CN113613151B - 微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备 - Google Patents

Abstract

这里公开了一种微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备。该微机电系统麦克风包括：衬底；背极板，包括支撑结构；以及位于衬底和背极板之间的振膜，其中，所述支撑结构包括支撑部分和支撑电极，所述支撑部分用于支撑振膜的边缘，所述支撑电极与所支撑的振膜绝缘，以及其中，在未施加偏压的状态下，所述振膜是应力自由膜，以及在施加偏压的状态下，所述支撑电极通过静电作用将所述振膜的边缘钳制在所述支撑部分，以对所述振膜形成固支。

Description

微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备

技术领域

这里公开的实施例涉及微机电系统(MEMS)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

在微机电系统麦克风中，可以采用应力自由膜作为振膜。在微机电系统麦克风的制造过程中，应力是一项重要的不确定因素。应力自由膜可以消除这种不确定性，从而提高微机电系统麦克风的产量和/或制造的一致性。

图1示出了一种将应力自由膜作为振膜的微机电系统麦克风的示意图。如图1所示微机电系统麦克风包括背板1和振膜2。在背板1中设置背电极3。在背板的边缘设置支撑凸起4。支撑凸起4支撑振膜2。振膜2是应力自由膜。振膜2通过简支的方式被支撑在支撑凸起4上。因此，在振膜2中不会累积制造过程中所产生的应力。

图2示出了在施加偏压的情况下，振膜2发生弯曲，并且虚线5偏离所示的初始位置。如图2所示，由于作为应力自由膜的振膜2的边缘没有被固定到支撑凸起4，因此，振膜2的尺寸和厚度都受到限制。此外，与边缘被固定的振膜相比，应力自由膜的声学特性也受到限制。

发明内容

本公开的一个目的是提供的用于微机电系统麦克风的新技术方案。

根据本公开的第一方面，提供了一种微机电系统麦克风，包括：衬底；背极板，包括支撑结构；以及位于衬底和背极板之间的振膜，其中，所述支撑结构包括支撑部分和支撑电极，所述支撑部分用于支撑振膜的边缘，所述支撑电极与所支撑的振膜绝缘，以及其中，在未施加偏压的状态下，所述振膜是应力自由膜，以及在施加偏压的状态下，所述支撑电极通过静电作用将所述振膜的边缘钳制在所述支撑部分，以对所述振膜形成固支。

根据本公开的第二方面，提供了一种麦克风单体，包括单体外壳、根据实施例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。

根据本公开的第三方面，提供了一种电子设备，包括根据实施例所述的麦克风单体。

根据本公开的实施例，可以提高应力自由的振膜整体性能。

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示出了现有技术的微机电系统麦克风的一个示意图。

图2示出了在施加偏压的情况下图1的微机电系统麦克风的状态示意图。

图3示出了采用固支方式设置振膜的示意图。

图4示出了采用简支方式设置振膜的示意图。

图5示出了根据一个实施例的微机电系统麦克风的示意图。

图6示出了在施加偏压的情况下图7的微机电系统麦克风的状态示意图。

图7示出了根据另一个实施例的微机电系统麦克风的示意图。

图8示出了在施加偏压的情况下图7的微机电系统麦克风的状态示意图。

图9是根据本公开的一个实施例的麦克风单体的示意图。

图10是根据本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。

在微机电系统麦克风的制造过程中，振膜中产生的应力往往会给振膜的制造带来不一致性。因此，很多人提出使用应力自由膜作为微机电系统麦克风的振膜。相对于应力膜，应力自由膜可以提供许多优秀的性能。例如，由于可以去除应力的影响，因此，应力自由膜可以提供较高的良率以及较高的制造一致性。

然而，目前，应力自由膜的应用也受到一些限制。例如，由于应力自由膜的机械谐振频率fr与t/r²成比例，在给定厚度(可以由加工能力决定)的情况下，应力自由膜的尺寸受到限制，其中，t是应力自由膜的厚度，r是应力自由膜的半径。

在要求高信噪比SNR的应用中，较大有效面积的振膜往往是减少振膜-背板系统的声学噪声的最直接的解决方案，其中，噪声功率与振膜有效面积的倒数成比例。

在这种情况下，一种应用应力自由膜的可能方式包括在一个芯片中并列设置多个振膜-背板单元。这种方式会显著增加麦克风芯片的尺寸和成本，同时降低麦克风芯片的良率和可靠性。

在这里，本发明人提出将应力自由膜和应力膜的优点结合起来形成振膜。具体来说，振膜在非工作状态下是通过简支的方式设置振膜，从而不会在振膜中累积应力。例如，在制造过程中和/或未施加工作偏压的状态下，振膜是应力自由的。这样可以提高振膜在生产过程中的良率、一致性等，也可以在一定程度上提高振膜在未工作状态的稳定性。在振膜的工作状态下，采用固支方式设置振膜，从而提供应力振膜的各种优点。

图3示出了采用固支方式设置振膜的示意图。图4示出了采用简支方式设置振膜的示意图。这里，振膜13是圆盘形的，振膜13的直径是2a，它的厚度是t，在振膜13上施加均匀的压力p。

如图3所示，振膜13的边缘以固支方式被钳制在支撑体11、12上。在图3所示的情况下，振膜13的最大挠度Wc＝pa⁴/64D，一阶自然机械谐振频率fr＝(10.216/2π)·(1/a²)·√(D/ρt)。

如图4所示，振膜13的边缘以固支方式被钳制在支撑体14、15上。在图4所示的情况下，振膜13的最大挠度Wc＝(5+v)/(1+v)·(pa⁴/64D)，一阶自然机械谐振频率fr＝(4.935/2π)·(1/a²)·√(D/ρt)。

这里，D＝Et³/12(1-v²)，E是振膜的杨氏模量，v是振膜的泊松比，ρ是振膜的圆盘密度。

通过比较图3和图4中两种振膜设置，可以看出，对于相同材料、厚度的、无应力振膜，在半径相同的情况下，通过固支方式设置的振膜的谐振频率约是通过简支方式设置的振膜的谐振频率的两倍。这意味着，在限定同一谐振频率(与微机电系统麦克风带宽相关)的前提下，固支方式设置的振膜的面积可以高达简支方式设置的振膜的面积的两倍。这可以有效地降低噪声。此外，两倍面积的固支振膜的机械灵敏度大约和简支振膜的灵敏度相当。这保证灵敏度基本不变，所以会提高信噪比SNR。

下面，参照图5-8说明这里的实施例。

图5示出了根据一个实施例的微机电系统麦克风的示意图。图6示出了在施加偏压的情况下图7的微机电系统麦克风的状态示意图。

如图5、6所示，微机电系统麦克风包括：衬底20；背极板21、23，包括支撑结构24、25、26；以及位于衬底20和背极板31之间的振膜22。背极板包括绝缘层21和背电极23。支撑结构包括支撑部分24、25和支撑电极26。支撑部分24、25用于支撑振膜22的边缘，支撑电极26与所支撑的振膜22绝缘。

如图5所示，在未施加偏压的状态下，振膜22是应力自由膜。如图6所示在施加偏压的状态下，支撑电极26通过静电作用将振膜22的边缘钳制在支撑部分24、25，以对所述振膜形成固支。

这样，在未施加偏压的情况下，振膜22是应力自由膜。这样，可以提高振膜在制造过程中的良率和/或提高在制造/使用过程中振膜的可靠性。另外，在微机电系统麦克风的使用过程中，不会对振膜累积应力。

在施加偏压的情况下，振膜22变成以固支方式被固定。通过这种方式设置的振膜22可以提供较高的性能，例如，提供改进的信噪比、灵敏度等。

通过在振膜边缘部分利用静电以固支方式钳制振膜，可以在保持应力自由膜的优良特性的同时，增加振膜强度。在保证同样振膜谐振频率/带宽的前提下，可以制作更大面积的振膜-背极板单元。这有利于降低微机电系统麦克风的噪声，提高信噪比SNR。此外，这可以降低麦克风的总谐波失真THD(Total Harmonic Distortion)和/或提高麦克风的动态范围，即，声学过载点AOP(Acoustic Overload Point)。

如图5所示，可以将背极板划分为两个区域。第一个区域是背电极23所对应的区域。第二个区域是支撑部分24、25、26。第二区域距离振膜22的间隙远小于第一区域距离振膜22的间隙。第二区域的吸合电压(pull-in voltage)Vp2远小于第一区域的吸合电压VP1，即，Vp2<<Vp1。在第一区域工作在正常偏压Vbias1下时，第二区域的偏压Vbias2>Vp2，从而保证将振膜稳定的固支在支撑部分处。在这里，Vbias2可以等于Vbias1(它们共用一个电荷泵提供的偏压)，从而减小微机电系统麦克风的电路复杂度。

通过这样设计的微机电系统麦克风，可以在没有明显增大“无用”的芯片面积和工艺难度、及不牺牲频率带宽的前提下，允许较大面积的应力自由膜，有利于降低噪声和提高信噪比SNR。

如图5、6所示，支撑部分包括多个支撑凸起24、25。在施加偏压的状态下，支撑凸起24、25支撑振膜22。支撑电极26位于支撑凸起24、25之间的间隙中。支撑凸起24、25相对于支撑电极26凸出。通过这种方式，保证振膜22不会接触支撑电极26，从而防止支撑电极与振膜短路。

如图5所示，沿着振膜从中心向外侧的方向，支撑凸起24、25的凸出高度逐渐降低。例如，支撑凸起25的凸出高度小于支撑凸起24的凸出高度。这样，当施加工作偏压时，支撑凸起24会给振膜22提供一个远离背极板21向外翘起的支撑力，这有利于防止振膜粘连到背极板，从而提高微机电系统麦克风的性能。

在一个实施例中，沿着振膜从中心向外侧的方向，支撑凸起24、25之间的间隙的尺寸逐渐减小。这样，可以为振膜提供更稳固的固支支撑。

在另一个实施例中，可以在支撑电极26上涂覆有绝缘层，以避免支撑电极26与振膜22的意外短路。

图7示出了根据另一个实施例的微机电系统麦克风的示意图。图8示出了在施加偏压的情况下图7的微机电系统麦克风的状态示意图。在图7和图8所示的实施例中，微机电系统麦克风包括衬底30、背极板31、33和振膜32。背极板包括绝缘层31和背电极33。在背极板的边缘处设置支撑部分。支撑部分包括支撑凸起34、35和支撑电极36。如前面所述，当施加工作偏压时，支撑部分支撑振膜32。

在图7和图图8的实施例中，背极板还包括位于振膜32中间位置的支撑柱37。支撑柱37的凸出高度大于支撑部分的凸出高度。这样，当施加工作偏压时，支撑柱37在中间支撑振膜32，支撑部分34、35、36钳制振膜32的边缘，从而将振膜32拉紧。这有利于提高振膜强度，允许更大面积振膜设计，以进一步改进麦克风的信噪比SNR和声学过载点AOP。例如，支撑柱37的凸出高度使得在施加偏压的状态下振膜32的挠度大于等于振膜的厚度。

图9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9所示，麦克风单体40包括单体外壳41、上面描述的微机电系统麦克风42以及集成电路芯片43。微机电系统麦克风42以及集成电路芯片43被设置在所述单体外壳41中。微机电系统麦克风42与单体外壳41的进气口对应。微机电系统麦克风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10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10所示，电子设备50可以包括图9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。

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 (9)

1.一种微机电系统麦克风，包括：

衬底；

背极板，包括支撑结构；以及

位于衬底和背极板之间的振膜，

其中，所述支撑结构包括支撑部分和支撑电极，所述支撑部分用于支撑振膜的边缘，所述支撑部分包括多个支撑凸起，沿着所述振膜从中心向外侧的方向，所述多个支撑凸起内外设置，所述支撑电极与所支撑的振膜绝缘，以及

其中，在未施加偏压的状态下，所述振膜是应力自由膜，以及在施加偏压的状态下，所述多个支撑凸起支撑所述振膜，所述支撑电极通过静电作用将所述振膜的边缘钳制在所述支撑部分，以对所述振膜形成固支。

2.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，所述支撑电极位于所述支撑凸起之间的间隙中，以及所述支撑凸起相对于所述支撑电极凸出。

3.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，沿着振膜从中心向外侧的方向，所述支撑凸起的凸出高度逐渐降低。

4.根据权利要求2所述的微机电系统麦克风，其中，沿着振膜从中心向外侧的方向，所述间隙的尺寸逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，在所述支撑电极上涂覆有绝缘层。

6.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，所述背极板包括位于振膜中间位置的支撑柱，所述支撑柱的凸出高度大于所述支撑部分的凸出高度。

7.根据权利要求6所述的微机电系统麦克风，其中，所述支撑柱的凸出高度使得在施加偏压的状态下所述振膜的挠度大于等于。

8.一种麦克风单体，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。

9.一种电子设备，包括根据权利要求8所述的麦克风单体。