CN111885472B - 微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本说明书实施例提供微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备。该微机电系统麦克风包括：第一支撑件；设置在第一支撑件上的可移动部件，包括第一电流线段；以及第二支撑件，包括第二电流线段，其中，该可移动部件能随声压的变化而移动，从而使得第一电流线段相对于第二电流线段移动，第一电流线段包括第一磁阻，第二电流线段包括第二磁阻，当第一电流线段相对于第二电流线段移动时，第一电流线段中的电流所产生的磁场能改变第二磁阻的阻值，第二电流线段中的电流所产生的磁场能改变第一磁阻的阻值，以通过第一磁阻和第二磁阻的阻值的改变，产生对应的声音信号。
Description
技术领域
本说明书涉及微机电系统麦克风技术领域，更具体地，涉及一种微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备。
背景技术
磁阻是阻值能够根据磁场变化而发生变化的元件。可以利用磁阻的特性，检测磁场变化。磁阻例如可以是隧道磁阻TMR、巨磁阻GMR等。
在现有技术的麦克风中，将磁阻设置在麦克风振膜上，通过磁体或者电流线圈产生固定的参考磁场。当振膜振动时，振膜带动磁阻在磁场中发生位移，由此，磁阻所处的磁场发生变化并且磁阻的阻值发生变化。通过检测磁阻的阻值变化，产生声音信号。
图1示出了一种利用磁阻的麦克风。在图1中，麦克风包括振膜11、衬底12和间隔件13。振膜11、衬底12和间隔件13形成腔体14。在振膜11上设置磁阻15，在衬底12上设置磁膜16。磁膜16形成施加到磁阻15的磁场。当施加声压时，振膜11发生振动，并且磁阻15也发生位移，从而使得磁膜16施加到磁阻15上到磁场发生变化。磁阻15的阻值跟随磁场变化，以及通过检测磁阻15的电流或电压变化，产生声音信号。
在这种麦克风中，需要设置额外的磁场产生元件，例如，磁膜或者电流线圈。
因此，需要一种利用磁阻元件制造微机电系统(MEMS)麦克风的新技术方案
发明内容
本说明书的实施例提供用于微机电系统麦克风的新技术方案。
根据本说明书的第一方面，提供了一种微机电系统麦克风，包括：第一支撑件；设置在第一支撑件上的可移动部件，包括第一电流线段；以及第二支撑件，包括第二电流线段，其中，该可移动部件能随声压的变化而移动，从而使得第一电流线段相对于第二电流线段移动，其中，第一电流线段包括第一磁阻，第二电流线段包括第二磁阻，其中，当第一电流线段相对于第二电流线段移动时，第一电流线段中的电流所产生的磁场能改变第二磁阻的阻值，第二电流线段中的电流所产生的磁场能改变第一磁阻的阻值，以通过第一磁阻和第二磁阻的阻值的改变，产生对应的声音信号。
根据本说明书的第二方面，提供了一种麦克风单体，包括单体外壳、这里公开的微机电系统麦克风以及集成电路芯片，其中，所述微机电系统麦克风以及集成电路芯片被设置在所述单体外壳中。
根据本说明书的第三方面，提供了一种电子设备，包括这里公开的麦克风单体。
在不同实施例中，可以通过利用磁阻电路的自身变化，产生声音信号。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书实施例。
此外，本说明书实施例中的任一实施例并不需要达到上述的全部效果。
通过以下参照附图对本说明书的示例性实施例的详细描述，本说明书的实施例的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了现有技术的利用磁阻的麦克风的示意图。
图2示出了根据一个实施例的MEMS麦克风的示意顶视图。
图3示出了根据一个实施例的MEMS麦克风的示意性侧视图。
图4示出了根据一个实施例的MEMS麦克风的电路图。
图5示出了磁阻灵敏度的一个曲线图。
图6示出了磁阻灵敏度的另一个曲线图。
图7示出了根据这里公开的一个实施例的麦克风单体的示意图。
图8示出了根据这里公开的一个实施例的电子设备的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述各种示例性实施例。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
下面，参照附图描述本说明书的不同实施例和例子。
图2示出了根据一个实施例的MEMS麦克风的示意顶视图。图3示出了该MEMS麦克风的示意性侧视图。
如图3所示，MEMS麦克风包括：第一支撑件26；设置在第一支撑件26上的可移动部件21，包括第一电流线段23a；以及第二支撑件22、27，包括第二电流线段23b。第一支撑件可以是位于可移动部件21和衬底28之间的第一间隔件26。图2示出了第一电流线段23a和第二电流线段23b的顶视图。
可移动部件21能随声压的变化而移动，从而使得第一电流线段23a相对于第二电流线段23b移动。如图3所示，第一电流线段23a相对于第二电流线段23b沿方向A上下移动。
第一电流线段23a包括第一磁阻231a。第二电流线段23b包括第二磁阻231b。当第一电流线段21a相对于第二电流线段23b移动时，第一电流线段23a中的电流所产生的磁场能改变第二磁阻231b的阻值，第二电流线段23b中的电流所产生的磁场能改变第一磁阻231a的阻值。
通过第一磁阻231a和第二磁阻231b的阻值的改变，可以产生对应的声音信号。例如，可以通过检测由于阻值的改变所引起的电流变化，从而产生声音信号，或者也可以通过检测由于阻值的改变所引起的电压变化，从而产生声音信号。
与现有技术的设计方式不同，在这里，每个磁阻既用于产生磁场，又用于检测磁场变化，而不需要设置单独的磁场形成元件。由于两个磁阻的制造工艺的对称性，因此，可以保证MEMS麦克风的性能一致性。
在图2所示的例子中，可移动部件21是第一悬臂。第一电流线段23a位于第一悬臂21的端部。
在图2、3所示的例子中，第二支撑件包括第二悬臂22。第二悬臂22位于第二间隔件27上。第二间隔件27位于衬底28之上。衬底28中可以包括多个声孔。
如图2所示，第二悬臂22的长度小于第一悬臂21。第二电流线段23b位于第二悬臂22的端部。第二悬臂22的端部临近第一悬臂21的端部。由于第一悬臂21和第二悬臂22的长度不同，因此，当施加声压时，它们的位移不同。这样，第一电流线段23a中的电流所产生的磁场在第二电流线段23b处会发生变化，从而影响第二电流线段23b中的磁阻。同理，第二电流线段23b中的电流所产生的磁场在第一电流线段23a处会发生变化，从而影响第一电流线段23a中的磁阻。
当第二悬臂22与第一悬臂21的长度差较大时，第二悬臂22可以认为是固定的。这样，相互之间的磁场影响较大，从而可以提升磁阻变化的检测效果，从而提高MEMS麦克风的灵敏度。
此外，在MEMS麦克风中，采用第二悬臂22的方式来放置第二电流段23b，从而可以使得第一电流段23a和第二电流段23b距离较近和/或简化工艺处理。这样，可以增加第一电流段23a和第二电流段23b之间的相互磁场作用，从而提高MEMS麦克风的性能。
在图2中，第一电流线段23a的一部分由第一磁阻231a构成，第二电流线段23b的一部分由第二磁阻231b构成。但是，本领域技术人员应当理解，第一电流线段23a全部由第一磁阻231a构成，和/或第二电流线段23b全部由第二磁阻231b构成，这样可以充分利用两个电流线段所产生的磁场。
如图2所示，第一电流线段23a与第二电流线段23平行。两个电流线段中的一个所产生的磁场能够均匀且有效地施加到另一个电流线段。
可以通过检测第一磁阻的电流和/或电压变化来产生声音信号。此外，还可以通过惠斯通电桥来产生声音信号。
例如，如图2所示，第一磁阻231a和第二磁阻231b构成惠斯通电桥的两个电桥臂，以及惠斯通电桥的输出信号作为所述声音信号。这里可以使用惠斯通半桥电路，也可以使用惠斯通全桥电路。
如图3中第一电流线段231a和第二电流线段231b中的圆点所示，第一电流线段231a和第二电流线段231b中的电流方向相同。在图3中，作为示例，第一电流线段231a和第二电流线段231b中的电流方向都是从纸面出来的方向。通过将第一电流线段231a和第二电流线段231b中的电流方向设为相同方向，可以通过第一磁阻231a和第二磁阻231b产生差分输出，从而提高对磁阻阻值变化的检测效果。
如图2所示，可移动部件21还包括第三电流线段23c，以及第二支撑件22还包括第四电流线段23d。第三电流线段23c包括第三磁阻231c，第四电流线段23d包括第四磁阻231d。第三电流线段23c的电流所产生的磁场能改变第四磁阻231d的阻值，以及第四电流线段23d的电流所产生的磁场能改变第三磁阻231c的阻值。如图4所示，第一磁阻231a、第二磁阻231b、第三磁阻231c和第四磁阻231d构成惠斯通电桥的全桥电路。全桥电路的差分输出信号被用作声音信号。在这里，通过在可移动部件上设置多个电流线段，实现惠斯通电桥的全桥电路，从而提高磁阻阻值检测的性能，而不需要增加过多的工艺处理。
如图2所示，MEMS麦克风还可以包括预弯悬臂25a、25b。预弯悬臂25a、25b可以相对于可移动部件21的预期平整平面凸起并且能够通过静电力调整可移动部件21的位置。例如，当在预弯悬臂25a、25b上施加电荷时，预弯悬臂25a、25b会对可移动部件21产生静电力。控制所施加的电荷量和/或极性，可以调整可移动部件21的位置。通过这种方式，可以将可移动部件21保持在期望位置，从而保障MEMS麦克风检测声音的性能。
如图2所示，第一电流段23a、第二电流段23b、第三电流段23c和第四电流段23d可以分别通过引线24a、24b、24c、24d连接到外部电路。例如，通过引线24a、24b、24c、24d连接第一电流段23a、第二电流段23b、第三电流段23c和第四电流段23d，以形成图4所示的惠斯通电桥。
这里的磁阻可以是隧道磁阻、巨磁阻等。图5和图6示出了MEMS麦克风灵敏度的仿真曲线图。这里，采用图2所示的MEMS麦克风，其中，第一磁阻231a、第二磁阻231b、第三磁阻231c和第四磁阻231d构成图4所示的惠斯通电桥的全桥电路。
在图5所示的曲线图中，通过各个磁阻的电流I＝1mA。采用隧道磁阻的MEMS麦克风的灵敏度Soc相对于磁阻之间的间距的曲线是TMR所指示的曲线，其中，隧道磁阻的磁阻变化率是100％。采用巨磁阻的MEMS麦克风的灵敏度Soc相对于磁阻之间的间距的曲线是GMR所指示的曲线，其中，巨磁阻的磁阻变化率是3％。
在图6所示的曲线图中，通过各个磁阻的电流I＝10mA。采用隧道磁阻的MEMS麦克风的灵敏度Soc相对于磁阻之间的间距的曲线是TMR所指示的曲线，其中，隧道磁阻的磁阻变化率是100％。采用巨磁阻的MEMS麦克风的灵敏度Soc相对于磁阻之间的间距的曲线是GMR所指示的曲线，其中，巨磁阻的磁阻变化率是3％。
通常，普通MEMS麦克风的灵敏度大约在5～10*10-3V/Pa的范围内。通过图5和图6可以看出，实施例中所提供的MEMS麦克风可以提供较优异的灵敏度性能。
此外，这里不需要单独的磁场形成元件来产生用于磁阻的磁场。可以通过已有制造工艺来制造磁阻，从而减小成本。
另外，通过这种方式，可以在很小的区域内制造高度集成的磁阻，从而减小MEMS麦克风的尺寸。此外，这种高度集成的磁阻的对称性比较好，这样可以保证MEMS麦克风性能的一致性。
图7示出了根据这里公开的一个实施例的麦克风单体的示意图。
如图7所示，麦克风单体40包括单体外壳41、上面描述的MEMS麦克风42以及集成电路芯片43。MEMS麦克风42以及集成电路芯片43被设置在所述单体外壳41中。MEMS麦克风42与单体外壳41的进气口对应。MEMS麦克风42、集成电路芯片43和单体外壳41中的电路通过引线44连接。
图8示出了根据这里公开的一个实施例的电子设备的示意图。
如图8所示，电子设备50可以包括图7所示的麦克风单体51。电子设备50可以是手机、平板电脑、可穿戴设备等。
以上所述仅是本说明书实施例的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本说明书实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本说明书实施例的保护范围。
Claims (10)
1.一种微机电系统麦克风，包括：
第一支撑件；
设置在第一支撑件上的可移动部件，包括第一电流线段；以及
第二支撑件，包括第二电流线段，
其中，该可移动部件能随声压的变化而移动，从而使得第一电流线段相对于第二电流线段移动，
其中，第一电流线段包括第一磁阻，第二电流线段包括第二磁阻，以及
其中，当第一电流线段相对于第二电流线段移动时，第一电流线段中的电流所产生的磁场能改变第二磁阻的阻值，第二电流线段中的电流所产生的磁场能改变第一磁阻的阻值，以通过第一磁阻和第二磁阻的阻值的改变，产生对应的声音信号。
2.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，可移动部件是第一悬臂，以及第一电流线段位于第一悬臂的端部。
3.根据权利要求2所述的微机电系统麦克风，其中，第二支撑件包括第二悬臂，第二悬臂的长度小于第一悬臂，第二电流线段位于第二悬臂的端部，以及第二悬臂的端部临近第一悬臂的端部。
4.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，第一电流线段与第二电流线段平行，第一电流线段全部由第一磁阻构成，以及第二电流线段全部由第二磁阻构成。
5.根据权利要求1-4中的任何一个所述的微机电系统麦克风，还包括：惠斯通电桥，其中，第一磁阻和第二磁阻构成惠斯通电桥的两个电桥臂，以及惠斯通电桥的输出信号作为所述声音信号。
6.根据权利要求5所述的微机电系统麦克风，其中，第一电流线段和第二电流线段中的电流方向相同。
7.根据权利要求5所述的微机电系统麦克风，其中，所述可移动部件还包括第三电流线段，以及所述第二支撑件还包括第四电流线段；
其中，第三电流线段包括第三磁阻，第四电流线段包括第四磁阻；
其中，第三电流线段的电流所产生的磁场能改变第四磁阻的阻值，以及第四电流线段的电流所产生的磁场能改变第三磁阻的阻值；以及
其中，第一磁阻、第二磁阻、第三磁阻和第四磁阻构成所述惠斯通电桥的全桥电路，以及所述声音信号是全桥电路的差分输出信号。
8.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，还包括预弯悬臂，其中，所述预弯悬臂相对于可移动部件的预期平整平面凸起并且能够通过静电力调整可移动部件的位置。
9.一种麦克风单体，包括单体外壳、根据权利要求1所述的微机电系统麦克风以及集成电路芯片，其中，所述微机电系统麦克风以及集成电路芯片被设置在所述单体外壳中。
10.一种电子设备，包括根据权利要求9所述的麦克风单体。
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