CN204697293U - 一种硅电容麦克风 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种硅电容麦克风，其包括基底、背极和振膜，其中该振膜上设有至少一个敏感单元，敏感单元的形状为N边形，敏感单元包含N个锚区、N个超静定梁结构、2N个开槽、N个过渡区和N个自由振膜区；N个锚区分别设置在N边形的顶角处；每个超静定梁结构均包括一第一端和一第二端，每个超静定梁结构的两侧均设有一个开槽，开槽的宽度为0.1～10微米；过渡区设置在相邻的超静定梁结构的第二端之间；自由振膜区设置在相邻的超静定梁结构连线的外侧，自由振膜区通过过渡区和开槽与超静定梁结构相连；超静定梁结构的刚度随工作声压级升高而单调增加；过渡区的刚度在140dB以下声压级范围内随工作声压级变化的范围小于5％。

Description

一种硅电容麦克风

技术领域

本实用新型涉及一种硅电容麦克风，特别是一种使用超静定梁结构，从而能够避免麦克风在较大声压级下发生非线性失真的硅电容麦克风。

背景技术

微机电(MEMS micro-electro-mechanical system)麦克风或称硅电容麦克风因其体积小、适于表面贴装等优点而被广泛用于平板电子装置的声音采集，例如：手机、MP3、录音笔和监听器材等。相关技术中，硅电容麦克风包括敏感结构(亦称换能器)、配套集成电路和封装部件，敏感结构又包括基底、背极板和振膜。其中，硅电容麦克风在使用过程中的一个较为普遍的可靠性要求是需要避免由于大气流通过而造成的敏感结构失效；此外，硅电容麦克风性能改进的一个重要方向是麦克风不但在低声压级输入时能正常工作，在较高声压级输入时也能正确响应声压信号而不失真。目前以94dB声压级作为标准，认为这个声压级输入下的麦克风响应表征其灵敏度，而普遍认为120dB以下为硅电容麦克风的工作范围，例如市场上的主流数字麦克风即以94dB下响应-26dB FS作为标准灵敏度，以120dB对应其电路饱和输出；另一方面，目前市场上要求更高的声压级范围，但现阶段以人耳普遍能接受的上限140dB为限。

造成麦克风在较大声压级下发生非线性失真的因素有三个，分别为麦克风结构大尺度运动的力学非线性、运动量到电容量转换的非线性和电容量到电压量转换的饱和非线性。具体来说，第一项为力学意义上，结构在受到较大载荷时由于运动幅度大，受到的静电力与电容极板实际距离的平方成反比，非线性作用明显；第二项为传感器工作原理上，由于电容值为与硅电容麦克风的名义电容间隙与膜片运动的距离之差成反比，运动量参数在分母上，在运动值较大，特别是与名义电容间隙可比时，会引入显著的非线性模型；第三项为硅电容麦克风配套电路上，受输出电压范围所限，在灵敏度参数固定时，输出电压范围上限也约束了硅电容麦克风能输出的最大声压级。

传统的麦克风一般通过改善封装工艺来避免麦克风在较大声压级下发生非线性失真。如中国专利CN1545822和CN203225887，分别在封装结构中采用制作小密闭腔增加机械阻力和制作保护件缓冲结构的方式来使麦克风在较大声压级下工作时避免失真。但是，小密闭腔和保护件缓冲结构会使麦克风在平常工作时信号也被衰减，降低了麦克风的性能。

此外，中国专利CN103338427和CN203368750，分别在硅电容麦克风结构上设置泄压单元和两个信号部来保证大气流下不损坏和不同高低的声压下结构能正常工作。然而，在硅电容麦克风上设置泄压单元会导致其对低频声学信号不敏感，降低了麦克风的性能；在硅电容麦克风上设置两个信号部会使两个信号部都不能占用全部的传感器空间来实现更高的性能，同样降低了麦克风的性能。

发明内容

本实用新型提供了一种可工作在高声压级下的硅电容麦克风，能在现有工艺水平下保证硅电容麦克风的灵敏度、线性度、信噪比等性能指标和生产成本、环境适应性均维持在当前水平，并提高其不失真工作的最高声压级。

为了达到上述目的，本实用新型公开了一种硅电容麦克风，其包括基底、背极和振膜，其中所述振膜上设有至少一个敏感单元，所述敏感单元的形状为N边形，所述敏感单元包含N个锚区、N个超静定梁结构、2N个开槽、N个过渡区和N个自由振膜区，其中，N个锚区分别设置在N边形的顶角处；每个所述超静定梁结构均包括一第一端和一第二端，第一端连接到其中一个锚区上，第二端延伸至N边形的中心点位置处，每个超静定梁结构的两侧均设有一个开槽，所述开槽的宽度为0.1～10微米；所述过渡区设置在相邻的超静定梁结构的第二端之间；所述自由振膜区设置在相邻的超静定梁结构连线的外侧，所述自由振膜区通过过渡区和开槽与超静定梁结构相连，所述超静定梁结构的刚度随工作声压级升高而单调增加，所述过渡区的刚度在140dB以下声压级范围内随工作声压级变化的范围小于5％。

为了达到上述目的，本实用新型还公开了另一种硅电容麦克风，包括基底、背极和振膜，所述振膜上设有至少一个敏感单元，所述敏感单元的形状为N边形，所述敏感单元包含N个锚区、N个超静定梁结构、2N个开槽、N个过渡区和N个自由振膜区，其中，N个锚区分别设置在N边形的顶角处；所述超静定梁结构连接在相邻的两个锚区之间；所述开槽设置在所述超静定梁结构的内侧并与该处的N边形的边平行，所述开槽的长度为该处N边形边长的一半，宽度为0.1～10微米；所述过渡区设置在位于同一条N边形的边内侧的两个开槽之间；所述自由振膜区设置在相邻但不平行于同一条N边形的边的两个开槽的内侧，所述自由振膜区通过所述过渡区和所述开槽与所述超静定梁结构相连；所述超静定梁结构的刚度随工作声压级升高而单调增加；所述过渡区的刚度在140dB以下声压级范围内随工作声压级变化的范围小于5％。

为了解决麦克风在较大声压级下发生非线性失真的问题，考虑实际工作时的声压级与压强转换关系，94dB声压级相当于1Pa压强，120dB约相当于20Pa压强，而140dB声压级约相当于200Pa压强，而一般意义下的大气流冲击是指0.1MPa以上。一般麦克风使用的声压级以120dB为上限即可，但目前市场上对于较高声压级的要求达到了140dB。

为了满足麦克风对于较高声压级的要求，本实用新型提供的硅电容麦克风中设置了锚区、超静定梁结构、开槽、过渡区和自由振膜区的组合结构，可以通过超静定梁结构使得振膜的刚度随着声压级升高而增加，即在200Pa以内的范围，使敏感结构的灵敏度随着负载升高而降低，这就使得敏感结构在200Pa范围内的运动幅度减小，从而使得前述造成麦克风在较大声压级下发生非线性失真的三个不利因素都被抑制；将开槽宽度设置在0.1～10微米范围内是为了减少硅电容麦克风在140dB以下正常工作时的低频灵敏度损失；将超静定梁结构的刚度设置为随工作声压级升高而增加，并使过渡区的刚度在140dB以下范围内相对稳定，一方面是为了保证其正常工作，另一方面是为了在振膜受到较大气流冲击时，由于过渡区的刚度没有显著增加，可以通过过渡区和自由振膜区的额外变形来减缓冲击力。

优选的硅电容麦克风，其中所述锚区在超静定梁结构末端与基底之间形成固定约束。与在超静定梁结构末端与背极之间形成固定约束比较而言，在超静定梁结构末端与基底之间形成固定约束能够使得基底刚性更大，更适于在加工时控制应力和超静定结构的预置形变，故为本实用新型的一种优选方案。

优选的硅电容麦克风，其中所述过渡区在94dB声压下的刚度大于所述超静定梁结构在94dB声压下刚度的10倍。这是为了使硅电容麦克风在普通声压级输入时主要由超静定梁结构决定其灵敏度等性能指标，相比之下自由振膜区域几乎可视为刚性的过渡区，一同在普通声压级下运动，几乎不影响正常工作时麦克风的工作形态，从而保证了其灵敏度等性能指标不变。

优选的硅电容麦克风，其中所述超静定梁结构在140dB声压下的刚度大于其在94dB声压下的2倍。如前文所述，造成麦克风在较大声压级下发生非线性失真的因素包括麦克风结构大尺度运动的力学非线性、运动量到电容量转换的传感器非线性和电容量到电压量转换的电路饱和非线性，通过设置超静定梁结构，需要至少达到将刚度在140dB下优化2倍即6dB的技术效果，才足够在设置硅电容麦克风其他环节时得到充分的设计裕量来优化其他性能指标。

优选的硅电容麦克风，其中每一超静定梁结构的刚度随工作声压级升级而单调增加的关系曲线各不相同。这样可以在将各敏感单元串并联加减平均工作时通过组合其不同的关系曲线，获得一个更平缓或更陡峭的关系曲线，提高设置的自由度。

优选的硅电容麦克风，其中当所述振膜受到0.1MPa负载时，所述自由振膜区的末端相对锚区之间发生的位移大于所述超静定梁结构与过渡区相接处相对锚区发生的位移的2倍。这是为了通过尽量大的自由振膜位移换取获取足够的缓冲，从而避免振膜在大气流冲击下损坏。

优选的硅电容麦克风，敏感单元的形状为正三角形、正四边形或正六边形。

由于采用上述技术方案，本实用新型实现了以下有益效是：在现有的封装、工艺水平、成本等要素不变的前提下，设置了超静定梁结构与自由振膜区，能够保证硅电容麦克风在普通声压级工作时各项性能指标不变，还实现了硅电容麦克风在高声压级时降灵敏度工作和大气流冲击时缓冲保护，从而维持硅电容麦克风的灵敏度、线性度、信噪比等性能指标和环境适应性指标不变，且通过保证结构加工方法与通用的敏感结构制备方法兼容，使其成本也维持在当前水平，这样通过提高硅电容麦克风不失真工作的最大声压级，拓宽了产品的应用范围，提高了产品的市场竞争力。

附图说明

图1为本实用新型提供的硅电容麦克风中的敏感单元的局部剖视示意图；

图2A为本实用新型一个优选实施例的敏感单元形状为正三角形时的俯视示意图；

图2B为本实用新型另一个优选实施例的敏感单元形状为正三角形时的俯视示意图；

图3为本实用新型另一优选实施例的敏感单元形状为正四边形时的俯视示意图；

图4为本实用新型又一优选实施例的敏感单元形状为正六边形时的俯视示意图。

附图标记说明：0-锚区；1-超静定梁结构；2-开槽；3-过渡区；4-自由振膜区；301～303-锚区；311～313-超静定梁结构；321～323-开槽；331～333-过渡区；341～343-自由振膜区；401～404-锚区；411～414-超静定梁结构；421～424-开槽；431～434-过渡区；441～444-自由振膜区。

具体实施方式

本实用新型提供了一种硅电容麦克风，在兼容现有通用工艺水平的基础上，通过将超静定梁结构应用到敏感结构上，与过渡区和自由振膜区域共同构成能够在普通声压级下正常工作，高声压级下降灵敏度工作，大气流冲击下缓冲保护的新型结构，从而在保证硅电容麦克风成本和性能指标基本不变的基础上显著提高其可靠性。下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型提供的硅电容麦克风中的敏感单元的局部剖视示意图。如图1所示，敏感单元包含两个锚区0、两个超静定梁结构1、两个开槽2、一过渡区3和一自由振膜区4，两述锚区0分别设置在敏感单元的其中一端；两个开槽2分别位于每一超静定梁结构1与自由振膜区4之间，超静定梁结构1的其中一端连接到锚区0，另一端通过过渡区3连到自由振膜区4上。在120dB(20Pa)以下普通声压级输入时，振膜包括自由振膜区4在内均按0-1-3-3-1-0曲线变化，在受到120dB～140dB(20～200Pa)较大声压级输入时，这个曲线由于超静定梁结构1的刚度增加，变化程度以低于声压级升高的速度缓慢增加。但在受到0.1MPa以上大气流输入时，超静定梁结构1的刚度将增加到远超过过渡区3的刚度，此时由于自由振膜区域4的面积最为主要，也承担了主要的气流压力载荷，将主要由过渡区3和自由振膜区域4提供变形以起缓冲作用。

图2A为本实用新型一个优选实施例的敏感单元形状为正三角形时的俯视示意图，图2B为本实用新型另一个优选实施例的敏感单元形状为正三角形时的俯视示意图；如图所示，锚区为301～303，超静定梁结构为311～313，开槽为321～323，过渡区为331～333，自由振膜区为341～343。在受到120dB以下声压级输入时，由于过渡区331～333的刚度较高，自由振膜区341～343和过渡区331～333的运动均主要由超静定梁结构311～313决定。在受到120dB～140dB(20～200Pa)较大声压级输入时，由于超静定梁结构311～313的刚度增加，自由振膜区341～343在声压激励下的振动幅度以低于声压级升高的速度缓慢增加。但在受到0.1MPa以上大气流输入时，超静定梁结构311～313的刚度将增加到远超过过渡区331～333的刚度，此时由于自由振膜区域341～343的面积最为主要，也承担了主要的气流压力载荷，将主要由过渡区331～333和自由振膜区域341～343提供变形以起缓冲作用，此时开槽321～323会由于过渡区331～333和自由振膜区域341～343的变形，与超静定梁结构311～313的平面存在剪刀状断面，这样可以起到缓释冲击气流的效果。

图3为本实用新型另一优选实施例的敏感单元形状为正四边形时的俯视示意图，如图所示，锚区为401～404，超静定梁结构为411～414，开槽为421～424，过渡区为431～434，自由振膜区为441～444。其工作原理与图2所示实施例类似，但由于过渡区没有设置在自由振膜区441～444的中心，在实际设置时需注意自由振膜区441～444本身的刚度与过渡区为431～434的刚度的对比关系。

图4为本实用新型又一优选实施例的敏感单元形状为正六边形时的俯视示意图，其中，锚区、超静定梁结构、开槽、过渡区和自由振膜区的设置与图2、图3类似，在此不再赘述。显然，敏感单元也可以为正八边形等其他形状。可以将多个敏感单元相组合，以取得更平滑或更陡峭的声压级-刚度曲线，也可以仅使用一个单元来获取引线等结构设置便利。

本实用新型实现了以下有益效是：在现有的封装、工艺水平、成本等要素不变的前提下，设置了超静定梁结构与自由振膜区，能够保证硅电容麦克风在普通声压级工作时各项性能指标不变，还实现了硅电容麦克风在高声压级时降灵敏度工作和大气流冲击时缓冲保护，从而维持硅电容麦克风的灵敏度、线性度、信噪比等性能指标和环境适应性指标不变，且通过保证结构加工方法与通用的敏感结构制备方法兼容使其成本也维持在当前水平，这样通过提高硅电容麦克风不失真工作的最大声压级，拓宽了产品的应用范围，提高了产品的市场竞争力。

此外，说明书和权利要求书中的术语“前”，“后”，“顶”，“底”，“上”，“下”等(如果存在)用于说明性目的且不一定用于描述永久的相对位置。可以理解的是如此使用的术语可在适当情况下互换，使得本文所述的本实用新型的实施例能够在不同于上述或本文中所述的方向的其他方向上进行操作。

以上对本实用新型的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种硅电容麦克风，包括基底、背极和振膜，其特征在于：所述振膜上设有至少一个敏感单元，所述敏感单元的形状为N边形，所述敏感单元包含N个锚区、N个超静定梁结构、2N个开槽、N个过渡区和N个自由振膜区，其中，

N个锚区分别设置在N边形的顶角处；

每个所述超静定梁结构均包括一第一端和一第二端，第一端连接到其中一个锚区上，第二端延伸至N边形的中心点位置处，每个超静定梁结构的两侧均设有一个开槽，所述开槽的宽度为0.1～10微米；

所述过渡区设置在相邻的超静定梁结构的第二端之间；

所述自由振膜区设置在相邻的超静定梁结构连线的外侧，所述自由振膜区通过所述过渡区和所述开槽与所述超静定梁结构相连；

所述超静定梁结构的刚度随工作声压级升高而单调增加；

所述过渡区的刚度在140dB以下声压级范围内随工作声压级变化的范围小于5％。

2.根据权利要求1所述的硅电容麦克风，其特征在于，所述锚区在超静定梁结构末端与基底之间形成固定约束。

3.根据权利要求1所述的硅电容麦克风，其特征在于，所述过渡区在94dB声压下的刚度大于所述超静定梁结构在94dB声压下刚度的10倍。

4.根据权利要求1所述的硅电容麦克风，其特征在于，所述超静定梁结构在140dB声压下的刚度大于其在94dB声压下的刚度的2倍。

5.根据权利要求1所述的硅电容麦克风，其特征在于，每一超静定梁结构的刚度随工作声压级升级而单调增加的关系曲线各不相同。

6.根据权利要求1所述的硅电容麦克风，其特征在于，当所述振膜受到0.1MPa负载时，所述自由振膜区的末端相对所述锚区之间发生的位移大于所述超静定梁结构与所述过渡区相接处相对所述锚区发生的位移的2倍。

7.根据权利要求1所述的硅电容麦克风，其特征在于，所述敏感单元的形状为正三角形、正四边形或正六边形。

8.一种硅电容麦克风，包括基底、背极和振膜，其特征在于：所述振膜上设有至少一个敏感单元，所述敏感单元的形状为N边形，所述敏感单元包含N个锚区、N个超静定梁结构、2N个开槽、N个过渡区和N个自由振膜区，其中，

N个锚区分别设置在N边形的顶角处；

所述超静定梁结构连接在相邻的两个锚区之间；

所述开槽设置在所述超静定梁结构的内侧并与该处的N边形的边平行，所述开槽的长度为该处N边形边长的一半，宽度为0.1～10微米；

所述过渡区设置在位于同一条N边形的边内侧的两个开槽之间；

所述自由振膜区设置在相邻但不平行于同一条N边形的边的两个开槽的内侧，所述自由振膜区通过所述过渡区和所述开槽与所述超静定梁结构相连；

所述超静定梁结构的刚度随工作声压级升高而单调增加；

所述过渡区的刚度在140dB以下声压级范围内随工作声压级变化的范围小于5％。

9.根据权利要求8所述的硅电容麦克风，其特征在于：

所述锚区在超静定梁结构末端与基底之间形成固定约束；

所述过渡区在94dB声压下的刚度大于所述超静定梁结构在94dB声压下刚度的10倍；

所述超静定梁结构在140dB声压下的刚度大于其在94dB声压下的刚度的2倍；

每一超静定梁结构的刚度随工作声压级升级而单调增加的关系曲线各不相同；

当所述振膜受到0.1MPa负载时，所述自由振膜区的末端相对所述锚区之间发生的位移大于所述超静定梁结构与所述过渡区相接处相对所述锚区发生的位移的2倍。

10.根据权利要求8所述的硅电容麦克风，其特征在于，所述敏感单元的形状为正三角形、正四边形或正六边形。