CN110574395B - 一种mems麦克风 - Google Patents

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Abstract

一种MEMS麦克风，包括由PCB基板(1)和外壳(2)包围形成的封装结构，所述封装结构内设置有MEMS声电芯片(3)，PCB基板(1)对应MEMS声电芯片(3)的位置设置有声孔(11)，该MEMS麦克风还包括过滤器(5)，过滤器(5)嵌入设置在MEMS声电芯片(3)的背孔中，过滤器(5)与PCB基板(1)之间留有横向孔隙，横向孔隙作为MEMS声电芯片采集声音的声音通道。该MEMS麦克风能够防止气流冲击，阻挡动力学颗粒对MEMS麦克风的干扰，同时保持MEMS麦克风的声学性能，降低MEMS麦克风的封装尺寸。

Description

一种MEMS麦克风
技术领域
本发明涉及声电转换领域，特别涉及一种MEMS麦克风。
背景技术
随着社会的进步与电子技术的发展，电子产品在人们的日常生活中占有越来越重要的地位，例如手机等，几乎已经成为人们需要随身携带的必需品，而在手机等电子产品中，为了实现通话等功能，需要设置麦克风实现对声音信号的采集。为了适应电子产品的性能要求和小型化的发展趋势，通常会用到MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)麦克风。MEMS麦克风是由外壳和线路板(Printed Circuit Board，简称为PCB)组成的封装结构，在封装结构内部的线路板表面上设有MEMS声电芯片，与MEMS声电芯片相对的线路板位置处设有接收声音信号的声孔，外界声音通过声孔作用到MEMS声电芯片上实现进声效果，由于MEMS声电芯片直接与声孔相对，当进入声孔内部的气流较大时，较大的气流会直接作用到MEMS声电芯片上，对MEMS声电芯片的膜片造成一定的冲击，严重时会损伤MEMS声电芯片上的膜片，影响MEMS声电芯片的性能，从而影响MEMS麦克风的整体表现。
中国实用新型专利(公开号CN 203225885U)公开了一种MEMS麦克风，如图1所示，该MEMS麦克风，在由PCB基板1和外壳2包围形成的封装结构内部，PCB基板1的表面设有能够覆盖声孔11的保护件4，保护件4与PCB基板1包围形成第一声腔10；MEMS声电芯片3设置在保护件4上，并与保护件4包围形成第二声腔20；保护件4上设有两个以上的连通孔40；连通孔40的孔径尺寸小于声孔11孔径尺寸；第一声腔10与第二声腔20通过连通孔40连通。该MEMS麦克风虽然设置了保护件，来防止外界气流对MEMS声电芯片的冲击，但由于保护件相比MEMS声电芯片更大，限制了MEMS麦克风的封装尺寸，不利于小型化设计。另外，该保护件连通孔的孔径小于声孔孔径，具有较大的声阻，导致MEMS麦克风的信噪比降低严重，影响了MEMS麦克风的声学性能。
此外，在现有技术的MEMS麦克风中，缺少对电磁、射频、光以及悬浮颗粒等的抗干扰设计，因此，在生产制作和使用过程中，上述因素会对MEMS麦克风造成干扰影响，降低MEMS麦克风的性能和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MEMS麦克风，以改进现有技术，解决现有技术中的上述一个或多个技术问题。
为了实现上述目的，在不同实施方案中分别教导了如下多个技术方案：
一种MEMS麦克风，包括由PCB基板和外壳包围形成的封装结构，所述封装结构内设置有MEMS声电芯片，所述PCB基板对应所述MEMS声电芯片的位置设置有声孔，所述MEMS麦克风还包括过滤器，所述过滤器嵌入设置在所述MEMS声电芯片的背孔中，所述过滤器与所述PCB基板之间留有横向孔隙，所述横向孔隙作为所述MEMS声电芯片采集声音的声音通道。
可选地，所述过滤器是导电的，并电连接至所述PCB基板进行接地。
可选地，所述过滤器包括由非导电材质制成的基体，所述基体上设置有导电层；或者，所述过滤器整体由导电材质制成。
可选地，所述过滤器通过导电胶导电粘接在所述PCB基板上，与所述PCB基板的地连接。
可选地，所述过滤器与所述PCB基板之间留有的横向孔隙的高度为25-200微米。
可选地，所述过滤器与所述PCB基板之间留有的横向孔隙的高度为50-100微米。
可选地，所述过滤器包括连接在一起的顶板和底锚；所述顶板正对所述声孔；所述底锚支撑所述顶板，并电连接至所述PCB基板，所述顶板和所述PCB基板之间留有所述横向孔隙。
可选地，所述过滤器的厚度为100-300微米。
可选地，所述过滤器的厚度为150-200微米。
可选地，所述过滤器的底锚为多根分割设置的底锚，所述多根分割设置的底锚之间留有缺口，在所述缺口处形成所述横向孔隙；
或者，所述过滤器的底锚为连成一个整体的底锚，所述连成一个整体的底锚一侧留有缺口，在所述缺口处形成所述横向孔隙。
可选地，所述横向孔隙处还设置有过滤网，所述过滤网由设置在所述过滤器顶板上的柱子形成。
可选地，所述过滤器顶板上设置有一排所述柱子，形成单层结构的所述过滤网。
可选地，所述过滤器顶板上设置有多排所述柱子，各排柱子错位排布，形成多层结构的所述过滤网。
可选地，相邻所述柱子之间形成变径通道，所述变径通道沿声音传播方向的最窄处趋于线状。
可选地，所述柱子的截面形状为星形、菱形或圆形。
可选地，所述柱子之间形成的缝隙宽度为5-100微米。
可选地，所述MEMS麦克风的外壳为导电体，并电连接至所述PCB基板的地；所述外壳、所述PCB基板和所述过滤器形成一个接地的壳体。
本发明的MEMS麦克风，通过在MEMS声电芯片的背孔中嵌入设置过滤器，利用过滤器与PCB基板之间形成的横向孔隙，实现声音信号的采集，能够防止气流冲击，阻挡动力学颗粒对MEMS麦克风的干扰，同时保持MEMS麦克风的声学性能，降低MEMS麦克风的封装尺寸。
附图说明
图1为现有技术中的一种MEMS麦克风结构示意图；
图2为本发明一个实施例提供的一种MEMS麦克风结构示意图；
图3为本发明MEMS麦克风的频率响应曲线模拟效果图；
图4为一种带有分割底锚的过滤器仰视图；
图5为一种带有整体底锚的过滤器仰视图；
图6为另一种带有整体底锚的过滤器仰视图；
图7为一种带有柱子的过滤器仰视图；
图8为图7中A-A’处截面示意图；
图9为过滤器形成单层过滤网时气流流通示意图；
图10为过滤器形成多层过滤网时气流流通示意图；
图中：1、PCB基板；11、声孔；2、外壳；3、MEMS声电芯片；4、保护件；40、连通孔；5、过滤器；6、ASIC芯片；7、导电胶粘层；8、胶粘层；9、接地焊盘；10、第一声腔；20、第二声腔；51、顶板；52、底锚；53、柱子。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方案作进一步地详细描述。
图2为本发明一个实施例提供的一种MEMS麦克风结构示意图，如图2所示，本发明的MEMS麦克风包括由PCB基板1和外壳2包围形成的封装结构，该封装结构内设置有MEMS麦克风3，外壳2的一端开口，PCB基板1基本封住外壳2的开口一侧，PCB基板1上对应MEMS声电芯片3的位置设置有声孔11，该MEMS麦克风还包括过滤器5，过滤器5嵌入设置在MEMS声电芯片3的背孔中，过滤器5与PCB基板1之间留有横向孔隙，横向孔隙作为MEMS声电芯片3采集声音的声音通道，本发明的MEMS麦克风工作时，气流流经的路径如图中虚线箭头所示。
本发明的MEMS麦克风，通过在MEMS声电芯片3的背孔中嵌入设置过滤器5，利用过滤器5与PCB基板1之间形成的横向孔隙，实现声音信号的采集，使得从PCB基板1的声孔11进入的强的气流受到阻挡，转而通过横向孔隙声音通道进入，从而能够防止气流对MEMS声电芯片3的电容膜片的冲击，提高MEMS麦克风对跌落和气体冲击的鲁棒性，提高MEMS麦克风的制成率和使用可靠性；同时，过滤器5对气流的阻挡和转向作用，也能阻挡动力学颗粒对MEMS麦克风的干扰，因为在制作高性能的MEMS麦克风时，从封装、表面贴装直到生产线的最后环节，MEMS声电芯片3都可能受到颗粒物的污染干扰，导致MEMS麦克风声学性能的降低，影响产品质量，而在MEMS声电芯片的背孔中内嵌过滤器5后，可以通过阻挡，尽可能防止颗粒物从声孔11处随气流进入，从而提高MEMS麦克风对颗粒物的抗干扰性能；此外，采用内嵌结构的过滤器5，还能够减小封装尺寸，使MEMS麦克风具有更小的体积，同时过滤器5与PCB板之间的横向孔隙声音通道，相对现有技术孔径也更大，尤其是容易做得与声孔11差不多大，甚至可以比声孔11更加大，这样可以大大降低声音传输过程中的声阻，减小对MEMS麦克风声学性能的影响。本领域的普通技术人员都了解，过滤器5的横向尺寸优选大于所述声孔11的直径，以覆盖声孔11阻挡气流，但小于MEMS声电芯片3的背孔的内周直径，以嵌入设置在MEMS声电芯片3的背孔内。
图3示出了本发明的MEMS麦克风的频率响应曲线的模拟效果图，图中的各条曲线，分别示出了在不同结构设计下的MEMS麦克风的灵敏度。图中标识的第1曲线，表示不设置过滤器时的频率响应；图中标识的第2至第5曲线，分别表示设置有不同尺寸过滤器时的频率响应，其中，过滤器和PCB基板之间形成的横向孔隙高度依次为25μm、50μm、75μm和100μm，从图中可以看出，不设置过滤器时，MEMS麦克风的声阻最小，信噪比最高，为66dB，而加入过滤器后，由于声阻的增大，MEMS麦克风的信噪比会有所降低，且主要在高频区域才产生对信噪比的明显影响，通过第2至第5曲线示出的模拟频率响应可知，其信噪比的降低量分别为4.54dB、0.91dB、0.29dB和0.13dB，可见，过滤器和PCB基板之间留有的横向孔隙尺寸越大，声阻越小，MEMS麦克风的性能也越好，其中，横向孔隙的高度达到75μm和100μm时，信噪比的损失已经小于0.5dB，具有了很高的声学性能。
基于上述模拟实验的结果，优选地，过滤器5与PCB基板1之间留有的横向孔隙的高度为25-200微米。更优选地，过滤器5与PCB基板1之间留有的横向孔隙的高度为50-100微米，采用上述尺寸高度的横向孔隙设计，既能够满足本发明MEMS麦克风防止气流冲击和过滤颗粒物的要求，又能够满足对MEMS麦克风声学性能的要求。
优选地，如图2所示，在PCB基板1上还设置有ASIC芯片6，ASIC芯片6与MEMS声电芯片3连接。MEMS声电芯片3由弹性膜片、刚性穿孔背电极和基底构成，弹性膜片与刚性穿孔背电极构成电容，通过弹性膜片感知声压变化，将声音信号转变为电容的变化，进而，与MEMS声电芯片3连接的ASIC芯片6，将该电容的变化转换为电信号输出，实现声音信号到电信号的转换。
优选地，过滤器5是导电的，并电连接至PCB基板1进行接地。由于在MEMS麦克风的制作和使用过程中，还可能会受到电磁、射频和光信号(如可见光、红外光、紫外光等)等的干扰，因此，本发明中，过滤器5设置为导电结构，并与PCB基板1的地连接，通过该接地的过滤器5，形成一个屏蔽层，实现对电磁、射频和光干扰的屏蔽，进一步提高本发明MEMS麦克风的抗干扰能力和稳定性。
优选地，该过滤器5设置为表面导电结构，包括由非导电材质制成的基体，以及设置在该基体上的导电层，通过该导电层实现过滤器5的表面导电，其中，基体可以采用硅、FR4、玻璃、聚合物、塑料和陶瓷等常用材料制成，其上涂覆导电层；或者，该过滤器5设置为体导电结构，可以整体使用导电材质制成，例如使用导电的金属或合金制成，实现过滤器5的体导电。
优选地，过滤器5通过导电胶导电粘接在PCB基板1上，与PCB基板1的地连接，参考图2所示，过滤器5的下方通过导电胶粘层7与PCB基板1上的接地焊盘9导电连接，实现接地，而MEMS声电芯片3和ASIC芯片6则通过普通胶粘层8粘接固定在PCB基板1上，MEMS声电芯片3、ASIC芯片6和PCB基板1之间的电连接通过导线实现。
图4示出了本发明MEMS麦克风所用的一种过滤器仰视图，图中的圆形虚线表示声孔11在该过滤器5上的投影。如图4所示，该过滤器5包括连接在一起的顶板51和底锚52；顶板51正对声孔11，用于阻挡从声孔11进入的气流；底锚52支撑着顶板51，实现固定作用，并导电连接至PCB基板1，顶板51和PCB基板1之间留有横向孔隙，在图4所示的过滤器5中，底锚52为多根分割设置的底锚52，多根分割设置的底锚52之间留有缺口，在缺口处形成横向孔隙。为了使横向声音通道即缺口尽可能大，在保证可靠固定的前提下，底锚52所占的面积显然越小越好。
图5和图6分别示出了本发明MEMS麦克风所用的另外两种过滤器的仰视图，在图5和图6中，过滤器5的底锚52均为连成一个整体的底锚52，连成一个整体的底锚52一侧留有缺口，在缺口处形成横向孔隙。在图5中，底锚52设置在过滤器5的右侧一半区域内，左侧全部留空，用来形成横向孔隙；而在图6中，底锚52包围了过滤器5的一半以上区域，在其左侧中间位置处留有缺口，用来形成横向孔隙。
优选地，过滤器5的整体厚度为100-300微米。更优选地，过滤器5的整体厚度为150-200微米，采用上述厚度尺寸，既能满足保留横向孔隙声音通道的高度要求，也可以限制过滤器5的高度，使得过滤器5的上方与MEMS声电芯片3之间留有足够大的距离，形成足够大的后声腔，从而提高MEMS麦克风的声学性能。
优选地，在本发明的一个实施例中，过滤器5和PCB基板1之间的横向孔隙处还设置有过滤网，该过滤网由设置在过滤器5顶板51上的柱子53形成，例如，图7中示出了一种带有上述柱子53的过滤器5的仰视图。如图7所示，该过滤器5的底锚52缺口处，排列设置有高纵横比的柱子53，这些柱子53组成过滤气流的过滤网。通过该过滤网对气流进行过滤，可以进一步提高对颗粒物的过滤功能，例如，可以过滤几微米以上的颗粒物，其中，上述柱子53的成型方法不限，例如可以通过深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)在顶板51上形成上述柱子53。
图8为图7中A-A’处截面示意图，参考图8所示，上述柱子53形成的过滤网拦截在横向孔隙声音通道上，实现对颗粒物的进一步过滤。
图9示出了五种不同截面形状的柱子，其中，箭头表示气流流向，如图9中a-e所示，柱子53的截面形状依次为星形a、菱形b、圆形c、正六边形d和矩形e。
其中，优选地，相邻的柱子53之间形成变径通道，变径通道沿声音传播方向的最窄处趋于线状，如图9中星形a、菱形b和圆形c所示，这样设置的柱子53，形成的变径通道的最窄处可以对气流中的颗粒实现过滤，又由于变径通道的两侧向外扩张，利于气流的通过，从而能够降低声阻，减小设置该过滤网对MEMS麦克风信噪比的影响。
图9示出了过滤器5形成单层过滤网时的气流流通示意图，如图9所示，过滤器5的顶板51上，柱子53仅设置一排，形成单层结构的过滤网。
图10示出了过滤器形成多层过滤网时气流流通示意图，如图10所示，过滤器5的顶板51上设置有多排柱子53，各排柱子53错位排布，形成多层结构的过滤网，在图10中，共示出了圆形a、正六边形b和矩形c三种截面形状的柱子53，参考图中箭头所示的气流方向，错位设置的各排柱子53，延长了过滤网过滤气流的狭缝通道，因此可以实现更优的过滤功能。
优选地，柱子53之间形成的缝隙宽度为5-100微米，来过滤在加工过程中会对MEMS麦克风产生干扰的颗粒物。
优选地，在本发明的一个实施例中，MEMS麦克风的外壳2为导电体，该导电外壳2电连接至PCB基板1的地，因此，外壳2、PCB基板1和过滤器形成一个接地的壳体，将MEMS声电芯片3包围在该接地的壳体内，实现对电磁、射频和光信号等优良的抗干扰效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方案，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种MEMS麦克风，包括由PCB基板和外壳包围形成的封装结构，所述封装结构内设置有MEMS声电芯片，所述PCB基板对应所述MEMS声电芯片的位置设置有声孔，其特征在于，所述MEMS麦克风还包括过滤器，所述过滤器嵌入设置在所述MEMS声电芯片的背孔中，所述过滤器与所述PCB基板之间留有横向孔隙，所述横向孔隙作为所述MEMS声电芯片采集声音的声音通道；
其中，所述过滤器包括连接在一起的顶板和底锚；所述顶板正对所述声孔；所述底锚支撑所述顶板，并电连接至所述PCB基板，所述顶板和所述PCB基板之间留有所述横向孔隙；
所述横向孔隙处还设置有过滤网，所述过滤网由设置在所述过滤器顶板上的柱子形成；相邻所述柱子之间形成变径通道，所述变径通道沿声音传播方向的最窄处趋于线状。
2.如权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述过滤器是导电的，并电连接至所述PCB基板进行接地。
3.如权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述过滤器包括由非导电材质制成的基体，所述基体上设置有导电层；或者，所述过滤器整体由导电材质制成。
4.如权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述过滤器通过导电胶导电粘接在所述PCB基板上，与所述PCB基板的地连接。
5.如权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述过滤器与所述PCB基板之间留有的横向孔隙的高度为25-200微米。
6.如权利要求5所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述过滤器与所述PCB基板之间留有的横向孔隙的高度为50-100微米。
7.如权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述过滤器的厚度为100-300微米。
8.如权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述过滤器的厚度为150-200微米。
9.如权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述过滤器的底锚为多根分割设置的底锚，所述多根分割设置的底锚之间留有缺口，在所述缺口处形成所述横向孔隙；
或者，所述过滤器的底锚为连成一个整体的底锚，所述连成一个整体的底锚一侧留有缺口，在所述缺口处形成所述横向孔隙。
10.如权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述过滤器顶板上设置有一排所述柱子，形成单层结构的所述过滤网。
11.如权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述过滤器顶板上设置有多排所述柱子，各排柱子错位排布，形成多层结构的所述过滤网。
12.如权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述柱子的截面形状为星形、菱形或圆形。
13.如权利要求1或10或11任一项所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述柱子之间形成的缝隙宽度为5-100微米。
14.如权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述MEMS麦克风的外壳为导电体，并电连接至所述PCB基板的地；所述外壳、所述PCB基板和所述过滤器形成一个接地的壳体。
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