CN117202063A - Mems传感器芯片、麦克风及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种MEMS传感器芯片、麦克风及电子设备，MEMS传感器芯片包括封装部、安装部、多个振膜和振动感知装置，所述封装部形成有安装腔，所述装部设于所述安装腔内，且相对所述封装部固定，多个所述振膜设于所述安装腔内，且在水平方向上平铺设置，各所述振膜的一端为固定端，用以连接至所述安装部，另一端为自由端，能够绕所述固定端摆动，多个所述振膜的自由端的朝向不同，所述振动感知装置设于所述安装腔内，用于感知各所述振膜的振动。利用机械耦合的原理来提升声源定位精度，使得薄膜间的振动产生了比声压差异更大的时间差和幅度差，从而增加了方向信息的可用性。

Description

MEMS传感器芯片、麦克风及电子设备

技术领域

本发明涉及麦克风技术领域，特别涉及MEMS传感器芯片、麦克风及电子设备。

背景技术

MEMS麦克风具有体积小、功耗低、一致性好、可靠性及抗干扰能力强等优势，近年来已在智能手机、平板电脑、蓝牙耳机等消费类电子产品中得到广泛应用。而为了保证良好的收音效果，麦克风往往是多个组合使用，以消费类电子产品为例，随着产品的不断更新换代，多个麦克风间距逐渐减小，这种间距导致麦克风接收到的声压差异非常小，不足以用来判断声源的方向，影响了最终的表现效果。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种MEMS传感器芯片、麦克风及电子设备，旨在提升对声源定位的精度，增加了方向信息的可用性。

为实现上述目的，本发明提出一种MEMS传感器芯片，包括：

封装部，所述封装部形成有安装腔；

安装部，设于所述安装腔内，且相对所述封装部固定；

多个振膜，设于所述安装腔内，且在水平方向上平铺设置，各所述振膜的一端为固定端，用以连接至所述安装部，另一端为自由端，能够绕所述固定端摆动，多个所述振膜的自由端的朝向不同；以及，

振动感知装置，设于所述安装腔内，用于感知各所述振膜的振动。

可选地，所述安装部包括两个安装轴，两个所述安装轴其中之一沿第一水平方向延伸，另一沿第二水平方向延伸，所述第一水平方向和所述第二水平方向呈相交设置；

多个所述振膜形成两个振膜组，各所述振膜组包括两个振膜，两个所述振膜的固定端连接对应的所述安装轴相对的两侧，自由端朝背向彼此的方向延伸。

可选地，在至少一所述振膜组中，两个所述振膜呈相对设置或者错位设置。

可选地，多个所述振膜呈错位设置，或者，

其中两个所述振膜相对设置。

可选地，至少部分所述振膜在水平方向的尺寸不同。

可选地，所述振动感知装置包括：

多个叉指电容，设于所述安装腔内，且相对所述封装部固定；以及，

多个叉指部，设于对应的所述振膜的自由端或者侧部，与多个所述叉指电容对应配合，各所述叉指部用以在随对应的所述振膜摆动时与对应的所述叉指电容产生相对位移。

可选地，各所述振膜的周侧对应设置多个所述叉指部。

可选地，所述安装部、多个所述振膜一体成型；和/或，

各所述振膜通过间隔排布的多个筋条连接所述安装部。

可选地，各所述振膜的自由端能够朝背向所述安装部的方向在上下向倾斜设置。

本发明还提出一种麦克风，包括上述的MEMS传感器芯片。

本发明还提出一种电子设备，包括上述的麦克风。

可选地，所述麦克风设置多个。

本发明的技术方案中，多个振膜的自由端的朝向不同，从而能够对应不同的方向，保证对于声波的接收，各振膜的固定端连接至安装部，自由端呈悬空在所述安装腔内，能够随着声波沿垂直于振膜的方向上振动，也就是振膜的自由端绕固定端摆动，而振动感知装置能够感知到振膜的振动，将对应的感知信号转化为电信号通过连接的集成电路进行处理，从而实现了声音的定向性，该结构形式中，利用机械耦合的原理来提升声源定位精度，使得薄膜间的振动产生了比声压差异更大的时间差和幅度差，从而增加了方向信息的可用性。从而改善了现有的结构布置中由于多个麦克风间距减小导致的接收到的声压差小不容易判断声源方向的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，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为本发明提供的MEMS传感器芯片第一实施例的示意图；

图2为本发明提供的MEMS传感器芯片第二实施例的局部示意图；

图3为本发明提供的MEMS传感器芯片第三实施例的局部示意图；

图4为本发明提供的MEMS传感器芯片的受力分析示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	MEMS传感器芯片	22	自由端
1	安装部	31	叉指电容
				11	安装轴	32	叉指部
2	振膜	4	筋条
				21	固定端

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，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例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态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，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“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。另外，各个实施例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。

市面上的大部分产品通常采用多个全向麦克风的阵列来实现声音的定向选择，并且这些麦克风很难将需要的语音与不需要的背景噪声完全隔离，提供的性能往往比较有限。并且，采用麦克风阵列的代价是需要更大的体积、更高的能耗以及设计的复杂性。而软件方面针对音频处理的能力也有所限制，不能尽善尽美地滤去噪声，保留所需的声音信号。而定向MEMS麦克风的出现，则从硬件层面上根本消除了不必要的噪声。从源头上不拾取无关方向的噪音，其具有高度定向拾音模式，可显著降低背景噪声和混响，能够高保真的隔离用户声音。同时也大大缩小了封装的体积、降低了能耗和简化了阵列的设计。

目前的定向麦克风主要通过封装和仿生学振膜两种方式实现。定向麦克风表现出一种被称为接近效应的现象。当声源靠近方向麦克风时会发生接近效应，表现为低频灵敏度的增加。通过封装实现前后位置的声音路径差，以此实现定向的效果。当声音分别从不同入射角与振膜接触时，由于角度不同，两片振膜会有不同的振动情况，振幅的差异取决于声音的入射角，接着通过薄膜边缘连接的插值电容将振动信号转化为电信号，进一步在连接的ASIC电路(专用集成电路)中进行处理，这种方法突破性地从麦克风自身结构实现了声音的定向性。

鉴于此，本发明提供一种MEMS传感器芯片、麦克风及电子设备，旨在提升对声源定位的精度，增加了方向信息的可用性。图1至图3为本发明提供的MEMS传感器芯片的实施例。

请参照图1至图2，MEMS传感器芯片100包括封装部(图示未画出)、安装部1、多个振膜2和振动感知装置，所述封装部形成有安装腔，所述装部设于所述安装腔内，且相对所述封装部固定，多个所述振膜2设于所述安装腔内，且在水平方向上平铺设置，各所述振膜2的一端为固定端21，用以连接至所述安装部1，另一端为自由端22，能够绕所述固定端21摆动，多个所述振膜2的自由端22的朝向不同，所述振动感知装置设于所述安装腔内，用于感知各所述振膜2的振动。

本发明的技术方案中，多个振膜2的自由端22的朝向不同，从而能够对应不同的方向，保证对于声波的接收，各振膜2的固定端21连接至安装部1，自由端22呈悬空在所述安装腔内，能够随着声波沿垂直于振膜2的方向上振动，也就是振膜2的自由端22绕固定端21摆动，而振动感知装置能够感知到振膜2的振动，将对应的感知信号转化为电信号通过连接的集成电路进行处理，从而实现了声音的定向性，该结构形式中，利用机械耦合的原理来提升声源定位精度，使得薄膜间的振动产生了比声压差异更大的时间差和幅度差，从而增加了方向信息的可用性。从而改善了现有的结构布置中由于多个麦克风间距减小导致的接收到的声压差小不容易判断声源方向的情况。

具体的，当声音分别从不同入射角与处在不同方向上的振膜2接触时，由于角度不同，多个振膜2会有不同的振动情况，振幅的差异取决于声音的入射角，各振膜2的振动在被振动感知装置感知后形成振动信号，并转化为电信号，进一步在连接的专用集成电路中进行处理，从而根据自身结构实现了声音的定向性。

应当理解的是，所述安装部1起到机械连接的作用，其具体的结构形式和外形不做限制，在一个实施例中，所述安装部1包括两个安装轴11，两个所述安装轴11其中之一沿第一水平方向延伸，另一沿第二水平方向延伸，所述第一水平方向和所述第二水平方向呈相交设置，多个所述振膜2形成两个振膜组，各所述振膜组包括两个振膜2，两个所述振膜2的固定端21连接对应的所述安装轴11相对的两侧，自由端22朝背向彼此的方向延伸，所述安装部1通过延伸方向不同的两个安装轴11进行方向的转折，从而适应不同排布位置和不同朝向的振膜2。

应当理解的是的，两个所述安装轴11可以拼接为一体。例如通过插接或者粘接的方式，也可以是一体成型的，对应的，两个所述安装轴11可以拼接得到“L”形结构或者“T”形结构。在其他实施例中，所述安装部1也可以包括三个甚至四个安装轴11，即对应的安装部1还可以是“U”形或者其他规则或者不规则的外形，本发明对此不做限制。

进一步的，本发明不限制多个所述振膜2的排布方式，在一个实施例中，多个所述振膜2呈错位设置，当所述安装部1由两个安装轴11组成时，在至少一所述振膜组中，两个所述振膜2呈错位设置，也可以是每个安装轴11上对应的多个振膜2均沿其延伸方向错位布置。在其他实施例中，其中两个所述振膜2相对设置，即对应相对方位的两个振膜2可以呈对称设置，当所述安装部1由两个安装轴11组成时，在至少一所述振膜组中，两个所述振膜2呈相对设置。例如，每个安装轴11上具有朝向相反方向延伸的两个振膜2，两个振膜2对称设置，即其中一个安装轴11上对称设置两个朝向左右方向的振膜2，另一个安装轴11上对称设置两个朝向前后方向的振膜2。除此之外，还可以设置位于其中一个安装轴11上的所述振膜组中的两个振膜2相对设置，位于另一个安装轴11的所述振膜组中的两个振膜2呈错位设置。均能够实现相应的功能。

应当理解的是，上文所述的错位即两个相邻的振膜2为非对称形式，可以是完全错开，也可以是在同一方向的投影局部交叠。

优选设置四个振膜2，从而对应四周的方向，当然，振膜2的数量也可以设置为更多，例如6个、8个等。对应进行合理的排布即可，本发明对此不作详细说明。

需要说明的是，在本发明的实施例中，各振膜2的大小和厚度一致，应当理解的是，在其他实施例中，可以设置至少部分所述振膜2在水平方向的尺寸不同。例如长度不同、或者宽度不同、又或者长宽均不同。根据麦克风的使用工况，可以合理的将对于声波感知更多的振膜2设置的较其他振膜的外部尺寸更大，从而具有更大的声波接收面积。

本发明不限制所述振动感知装置的具体结构形式，例如可以通过叉指式电容配合或者背极板形式的电容，当设置为背极板形式的电容，如图3所示，安装部1和振膜2配合，背极板对应处在沿振膜2厚度方向的一侧。在图1至2所示的实施例中，所述振动感知装置包括多个叉指电容31和多个叉指部32，多个叉指电容31设于所述安装腔内，且相对所述封装部固定，多个叉指部32设于对应的所述振膜2的自由端22或者侧部，与多个所述叉指电容31对应配合，各所述叉指部32用以在随对应的所述振膜2摆动时与对应的所述叉指电容31产生相对位移，从而产生电荷变化。叉指式的配合形式，即叉指电容31与所述安装部1相对固定，在振膜2摆动时叉指部32在叉指电容31的配合缝隙中活动，从而产生电荷变化。叉指电容31将振动信号转化为电信号，进一步在连接的专用集成电路中进行处理。

具体的，叉指电容是利用图案化电极板和空气介质构成一对电容。当叉指电容与被测对象相互接近时，由于介质的相对介电常数不同，导致电容值发生变化，从而实现非接触测量。在其他实施例中，也可以应用非电容式的方式进行感知获取相应的信号，例如通过传感器等形式进行感知和信号传递。

应当理解的是，优选在所述振膜2的自由端22处设置所述叉指部32，在其他实施例中，各所述振膜2的周侧对应设置多个所述叉指部32。可以在所述振膜2处连接所述安装部1的一侧以外的其余三个侧边均设置叉指部32，还可以在所述振膜2相邻的两个侧边设置叉指部32，应当理解的是，每个叉指部32应当与一个叉指电容31对应，叉指部32的位置并不会影响其对振动信号的检测。

需要说明的是，由于各所述振膜2的长度和宽度可能不同，因此，对应的叉指电容31的尺寸可能存在差异，同时，所述叉指部32可以为在所述振膜2对应的侧边均匀排布的多个叉指，也可以是仅在所述振膜2对应的侧边的局部设置的多个叉指。

进一步的，本实施例中，所述安装部1、多个所述振膜2一体成型，即通过一个裸硅片进行加工得到。当设置叉指部32时，所述安装部1、多个所述振膜2和多个所述叉指部32一体成型。在其他实施例中，各所述振膜2也可以通过插装或者粘接的方式连接至所述安装部1上，本发明对此不作详细说明。

为了提高所述振膜2的振动敏感度，各所述振膜2通过间隔排布的多个筋条4连接所述安装部1。这种连接方式能够在保证连接关系的同时削弱连接强度，从而为自由端22的摆动提供更好效果。摆动幅度相较于板式直接连接的方式摆动幅度更大，更容易被感知。

在本实施例中，安装部1、振膜2和叉指部32的加工方式如下：

在裸硅片上进行第一次深反应离子刻蚀，在其中部区域形成一系列约3um宽、30um深的沟槽，相邻两个沟槽之间形成筋条4，相邻两列沟槽之间限定出安装部1，接着，在裸硅片上进行第二次深反应离子刻蚀，在其边缘位置形成一系列约3um宽，5um深的沟槽，以用于后续形成薄膜沿着周长排布的多个叉指；接着，在1100℃的环境下，在硅片表面(包括沟槽内)会形成一层1um厚的热氧化膜；然后通过580℃下低压化学气相沉积(LPCVD)在热氧化膜上沉积一层磷掺杂硅，这层硅接着会通过1100℃下同时在氩气环境中退火形成多晶硅，接着在多晶硅上进行图形化和平坦化；对薄膜周围进行刻蚀形成狭缝，从而形成并排且独立的叉指，此时薄膜仅通过中间的筋条4连接支撑；通过第三次深反应离子刻蚀对整个硅片从背面刻蚀，刻蚀停止在1100℃的环境下生长的热氧化膜处；最后使用缓冲氢氟酸去除氧化层，得到完成品。

需要说明的是，本发明不限制所述封装部的具体结构形式和封装工艺。

进一步的，各所述振膜2的自由端22能够朝背向所述安装部1的方向在上下向倾斜设置。应当理解的是，由于多个所述振膜2的朝向不同，倾斜设置后其对应的状态可能不同，例如，在第一水平方向相对的两个振膜2均朝下倾斜，组合形成“︿”形结构，声波从上方入射，又或者，在第一水平方向相对的两个振膜2均朝上倾斜，组合形成“V”形结构，声波从下方入射。

应当理解的是，振膜2的自由端22悬空，因此其本身会有自然状态受到重力而具有倾斜趋势。

具体的，当各所述振膜2是倾斜设置时，对应的叉指电容31与各所述振膜2的自由端22的高度相对，即此时叉指电容31可能低于所述安装部1设置。

以附图1的实施例为例进行该产品的振动分析的计算说明。在声音入射时，沿第一水平方向设置的两个振膜2分别受到垂直于水平方向的施加力F1和F2，其受力分析参照图4，另外两个振膜2分别受到垂直于水平方向的施加力F3和F4。

基于两个在第一水平方向对称的振膜2，t为鼓膜桥，Kt、Ct是由于耦合膜不同于Ks、Cs进行的重命名。θ1和θ2为两个振膜2摆动的角度，θ1和θ2增大，振膜2自身的弹力Ks被压缩。位移量很小，可使用小角度近似：sinθ→θ，使用极坐标进行分析。

施加力F1、F2，振膜2的自由端22产生向上的恢复力：

根据牛顿第二定律：

进行简单变换：

由于两振膜2的质量相等，m1＝m2＝m，可将方程列为矩阵形式：

基础公式补充：

X＝Lθ

F＝T/L

L²m＝I

转动惯量+阻尼+劲度系数＝力矩，将基础公式代入，得到惯性力和力矩之间的关系：

对于本设计所示的四个振膜2的结构，数值关系为：

K₁＝K₂＝K₃＝K₄

C₁＝C₂＝C₃＝C₄

K_t1，2＝K_t3，4＝K_t

则有：

m₁＝m₂＝m₃＝m₄＝m

写为力矩公式：

记V1、V2为偏置电压，C1、C2为隔膜和固定电极之间的电容，I为围绕旋转轴的质量惯性矩，kt为等效扭转刚度，Ct为等效扭转阻尼常数，M为围绕旋转轴的声场施加的力矩，声压引起隔膜的小旋转为δ，则有：

那么δ与应用力矩M之间的传递函数为：

根据前面对力矩的计算，就可以得到旋转角度与声压方向与薄膜夹角之间的关系。

本发明还提供一种麦克风，包括上述的MEMS传感器芯片100，所述麦克风包括上述的MEMS传感器芯片100的全部技术特征，因此，也具有上述全部技术特征带来的技术效果，此处不再一一赘述。

本发明还提供一种电子设备，包括上述的麦克风，所述电子设备包括上述的麦克风的全部技术特征，因此，也具有上述全部技术特征带来的技术效果，此处不再一一赘述。具体的，该电子设备可以是包括计算机领域的笔记本、平板电脑(ipad)、台式电脑以及各种外设；也可以包括网络通信领域的手机、电话以及其它各种终端和局端设备；也可以包括消费电子领域的智能穿戴设备，例如智能手表、蓝牙耳机等数码产品；还可以包括汽车导航仪、行车记录仪等具有语音交互功能的设备。

应当理解的是，根据实际设计，所述电子设备上可能设置一个麦克风，也可能设置多个麦克风，本发明对此不做限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，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内。

Claims (11)

1.一种MEMS传感器芯片，其特征在于，包括：

封装部，所述封装部形成有安装腔；

安装部，设于所述安装腔内，且相对所述封装部固定；

多个振膜，设于所述安装腔内，且在水平方向上平铺设置，各所述振膜的一端为固定端，用以连接至所述安装部，另一端为自由端，能够绕所述固定端摆动，多个所述振膜的自由端的朝向不同；以及，

振动感知装置，设于所述安装腔内，用于感知各所述振膜的振动。

2.如权利要求1所述的MEMS传感器芯片，其特征在于，所述安装部包括两个安装轴，两个所述安装轴其中之一沿第一水平方向延伸，另一沿第二水平方向延伸，所述第一水平方向和所述第二水平方向呈相交设置；

多个所述振膜形成两个振膜组，各所述振膜组包括两个振膜，两个所述振膜的固定端连接对应的所述安装轴相对的两侧，自由端朝背向彼此的方向延伸。

3.如权利要求2所述的MEMS传感器芯片，其特征在于，在至少一所述振膜组中，两个所述振膜呈相对设置或者错位设置。

4.如权利要求1所述的MEMS传感器芯片，其特征在于，多个所述振膜呈错位设置，或者，

其中两个所述振膜相对设置。

5.如权利要求1所述的MEMS传感器芯片，其特征在于，至少部分所述振膜在水平方向的尺寸不同。

6.如权利要求1所述的MEMS传感器芯片，其特征在于，所述振动感知装置包括：

多个叉指电容，设于所述安装腔内，且相对所述封装部固定；以及，

多个叉指部，设于对应的所述振膜的自由端或者侧部，与多个所述叉指电容对应配合，各所述叉指部用以在随对应的所述振膜摆动时与对应的所述叉指电容产生相对位移。

7.如权利要求6所述的MEMS传感器芯片，其特征在于，各所述振膜的周侧对应设置多个所述叉指部。

8.如权利要求1所述的MEMS传感器芯片，其特征在于，所述安装部、多个所述振膜一体成型；和/或，

各所述振膜通过间隔排布的多个筋条连接所述安装部。

9.如权利要求1所述的MEMS传感器芯片，其特征在于，各所述振膜的自由端能够朝背向所述安装部的方向在上下向倾斜设置。

10.一种麦克风，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的MEMS传感器芯片。

11.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求10所述的麦克风。