CN113613152A - 微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备 - Google Patents

微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备 Download PDF

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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：设置在磁体支撑件上的可移动部件，其中，在可移动部件上设置有磁体；以及第一磁阻支撑件，其中，第一磁阻被设置在第一磁阻支撑件上，在第一磁阻和磁体构成的工作平面上，以从磁体的S极到N极的方向为该工作平面的法线方向，沿第一磁阻的电流方向，磁体位于第一磁阻的左侧，沿所述工作平面，第一磁阻的宽度是CD1，所述磁体和第一磁阻之间的最小间距是CD2，以及CD1和CD2的关系如下：CD2≤3×CD1。

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
随着技术的发展，技术人员开始将磁阻应用于微机电系统麦克风。磁阻例如可以包括巨磁阻(GMR)、隧穿磁阻(TMR)等。技术人员预期利用磁阻可以制造小型化的高性能/可靠产品。
磁学材料的性质比较复杂。磁阻材料在实际应用时往往会遇到在理论研究时无法预测的实际问题。在通常情况下，很难确定磁学元件产生问题的原因，因此，也很难找到解决这种问题的技术方案。
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：磁体支撑件；设置在磁体支撑件上的可移动部件，其中，在可移动部件上设置有磁体；以及第一磁阻支撑件，其中，第一磁阻被设置在第一磁阻支撑件上；其中，该可移动部件能随声压的变化而移动，从而使得磁体相对于第一磁阻移动，从而改变第一磁阻的阻值，由此产生对应的声音信号，其中，在第一磁阻和磁体构成的工作平面上，以从磁体的S极到N极的方向为该工作平面的法线方向，沿第一磁阻的电流方向，磁体位于第一磁阻的左侧，以及其中，沿所述工作平面，第一磁阻的宽度是CD1，所述磁体和第一磁阻之间的最小间距是CD2，以及CD1和CD2的关系如下：CD2≤3×CD1。
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，可以提高微机电系统麦克风的灵敏度。
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是根据本公开的一个实施例的微机电系统麦克风的示意性顶视图。
图2是沿图1中的虚线a-a’的剖面图。
图3是根据本公开的另一个实施例的微机电系统麦克风的示意性顶视图。
图4是包括图1的实施例中的磁阻的惠斯通电桥的示意性电路图。
图5-7是解释根据本公开的实施例的原理的示意图。
图8是说明根据本公开的实施例的效果的示意性曲线图。
图9是说明根据本公开的实施例的磁场变化的示意图。
图10是根据本公开的一个实施例的麦克风单体的示意图。
图11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。
在发明人之前的研究中，发明人使用永磁体为磁阻设置偏置磁场。当磁阻相对于永磁体的位置发生变化时，磁体施加到磁阻上的磁场也发生变化，从而改变磁阻的阻值。通过检测这种阻值变化，可以检测相对位置变化的幅度。利用这种检测方式，可以测量声波的大小，从而形成麦克风。
在实际的制造过程中，包含磁阻的微机电系统麦克风的性能有时相差很大。由于磁学材料本身的复杂性，因此，很难确定确定微机电系统麦克风的良率较低的原因。例如，很难断定这种性能上的差异是否是由于是材料本身的差异所导致的？它是否是由于布线方式的不同所导致的？它是否是由于磁阻形状的不同所导致的？
这里的发明人经过不断试验发现，在利用永磁体为磁阻提供磁场的技术方案中，磁阻的检测性能与磁阻和永磁体之间的距离有关。另外，发明人还发现，磁阻的检测性能与永磁体的磁极方向也有关系。因此，本发明人设想，对于微机电系统麦克风这种尺寸的器件，在某种距离下，通过设置永磁体和磁阻中的电流方向，可以使得磁阻中的电流区域靠近永磁体，从而加强了永磁体在磁阻处产生的磁场对于磁阻的影响。
为了确定上面提到的距离，发明人在进行了大量试验之后发现，上面所提到的这种现象与磁阻的宽度和磁阻与永磁体的间距之间的关系有关。当磁阻与永磁体的间距小于磁阻的三倍宽度时，磁阻进行检测的灵敏度明显增大。尤其是，当磁阻的间距小于磁阻的宽度时，这种性能的提升更为明显。
下面，参照图5-8，说明上述设想的原理。
如图5所示，磁阻24被设置在支撑件21上，磁体25被设置在支撑件22上，磁阻26被设置在支撑件22上。在磁阻24、26和永磁体上涂覆保护层28。假设磁阻23、24的宽度都是CD1，磁阻24、26与永磁体25之间的间距是CD2，永磁体25的宽度是CD3。通常可以认为，磁阻24、26的制作间距FP是磁阻24或26的中心线到永磁体25的边缘的距离。在这里，
Figure BDA0003190091630000041
图6示出了永磁体的N磁极向上的情况。如图6所示，在YZ平面中，磁阻的钉扎方向Pin是Y的正方向。在图6中，磁阻32、33位于磁体31的两侧并且相对于磁体31对称。图6中显示了磁体31的S极和N极。磁力线在磁体31内从S极指向N极。在磁体31的外侧，磁力线从N极指向S极。磁阻32中的电流方向是垂直于纸面向外。磁阻33中的电流方向是垂直于纸面向内。在图6的设置中，在磁体31的磁场的作用下，磁阻32、33中的电流区域向靠近磁体31的一侧拥挤/集中。如图6所示，磁体与磁阻之间的有效间距EP小于磁体与磁阻之间的制作间距FP，从而可以提高微机电系统麦克风的灵敏度。
图7示出了永磁体的S磁极向上的情况。如图7所示，在YZ平面中，磁阻的钉扎方向Pin是Y的正方向。在图7中，磁极35、36位于磁体34的两侧并且相对于磁体34对称。图7中显示了磁体34的S极和N极。磁力线在磁体31内从S极指向N极。在磁体31的外侧，磁力线从N极指向S极。磁阻35中的电流方向是垂直于纸面向里。磁阻36中的电流方向是垂直于纸面向外。在图7的设置中，在磁体34的磁场的作用下，磁阻35、36中的电流区域向靠近磁体34的一侧拥挤/集中。如图7所示，磁体与磁阻之间的有效间距EP小于磁体与磁阻之间的制作间距FP，从而可以提高微机电系统麦克风的灵敏度。
此外，发明人经过试验发现，对于微机电系统麦克风尺寸的器件，在CD2小于等于3倍CD1的情况下，这种电流拥挤/集中效应对于磁阻检测的灵敏度的影响较大。
图8示出了当为磁阻提供不同方向的电流时磁阻灵敏度的变化曲线。在图8中，空心点A表示基于制作间隙的理论灵敏度。如图8中的曲线所示，当磁阻中的电流方向符合上面所描述的方向时，灵敏度的值位于B点；当磁阻中的电流方向与上面所描述的方向相反时，灵敏度的值位于C点。显然，B点的灵敏度值大于C点的灵敏度值。假设磁阻的宽度以及磁阻与永磁体之间的间隔均是CD。那么，当按照上面的方式设置电流方向时的有效间距最多可以是当以相反方式设置电流方向时的有效间距的1/2倍。因此，通过按照图5、6中的方式设置电流方向，可以有效提高微机电系统麦克风的灵敏度。
图9示出了当可移动部件振动时，施加到磁阻的磁场强度的变化。如图9所示，在YZ平面中，磁体41的磁场施加到磁阻42。磁阻42的钉扎方向Pin是Y正方向。附图标记43指示当发生电流拥挤/集中效应时，施加到磁阻42上的沿Y方向的磁场的变化情况。附图标记44指示当按照与上面所描述的方式相反的方式设置电流方向时，施加到磁阻42上的沿Y方向的磁场的变化情况。通过比较43和44两种磁场变化模式，可以明显看出，按照这里公开的方式设置磁阻中的电流方向，可以增大施加到磁阻42的沿Y方向的磁场的变化率，从而提高微机电系统麦克风的灵敏度。
基于上面发明人的假设和试验结果，发明人提出了如下实施例。
图1示出了根据一个实施例的微机电系统麦克风的顶视图。图1所示的顶视图位于XY平面，其中，磁阻的钉扎方向Pin是Y正方向。图2示出了沿图1中的虚线a-a’的剖面图。图2所示的剖面图位于XZ平面，其中，磁阻的钉扎方向Pin是Y正方向。如图1和2所示，微机电系统麦克风包括：1、一种微机电系统麦克风，包括：磁体支撑件9；设置在磁体支撑件9上的可移动部件2，其中，在可移动部件2上设置有磁体5；以及第一磁阻支撑件3，其中，第一磁阻4a被设置在第一磁阻支撑件3上。磁体支撑件9例如可以是衬底的一部分或者衬底上的支撑结构。第一磁阻支撑件3例如也可以是衬底的一部分或者衬底上的支撑结构。可移动部件2例如是振膜。可移动部件2能随声压的变化而移动，从而使得磁体5相对于第一磁阻4a移动，从而改变第一磁阻4a的阻值，由此产生对应的声音信号。如图2所示，可移动部件2可以沿虚线C所示的方向移动。这里，将磁体5放置在可移动部件2上，而将磁阻4a放置在相对静止的位置。这样，在检测声波时，磁阻中的电流不会随可移动部件2移动，由此可以减少由于这种移动带来的噪声。
在第一磁阻4a和磁体5构成的工作平面上，以从磁体5的S极到N极的方向为该工作平面的法线方向，沿第一磁阻4a的电流方向，磁体5位于第一磁阻4a的左侧。沿所述工作平面，第一磁阻的宽度是CD1，所述磁体和第一磁阻之间的最小间距是CD2，以及CD1和CD2的关系如下：CD2≤3×CD1。可选地，CD2≤2×CD1。此外，当CD2≤CD1，对于绝大部分磁阻材料，可以显著提高微机电麦克风的灵敏度。
此外，磁阻中的电流密度也对前面所述的电流拥挤/集中效应有影响。经过试验，发明人发现，在电流密度大于等于106A/cm2的情况下，这种电流拥挤/集中效应较为明显。因此，第一磁阻4a的电流密度大于等于等于106A/cm2。此外，在电流密度大于等于5×106A/cm2的情况下，可以确保这种电流拥挤/集中效应，从而提高产品的良率。因此，可选地，第一磁阻4a的电流密度大于等于5×106A/cm2。
在图1、2的实施例中，还以对称的方式设置了第二磁阻4b。如图1、2所示，微机电系统麦克风还包括第二磁阻支撑件7。第二磁阻4b被设置在第二磁阻支撑件7上。第二磁阻支撑件7可以是衬底的一部分，也可以是衬底上的其他支撑结构。当可移动部件2随声压的变化而移动时，磁体5相对于第二磁4b阻移动，从而改变第二磁阻4b的阻值，由此产生对应的声音信号。第二磁阻4b也位于第一磁阻4a所处的工作平面中。在该工作平面中，第一磁阻4a和第二磁阻4b相对于磁体5对称。如图1、2所示，第一磁阻4a中的电流方向和第二磁阻4b中的电流方向相反。如图1中的箭头所示，第一磁阻4a中的电流方向向右，第二磁阻4b中的电流方向向左。如图2所示，第一磁阻4a中的电流方向垂直于纸面向外，第二磁阻4b中的电流方向垂直于纸面向里。
与第一磁阻4a类似，第二磁阻4b的电流密度大于106A/cm2。当第二磁阻4比的电流密度大于等于5×106A/cm2时，可以带来更稳定的检测效果。
如图1、2所示，第一磁阻4a和第二磁阻4b分别通过引线6a、6b连接到外部电路。在第一磁阻4a和第二磁阻4b、引线6a、6b和磁体5上可以涂覆保护层/钝化层8，以保护这些部件。
在一个实施例中，磁体5在第一磁阻4a和/或第二磁阻4b处产生的磁场强度大于等于10Oe，从而确保所述电流拥挤/集中效应。
可以按照与第一磁阻4a、第二磁阻4b同样的方式设置其他磁阻。例如，如图3所示，除了第一磁阻4a、第二磁阻4b及其相应的引线6a、6b之外，在第一磁阻支撑件3上还设置有第三磁阻4c，在第二磁阻支撑件7上还设置有第四磁阻4d。当可移动部件2随声压的变化而移动时，磁体5相对于第三磁阻4c和第四磁阻4d移动，从而改变第三磁阻4c和第四磁阻4d的阻值，由此产生对应的声音信号。
在这种情况下，第三磁阻4c和第四磁阻4d也位于第一磁阻4a所处的工作平面中。在该工作平面中，第三磁阻4c和第四磁4d阻相对于磁体5对称。
如图3所示，第三磁阻4c的电流方向与第一磁阻4a的电流方向相同，均沿图3中的箭头向右。第四磁阻4d的电流方向与第二磁阻4b的电流方向相同，均沿图3中的箭头向左。
在所述工作平面中，第三磁阻4c和第四磁阻4d的宽度是CD3，所述磁体和第三磁阻之间的最小间距是CD4，CD3和CD4的关系是CD4≤3×CD3。
如图4所示，第一磁阻4a(R1)、第二磁阻4b(R2)、第三磁阻4c(R3)和第四磁阻4d(R4)可以构成惠斯通电桥的全桥电路，以输出差分声音输出信号。例如，如图3所示，磁阻4a、4b、4c、4d分别通过引线6a、6b、6c、6d连接成惠斯通电桥。
图10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10所示，麦克风单体50包括单体外壳51、上面描述的微机电系统麦克风52以及集成电路芯片53。微机电系统麦克风52以及集成电路芯片53被设置在所述单体外壳51中。微机电系统麦克风52与单体外壳51的进气口对应。微机电系统麦克风52、集成电路芯片53和单体外壳51中的电路通过引线54连接。
图11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11所示，电子设备60可以包括图10所示的麦克风单体61。电子设备60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 (10)

1.一种微机电系统麦克风，包括：
磁体支撑件；
设置在磁体支撑件上的可移动部件，其中，在可移动部件上设置有磁体；以及
第一磁阻支撑件，其中，第一磁阻被设置在第一磁阻支撑件上；
其中，该可移动部件能随声压的变化而移动，从而使得磁体相对于第一磁阻移动，从而改变第一磁阻的阻值，由此产生对应的声音信号，
其中，在第一磁阻和磁体构成的工作平面上，以从磁体的S极到N极的方向为该工作平面的法线方向，沿第一磁阻的电流方向，磁体位于第一磁阻的左侧，以及
其中，沿所述工作平面，第一磁阻的宽度是CD1，所述磁体和第一磁阻之间的最小间距是CD2，以及CD1和CD2的关系如下：CD2≤3×CD1。
2.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，CD2≤2×CD1或者CD2≤CD1。
3.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，第一磁阻的电流密度大于106A/cm2。
4.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，第一磁阻的电流密度大于5×106A/cm2。
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：
第二磁阻支撑件，其中，第二磁阻被设置在第二磁阻支撑件上，
其中，当可移动部件随声压的变化而移动时，磁体相对于第二磁阻移动，从而改变第二磁阻的阻值，由此产生对应的声音信号，
其中，第二磁阻位于所述工作平面中，以及在所述工作平面中，第一磁阻和第二磁阻相对于所述磁体对称，以及
其中，第一磁阻中的电流方向和第二磁阻中的电流方向相反。
6.根据权利要求5所述的微机电系统麦克风，其中，第二磁阻的电流密度大于106A/cm2。
7.根据权利要求5所述的微机电系统麦克风，其中，所述磁体在第一磁阻和/或第二磁阻处产生的磁场强度大于等于10Oe。
8.根据权利要求5所述的微机电系统麦克风，其中，在第一磁阻支撑件上还设置有第三磁阻，在第二磁阻支撑件上还设置有第四磁阻，
其中，当可移动部件随声压的变化而移动时，磁体相对于第三磁阻和第四磁阻移动，从而改变第三磁阻和第四磁阻的阻值，由此产生对应的声音信号，
其中，第三磁阻和第四磁阻位于所述工作平面中，以及在所述工作平面中，第三磁阻和第四磁阻相对于所述磁体对称，
其中，第三磁阻的电流方向与第一磁阻的电流方向相同，以及第四磁阻的电流方向与第二磁阻的电流方向相同，以及
其中，在所述工作平面中，第三磁阻和第四磁阻的宽度是CD3，所述磁体和第三磁阻之间的最小间距是CD4，CD3和CD4的关系是CD4≤3×CD3，
其中，第一磁阻、第二磁阻、第三磁阻和第四磁阻构成惠斯通电桥的全桥电路，以输出差分声音输出信号。
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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