CN112019986B - Mems麦克风 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种MEMS麦克风，所述MEMS麦克风包括壳体和泄气阀；所述壳体包括具有进声孔的基板；所述泄气阀设于所述基板的内表面，所述泄气阀设有与所述进声孔相对的透声孔及位于透声孔一侧的泄气孔；所述泄气阀包括主动片及与主动片层叠的被动片。其中，所述被动片与所述进声孔的环周贴合，所述被动片的热膨胀系数小于所述主动片的热膨胀系数；所述主动片具有与所述被动片层叠的主体部，以及自所述主体部两端延伸出的固定部；所述主体部被所述泄气孔贯穿，所述固定部与所述基板连接固定。本发明的MEMS麦克风，在能够平衡MEMS麦克风的内外气压、保护MEMS芯片不受到破坏的同时，还能改善低频频率响应下跌的问题。
Description
技术领域
本发明涉及麦克风技术领域，特别涉及一种MEMS麦克风。
背景技术
MEMS（微型机电系统）麦克风是基于MEMS技术制造的麦克风，能够应用到电子设备中作为声电转换装置。在MEMS麦克风的封装腔受到高温或高压冲击时，容易出现MEMS芯片振膜破损的问题。因此，MEMS麦克风通常会在其MEMS芯片上开设泄气孔，以通过该泄气孔将封装腔和外部环境连通，来保持MEMS麦克风内外气压平衡，进而减少封装腔受到的高温或高压冲击。然而，这种在MEMS芯片上开设泄气孔的泄气方式，会导致MEMS麦克风在低频时的频率响应显著下跌，导致MEMS麦克风声学性能大大降低。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种MEMS麦克风，旨在提供一种新的泄气方式，在能够平衡MEMS麦克风的内外气压、保护MEMS芯片不受到破坏的同时，还能改善低频频率响应下跌的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种MEMS麦克风，所述MEMS麦克风包括壳体和泄气阀；所述壳体包括具有进声孔的基板；所述泄气阀设于所述基板的内表面，所述泄气阀设有与所述进声孔相对的透声孔及位于透声孔一侧的泄气孔；所述泄气阀包括主动片及与主动片层叠的被动片。其中，所述被动片与所述进声孔的环周贴合，所述被动片的热膨胀系数小于所述主动片的热膨胀系数；所述主动片具有与所述被动片层叠的主体部及自所述主体部两端延伸出的固定部；所述主体部被所述泄气孔贯穿，所述固定部与所述基板连接固定。
可选地，所述MEMS麦克风还包括MEMS芯片，所述MEMS芯片安装于所述泄气阀的主动片，并罩盖所述透声孔；所述泄气孔位于所述MEMS芯片的外周。
可选地，所述MEMS麦克风还包括ASIC芯片，所述ASIC芯片安装于所述泄气阀的主动片，并与所述MEMS芯片电性连接；所述ASIC芯片和所述泄气孔间隔分开。
可选地，所述主动片的两个固定部通过粘性材料与所述基板连接固定。
可选地，所述固定部的下表面与所述被动片的侧面之间形成有容置区；所述粘性材料设置在所述容置区，并与所述固定部的下表面、所述被动片的侧面及所述基板三者粘性连接。
可选地，所述泄气孔的直径小于所述进声孔的直径。
可选地，所述主动片采用高分子材料制成，所述被动片采用金属材料制成。
可选地，所述高分子材料为聚酰亚胺或环氧玻纤布；所述金属材料为铜或其合金、铝或其合金中任意一种。
可选地，所述主动片的厚度大于所述被动片的厚度。
可选地，所述主动片的厚度为50μm~300μm；所述被动片的厚度为18μm~100μm。
本发明的技术方案，通过在MEMS麦克风的壳体内设置泄气阀，该泄气阀包括主动片及与主动片层叠的被动片，其中，被动片与进声孔的环周贴合，被动片的热膨胀系数小于主动片的热膨胀系数；主动片的主体部与被动片层叠，且该主体部被泄气孔贯穿，主动片固定部则与基板连接固定，从而在MEMS麦克风所处的环境的气温发生变化时，泄气阀的主体部可适应性发生变形，进而在初始状态和泄气状态之间切换（具体可参见后文），以平衡MEMS麦克风的内外气压，减少或避免MEMS芯片的泄气孔设计，这样可以避免MEMS芯片受到破坏，同时有效减少MEMS麦克风频率响应在低频处出现显著下跌的现象发生，在主动降噪等对低频频率响应有较高需求的领域具有较高的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明MEMS麦克风一实施例中泄气阀处于初始状态的示意图；
图2为图1中MEMS麦克风的泄气阀切换至泄气状态的示意图；
图3为图1中泄气阀的结构示意图；
图4为图3中泄气阀处于初始状态时沿I-I线的剖视图；
图5为图3中泄气阀处于泄气状态时沿I-I线的剖视图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 100 | 壳体 | 220 | 被动片 |
| 110 | 基板 | 201 | 透声孔 |
| 120 | 封盖 | 202 | 容置区 |
| 101 | 进声孔 | 203 | 泄气间隙 |
| 102 | 封装腔 | 204 | 泄气孔 |
| 200 | 泄气阀 | 300 | 粘性材料 |
| 210 | 主动片 | 500 | MEMS芯片 |
| 211 | 主体部 | 600 | ASIC芯片 |
| 212 | 固定部 |
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种MEMS麦克风的实施例，所述MEMS麦克风提供了一种新的泄气方式，在能够平衡MEMS麦克风的内外气压、保护MEMS芯片不受到破坏的同时，还能有效减少MEMS麦克风频率响应在低频处出现显著下跌的现象。应说明的是，所述MEMS麦克风可以应用在手机、平板、笔记本电脑、传感器等电子设备中。
请参阅图1至图3，在本发明MEMS麦克风的一实施例中，所述MEMS麦克风包括壳体100和泄气阀200；其中，壳体100包括具有进声孔101的基板110；泄气阀200设于基板110的内表面，泄气阀200设有与进声孔101相对的透声孔201及位于透声孔201一侧的泄气孔204；泄气阀200包括主动片210及与主动片210层叠的被动片220。其中，被动片220与进声孔101的环周贴合，被动片220的热膨胀系数小于主动片210的热膨胀系数；主动片210具有与被动片220层叠并连接的主体部211及自主体部211延伸出的固定部212；主体部211被泄气孔204贯穿，固定部212与基板110连接固定。
具体说来，壳体100的基板110为PCB板，PCB板上集成有电路。壳体100还包括设置在基板110上的封盖120，该封盖120采用金属材料制成，该封盖120罩盖在基板110上，封盖120的下周缘与基板110连接，以与基板110围合形成一封装腔102。MEMS芯片500和ASIC芯片600均封装在该壳体100的封装腔102；其中，MEMS芯片500固定在泄气阀200的主动片210上，并与透声孔201对应，该MEMS芯片500用于感应声压并将声压转变成电信号；ASIC芯片600安装于基板110的内表面，ASIC芯片600和MEMS芯片500电性连接，ASIC芯片600用于处理电信号。
请参阅图3至图5，对于泄气阀200而言，泄气阀200具有初始状态和泄气状态。其中，在初始状态下，泄气阀200的主动片210和被动片220均保持平直状，且被动片220整体贴合在基板110的内表面上（两者为面接触），以密封进声孔101的环周，使得MEMS麦克风的壳体100内部的封装腔102密封。在所述泄气状态下，由于泄气阀200的主动片210的两端被固定而形成定点，而该主动片210的主体部211受热膨胀而翘起变形，进而带动被动片220与基板110分离，在被动片220与基板110之间显露出将进声孔101和泄气孔204连通的泄气间隙203，该泄气间隙203可供气流流通，从而可以平衡MEMS麦克风的内外气压。
泄气阀200在初始状态和泄气状态之间切换的契机在于MEMS麦克风所处环境的温度变化。具体地，当MEMS麦克风处在常温常压环境时，泄气阀200处于初始状态。当MEMS麦克风处在高温高压环境时，由于泄气阀200的被动片220的热膨胀系数小于其主动片210的热膨胀系数，从而泄气阀200的主动片210会先于被动片220发生显著变形，即主动片210的变形大于被动片220的形变；由于主动片210的两端固定，故主动片210的变形集中在其主体部211；主动片210的主体部211朝背离基板110的一侧翘起变形，从而带动被动片220翘起，所以会在泄气阀200的被动片220和基板110之间形成所述泄气间隙203，此时，泄气阀200切换到泄气状态。
本发明的技术方案，通过在MEMS麦克风的壳体100内设置泄气阀200，该泄气阀200包括主动片210及与主动片210层叠的被动片220，其中，被动片220与进声孔101的环周贴合，被动片220的热膨胀系数小于主动片210的热膨胀系数；主动片210的主体部211与被动片220层叠，且该主体部211被泄气孔204贯穿，主动片210的固定部212则与基板110连接固定，从而在MEMS麦克风所处的环境的气温发生变化时，泄气阀200的主体部211可适应性发生变形，进而在初始状态和泄气状态之间切换（具体可参见前述说明，在此不赘述），以平衡MEMS麦克风的内外气压。
通过上述泄气阀200切换状态来平衡MEMS麦克风的内外气压，可无需在MEMS芯片500开设泄气孔，不仅可以有效防止出现MEMS麦克风爆壳或MEMS芯片损坏等现象，还可以有效减少MEMS麦克风频率响应在低频处出现显著下跌的现象发生，在主动降噪等对低频频率响应有较高需求的领域具有较高的应用前景。
请参阅图1和图2，在一实施例中，MEMS芯片500可以与泄气阀200连接固定，也可以与基板110连接固定，仅需不遮挡到该泄气阀200的泄气孔204即可。具体在此，将MEMS芯片500安装于泄气阀200的主动片210上，并罩盖所述透声孔201；泄气孔204位于MEMS芯片500的外周。也就是说， MEMS芯片500的周缘不接触也不遮盖到泄气孔204，因此，当泄气阀200切换到泄气状态时，壳体100的封装腔102依次经泄气孔204、泄气间隙203、进声孔101连通到外部环境，从而可平衡MEMS麦克风内外气压。
进一步地，MEMS麦克风的ASIC芯片600与MEMS芯片500电性连接。鉴于泄气阀200占用了基板110上的空间，剩余可供ASIC芯片600安装的空间较小。因此，为合理配置安装空间，可选地，将ASIC芯片600安装于泄气阀200的主动片210，并与MEMS芯片500电性连接。这样设计，不仅可以合理配置ASIC芯片600和泄气阀200的安装空间，并且，还可以利用ASIC芯片600将主动片210的固定部212压紧在基板110上，提高主动片210安装的稳定性。此外，还将ASIC芯片600和泄气孔204间隔分开，以避免ASIC芯片600接触或遮挡到泄气孔204。
在一实施例中，对于泄气阀200的泄气孔204而言，泄气孔204的直径小于进声孔101的直径。这样设计，一方面可以将从泄气孔204通过的气流量控制得较小，泄气时产生的气流不易对周围的部件产生冲击；再一方面，泄气孔204较小，可以减小泄气孔204对泄气阀200整体平面结构的影响，进而减小孔隙率对泄气阀200变形程度的影响。
至于泄气孔204的数量，泄气孔204的数量可以是一个或者两个或两个以上。举例说来，考虑到主动片210的主体部211的具体变形位置可能有所不同，所以泄气阀200和基板110之间形成的泄气间隙203的位置也可能有所不同。鉴于此，可在泄气阀200设置有多个泄气孔204时，多个泄气孔204沿MEMS芯片500的外周分散排布，这样可以确保在泄气状态下，至少在其中一个泄气孔204和进声孔101之间形成泄气间隙203。
请参阅图2至图4，基于上述任意一实施例中，为方便将泄气阀200的主动片210和基板110连接固定，可选地，主动片210的固定部212通过粘性材料300与基板110连接固定。该粘性材料300应当是具有较佳粘性的材料，例如胶水、邦定胶、强力粘胶或其他粘合剂等。
进一步地，固定部212的下表面与被动片220的侧面之间形成有容置区202；粘性材料300设置在容置区202，并与固定部212、被动片220及基板110三者粘性连接。
具体说来，粘性材料300与固定部212的下表面、主动片210的端面及基板110的内表面三者连接形成三角稳定连接结构，这样可使得主动片210的两端与基板110连接牢固；由于主动片210的两端固定，故主动片210的变形集中在其主体部211；主动片210的主体部211朝背离基板110的一侧翘起变形，以切换到泄气状态，有效避免在主动片210变形的过程中，主动片210与基板110完全分离的情况出现，确保泄气阀200还可以恢复到初始状态。
请参阅图3和图4，基于上述任意一实施例，对于泄气阀200的主动片210和被动片220的具体材料，可选地，主动片210为高分子材料，被动片220为金属材料材料。其中，所述高分子材料可选用聚酰亚胺（PI）、环氧玻纤布（PP片）等；所述金属材料可选为铜、铝等金属材料，或者是铜合金、铝合金、镍铁合金等。高分子材料相对于金属材料而言，高分子材料的热膨胀系数大于金属的热膨胀系数，在相同条件下高分子材料的变形量明显大于金属的变形量。并且，高分子材料对温度变化更为敏感，有助于泄气阀200快速感知环境温度的变化而在初始状态和泄气状态下快速切换。
请参阅图3和图4，其中，在图4中h1表示为主动片210的厚度，h2表示为被动片220的厚度。在此可选地，主动片210的厚度大于被动片220的厚度（即h1＞h2），以使得主动片210沿其厚度方向具有较大的变形量，从而在向泄气状态切换时可以强力将被动片220拱起，进而在泄气阀200的一端和基板110之间显露出泄气间隙203。由于主动片210的厚度对其变形量的大小有较为明显的影响。
鉴于此，本发明还对泄气阀200的主动片210的厚度进行研究。经研究发现，在主动片210的厚度小于50μm时，主动片210可以发生的变形量较小，泄气阀200在泄气状态下的泄气过程较为缓慢；而在主动片210的厚度大于300μm时，主动片210耗用的材料成本较大，且主动片210整体容易发生过渡变形，其固定部212的部分也容易翘起变形而挣脱基板110，增加泄气阀200脱落的风险。
因此，主动片210的厚度宜保持在50μm~300μm范围（即50μm≤h1≤00μm），此时，主动片210可以获得较佳的形变量，且主动片210发生变形时不易将固定部212翘起挣脱基板110，提高泄气阀200安装固定的稳定性。至于主动片210的厚度具体取值，可以是但不局限于：50μm、80μm、100μm、150μm、180μm、200μm、250μm、280μm等。
进一步地，本发明还对泄气阀200的被动片220的厚度进行研究。研究得出，被动片220的厚度宜保持在18μm~100μm范围（即18μm≤h2≤100μm）。在被动片220的厚度小于18μm时，被动片220较薄，被动片220不易紧贴在基板110的内表面；在被动片220的厚度大于100μm时，被动片220过厚，被动片220的强度过大，在泄气阀200向泄气状态切换过程中，主动片210难以克服被动片220的应力而将被动片220与基板110分离，增加泄气阀200向泄气状态切换的难度。因此，被动片220的厚度宜保持在18μm~μm范围。至于被动片220的厚度具体取值，可以是但不局限于：20μm、30μm、50μm、70μm、90μm、100μm等。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内内。
Claims (10)
1.一种MEMS麦克风，其特征在于，所述MEMS麦克风包括：
壳体，所述壳体包括具有进声孔的基板；以及
泄气阀，所述泄气阀设于所述基板的内表面，所述泄气阀设有与所述进声孔相对的透声孔及位于透声孔一侧的泄气孔；所述泄气阀包括主动片及与主动片层叠的被动片；其中，
所述被动片与所述进声孔的环周贴合，所述被动片的热膨胀系数小于所述主动片的热膨胀系数；
所述主动片具有与所述被动片层叠的主体部，以及自所述主体部两端延伸出的固定部；所述主体部被所述泄气孔贯穿，所述固定部与所述基板连接固定。
2.如权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述MEMS麦克风还包括MEMS芯片，所述MEMS芯片安装于所述泄气阀的主动片，并罩盖所述透声孔；所述泄气孔位于所述MEMS芯片的外周。
3.如权利要求2所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述MEMS麦克风还包括ASIC芯片，所述ASIC芯片安装于所述泄气阀的主动片，并与所述MEMS芯片电性连接；所述ASIC芯片和所述泄气孔间隔分开。
4.如权利要求1至3任意一项所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述主动片的两个固定部通过粘性材料与所述基板连接固定。
5.如权利要求4所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述固定部的下表面与所述被动片的侧面之间形成有容置区；所述粘性材料设置在所述容置区，并与所述固定部的下表面、所述被动片的侧面及所述基板三者粘性连接。
6.如权利要求1至3任意一项所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述泄气孔的直径小于所述进声孔的直径。
7.如权利要求1至3任意一项所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述主动片采用高分子材料制成，所述被动片采用金属材料制成。
8.如权利要求7所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述高分子材料为聚酰亚胺或环氧玻纤布；所述金属材料为铜或其合金、铝或其合金中任意一种。
9.如权利要求7所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述主动片的厚度大于所述被动片的厚度。
10.如权利要求9所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述主动片的厚度为50μm~300μm；所述被动片的厚度为18μm~100μm。
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