CN115696158A - 差分mems芯片、麦克风及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种差分MEMS芯片、麦克风及电子设备，差分MEMS芯片包括衬底和均安装于衬底的背极板和薄膜，衬底形成有进音口，背极板形成有多个孔洞，薄膜形成有泄气结构，背极板设置于薄膜背离进音口的一侧，薄膜包括上下交替设置的压电层和电极层，电极层的数量至少为两个，衬底上还设置有背极焊盘和电极焊盘，背极焊盘与背极板电连接，电极焊盘与电极层电连接。该差分MEMS芯片、具有能够防止异物进入，提升产品性能的优点。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS麦克风技术领域，尤其涉及一种差分MEMS芯片、麦克风及电子设备。
背景技术
随着智能设备的发展，对麦克风性能的要求越来越高，差分输出MEMS芯片可产生两路幅度相等、相位相反的信号，能够提升麦克风产品的SNR(信噪比，英文全称：SIGNAL-NOISE RATIO，是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例)和AOP(最大录音声压，英文全称：Acoustic Overload Point)性能。如图1所示，现有技术中，差分MEMS芯片大多采用三层电极，即双背极结构，即包括两块背极板，分别为上背极板20和下背极板40，具体的，包括衬底50，振膜30位于中间，振膜30与上背极板20和下背极板40之间均留有间隙，上背极板20和下背极板40为多孔结构。这种电容式双背极差分MEMS芯片易受外来异物影响性能，特别是下背极板40正对麦克风声孔，使用过程中若有异物进入到下背极40与振膜30间，异物如图1中A所示，会导致产品性能降低。
鉴于此，有必要提供一种新的差分MEMS芯片、麦克风及电子设备，以解决或至少缓解上述技术缺陷。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种差分MEMS芯片、麦克风及电子设备，旨在解决现有技术中差分MEMS芯片容易进入异物，导致产品性能降低的技术问题。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供一种差分MEMS芯片，包括衬底和均安装于所述衬底的背极板和薄膜，所述衬底形成有进音口，所述背极板形成有多个孔洞，所述薄膜形成有泄气结构，所述背极板设置于所述薄膜背离所述进音口的一侧，所述薄膜包括上下交替设置的压电层和电极层，所述电极层的数量至少为两个，所述衬底上还设置有背极焊盘和电极焊盘，所述背极焊盘与所述背极板电连接，所述电极焊盘与所述电极层电连接。
在一实施例中，所述电极层的数量为两个，分别为上电极层和下电极层，所述上电极层面向所述背极板且与所述背极板间隔设置，所述下电极层面向所述进音口设置，所述电极焊盘包括第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘与所述上电极层电连接，所述第二焊盘与所述下电极层电连接。
在一实施例中，所述压电层的数量为多个，多个所述压电层中位于最上面一层的压电层面向所述背极板且与所述背极板间隔设置，多个所述压电层中位于最下面一层的压电层面向所述进音口设置，两层相邻所述压电层之间均设置有所述电极层。
在一实施例中，所述电极层的数量为三个，依次为上电极层、中电极层和下电极层，所述上电极层面向所述背极板且与所述背极板间隔设置，所述下电极层面向所述进音口设置，所述电极焊盘包括第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘与其中一个所述上电极层电连接，所述第二焊盘与其余两个所述上电极层电连接。
在一实施例中，所述泄气结构包括贯穿所述薄膜的泄气孔。
在一实施例中，所述压电层为氮化铝层、锆钛酸铅层或氧化锌层。
在一实施例中，所述电极层为钼层、钛层、铝层或铂层。
在一实施例中，所述衬底包括基体和设置于所述基体上的绝缘层，所述基体形成有所述进音口，所述背极板和所述薄膜均安装于所述绝缘层。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种麦克风，所述麦克风包括基板和罩设于所述基板的外壳，所述基板与所述外壳形成容纳腔，所述基板上形成有声孔，所述容纳腔内设置有ASIC芯片和如上述所述的差分MEMS芯片，所述差分MEMS芯片和所述ASIC芯片信号连接，所述声孔面向所述薄膜设置。
在一实施例中，所述ASIC芯片用于接收所述差分MEMS芯片的两路电信号，所述ASIC芯片内设置有延时电路，所述延时电路用于调整所述两路电信号，以使所述两路电信号的相位差相反。
在一实施例中，所述ASIC芯片用于接收所述差分MEMS芯片的两路电信号，所述ASIC芯片内设置有调幅电路，所述调幅电路用于调整所述两路电信号，以使所述两路电信号的幅值相等。
根据本发明的又一方面，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述所述的麦克风。
上述方案中，差分MEMS芯片包括衬底和分别安装于衬底的背极板和薄膜，衬底形成有进音口，背极板形成有多个孔洞，薄膜形成有泄气结构，背极板设置于薄膜背离进音口的一侧，薄膜包括上下交替设置的压电层和电极层，电极层的数量至少为两个，衬底上还设置有背极焊盘和电极焊盘，背极焊盘与背极板电连接，电极焊盘与电极层电连接。本发明的实现原理为：背极板与薄膜中的其中一个电极层形成平行板电容器，薄膜受声波影响振动产生电容变化，输出变化的电信号，电信号可由背极板输出，也可由薄膜中的一个电极输出；同时，压电层可将声波施加的压力转换为电压，由薄膜中的另外一个电极层将电压输出。采用电容和压电原理的结合，两层设计，上层为形成有多个空洞的背极板，下层为压电材料与电极材料交替沉积成的薄膜结构，该薄膜仅有极小的泄气结构，能够阻挡异物进入，在输出差分信号保证产品性能的同时，避免了常规双背极电容式MEMS芯片在组装和使用时，由于麦克风声孔异物进入导致产品性能降低的技术问题。这里需要说明的是，现有技术中为确保产品的信噪比，因此上背极板和下背极板的孔洞设置比率会较大，一般为60％～70％，而本实施例完全采用了不同的原理和不同的结构，仅需在薄膜上设置一个极小的泄气结构用于平衡薄膜两边的气压即可，降低了异物进入从薄膜进入薄膜和电极之间的间隙的可能性。该发明具有能够防止异物进入，提升产品性能的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为现有技术中差分MEMS芯片的剖面结构示意图；
图2为本发明一实施例差分MEMS芯片的剖面结构示意图；
图3为本发明另一实施例差分MEMS芯片的剖面结构示意图；
图4为本发明实施例麦克风的剖面结构示意图。
图1标号说明：
20、上背极板；30、振膜；40、下背极板；50、衬底。
图2-图4标号说明：
1、背极板；11、孔洞；2、衬底；21、基体；22、绝缘层；23、进音口；3、薄膜；31、上电极层；32、中电极层；33、下电极层；34、压电层；35、泄气结构；351、泄气孔；4、背极焊盘；51、第一焊盘；52、第二焊盘；6、基板；61、声孔；7、外壳；8、容纳腔；9、ASIC芯片；10、差分MEMS芯片；100、麦克风。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参见图2和图3，根据本发明的一个方面，本发明提供一种差分MEMS芯片10，包括衬底2和均安装于衬底2的背极板1和薄膜3，衬底2形成有进音口23，背极板1形成有多个孔洞11，薄膜3形成有泄气结构35，背极板1设置于薄膜3背离进音口23的一侧，薄膜3包括上下交替设置的压电层34和电极层，电极层的数量至少为两个，衬底2上还设置有背极焊盘4和电极焊盘，背极焊盘4与背极板1电连接，电极焊盘与电极层电连接。
本实施例提供了一种不同结构的差分MEMS芯片10，差分MEMS芯片10包括衬底2、背极板1和薄膜3，背极板1为包括多个孔洞11的多孔结构，可以由多晶硅或附着在单晶硅表面的金属层构成，薄膜3为由压电材料和电极材料交替形成的叠层结构。本发明的实现原理为：背极板1与薄膜3中的其中一个电极层形成平行板电容器，薄膜3受声波影响振动产生电容变化，输出变化的电信号，电信号可由背极板1输出，也可由薄膜3中的一个电极输出；同时，压电层34可将声波施加的压力转换为电压，由薄膜3中的另外一个电极层将电压输出。该实施例采用电容和压电原理的结合，两层设计，上层为形成有多个空洞的背极板1，下层为压电材料与电极材料交替沉积成的薄膜3结构，泄气结构35用于平衡薄膜3两侧的声压，该薄膜3仅可以设置极小的泄气结构35，能够阻挡异物进入，在输出差分信号保证产品性能的同时，避免了现有技术中双背极电容式MEMS芯片在组装和使用时，由于麦克风100声孔61异物进入导致产品性能降低的技术问题。这里需要说明的是，现有技术中为确保产品的信噪比，因此上背极板1和下背极板1的孔洞11设置比率会较大，一般为60％～70％，而本实施例完全采用了不同的原理和不同的结构，仅需在薄膜3上设置一个极小的泄气结构35用于平衡薄膜3两边的气压即可(类似于现有技术中在振膜上设置泄气结构35平衡振膜两侧的声压)，降低了异物进入从薄膜3进入薄膜3和电极之间的间隙的可能性。该实施例具有能够防止异物进入，提升产品性能的优点。
参见图2，在一实施例中，所述电极层的数量可以为两个，分别为上电极层31和下电极层33，所述上电极层31面向所述背极板1且与所述背极板1间隔设置，所述下电极层33面向所述进音口23设置，所述电极焊盘包括第一焊盘51和第二焊盘52，所述第一焊盘51与所述上电极层31电连接，所述第二焊盘52与所述下电极层33电连接。电极层的数量为两个时，在两个电极层之间形成有一个压电层34，压电层34两侧分别抵靠上电极层31和下电极层33设置，背极板1可以与其中一个电极层连接形成平行板电容器。如背极板1可以与上电极层31连接形成平行板电容器，薄膜3受声波影响振动产生电容变化，输出变化的电信号，电信号可由背极板1输出，也可由上电极层31输出；同时，压电层34可将声波施加的压力转换为电压，下电极层33将电压输出，形成两路信号输出。当然，背极板1也可以与下电极层33连接形成平行电容器，薄膜3受声波影响振动产生电容变化，输出变化的电信号，电信号可由背极板1输出，也可由下电极层33输出；同时，压电层34可将声波施加的压力转换为电压，上电极层31将电压输出，形成两路信号输出。
在一实施例中，压电层34的数量为多个，多个压电层34中位于最上面一层的压电层34面向背极板1且与背极板1间隔设置，多个压电层34中位于最下面一层的压电层34面向进音口23设置，两层相邻压电层34之间均设置有电极层。具体地，薄膜是由压电层34和电极层交替形成的叠层结构，可以是电极层位于最外层，也可以是压电层34位于最外层。如当压电层34数量为三层，电极层数量二层时，电极层包括上电极层和下电极层，所述上电极层31面向所述背极板1且与所述背极板1间隔设置，所述下电极层33面向所述进音口23设置，所述电极焊盘包括第一焊盘51和第二焊盘52，所述第一焊盘51与所述上电极层31电连接，所述第二焊盘52与所述下电极层33电连接。此时，薄膜3是压电层34+上电极层31+压电层34+下电极层33+压电层34这种叠层结构。
参见图3，在一实施例中，所述电极层的数量可以为三个，依次为上电极层31、中电极层32和下电极层33，所述上电极层31面向所述背极板1且与所述背极板1间隔设置，所述下电极层33面向所述进音口23设置，所述中电极层32设置于上电极层31和下电极层33之间，所述电极焊盘包括第一焊盘51和第二焊盘52，所述第一焊盘51与三个所述上电极层31中的其中一个电连接，所述第二焊盘52与三个所述上电极层31中的其余两个电连接。此时，压电层34也包括的两层，一层位于上电极层31和中电极层32之间，另一层位于中电极层32和下电极层33之间。作为本实施例的一个具体实施方式，第一焊盘51可以与中电极层32电连接，则第二焊盘52与上电极层31和下电极层33连接。电极层的数量可以大于三个，设置多个电极层一方面可以起到支撑作用，另一方面可以增强信号。各电极层可以根据需要以串联或者并联的方式连接，形成所需要的独立电极。
参见图2或图3，在一实施例中，所述泄气结构35包括贯穿所述薄膜3的泄气孔351。为平衡薄膜3两侧的声压，泄气孔351需贯穿薄膜3设置，泄气孔351的孔径可以设置的很小，具体大小根据实际需要设置。此外，构成压电层34的压电材料和电极层的电极材料上有小孔或狭缝等泄压结构，可以调节麦克风100频响，形状、大小、数量由频响要求决定，同时该结构可以调节差分MEMS芯片10的耐气压冲击能力。此外，该差分MEMS芯片10也可以仅使用一路信号连接到后端放大器或集成电路，作为单输出信号芯片使用。
在一实施例中，压电层34为氮化铝层、锆钛酸铅层或氧化锌层。电极层为钼层、钛层、铝层或铂层。压电层34的制成材料可选氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)或任何其它合适的压电材料；电极层的制成材料可选钼(Mo)、钛(Ti)、铝(Al)、铂(Pt)或任何其他合适的导电材料。
在一实施例中，衬底2包括基体21和设置于基体21上的绝缘层22，基体21形成有进音口23，背极板1和薄膜3均安装于绝缘层22。基体21可以由硅材料制成，绝缘层22可以由二氧化硅或氧化硅制成。电极焊盘和背极焊盘4均设置于绝缘层22的顶面。
参见图4，根据本发明的另一方面，本发明还提供一种麦克风100，麦克风100包括基板6和罩设于基板6的外壳7，基板6与外壳7形成容纳腔8，基板6上形成有声孔61，容纳腔8内设置有ASIC芯片9和如上述的差分MEMS芯片10，差分MEMS芯片10和ASIC芯片9信号连接，声孔61面向薄膜3设置。声孔61通过进音口23被薄膜3感应到，产生两路信号传递至ASIC芯片9。由于麦克风100包括了上述差分MEMS芯片10的所有实施例的全部技术方案，因此，至少具有上述全部技术方案带来的所有有益效果，在此不在一一赘述。
由于本发明产生两路电信号的原理并不相同，不能像现有技术中那样直接输出两路相位相反、幅值相等的信号，因此，在一具体的实施例中，ASIC芯片9用于接收差分MEMS芯片10的两路电信号，ASIC芯片9内设置有延时电路，延时电路用于调整从差分MEMS芯片10接收的两路电信号，以使两路电信号的相位差相反，这里的相位差相反指两路电信号相位相差180°。
在另一具体的实施例中，ASIC芯片9内设置有调幅电路，调幅电路用于调整两路电信号，以使两路电信号的幅值相等。两路电信号分别连接到后端的放大器或集成电路，由于两路电信号保持一定的相位差，可通过设置于ASIC芯片9的延时电路对其中一路信号做延时处理，使两路电信号相位相差180°；通常，压电信号的幅值较小，可对一路信号做增益处理，使两路电信号幅值相等；最终使两路电信号形成幅值相等、相位相反的差分信号。
根据本发明的又一方面，本发明还提供一种电子设备，电子设备包括上述的麦克风100。由于电子设备包括了上述麦克风100的所有实施例的全部技术方案，因此，至少具有上述全部技术方案带来的所有有益效果，在此不在一一赘述。上述电子设备可以是智能便携设备或智能可穿戴设备，如智能手机、智能手表、智能手环或IPAD等。
以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围。
Claims (12)
1.一种差分MEMS芯片，其特征在于，包括衬底和均安装于所述衬底的背极板和薄膜，所述衬底形成有进音口，所述背极板形成有多个孔洞，所述薄膜形成有泄气结构，所述背极板设置于所述薄膜背离所述进音口的一侧，所述薄膜包括上下交替设置的压电层和电极层，所述电极层的数量至少为两个，所述衬底上还设置有背极焊盘和电极焊盘，所述背极焊盘与所述背极板电连接，所述电极焊盘与所述电极层电连接。
2.根据权利要求1所述的差分MEMS芯片，其特征在于，所述电极层的数量为两个，分别为上电极层和下电极层，所述上电极层面向所述背极板且与所述背极板间隔设置，所述下电极层面向所述进音口设置，所述电极焊盘包括第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘与所述上电极层电连接，所述第二焊盘与所述下电极层电连接。
3.根据权利要求1所述的差分MEMS芯片，其特征在于，所述压电层的数量为多个，多个所述压电层中位于最上面一层的压电层面向所述背极板且与所述背极板间隔设置，多个所述压电层中位于最下面一层的压电层面向所述进音口设置，两层相邻所述压电层之间均设置有所述电极层。
4.根据权利要求1所述的差分MEMS芯片，其特征在于，所述电极层的数量为三个，依次为上电极层、中电极层和下电极层，所述上电极层面向所述背极板且与所述背极板间隔设置，所述下电极层面向所述进音口设置，所述电极焊盘包括第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘与其中一个所述上电极层电连接，所述第二焊盘与其余两个所述上电极层电连接。
5.根据权利要求1所述的差分MEMS芯片，其特征在于，所述泄气结构包括贯穿所述薄膜的泄气孔。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的差分MEMS芯片，其特征在于，所述压电层为氮化铝层、锆钛酸铅层或氧化锌层。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的差分MEMS芯片，其特征在于，所述电极层为钼层、钛层、铝层或铂层。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的差分MEMS芯片，其特征在于，所述衬底包括基体和设置于所述基体上的绝缘层，所述基体形成有所述进音口，所述背极板和所述薄膜均安装于所述绝缘层。
9.一种麦克风，其特征在于，所述麦克风包括基板和罩设于所述基板的外壳，所述基板与所述外壳形成容纳腔，所述基板上形成有声孔，所述容纳腔内设置有ASIC芯片和如权利要求1～8中任一项所述的差分MEMS芯片，所述差分MEMS芯片和所述ASIC芯片信号连接，所述声孔面向所述薄膜设置。
10.根据权利要求9所述的麦克风，其特征在于，所述ASIC芯片用于接收所述差分MEMS芯片的两路电信号，所述ASIC芯片内设置有延时电路，所述延时电路用于调整所述两路电信号，以使所述两路电信号的相位差相反。
11.根据权利要求9所述的麦克风，其特征在于，所述ASIC芯片用于接收所述差分MEMS芯片的两路电信号，所述ASIC芯片内设置有调幅电路，所述调幅电路用于调整所述两路电信号，以使所述两路电信号的幅值相等。
12.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括权利要求9～11中任一项所述的麦克风。
Priority Applications (1)
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| CN202211387382.9A CN115696158A (zh) | 2022-11-07 | 2022-11-07 | 差分mems芯片、麦克风及电子设备 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114014254A (zh) * | 2021-10-29 | 2022-02-08 | 安徽奥飞声学科技有限公司 | 一种mems结构 |
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| CN117376758B (zh) * | 2023-12-07 | 2024-02-02 | 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 | 麦克风组件及电子设备 |
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