CN113613153B - 背极板和麦克风 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种背极板和麦克风。所述背极板包括导电层和第一绝缘层，所述导电层和所述第一绝缘层层叠设置；多个通孔和一个中心孔，多个所述通孔和所述中心孔同时贯穿所述导电层和所述第一绝缘层；所述第一绝缘层的厚度沿着自边缘向所述中心孔的方向变薄。本发明中的背极板被应用于麦克风时，既提升了麦克风的可靠性，又保证了麦克风的电声性能。

Description

背极板和麦克风
技术领域
本发明涉及电声转换技术领域，更具体地，涉及一种背极板和麦克风。
背景技术
麦克风，学名为传声器，也称话筒，微音器。麦克风是将声音信号转换为电信号的能量转换器件。MEMS(微型机电系统)麦克风是基于MEMS技术制造的麦克风。根据敏感性原理，MEMS麦克风可分为电容式，压电式，压阻式以及光学式，其中电容式应用最为广泛。
麦克风性能的评价标准主要包括电声性能和可靠性，对于电容式MEMS麦克风，其敏感结构包括背极板和振膜，为了避免气流冲击导致破膜的情况发生，在设计时需要保证背极板的强度远大于振膜，以提高麦克风的抗气流冲击能力。现有技术中，一般通过加强背极板的强度来提高麦克风的抗气流冲击能力，以此提高其可靠性，但常用的加强方式通常会损失麦克风的一部分电声性能，得不偿失。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种背极板和麦克风的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种背极板，包括：
导电层和第一绝缘层，所述导电层和所述第一绝缘层层叠设置；
多个通孔和一个中心孔，多个所述通孔和所述中心孔同时贯穿所述导电层和所述第一绝缘层；
所述第一绝缘层的厚度沿着自边缘向所述中心孔的方向变薄。
可选地，还包括第二绝缘层，所述第一绝缘层层叠于所述导电层的一侧，所述第二绝缘层层叠于所述导电层的另一侧，多个所述通孔和所述中心孔贯穿所述第二绝缘层。
可选地，所述第一绝缘层包括至少两层层叠固定的支撑层，远离所述导电层的所述支撑层上的中心孔的投影覆盖靠近所述导电层的所述支撑层上的中心孔。
可选地，所述通孔的开孔率沿中心孔向边沿逐渐减小，多个所述通孔围绕所述中心孔间隔排列，形成多圈环形通孔组。
可选地，每个所述通孔的面积按照由内圈向外圈的顺序依次减小。
可选地，相邻两圈环形通孔组的所述开孔率相差5％～20％。
可选地，所述绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅。
可选地，所述通孔的形状为圆形、椭圆形和多边形中的至少一种。
根据本发明的第二方面，提供了一种麦克风，包括：
麦克风芯片、ASIC芯片、电路板和外壳，所述麦克风芯片包括振膜和第一方面所述的背极板；
所述麦克风芯片和所述ASIC芯片固定在所述电路板上，所述麦克风芯片和所述ASIC芯片之间电连接；所述振膜与所述背极板相对设置，且两者之间绝缘形成电容器；
所述外壳与所述电路板连接形成空腔，所述麦克风芯片、所述ASIC芯片均位于所述空腔内。
可选地，所述麦克风芯片包括两个所述背极板，两个所述背极板分设于所述振膜的两侧。
根据本公开的一个实施例，通过在导电层上设置第一绝缘层，加强了整个背极板的强度。通过将所述第一绝缘层的厚度设置为自边缘向中心孔的方向变薄，使得在将背极板应用于麦克风时，既提高了麦克风抗气流冲击的能力，提升了麦克风的可靠性，又不会造成振膜压膜阻尼的增加，保证了麦克风的电声性能。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明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发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本申请中的一种背极板与振膜的结构示意图。
图2是图1中的背极板的俯视示意图。
图3是本申请中的多个通孔的一种布局示意图。
图4是本申请中的多个通孔的另一种布局示意图。
图5是本申请中的一种麦克风的结构示意图。
图6是本申请中的一种双背极板的麦克风芯片结构示意图。
附图标记说明：
1-麦克风芯片；11-背极板；111-第一绝缘层；112-导电层；113-第二绝缘层；114-通孔；115-中心孔；12-振膜；2-ASIC芯片；3-电路板；4-外壳。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明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发明的范围。
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，决不作为对本发明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。
MEMS麦克风是一种常用的麦克风形式，尤其是电容式MEMS麦克风在各种电子产品中应用尤其广泛。电容式MEMS麦克风的主要结构包括背极板和振膜，背极板和振膜相对设置并通电形成电容器，气流冲击振膜时会造成振膜振动，振膜的振动使得振膜和背极板之间的距离发生变化，从而使得两者之间的电容发生变化，再通过转换电路，将这种变化传递出去，即完成了麦克风的声电转换过程。在实际应用中，为了兼顾麦克风的灵敏性和可靠性，避免在大气流冲击下发生振膜破裂的情况，通常需要提高背极板的抗气流冲击能力。现有技术中为了提高背极板的抗气流冲击能力一般会采用提高背极板强度的方式。例如，采用较厚的材料制作背极板，这种方式虽然一定程度上加强了背极板的强度，但同时也会造成振膜的压膜阻尼增加，使得麦克风的电声性能降低。
如图1至图4所示，根据本发明的第一方面，提供了一种背极板11，包括导电层112和第一绝缘层111，所述导电层112和所述第一绝缘层111层叠设置；多个通孔114和一个中心孔115，多个所述通孔114和所述中心孔115同时贯穿所述导电层112和所述第一绝缘层111；所述第一绝缘层111的厚度沿着自边缘向所述中心孔115的方向变薄。
具体地，在本实施例中，提供一种多层结构的背极板11，其包括导电层112和第一绝缘层111。导电层112采用导电材料制作，可以与转换电路连接，第一绝缘层111采用绝缘材料制成，对导电层112起到一定的支撑作用。在本实施例中，背极板11(导电层112和第一绝缘层111)上设置有多个贯穿的通孔114，所述通孔114可以平衡背极板11两侧的气压。振膜12在振动过程中，中心处的振幅最大，使得中心处的振膜12和背极板11之间的气压差较大，布置一个中心孔115在所述背极板11的中心处，可以更进一步地平衡背极板11两侧的气压。本申请将第一绝缘层111的厚度设置为由边缘向中心孔115的方向变薄，既保证了整个背极板11的强度，同时在振膜12振动过程中，又不会造成振膜12压模阻尼的增加，避免影响振膜12中心处气流的排出，还保证了麦克风的电声性能。其中，第一绝缘层111的厚度自边缘向中心孔115的方向变薄的这种变化特征，既可以是逐步的变化，也可以是为了加工方便，呈阶梯状的突变，本申请对此不作限制。
可选地，还包括第二绝缘层113，所述第一绝缘层111层叠于所述导电层112的一侧，所述第二绝缘层113层叠于所述导电层112的另一侧。
具体地，如图1所示，在上述实施例的基础上，背极板11还包括第二绝缘层113，所述第二绝缘层113和所述第一绝缘层111分设在所述导电层112的两侧，对于导电层112起到了更好地保护作用，另外，由于空气中具有水汽等，当麦克风密封性能遭到破坏时，导电层112两侧的第一绝缘层111或第二绝缘层113可以防止所述背极板11和振膜12之间形成的电容被击穿，提高了麦克风的可靠性。
可选地，所述第一绝缘层111包括至少两层层叠固定的支撑层，远离所述导电层112的所述支撑层上的中心孔115的投影覆盖靠近所述导电层112的所述支撑层上的中心孔115。
具体地，第一绝缘层111包括至少两层支撑层，即可以包括两层、三层或者更多层的支撑层(图1中的背极板11的第一绝缘层111包括有三层支撑层)，多层的支撑层对于导电层112的支撑作用更强，进一步加强了整个背极板11的强度。另外，第一绝缘层111的多层结构设计，使得第一绝缘层111的厚度变化更易于加工，提高了生产效率。例如，可以通过将每层支撑层上的中心孔115的尺寸加工成不同大小，再按照中心孔115的大小依次排列、层叠固定，即可实现第一绝缘层111的厚度自边缘向中心孔115的方向变薄的目的。
可选地，如图2至图4所示，所述通孔114的开孔率沿中心孔115向边缘逐渐减小，多个所述通孔114围绕所述中心孔115间隔排列，形成多圈环形通孔组。
具体地，振膜12在受到气流冲击(即感应声音)时，振膜12中心处(即中心孔115处)的振幅最大，沿中心像边缘所受到的气流冲击逐渐减小。通孔114的设置会一定程度减小背极板11的强度，在本实施例中，将每圈环形通孔组的开孔率按照由内圈向外圈的顺序依次减小，以对应于气流冲击的大小。气流冲击大的地方，即靠近中心孔115的位置，开孔率可以设置较大一些，方便大气流的排泄；距离中心孔115较远的位置，开孔率逐次减小，在满足气流排泄的基础上，增加了背极板11边缘的强度，提高了生产效率。其中，通孔的开孔率指每圈环形通孔组内开孔数量的多少，开孔率大即环形通孔组包含的通孔114数量较多，开孔率小，即环形通孔组包含的通孔114数量较小。
多个所述通孔114的布置方式采用分组的方式围绕所述中心孔115设置有多圈环形通孔组。优选地，每圈环形通孔组所包含的多个通孔114之间的面积和形状可以做相同设计。在背极板11上，中心孔115位于振膜12和背极板11之间的电容变化量最大的中心处，即会受到最大气流冲击，而围绕中心孔115设置的每圈环形通孔组的各个位置受到的气流冲击相差不大，每圈环形通孔组的每个通孔114的大小(面积)和形状均相同，在保证气流排泄的同时，可使得开孔难度减小，便于生产加工，降低制造成本。
可选地，如图3或图4所示(由于多个通孔均贯穿整个背极板，因此图中仅示意了导电层上通孔的布置方式)，每个所述通孔114的面积按照由内圈向外圈的顺序依次减小。
具体地，如上述实施例所述，振膜12在受到气流冲击(即感应声音)时，振膜12中心处(即中心孔115处)的振幅最大，沿中心像边缘所受到的气流冲击逐渐减小。通孔114的设置会一定程度减小背极板11的强度，在本实施例中，将每个通孔114的面积(即大小)按照由内圈向外圈的顺序依次减小，以对应于气流冲击的大小。气流冲击大的地方，即靠近中心孔115的位置，其通孔114的面积可以设置较大一些，方便大气流的排泄；距离中心孔115较远的位置，通孔114的面积逐次减小，在满足气流排泄的基础上，增加了背极板11边缘的强度。优选地，每个通孔114的面积由内圈向外圈可以按照5％-10％的比例范围依次缩小，具体可以根据麦克风的实际结构进行选择。
可选地，相邻两圈环形通孔组的开孔率相差5％～20％。
具体地，根据实际使用情况，振膜12在受到气流冲击时，从中间位置处到边缘位置处，其振幅是按照一定的规律减小，将相邻两圈环形通孔组的所述开孔率相差保持在5％～20％，可以使得背极板11上每圈环形通孔114组的开孔率都能够满足其所在位置的气流排泄需求，同时还能使所在位置的背极板11的强度达到最高，同时提升麦克风的电声性能和可靠性。
可选地，所述绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅。
具体地，氧化硅化学性质比较稳定，且强度较高，利用氧化硅制作的背极板11的强度更好，且不易与水等其它物质发生反应，长期可靠性较好。氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，硬度大，本身具有润滑性，并且耐磨损，能抵抗冷热冲击，使得背极板11具有更好的强度以及环境适应能力。
可选地，所述通孔114的形状为圆形、椭圆形和多边形中的至少一种。
具体地，所述通孔114设置为圆形时，制造成本低，生产效率高，另外在一些特殊要求或使用环境下，通孔114也可以选择椭圆形或多边形，本申请对此不作限制。
根据本发明的第二方面，提供了一种麦克风，包括：
麦克风芯片1、ASIC芯片2、电路板3和外壳4，所述麦克风芯片1包括振膜12和第一方面所述的背极板11；所述麦克风芯片1和所述ASIC芯片2固定在所述电路板3上，所述麦克风芯片1和所述ASIC芯片2之间电连接；所述振膜12与所述背极板11相对设置，且两者之间绝缘形成电容器；所述外壳4与所述电路板3连接形成空腔，所述麦克风芯片1、所述ASIC芯片2均位于所述空腔内。
具体地，如图5至图6所示，本实施例的电容式MEMS麦克风的背极板11采用本申请第一方面提供的背极板11，其强度更高，可以提高麦克风的可靠性，另外还同时保证了麦克风的电声性能，使得麦克风整体性能提高，使用寿命更长。其中ASIC芯片2可以为整个麦克风提供外部偏置，使MEMS麦克风在整个操作温度范围内都可保持稳定的声学和电气参数，进一步提升了麦克风的性能。
可选地，如图6所示，所述麦克风芯片1包括两个所述背极板11，两个所述背极板11分设于所述振膜12的两侧。
具体地，采用双背极板11的麦克风在工作过程中，振膜12受力平衡，不会出现振膜12大幅吸附的问题，进而提升灵敏度及信噪比，同时麦克风的稳定性不会变差。
上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
虽然已经通过例子对本发明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，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种背极板，其特征在于，包括：
导电层和第一绝缘层，所述导电层和所述第一绝缘层层叠设置；
多个通孔和一个中心孔，多个所述通孔和所述中心孔同时贯穿所述导电层和所述第一绝缘层；
所述第一绝缘层的厚度沿着自边缘向所述中心孔的方向变薄。
2.根据权利要求1所述的背极板，其特征在于，还包括第二绝缘层，所述第一绝缘层层叠于所述导电层的一侧，所述第二绝缘层层叠于所述导电层的另一侧，多个所述通孔和所述中心孔贯穿所述第二绝缘层。
3.根据权利要求1所述的背极板，其特征在于，所述第一绝缘层包括至少两层层叠固定的支撑层，远离所述导电层的所述支撑层上的中心孔的投影覆盖靠近所述导电层的所述支撑层上的中心孔。
4.根据权利要求1所述的背极板，其特征在于，所述通孔的开孔率沿中心孔向边沿逐渐减小，多个所述通孔围绕所述中心孔间隔排列，形成多圈环形通孔组。
5.根据权利要求4所述的背极板，其特征在于，每个所述通孔的面积按照由内圈向外圈的顺序依次减小。
6.根据权利要求4所述的背极板，其特征在于，相邻两圈环形通孔组的开孔率相差5％～20％。
7.根据权利要求1所述的背极板，其特征在于，所述绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅。
8.根据权利要求1所述的背极板，其特征在于，所述通孔的形状为圆形、椭圆形和多边形中的至少一种。
9.一种麦克风，其特征在于，包括：
麦克风芯片、ASIC芯片、电路板和外壳，所述麦克风芯片包括振膜和权利要求1-8任意一项所述的背极板；
所述麦克风芯片和所述ASIC芯片固定在所述电路板上，所述麦克风芯片和所述ASIC芯片之间电连接；所述振膜与所述背极板相对设置，且两者之间绝缘形成电容器；
所述外壳与所述电路板连接形成空腔，所述麦克风芯片、所述ASIC芯片均位于所述空腔内。
10.根据权利要求9所述的麦克风，其特征在于，所述麦克风芯片包括两个所述背极板，两个所述背极板分设于所述振膜的两侧。
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