CN212064358U - 微机电系统麦克风的结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种微机电系统麦克风的结构。微机电系统麦克风的结构包括半导体基板，具有第一开口。介电层设置在所述半导体基板上，所述介电层有第二开口，对应所述第一开口。膜片设置在所述介电层的所述第二开口中，其中所述膜片的周边区域嵌入所述介电层中使被所述介电层支撑。所述膜片的中间区域有对称分布的多个第一通孔。背板层设置在所述介电层上，覆盖所述第二开口。所述背板层有多个第二通孔分布在对应所述第二开口的区域。

Description

微机电系统麦克风的结构

技术领域

本实用新型是涉及一种微机电系统技术，且特别是涉及一种微机电系统麦克风的结构。

背景技术

为了大量减小尺寸，在制造上会使用半导体制作技术来设计麦克风。微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)麦克风是电子设备中用于感测声音信号(acoustic signal)例如通信语音的常用器件。

微机电系统麦克风感测声音信号的功能是基于膜片(diaphragm)，膜片受到来自具有一定频率的声音信号的空气压力的影响，从而与声音信号的频率及振幅对应的振动。然后将声音信号转换成电信号，以用于周边电子设备中的后续应用。

膜片的性能是决定微机电系统麦克风的性能的重要因素，其理想的设计是能依照商因信号的气压变化产生振动，其允许的振幅大小会决定其灵敏度。为了使膜片有较大的振动幅度，膜片需要有预定的柔软度，也就是足够的弹性来反映出气压变化。

声音信号是通过空气传递，因此微机电系统麦克风所接收的声音信号会包含环境的空气因素，例如风的因素。当膜片的接收面例如突然接收到不属于声音信号的环境大气压时，膜片会被大的气压推动而大量弯曲，导致降低感应声音信号的能力。为了减少膜片的两面在气压不平衡而推挤膜片，通常膜片会设置一些通孔，以缓和膜片的一面在突然接收到大的气压而造成降低感应声音信号的能力。膜片上的通孔可以使膜片的两面的气压较趋于平衡。

然而，膜片上设置的通孔会影响对频率的响应。如何设计膜片上的通孔是需要考虑，以提升微机电系统麦克风的效能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种微机电系统麦克风，通过膜片上设置的通孔的设计，可以在正常操作时减小截止频率，可以感应较低频的声音，而当有突然进入的环境气压时，可以加大截止频率，而滤除较多低频的成分，此低频的成分包含突发的环境气压噪声。

为达上述目的，本实用新型的一种微机电系统麦克风的结构。微机电系统麦克风的结构包括半导体基板，具有第一开口。介电层设置在所述半导体基板上，所述介电层有第二开口，对应所述第一开口。膜片设置在所述介电层的所述第二开口中，其中所述膜片的周边区域嵌入所述介电层中使被所述介电层支撑。所述膜片的中间区域有对称分布的多个第一通孔。背板层设置在所述介电层上，覆盖所述第二开口。所述背板层有多个第二通孔分布在对应所述第二开口的区域。

在本实用新型的一实施例中，对于上述的微机电系统麦克风的结构，所述背板层包括:介电背板层；以及电极层，设置在所述介电背板层的表面。

在本实用新型的一实施例中，对于上述的微机电系统麦克风的结构，所述膜片是处于阴极电压，所述电极层是处于操作电压。

在本实用新型的一实施例中，对于上述的微机电系统麦克风的结构，所述膜片是圆形导电层，所述膜片的所述中间区域等于或小于1/3半径的区域。

在本实用新型的一实施例中，对于上述的微机电系统麦克风的结构，所述膜片的所述多个第一通孔相对中心点是中心对称分布。

在本实用新型的一实施例中，对于上述的微机电系统麦克风的结构，所述多个第一通孔的数量是四个。

在本实用新型的一实施例中，对于上述的微机电系统麦克风的结构，所述多个第一通孔，依照相对所述膜片的中心点的距离的不同，包含多层中心对称分布。

在本实用新型的一实施例中，对于上述的微机电系统麦克风的结构，所述多个第一通孔相对所述多个第二通孔是偏移的。

在本实用新型的一实施例中，对于上述的微机电系统麦克风的结构，所述膜片的所述多个第一通孔是用于在所述膜片的两面的气压平衡。

在本实用新型的一实施例中，对于上述的微机电系统麦克风的结构，所述背板层的所述多个第二通孔用以接收声音信号。

本实用新型的优点在于，通过膜片上设置的通孔的设计，可以在正常操作时减小截止频率，可以感应较低频的声音，而当有突然进入的环境气压时，可以加大截止频率，而滤除较多低频的成分，此低频的成分包含突发的环境气压噪声。

为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本实用新型的一种微机电系统麦克风的剖面结构示意图；

图2到图4是本实用新型图1的微机电系统麦克风在不同操作状态的剖面结构示意图；

图5是对应图2到图4的操作状态下，声音频率的感应示意图；

图6是本实用新型实施例的一种微机电系统麦克风的剖面结构示意图；

图7A是本实用新型实施例的膜片的平面结构示意图；

图7B是本实用新型实施例的背板层的平面结构示意图；

图8到图10是本实用新型图6的微机电系统麦克风在不同操作状态的剖面结构示意图；以及

图11是本实用新型实施例，对应图8到图10的操作状态下，声音频率的感应示意图。

附图标记说明

20:基板

25:开口

30:介电层

32、32a、32b:膜片

34:通孔

36:介电背板层

38:通孔

42:电极层

50、50a、50b:膜片

具体实施方式

在本实用新型的微机电系统麦克风中，其用于感应声音信号的膜片设置有用于平衡膜片两边气压用的通孔。通孔的位置是设置在膜片的中间区域。膜片在此中间区域有最大的振幅，其在一般操作状态下可以减少感应频率的截止频率，增加低频成分的感应。又如果微机电系统麦克风突然受到大的环境气压例如风压时，可以增加截止频率，以较有效滤除低频成分的噪声。

以下举一些实施例来说明，但是本实用新型不限于所举的多个实施例。所举的多个实施例之间也允许有可能的适当结合。

本实用新型先对一般的微机电系统麦克风进行探究，以期能提升微机电系统麦克风的功能。经过本实用新型的探究后观察到感应声音信号的膜片，在一般的设计架构下，其对于环境气压的阻抗能力可以通过本实用新型提出的膜片结构，提升对低频成份的声音信号的感应，同时也具有排除低频成份的噪声的能力。

图1是依照本实用新型的一种微机电系统麦克风的剖面结构示意图。参阅图1，本实用新型先对一般的微机电系统麦克风进行探究如下。

微机电系统麦克风一般包括半导体的基板20。基板20有开口25当作声音的腔室。基板20上设置有介电层30。介电层30也有一开口对应基板20的开口25。在介电层30的开口中设置有一膜片32。膜片32的周边区域是嵌入介电层30的侧壁中，如此介电层30支撑膜片32。

在介电层30上还设置有背板层，包括介电背板层36以及电极层42。电极层42与膜片32之间构成感应电容器。背板层的介电背板层36以及电极层42设置有多个通孔38以接收声音信号。声音信号是通过空气传递的声波信号，会对膜片32依照气压的大小与频率产生振动。

膜片32的振动会改变电极层42与膜片32之间的电容值。通过电容值的变化可以将声波形式的声音信号转换成电性信号。

于此，膜片32的位置是微机电系统麦克风没有施加电压的状态，因此膜片32是处于自然的状态。微机电系统麦克风启动时会施加一操作电压给电极层42而膜片32维持在阴极压，例如是的电压。由于操作电压的施加，停止状态的膜片32会被些微吸引而成为膜片32a的基础状态。声音信号会在膜片32a的状态下依照声波的大小与频率振动。

如果微机电系统麦克风突然遭受到大的环境气压，例如大的风压时，膜片32会被单面推压。如果环境气压过大，除了影响声音感测，其也可能会使膜片32破裂。如此，膜片32在周围的区域会设置通孔34。在一般方式，膜片32的通孔34是设置周围，不属于声音感测的主要区域。

图2到图4是依照本实用新型图1的在不同操作状态的剖面结构示意图。本实用新型探究图1的微机电系统麦克风的操作机制。参阅图2，其是图1的膜片32在周边设置有通孔34的结构。膜片32在没有施加操作电压时处于自然的机械状态，例如膜片32是平坦的状态。

声音从介电背板层36的通孔38被接收后，沿着膜片32到达膜片32的通孔34，进入到膜片32的另一面，其后也进入基板20的开口25。此声音从通孔38到通孔34的路径，依序会有声阻Rv、声阻Rg1、声阻Rm。以整体声阻Rvent代表声阻Rv、声阻Rg1、声阻Rm的总合，其与所产生的截止频率fo的关系如数学式(1)表示：

由于微机电系统麦克风一般还会与应用电路一并封装，且由一个帽盖保护，Cbv是整体的寄生电容值。从数学式(1)的关系可以看出截止频率fo与整体声阻Rvent的关系是反比的关系。截止频率fo是指感应灵敏度低于可以感应的一个临界值所对应的频率。频率低于截止频率fo的信号不能正确感应。

图5是对应图2到图4的操作状态下，声音频率的感应示意图。同时参阅图2与图5，对声音的感应灵敏度S相对声音的频率，其如曲线fg1的变化，在低频的区域，其感应灵敏度S会下降。曲线fg1是微机电系统麦克风没有施加操作电压的状态，其当作比较的参考值。

参阅图3与图5，当微机电系统麦克风施加电压启动时，因为电极层42与膜片32之间的电场吸引，膜片32会往上提升到膜片32a的位置，而较接近于介电背板层36，其如图1所描述。由于膜片32较接近于介电背板层36，其产生的声阻Rg2变大，其感应灵敏度S随频率的化如曲线fg2。从低频区域的变化来看，曲线fg2在感应临界值的截止频率会小于曲线fg1的截止频率。

然而由于膜片32的边缘位置是被介电层30固定，声阻Rg2不会大量减小，因此曲线fg2在低频区域虽然可以从曲线fg1缩减，但是缩减程度容不是明显。

参阅图4与图5，当微机电系统麦克风施加电压操作时，例如突然接受到大的环境气压，例如大风吹入微机电系统麦克风，其会对膜片32向下推离，使得膜片32b处于高度弯曲的状态离开介电背板层36。感应灵敏度S依照曲线fg3随着频率变化。声阻Rg3会因为膜片32b的推离而变小，其依照数学式(1)的关系，截止频率变大。截止频率变大的效果是可以滤除低频信号的成分。例如风气流所产生的噪声是趋于低频。

综合观察图1到图5的微机电系统麦克风的结构以及感应灵敏度S的变化，本实用新型提出对膜片32的修改，以期能加大截止频率相对加大分离的程度。也就是，在正常操作时，截止频率可以较大的缩小，可以增加低频成分的感应。在突然收到大的环境气压时，截止频率可以较大的增加，如此排除低频成分的感应，其也就是在此状态下可以有效滤除低频成分。

图6是依照本实用新型实施例的一种微机电系统麦克风的剖面结构示意图。参阅图6，其与图1的差异是膜片50、50a的不同，微机电系统麦克风的其它构件，包括基板20、开口25、介电层30、介电背板层36、电极层42及通孔38可以参考图1的描述，于此不再描述。

以下描述膜片50、50a的结构。膜片50是处于没有施加操作电压的状态，膜片50是处于没施加操作电压的操作状态。在一实施例，膜片50的通孔52例如是设置在膜片50的中间区域。如果膜片50是以圆片为例，中间区域例如是等于或小于1/3半径的区域，但是不以此为限。膜片50的通孔52与介电背板层36的通孔38之间例如是偏移错开。

图7A是依照本实用新型实施例的膜片的平面结构示意图。参阅图6与图7A，膜片50例如是圆片状，在中间区域有多个通孔52，其相对膜片50的圆心点例如是对称。另一个方式来看，依照相对圆心点的距离例如是圆形对称。在图7A的实施例以四个通孔52为例，但是不限于此。通孔52例如也可以分布成多圈，每一圈的通孔52的数量依实际需要配置。

膜片50的心区域会有最大的弯曲幅度，因此产生的声阻Rg2、Rg3的变化量相对较大，可以使操作状态更有效对应不同环境对应调整截止频率，其会如后面图8～图10的描述。

图7B是依照本实用新型实施例的背板层的平面结构示意图。参阅图6与图7B，背板层在膜片50的上方，包括介电背板层36、电极层42及通孔38。介电背板层36覆盖膜片50构成感应电容器。

图8到图10是依照本实用新型图6的微机电系统麦克风在不同操作状态的剖面结构示意图。图11是依照本实用新型实施例，对应图8到图10的操作状态下，声音频率的感应示意图。参阅图8以及配合参阅图6与图11，在尚未施加操作电压给电极层42与膜片50的状态下，膜片50与电极层42或是介电背板层36之间的距离d1，其是结构的自然机械状态。此时如图2的描述，膜片50与介电背板层36之间包含声阻Rm、声阻Rg1及声阻Rv。

此时的感应灵敏度S随着声音频率的变化，如由声阻Rg1所产生的曲线fg1所描述，当作参考曲线，感应灵敏度S在低频区域会开始下降，感应灵敏度S在临界值的频率定义为截止频率。

参阅图9以及配合参阅图6与图11，当微机电系统麦克风施加操作电压启动时，膜片50被电极层42的吸引而缩小成距离d2。依照弹性特性，膜片50的中间区域会有较大的移动距离，因此区域的距离d2会比如图2的周边区域的距离小，因此声阻Rg2较大。如曲线fg2的截止频率也因此减小，其表示可以增加低频成分的感应。

参阅图10以及配合参阅图6与图11，当微机电系统麦克风施加操作电压启动时但是突然遭受大的环境气压时，膜片50被往另一方向推离，而在中间区域的推离相对较大，因此声阻Rg3有相对较大。如曲线fg3的截止频率也因此增大，其表示可以减少更多低频成分的感应。由于例如风气流的噪声一般是处于低频的范围，当截止频率加大时，可以排除低频噪声的感应，但是维持较高频的声音信号的感应。

从图11的曲线fg2与曲线fg3相对于参考的曲线fg1来看，其相对于图5的情形可以更有效加大截止频率的分离。从效果来看，在正常操作的感应时可以感应更多低频成分的信号。当遭受环境气流时，相对可以排除更多低频成分的信号，其很可能包含环境气流所产生的低频噪声。

综上所述，本实用新型的微机电系统麦克风所采用的膜片，其气压平衡用的通孔的位置是设置在膜片的中间区域。膜片在此中间区域有较大的弯曲幅度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种微机电系统麦克风的结构，其特征在于，该微机电系统麦克风的结构包括：

半导体基板，具有第一开口；

介电层，设置在所述半导体基板上，所述介电层有第二开口，对应所述第一开口；

膜片，在所述介电层的所述第二开口中，其中所述膜片的周边区域嵌入所述介电层中使被所述介电层支撑，其中所述膜片的中间区域有对称分布的多个第一通孔；以及

背板层，设置在所述介电层上，覆盖所述第二开口，其中所述背板层有多个第二通孔分布在对应所述第二开口的区域。

2.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风的结构，其特征在于，所述背板层包括:

介电背板层；以及

电极层，设置在所述介电背板层的表面。

3.根据权利要求2所述的微机电系统麦克风的结构，其特征在于，所述膜片是处于阴极电压，所述电极层是处于操作电压。

4.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风的结构，其特征在于，所述膜片是圆形导电层，所述膜片的所述中间区域等于或小于1/3半径的区域。

5.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风的结构，其特征在于，所述膜片的所述多个第一通孔相对中心点是中心对称分布。

6.根据权利要求5所述的微机电系统麦克风的结构，其特征在于，所述多个第一通孔的数量是四个。

7.根据权利要求5所述的微机电系统麦克风的结构，其特征在于，所述多个第一通孔，依照相对所述膜片的中心点的距离的不同，包含多层中心对称分布。

8.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风的结构，其特征在于，所述多个第一通孔相对所述多个第二通孔是偏移的。

9.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风的结构，其特征在于，所述膜片的所述多个第一通孔是用于在所述膜片的两面的气压平衡。

10.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风的结构，其特征在于，所述背板层的所述多个第二通孔用以接收声音信号。

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