CN213126470U - 一种mems麦克风芯片和mems麦克风 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种MEMS麦克风芯片和MEMS麦克风。该MEMS麦克风芯片包括层叠设置的基板、振膜和背板，其中基板的中部设有声腔；振膜的下表面朝向基板，振膜的边缘与基板的边缘之间设有第一固定部；振膜的上表面朝向背板，振膜与背板之间通过第二固定部隔离而构成电容结构；振膜上设有排气孔和凹凸结构，排气孔的中心轴线与声腔的边缘齐平，凹凸结构在基板上的正投影位于第一固定部在基板上的正投影与声腔之间，凹凸结构包括由振膜的上表面朝向基板凹陷而形成的凹陷部，以及由振膜的下表面朝向基板凸起而形成的凸起部，凹陷部与凸起部的轴线重合。本实用新型提供的MEMS麦克风芯片扩大了振膜的振动面积，从而提高芯片的灵敏度。

Description

一种MEMS麦克风芯片和MEMS麦克风

技术领域

本实用新型涉及电子器件技术领域。更具体地，涉及一种MEMS麦克风芯片和MEMS麦克风。

背景技术

MEMS(Micro Electro Machining Systems，微机电系统)麦克风是基于MEMS技术制作的麦克风。与传统驻极体电容式麦克风(ECM)相比，MEMS麦克风具有封装体积小、可靠性高、封装便利性等特点，因此在移动终端设备中得到了广泛应用。

典型的MEMS麦克风一般包括印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)和外壳，二者结合成一个腔体；MEMS麦克风芯片和专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)芯片通过表面贴装技术(Surface Mount Technology，SMT)安装于印刷电路板上且位于腔体内。

MEMS麦克风芯片是MEMS麦克风的关键部件，其主要包括由振膜(membrane)和背板(back-plate)构成的微型电容器，能将声压变化转化为电容变化，然后由ASIC芯片将电容变化转化为电信号并进行放大。典型的MEMS麦克风芯片结构如图1所示，由下至上依次为基板100、振膜200'和背板300，其中基板100上设置有声腔101，背板300上设有若干声孔301。振膜200'上开设有排气孔203'，用以调整其两侧的气压，形成平衡。但相对于其动作幅度来说，如果振膜面积较小，将导致其灵敏度低或因非必要振动产生噪音，带来信噪比(Signal-Noise Ratio)降低等问题。此外由于排气孔203'一般对应于声腔101设置，在振膜振动时排气孔随之振动，使声学噪声加大、信噪比降低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种MEMS麦克风芯片和MEMS麦克风，该MEMS麦克风芯片的抗冲击力强，且具有良好的声学效果。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种MEMS麦克风芯片，包括：层叠设置的基板、振膜和背板，其中：基板的中部设有声腔；振膜的下表面朝向基板，且振膜的边缘与基板的边缘之间设有第一固定部；振膜的上表面朝向背板，且振膜与背板之间通过第二固定部隔离而构成电容结构；振膜上设有排气孔，排气孔的中心轴线与声腔的边缘齐平；振膜上设有凹凸结构，凹凸结构在基板上的正投影位于第一固定部在基板上的正投影与声腔之间，凹凸结构包括由振膜的上表面朝向基板凹陷而形成的凹陷部，以及由振膜的下表面朝向基板凸起而形成的凸起部，凹陷部与凸起部的轴线重合。

优选地，凸起部为柱形体结构、圆台结构或棱台结构。

优选地，凹陷部的凹陷深度与凸起部的凸起高度相等。

优选地，凸起部的凸起高度不超过第一固定部的厚度。

优选地，凸起部的凸起高度不小于第一固定部厚度的五分之四。

优选地，凸起部的凸起高度大于第一固定部的厚度，基板上设有用于容纳凸起部的端部的凹槽。

优选地，凸起部的凸起高度不低于第一固定部厚度的1.2倍。

优选地，凸起部的凸起高度不超过第一固定部厚度的2倍。

优选地，凹凸结构为多个，且多个凹凸结构环绕声腔间隔设置。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种MEMS麦克风，包括上述的MEMS麦克风芯片。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型提供的MEMS麦克风芯片，通过在振膜边缘内侧设有特定的凹凸结构，扩大了振膜的振动面积，使振膜能够振动自如，从而提高了MEMS麦克风芯片的灵敏度。

尤其是，通过在振膜上设置凹凸结构，且限定凹凸结构的尺寸，还能够提高振膜抗电学冲击和抗声压冲击能力，防止振膜破损，提高MEMS麦克风芯片的使用寿命。

此外，通过将排气孔设置在声腔边缘的正上方，且靠近凹凸结构，能够使气流贴附于声腔的侧壁和凸起部，从而降低MEMS麦克风芯片的低频噪音、提高MEMS麦克风芯片的信噪比，从而提高其声学效果。

本实用新型提供的MEMS麦克风，由于包括上述MEMS麦克风芯片，因此也具有相同或相似的优点。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出了现有MEMS麦克风芯片的截面示意图。

图2示出本实用新型一实施方式中MEMS麦克风芯片的截面示意图。

图3示出本实用新型一实施方式中MEMS麦克风芯片的局部截面示意图一。

图4示出本实用新型一实施方式中MEMS麦克风芯片的振膜发生变形时的截面示意图。

图5示出本实用新型一实施方式中MEMS麦克风芯片的局部截面示意图二。

图6示出本实用新型一实施方式中MEMS麦克风芯片的局部结构示意图。

图7示出本实用新型的另一实施方式中MEMS麦克风芯片的局部截面示意图。

图8示出本实用新型的另一实施方式中MEMS麦克风芯片的振膜发生变形时的截面示意图。

图9示出本实用新型的另一实施方式中MEMS麦克风芯片的局部结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

实施例一

如图2至图9所示，本实施例所提供的MEMS麦克风芯片，由下至上包括层叠设置的基板100、振膜200和背板300。

其中，基板100具体可以采用半导体材料制成，其具有上表面、与上表面相对应的下表面、以及贯穿上下表面的声腔101。其中声腔101可以通过体硅微加工技术等方式，形成于基板100中部区域。声腔101中部为声学共鸣区。

振膜200的下表面与基板100的上表面之间通过第一固定部201隔离。具体而言，振膜200的边缘与基板100的边缘之间设有第一固定部201。第一固定部201既可以起到支撑振膜200的作用，也可以保证基板100与振膜200之间的绝缘。

振膜200的上表面与背板300的下表面之间通过第二固定部202隔离，使层叠设置的背板300与振膜200构成平行板电容器，其中背板300与振膜200分别构成了平行板电容器的平行极板，第二固定部202的厚度即为两平行极板之间的距离。

背板300上开设有若干声孔301，外部的空气振动能够通过声孔301作用于振膜200，引起振膜200的振动和变形，从而使平行板电容器的电容值发生变化，这样就将声音的振动信号转换成电信号。

靠近振膜200的边缘设有凹凸结构，凹凸结构在基板100上的正投影位于第一固定部201在基板100上的正投影与声腔101的上方开口之间，并非位于声腔101的正上方。

以下为方便说明，将第一固定部201朝向声腔101的一侧(即自基板100的边缘指向声腔101的方向)称为“内侧”，将声腔101朝向第一固定部201的一侧称为“外侧”。按照此定义，则凹凸结构位于第一固定部201的内侧，且位于声腔101的外侧。

进一步地，凹凸结构包括由振膜200上表面朝向基板100凹陷而形成的凹陷部410，以及由振膜200下表面朝向基板100凸起而形成的凸起部420，且凹陷部410与凸起部420的轴线重合。或者说，凹凸结构是由振膜200部分区域朝向基板100方向延伸而形成。

上述MEMS麦克风芯片中，由于凹凸结构与振膜200其它区域之间的高度差异导致应力差，且凹凸结构靠近振膜200的边缘，从而扩大了振膜200的振动面积，提高了振膜200的机械性能，使得振膜200能够振动自如，从而提高了MEMS麦克风芯片的灵敏度，降低因振膜200的非必要振动所产生的噪音。

由于凸起部420朝向基板100凸起，因此，凸起部420能够有效防止振膜200过度振动，即防止振膜200的振幅过大。换言之，凸起部420实际上相当于止挡机构，用于限定振膜200的振动幅度/形变幅度，避免振膜200振动幅度过大而造成破损。并且，凸起部420还可在振膜200受到冲击时，向基板100分散冲击力，防止振膜200破损。

可以理解的是，凸起部420的凸起高度与凹陷部410的凹陷深度可以相同，也可以不同。优选地，凸起部420的凸起高度与凹陷部410的凹陷深度相同，以利于应力的释放，避免应力差过大。其中，凸起部420的凸起高度，指的是振膜200的下表面向基板100方向凸起的高度。同理，凹陷部410的凹陷深度，指的是振膜200的上表面向基板100方向凹陷的深度。

优选地，凸起部420为柱形体结构，以充分扩大振膜200的振动面积，提高振膜200的机械性能。所谓呈柱形体结构，指的是沿振膜200厚度的方向，凸起部420的纵截面呈矩形；沿平行于衬底100表面的方向，凸起部420的横截面呈多边形或圆形。进一步优选地，凸起部420呈圆台状或棱台状，即凸起部420的纵截面呈梯形，且梯形的上底(对应于圆台/棱台的底面)更靠近基板100；凸起部420的横截面呈圆形或者多边形。

更优选地，凸起部420的形状与凹陷部410的形状相同，以进一步有利于应力的释放，避免应力差过大，从而能够提高振膜200的抗冲击能力，防止振膜200在振动过程中发生破损。比如凸起部420和凹陷部410均为柱形体结构。再比如凸起部420和凹陷部410均呈圆台状或均呈棱台状，且在纵截面中，凸起部420的腰与凹陷部410的腰平行。

进一步结合图5，在一个优选地实施例中，凸起部420的凸起高度a小于或等于第一固定部201的厚度b，且大于或等于第一固定部201厚度b的五分之四，即0.8b≤a≤b。例如在一具体实施方式中，凸起部420的凸起高度a为201微米，第一固定部201的厚度b为210微米，即a/b＝4/5。

若凸起部420的凸起高度a未达到第一固定部201的厚度b的五分之四，即a＜0.8b，则容易因凹陷部410与凸起部420之间的应力差过大而造成振膜200破损。

如图7-9所示，在另一个优选地实施例中，凸起部420的凸起高度大于第一固定部201的厚度，且基板100上设有凹槽，凸起部420的端部位于凹槽内。当振膜200振动变形时，凸起部420的端部与凹槽的侧壁相接触，也相当于止挡机构，以限定振膜200的振动幅度/形变幅度，避免振膜200振动幅度过大而造成破损。

进一步优选地，凸起部420的凸起高度a大于或等于第一固定部201厚度b的五分之六，且凸起部420的凸起高度a小于等于第一固定部201厚度b的两倍，即1.2b≤a≤2.0b。若凸起部420的凸起高度a过高，即a＞2b，则凸起部420易受到过多负荷易导致凹凸结构以及振膜200破损。

进一步参考图6，本实施例中，最好在振膜200上间隔设置多个凹凸结构，且凹凸结构位于振膜200边缘内侧，环绕声腔101间隔设置。即凹凸结构在衬底100上的正投影围绕着声腔101排布。更为优选地，凹凸结构在衬底100上的正投影均匀地环绕声腔101设置，以利于应力均匀释放。

进一步参考图2至图4、图6至图8，振膜200上开设至少两个排气孔203，排气孔203的中心轴线与声腔101的边缘齐平，即排气孔203的中心轴线与声腔101的侧壁表面102齐平，也就是说排气孔203比凹凸结构更靠近振膜200的中心，排气孔203位于凹凸结构的内侧，且排气孔203位于声腔101边缘的正上方。在具体实施过程中，多个排气孔203沿声腔101的侧壁间隔设置；排气孔203与凹凸结构一一对应，即每个排气孔203的中心轴线均与声腔101的侧壁表面102齐平。

通过上述排气孔203以及配合凹凸结构，流经排气孔203的不规则气流贴附于声腔101的侧壁表面和凹凸结构的外侧表面，从而能够起到减小声腔101内空气流动引起的细微振动信号的作用，提高MEMS麦克风芯片整体的信噪比。

实施例二

本实施例提供一种MEMS麦克风，包括MEMS麦克风芯片，MEMS麦克风芯片为以上实施例一中所描述的MEMS麦克风芯片。由于采用了上述实施例中所描述的MEMS麦克风芯片，因此该MEMS麦克风产品也具有此芯片所带来的全部优点。

具体而言，本实施例的MEMS麦克风包括外壳、线路板、ASIC芯片以及MEMS麦克风芯片。其中，外壳通常为金属外壳，线路板通常为印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)，且外壳与线路板形成了收容空间；ASIC芯片和MEMS麦克风芯片位于收容空间内且与PCB板连接；ASIC芯片与MEMS麦克风芯片电连接，二者一般采用金属线电连接。

本实施例提供的MEMS麦克风可以为前进声形式的MEMS麦克风或后进声形式的MEMS麦克风。例如前进声式MEMS麦克风，其用于采集声音的进音孔开设在外壳上，MEMS麦克风芯片和ASIC芯片安装在线路板上，其中MEMS麦克风芯片的背板100朝向进音孔。对于后进音式MEMS麦克风，进音孔一般开设在线路板上，MEMS麦克风芯片的振膜200朝向进音孔。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种MEMS麦克风芯片，其特征在于，包括层叠设置的基板、振膜和背板，其中：

所述基板的中部设有声腔；

所述振膜的下表面朝向所述基板，且所述振膜的边缘与所述基板的边缘之间设有第一固定部；所述振膜的上表面朝向所述背板，且所述振膜与所述背板之间通过第二固定部隔离而构成电容结构；

所述振膜上设有排气孔，所述排气孔的中心轴线与所述声腔的边缘齐平；所述振膜上设有凹凸结构，所述凹凸结构在基板上的正投影位于所述第一固定部在基板上的正投影与所述声腔之间，所述凹凸结构包括由所述振膜的上表面朝向基板凹陷而形成的凹陷部，以及由所述振膜的下表面朝向基板凸起而形成的凸起部，所述凹陷部与所述凸起部的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述凸起部为柱形体结构、圆台结构或棱台结构。

3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述凹陷部的凹陷深度与所述凸起部的凸起高度相等。

4.根据权利要求1-3任一项所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述凸起部的凸起高度不超过所述第一固定部的厚度。

5.根据权利要求4所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述凸起部的凸起高度不小于第一固定部厚度的五分之四。

6.根据权利要求1-3任一项所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述凸起部的凸起高度大于所述第一固定部的厚度，所述基板上设有用于容纳所述凸起部的端部的凹槽。

7.根据权利要求6所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述凸起部的凸起高度不低于所述第一固定部厚度的1.2倍。

8.根据权利要求7所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，凸起部的凸起高度不超过所述第一固定部厚度的2倍。

9.根据权利要求1-3任一项所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，所述凹凸结构为多个，且多个所述凹凸结构环绕所述声腔间隔设置。

10.一种MEMS麦克风，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的MEMS麦克风芯片。

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