CN113132876A - 微机电麦克风及电子设备 - Google Patents

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Abstract

这里公开了一种微机电麦克风及电子设备。微机电麦克风包括：上壳；基座，包括声孔，并且与上壳一起形成微机电麦克风的壳体；麦克风衬底，被设置在基座上方并包括至少两个第一开孔，所述至少两个第一开孔与所述声孔连通；以及至少两个麦克风单元，形成在衬底上并且分别与所述第一开孔相对应，其中，所述至少两个麦克风单元在声学上并联设置在所述麦克风衬底上，所述至少两个麦克风单元分别包括振膜和背极板，所述振膜和第一开孔的侧壁围成麦克风前腔的至少一部分，以及所述至少两个麦克风单元在电路上串联。

Description

微机电麦克风及电子设备
技术领域
这里公开的实施例涉及微机电(MEMS)麦克风技术领域，以及具体涉及一种微机电麦克风及电子设备。
背景技术
微机电麦克风被广泛应用于各种电子设备，例如，智能手机、平板电脑、车载智能系统、智能音箱等。
图1示出了一个微机电麦克风的示意图。如图1所示，微机电麦克风包括上壳101和基座102。上壳101和基座102共同构成微机电麦克风的壳体。在基座102中有声孔103。在基座上设置麦克风衬底104。麦克风衬底104的开孔与与声孔103相对。在麦克风衬底104上设置麦克风单元105。麦克风单元105包括振膜和背极板。在麦克风单元105中的振膜和麦克风衬底104的开孔侧壁之前形成微机电麦克风的前腔104a。麦克风单元105通过引线106与麦克风集成电路ASIC 107连接。
发明内容
本公开的一个目的是提供的用于微机电麦克风的新技术方案。
根据本公开的第一方面，提供了一种微机电麦克风，包括：上壳；基座，包括声孔，并且与上壳一起形成微机电麦克风的壳体；麦克风衬底，被设置在基座上方并包括至少两个第一开孔，所述至少两个第一开孔与所述声孔连通；以及至少两个麦克风单元，形成在衬底上并且分别与所述第一开孔相对应，其中，所述至少两个麦克风单元在声学上并联设置在所述麦克风衬底上，其中，所述至少两个麦克风单元分别包括振膜和背极板，所述振膜和第一开孔的侧壁围成麦克风前腔的至少一部分，以及其中，所述至少两个麦克风单元在电路上串联。
根据本公开的第一方面，提供了一种电子设备，包括这里公开的微机电麦克风。
根据本公开的实施例，可以提高微机电麦克风的性能。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且连同其说明一起用于解释本公开的原理。
图1示出了现有技术中的一个微机电麦克风的示意图。
图2示出了根据一个实施例的微机电麦克风的示意图。
图3示出了根据一个实施例的微机电麦克风中的微机电麦克风单元的示意性顶视图。
图4示出了根据一个实施例的微机电麦克风单元的示意性侧视图。
图5示出了根据一个实施例的微机电麦克风的示意性电路图。
图6示出了根据一个实施例的微机电麦克风的集总模型。
图7示出了根据另一个实施例的微机电麦克风单元的示意性侧视图。
图8示出了根据另一个实施例的微机电麦克风的示意图。
图9示出了根据又一个实施例的微机电麦克风中的微机电麦克风芯片的示意性顶视图。
图10示出了根据又一个实施例的微机电麦克风的示意性电路图。
图11示出了根据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本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
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，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
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。
图2示出了根据一个实施例的微机电麦克风的示意图。
如图2所示，微机电麦克风包括：上壳11、基座12、麦克风衬底14和至少两个麦克风单元15a、15b。
基座12包括声孔13。基座12与上壳11一起形成微机电麦克风的壳体。壳体包围微机电麦克风的内部组件。麦克风衬底14被设置在基座12上方并包括至少两个第一开孔14a、14b。至少两个第一开孔14a、14b与声孔13连通。至少两个麦克风单元15a、15b形成在衬底14上并且分别与第一开孔14a、14b相对应。声波可以经由声孔13和第一开孔14a、14b传播到麦克风单元15a、15b。麦克风单元15a、15b接收声波的振动并产生相应的电信号。
如图2所示，麦克风单元15a、15b可以通过引线16连接到麦克风ASIC 17。本领域技术人员应当理解，这里的引线16和麦克风ASIC 17仅仅是示例性的，在一些其他实施例中，麦克风ASIC 17也可以位于微机电麦克风的外面。
如图3所示，至少两个麦克风单元15a、15b在声学上并联设置在麦克风衬底14上。图4是沿图3的X-X’线的截面图。如图4所示，至少两个麦克风单元15a、15b分别包括振膜33a、33b和背极板32a、32b。例如，振膜33a、33b和背极板32a、32b通过间隔件31被间隔开。振膜33a、33b和第一开孔14a、14b的侧壁围成麦克风前腔的至少一部分。
在这个实施例中，由于麦克风单元在声学上并联在麦克风衬底上，因此，麦克风单元可以在声学上实现信噪比的累加。而且，在这种微机电麦克风中，相比于声学噪声，电学噪声很小。因此，这种电学上的串联噪声对于微机电麦克风的影响很小。
此外，由于麦克风单元在电学上串联，因此，可以在整体上提升微机电麦克风的性能。例如，由于施加在串联的麦克风单元两端的总电压不变，因此，每个麦克风单元所承受的电压较小(小于吸合电压Vp)。这样，可以提高微机电麦克风中的麦克风单元的可靠性。此外，这样也可以改善微机电麦克风的声学过载点AOP/总谐波失真THD。
在这里所描述的微机电麦克风中，麦克风衬底设置在基座上方，声孔被设置在基座中，麦克风衬底的开孔与基座的声孔相对。对于这种紧凑结构的微机电麦克风来说，通过将麦克风单元设置成在声学上并联并在电学上串联，可以有效地提升这种微机电麦克风的性能。此外，由于多个麦克风单元形成在相同的麦克风衬底上，因此麦克风单元一致性较强且相互之间的距离较近。在这种情况，采用这种设置有利于提高微机电麦克风的性能。
如图5所示，至少两个麦克风单元15a、15b在电路上串联。在图5中，麦克风单元15a包括两个电极A1、B1。A1、B1可以分别是振膜和背极板或者背极板和振膜。麦克风单元15b包括两个电极A2、B2。同样地，A2、B2可以分别是振膜和背极板或者背极板和振膜。感测节点A和电源端点B分别连接到串联两个麦克风单元15a、15b的两端，即电极A1、B2。感测节点A与缓冲器(或阻抗转换器)18连接，并输出感测电压vo。在图3的顶视图中示出了感测节点A、与电极B1、A2和电源端点B。
对于图5所示MEMS麦克风的电路，感测节点A是一个高阻抗节点。在声频下，电量Q＝CV，其中，C是串联的麦克风单元的总电容，V是跨越串联的所有电容(振膜和背极板)的电压。在电源端点B施加直流电压Vbias，在缓冲器18输出交流信号vo。麦克风的本征灵敏度可以表示为：Soc＝dvo/dp，其中，p是输入声压。
为了说明的简便起见，这里假设所有麦克风单元都是一致的，即：Sm1＝Sm2＝Sm，Vbias1＝Vbias2<＝75％Vp，其中，Sm是机械灵敏度(＝dW/dp，W是振膜有效位移)，Vp是每个麦克风单元的吸合电压。
这里，Soc1＝Soc2＝Sm(Vbias1/Gap1)<＝0.75VpSm/Gap，其中，Gap＝Gap1是每个麦克风单元的空气间隙。另外，为了安全起见，Vbias1＝Vbias2由Vp来限制，通常Vbias1＝Vbias2<＝(65～75％)Vp。
对于多个麦克风单元串联的配置，可以分成如下两种情况来考虑。
如果总的偏置电压Vbias是不受限的，则Vbias可以是Vbias1的两倍。在这种情况下，Soc也被加倍。因此，可以得到6dB的灵敏度提升。对于N个麦克风单元串联的情况，可以得到20*log10(N)的灵敏度提升。
如果总的偏置电压Vbias被限制为Vbias1，则每个麦克风单元所承受的偏压减小。因此，麦克风单元的可靠性提高。此外，由于每个麦克风单元以较低的Vbias1/Vp比进行工作，因此，声学过载点AOP/总谐波失真THD可以得到改善。
图6示意性地示出了根据一个实施例的微机电麦克风的集总模型。在图6中，P表示输入声压，Vout表示麦克风单元的输出信号。Cm表示振膜的顺性(compliance)，Lm表示振膜的质量(mass)，Rm表示包括背极板中的穿孔和间隙的微机电麦克风的声阻。Rf表示前孔的声阻，Lf表示前孔中的空气质量，Cf表示前孔的顺性。Rv表示通气孔的声阻，Cb表示背腔的顺性。K表示缓冲器(或阻抗转换器)。
在微机电麦克风的集总模型中，微机电麦克风的振膜的声阻是产生噪声的主要原因。由于多个(N个)麦克风单元在声学上并联，因此，振膜(及背极板)的声阻减小为原本声阻(1/N)。相应地，噪声也减小10*log10(N)。在N＝2的情况下，噪声减小3dB。由于诸如麦克风ASIC的工艺越来越成熟，这些器件中的电噪声是可控的并且越来越小，因此，麦克风单元的机械噪声的减小能够显著地减小微机电麦克风的整体噪声。
就这里所采用的微机电麦克风结构来说，麦克风单元形成在麦克风衬底上并且与基座上的声孔相对。因此，可以认为：Cm＝N*Cm1,Lm＝Lm1/N,Rm＝Rm1/N，其中，Cm1是第一麦克风单元的振膜的顺性，Lm1是第一麦克风单元的振膜的质量，Rm1是第一麦克风单元的振膜的声阻。从这里可以看出，通过在声学上并联设置麦克风单元，可以显著减小微机电麦克风的整体噪声。
在一个实施例中，如图7、8所示，微机电麦克风还可以包括垫高衬底41。垫高衬底41位于麦克风衬底14和基座12之间。垫高衬底41包括第二开孔42。至少两个第一开孔14a、14b经由第二开孔42与声孔13连通。
通过使用垫高衬底，可以方便将多个麦克风单元设置在基座上，从而有利于简化微机电麦克风的封装工艺。
此外，垫高衬底有助于多个麦克风单元共用基座上的一个声孔。
此外，通过垫高衬底，在麦克风衬底和基座之间可以形成一定的间隙。这样，从声孔进入的声波可以较均匀地分散到各个麦克风单元，从而使得各个麦克风单元产生较一致的声学输出。
此外，通过垫高衬底，使得麦克风衬底和基座间隔开，从而减小噪声/声阻。
在一个例子中，第二开孔42的横截面面积大于第一开孔14a、14b的横截面的总面积。在这个例子中，通过设定垫高衬底的开孔面积与麦克风衬底的开孔面积之间的关系，可以帮助设计人员和/或自动设计装置产生符合需要的微机电麦克风设计。
在另一个例子中，第一开孔14a、14b的横截面区域位于第二开孔42的横截面区域的范围之内。在这个例子中，通过规定垫高衬底的开孔与麦克风衬底的开孔的位置关系及范围，可以帮助设计人员和/或自动设计装置产生较好的微机电麦克风设计。
例如，第二开孔42的深度大于等于50微米。换句话说，垫高衬底可以将麦克风衬底与基座间隔开至少50微米。在这里的微机电麦克风中，由于多个麦克风单元共用同一个声孔，因此，当声波从声孔进入各个第一开孔时，第一开孔的侧壁可能会对声波产生影响，从而增加噪声/声阻。对于微机电麦克风的尺寸来说，通过垫高衬底的上述间隔距离，可以有效减小这种不利影响。
在另一个实施例中，第二开孔14a、14b中的至少两个第一开孔14a、14b共用一个侧壁W，例如，如图4所示。侧壁W是麦克风衬底14的一部分。通过令至少两个第一开孔共用一个侧壁，可以提高微机电麦克风的集成度。此外，这不需要单独制造不同的微机电麦克风单元，从而简化微机电麦克风的工艺。通过这种方式，可以节省微机电麦克风内部的空间，由于微机电麦克风的小型化。此外，由于不同的麦克风单元共用一个侧壁，因此，在这种不同的麦克风单元之间不存在间隙。这样，进入微机电麦克风的声波不会由于这种间隙而产生额外的噪声。
例如，还可以有至少三个第一开孔共用一个侧壁。
如图2、8所示，微机电麦克风还可以包括麦克风专用集成电路芯片17。麦克风专用集成电路芯片17被设置在微机电麦克风的壳体内。至少两个麦克风单元15a、15b的串联输出例如通过引线16被连接到微机电麦克风17的输入。
在又一个实施例中，微机电麦克风还包括至少两个额外的麦克风单元以及，该至少两个额外的麦克风单元在电路上与前述至少两个麦克风单元并联。例如，在图9中，微机电麦克风包括麦克风单元51、52、53、54。图9和图10示出了麦克风单元51、52、53、54的布置。如图9所示，麦克风单元51、52、53、54在声学上并联设置在麦克风衬底14。图10示出了麦克风单元51、52、53、54的电路连接。麦克风单元51、52串联，麦克风单元53、54串联。串联的麦克风单元51、52与串联的麦克风单元53、54并联。
在图10中，麦克风单元51包括两个电极A1、B1。A1、B1可以分别是振膜和背极板或者背极板和振膜。麦克风单元52包括两个电极A2、B2。同样地，A2、B2可以分别是振膜和背极板或者背极板和振膜。麦克风单元53包括两个电极A3、B3。A3、B3可以分别是振膜和背极板或者背极板和振膜。麦克风单元54包括两个电极A4、B4。同样地，A4、B4可以分别是振膜和背极板或者背极板和振膜。感测节点A和电源端点B分别连接到两组串联麦克风单元51、52和53、54的两端，即电极A1、A3和B2、B4。感测节点A与缓冲器(或阻抗转换器)58连接，并输出感测电压vo。在图9的顶视图中示出了感测节点A、与电极B1、A2、A3、B3、A4、B4和电源端点B。
图11示出了根据一个实施例的电子设备的示意图。如图11所示，电子设备60包括这里描述的微机电麦克风61。电子设备60例如可以是智能手机、平板电脑等。
虽然已经通过例子对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。

Claims (11)

1.一种微机电麦克风，包括：
上壳；
基座，包括声孔，并且与上壳一起形成微机电麦克风的壳体；
麦克风衬底，被设置在基座上方并包括至少两个第一开孔，所述至少两个第一开孔与所述声孔连通；以及
至少两个麦克风单元，形成在衬底上并且分别与所述第一开孔相对应，
其中，所述至少两个麦克风单元在声学上并联设置在所述麦克风衬底上，
其中，所述至少两个麦克风单元分别包括振膜和背极板，所述振膜和第一开孔的侧壁围成麦克风前腔的至少一部分，以及
其中，所述至少两个麦克风单元在电路上串联。
2.根据权利要求1所述的微机电麦克风，还包括：垫高衬底，
其中，所述垫高衬底位于麦克风衬底和所述基座之间，
其中，所述垫高衬底包括第二开孔，以及所述至少两个第一开孔经由所述第二开孔与所述声孔连通。
3.根据权利要求2所述的微机电麦克风，其中，所述第二开孔的横截面面积大于所述第一开孔的横截面的总面积。
4.根据权利要求3所述的微机电麦克风，其中，所述第一开孔的横截面区域位于所述第二开孔的横截面区域的范围之内。
5.根据权利要求2所述的微机电麦克风，其中，所述第二开孔的深度大于等于50微米。
6.根据权利要求1所述的微机电麦克风，其中，所述振膜和背极板通过间隔件被间隔开。
7.根据权利要求1所述的微机电麦克风，其中，所述第二开孔中的至少两个第二开孔共用一个侧壁，所述侧壁是麦克风衬底的一部分。
8.根据权利要求7所述的微机电麦克风，其中，所述第二开孔中的至少三个第二开孔共用一个侧壁。
9.根据权利要求1所述的微机电麦克风，还包括：麦克风专用集成电路芯片，
其中，所述麦克风专用集成电路芯片被设置在所述壳体内，以及所述所述至少两个麦克风单元的串联输出被连接到所述麦克风专用集成电路芯片的输入。
10.根据权利要求1所述的微机电麦克风，还包括：至少两个额外的麦克风单元，
其中，所述至少两个额外的麦克风单元在电路上与所述至少两个麦克风单元并联。
11.一种电子设备，包括根据权利要求1-10中的任何一个所述的微机电麦克风。
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