CN112087698B

CN112087698B - Mems麦克风

Info

Publication number: CN112087698B
Application number: CN202011100142.7A
Authority: CN
Inventors: 庞胜利; 王忠鹏
Original assignee: Weifang Goertek Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Weifang Goertek Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2040-10-15
Also published as: CN112087698A

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，所述泄气阀包括主动片及与主动片层叠的被动片。其中，所述主动片与所述进声孔的环周贴合，所述主动片的热膨胀系数大于所述被动片的热膨胀系数；所述被动片具有与所述主动片层叠的主体部，以及自所述主体部的一端延伸出的固定部，所述固定部与所述基板连接固定。本发明的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，还能改善低频频率响应下跌的问题。

Description

MEMS麦克风

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，进而解决MEMS芯片振膜破损的问题。然而，这种在MEMS芯片上开设泄气孔的泄气方式，会降低MEMS膜片结构强度，并导致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，所述泄气阀包括主动片及与主动片层叠的被动片。其中，所述主动片与所述进声孔的环周贴合，所述主动片的热膨胀系数大于所述被动片的热膨胀系数；所述被动片具有与所述主动片层叠的主体部，以及自所述主体部的一端延伸出的固定部，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芯片安装于所述被动片上并罩盖所述透声孔；所述MEMS芯片的周缘与所述被动片的周缘之间形成有间距。

可选地，所述MEMS麦克风还包括ASIC芯片，所述ASIC芯片安装于所述被动片的固定部上，并与所述MEMS芯片电性连接。

可选地，所述被动片的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主动片的端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、所述主动片及所述基板三者粘性连接。

可选地，所述主动片和所述基板其中一者的远离所述固定部的一端凸设有密封件，另一者设置有供所述密封件对应嵌入的密封凹槽。

可选地，所述密封件为与所述主动片或所述基板一体成型的密封凸筋；或者，所述密封件为配置于所述主动片或所述基板的密封胶条。

可选地，所述密封件呈U形或C形环绕于所述进声孔的外周，所述密封件的两端之间形成有开口，所述密封件的开口朝向所述固定部。

可选地，所述被动片采用金属或合金材料制成，所述主动片采用高分子材料制成；其中，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100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，主动片与进声孔的环周贴合，主动片的热膨胀系数大于被动片的热膨胀系数；被动片的主体部与主动片层叠，被动片的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，泄气阀的远离固定部的一端可适应性发生变形，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芯片在膜片上的泄气孔设计，可以避免MEMS芯片受到破坏的同时，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的示意图；

图5为图3中泄气阀处于泄气状态的示意图；

图6为本发明MEMS麦克风另一实施例中泄气阀处于初始状态的示意图；

图7为图6中A处的放大图；

图8为图6中MEMS麦克风的泄气阀切换至泄气状态的示意图；

图9为图8中B处的放大图；

图10为本发明MEMS麦克风又一实施例泄气阀处于初始状态的示意图；

图11为图10中C处的放大图；

图12为图10中MEMS麦克风的泄气阀切换至泄气状态的示意图；

图13为图12中D处的放大图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	壳体	201	透声孔
110	基板	202	容置区
				120	封盖	203	泄气间隙
101	进声孔	300	粘性材料
				102	封装腔	410	密封胶条
200	泄气阀	411	安装槽
				210	主动片	420	密封凸筋
220	被动片	430	密封凹槽
				221	主体部	500	MEMS芯片
222	固定部	600	ASIC芯片

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设置在基板110的内表面，泄气阀200设有与进声孔101相对的透声孔201，泄气阀200包括主动片210及与主动片210层叠的被动片220。请参阅图2至图4，其中，主动片210与进声孔101的环周贴合，主动片210的热膨胀系数大于被动片220的热膨胀系数；被动片220具有与主动片210层叠的主体部221，以及自所述主体部221的一端延伸出的固定部222，固定部222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的被动层上，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，所述ASIC芯片600和所述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，且主动片210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，泄气阀200的主动片210以其靠近被动片220的固定部222的一端为定点，主动片210的另一端朝向靠近被动片220一侧发生翘起变形，进而在主动片210和基板110之间显露出将进声孔101和壳体100内部的封装腔102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的主动片210的热膨胀系数大于其被动片220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，进而使得泄气阀200整体朝向被动片220一侧弯曲而产生形变，所以会在泄气阀200的主动片210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，主动片210与进声孔101的环周贴合，主动片210的热膨胀系数大于被动片220的热膨胀系数；被动片220的主体部221与主动片210层叠，被动片220的固定部222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的远离固定部222的一端可适应性发生变形，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与泄气阀200连接固定，不遮挡到该泄气阀200在泄气状态下形成的泄气间隙203。具体在此，将MEMS芯片500安装于被动片220上并罩盖透声孔201； MEMS芯片500的周缘与被动片220的周缘之间形成有间距。也就是说，MEMS芯片500的周缘不接触也不遮盖到被动片220的周缘，因此，当泄气阀200切换到泄气状态时，MEMS芯片不会遮挡到形成在泄气阀200的泄气间隙203的入口端。

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安装于被动片220的固定部222上，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和泄气阀的安装空间，并且，还可以利用ASIC芯片600将被动片220的固定部222压紧在基板110上，提高被动片220安装的稳定性。

请参阅图2至图4，在一实施例中，为方便将泄气阀200的被动片220和基板110连接固定，可选地，被动片220的固定部222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222的下表面与主动片210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222、主动片210及基板110三者粘性连接。

具体说来，粘性材料300与固定部222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的一端与基板110连接牢固，主动片210的另一端可以以该粘性连接的位置为定点向被动片220一侧翘起变形，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6至图8，在一实施例中，考虑到泄气阀200从泄气状态切换回到初始状态时，泄气阀200的主动片210可能不易完全恢复到平面状，如此则不能与基板110完全贴合密封，使得MEMS麦克风的封装腔102不能完全密封。鉴于此，为解决该问题，可选地，在主动片210和基板110其中一者的远离固定部222的一端凸设有密封件（如密封胶条410或密封凸筋420），另一者设置有供所述密封件对应嵌入的密封凹槽430。

举例说来，如图6至图9所示，可在基板110的内表面设置密封件（如密封胶条410），该密封件位于基板110的远离固定部222的一端；相应地，在主动片210的下表面设置密封凹槽430，在泄气阀200切换至初始状态时，基板110上的密封件嵌入到主动片210的密封凹槽430内而形成密封结构，也可以将泄气阀200的主动片210和基板110之间的间隙密封，达到提高泄气阀200在此状态下的密封性的效果，减少MEMS麦克风低频下跌现象。

当然，在另一实施例中，如图10至图13所示，还可以在主动片210的下表面设置密封件（如密封凸筋420），该密封件位于主动片210的远离固定部222的一端；相应地，在基板110的内表面设置密封凹槽430；在泄气阀200切换至初始状态时，泄气阀200的主动片210上的密封件嵌入到基板110的密封凹槽430内而形成密封结构，从而将泄气阀200的主动片210和基板110之间的间隙密封，有效提高泄气阀200在此状态下的密封性，减少MEMS麦克风低频下跌现象。

对于所述密封件而言，所述密封件为与主动片210或基板110一体成型的密封凸筋420。例如，如图13所示，所述密封件为与主动片210一体成型的密封凸筋420，密封凹槽430则设置在基板110上并与密封凸筋420对应；或者，在其他实施例中，所述密封件为与基板110一体成型的密封凸筋420，密封凹槽430则设置在主动片210上并与密封凸筋420对应。

当然，所述密封件还可以为配置于主动片210或基板110的密封胶条410。例如，所述密封件为配置于主动片210上的密封胶条410，密封凹槽430则设置在基板110上并与密封胶条410对应；或者，所述密封件为配置于基板110上的密封胶条410，密封凹槽430则设置在主动片210上并与密封胶条410对应。

值得一提的是，密封胶条410可以单独制造成型而后配置到主动片210上或基板110上（如橡胶条），也可以是在通过在主动片210上或基板110上涂覆软质密封材料（如硅胶）凝固形成。在本实施例中，采用前述后一实施方式。如图9所示，可选地，在主动片210或基板110上设置供密封条安装的安装槽411，以方便固定安装密封条。

在一实施例，为提高泄气阀200在初始状态下的密封效果，将所述密封件呈U形或C形环绕于进声孔101的外周，所述密封件的两端之间形成有开口，所述密封件的开口朝向固定部222。

具体说来，在泄气阀200处于初始状态时，密封件呈U形或C形环绕于进声孔101的外周，从而将进声孔101的三侧密封；至于进声孔101的剩余一侧，则会由于泄气阀200的固定部222与基板110连接固定，使得泄气阀200的主动片210在靠近固定部222的一端与基板110紧密贴合（即主动片210的与密封条的开口对应的位置），从而将该进声孔101剩余的一侧密封。这样设计可以减少制造密封条的工艺，以与制造成型；并且还可以节约材料成本。

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为金属材料或合金材料。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，所述合金材料可以是铜合金、铝合金、镍铁合金等。高分子材料相对于金属或合金材料而言，高分子材料的热膨胀系数大于金属或合金的热膨胀系数，在相同条件下高分子材料的变形量明显大于金属或合金的变形量。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，其靠近固定部222的部分也容易翘起变形，易于将被动片220的固定部222拱起挣脱基板110，增大泄气阀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发生变形时不易将被动片220的固定部222拱起挣脱基板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的强度较小，被动片220可能不足以稳定支撑MEMS芯片500；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的束缚力而翘起变形，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~100μm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

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，所述泄气阀包括主动片及与主动片层叠的被动片；其中，

所述主动片与所述进声孔的环周贴合，所述主动片的热膨胀系数大于所述被动片的热膨胀系数；

所述被动片具有与所述主动片层叠的主体部及自所述主体部延伸出的固定部，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芯片安装于所述被动片上并罩盖所述透声孔；所述MEMS芯片的周缘与所述被动片的周缘之间形成有间距。

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芯片安装于所述被动片的固定部上，并与所述MEMS芯片电性连接。

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，所述被动片的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主动片的端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、所述主动片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，所述主动片和所述基板其中一者的远离所述固定部的一端凸设有密封件，另一者设置有供所述密封件对应嵌入的密封凹槽。

7.如权利要求6所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述密封件为与所述主动片或所述基板一体成型的密封凸筋；或者，

所述密封件为配置于所述主动片或所述基板的密封胶条。

8.如权利要求6所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述密封件呈U形或C形环绕于所述进声孔的外周，所述密封件的两端之间形成有开口，所述密封件的开口朝向所述固定部。

9.如权利要求1至3任意一项所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述被动片采用金属制成，所述主动片采用高分子材料制成；其中，所述主动片的厚度大于所述被动片的厚度。

10.如权利要求8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。