，作用在振膜403两侧的声压分别是P1和P2，那么膜片的受力F＝(P1-P2)S；其中：P1为振膜403一侧的声压，P2为振膜403另一侧的声压，P1和P2分别作用在振膜403两侧，P1和P2的作用相互抑制，最终，振膜403的运动状态屈从于声压大的一侧的声压，并在力F的作用下运动。

如图6所示为MEMS芯片4的结构，MEMS芯片4由振膜403，背极401以及硅基402材组成，振膜403和背极401通过半导体加工工艺(刻蚀，抛光，蒸镀等)固定在硅基402材腔体内部；其工作原理可等效为平行板电容器；振膜403和背极401组成电容器的上下两基板，在电压作用下，电荷发生定向移动，在上下基板间会形成稳定的电压差，当外界声压作用在振膜403上时，振膜403和背极401间的距离发生变化，由公式C＝εS/4πkd，可知，在距离发生变化时，电容器的电容量会随之发生变化(C：电容量,ε：介电常数,S：振膜403和背极401之间的正对面积d：两板间距离，k：静电力恒量)；由U＝Q/C可知，在电容量发生变化的情况下，输出电压值会发生变化(Q为电容器的电荷量，Q为定值保持不变；U为振膜403形变后两极板之间的电压)，若记形变前的电压为U1，形变后的电压为U2，那么在声压作用下MEMS芯片4输出信号为△U＝U1-U2；MEMS芯片4在外部声压的作用下，完成了声能-机械能-电能的转化。

如图8所示：MEMS transducer为MEMS芯片4，通过键合线7和后端的ASIC芯片5连接；

其中MEMS芯片4的BIAS电极和ASIC芯片5的BIAS电压相连，ASIC芯片5通过Chargebump为MEMS芯片4工作提供稳定电荷源；ASIC芯片5的MICIN电极和MEMS芯片4的Vout相连，MEMS芯片4将输出信号传递给ASIC芯片5的接口MICIN，ASIC芯片5进行后续的放大，滤波等处理；

ASIC芯片5工作需要外部电源供电，因此ASIC芯片5的VDD端需要外接电源，电源电压为1.6V-3.6V之间，ASIC芯片5的GND端接地,ASIC芯片5的OUT端连接PCB的OUT，从而实现了将输出信号引出的作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，这些变化、修改、替换和变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种单指向MEMS麦克风，其特征在于：由PCB上层、PCB中间层和PCB下层组成，所述PCB上层、PCB中间层和PCB下层组装后形成有声腔，所述PCB上层上分别固定有贯穿PCB上层的第一声孔和第二声孔，所述PCB上层远离PCB下层的端面上与前述第一声孔和第二声孔对应位置均固定有阻尼网布，所述第一声孔与声腔相连，所述第二声孔通过PCB中间层上设置的导气槽与声腔相连，所述声腔内部固定有MEMS芯片，所述MEMS芯片包含环绕在第一声孔外周侧的圆环状硅基，所述硅基上方固定有覆盖硅基的背极，所述背极下方固定有环绕设置在硅基内壁上的振膜，所述MEMS芯片通过键合线连接固定在声腔内部的ASIC芯片；

一种单指向MEMS麦克风的生产方法，其特征在于：包含以下步骤

a.将ASIC芯片使用粘合剂贴装在PCB上层，并通过烘烤固化；

b.将MEMS芯片通过粘合剂贴装在第一声孔的正上方，MEMS芯片底部通过粘合剂完全密封；

c.通过引线键合的方式，使用键合线完成MEMS芯片，ASIC芯片以及PCB板之间的电气连接；

d.使用粘合剂将PCB中间层和PCB上层粘合到一起，粘合层完全密封；

f.使用粘合剂将PCB下层和PCB中间层粘合到一起，粘合层完全密封；

g.将阻尼网布贴在第一声孔和第二声孔处。

2.根据权利1要求所述的单指向MEMS麦克风及其生产方法，其特征在于：所述PCB上层上还固定有通过键合线与前述ASIC芯片相连的ASIC供电PIN和信号输出PIN。

3.根据权利1要求所述的单指向MEMS麦克风及其生产方法，其特征在于：所述第一声孔处的阻尼网布的阻尼要小于第二声孔处阻尼网布的阻尼。

4.根据权利1要求所述的单指向MEMS麦克风及其生产方法，其特征在于：所述键合线为金，铝，铜等金属材质制成。