CN113811747A - 光学麦克风组合件 - Google Patents

Abstract

一种光学麦克风组合件(2)包含：微机电系统(MEMS)组件(4)；半导体芯片(6)；和外部外壳，其包括非MEMS支撑结构的至少部分且界定孔口(32)。所述MEMS组件包含干涉测量布置，其包含膜片(8)和与所述膜片(8)间隔开的至少一个光学元件(10)。所述半导体芯片(6)包含至少一个光检测器(14)，且具有安装在其上或集成在其中的光源(16)。所述MEMS组件(4)安装在所述非MEMS支撑结构上且密封到所述外部外壳，使得所述MEMS组件(4)关闭所述孔口(32)。所述半导体芯片(6)以与所述MEMS组件(4)间隔开的关系与所述MEMS组件(4)分开地安装在所述MEMS支撑结构上，使得所述MEMS组件(4)在垂直于所述膜片(8)的反射表面的方向上相对于所述半导体芯片(6)移位。所述光源(16)布置成将光(38)提供到所述干涉测量布置，使得所述光的第一部分(40)经由所述干涉测量布置沿着第一光学路径传播，且所述光的第二部分(42)经由所述干涉测量布置沿着第二不同光学路径传播，使得所述膜片(8)的所述反射表面反射所述第一部分(40)和所述第二部分(42)中的至少一个，由此在所述第一光学路径与所述第二光学路径之间产生取决于所述膜片(8)与所述光学元件(10)之间的距离的光学路径差。所述至少一个光检测器(14)布置成取决于所述光学路径差检测由光的所述第一部分(40)和所述第二部分(42)产生的干涉图案的至少部分。

Description

光学麦克风组合件

本发明大体上涉及光学麦克风组合件，且尤其涉及光学麦克风的外壳结构。

麦克风通常用于通过测量响应于环境声学振动而振动的可移动部件(例如膜片)的移位来将声波转换为电信号。存在测量此可移动部件的移位的数种方式，包括电容读出(通常称为电容式麦克风)和静电或电磁读出机构(例如，动态麦克风)。

读出麦克风膜片的位置的替代方式为光学干涉测量读出。在此类系统的典型实例中，提供邻近于膜片的衍射光栅，且电磁辐射被引导到衍射光栅上。光的第一部分从光栅反射回来。第二部分透射穿过光栅，所述光栅衍射辐射。衍射的辐射撞击在膜片上，所述膜片将其反射到光栅上。辐射穿过光栅，且光的两个部分发生干涉，以形成可由检测器检测的干涉图案。干涉图案具有与光栅的衍射阶相匹配的形状(即，空间分布)，但引导到这些衍射阶中的光强度取决于光的两个部分的相对相位，且因此取决于光栅与膜片之间的距离。因此，可根据检测器处的光强度的变化来确定膜片的位置(且因此，可确定移动)。

由于此类系统的组件的长度尺度，光学麦克风通常被制造为微机电系统(MEMS)组件。在此类系统中，MEMS组件包含光源和一或多个检测器，以及相对于所述源和检测器定位的膜片和光栅，以便产生所需的干涉图案。

MEMS组件通常安装在具有声学端口的外壳内部以允许声波进入外壳。膜片的一侧经由声学端口与外壳的外部流体连通，而膜片的另一侧与外壳内部的封闭声学腔体(通常称作后容积)流体连通。传入声波接着仅在与外部流体连通的膜片的所述一侧上施加力，从而产生使得膜片振动的压差。

此类麦克风具有高信噪比(SNR)和高灵敏度。然而，期望进一步改进此类麦克风的性能。

从第一方面看，本发明提供一种光学麦克风组合件，其包含：

微机电系统(MEMS)组件，其包含干涉测量布置，所述干涉测量布置包含膜片和与膜片间隔开的至少一个光学元件；

半导体芯片，其包含至少一个光检测器；

光源，其安装在半导体芯片上或集成在半导体芯片中；

非MEMS支撑结构；和

外部外壳，其包括非MEMS支撑结构的至少部分，所述外部外壳界定孔口；

其中MEMS组件安装在非MEMS支撑结构上且密封到外部外壳，使得MEMS组件关闭孔口；

其中半导体芯片以与MEMS组件间隔开的关系与MEMS组件分开地安装在非MEMS支撑结构上，使得MEMS组件在垂直于膜片的反射表面的方向上相对于半导体芯片移位；

其中光源布置成将光提供到干涉测量布置，使得所述光的第一部分经由所述干涉测量布置沿着第一光学路径传播，且所述光的第二部分经由所述干涉测量布置沿着第二不同光学路径传播，使得膜片的反射表面反射所述第一部分和所述第二部分中的至少一个，由此在第一光学路径与第二光学路径之间产生取决于膜片与光学元件之间的距离的光学路径差；且其中至少一个光检测器布置成取决于所述光学路径差检测由光的所述第一部分和所述第二部分产生的干涉图案的至少部分。

因此，根据本发明的至少实施例，MEMS组件经定位成使得其在膜片的一侧上产生“后容积”声学腔体，但不在孔口与膜片的同麦克风外部流体连通的所述一侧之间产生“前容积”声学腔体。

申请人已了解，此配置是有利的，因为其提供改进的频率响应。在根据如上文所描述的现有技术的布置中，在声学端口与安装在外壳中的MEMS组件的膜片之间产生前容积声学腔体。申请人已了解，声学腔体和声学端口的形状在麦克风的频率响应中产生假象(例如峰值)，尤其在高频(例如，约20千赫兹)下。这是不合需要的，尤其对于使用那些高频率的麦克风应用。本发明的实施例可因此有利地提供高信噪比以及平坦的频率响应。举例来说，一些实施例可在20赫兹到20千赫兹的范围内提供平坦的频率响应，这可能特别有利，因为其对应于人类听觉的典型范围。

根据本发明的实施例可提供另一优点，即改进的制造容易性。在根据现有技术的光学麦克风中，可能难以制造MEMS组件，使得光源和检测器相对于彼此且相对于膜片和光栅恰当地对准，以便在检测器处产生合适的干涉图案。根据本发明，光源和光检测器与包含膜片的MEMS组件分开地安装，而非光源、检测器和膜片全部形成在一个MEMS组件内。将MEMS组件安装在与半导体芯片分开的非MEMS支撑结构上可因此有利地允许组件更容易地对准，从而改进光学麦克风的制造容易性。本发明可因此提供一种方便的集成解决方案，即，其中将光源安装在半导体芯片上或集成在半导体芯片中，从而有利地允许在制造期间经由半导体芯片相对于MEMS组件的对准来对准光源。申请人已发现，根据本发明的实施例可允许将多个组件(即，MEMS组件上的膜片和光学元件以及半导体芯片上的光检测器和光源)对准到±10微米的精确度。

术语微机电系统(MEMS)的含义由本领域的技术人员很好地理解，因此应理解，当组件描述“MEMS组件”时，这意味着所述组件包含例如可使用微制造技术制造的微型化机械和/或机电元件(即，装置和结构)，其中微型化意味着微型化元件的物理尺寸在微米的尺度上，例如，至多一毫米或更短。因此还应理解，“非MEMS”结构为不满足上文所给出的“MEMS”定义的结构。

当据称半导体芯片包含至少一个光检测器时，这可理解为意味着至少一个光检测器集成在半导体芯片中，例如，光检测器可单块地集成在半导体芯片中，例如，作为集成电路或光电电路的部分。在光源集成在半导体芯片中的实施例中，所述光源可单块地集成，例如，作为集成电路或光电电路的部分，例如与光检测器一起。

在一组实施例中，孔口具有至少与膜片的宽度或直径一样大的宽度或直径。举例来说，在一些实施例中，声学端口的宽度或直径为至少500微米，或至少750微米，或至少1毫米，或至少2毫米，或至少3毫米。在一些实施例中，孔口可略微小于膜片，例如孔口可具有膜片的宽度或直径的至少90％或95％的宽度或直径。

由于孔口将膜片暴露于麦克风外部而不是在膜片与麦克风外部之间呈现空气必须流过的狭窄通道，因而此特征可有利地减少对经由孔口流向膜片表面的气流的限制。申请人已发现，此特征有利地改进麦克风的频率响应，尤其在高频下。

在一组实施例中，孔口为喇叭形的，使得孔口具有邻近光学麦克风组合件内部的内宽度或直径和邻近光学麦克风组合件外部的外宽度或直径，其中外宽度或直径大于内宽度或直径。

此类实施例特别有利，因为孔口的喇叭形形状可减少麦克风外部与膜片表面之间的气流的限制。申请人已发现，这有利地改进麦克风的频率响应，尤其在高频下。当结合至少与膜片一样大的孔口提供时，此特征特别有利。因此，在一些实施例中，喇叭形孔口的内宽度或直径至少与膜片的宽度或直径一样大，例如为至少1毫米、至少2毫米或至少3毫米。此类实施例因此提供以下优点：膜片的整个区域可暴露于麦克风的外部，而孔口的喇叭形形状进一步减少麦克风外部与膜片表面之间的气流的任何限制。

孔口可设置有防尘罩。防尘罩可安置在孔口的面向光学麦克风组合件外部的一侧上，或其可安置在孔口的面向光学麦克风组合件内部，即面向MEMS组件的一侧上。

防尘罩可有利地降低麦克风外部的颗粒或物体经由孔口意外地接触膜片的风险。防尘罩或防尘罩的部分可以是光学不透明的或基本上光学不透明的。因此，防尘罩可有利地减少经由孔口进入或离开光学麦克风组合件的光泄漏。

如上文所陈述，MEMS组件关闭孔口的定位避免在孔口与膜片的与麦克风光学麦克风组合件的外部流体连通的一侧之间产生“前容积”声学腔体。

因此，应理解，虽然防尘罩可防止意外接触膜片且减少漏光，但其并不显著影响麦克风的声学性质。确切地说，其不会在孔口与膜片的与麦克风光学麦克风组合件的外部流体连通的一侧之间产生“前容积”声学腔体。举例来说，防尘罩对光学麦克风组合件的谐振频率可具有极少影响或无影响，例如，其可降低谐振频率不超过10％，或不超过5％。防尘罩可包含孔洞(例如，其可以是网状物或多孔片)，其中孔洞的总面积为防尘罩面积的至少50％。防尘罩可基本上为声学透明的。声学透明程度可部分由防尘罩的厚度确定。可通过提供足够薄(例如，50微米、100微米或200微米)的防尘罩来实现足够高的声学透明度。如上文所论述，当提供足够的穿孔以确保防尘罩基本上声学透明时，此类厚度可足够薄。可制造具有实际上可实现的最小厚度(其可例如由所使用的材料和制造技术约束)，同时确保防尘罩足够结构上稳固以防止与膜片的意外接触。

MEMS组件在垂直于膜片的反射表面的方向上相对于半导体芯片的移位可为例如至少250微米、至少500微米、至少1毫米或至少2毫米。在此上下文中，MEMS组件相对于半导体芯片的“移位”是指从膜片表面到半导体芯片上的光检测器的垂直距离。上文给出的实例移位可有利地允许MEMS组件与半导体芯片的方便对准。可基于光学元件的大小来选择移位。举例来说，如果光源具有发散度，那么可选择移位使得照射在光学元件上的光的宽度与光学元件的宽度基本上匹配。

光学麦克风组合件可包含多于一个芯片，例如可提供除上文所论述的半导体芯片之外的其它芯片。举例来说，光学麦克风组合件可包含专用集成电路(ASIC)芯片。ASIC芯片可安装在衬底上，例如邻近半导体芯片，使得可在芯片之间提供连接。然而，对于ASIC，具有一个单独的芯片并不是必需的。ASIC可另外或替代地设置(例如集成)在半导体芯片和/或衬底中。

外部外壳可由一个片件形成，或其可由单独片件形成。举例来说，外部外壳可包含具有壳体的衬底，或由间隔物分隔开的衬底和顶板。一些片件可与附接的其它片件一体地形成，例如衬底和间隔物可与附接的单独顶板一体地由单个片件形成。

在所有布置中，可在非MEMS支撑结构中或在外部外壳的另一部分中界定孔口。

光学元件可为衍射光栅，但这并非必需的。光学元件可为可用于产生合适的干涉图案，例如衍射透镜或平面反射表面的任何元件。

在一组实施例中，非MEMS支撑结构包含：

衬底；

顶板，其具有形成在其中的孔口；和

间隔物，其将衬底与顶板分隔开；

其中MEMS组件安装在顶板上以关闭孔口，且半导体芯片安装在面向MEMS组件的衬底上。

在一组实施例中，非MEMS支撑结构包含：

衬底，其具有形成在其中的孔口；

顶板；和

间隔物，其将衬底与顶板分隔开；

其中MEMS组件安装在衬底上以关闭孔口，且半导体芯片安装在面向MEMS组件的顶板上。

应理解，术语‘衬底’和‘顶板’可指示光学麦克风组合件的可能定向(例如，用于安装)。举例来说，‘衬底’可指基座部分，而‘顶板’可指封盖部分，使得可经由衬底将光学麦克风组合件安装在麦克风支撑件，例如印刷电路板(PCB)上。在顶板中具有孔口的实施例中，孔口将接着位于光学麦克风组合件的顶部。此类配置通常称作‘顶部端口’布置。在衬底中具有孔口的实施例中，孔口将接着位于光学麦克风组合件的底部。此类配置通常称作‘底部端口’布置。在此上下文中，‘顶部’和‘底部’不一定指代相对于重力方向的定向，但可分别指代距其上可安装光学麦克风组合件的麦克风支撑件(例如PCB)最远和最接近的麦克风部分。

衬底可因此配置成安装在麦克风支撑件上。举例来说，衬底可设置有焊垫，例如用于将衬底安装在PCB上。

衬底、顶板和间隔物中的一些或全部可与彼此一体地形成。举例来说，衬底和间隔物可为与顶部上附接的单独顶板件一体形成的片件。

在一组实施例中，非MEMS支撑结构包含界定由壁包围的凹槽的衬底；其中半导体芯片安装在凹槽中，且MEMS组件安装在壁的顶部上以便跨越凹槽的至少部分；其中光学麦克风组合件进一步包含安装在衬底上或壁的顶部上的壳体，使得壳体和衬底一起限定声学腔体；且其中孔口形成在壳体中，且MEMS组件密封到壳体，使得MEMS组件关闭孔口。应了解，本文中对安装在壁的顶部上的参考应理解为安装到壁的端面，而不是安装到壁的面向凹槽的主面。不隐含特定定向。

在一组实施例中，非MEMS支撑结构包含界定由壁包围的凹槽的衬底；其中孔口形成在衬底中，且MEMS组件安装在凹槽中以关闭孔口；其中半导体芯片安装在壁的顶部上以便跨越凹槽的至少部分；且其中光学麦克风组合件进一步包含安装在衬底上或壁上的壳体，使得壳体和衬底一起界定声学腔体。

在上文所描述的实施例中，所述壁可为外围壁(例如，还形成外壳的外壁)。在此情况下，壳体安装在外围壁上。所述壁可为内壁。在此情况下，壳体安装在衬底上。

在包含由壁包围的凹槽的实施例中，衬底可由单个片件形成，使得所述壁为衬底的一体形成的一部分。然而，这不是必需的，且在一些实施例中，所述壁和衬底由附接在一起的单独片件形成。举例来说，衬底可由基座件和安装在其上的间隔物形成，使得间隔物界定壁。

半导体芯片或MEMS组件可通过任何合适的方式安装在壁的顶部上。举例来说，在一些实施例中，半导体芯片通过凸块接合(其也称作倒装芯片接合)安装在壁的顶部上。

在一组实施例中，MEMS组件与半导体芯片一起界定光学麦克风，且光学麦克风组合件包含非MEMS支撑结构上的一或多个另外的光学麦克风。因此，在此类实施例中，可有利地将多个光学麦克风设置在同一衬底或顶板上。此类布置可有利地用于提供例如麦克风阵列，所述麦克风阵列提供本发明的优点，例如具有改进的频率响应和增加的可制造容易性。

从第二方面看，本发明提供一种光学麦克风组合件，其包含：

微机电系统(MEMS)组件，其包含干涉测量布置，所述干涉测量布置包含膜片和与膜片间隔开的至少一个光学元件；

半导体芯片，其包含至少一个光检测器且已在其上安装有光源；

非MEMS支撑结构；和

外部外壳，其包括非MEMS支撑结构的至少部分，所述外部外壳界定孔口；

其中MEMS组件安装在非MEMS支撑结构上且密封到外部外壳，使得MEMS组件关闭孔口；

其中半导体芯片以与MEMS组件间隔开的关系与MEMS组件分开地安装在非MEMS支撑结构上，使得MEMS组件在垂直于膜片的反射表面的方向上相对于半导体芯片移位；

其中光源布置成将光提供到干涉测量布置，使得所述光的第一部分经由所述干涉测量布置沿着第一光学路径传播，且所述光的第二部分经由所述干涉测量布置沿着第二不同光学路径传播，使得膜片的反射表面反射所述第一部分和所述第二部分中的至少一个，由此在第一光学路径与第二光学路径之间产生取决于膜片与光学元件之间的距离的光学路径差；且其中至少一个光检测器布置成取决于所述光学路径差检测由光的所述第一部分和所述第二部分产生的干涉图案的至少部分。

如上文参考第一方面所论述的本发明的可选特征也可以是根据第二方面的本发明的特征。

现将仅借助于实例参考随附图式描述某些优选实施例，在随附图式中：

图1A展示根据本发明的光学麦克风组合件的第一实施例；

图1B和图1C展示图1A的实施例的变化，其中光学麦克风组合件包含防尘罩。

图2展示根据本发明的光学麦克风组合件的第二实施例；

图3展示根据本发明的光学麦克风组合件的第三实施例；

图4展示图3中所展示的光学麦克风组合件的透视图；

图5展示根据本发明的光学麦克风组合件的第四实施例；

图6展示根据本发明的光学麦克风组合件的第五实施例；且

图7展示图1A的实施例的另一变化。

图1A展示根据本发明的第一实施例的光学麦克风组合件2。光学麦克风组合件包含数个内部组件，包括MEMS组件4和半导体芯片6。MEMS组件4包含设置在光学元件支撑件12上的膜片8和光学元件10。在此实例中，光学元件为衍射光栅，但可使用其它光学元件，例如衍射透镜或平面反射表面。

半导体芯片6包含光检测器14且具有安装在其上的光源16，所述光源在此实例实施例中为垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。光源16可替代地集成到半导体芯片6中。连接件18设置在VCSEL 16与半导体芯片6之间以允许对VCSEL进行供电和控制。连接件20设置为允许远程电源和/或控制器对半导体芯片进行供电和/或控制。虽然在此实例实施例中，仅存在单个光检测器，但通常可提供多于一个光检测器，例如，3个与6个光检测器之间。可设置多个光检测器，例如以允许测量不同衍射图案，或允许测量衍射图案的多于一个阶。

光学麦克风组合件2具有囊封前述内部组件的外壳，且包含衬底24，光学麦克风组合件借助于所述衬底安装在麦克风支撑件、顶板26和间隔物28上，从而将衬底24与顶板26分隔开。衬底24、顶板26和间隔物28为非MEMS组件且一起界定声学腔体30。顶板26具有形成在其中的孔口32，使得膜片8的第一侧经由孔口32与光学麦克风组合件的外部34流体连通。空气通道36设置在光学元件支撑件12中，使得膜片8的第二侧与声学腔体30流体连通。

衬底设置有焊垫44以允许光学麦克风组合件安装在麦克风支撑件上，例如如上文所提及的PCB，且还在光学麦克风组合件与PCB之间提供电连接。图1A中所展示的布置可称作“顶部端口”配置，其中孔口32设置在外壳的远离衬底24的表面中，其通过所述衬底安装到麦克风支撑件。

在使用中，在光学麦克风组合件的外部34处通过空气传播的声波通过孔口32传播且撞击在膜片8的第一侧上。由于膜片8的第二侧仅与声学腔体30流体连通，且不与麦克风的外部流体连通，因此传入声波引起压力差，从而使得膜片8振动。如下文所描述测量膜片的振动，且因此测量传入声波。

当光学麦克风操作时，光源16产生辐射38，辐射38被引导到光学元件10(其在此实例中为衍射光栅)上。在撞击在衍射光栅上的辐射中，第一部分40穿过衍射光栅且被衍射。膜片8接着经由衍射光栅将此衍射辐射反射到光检测器14上。通过衍射光栅将第二部分42反射到光检测器14上。第二部分42干涉第一部分40以形成干涉图案，且因此光检测器14处检测到的光的强度取决于干涉图案，且因此取决于光学元件10与膜片8之间的距离。由于检测器14处的光的强度取决于光学元件10与膜片8之间的距离，因此可从检测到的强度推断膜片8的位置(且因此，膜片的运动)。

在此实例中，光学麦克风组合件仅具有一个检测器，其被定位为接收第一阶衍射峰，然而，这不是必需的。检测器可被定位为接收不同衍射峰，例如更高阶的衍射峰。多个检测器可用于检测多于一个峰，例如第零衍射阶和第一衍射阶。

如上文所描述测量的膜片8的移动对应于撞击在麦克风上的声波的压力幅度，因为声波在膜片上施加对应于其幅度的力，从而使得膜片偏转。然而，申请人已了解，在现有技术的光学麦克风组合件中，其中膜片安置在前容积声学腔体内，到达光学麦克风组合件的传入声波的声波形受前容积声学腔体的存在和狭窄声学端口的受限气流的影响，尤其在较高频率中。

相比而言，从图1A可以看出，在此实施例中，MEMS组件4被定位为关闭孔口32(而不是被定位在可经由孔口从组合件外部接入的腔体内)，且孔口具有与膜片直径一样大的直径。因此，不存在基本上封闭的前部容积，且到膜片的气流不受狭窄孔口限制。申请人已发现这引起显著改进的频率响应。在现有技术的光学麦克风组合件中，在人类听觉范围(例如，15千赫兹到20千赫兹的范围内)的高频率中的频率响应中存在显著假象(例如峰值)。相比而言，在本发明的实施例中，可在20赫兹到20千赫兹的范围内获得大体上平坦的频率响应。

另外，可以看出，孔口32具有喇叭形形状，使得其在光学麦克风组合件2的外部附近(即，距离膜片最远)的直径大于其在光学麦克风组合件2的内部附近(即，最靠近膜片)的直径。申请人已发现，这提供了频率响应的进一步改进，因为其进一步减少了气流到孔口32中的限制。

从图1A还可以看出，MEMS组件4和半导体芯片6分开地安装在外壳内部。MEMS组件4安装在顶板26上，而半导体芯片6安装在衬底24上。申请人已发现，这提供了光学麦克风组合件2的制造容易性的显著改进，确切地说是因为更容易将MEMS组件的膜片8和光学元件10与光源16和光检测器14对准以便在光检测器14处产生合适的干涉图案。从本公开应了解，作为用于制造MEMS组件的微制造技术的部分，不需要将光学组件10和膜片8与光源16和光检测器14对准。替代地，此对准取决于非MEMS衬底24、顶板26和间隔物28的位置，其更容易对准。

图1B展示图1A的实施例，其中防尘罩45设置在孔口32上。防尘罩45包含多孔薄片，即包含孔洞。孔洞的总面积为防尘罩45的面积的至少50％，其意味着防尘罩45不会显著影响光学麦克风组合件2的声学性质，且尤其不会显著影响孔口32的声学性质。防尘罩45可因此描述为基本上声学透明的。

防尘罩45有助于防止通过光学麦克风组合件2外部的物体意外地物理接触膜片8，且还有助于减少经由孔口32进入或离开光学麦克风组合件2的光泄漏。

在图1B中，防尘罩45位于孔口32的面向光学麦克风组合件2的外部的一侧。图1C展示此实施例的另一变化，其中光学麦克风组合件2包含具有与图1B的防尘罩45相同的物理和声学性质的防尘罩45'。然而，在图1C中，防尘罩45'安置在孔口32的面向膜片8的一侧上。在下文所描述的其它实施例中可任选地提供防尘罩。

图2展示根据本发明的第二实施例的光学麦克风组合件46。光学麦克风组合件46包含MEMS组件48和半导体芯片50。MEMS组件48和半导体芯片50具有分别与第一实施例的MEMS组件4和半导体芯片6相同的结构和功能。

在此实施例中，光学麦克风组合件46包含具有用于安装到麦克风支撑件(例如PCB)的焊垫60的衬底52、顶板54和间隔物56。然而，与第一实施例相比，在本实施例中，孔口58设置在衬底52中而不是顶板54中。包围孔口的焊环61设置在衬底上以用于将孔口的外围密封到麦克风支撑件。MEMS组件48密封到衬底52以便关闭孔口58。半导体芯片50安装在面向MEMS组件的顶板上，且与其对准，以按与上文参考第一实施例所描述的相同方式产生对应于膜片振动的干涉图案。

可以看出，孔口58具有喇叭形形状，其内径与MEMS组件48的膜片59的直径相同，且MEMS组件48安装在衬底52上以便关闭孔口58。因此，光学麦克风组合件46不具有前容积声学腔体，且孔口58大体上不限制从麦克风外部到膜片59的气流。此有利地提供光学麦克风的改进的频率响应，如上文所论述。

图2中所展示的布置可称作“底部端口”配置，其中孔口设置在外壳的接近于衬底的表面中以用于安装到麦克风支撑件。

图3展示根据本发明的第三实施例的光学麦克风组合件62。光学麦克风组合件62包含MEMS组件64和半导体芯片66。MEMS组件64和半导体芯片66具有与上文参考图1和图2所描述的MEMS组件和半导体芯片等效的结构和功能。

组合件的外壳包含界定由外围壁74包围的凹槽72的衬底70和壳体76。半导体芯片66安装在衬底的凹槽72中。MEMS组件64安装在外围壁74的顶部上，使得其跨越凹槽72。在图4中展示的光学麦克风组合件62的三维表示中可更清楚地看到MEMS组件64的安装。从图4可以看出，MEMS组件具有稍微大于衬底70中的凹槽72的宽度，使得当MEMS组件放置在衬底70的顶部上时，其位于外围壁74的顶部上，使得MEMS组件由凹槽72中的半导体芯片66上方且与半导体芯片66间隔开的外围壁74支撑。

再次参考图3，壳体76具有形成在其中的孔口78。壳体安装在外围壁74上，使得壳体76和凹陷的衬底70一起形成声学腔体80。孔口78被定位为使得其在MEMS组件64上方。使用无应力胶84将孔口的边缘82密封到MEMS组件64。这将从麦克风的外部密封声学腔体80，使得到达光学麦克风组合件62的声波仅撞击在MEMS组件64的膜片86的一侧上，即，撞击在面向孔口78的一侧上，而不是膜片86的面向声学腔体80的一侧上。

可以看出，孔口78具有与膜片86的直径相同的直径，且MEMS组件64密封到壳体76以便关闭孔口78。因此，光学麦克风组合件62不具有前容积声学腔体，且孔口78大体上不限制从麦克风外部到膜片86的气流。此有利地提供光学麦克风的改进的频率响应，如上文所论述。

在此实例中，孔口78不具备喇叭形形状，但可在此实施例和其它实施例的变化中提供喇叭形孔口。

与先前实施例一样，光学麦克风组合件62还在衬底上设置有焊垫87以允许光学麦克风组合件安装在例如PCB的麦克风支撑件上。如同第一实施例，图3中所展示的布置为“顶部端口”配置，其中孔口设置在外壳的远离衬底的表面中以用于附接到麦克风支撑件。

图5展示了作为图3和图4的实施例的变化的光学麦克风组合件88。光学麦克风组合件88包含MEMS组件90和半导体芯片92。MEMS组件90和半导体芯片92具有分别与图3和图4的实施例的MEMS组件64和半导体芯片66相同的结构和功能。

图5的实施例包含与图3和图4的实施例类似的特征，包括衬底94和壳体96。然而，此实施例不同于图3和图4的实施例，因为衬底94包含界定凹槽100的内壁98，而不是外围壁。MEMS组件90安装在内壁98的顶部上，使得其跨越凹槽100。

壳体96安装在衬底94上，使得壳体96和衬底94一起界定声学腔体102。壳体96具有形成在其中的孔口104，且孔口104被定位为使得其位于MEMS组件90上方。使用无应力胶108将孔口的边缘106密封到MEMS组件90。以与参考图3所描述的方式类似的方式，这将从麦克风的外部密封声学腔体102，使得到达光学麦克风组合件88的声波仅撞击在MEMS组件90的膜片110的一侧上，即撞击在面向孔口104的一侧上，而不是撞击在膜片110的面向声学腔体102的一侧上。

孔口104具有与膜片110的直径相同的直径，且MEMS组件90密封到壳体96以便关闭孔口104。因此，光学麦克风组合件88不具有前容积声学腔体，且孔口104大体上不限制从麦克风外部到膜片110的气流。此有利地提供光学麦克风的改进的频率响应，如上文所论述。

与先前实施例一样，光学麦克风组合件88还在衬底上设置有焊垫112以允许光学麦克风组合件安装在例如PCB的麦克风支撑件上。

图6展示根据本发明的底部部分光学麦克风组合件114的第五实施例。光学麦克风组合件包含MEMS组件116和半导体芯片118，其具有与在以上实施例中所描述的MEMS组件和半导体芯片相同的结构和功能。类似于图3和图5的实施例，光学麦克风组合件114包含具有用于安装到例如PCB的麦克风支撑件的焊垫132的衬底120和壳体122。衬底120界定由外围壁126包围的凹槽124。孔口128形成在衬底120的底部中。

MEMS组件120安装在凹槽124内以便关闭孔口128。半导体芯片118安装在外围壁126上，使得其跨越凹槽124。半导体芯片面向MEMS组件116且与其对准，使得MEMS组件116和半导体芯片118以与上文参考先前实施例所描述的相同方式一起充当光学麦克风。壳体114安装在外围壁的顶部上，以便形成声学腔体130。

类似于第一实施例和第二实施例的孔口32、58，孔口128具有喇叭形形状，其改进了光学麦克风的频率响应，如上文所解释。

图7展示图1A的实施例的变化，其中对应特征用相同编号标示。在此实施例中，除半导体芯片136之外还设置ASIC芯片134。连接件138、140设置在半导体芯片136与ASIC芯片134之间以允许通过ASIC芯片134控制光检测器14和光源16，且设置在ASIC芯片134与衬底24之间以允许连接到芯片外组件，例如电源。在ASIC芯片134上方设置不透明的“球形顶部”覆盖物142。可类似地在其它实施例，例如上文所描述的其它实施例的变化中提供单独ASIC芯片。

应了解，上文所描述的实施例仅为实例，且其它实施例和变化在权利要求书的范围内是可能的。

Claims (14)

1.一种光学麦克风组合件，其包含：

微机电系统(MEMS)组件，其包含干涉测量布置，所述干涉测量布置包含膜片和与所述膜片间隔开的至少一个光学元件；

半导体芯片，其包含至少一个光检测器

光源，其安装在所述半导体芯片上或集成在所述半导体芯片中；

非MEMS支撑结构；和

外部外壳，其包括所述非MEMS支撑结构的至少部分，所述外部外壳界定孔口；

其中所述MEMS组件安装在所述非MEMS支撑结构上且密封到所述外部外壳，使得所述MEMS组件关闭所述孔口；

其中所述半导体芯片以与所述MEMS组件间隔开的关系与所述MEMS组件分开地安装在所述非MEMS支撑结构上，使得所述MEMS组件在垂直于所述膜片的反射表面的方向上相对于所述半导体芯片移位；

其中所述光源布置成将光提供到所述干涉测量布置，使得所述光的第一部分经由所述干涉测量布置沿着第一光学路径传播，且所述光的第二部分经由所述干涉测量布置沿着第二不同光学路径传播，使得所述膜片的所述反射表面反射所述第一部分和所述第二部分中的至少一个，由此在所述第一光学路径与所述第二光学路径之间产生取决于所述膜片与所述光学元件之间的距离的光学路径差；且

其中所述至少一个光检测器布置成取决于所述光学路径差检测由光的所述第一部分和所述第二部分产生的干涉图案的至少部分。

2.根据权利要求1所述的光学麦克风组合件，其中所述孔口具有至少与所述膜片的宽度或直径一样大的宽度或直径。

3.根据权利要求1或2所述的光学麦克风组合件，其中声学端口的宽度或直径为至少500微米。

4.根据权利要求1、2或3所述的光学麦克风组合件，其中所述孔口为喇叭形的，使得所述孔口具有邻近所述光学麦克风组合件内部的内宽度或直径以及邻近所述光学麦克风组合件外部的外宽度或直径，其中所述外宽度或直径大于所述内宽度或直径。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光学麦克风组合件，其中所述MEMS组件在垂直于所述膜片的所述反射表面的所述方向上相对于所述半导体芯片的所述移位为至少250微米。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光学麦克风组合件，其中所述非MEMS支撑结构包含：

衬底；

顶板，其具有形成在其中的所述孔口；和

间隔物，其将所述衬底与所述顶板分隔开；

其中所述MEMS组件安装在所述顶板上以关闭所述孔口，且所述半导体芯片安装在面向所述MEMS组件的所述衬底上。

7.根据权利要求1到5中任一项所述的光学麦克风组合件，其中所述非MEMS支撑结构包含：

衬底，其具有形成在其中的所述孔口；

顶板；和

间隔物，其将所述衬底与所述顶板分隔开；

其中所述MEMS组件安装在所述衬底上以关闭所述孔口，且所述半导体芯片安装在面向所述MEMS组件的所述顶板上。

8.根据权利要求1到5中任一项所述的光学麦克风组合件，

其中所述非MEMS支撑结构包含界定由壁包围的凹槽的衬底；

其中所述半导体芯片安装在所述凹槽中，且所述MEMS组件安装在所述壁的顶部上以便跨越所述凹槽的至少部分；

其中所述光学麦克风组合件进一步包含安装在所述壁的顶部上的壳体，使得所述壳体和所述衬底一起界定声学腔体；且

其中所述孔口形成在所述壳体中，且所述MEMS组件密封到所述壳体，使得所述MEMS组件关闭所述孔口。

9.根据权利要求1到5中任一项所述的光学麦克风组合件，

其中所述非MEMS支撑结构包含界定由壁包围的凹槽的衬底；

其中所述孔口形成在所述衬底中，且所述MEMS组件安装在所述凹槽中以关闭所述孔口；

其中所述半导体芯片安装在所述壁的顶部上以便跨越所述凹槽的至少部分；且

其中所述光学麦克风组合件进一步包含安装在所述衬底上或所述壁的顶部上的壳体，使得所述壳体和所述衬底一起界定声学腔体。

10.根据权利要求8或9所述的光学麦克风组合件，其中所述衬底由单个片件形成，使得所述壁为所述衬底的一体形成的一部分。

11.根据权利要求8或9所述的光学麦克风组合件，其中所述衬底由基座件和安装在其上的间隔物形成，使得所述间隔物界定所述壁。

12.根据权利要求8到11中任一项所述的光学麦克风组合件，其中所述半导体芯片通过凸块接合安装在所述壁的顶部上。

13.根据前述权利要求中任一项所述的光学麦克风组合件，其中所述孔口设置有防尘罩。

14.根据前述权利要求中任一项所述的光学麦克风组合件，其中所述MEMS组件与所述半导体芯片一起界定光学麦克风，且其中所述光学麦克风组合件包含所述非MEMS支撑结构上的一或多个另外的光学麦克风。

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