CN216775026U - Mems芯片、麦克风及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种MEMS芯片、麦克风及电子设备，其中，所述MEMS芯片包括基底、背极板及振膜，所述基底开设有贯通的声孔；所述背极板设于所述基底的一侧，并覆盖所述声孔；所述振膜包括中间区域和环设于所述振膜的边缘区域，所述中间区域连接于所述基底和/或所述背极板，并与所述背极板间隔设置。本实用新型技术方案的MEMS芯片的机械灵敏度高且可解决封装应力的问题。

Description

MEMS芯片、麦克风及电子设备

技术领域

本实用新型涉及声电转换技术领域，特别涉及一种MEMS芯片、麦克风及电子设备。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)麦克风是一种用微机械加工技术制作出来的声电转换器件，其具有体积小、频响特性好、噪音低等特点。随着电子设备的小巧化和薄型化发展，MEMS麦克风被越来越广泛地运用到这些设备上。

目前，MEMS麦克风中的MEMS芯片的振膜由于其边缘受束缚，从而导致张力较大，继而影响麦克风的灵敏度和声学性能。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种MEMS芯片，旨在得到一种灵敏度高且能够解决封装应力问题的麦克风芯片。

为实现上述目的，本实用新型提出的MEMS芯片包括：

基底，所述基底开设有贯通的声孔；

背极板，所述背极板设于所述基底的一侧，并覆盖所述声孔；及

振膜，所述振膜包括中间区域和环设于所述振膜的边缘区域，所述中间区域连接于所述基底和/或所述背极板，并与所述背极板间隔设置。

可选的实施例中，所述振膜的横截面面积大于所述声孔的开口尺寸。

可选的实施例中，所述MEMS芯片包括连接件，所述连接件的一端连接于所述中间区域的中心位置，另一端连接所述基底和/或所述背极板。

可选的实施例中，所述振膜设于所述背极板背离所述基底的一侧，所述背极板开设有连通所述声孔的第一开口。

可选的实施例中，所述背极板通过支撑件连接于所述基底，所述支撑件开设有贯通的避让孔，所述避让孔的孔径大于所述声孔的孔径，所述振膜设于所述避让孔内，并与所述避让孔的孔壁之间形成间隙。

可选的实施例中，所述振膜通过所述连接件连接于所述背极板朝向所述基底的表面，所述振膜与所述基底之间的垂直距离小于所述振膜与背极板之间的垂直距离。

可选的实施例中，所述基底包括外围柱和中心柱，所述外围柱开设有所述声孔，所述中心柱设于所述声孔内，并与所述外围柱连接；

所述振膜通过所述连接件连接于所述中心柱；

或，所述振膜通过两所述连接分别连接于所述背极板和所述中心柱。

可选的实施例中，所述振膜设有两个，两所述振膜分别设于所述背极板的两侧，并通过关联件穿过所述背极板而连接；

或，所述背极板设有两个，两所述背极板间隔设置，所述振膜设于两所述背极板之间。

本实用新型还提出一种麦克风，所述麦克风包括有PCB板和MEMS芯片，所述MEMS芯片为如上任一所述的MEMS芯片，所述基底连接于所述PCB板，所述振膜和背极板均与所述PCB板电连接。

本实用新型又提出一种电子设备，包括壳体和设于所述壳体内的麦克风，所述麦克风为如上所述的麦克风。

本实用新型技术方案的MEMS芯片包括基底、振膜和背极板，背极板设于基底并覆盖声孔，振膜包括中间区域和边缘区域，将中间区域连接于基底和/或背极板，并与背极板间隔设置，形成平行板电容器，从而用于感知和检测审阅信号。此处，振膜的中间区域与基底和/或背极板连接，从而可以释放其边缘区域，使其形成自由端，有效减少封装应力和张力，从而提升振膜的变形量，进而提高麦克风芯片的灵敏度。且该结构中由于中间位置被固定，在遇到对声孔的吹气时，中间位置具有较好的抗变形能力，边缘可以释放气体，从而能有效提升抗吹气能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型MEMS芯片第一实施例的剖视图；

图2为本实用新型MEMS芯片第二实施例的剖视图；

图3为图1和图2所示MEMS芯片的背极板俯视图；

图4为本实用新型MEMS芯片第三实施例的剖视图；

图5为本实用新型MEMS芯片第四实施例的剖视图；

图6为图4和图5所示MEMS芯片中的基底俯视图；

图7为本实用新型MEMS芯片第第五实施例的剖视图；

图8为本实用新型MEMS芯片第六实施例的剖视图；

图9为本实用新型MEMS芯片第七实施例的剖视图；

图10为本实用新型MEMS芯片第八实施例的剖视图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	MEMS芯片	21	第一开口
10	基底	30	振膜
				10a	声孔	40	连接件
11	中心柱	50	支撑件
				12	外围柱	51	避让孔
13	肋板	60	关联件
				20	背极板	700	焊盘

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种MEMS芯片100。

请参照图1和图2，在本实用新型实施例中，MEMS芯片100包括基底10、背极板20及振膜30，所述基底10开设有贯通的声孔10a；

所述背极板20设于所述基底10的一侧，并覆盖所述声孔10a；所述振膜30包括中间区域和环设于所述振膜30的边缘区域，所述中间区域连接于所述基底10和/或所述背极板20，并与所述背极板20间隔设置。

本实施例中，MEMS芯片100用于感知和检测从声孔10a流入的声音信号，可将声音信号转换为电信号进行传输。且MEMS芯片100是电容传感器，声波使得振膜30产生振动，当振膜30发生振动时，可以改变两者之间的间距，从而改变电容，通过电容的改变从而输出对应的电信号以达到检测的目的。

具体地，基底10的材质一般为单晶硅、多晶硅或是氮化硅等材料，基底10的外部形状大致呈方体，当然，基底10的外部形状也可以是圆筒形或其他多边结构。开设于基底10的声孔10a的开口形状可以是方形、圆形或是其他形状，在此不作限定，保证声音信号可以流入即可。例如，当声孔10a的开口为圆形时，其横截面面积在声音流入方向上可以均相同，或是呈减小的趋势，能够有效增大靠近振膜30侧的气流速度，提高检测灵敏度。或是呈增大的趋势。

背极板20与振膜30的材质也可以设置为单层材料，例如，多晶硅，或者两者均为多层复合材料，在此不做限定。该声孔10a贯通基底10的两表面，背极板20和振膜30在声孔10a的轴线方向上间隔设置，此处，当声孔10a的轴线方向与竖直线平行时，不限定振膜30与背极板20的上下位置设置，即振膜30可以在上方，背极板20在下方，此时，振膜30连接于背极板20；或是将振膜30设于下方，背极板20设在上方，振膜30则可以连接于背极板20和/或基底10。当然，背极板20上设置有微孔，使得声音信号可以通过，从而不影响振膜30的接收与振动。

振膜30包括中心区域和边缘区域，该中心区域可以是振膜30几何的中心位置或是包括中心位置并向外扩散部分区域，此处，可以设定中心区域与边缘区域所占的比例各为一半，或者设定中心区域的面积小于边缘区域的位置，或者，设定中心区域的面积大于边缘区域的面积，在此不做限定。

本实用新型技术方案的MEMS芯片100包括基底10、振膜30和背极板20，背极板20设于基底10并覆盖声孔10a，振膜30包括中间区域和边缘区域，将中间区域连接于基底10和/或背极板20，并与背极板20间隔设置，形成平行板电容器，从而用于感知和检测声音信号。此处，振膜30的中间区域与基底10和/或背极板20连接，从而可以释放其边缘区域，使其形成自由端，有效减少封装应力和张力，从而提升振膜30的变形量和振幅，进而提高麦克风芯片的灵敏度，尤其是边缘位置处的机械灵敏度。且该结构中由于中间位置被固定，在遇到对声孔10a的吹气时，中间位置具有较好的抗变形能力，边缘可以释放气体，从而能有效提升抗吹气能力。

此外，为了方便固定背极板20，在基底10的一端表面设置有支撑件50，所述背极板20通过支撑件50连接于所述基底10，所述支撑件50开设有贯通的避让孔51。具体地，该支撑结构的材质可与背极板20材质相同，其与基底10及背极板20的连接可以是粘接或焊接，从而方便加工连接，提高MEMS芯片100的组装效率。避让孔51连通声孔10a，从而允许声音信号的流入。

请继续参照图1，可选的实施例中，所述振膜30的横截面面积大于所述声孔10a的开口尺寸。

本实施例中，振膜30的横截面面积不宜过小，否则在声音信号流入时不能完全经过振膜30，影响检测的效果。故而设置振膜30的横截面面积大于声孔10a的开口尺寸，从而能够覆盖声孔10a的开口，使得从声孔10a进入的声音信号均能经过振膜30去触发检测，从而提升MEMS芯片100的检测准确度和检测效率。当然，振膜30的横截面面积也不宜过大，一方面需要保证振膜30连接的稳定性，另一方面也可以根据需要节约材料，并能与周缘部件保持间隙，从而形成边缘区域的悬空状态。

请结合图1和图2可选的实施例中，所述MEMS芯片100包括连接件40，所述连接件40的一端连接于所述中间区域的中心位置，另一端连接所述基底10和/或所述背极板20。

本实施例中，为了方便固定振膜30，MEMS芯片100还包括连接件40，该连接件40用于连接振膜30与基底10和/或背极板20，其一端固定在振膜30的表面，另一端固定在基底10或背极板20的表面，此处，连接件40呈柱状，能够具有一定的高度，从而在连接振膜30与基底10和/或背极板20时，能够使得振膜30与两者均具有一定高度差，从而与背极板20形成平行板电容，或是保持悬空状态，并具有一定的变形空间。连接件40的横截面形状可以是圆形、方形或多边形等，在此不做限定。连接件40的材质可以是氧化硅、多晶硅或氮化硅中的至少一者，连接件40可以是单层结构，也可以是多层结构复合的结构，在此均不限定。

将连接件40的一端连接在中心区域的中心位置，也即仅设置一个连接件40固定振膜30，将其设于振膜30的中心位置，从而能够保证振膜30的边缘平衡性，并能够最大程度释放振膜30的边缘位置，避免张力和应力的束缚，提升振动幅度，从而使得灵敏度进一步提高，且由于张力和应力的减小或消除，能够提升对振膜30的。此处，连接件40与振膜30的连接可以是粘接或焊接，当然，两者也可以一体加工成型，在此不做限定。

当然，于其他实施例中，也可以设置连接件40有两个、三个或者四个及以上，将其对称设于连接件40的中心区域，从而实现振膜30的固定。

请参照图1，可选的第一实施例中，所述振膜30设于所述背极板20背离所述基底10的一侧，所述背极板20开设有连通所述声孔10a的第一开口21。

本实施例中，振膜30设置在背极板20背离基底10的一侧，也即当声孔10a的轴线与竖直线平行时，在声孔10a的轴线方向上，振膜30设于背极板20的上方，背极板20开设有第一开口21，能够进一步方便声音穿过后传至振膜30，不影响MEMS芯片100的性能。此处，第一过孔的尺寸可以根据实际需要进行设定，不宜过大，否则影响背极板20本身的结构强度，当然，第一过孔的尺寸也不宜过小，否则会影响振膜30的振动速率和频率，影响MEMS芯片100的检测性能。第一过孔的开口形状可以是圆形、方形或不规则形状等。

此处，设置支撑结构的高度不宜过高，以免造成不必要的材料浪费和空间的占据，能够将背极板20与基底10之间形成一定的稳定连接结构，且起到支撑作用即可。

此外，在背极板20的表面上可以设置限位结构，例如，限位凸起，该限位结构设于背极板20朝向振膜30的表面，从而在振膜30向下变形时能够限制其变形量，防止振膜30过度变形而造成破损，提升振膜30的使用寿命。

可选的实施例中，所述避让孔51的孔径大于所述声孔10a的孔径，所述振膜30设于所述避让孔51内，并与所述避让孔51的孔壁之间形成间隙。

此处，将背极板20设于振膜30的上方，而将避让孔51的孔径大于声孔10a的孔径，振膜30设于避让孔51内，可以使得振膜30的尺寸大于声孔10a的孔径，并与避让孔51的孔壁之间形成有间隙，如此，保证振膜30能够对流入的声音信号均进行接收和反馈，提高检测准确度。当然，在振膜30可开设有尺寸相对较小的泄气孔，以使得振膜30所受的声压不至于过大，保证振膜30的使用性能。

请参照图2，可选的实施例中，第二实施例中，所述振膜30通过所述连接件40连接于所述背极板20朝向所述基底10的表面，所述振膜30与所述基底10之间的垂直距离小于所述振膜30与背极板20之间的垂直距离。

本实施例中，将振膜30连接固定在背极板20上，例如，将连接件40设于振膜30的中心位置，连接件40背离振膜30的一端连接在背极板20的中心位置，连接件40对振膜30起到了拉力作用和连接作用，且将振膜30与基底10之间的垂直距离小于振膜30与背极板20之间的垂直距离，如此，在声音信号进入声孔10a后，首先接触到振膜30，使得振膜30发生变形振动，可以避免振膜30向上振动时空间较小影响变形，从而保证振膜30的边缘区域的较高的灵敏度。

当然，为了对振膜30的移动进行限位，也可以在该结构基础上，在背极板20的表面设置限位结构，从而在一定范围内限制振膜30的变形量，避免过度变形造成破损。

请结合图3，在振膜30连接至背极板20的基础上，为了实现电气连接，将背极板20的区域分为中部区域和外围区域，两个区域分别连接到边缘的两个焊盘700，而中部区域通过连接件40再电连接振膜30，可以通过导线连接，从而实现振膜30与背极板20的通电，再将焊盘700与其他部件进行电连接，从而实现电信号的传输与处理。

可选的实施例中，所述基底10包括外围柱12和中心柱11，所述外围柱12开设有所述声孔10a，所述中心柱11设于所述声孔10a内，并与所述外围柱12连接；

第三实施例中，所述振膜30通过所述连接件40连接于所述中心柱11；

或，第四实施例中，所述振膜30通过两所述连接件40分别连接于所述背极板20和所述中心柱11。

本实施例中，将振膜30连接在基底10上，为了实现振膜30的中心被固定，基底10包括外围柱12和中心柱11，外围柱12开设有声孔10a，中心柱11设于声孔10a内，并通过连接结构与外围柱12连接。例如，中心柱11通过肋板13与外围柱12进行连接，肋板13的数量可以是2个或三个及以上，从而可以对称分布在中心柱11的周缘，实现稳定的连接关系。肋板13的形状和尺寸在此不做限定，例如，可以在中心柱11的高度方向上有一定的延伸高度，或者与中心柱11的高度相同。当然，肋板13也可以筋条或者其他结构。

请参照图4，一实施例中，将振膜30通过连接件40与中心柱11进行连接，从而使得连接件40对振膜30起到一定的支撑和连接作用，使得振膜30的安装更加稳定。该结构中，由于中心柱11的设置，能够进一步减少吹气对振膜30带来的影响，从而进一步提升抗吹气能力。

请结合图5，另一实施例中，连接件40设有两个，将振膜30的上下表面均通过连接件40分别连接到背极板20和中心柱11上，该结构的设置，能够进一步提升振膜30安装的稳定性，并提升振膜30的强度，保证振膜30的使用性能。

请参照图6，此处，在振膜30连接至中心柱11的结构基础上，可以在将振膜30通过中心柱11的位置电连接到外部的焊盘700，从而实现电气连通。当然，在振膜30同时连接中心柱11和背极板20时，能够通过上述两种方式实现振膜30的电气连接。

可选的第五实施例和第六实施例中，所述振膜30设有两个，两所述振膜30分别设于所述背极板20的两侧，并通过关联件60穿过所述背极板20而连接；

或，第七实施例和第八实施例中，所述背极板20设有两个，两所述背极板20间隔设置，所述振膜30设于两所述背极板20之间。

请参照图7和图8，上述振膜30的结构设置同样适用于双层振膜30的情况或是双层背极板20的结构。例如，当振膜30设置有两个时，两个振膜30分别设置在背极板20的两侧，并分别通过连接件40连接到背极板20的两表面。同时，为了实现两个振膜30的同步振动，将两个振膜30通过关联件60进行连接，对应的，背极板20开设有第一开口21，关联件60穿过第一开口21分别与两个振膜30进行连接。可选的，第一开口21设有多个，关联件60也设有多个，从而实现两个振膜30之间稳定的连接结构，提升两振膜30的振动一致性，以提升检测效果。

当然，在振膜30连接到背极板20的同时，还可以将下方的振膜30同时连接到基底10上，即连接到中心柱11上，从而进一步提升结构稳定性。

请参照图9和图10，当然，在设置有两个背极板20的结构中，将两个背极板20间隔设置在基底10上，两个背极板20之间设有支撑结构，从而形成一定的间隔空间，振膜30设置在该间隔空间内，并分别连接于两个背极板20相向的表面，两个背极板20均开设有第一开口21，从而允许声音信号通过。且两个背极板20的第一开口21均一一对应设置，能进一步减少对声音信号的阻碍，从而提升振膜30的检测灵敏度。

在振膜30分别连接至两个背极板20的表面时，还可以将背极板20背离振膜30的表面通过连接件40连接到中心柱11上，从而进一步提升结构稳定性。

本实用新型还提出一种麦克风(未图示)，所述麦克风包括有PCB板和MEMS芯片100，所述MEMS芯片100为如上任一所述的MEMS芯片100，所述基底10连接于所述PCB板，所述振膜30和背极板20均与所述PCB板电连接。由于本电子设备的麦克风采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

本实施例中，该PCB板上有处理单元，还包括各种电路和接口，用于连接各种芯片和其他电气部件，以实现电传输。具体地，麦克风还包括罩盖，罩盖和PCB板可通过导电胶或锡膏连接围成容置腔，该容置腔为一个导通的屏蔽空腔，可以防止外界电磁波干扰，增强对内部结构的物理与电磁保护作用，保证各种芯片的转换性能。该容置腔可以是方体、圆柱体或球体，在此不作限定。MEMS芯片100设于容置腔内，基底10远离背极板20的表面连接于PCB板，以固定MEMS芯片100，PCB板上开设有与声孔10a连通的通孔，方便声音信号和气体的流入，声孔10a与通孔配合形成MEMS芯片100的声腔腔体，可保证声音传入的顺畅性。此时，MEMS芯片100与PCB板之间围设的空间为其前腔，MEMS芯片100与罩盖之间的空间为后腔，当声音进入前腔后，透过振膜30、空隙和背板后进入后腔，前腔影响麦克风的高频部分，后腔影响麦克风的低频部分。

此外，麦克风还包括ASIC芯片，ASIC芯片可以设置在容置腔内，并分别与PCB板和MEMS芯片100电连接；也可以通过贴片胶贴设于PCB板上，或通过植锡球的方式直接焊接在PCB板上，通过金属线与MEMS芯片100电连接，用于为麦克风提供电压，并对麦克风输出的信号进行处理放大，从而使得MEMS芯片100为电子设备提供收声功能。同时，位于基底10的焊盘700可电连接到主板电路上，从而将数据传输到麦克风所应用的产品上。

本实用新型又提出一种电子设备(未图示)，包括壳体和设于所述壳体内的麦克风，所述麦克风的具体结构参照上述实施例，由于本电子设备的麦克风采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

其中，电子设备可以是穿戴电子设备，例如智能手表或手环，也可以是移动终端，例如，手机或笔记本电脑等，或是其他需要进行声电转换功能的设备，在此不作限定。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种MEMS芯片，其特征在于，所述MEMS芯片包括：

基底，所述基底开设有贯通的声孔；

背极板，所述背极板设于所述基底的一侧，并覆盖所述声孔；及

振膜，所述振膜包括中间区域和环设于所述振膜的边缘区域，所述中间区域连接于所述基底和/或所述背极板，并与所述背极板间隔设置。

2.如权利要求1所述的MEMS芯片，其特征在于，所述振膜的横截面面积大于所述声孔的开口尺寸。

3.如权利要求1所述的MEMS芯片，其特征在于，所述MEMS芯片包括连接件，所述连接件的一端连接于所述中间区域的中心位置，另一端连接所述基底和/或所述背极板。

4.如权利要求3所述的MEMS芯片，其特征在于，所述振膜设于所述背极板背离所述基底的一侧，所述背极板开设有连通所述声孔的第一开口。

5.如权利要求3所述的MEMS芯片，其特征在于，所述背极板通过支撑件连接于所述基底，所述支撑件开设有贯通的避让孔，所述避让孔的孔径大于所述声孔的孔径，所述振膜设于所述避让孔内，并与所述避让孔的孔壁之间形成间隙。

6.如权利要求5所述的MEMS芯片，其特征在于，所述振膜通过所述连接件连接于所述背极板朝向所述基底的表面，所述振膜与所述基底之间的垂直距离小于所述振膜与背极板之间的垂直距离。

7.如权利要求5所述的MEMS芯片，其特征在于，所述基底包括外围柱和中心柱，所述外围柱开设有所述声孔，所述中心柱设于所述声孔内，并与所述外围柱连接；

所述振膜通过所述连接件连接于所述中心柱；

或，所述振膜通过两所述连接分别连接于所述背极板和所述中心柱。

8.如权利要求1至7中任一项所述的MEMS芯片，其特征在于，所述振膜设有两个，两所述振膜分别设于所述背极板的两侧，并通过关联件穿过所述背极板而连接；

或，所述背极板设有两个，两所述背极板间隔设置，所述振膜设于两所述背极板之间。

9.一种麦克风，其特征在于，所述麦克风包括有PCB板和MEMS芯片，所述MEMS芯片为如权利要求1至8中任一项所述的MEMS芯片，所述基底连接于所述PCB板，所述振膜和背极板均与所述PCB板电连接。

10.一种电子设备，其特征在于，包括壳体和设于所述壳体内的麦克风，所述麦克风为如权利要求9所述的麦克风。

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