TW201517639A - 麥克風中的埋置式微型閥 - Google Patents

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Sung Bok Lee
John J Albers
Vivian Gill
Brandon Harrington
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Abstract

本發明提供一種微機電系統(MEMS)裝置，其包括一基座。一MEMS元件安置於該基座上。一罩蓋封閉該基座上之該MEMS元件。一埠延伸穿過該基座，且該MEMS元件安置於該埠上方。一膜片埋置於該基座內且具有延伸跨越該埠之至少一些部分。在一打開位置中，該膜片允許聲能自該裝置之外部至該裝置之內部的傳遞。在一閉合位置中，該膜片與該埠之一外表面接觸以至少部分地阻斷聲能自該裝置之該外部至該裝置之該內部的該傳遞。

Description

麥克風中的埋置式微型閥 【相關申請案之交叉參考】
本專利根據35 U.S.C.§119(e)主張2013年8月12日申請的標題為「麥克風中的埋置式微型閥(Embedded Micro valve in Microphone)」之美國臨時申請案第61864829號的權利，該專利的內容以全文引用的方式併入本文中。
本申請案係關於聲學元件，且更特定言之係關於保護此等元件免於壓力及真空暫態。
多年來已使用不同類型之聲學元件。一種類型之元件為麥克風。在微機電系統(MEMS)麥克風中，MEMS晶粒包括圖(diagram)及背板。MEMS晶粒由基板支撐且由外殼(例如，金屬罐或具有壁之罩蓋)封閉。聲音入口或聲學埠可延伸穿過基板(用於底部埠元件)或穿過外殼之頂部(用於頂部埠元件)。在任何狀況下，聲能穿過埠、使膜片移動且產生背板之變化電位，此電位產生電信號。麥克風部署於諸如個人電腦或手機之各種類型之元件中。
當麥克風埠經受壓力或真空之暫態變化時，MEMS麥克風易受到膜片及背板損害。特定言之，墜落測試期間的壓力可產生近似大約100 psi至1000psi之壓力脈衝。此等高壓力超出典型背板及膜片結構的機械強度，從而導致此等元件之劇變故障。解決此問題之先前嘗試尚未成功，從而導致使用者不滿意先前方法。
為較全面地理解本發明，應參考以下詳細描述及隨附圖式，其中：圖1為根據本發明之各種具體實施例的MEMS麥克風之透視圖；圖2A為根據本發明之各種具體實施例的沿著線A-A的圖1之MEMS麥克風的截面側視圖；圖2B為根據本發明之各種具體實施例的圖1及圖2A之MEMS麥克風的透視截面圖；圖3為根據本發明之各種具體實施例的膜片層之透視圖；圖4A為根據本發明之各種具體實施例的膜片層之視圖；圖4B為根據本發明之各種具體實施例的膜片層之視圖；圖4C為根據本發明之各種具體實施例的膜片層之視圖；圖5為根據本發明之各種具體實施例的藉由膜片阻斷埠的圖1、圖2A及圖2B之麥克風的側視圖；圖6為根據本發明之各種具體實施例的藉由膜片阻斷埠的圖1、圖2A及圖2B之麥克風的側視圖。
熟練之技術人員將瞭解，為簡單及清晰起見而說明圖式中之元件。將進一步瞭解，可以以特定出現次序來描述或描繪某些動作及/或步驟，但熟 習此項技術者將理解，實際上並不要求關於序列之此特定性。亦將理解，除本文中另外闡述特定含義之外，本文中所使用的術語及表達具有如關於其對應各別調查及研究領域給予此等術語及表達的一般意義。
提供保護麥克風免於出現在麥克風內部與麥克風外部之間的壓力或真空差(暫態)之方法。所提供之方法在實施時可擴展且具成本效益，且對否決MEMS元件中之壓力暫態的潛在後果有效。在一個實例中，大約760托至25托之壓力或真空暫態將使埋置式膜片密封麥克風之埠，且藉此防止麥克風由於壓力或真空暫態而出現損害。
在一個態樣中，本文中所提供之方法利用大約0.5密耳(或較薄)且埋置於麥克風之基板或基座的印刷電路板(PCB)層內的膜片(例如，金屬或聚合物片)。此組態在聲學埠之直達聲音路徑中形成具有沿著周界之通路的膜片。實際上，除與MEMS元件相關聯之膜片(在麥克風內部且與麥克風之MEMS元件相關聯)之外，此埋置式膜片亦為所部署的第二膜片。
繃緊抑或簡單地支撐埋置式膜片，使得當膜片在存在壓力脈衝或真空脈衝(例如，分別100psi至1000psi或760托至25托)之情況下發生偏轉時，膜片與聲學埠之外表面接觸，藉此間歇地阻斷穿過麥克風之聲學埠之流動(在正常條件下流動將允許聲音自麥克風外部進入至麥克風內部)。本發明方法之一個優勢為該等方法提供免於壓力及真空暫態兩者之保護。壓力及/或真空暫態可導致MEMS背板及膜片損害。
埋置式閥麥克風具有開口，使得當壓力暫態未出現時，聲能 可自麥克風外部移動至麥克風內部。在一個實例中，埋置式膜片具有大體上「C」形之開口及所提供之一個支撐件。在又一實例中，提供三個開口及三個支撐件。可在埋置式膜片中提供其他類型及形狀之開口。
現參看圖1、圖2A及圖2B，微機電系統(MEMS)麥克風包括基座102、罩蓋104、MEMS元件106(包括背板及膜片)、積體電路108及延伸穿過基座102之開口或埠110。
基座102由形成印刷電路板(PCB)之多層材料層建構。第一鈍化層152安置於基座102之頂部上。金屬層154安置於層152下。第一核心156、第一黏接層158、第二核心160、第二黏接層162、由(例如)聚醯亞胺建構之埋置式微型閥膜片164、第三黏接層166、第三核心168、第四黏接層170、第四核心172、第二金屬層174及第二鈍化層176形成基板102。將瞭解，此為一個可能基板組態且其他組態係可能的。換言之，只要該等層中之一者為埋置式微型閥膜片層，層之數目及類型即可改變。
第一鈍化層152及第二鈍化層176由諸如阻焊劑或其他合適聚合物之材料建構。第一鈍化層152及第二鈍化層176之目的為保護免於氧化及防止焊料橋接。
金屬層154及第二金屬層174可由諸如鍍ENIG之銅的金屬建構。第一金屬層154及第二金屬層174之目的為提供可線接合且可焊接的電路徑。
第一核心156、第二核心160、第三核心168及第四核心172由FR-4材料構成，但亦可使用諸如BT環氧樹脂或彈性聚醯亞胺之其他材料。第一核心156、第二核心160、第三核心168及第四核心172之目的是 為電絕緣金屬層及為成品PCB提供結構性支撐。
第一黏接層158、第二黏接層162、第三黏接層166及第四黏接層170由低流動性熱固性樹脂或B階環氧樹脂建構。第一黏接層158、第二黏接層162、第三黏接層166及第四黏接層170之目的為將基座102之鄰近層緊固在一起。
在一個態樣中，埋置式微型閥膜片164由例如大約0.5密耳(或較薄)之薄的金屬或半剛性聚合物片構成。亦可使用其他尺寸及材料。當內部壓力大於外部壓力超過預定值(壓力暫態)時，膜片164在161標記之箭頭之方向上朝上偏轉。當外部壓力比內部壓力大於預定臨界值(壓力暫態)時，膜片164將在163標記之箭頭所指示之方向上朝下偏轉。在任一偏轉中，膜片164阻斷經由埠110自麥克風之外部至內部或自內部至外部的空氣流動。預定值之壓差使膜片164移動(視差動方向而朝上或朝下)。當此壓差不存在時，膜片164不再阻斷埠110且聲音到達MEMS元件106。
現參看圖3，膜片164包括開口172及中心部分171。聲音通常自麥克風100之外部至MEMS元件106地流動穿過開口172。然而，當壓差超過預定值時，中心部分171朝上或朝下移動(取決於差動方向)以藉由堵塞埠110來聲學地密封埠110。
現參看圖4A、圖4B及圖4C，可看到膜片之組態可改變。在一個態樣中且如此等圖式中所展示，允許聲音進入麥克風的膜片中之開口的組態可改變。
在圖4A中，膜片164中之開口為「C」形開口165且包括支撐部分167。在圖4B中，膜片164中之開口為「C」形開口165且經簡單 支撐。在圖4C中，膜片中之開口包括多個開口169。將瞭解，此等組態僅為實例且其他組態係可能的。在所有實例中，當壓差超過預定值時，膜片164之中心部分171朝上或朝下移動(取決於差動方向)以藉由堵塞埠110來聲學地密封埠110。
現參看圖5，展示了外部壓力超過內部壓力達臨界值(壓力暫態出現或存在)之裝置100。在此狀況下，膜片164之堵塞部分171(中心部分)在161標記之箭頭所指示之方向上朝上彎曲，藉此密封或堵塞層156中之開口192，藉此聲學地密封埠110。
現參看圖6，展示了內部壓力超過外部壓力達臨介值之裝置100。在此狀況下，膜片164之堵塞部分171(中心部分)在163標記之箭頭之方向上朝下彎曲，藉此密封或堵塞層172中之開口194，藉此聲學地密封埠110。
本文中描述了本發明之較佳具體實施例，包括本發明者已知用於進行本發明的最佳模式。應理解，所說明具體實施例僅為例示性的，且不應將其視為限制本發明之範疇。

Claims (16)

  1. 一種微機電系統(MEMS)裝置，該裝置包含：一基座；一MEMS元件，其安置於該基座上；一罩蓋，該罩蓋封閉該基座上之該MEMS元件；一埠，其延伸穿過該基座，該MEMS元件安置於該埠上方；其中一膜片埋置於該基座內且具有跨該埠延伸之至少一些部分，使得在一打開位置中，該膜片允許聲能自該裝置之外部至該裝置之內部的傳遞，且使得在一閉合位置中，該膜片與該埠之一外表面接觸以至少部分地阻斷聲能自該裝置之該外部至該裝置之該內部的該傳遞。
  2. 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中該基座包含一印刷電路板。
  3. 如申請專利範圍第2項之MEMS裝置，其中該印刷電路板包含複數層且其中該膜片埋置於該複數層內。
  4. 如申請專利範圍第3項之MEMS裝置，其中該複數層係選自由以下各者組成之群組的可撓或剛性層：一鈍化層；一金屬層；一黏接層；及一核心。
  5. 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中該膜片包含一金屬片或一聚合物片中之一者或兩者。
  6. 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中該膜片包含一開口。
  7. 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中該開口為一C形開口。
  8. 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中該膜片包含多個開口。
  9. 一種微機電系統(MEMS)裝置，該裝置包含：一基座；一MEMS元件，其安置於該基座上；一罩蓋，該罩蓋封閉該基座上之該MEMS元件；一埠，其延伸穿過該基座，該MEMS元件安置於該埠上方；其中一膜片埋置於該基座內且具有延伸跨越該埠之至少一些部分，使得在該裝置之內部與該裝置之外部之間存在壓差之情況下，該膜片間歇地打開及閉合以保護該MEMS元件免於壓力及真空暫態。
  10. 如申請專利範圍第9項之MEMS裝置，其中該基座包含一印刷電路板。
  11. 如申請專利範圍第10項之MEMS裝置，其中該印刷電路板包含複數層且其中該膜片埋置於該複數層內。
  12. 如申請專利範圍第11項之MEMS裝置，其中該複數層係選自由以下各者組成之群組的可撓或剛性層：一鈍化層；一金屬層；一黏接層；及一核心。
  13. 如申請專利範圍第9項之MEMS裝置，其中該膜片包含一金屬片或一聚合物片中之一者或兩者。
  14. 如申請專利範圍第9項之MEMS裝置，其中該膜片包含一開口。
  15. 如申請專利範圍第9項之MEMS裝置，其中該開口為一C形開口。
  16. 如申請專利範圍第9項之MEMS裝置，其中該膜片包含多個開口。
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