CN217445523U - 双振膜mems声音感测芯片 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种双振膜MEMS声音感测芯片，包括基底、背极板、第一振膜以及第二振膜，所述基底上设置有作为声腔的通口，所述声腔周围设置有支撑结构，所述支撑结构对应的区域为支撑区，所述支撑结构的内侧对应的区域为振动区，所述振动区与所述声腔对应；所述背极板具有背极导电层以及背极支撑层，所述背极导电层设置于所述振动区，所述背极导电层通过所述背极支撑层固定在所述支撑区。本申请实施例的一个技术效果在于通过设置仅位于振动区内的背极导电层，减少第一振膜与背极板、第二振膜与背极板在支撑区部分产生的寄生电容，提高MEMS芯片产生的有效电容，进而提高麦克风的声学性能。

Description

双振膜MEMS声音感测芯片

技术领域

本申请属于微机电技术领域，具体地，本申请涉及一种双振膜MEMS声音感测芯片。

背景技术

随着电子技术的快速发展，MEMS(微电子机械系统)麦克风以其体积小、便于SMT(表面贴装技术)安装、耐高温、稳定性好、自动化程度高和适合大批量生产等优点得到了越来越广泛的应用。

其中，MEMS麦克风产品中包含基于电容检测的MEMS芯片，MEMS芯片的电容会随着输入声音信号的不同产生相应的变化，从而产生一个变化的电信号，实现声-电转换功能。MEMS芯片包括单一背板芯片、双层背板芯片以及双层振膜芯片等。

双层振膜芯片的灵敏度高，同时电容变化的准确性高。但是，随着振膜数量的增加，现有的双振膜MEMS芯片在使用过程中会产生较大的寄生电容，导致麦克风的灵敏度下降，声学性能降低。

实用新型内容

本申请实施例的一个目的是提供一种双振膜MEMS声音感测芯片的新技术方案。

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种双振膜MEMS声音感测芯片，包括基底、背极板、第一振膜以及第二振膜：

所述基底上设置有作为声腔的通口，所述声腔周围设置有支撑结构，所述支撑结构对应的区域为支撑区，所述支撑结构的内侧对应的区域为振动区，所述振动区与所述声腔对应；

所述第一振膜、所述背极板以及所述第二振膜通过所述支撑结构设置于所述基底上并且延伸至所述振动区，所述第一振膜与所述第二振膜间隔设置于所述背极板的两侧；

所述背极板具有背极导电层以及背极支撑层，所述背极导电层设置于所述振动区，所述背极导电层通过所述背极支撑层固定在所述支撑区。

可选地，所述背极支撑层延伸至整个所述振动区，所述背极导电层设置于所述背极支撑层内部。

可选地，所述背极支撑层延伸至输送背极导电层的边缘，所述背极导电层的边缘与所述背极支撑层连接。

可选地，所述背极导电层的面积小于位于所述振动区内的所述背极板的面积，所述背极导电层上连接有背极引线，所述背极引线从所述背极导电层上延伸至所述支撑区。

可选地，所述背极导电层21的面积为所述振动区S2朝向所述背极板2的投影区域面积的30％-95％。

可选地，所述背极支撑层为氮化硅或氧化硅。

可选地，所述基底与所述第一振膜之间通过所述支撑结构隔开。

可选地，所述第一振膜与所述第二振膜之间设置有间隔排布的支撑柱，所述支撑柱穿过所述背极板与所述第一振膜和/或所述第二振膜连接。

可选地，所述第一振膜与所述第二振膜之间形成密封空间，所述密封空间内部气压小于外界环境气压。

可选地，所述第一振膜和所述第二振膜上开设有泄气孔，所述泄气孔被配置为平衡基底声腔与环境气压。

本申请实施例的一个技术效果在于：本申请通过设置仅位于振动区内的背极导电层，从而在第一振膜及第二振膜的振动过程中，尽可能减少第一振膜与背极板、第二振膜与背极板在支撑区部分产生的寄生电容，提高MEMS芯片产生的有效电容，进而提高麦克风的声学性能。

通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且连同其说明一起用于解释本申请的原理。

图1为本申请提供的双振膜MEMS声音感测芯片实施例一的示意图；

图2为本申请提供的双振膜MEMS声音感测芯片实施例二的示意图；

图3为本申请提供的双振膜MEMS声音感测芯片中背极导电层与振动区的相对位置示意图。

其中：1、基底；11、通口；2、背极板；21、背极导电层；22、背极支撑层；3、第一振膜；4、第二振膜；5、支撑结构；51、第一支撑结构；52、第二支撑结构；53、第三支撑结构；6、背极引线；7、支撑柱；8、泄气孔；S1、支撑区；S2、振动区。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

参照图1-3，本申请公开了一种双振膜MEMS声音感测芯片，包括基底1、第一振膜3、背极板2以及第二振膜4。基底1、第一振膜3、背极板2以及第二振膜4沿图1所示自下而上依次层叠设置。基底1上设置有作为声腔的通口11。参照图1，通口11设置于基底1中间位置且贯穿基底1，声腔形成于基底1的内部。

声腔周围设置有支撑结构5，第一振膜3、背极板2以及第二振膜4通过支撑结构5设置于基底1上并且延伸至振动区S2，第一振膜3与第二振膜4间隔设置于背极板2的两侧。

其中，支撑结构5包括基底1、第一振膜3、背极板2以及第二振膜4中任意相邻的二者之间连接的部分。具体地，参照图1，支撑结构5包括设置于基底1与第一振膜3之间的第一支撑结构51、第一振膜3与背极板2之间的第二支撑结构52、以及背极板2与第二振膜4之间的第三支撑结构53。

参照图1，基底1的一侧表面设置有第一支撑结构51，第一支撑结构51对应的区域为支撑区S1，第一支撑结构51的内侧对应的区域为振动区S2，振动区S2与声腔对应。振动区S2位于图1中声腔的上方。第一支撑结构51背离基底1的一侧设置有第一振膜3，第一振膜3通过第一支撑结构51设置在基底1上并延伸至振动区S2。

第一振膜3背离第一支撑结构51的一侧设置有第二支撑结构52，也即图1所示的第一振膜3的上方设置有第二支撑结构52。第二支撑结构52设置于第一振膜3的边缘部分，第二支撑结构52对应的区域为支撑区S1，第二支撑结构52的内侧对应的区域为振动区S2。其中，第一支撑结构51与第二支撑结构52所形成的振动区S2范围可以不重叠。

第二支撑结构52远离第一振膜3的一侧设置有背极板2，也即图1所示的第二支撑结构52的上方设置有背极板2。背极板2通过第二支撑结构52与第一振膜3间隔且绝缘连接，背极板2与第二支撑结构52连接位置位于支撑区S1，背极板2从支撑区S1延伸至振动区S2。背极板2与第一振膜3位于振动区S2的部分之间设置有间隙。

背极板2远离第二支撑结构52的一侧设置有第三支撑结构53，也即图1所示的背极板2上方设置有第三支撑结构53。第三支撑结构53设置于背极板2的边缘部分，第二支撑结构52对应的区域为支撑区S1，第三支撑结构53的内侧对应的区域为振动区S2。其中，第三支撑结构53与第一支撑结构51以及第二支撑结构52所形成的振动区S2范围可以不重叠。

第三支撑结构53远离背极板2的一侧设置有第二振膜4，也即图1所示的第三支撑结构53的上方设置有第二振膜4。第二振膜4通过第三支撑结构53与背极板2间隔且绝缘连接，第二振膜4与第三支撑结构53的连接位置位于支撑区S1，第二振膜4从支撑区S1延伸至振动区S2。第二振膜4与背极板2位于振动区S2的部分之间设置有间隙。

支撑结构5的内侧对应的区域为振动区S2，振动区S2与声腔对应。位于振动区S2内的第一振膜3及第二振膜4处于悬空状态，使得二者可以随外界声源不断振动，从而产生变化的电容，实现声-电转换功能。具体地，参照图1及图2，第一振膜3、背极板2以及第二振膜4均包括位于振动区S2的部分以及位于支撑区S1的部分。

现有技术中，通常将基底1与背极板2设置为相同电位，第一振膜3与第二振膜4连接偏置电压，通过第一振膜3与第二振膜4位置不断变化，在第一振膜3与背极板2、第二振膜4与背极板2在振动区S2部分产生有效电容，实现声-电的转化。但是，由于第一振膜3、背极板2以及第二振膜4在支撑区S1部分均导电，在第一振膜3与第二振膜4位置变化过程中，同时导电的第一振膜3与背极板2、第二振膜4与背极板2在支撑区S1部分会产生寄生电容，而寄生电容的产生会降低有效电容，影响麦克风的声学性能。

为了尽可能减少寄生电容的产生，参照图1，在本申请的一个实施例中，背极板2具有背极导电层21以及背极支撑层22，背极支撑层22的边缘固定在所述基底1上方的支撑结构5上。背极导电层21则位于声腔上方的振动区S2，背极导电层21通过背极支撑层22固定在支撑区S1。也即，本申请实施例中，背极板2仅在振动区S2内设置有背极导电层21，背极导电层21连接有电压。背极导电层21采用半导体或导体，背极支撑层22采用氮化硅、氧化硅等绝缘材料。

本申请通过设置仅位于振动区S2内的背极导电层21，背极板2位于支撑区S1的部分采用氮化硅、氧化硅等绝缘材料，从而在第一振膜3及第二振膜4的振动过程中，第一振膜3与背极板2、第二振膜4与背极板2在支撑区S1部分产生寄生电容的可能性降低，提高MEMS芯片产生的有效电容，进而提高麦克风的声学性能。

可选地，参照图1所示的双振膜MEMS声音感测芯片的实施例一，背极支撑层22从支撑区S1延伸至整个振动区S2，背极导电层21位于振动区S2内且设置于背极支撑层22内部。换言之，背极支撑层22从支撑区S1延伸至振动区S2，背极支撑层22具有内夹层，背极导电层21夹设在背极支撑层22的内层。

通过采用该结构，实现对背极导电层21的绝缘保护，从而可以有效防止第一振膜3及第二振膜4在振动过程中与背极导电层21接触发生短路的情形，有效提高整体结构的可靠性。

可选地，参照图2所示的双振膜MEMS声音感测芯片的实施例二中，背极支撑层22延伸至背极导电层21的边缘，背极导电层21的边缘与背极支撑层22连接。也即，背极支撑层22从支撑区S1延伸至振动区S2，背极导电层21覆盖在背极支撑层22的上方，背极导电层21通过背极支撑层22设置于振动区S2内。此时背极支撑层22与背极导电层21连接的部分厚度较薄。

进一步地，在一种特别的实施方式中，振动区S2处的背极导电层21下面可以不设置背极支撑层22，背极导电层21的边缘部分在振动区S2边缘与背极支撑层22连接，从而将背极导电层21设置在振动区S2内。

通过采用该结构，由于背极支撑层22不占据或占据很少一部分振动区S2内的背极板2的厚度，从而相比实施例一，实施例二中的背极导电层21的厚度更大，从而提高背极导电层21的容值，有利于提高声学性能。

进一步地，本申请不对背极板2在振动区S2及支撑区S1部分的厚度进行限定。

可选地，所述背极导电层21的面积小于支撑结构5围成的振动区S2朝向所述背极板2的投影面积。参照图3，在振动区S2的投影视图下，背极导电层21的投影面积小于振动区S2对应的背极板2的投影面积。背极导电层21设置于振动区S2的中间位置，图中虚线部分为振动区S2对应的背极板2的边界，背极导电层21的边界与振动区S2边界之间存在间距。从而增加了背极导电层21在投影方向上与支撑区S1的距离，从而减少位于支撑区S1的第一振膜3及第二振膜4在振动过程中与背极导电层21之间产生寄生电容的可能性，提高MEMS芯片产生的有效电容，进而提高麦克风的声学性能。

背极导电层21上连接有背极引线6，背极引线6从背极导电层21上延伸至支撑区S1。背极引线6一端与外界电源连接，背极引线6另一端与背极导电层21电连接，背极导电层21通过背极引线6实现电连接。

其中，在图3所示的投影视图下，背极导电层21的边界与振动区S2对应的背极板2边界之间仅设置有导电的背极引线6，其余部分采用不导电的背极支撑层22。通过该结构，进一步减少振膜导电层与第一振膜3、振膜导电层与第二振膜4之间产生寄生电容的可能性。

优选地，背极导电层21的面积为振动区S2朝向背极板2的投影区域面积的30％-95％。

当背极导电层21的直径范围在该范围内时，可以保证振动区S2内的第一振膜3与第二振膜4在振动过程中与背极导电层21之间产生的有效电容，同时最大限度的减少支撑区S1内的第一振膜3及第二振膜4与背极板2之间产生的寄生电容，从而增加有效电容。

可选地，本申请中只需背极导电层21的边界不与振动区S2的边界重合即可，背极导电层21可以设置于振动区S2内的任意位置。优选地，参照图3，背极导电层21设置于振动区S2的中心位置，有利于提高对外界声源的精确定位。

可选地，基底1与第一振膜3之间通过支撑结构5隔开。参照图1，第一振膜3设置于背极板2与基底1之间，基底1与第一振膜3之间设置有支撑结构5，支撑结构5与二者绝缘连接。通过支撑结构5的设置，第一振膜3与基底1之间存在间隙，也即二者不直接接触。

现有技术中，基底1与背极板2设置为相同电位，第一振膜3与第二振膜4连接偏置电压，通过第一振膜3与第二振膜4位置不断变化，在第一振膜3与背极板2、第二振膜4与背极板2之间产生变化的电容，实现声-电的转化。而当声腔内存在异物时，异物会导致基底1与第一振膜3连接，从而第一振膜3与基底1之间电位相同，从而导致第一振膜3振动时，背极板2与第一振膜3之间不会随之产生变化的电容，也即第一振膜3容易发生短路或漏电。因此，本申请通过设置可以将基底1与第一振膜3分隔开的支撑结构5，有利于减少异物导致第一振膜3发生短路或漏电等情形，有利于延长本申请的使用寿命，提高声学性能。

参照图1，本申请中采用双振膜结构，第一振膜3位于背极板2下方，第二振膜4位于背极板2上方，外界声源从图1所示下方进入通口11形成的声腔，因此第一振膜3相比第二振膜4更靠近外界声源。因此当外界声源输入时，第一振膜3相比第二振膜4对于外界声源的反应更加灵敏，因此容易导致第一振膜3与第二振膜4的振动不同步，由于二者振动过程存在时间差，甚至可能出现第一振膜3与第二振膜4振动方向相反的情形，导致第一振膜3与第二振膜4之间产生寄生电容，影响声学性能。

为了实现第一振膜3与第二振膜4的同步振动，从而提高声学性能。可选地，第一振膜3与第二振膜4之间设置有间隔排布的支撑柱7，支撑柱7设置有多个，支撑柱7穿过背极板2与第一振膜3和/或第二振膜4连接。

其中，支撑柱7朝向第一振膜3与第二振膜4延伸，从投影方向上看，支撑柱7分布于振动区S2内。支撑柱7可以同时与第一振膜3及第二振膜4连接，也可以仅与第一振膜3或者仅与第二振膜4连接。支撑柱7的设置一方面有利于实现第一振膜3与第二振膜4的同步振动，另一方面有利于实现第一振膜3与第二振膜4之间的支撑，提高结构整体的强度。

可选地，第一振膜3与第二振膜4之间形成密封空间，且该密封空间内部气压小于外界环境气压。优选地，第一振膜3与第二振膜4之间可以为真空状态。

参照图1，第一振膜3与背极板2之间通过第二支撑组件密封绝缘且密封连接，背极板2与第二振膜4之间通过第三支撑组件绝缘且密封连接，此外，由于支撑组件设置于第一振膜3以及第二振膜4的周侧，因此图1中纵向上在第一振膜3与第二振膜4之间、横向上在支撑组件之间共同形成了密封空间。

通过设置第一振膜3与第二振膜4之间形成的密封空间的气压小于外界环境气压，可以有效降低空气的粘滞力，也即降低第一振膜3与第二振膜4振动过程中的足迹，从而提高第一振膜3及第二振膜4的效率，实现增强第一振膜3与第二振膜4对外界声源的敏感性。

可选地，第一振膜3和第二振膜4上开设有泄气孔8，泄气孔8被配置为平衡基底1声腔与环境气压。

参照图1，位于中心位置的泄气孔8同时贯穿第一振膜3、第二振膜4以及背极板2，其中，形成泄气孔8的侧壁位于下方的一端与第一振膜3密封连接，形成泄气孔8的侧壁位于上方的一端与第二振膜4密封连接，从而保证第一振膜3与第二振膜4之间形成的密封空间不受影响。

泄气孔8的设置用于将基底1声腔与外界环境连通，泄气孔8用于平衡图1中第一振膜3下方的气压与第二振膜4上方的气压，从而实现第一振膜3与第二振膜4形成的密封空间内外的气压平衡，降低第一振膜3及第二振膜4振动过程中的阻力，有利于第一振膜3及第二振膜4准确对外界声源进行振动回应。

可选地，泄气孔8设置有多个，泄气孔8的位置通常均匀对称分布于第一振膜3与第二振膜4形成的密封空间内，从而实现对气压的均匀调节。

虽然已经通过例子对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种双振膜MEMS声音感测芯片，其特征在于，包括基底(1)、背极板(2)、第一振膜(3)以及第二振膜(4)：

所述基底(1)上设置有作为声腔的通口(11)，所述声腔周围设置有支撑结构(5)，所述支撑结构(5)对应的区域为支撑区，所述支撑结构(5)的内侧对应的区域为振动区，所述振动区与所述声腔对应；

所述第一振膜(3)、所述背极板(2)以及所述第二振膜(4)通过所述支撑结构(5)设置于所述基底(1)上并且延伸至所述振动区，所述第一振膜(3)与所述第二振膜(4)间隔设置于所述背极板(2)的两侧；

所述背极板(2)具有背极导电层(21)以及背极支撑层(22)，所述背极导电层(21)设置于所述振动区，所述背极导电层(21)通过所述背极支撑层(22)固定在所述支撑区。

2.根据权利要求1所述的双振膜MEMS声音感测芯片，其特征在于，所述背极支撑层(22)延伸至整个所述振动区，所述背极导电层(21)设置于所述背极支撑层(22)内部。

3.根据权利要求1所述的双振膜MEMS声音感测芯片，其特征在于，所述背极支撑层(22)延伸至输送背极导电层(21)的边缘，所述背极导电层(21)的边缘与所述背极支撑层(22)连接。

4.根据权利要求1所述的双振膜MEMS声音感测芯片，其特征在于，所述背极导电层(21)的面积小于所述支撑结构(5)围成的振动区朝向所述背极板(2)的投影面积，所述背极导电层(21)上连接有背极引线(6)，所述背极引线(6)从所述背极导电层(21)上延伸至所述支撑区。

5.根据权利要求4所述的双振膜MEMS声音感测芯片，其特征在于，所述背极导电层(21)的面积为所述振动区朝向所述背极板(2)的投影区域面积的30％-95％。

6.根据权利要求1所述的双振膜MEMS声音感测芯片，其特征在于，所述背极支撑层(22)为氮化硅或氧化硅。

7.根据权利要求1所述的双振膜MEMS声音感测芯片，其特征在于，所述基底(1)与所述第一振膜(3)之间通过所述支撑结构(5)隔开。

8.根据权利要求1所述的双振膜MEMS声音感测芯片，其特征在于，所述第一振膜(3)与所述第二振膜(4)之间设置有间隔排布的支撑柱(7)，所述支撑柱(7)穿过所述背极板(2)与所述第一振膜(3)和/或所述第二振膜(4)连接。

9.根据权利要求1所述的双振膜MEMS声音感测芯片，其特征在于，所述第一振膜(3)与所述第二振膜(4)之间形成密封空间，所述密封空间内部气压小于外界环境气压。

10.根据权利要求1所述的双振膜MEMS声音感测芯片，其特征在于，所述第一振膜(3)和所述第二振膜(4)上开设有泄气孔(8)，所述泄气孔(8)被配置为平衡基底(1)声腔与环境气压。

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