CN1366785A

CN1366785A - 半导体驻极体电容器麦克风

Info

Publication number: CN1366785A
Application number: CN01801048A
Authority: CN
Inventors: 竹内孝信; 大林義昭; 安田護; 佐伯真一
Original assignee: Hosiden Electronics Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Hosiden Electronics Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2002-08-28
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: JP3861006B2; EP1191810A1; US6870938B2; CN1202693C; WO2001082649A1; EP1843626A2; US20020172384A1; EP1191810A4

Abstract

一种半导体驻极体电容器麦克风,包括振动膜200、其上形成必要电子电路130、固定电极110和用于在固定电极110和振动膜200之间保持预定间隔的垫片120的半导体芯片100以及用于密封半导体芯片100和振动膜200的壳体,在此结构中,固定电极110接地,振动膜200连到半导体芯片100的输入电极143。振动膜200连到输入电极143,这一连接通过与所述振动膜200以保持导电性地附着的振动膜环210接触的导电弹性盖300、在所述壳体400上形成且部分与所述弹性盖接触的中间端子412C以及作为使所述中间端子412C与所述输入电极143互连的连接媒体的焊线153来实现。

Description

半导体驻极体电容器麦克风

技术领域

本发明涉及半导体驻极体电容器麦克风。

背景技术

现有技术的这种半导体驻极体电容器麦克风大致包括半导体芯片、与半导体芯片上形成的固定电极相对的振动膜以及密封半导体芯片与振动膜的壳体。在半导体芯片上，形成有必要的电子电路，在其表面所形成的绝缘层上还形成有固定电极。半导体芯片上形成有垫片(spacer)。

振动膜附着于环状振动膜环并装配成这样的状态，从而它与固定电极通过垫片隔开预定的距离。在与固定电极相对的振动膜的一面上形成一驻极体层，该驻极体层与固定电极之间构成一电容器。

然而，上述现有技术的半导体驻极体电容器麦克风有以下问题。

即，如图12所示，由于半导体芯片上形成的固定电极110连到其输入电极(图12所示FET的栅极)且振动膜200接地，所以在固定电极110下方产生几十皮法的寄生电容C。该寄生电容C大于电容器的电容(2pF)，因而在输出中产生大的噪声，导致与现有技术的半导体驻极体电容器麦克风相比，灵敏度降低20dB的问题。

针对以上问题，本发明的一个目的是提供一种可大大改进噪声级的半导体驻极体电容器麦克风。

发明内容

依据本发明的半导体驻极体电容器麦克风包括振动膜以及其上形成有必要的电子电路、固定电极和垫片的半导体芯片，垫片以这样的结构用于在固定电极与振动膜之间给出预定间隔，从而固定电极接地，而振动膜连到半导体芯片的输入电极。

附图概述

图1是示出依据本发明一个实施例的半导体驻极体电容器麦克风的示意剖面图。

图2是示出依据本发明该实施例的半导体驻极体电容器麦克风的壳体罩被移去的状态的示意透视图。

图3是示出在依据本发明该实施例的半导体驻极体电容器麦克风中所使用的半导体芯片的示意平面图。

图4是示出半导体驻极体电容器麦克风的壳体罩和弹性盖(spring cover)的状态的示意平面图。

图5是示出依据本发明该实施例的半导体驻极体电容器麦克风的等效电路图。

图6是说明半导体驻极体电容器麦克风的一个变形的示意剖面图。

图7是示出在半导体驻极体电容器麦克风的半导体芯片上形成的输入电路和噪声消除器电路的电路图。

图8是描述噪声消除器电路的滤波器电路部分的操作的曲线，具体示出在麦克风输入信号的电平不低于麦克风的操作电压时的频率响应。

图9是描述噪声消除器电路的该滤波器电路部分的操作的曲线，具体示出在麦克风输入信号的电平低于麦克风的操作电压时的频率响应。

图10是描述噪声消除器电路的操作的图，具体示出麦克风输入信号的电平不低于麦克风的操作电压时的各种信号波形。

图11是描述噪声消除器电路的操作的图，具体示出麦克风输入信号的电平低于麦克风的操作电压时的各种信号波形。

图12是示出现有技术的半导体驻极体电容器麦克风的等效电路图。

标号说明

100 半导体芯片

110 固定电极

120 垫片

130，130’ 必要的电子电路

2 噪声消除器电路

200 振动膜

300 弹性盖

本发明的较佳实施方式

以下将参考图1-5来描述依据本发明实施例的半导体驻极体电容器麦克风。该麦克风包括振动膜200和其上形成有必要的电子电路130、固定电极110和垫片120的半导体芯片100，垫片120用于以这样的结构在固定电极110与振动膜200之间保持预定间隔，从而固定电极110连到提供接地电势的接地电极144，振动膜200连到半导体芯片100的输入电极143。

首先，半导体芯片100由硅制成，其尺寸为2.0mm×2.0mm×0.3mm。如图3中的虚线所示，通过普通方法，在半导体芯片100的周围形成必要的电子电路130，包括阻抗转换FET、放大器电路和噪声消除器电路。

如图3等所示，除了电子电路130的输入/输出电极上以外，在半导体芯片100的右表面上层叠有绝缘层(未示出)。该绝缘层是通过使用诸如浸涂法、旋涂法或喷涂法等适当的方法添加基于SiO₂的膜形成剂(TEOS)而获得的，该膜形成剂具有有机硅化合物或散布于醇或酯等有机溶剂的稳定剂。这样的绝缘层形成的厚度至少为0.1μm或更大，最好是厚度为几十微米。注意，这里通过使用浸涂法等来添加基于SiO₂的膜形成剂，可容易地形成厚度为0.1μm或更大的绝缘层。

电极包括电源电极141、输出电极142、输入电极143和接地电极144。其中，如图5所示，输入电极143连到一FET(必要电子电路130的一个元件)的栅极。

此外，在绝缘层的右表面上形成固定电极110。此固定电极110由厚度为1000左右的铝层制成，其上形成有薄的绝缘层(TiO₂)。此固定电极110通过它自己的延伸部分111连到处于接地电势的接地电极144。

此外，在绝缘层上，以此方式形成有多个(在图中为五个)垫片120从而包围固定电极110，继而这些垫片120可与振动膜200相结合来形成多个(在图中为五个)开口121。如图3等所示，此开口121在相邻垫片120之间形成空间。垫片120由聚酰亚胺树脂制成。垫片120被预设为比固定电极110厚。这是因为假设垫片120要在下述振动膜200与固定电极110之间保持预定的空间。

这里，注意垫片120通过光刻(photo-engraving)工艺来形成，这是一种用于制造半导体器件的工艺。例如，通过光刻工艺在形成聚酰亚胺膜(它是半导体器件的钝化膜)的步骤中形成垫片。

振动膜200由这样的聚合FEP膜构成，从而在其一个表面上形成有金属电极201，在其另一个表面上形成有驻极体层202。具体来所，在厚度为5-12.5μm的聚合FEP膜的右侧，把镍蒸发到500左右的厚度，以提供金属电极201。然后，通过施加电晕或施加EB，或者任何其他极化方法，使未形成金属电极201的一侧，即聚合FEP膜的背面被永久性充电，从而形成驻极体层202。

用导电环氧树脂把如此构成的振动膜200附着于环状的导电振动膜环210。然后，振动膜200的金属电极201与振动膜环210形成接触。这意味着振动膜200所附着的振动膜环210，即振动膜的不可移动部分与垫片120接触。由此，相邻垫片120之间的空间提供了开口121。这里，注意，黄铜、不锈钢等都适合于用作振动膜环210的材料。

在此振动膜200上，安装有导电金属制成的弹性盖300。弹性盖300具有在其中间形成的音孔320和从其外围悬垂(pending)的悬垂条330(见图2)。弹性盖300还具有伸出臂310。在把弹性盖300附着于一预定位置时，该臂310的尖端311与下述壳体400上形成的中间端子(terminal)412C形成接触。此外，臂310的尖端311在形成时如此弯曲而向下凸，以进一步保证其与中间端子412C接触。

此外，弹性盖300的表面被绝缘涂层(未示出)所覆盖。此外，弹性盖300的表面以此方式逐步形成，从而其水平向中间升高。这样做，从而在把罩420附着到壳体400的主体410上时，可由罩420压住弹性盖300，从而进一步把振动膜环210重重地向下压。

另一方面，壳体400包括用于密封半导体芯片100等的主体410以及用于覆盖主体410的罩420。主体410具有底座411、层叠在底座411上的大致为罩壳(casing)形状的第一框架412以及层叠在第一框架412上的大致为罩壳形状的第二框架413。底座411、第一框架412和第二框架413都由陶瓷制成。

底座411构成主体410的底部，而且是平的。此外，通过镀金等在底座411的底部和一侧上形成薄膜电极，该薄膜电极用于在电极141、142、143和144的焊接时与印刷电路板(未示出)的焊盘连接。

此外，由于要把第一框架412层叠在底座411上，所以其外观类似于底座411的外观。然而，其内部有大到足以容纳密封在壳体400中的半导体芯片100的空间。此外，在第一框架的右表面上，即即使作为主体410装配时也露出的右表面上，形成有分别与电极141、142、143和144相连的四个镀金的中间端子412A、412B、412C和412D。这些中间端子412A、412B、412C和412D与薄膜电极适当相连。

尤其是，将与固定电极110经由延伸部分111、接地电极144和焊线154相连的中间端子412D与提供底座411的背面上所形成的接地部分411A的薄膜电极相连。

此外，由于要把第二框架413层叠到第一框架412上，其外观类似于第一框架412和底座411的外观。然而，它具有的空间大于第一框架412的空间。

当把底座411、第一框架412和第二框架413彼此层叠时，中间端子412A、412B、412C和412D与适当的薄膜电极相连。此外，第一框架412内部空间与第二框架413的内部空间之间的尺寸差别使得第一框架312的右表面的部分，即其上形成端子412A、412B、412C和412D的右表面的部分大致以台阶的形状露出。

另一方面，覆盖如此构成的主体410的罩420由导电金属制成。罩420的中间形成音孔421，在罩420覆盖壳体400的主体410时，该音孔421与弹性盖300中的音孔320对准。这里，注意，虽然罩420在覆盖主体410时与弹性盖300接触，但罩420上形成的绝缘涂层防止了其间的短路。

以下将描述制造由这些元件构成的半导体驻极体电容器麦克风的过程。

首先，通过基于环氧树脂的导电粘合剂430把半导体芯片100固定于壳体400主体410的底部。在半导体芯片100上预先形成有必要的电子电路130、固定电极110、垫片120等。

通过诸如焊线151、152、153和154等连接手段，把半导体芯片100的电极141、142、143和144分别连到中间端子412A、412B、412C和412D。即，焊线151使半导体芯片100的电源电极141与中间端子412A互连，焊线152使半导体芯片100的输出端142与中间端子412B互连，焊线153使半导体芯片100的输入电极143与中间端子412C互连，焊线154使半导体芯片100的接地电极144与中间端子412D互连。

然后，固定电极110通过延伸部分111、接地电极144、焊线154及中间端子412D连到提供在底座411背面上形成的接地部分411A的薄膜电极。

接着，把振动膜200所附着的振动膜环210层叠在垫片120上，振动膜200向下。由此，垫片120可用来在固定电极110与振动膜200之间保持预定间隔，即，与垫片120的厚度一样大的间隔。

然后，把弹性盖300附着于焊线151、152、153和154所连到的半导体芯片100上。由此，振动膜200上形成的金属电极201通过振动膜210与弹性盖300电气相连。此外，弹性盖300的臂310的尖端与中间端子412C接触，从而振动膜200上形成的金属电极201通过中间端子412C与半导体芯片100的输入电极143电气相连。

当由罩420覆盖各部件所附着的主体410时，罩420中形成的音孔421与弹性盖300中形成的音孔320对准。通过这些音孔421和320，把外部声音传送到振动膜200。

接着，参考图6-11来描述半导体驻极体电容器麦克风的变形。

在半导体驻极体电容器麦克风的变形中，在半导体芯片100上形成必要的电子电路130’，它包括输入电路1(见图7)、噪声消除器电路2(见图7)、DC稳定器电源电路、A/D转换器电路以及D.S.P.电路。此变形与上述实施例的很大不同在于，这些电路，即用于处理微小级信号的输入电路1和噪声消除器电路2设置在固定电极110下方，而诸如A/D转换器电路等其他电路设置在半导体芯片100外围。在图6中，输入电路、噪声消除器电路2等由虚线132所示，A/D转换器电路等由虚线131所示。

输入电路1和噪声消除器电路2以图7所示的电路结构来实现。在图7中，V_IN与V_SS是分别连到输入电极143(振动膜200)和固定电极110(接地电极144)的输入端，通过它们把麦克风的输入信号α输入到输入电路1。

在图7中，V_DD代表电源电压，而二极管Di和连接在这些输入端之间的电流源给出了如何对麦克风进行偏置。

输入电路1是用于放大经由输入电极143输入的麦克风输入信号α的缓冲器放大器电路，它在结构上包括FET1和2以及AC放大器11。把在输入电路1处放大的麦克风输入信号α’发送到噪声消除器电路2。

噪声消除器电路2是消除麦克风输入信号α’的噪声的滤波器电路，具体来说是在麦克风输入信号α的电平小于预定值(这里，麦克风操作电压：50-100μV_O-P)时消除麦克风输入信号α’的宽频带噪声。

更具体来说，在结构上，噪声消除器电路2包括：用于接收麦克风输入信号α’的缓冲器放大器21；用于判定麦克风输入信号α的电平是否至少为麦克风操作电压的判定器电路部分24；以及用于根据判定器电路24的判定结果，以此方式消除各种频带内的麦克风输入信号α’的噪声的滤波器电路部分22，从而当麦克风输入信号α的电平至少为麦克风操作电压时消除普通频带内的噪声，否则消除包括低频带的宽频带内的噪声。

在结构上，判定器电路部分24包括：用于放大来自缓冲器放大器21的麦克风输入信号α’输出的放大器240；用于在放大时检测放大器电路240的输出信号的检测器电路241；用于对检测器电路241的输出信号进行积分的积分器电路242；用于产生依据积分器电路242的输出电压设定的基准电压的基准电压发生器电路243；以及用于把积分器电路242的输出电压与基准电压发生器电路244所产生的基准电压的幅值相比较的比较器244。

比较器244的输出信号被发送到滤波器电路122作为指示麦克风输入信号α’的电平是否至少为麦克风操作电压的判定结果。在此情况下，如果麦克风输入信号α的电平至少为麦克风的操作电压，则比较器244把输出置于电平H，否则，把输出置于电平L。

滤波器电路部分22消除包含在从缓冲器放大器21输出的麦克风输入信号α’中的噪声，该电路部分22包括在结构上级联的微分器电路221和滤波器电路222。通过滤波器电路部分22的麦克风输入信号α’作为输出电压V_OUT发送到A/D转换器电路等。

滤波器电路222具有由连接在运算放大器OP外围的RC电路(电阻器：R1和R2，电容器：C1和C2)等所确定的滤波器频率响应。微分器电路221也基本上是这样。一个不同点在于，微分器电路221的RC电路的连接关系由诸如FET等依据比较器244的输出信号而接通/断开的开关元件来切换，从而使滤波器频率响应可变。

滤波器电路部分22的滤波器频率响应整体上由微分器电路221和滤波器电路222的频率响应来确定。即，如果判定器电路部分24判定麦克风输入信号α的电平至少为麦克风的操作电压，则滤波器电路部分22提供对应于图8所示100Hz到15kHz的频带的带通滤波器，这是麦克风的普通频率响应。另一方面，如果判定器电路部分23判定麦克风输入信号α的电平小于麦克风的操作电压，则它提供对应于包括100Hz到15kHz的低频带的宽频带的滤波器。

以下参考图10和11来描述如此构成的噪声消除器电路2的操作。首先，如图10的最高部分所示，如果麦克风输入信号α的电平至少为麦克风的操作电压(50-100μV_O-P)，则从此信号输入经过约3ms的时间后，积分器电路242的输出电压超过基准电压，从而比较器244的输出从电平L变到电平H(见图10的中间部分)。

如图10的最低部分所示，由于滤波器电路部分22在比较器244的输出处于电平H时的频率响应诸如图8所示，所以只允许包含在麦克风输入信号α中的100Hz到15kHz的频带内的信号分量通过，因而消除了其他频带内的所有噪声。

另一方面，如图10的最高部分所示，如果麦克风输入信号α的电平小于麦克风的操作电压(50-100μV_O-P)，则即使在输入该信号时，积分器电路242也不把输出电压设置得高于基准电压，从而比较器244的输出保持在电平L(见图11的中间部分)。

如图11的最低部分所示，由于在比较器244的输出处于电平L时的滤波器电路部分22的频率响应，消除了包含在麦克风输入信号α’中的宽频带中的噪声。结果，与麦克风的输入信号α至少为麦克风操作电压的情况相比，把100Hz到15kHz的低频带中的噪声减少了至少20dB。

在依据本发明的半导体驻极体电容器麦克风中，把固定电极接地，并把振动膜200连到半导体芯片100的输入电极143。相应地，固定电极110用作屏蔽板，从而与现有技术的情况相反，消除了固定电极下方几十皮法的寄生电容C(见图5和12)，因而也消除了该寄生电容C引起的噪声。相应地，与现有技术的实施例相比，把灵敏度提高了20dB。

注意，半导体芯片100中的固定电极110下方的寄生电容C已消失，不需要把这部分作为死区，从而可在那里设置电子电路的一部分或整个部分。可有效地利用该死区来形成各种电子电路，而不增加半导体芯片100的尺寸，从而给出使半导体驻极体电容器麦克风小型化和性能改进的优点。

此外，在此变形中，用于处理必要电子电路130’中的微小级信号的输入电路1、噪声消除器电路2等设置在固定电极110下方，而诸如A/C转换器电路等其他电路设置在半导体芯片100外围，从而使半导体芯片本身非常紧凑。此外，噪声消除器电路2包含在必要的电子电路130’中，从而如果麦克风输入信号α的电平小于麦克风的操作电压，也可有效地消除包含在该信号中的低频带噪声。

如果噪声消除器电路2不包含在电子电路130中，则电子电路130中所产生的低频带噪声不能由滤波器消除、而被实际放大和输出，这在提高半导体驻极体电容器麦克风的S/N比方面设置了一个大的障碍。如果不特别给出信号，则结果扬声器等只能输出放大的噪声。

另一方面，通过上述变形，可有效地消除未给出信号时包含在麦克风输入信号α中的低频带噪声，从而消除所有上述问题。相应地，此变形在半导体驻极体电容器麦克风的小型化和性能提高方面非常有效。

虽然上述实施例以把焊线作为连接手段为例，但本发明不限于此，而可使用在壳体400上形成的诸如薄膜导体等任何其他手段。此外，噪声消除器电路可以是任何结构，只要它具有消除包含在通过上述输入电极输入的麦克风输入信号中的噪声的功能。

依据权利要求1的半导体驻极体电容器麦克风包括振动膜和其上形成必要的电子电路、固定电极和垫片的半导体芯片，垫片用于在固定电极与振动膜之间保持预定的间隔，其中固定电极接地，振动膜连到半导体芯片的输入电极。

相应地，如图5所示，固定电极下方不产生寄生电容，从而与现有技术的情况相比大大减少噪声电平。

此外，依据权利要求2的半导体驻极体电容器麦克风包括振动膜和其上形成必要的电子电路、固定电极和垫片的半导体芯片，垫片用于在固定电极与振动膜之间保持预定的间隔，以及包封半导体芯片和振动膜的壳体，其中固定电极接地，振动膜连到半导体芯片的输入电极，振动膜连到输入电极，这一连接通过与(振动膜以所保持的导电性附着到的)振动膜环接触的导电弹性盖、在壳体上形成并部分与弹性盖接触的中间端子以及使中间端子与输入电极互连的连接装置来实现的。

在此半导体驻极体电容器麦克风中，由于半导体芯片的输入电极与振动膜通过振动膜环、弹性盖、中间端子以及连接装置电气互连，所以不需要特地改变依据现有技术的现有布线，因而可容易地减小噪声级。

此外，依据权利要求3的半导体驻极体电容器麦克风的弹性盖附着到半导体芯片上，这是因为半导体环固定于半导体芯片上，从而有利的是，可容易地使振动膜环继而振动膜与固定电极对准。

此外，依据权利要求4的半导体驻极体电容器麦克风的垫片是使用光刻工艺形成的，因而不需要添加形成垫片的分立步骤。

此外，在依据权利要求5的半导体驻极体电容器麦克风中，在与振动膜的不可移动部分形成接触的垫片中形成至少一个开口，从而在振动膜因发送声音而振动时，在振动膜与固定电极之间的空间中可不产生压强变化。

在依据权利要求6的半导体驻极体电容器麦克风中，在固定电极下方设置必要电子电路的全部或一部分，从而使半导体芯片继而整个系统小型化。

此外，依据权利要求7的半导体驻极体电容器麦克风包括噪声消除器电路，用于消除包含在通过输入电极输入的麦克风输入信号中的噪声，从而减少噪声。

此外，依据权利要求8或9的半导体驻极体电容器麦克风使用具有如此结构的噪声消除器电路，从而在麦克风输入信号的电平不高于预定值时，噪声消除器电路可消除包含在该信号中的宽频带噪声，从而在不给出信号时减少噪声。

Claims

1.一种半导体驻极体电容器麦克风，包括：

振动膜；以及

其上形成必要的电子电路、固定电极和垫片的半导体芯片，所述垫片用于在所述固定电极与所述振动膜之间保持预定的间隔，

其特征在于所述固定电极接地，所述振动膜连到所述半导体芯片的输入电极。

2.一种半导体驻极体电容器麦克风，包括：

振动膜；

其上形成必要的电子电路、固定电极和垫片的半导体芯片，所述垫片用于在所述固定电极与所述振动膜之间保持预定的间隔；以及

用于密封半导体芯片以及振动膜的壳体，

其特征在于所述固定电极接地，所述振动膜连到所述半导体芯片的输入电极，所述振动膜连到所述输入电极，这一连接通过与所述振动膜以保持导电性地附着的振动膜环接触的导电弹性盖、在所述壳体上形成且部分与所述弹性盖接触的中间端子以及用于使所述中间端子与所述输入电极互连的连接装置来实现。

3.如权利要求2所述的半导体驻极体电容器麦克风，其特征在于所述弹性盖附着到半导体环，以把所述振动膜环固定于所述半导体芯片。

4.如权利要求1、2或3所述的半导体驻极体电容器麦克风，其特征在于所述垫片是使用光刻工艺形成的。

5.如权利要求1、2、3或4所述的半导体驻极体电容器麦克风，其特征在于在与所述振动膜的不可移动部分形成接触的所述垫片中形成至少一个开口。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述的半导体驻极体电容器麦克风，其特征在于所述必要电子电路部分或全部设置在所述固定电极下方。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的半导体驻极体电容器麦克风，其特征在于所述必要电子电路包括噪声消除器电路，用于消除包含在通过所述输入电极输入的麦克风的输入信号中的噪声。

8.如权利要求7所述的半导体驻极体电容器麦克风，其特征在于所述噪声消除器电路具有这样的结构，从而在所述麦克风输入信号的电平不高于预定值时，所述噪声消除器电路可消除包含在所述信号中的宽频带噪声。

9.如权利要求8所述的半导体驻极体电容器麦克风，其特征在于所述噪声消除器电路包括判定器电路部分以及滤波器电路部分，所述判定器电路部分用于判定所述麦克风输入信号的电平是否至少为麦克风的操作电压，所述滤波器电路部分根据所述判定器电路部分的判定结果，以此方式排除包含在所述麦克风输入信号中的噪声，从而所述滤波器电路可在所述麦克风输入信号的所述电平至少为所述麦克风的操作电压时消除普通频带噪声，否则消除包括低频带在内的宽频带噪声。