CN1802039A - 麦克风组件 - Google Patents

Abstract

一种麦克风组件，包括有外壳，在该外壳中设置有转换器元件。在外壳中，限定了一个上室和一个下室，下室在转换器元件的至少一个边缘延伸，并可能延伸到转换器元件的上侧。提供一种元件，诸如是马蹄形的元件或圆形元件，用于将转换器元件的上侧分隔成上室和下室。通过使用挠性固定装置来固定转换器元件，并在转换器元件的一侧或多侧提供空间，以吸收外壳和转换器元件的热膨胀和收缩。

Description

麦克风组件

技术领域

本发明涉及一种麦克风组件，更具体而言涉及一种具有在外壳内部固定小型转换器元件的新颖方式的麦克风组件，以及一种具有将外壳内部的空间分成两个室的新颖方式的麦克风组件。

背景技术

在麦克风组件中，正如在WO 00/62580和US 5740261中的说明和叙述，硅转换器元件具有精密地适合外壳内部大小的尺寸，并且在它的边缘处硅转换元件粘合到外壳。通过硅转换器元件的这种配置，转换器元件将外壳的内部空间划分为两个室，一个前室和一个后室。这种应用情况下所用的粘合剂是刚性的和基本上非柔性的。

本发明涉及这种麦克风组件的至少两个显著的改进。由于已经发现，通过允许后室在小型转换器元件的一部分外围边缘表面的周围延伸以及在转换器元件的前侧周围延伸，以新颖的方式安装小型转换器元件有利于使后室的容积可能增加。这就有利于麦克风机壳或外壳的内部容积更有效地被利用。该组件更大的后容积将为麦克风组件带来更佳的噪声性能。而且，较小的前容积可以在远离可以听到的频率区间之外保持转换器部件的高频响应。

此外，已经发现转换器元件和外壳的热膨胀和收缩可能是不相同的，以致如果在转换器元件和外壳之间没有提供空间，转换器元件可能受到损伤或破坏结果功能受到损害或改变。

发明内容

在第一方面，本发明涉及一种麦克风组件，包括：

麦克风外壳，该麦克风外壳包括内表面并具有在其中设置的小型转换器元件，该小型转换器元件被第一和第二相对设置的外表面和外围边缘表面限定范围，小型转换器元件包括一个压敏部分，和

第一内室，该第一内室由小型转换器元件的第二外表面和麦克风外壳的内表面来确定界限，

其特征在于，第一内室在小型转换器元件的一部分外围边缘表面的周围延伸。

在本权利要求和说明书中，术语“小型转换器元件”是指小的转换器元件，诸如在振膜和背板之间具有1-20μm距离或更优选的具有1-10μm，诸如1-5μm距离的转换器元件，和/或在振膜平面中具有小于4.0mm×4.0mm，诸如小于3.5mm×3.5mm或者甚至更优选的小于3.0mm×3.0mm的延长部分的转换器元件。可替换地或附加地，小型转换器元件包括所谓的基于MEMS的转换器元件，该转换器元件全部或至少部分地是用Micro Mechanical SystemTechnology(微机械系统技术)制造的。小型转换器元件可以包括与导电和/或绝缘材料结合的半导体材料，该半导体材料诸如是硅或砷化镓，该绝缘材料诸如是氮化硅，多晶硅，二氧化硅和玻璃。可替换地，该小型转换器元件可以包括选择与类似玻璃和/或二氧化硅的绝缘材料相结合的、诸如铝、铜等唯一的导电材料。

通常，外壳的内空间和内表面可以具有任意的大小和形状，这取决于它的实际应用。为了在现有产品中使用，它的形状可以按要求来固定，即使诸如转换器元件的其它元件可以制作成小于迄今为止的元件。在优选的实施例中，为了使该组件能够用作现有技术组件的插入替换，而使用现有的外壳。那么在获得本发明的优点的同时，就可以重复使用已有的工具。

一般地，转换器元件具有正方形截面，将提供四个边缘。然而，这仅仅是普通的方法，并不是在任何情况下的要求。

与现有技术相比较，对于相同固定的内部容积来说，第一室可以制作得更大，该第一室通常被称为麦克风组件的后室或后容积，这是由于可以使用在转换器元件侧边的空间。在固定形状的外壳中这可以通过使转换器元件更小(至少在尺寸上)来获得，或者可以通过改变外壳的尺寸来获得。

一般地，压敏元件的一侧被连接到声音入口。优选地，这是在转换器元件的第一侧。然后，第一室最好通过在转换器元件第二侧的压敏部分的另一侧来确定界限。

在这个连接中，“由...确定界限”是指有关表面参与了组合限定所讨论的室的表面。另外的表面可以参与该室的限定，诸如在室中存在的部件或电子设备的表面。

优选地，该部件还包括连接装置，该连接装置适于将小型转换器元件的第一外表面连接到麦克风外壳的内表面，以便保持在其间的接合。这一点在下文中将变得清晰，该连接装置优选是挠性的，诸如包含一层挠性粘结剂。

在一个实施例中，小型转换器元件的第一外表面通过使用在其间插入的挠性粘结剂来邻接麦克风外壳的内表面。这样，在第一表面和内表面之间不需要浪费空间。该挠性粘结剂可以具有可忽略的层厚度。

在优选的实施例中，优选地，在小型转换器元件的外围边缘表面部分与内表面之间存在至少50-1000μm的距离。与转换器元件相比，这个间隔可以为外壳的热膨胀/收缩提供空间，以便当温度改变时对转换器元件和外壳不会产生应力。此外，这个距离可以提供增加第一室容积的空间。可替换地，这个空间可以用弹性材料来填充，以在其边缘上提供声绝缘和/或在外壳内部固定转换器元件。在这个实施例中，事实上，在小型转换器元件的外围边缘表面的至少两部分中的每一个部分与内表面之间可以存在至少50-1000μm的最小距离。这样，通过转换器元件的多个侧边就可以提供这个优点。而且，这可以用于吸收尺寸的变化和增加第一室的容积。

在另一个优选实施例中，第一内室在转换器元件的第一表面的一部分上延伸。这样，第一室可以制作的更大。

然后，第一室不仅延伸到转换器元件的侧面，而且延伸到它的其它侧。使用这种方式，不仅通过在外壳内移动转换器元件，而且通过限定该室在其上延伸的第一表面的该部分，可以改变第一室的容积。这在转换器元件的定位和尺寸上给予更多自由度。

一般地，提供一个第二室，该第二室连接压敏元件和声音入口。

分隔第一室和第二室的隔层的这种定位很新颖，且具有很多优点。首先，它在第一室和第二室的容积限定上提供更大自由度，以及为在麦克风外壳内定位转换器元件提供更大自由度。

其次，它有利于对于第一室在转换器元件的一个或多个侧增加空间，以及有利于吸收在转换器元件边缘处外壳和转换器元件之间尺寸变化的可能性。事实上，它有利于将第一表面划分成包含第一和第二室中的部分/区域。

在这种连接中，应当注意到，可以将第二室的容积选择成非常小。不再需要这个室具有全部转换器元件尺寸的截面区域。事实上，正如将在下文中变得更加清楚的，第二室的容积可以被选择为具有只与声音入口或压敏部分的截面相对应的截面，也就是降至小于1mm³，诸如小于1/2mm³的总容积。

在一个实施例中，连接装置在压敏部分的平面中具有马蹄形截面或圆形截面。在这个连接中，圆形截面可以被形成闭合曲线，诸如正方形、三角形、椭圆形或任何其它的闭合形状的任何截面代替。马蹄形/圆在该平面中在其外围内或沿着其外围，包括压敏部分和声音入口。马蹄形/圆在其外围内限定第二室，它的外围限定了一个确定第一室边界的表面。

在这种情况下，优选地，连接装置包括在第一内室和第二麦克风内室之间的声密封件，第二室在小型转换器元件的压敏部分上方延伸，并且被声耦合到麦克风外壳的声音入口。这种声密封避免至少通过可以听到的频率范围的振膜两侧的短路。

在另一种情况下，对小型转换器元件进行设置，以便声音入口和压敏部分在压敏部分的平面中重叠，其中连接装置在该平面中环绕声音入口和压敏部分。当连接装置在该平面中具有诸如环形的截面，该环在该平面中包围声音入口和压敏部分时，这就可以实现这一点。这样，连接装置形成空心、闭合形状或元件，它们可以是圆形、环形、椭圆形、正方形或任何其它形状。而且，连接装置在它的外围之内具有第二室，它的外周边限定了一个确定第一室边界的表面。

根据本发明上述实施例的变型，可以在麦克风外壳内彼此邻近地放置多个半导体转换器元件如2-4个元件，并声连接到共同的声音入口。在具有分隔的振膜和背板部分的共同的半导体衬底中，可以有利地制造多个硅转换器元件。

通常，麦克风组件最好还包括基本上圆形的通气孔或开口，该通气孔或开口声连接压敏元件的第一侧与压敏元件的另一侧，该通气孔或开口具有在3μm和100μm之间的直径，诸如在3μm和30μm之间，或者甚至更好的是在3和20μm之间。这个小或窄的通道或通气孔可以用作直流补偿，或者用作平衡压敏部分的第一和第二表面两边的直流压差。这种压差可能是由于周围环境中的压力变化(垂直移动)或温度变化而产生的。

在优选的实施例中，转换器元件是用硅制造的基于MEMS的转换器元件。这种类型的转换器元件可以展示一种高于常规转换器元件的高频响应的高频响应。对于这种基于MEMS类型的转换器元件，可以期望将第二室保持非常小-或者甚至尽可能的小-以避免由于与第二容积和/或入口有关的影响声音的质量而使高谐响应下降至可以听见的频率区域。因此，本发明特别适合于这种类型的元件。

通常，本麦克风组件还可以包括一个或多个电气设备或电子元件，它们电连接到小型转换器元件。这些元件将通常设置在第一内室中，这是由于这一般是最大的。然而，人们发现将这些东西放置在第二内室中也有好处，这是由于这将进一步增加第一内室的有效尺寸。

如上所述，期望该连接装置也确定在外壳内两个室的边界。这样，通过这个元件能够处理两个功能。

连接装置可以是挠性的。这样，固定装置将既能够将转换器元件固定在外壳中，也能够容纳麦克风组件的多个元件的热膨胀或收缩。这本文中，“挠性”是指至多65诸如是小于50或小于40的肖氏(Shore)A硬度。

附图说明

下面将参照附图来叙述优选实施例，其中：

图1描述了本发明第一实施例的剪切视图，

图2描述了本发明第二实施例的剪切视图，和

图3描述了在外壳内固定转换器元件的两种其它方法，

图4描述了本发明的第三实施例，和

图5描述了本发明的第四实施例。

具体实施方式

图1描述了根据本发明的麦克风组件的第一实施例。该麦克风组件包括金属材料或者具有金属涂层的塑料的外壳或外罩1。声音入口或引入端口2允许声音进入并激励设置在外壳1中的硅转换器元件4的振膜7。

在本发明的该实施例中，硅转换器元件4具有每个边长相等为3.1mm的矩形形状。外壳的内侧壁具有3.3mm的长度，这允许硅转换器元件4能够设置在外壳1的内部，且其三个自由边缘部分不与外壳1的相应的相对的内侧壁部分的实体接触，以便有效地将在硅转换器元件4上方并沿着它的外围边缘部分延伸的外壳容积通过声音耦合到后容积或后室9。

根据本发明上述实施例的变型，可以在麦克风的外壳内彼此邻近地设置多个半导体转换器元件如2-4个元件，它们被声连接到共同的声音引入端口。在共同半导体衬底中可以有利地制造多个这种硅转换器元件。半导体衬底上具有不同的振膜和背板部分。

在外壳1内设置一个集成电路5，该外壳1屏蔽电路5免受外部电场/磁场的影响。集成电路5优选地包括ASIC，它可以包括高阻抗和低噪声的前置放大器和其它的电路，诸如A/D转换器和直流偏压电路，以便提供在硅转换器元件4的振膜7和背板(未显示)之间的偏压。集成电路5优选地通过引线接合被连接到硅转换器元件4。通过外部的可接近的终端6提供从集成电路5到外壳1外部的电连接，该可接近的终端6诸如是焊块(solder bump)等。

硅转换器元件4使用这种方式固定在外壳1内部，以便邻接马蹄形元件3，该马蹄形元件3有利地可以包括具有挠性的弹性材料，诸如由ConsolidatedPolymer Technologies公司制造的C-flex产品编号No.170-306-301。这个马蹄形元件或构件3用来分隔振膜7的上侧和下侧，以使进入外壳1的声音基本上被限制在振膜7的上侧。而且，转换器元件4通过元件3邻接/接合到外壳1上。

在本发明的另一个实施例中，马蹄形元件3作为单独的金属元件提供，或者与外壳1的内金属侧壁整体形成，并使用可固化的介电挠性凝胶将其粘结到硅转换器元件4，该可固化的介电挠性凝胶诸如是由Dow Corning制造的产品编号No.3-6679电介质凝胶。

其它可替换的粘合剂是由Dow Corning制造的产品No3145 RTV粘结密封剂。可以对粘合剂进行处理，以便在经过7天25摄氏度的固化之后具有肖氏A硬度大约为33。然而另一个比较适合的粘合剂是Dow Corning的硅酮粘合剂Q5-8401，它在经过固化之后具有肖氏A硬度为61。

在马蹄形元件3和硅转换器元件4之间作用挠性互连层或连接层，能够补偿或吸收在硅转换器元件4和外壳1之间的热膨胀系数的差异。

因此，外壳1的内容积被划分为两个分开的室：一个前容积8和一个下空间或后容积9。前容积将声音入口2连接到振膜7的一侧，后容积通过马蹄形元件3和硅转换器元件4的配合作用被连接到振膜7的另一侧。

在这种情况下，在其中具有入口2的表面处，转换器元件4邻接外壳1(或关闭在其间的任何开口)，以便防止在与蹄形开口处声音经过在外壳1和转换器元件4之间的开口到达侧42。

转换器元件4具有在图1中面朝上的第一表面41和面朝下的第二表面42。可以看到马蹄形元件3易于实现从声音入口2到振膜7上侧的声音传输，同时避免了从声音入口2到转换器元件4的第二表面42的声音传输，以及避免从声音入口2到位于元件3外部的第一表面41的部分的声音传输。因此，后室9有效地在转换器元件4的一个或多个外围边缘部分44的周围，以及在它第一表面41上延伸进入后室9的上容积88中。

元件3当然可以具有除了在这个示意性实施例中使用的马蹄形形状之外的许多其它形状，诸如矩形，圆形，直线形或任何任意的形状。

与承受温度变化的麦克风组件的改进性能相关联，将在下文进一步叙述在边缘侧44和外壳1之间的距离的另一个优点。该温度变化可能引起元件4的应力和故障。

在后室9和前容积8之间提供一个小的声通道(未表示)，以便均衡其间的静压力差。这个通道可以通过转换器元件4和/或通过振膜7来提供，并且可以包括具有在3μm和100μm之间直径的圆孔。

图2表示了另一个实施例，它也包括外壳1、声音入口2、转换器元件4，和密封、固定和/或分隔元件3。该声音入口2现在被直接设置在振膜7的上方，固定和/或分隔元件3现在与振膜7和开口2的形状或圆周相适应。

可以看到，前容积8现在比第一实施例中的前容积更小，后容积9更大，这是由于它覆盖了元件4的第一、上表面41的更大部分。元件3的厚度可以非常小，因此前容积8几乎被最小化。事实上，可以去除元件3，将元件4直接坐靠在外壳壁上。这样，提供的前容积8仅是朝向振膜7和实际入口2的在元件4中的任何开口。在该实施例中，后容积9不是延伸到侧41，而是仅仅沿着元件4的一个或多个侧边44。

元件3的整体功能是划分前容积8和后容积9，以便可以使后容积9较大，前容积8较小。而且，元件3可以被用来元件4固定在外壳1内。

这样，元件3可以是实体元件，诸如外壳1的壁的一部分或一个粘合剂层，转换器元件4可以被固定到该实体元件上。

可替换地，可以使用挠性非粘合剂的构件，诸如由橡胶或硅酮制成的构件。这个构件可以适用于接合或夹持外壳1和转换器元件4，以便执行分隔和固定任务。

在图3中看到表示夹持这种可以是非粘合剂元件的两个实施例，其中实施例A具有挠性非粘合元件3，它通过在朝向振膜7的开口71内的摩擦与转换器元件4接合。可替换地，元件4可以被粘结到元件3。元件3通过使用粘结层10被粘结到外壳1。

在实施例B中，挠性元件3还是具有与转换器元件4中开口71的摩擦接合。而且，元件3的形状是一种易于实现在声音入口2的边缘21周围夹持的形状，因此为了完成分隔和固定任务不需要粘合剂。

当麦克风组件的温度发生变化时，可以看到元件3的另一个潜在功能。

一般地，外壳是由诸如钢的金属制成，或者是使用涂有导电性介质或物质的塑料材料制成。然而，优选地，转换器元件4至少一部分是由硅制成，因此外壳1和转换器元件4的热膨胀系数是不同的。这样，温度变化将引起在外壳1和转换器元件4之间尺寸变化的差异。除非考虑到这些变化，否则可能在转换器元件中导致应力和故障。

在图1的实施例中，显然，如果转换器元件4粘接到外壳1的所有四侧上，将导致应力。这个应力可以引起转换器元件4断裂，麦克风组件将不再工作。

在图1-3中可以看到对这个问题的解决办法，其中密封元件3是有弹性或挠性的，并且还将转换器元件4固定在外壳1内。

此外，在这些实施例中，在外壳1和元件4的至少大部分侧边44之间提供空间，一个部分相对其它部分的热膨胀将不再是问题。

总之，在外壳1和元件4之间的距离适用于吸收尺寸的变化。

在图1中，表示了转换器元件4和外壳1的范围。外壳1的内部空间延伸距离D，转换器元件4延伸距离d。该方向是在振膜7的平面中，并一般平行于转换器元件4的侧边44，转换器元件4的侧边44通常是正方形或矩形。然而其它方向也同样适合。

可以看到，适用于吸收外壳1的任何相对收缩和/或转换器元件4的尺寸增加的整个空间是D-d。这个空间将随着不同的温度而不同，因此它应当被选择的足够大，以便确保在使用麦克风组件的整个温度区间中d＜D。此外，可以期望实际上提供更大的D，以便为所有的粘合剂在元件4和外壳1之间在该位置或沿着该方向提供空间。

在图1-3的实施例中，可以看到元件4可以通过仅仅接触它的上侧来固定。当这种接触不是沿着元件4外周边的周围时，对元件3挠性的要求可以被降低，这是由于元件3必须能够延伸的总距离区间被减少了。

通常，在所计论的所述温度区间内的D和d的总尺寸变化可以被表示为C。

在将图3的实施例与沿着元件4的周边(侧44)提供了胶粘剂等的情况相比较，可以看到这一点。在最后这种情况下，粘结剂必须能够伸展或被压缩C/2的距离，这是由于假定元件4保持在外壳的中心。

在图3的实施例中，元件3仅仅出现在元件4的长度d的一部分上。因此，元件3的总延伸或压缩值是C的一部分，这个一部分与在d和元件3在该方向上的范围之间的关系有关。如果例如振膜7具有d/2的直径，那么元件3仅仅必须可延伸或可压缩C/4。因此，与其他情况相比较可以使用较少的具有弹性/挠性的材料。

提供转换器元件4的上述方式优选地包括提供一个自带的元件4，其中这个元件将在至少其部分侧边不与机壳1相接合。而且，元件4可以仅仅在元件4一个表面处固定并保持在麦克风外壳1内的预定位置。一个诸如硅转换器的元件4非常适合于这个目的，这是由于它可以作为自带的单元被提供。

在一个实施例中，转换器元件4包括一个基本上自带的基于MEMS的组件，该组件由转换器元件、集成电路和共同的半导体载体衬底组成，它们例如通过如US6,522,762B1中公开的覆晶接合(flip-chip bonding)进行连接。在半导体载体衬底中有利地可以提供孔，以便将自带的基于MEMS组件的内部后室通过声音耦合到麦克风外壳1的后室9。

然而，至今驻极体转换器元件有时装备有振膜，该振膜沿着其中没有固定振膜的边缘设置。这个元件按标准意义来说不是自带的元件，因此可能需要给这种类型的元件实际上提供一个附加的元件：一个将振膜固定到元件框架的装置，以便确保这种情况，即不是元件的所有侧或者元件的所有侧需要与外壳固定邻接，以保持振膜就位。

这种类型的固定装置可以是环绕元件4的侧边44的挠性或刚性带，以将振膜保持在期望的位置。

图4表示了与图1中表示的第一实施例类似的第三个实施例。在图4中，转换器还包括外壳1、转换器元件4和马蹄形元件3。然而在这个实施例中，转换器元件4相对于图1中的位置成一角度。图4中的转换器元件4仍然在其入口2处接合或密封(诸如通过接合或通过密封/粘结装置)抵靠在机壳1上。然而，马蹄形元件3在远离入口2的方向上厚度逐渐减小。这样，后室9实际上大于图1中的后室。

在图4中，在挠性或弯曲元件6’上诸如挠性PCB(单面、双面、多层)提供终端6，在PCB上安装了(覆晶安装或焊线)IC5和诸如无源(passive)的任何附加元件5’(诸如GSM电容器)。

元件6’可以自己封闭机壳1，或者可以提供盖部分10用于密封由元件6′提供的或在元件6’中的任何开口。可能需要密封元件11以确保其间完全密封。

在图4中，元件5和5’被设置在后室9中。然而，在前室8中可以替换地设置一个或多个这些元件。

图5示出了从外部观看的第四个实施例。在这个实施例中，外壳1具有盖10，盖10具有终端6并被设置在入口2处。这个盖10可以是陶瓷的单或双面PCT或多层PCB，上述的元件5和5’可以连接到陶瓷的单-双面PCT或多层PCB上，并直接电连接到终端6。

应当注意，然后可以在前室中设置元件5、5’(入口2的位置与盖10相邻接)并仍然容易地连接到终端6。

这个实施例的另一个优点是终端6的位置。可以看到这个转换器可以进行直接SMD安装。如果内部元件，元件5，5’和4，都适用于承受正常SMD安装所用的温度，这尤其如此。如果元件4例如是如上所述的硅元件，就将是这样的情况。

Claims (11)

1.一种麦克风组件，包括：

麦克风外壳，该麦克风外壳包括内表面并具有在其中设置的小型转换器元件，该小型转换器元件被第一和第二相对设置的外表面和外围边缘表面限定范围，该小型转换器元件包括一个压敏部分，和

第一内室，该第一内室由小型转换器元件的第二外表面和所述麦克风外壳的内表面来确定界限，

其特征在于，所述第一内室在小型转换器元件的一部分外围边缘表面周围延伸。

2.根据权利要求1的麦克风组件，还包括连接装置，该连接装置适于将小型转换器元件的第一外表面连接到所述麦克风外壳的内表面，该连接装置包括一层挠性粘结剂。

3.根据权利要求2的麦克风组件，其中小型转换器元件的第一外表面使用在其间插入的挠性粘结剂来邻接麦克风外壳的内表面。

4.根据权利要求1的麦克风组件，其中在所述小型转换器元件的所述一部分外围边缘表面与所述内表面之间存在至少50-1000μm的距离。

5.根据权利要求1的麦克风组件，其中在小型转换器元件的外围边缘表面的至少两部分中的每一个部分与所述内表面之间存在至少50-1000μm的最小距离。

6.根据权利要求1的麦克风组件，其中第一内室在转换器元件的第一表面的一部分的上方延伸。

7.根据权利要求6的麦克风组件，其中连接装置在压敏部分的平面中具有马蹄形的截面或圆形截面。

8.根据权利要求7的麦克风组件，其中连接装置包括在第一内室和第二麦克风内室之间的声音密封件，该第二室在小型转换器元件的压敏部分的上方延伸，并声耦合到麦克风外壳的声音入口。

9.根据权利要求8的麦克风组件，其中对小型转换器元件进行设置，以便声音入口和压敏部分在压敏部分的平面中重叠，其中连接装置在该平面中围绕该声音入口和压敏部分。

10.根据权利要求1的麦克风组件，还包括基本上圆形的通气孔或开口，该通气孔或开口将压敏元件的第一侧与压敏元件的另一侧连接起来，该通气孔或开口具有在3μm和100μm之间的直径。

11.根据权利要求1的麦克风组件，其中第二内室由麦克风外壳的内表面和至少所述小型转换器元件的包括压敏元件的第一外表面的一部分来确定界限，该麦克风组件还包括一个或多个电气设备或电子元件，该电气设备或电子元件被电连接到小型转换器元件上并设置在第二内室中。