CN110679159B - 具有封装的移动电极的麦克风 - Google Patents

Abstract

提供一种具有封装的可移动电极的MEMS麦克风系统。MEMS麦克风系统包括MEMS传感器，所述MEMS传感器具有通达通道、插塞以及第一构件和第二构件。配置成接收插塞的通达通道形成在第一构件和第二构件中的至少一者上。在第一构件和第二构件之间形成具有与MEMS传感器外部的压力不同的压力的真空。

Description

具有封装的移动电极的麦克风

技术领域

本公开总体地涉及微机电系统（MEMS）声换能器，并且更具体地涉及具有封装的移动电极的麦克风。

背景技术

除非本文另有说明，否则本部分中所描述的材料不是本申请中的权利要求的现有技术，并且不会因为被包括在本部分中而被承认是现有技术。

发明内容

下文阐述了本文所公开的某些实施例的概要。应当理解的是，这些方面被呈现以仅用于向读者提供这些特定实施例的简要概要，并且这些方面不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可以涵盖可能未在下文阐述的各种方面。

提供一种微机电系统（MEMS）麦克风系统，其包括具有空腔的封装壳体。MEMS麦克风系统还包括设置在封装壳体的空腔内的MEMS传感器。MEMS传感器包括：衬底；布置在衬底上方的第一构件和第二构件，所述第二构件与第一构件间隔开；插塞；以及形成在第一构件或第二构件中的至少一者上的通达通达通道，通达通道被配置为接收插塞。在第一构件和第二构件之间形成真空，该真空具有不同于空腔的压力。在第一构件和第二构件之间形成组件，所述组件包括多个连接件和多个柱。该组件还包括被配置成加强第一构件和第二构件的耦合件，该耦合件位于第一构件和第二构件的中心部分上。MEMS传感器还包括具有可移动电极和固定电极的电极组件，其中形成在第一构件和第二构件之间的可移动电极机械地耦合到第一构件或第二构件中的至少一者。可移动电极与固定电极重叠。电极组件还包括固定配对电极。固定配对电极设置在可移动电极上方，并且形成第一构件或第二构件中的至少一者的一部分。

附图说明

当参考附图阅读某些示例性实施例的以下具体实施方式时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同的附图标记在所有图中表示相同的技术，在附图中：

图1是根据本公开的所描述的实施例的麦克风系统的透视图；

图2A至图2C是根据本公开的所描述的实施例的具有各种开口配置的图1的麦克风系统的截面视图；

图3是根据本公开的所描述的实施例的麦克风的截面视图；

图4是根据本公开的所描述的实施例的麦克风的截面视图；以及

图5是根据本公开的所描述的实施例的麦克风的截面视图。

具体实施方式

呈现以下描述以使本领域技术人员能够制作和使用所描述的实施例，且在特定应用及其要求的上下文中提供以下描述。对所描述的实施例的各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离所描述的实施例的精神和范围的情况下，本文所定义的一般原理可以应用于其它实施例和应用。因此，所描述的实施例不限于所示出的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特征一致的最宽范围。

本公开是一种用于客户机的麦克风系统。在客户机内有多个其它电子部件，诸如传感器装置、扬声器、图形处理器单元、计算机处理器单元、主机系统、MEMS麦克风以及直接或间接耦合到麦克风系统的任何合适的计算机实现的装置。客户机可以是个人计算机或台式计算机、膝上型计算机、蜂窝或智能电话、平板电脑、个人数字助理（PDA）、游戏控制台、音频装置、视频装置、诸如电视机的娱乐装置、车辆信息娱乐系统、可穿戴装置、娱乐或信息娱乐遥控器、薄客户机系统、厚客户机系统等。可以提出与大小、移动性或配置无关的其他合适的客户机包括任何数量的麦克风系统。

麦克风系统包括用于容纳任何数量的传感器装置/晶片（die）、内部部件或其组合的封装壳体或包封件。传感器装置/晶片可以是诸如MEMS换能器、扬声器、接收器、麦克风、压力传感器、热传感器、光学传感器、成像传感器、化学传感器、陀螺仪、惯性传感器、湿度传感器、加速度计、气体传感器、环境传感器、运动传感器、导航传感器、生命力传感器、隧道磁阻（TMR）传感器、接近度传感器、辐射热测量计、或其组合。麦克风可以是驻极体麦克风、电容麦克风、石墨烯麦克风、压电麦克风、硅麦克风、光学麦克风或任何合适的声学麦克风。

图1是根据本公开的实施例的麦克风系统10的透视图。MEMS麦克风系统10包括封装壳体20，其具有盖12、隔块14和通过任何合适的附接方法附接到隔块14的衬底16。多于一个的传感器装置/晶片可以安装在麦克风系统10内，传感器装置/晶片可以是MEMS换能器、扬声器、接收器、麦克风、压力传感器、热传感器、光学传感器、成像传感器、化学传感器、陀螺仪、湿度传感器、惯性传感器、生命力传感器、TMR传感器、加速度计、气体传感器、环境传感器、运动传感器、导航传感器、接近度传感器、辐射热测量计或其组合。可以将可选部件（诸如，ASIC、集成电路、处理器、控制器、能量存储装置、致动器、传感器电路或任何合适的电路）安装在麦克风系统10内。取决于应用，可以通过蚀刻、刺穿、钻孔、冲孔或任何合适的方法在封装壳体20的任何位置上形成任何数目的开口22，诸如，用于从环境接收属性的端口或通路。例如，开口22可以形成于盖12上、衬底16上或隔块14上。在一些实施例中，开口22可以形成于封装壳体20的多个位置上。所述属性可以为声音信号、压力信号、光学信号、气体信号及任何合适的信号。在开口22内可以形成选择性的屏障。该屏障被配置并充当过滤器以去除碎屑、污染物、颗粒、蒸气、流体等。在一些实施例中，屏障可以形成在壳体20的外表面上以覆盖开口22，使得碎屑、污染物、颗粒等不能渗透到壳体中。在又另一实施例中，屏障可以形成在开口22下方，其中屏障的一部分附接到壳体20的内表面，以用于过滤或去除碎屑、污染物、颗粒等。在又一实施例中，屏障可以直接制造在诸如隔膜的可移动构件上。在又另一实施例中，屏障形成为分层的膜或分层的材料，并且可以在制造期间集成到壳体20中，或者设置在壳体20的外表面或内表面上。尽管描述了一个屏障，但是可以在MEMS封装上实现多层屏障或任何合适数量的屏障，这取决于应用。该屏障不仅在经由开口22暴露于环境时起到颗粒去除的作用，该屏障还可以用于其它目的，诸如减震器或振动阻尼器或其组合。尽管所描述的麦克风系统10包括多结构封装壳体20，但是可以使用在单结构封装壳体、两件式结构封装壳体或多结构封装壳体中的各个方面和配置来封装至少一个内部部件。作为示例，盖12和隔块14可以形成为单结构，其限定了盖件或帽。一个或多个接合焊盘18可以通过任何合适的方法形成在衬底16、盖12、隔块14或封装壳体20的多个位置上。一旦引入接合焊盘18，麦克风系统10就可以容易地安装到客户机的外部印刷电路板或另一支撑构件。在一些实施例中，封装壳体还包括将盖12耦合到隔块14或衬底16的内插件。

图2A至图2C示出了根据本公开的所描述的实施例的图1的麦克风系统10的截面视图，所述麦克风系统具有形成在封装壳体20的不同位置上的各种开口配置。尽管在每个图中示出了一个开口22，但是可以通过任何方法在封装壳体20上形成呈各种尺寸和几何形状的任何合适数量的开口22。麦克风系统10包括安装在封装壳体20的任何位置内的传感器装置/晶片30和部件26。形成在封装壳体20的至少一个位置上的开口22接收属性或刺激，诸如来自外部环境的声信号，该至少一个位置与传感器装置30或部件26中的至少一个相邻。可以引入连接链路24以将传感器装置30通信地耦合到部件26。连接链路24可以是引线接合、焊料凸块、焊料微凸块、焊球或任何合适的连接器。在一些实施例中，连接链路24可以是无线通信链路，并且传感器装置30利用形成在传感器装置30和部件26两者中的内置接口通信地耦合到部件26。无线通信链路例如可以是WiFi、近场通信（NFC）、Zigbee、智能WiFi、蓝牙（BT）、Qi无线通信、超宽带（UWB）、蜂窝协议频率、射频或任何合适的通信链路。取决于应用，可以使用任何数量的传感器装置30、部件26或传感器装置和部件之间的连接链路24。尽管在图1中示出了部件26和传感器装置30的并排配置，但是任何合适的配置都是可能的。例如，传感器装置30可以放置或安装在部件26的顶部上以形成堆叠配置。在另一示例中，传感器装置30可以安装在形成于部件26内的孔中，该孔被配置成接收传感器装置以形成包围配置。

图3示出了安装在图1的麦克风系统10内的麦克风晶片100的实施例的截面视图。麦克风晶片100包括具有空腔或衬底孔103的衬底101，并且第一膜102布置在衬底101上方。在一个实施例中，所述膜102电连接到衬底104。在另一实施例中，通过任何合适的技术方法将膜102与衬底104电隔离。麦克风晶片100还包括通过任何适当的附接方法连接到衬底101的第二膜105。在第一膜102和第二膜105之间中，提供多个连接件106和柱107。柱107通过任何合适的方法使第一膜102和第二膜105耦合。在一个实施例中，柱107的厚度是细长的或薄的，以限制两个膜102、105的加强。与麦克风的中心部分相邻的是为两个膜102、105提供加强的耦合件108。如图所示，可移动电极109附接到至少一个膜102、105。可移动电极109伸出膜102、105之外，并与附接到衬底101的至少一个固定电极110重叠。在另一实施例中，移动电极布置在两个膜之间。移动电极与至少一个膜的中心区域机械地耦合。在一些实施例中，电极非导电地附接到膜。可移动电极突出超过膜。经由固定到衬底的配对电极，在膜的外部区域测量可移动电极的位移。因此，靠近膜的区域可以有效地用作检测区域。在膜之间以及在可移动电极和固定电极之间包围有例如封闭真空、低压或不同于周围环境的压力。由此，尽管有高电容信号，也可以实现小的阻尼。可以预见到许多连接桁架/梁，以便能够使用非常柔顺的膜，尽管膜之间存在真空，该膜也不会塌陷。连接桁架/梁是细长的，使得得到两个膜的减小的或最小化的刚度。在可移动电极中预见到孔，连接梁穿过该孔，使得连接梁和可移动电极不彼此耦合。两个膜可以在中心中被加强，这使得能够使用较大的膜，其仅在边缘处的环形区域中弯曲。由此，对于相同的单个膜厚度，可以跨越更大的区域，并且由此，可以例如通过增加后容积的覆盖面积来优化麦克风的后容积。通过开口而在膜和可移动电极以及固定电极之间产生真空，所述开口优选地位于靠近固定电极或固定电极上方的衬底区域处，并且不需要位于膜中。可移动电极通过诸如氧化物层的电绝缘材料附接到一个或两个膜。通过将衬底电势与可移动电极的电势电分离，可以使用更简单的电路用于读出（readout）。除此之外，寄生电容被显著地减小，这有助于信号的改善得多的读出。可移动电极与外围的电连接可以通过非常柔顺/柔软的弹簧结构来实现，该弹簧结构例如在可移动膜的层中实现。至少一个通达通道111形成在膜105上。通达通道111被配置成释放、封装或产生形成在两个膜102、105与可移动电极109和固定电极110之间的空腔中的限定压力，优选地真空。通过插入插塞112穿过通达通道111而封闭通达通道111。在一些实施例中，通达通道111位于两个膜的外部，而不干扰膜的机械性质。为了在麦克风的操作期间在面对声音的一侧和面对后容积的一侧之间实现压力均衡，在膜102、105中设置小的通孔或狭缝113。在一个实施例中，固定电极110形成在与下部膜相同的层/平面上，并且使用与下部膜相同的材料。在另一实施例中，附加层可以放置在固定电极110上方。然后，该层被部分地释放并延伸到膜的区域中，以便将膜区域的至少一部分用于信号检测。可以通过氧化物层、氮化物层或任何合适的材料来实现固定电极的隔离。来自不同电极的信号可以通过任何合适的方法被路由到外部。

在一些实施例中，在制造期间，可以在硅衬底上形成多晶硅层和氧化物层（或附加氮化物层）的不同的层沉积和结构化。例如，可以通过HF气相蚀刻工艺来去除用作牺牲层的氧化物层。蚀刻牺牲层以形成用于产生真空的通达孔。为了有效地去除膜区域中的牺牲层并且为了仅使用膜区域外部的通达孔，实施蚀刻通道以用于蚀刻两个膜之间的区域中的牺牲层，以将去除牺牲层的工艺步骤的持续时间保持在合理的限度内。蚀刻通道可以包括可选的空腔，这取决于期望的应用。麦克风100被提供以允许独立于膜几何形状的电极配置。还提供麦克风100以允许非常大且灵敏的膜几何形状。耦合到麦克风的差分读出允许简单的静态电极。麦克风100被提供成使得移动电极处于与衬底不同的电势上，以便使得能够简单地评估信号。在衬底电势下可操作的膜防止衬底和膜之间的短路。此外，在膜之间提供低压，而不需要封装位于膜中的开口。

图4示出了安装在图1的麦克风系统10内的麦克风晶片200的实施例的截面视图。与图3不同，提供了作为上部最终层215的附加层。该层允许更坚固的麦克风。另一固定的配对电极216可以形成在可移动电极上方。在一个实施例中，上部固定电极形成为与上部膜相同的层。可以以完全差分的方式读出信号。除此之外，膜的中心部分在该示例中被加强，以便实现具有更大后容积的更大的膜，并且通过这种方式获得更大的灵敏度。

图5示出了安装在图1的麦克风系统10内的麦克风晶片300的实施例的截面视图。与图4不同，可移动电极经由例如氧化物层317机械地耦合到膜，同时仍与膜电隔离。有利的是，独立于经由可以精确定位的柱318将可移动电极机械地耦合到膜，可以限定膜的中心中的机械加强。氧化物边缘由于牺牲层蚀刻工艺的不准确性而变化很大，如果没有附加结构被应用以用于机械加强，则这将导致麦克风灵敏度的不准确性增加。例如，通过添加上部覆盖层319来加强膜的中心区域，这也使得能够实现更大直径的膜。在该示例中，电信号经由在可移动电极的层/平面中实现的非常柔软的弹簧320被引导到外部。

上文所描述的实施例已经通过示例被示出，并且应当理解的是，这些实施例可以容许各种修改和替代形式。还应当理解的是，权利要求不旨在限制于所公开的特定形式，而是涵盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。

虽然已经参考各种实施例描述了本专利，但是将理解的是，这些实施例是说明性的，并且本公开的范围不限于它们。许多变化、修改、添加和改进是可能的。更一般地，已经在上下文中或特定实施例中描述了根据本专利的实施例。在本公开的各种实施例中，功能可以在块中不同地分离或组合，或者用不同的术语来描述。这些和其它变化、修改、添加和改进可以落入如在所附权利要求书中限定的本公开的范围内。

Claims (17)

1.一种微机电系统（MEMS）麦克风系统，麦克风系统包括：

具有第一空腔的封装壳体；以及

MEMS传感器，其设置在所述封装壳体的空腔内，所述MEMS传感器包括：

衬底；

第一可移动膜和与所述第一可移动膜间隔开的第二可移动膜，其中所述第一可移动膜和第二可移动膜布置在所述衬底上方；

插塞；以及

通达通道，所述通达通道通向位于所述第一可移动膜和第二可移动膜之间的第二空腔并且通过所述第一可移动膜或第二可移动膜中的至少一者形成，所述通达通道被配置成在其中接收所述插塞的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风系统，所述MEMS传感器还包括形成在所述第二空腔中的真空，所述真空具有与所述第一空腔不同的压力。

3.根据权利要求2所述的MEMS麦克风系统，其还包括形成在所述第二空腔中的组件。

4.根据权利要求3所述的MEMS麦克风系统，所述组件包括：

多个连接件；以及

多个柱。

5.根据权利要求4所述的MEMS麦克风系统，所述组件还包括被配置为加强所述第一可移动膜和第二可移动膜的耦合件。

6.根据权利要求5所述的MEMS麦克风系统，其中，所述第一可移动膜和第二可移动膜包括所述衬底中的孔上方的相应的中心部分，并且所述耦合件位于相应的中心部分之间。

7.根据权利要求2所述的MEMS麦克风系统，所述MEMS传感器还包括具有可移动电极和固定电极的电极组件。

8.根据权利要求7所述的MEMS麦克风系统，其中，所述可移动电极机械地耦合至所述第一可移动膜和第二可移动膜中的至少一者。

9.根据权利要求8所述的MEMS麦克风系统，其中，所述可移动电极与所述固定电极重叠。

10.根据权利要求7所述的MEMS麦克风系统，其中，所述可移动电极形成在所述第一可移动膜和第二可移动膜之间。

11.根据权利要求10所述的MEMS麦克风系统，其中，所述第一可移动膜和第二可移动膜包括所述衬底中的孔上方的相应的中心部分，并且所述可移动电极位于相应的中心部分之间。

12.根据权利要求7所述的MEMS麦克风系统，所述电极组件还包括固定配对电极。

13.根据权利要求12所述的MEMS麦克风系统，其中，所述固定配对电极设置在所述可移动电极上方。

14.根据权利要求12所述的MEMS麦克风系统，其中，所述固定配对电极形成所述第一可移动膜或第二可移动膜中的至少一者的一部分。

15.一种微机电系统（MEMS）麦克风，其包括：

衬底；

第一可移动膜和与所述第一可移动膜间隔开的第二可移动膜，其中所述第一可移动膜和第二可移动膜布置在所述衬底上方；

插塞；以及

通过所述第一可移动膜或第二可移动膜中的至少一者形成的通达通道，所述通达通道通向位于所述第一可移动膜和第二可移动膜之间的空腔并且被配置成在其中接收所述插塞的至少一部分。

16.根据权利要求15所述的MEMS麦克风，其还包括形成在所述空腔中的真空，所述真空具有压力。

17.根据权利要求16所述的MEMS麦克风，其中，所述真空的压力不同于所述MEMS麦克风外部的压力。

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