TW202147867A

TW202147867A - 矽基麥克風裝置及電子設備

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Publication number: TW202147867A
Application number: TW110110374A
Authority: TW
Inventors: 雲龍王; 廣華吳; 藍星爍
Original assignee: 通用微(深圳)科技有限公司
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2021-12-16
Also published as: JP2023530638A; TWI824236B; CN113784266A; WO2021248928A1; EP4138414A4; EP4138414A1; KR20230003171A; US20230171551A1

Abstract

本發明提供了一種矽基麥克風裝置及電子設備，該矽基麥克風裝置包括：電路板、遮罩外殼以及至少兩個差分式矽基麥克風晶片；電路板上開設有至少兩個進聲孔；遮罩外殼罩合在電路板的一側，與電路板形成聲腔；矽基麥克風晶片均位於聲腔內；各差分式矽基麥克風晶片一一對應地設置於各進聲孔處，且每個差分式矽基麥克風晶片的背腔與對應位置處的進聲孔連通；各差分式矽基麥克風晶片均包括第一麥克風結構和第二麥克風結構，所有的第一麥克風結構電連接，所有的第二麥克風結構電連接。利用多個差分式矽基麥克風晶片可同時增加聲音信號與雜訊信號，由於聲音信號的變化量大於雜訊信號的變化量，從而可減小共模雜訊，提高信噪比和聲壓超載點，進而改善音質。

Description

矽基麥克風裝置及電子設備

本發明係有關於聲電轉換技術領域，具體而言，本發明特別是指一種矽基麥克風裝置及電子設備。

隨著無線通訊的發展，行動電話等終端使用者越來越多。用戶對行動電話的要求已不僅滿足於通話，而且要能夠提供高品質的通話效果，尤其是目前移動多媒體技術的發展，行動電話的通話品質更顯重要，行動電話的麥克風作為行動電話的語音拾取裝置，其設計好壞直接影響通話品質。目前應用較多的麥克風包括傳統的駐極體麥克風和矽基麥克風。

現有的矽基麥克風在獲取聲音信號時，通過麥克風中的矽基麥克風晶片受獲取的聲波作用而產生振動，該振動帶來可以形成電信號的電容變化，從而將聲波轉換成電信號輸出。但是，目前的矽基麥克風對外界雜訊的干擾處理仍不理想，信噪比提升有限，不利於提高音頻輸出效果。

本發明針對現有方式的缺點，提出一種矽基麥克風裝置及電子設備，以解決現有矽基麥克風信噪比不高的技術問題。

第一個方面，本發明實施例提供了一種矽基麥克風裝置，包括：電路板、遮罩外殼以及至少兩個差分式矽基麥克風晶片；該電路板上開設有至少兩個進聲孔；該遮罩外殼罩合在所述電路板的一側，與所述電路板形成聲腔；所述矽基麥克風晶片均位於所述聲腔內；各所述差分式矽基麥克風晶片一一對應地設置於各所述進聲孔處，且每個所述差分式矽基麥克風晶片的背腔與對應位置處的所述進聲孔連通；各所述差分式矽基麥克風晶片均包括第一麥克風結構和第二麥克風結構，所有的所述第一麥克風結構電連接，所有的所述第二麥克風結構電連接。

在一個可能的實現方式中，所述差分式矽基麥克風晶片包括矽基板，所述第二麥克風結構和第一麥克風結構層疊設置於該矽基板的一側；該矽基板具有用於形成該背腔的通孔，該通孔與該第一麥克風結構的主體、該第二麥克風結構的主體均對應；該矽基板的遠離該第二麥克風結構的一側與該電路板固連，該通孔與該進聲孔連通。

在一個可能的實現方式中，該差分式矽基麥克風晶片具體包括依次層疊設置的下背極板、半導體振膜和上背極板；該上背極板和該半導體振膜之間、以及該半導體振膜和該下背極板之間均具有間隙；該上背極板和該下背極板對應於該通孔的區域均設置有氣流孔；該上背極板與該半導體振膜構成該第一麥克風結構的主體；該半導體振膜與該下背極板構成該第二麥克風結構的主體。

在一個可能的實現方式中，所有的該第一麥克風結構的上背極板電連接，用於形成第一路信號；所有的該第二麥克風結構的下背極板電連接，用於形成第二路信號。

在一個可能的實現方式中，所有的該差分式矽基麥克風晶片的半導體振膜電連接，且該半導體振膜用於與恒壓源電連接。

在一個可能的實現方式中，該矽基麥克風裝置還包括控制晶片；該控制晶片位於該聲腔內，與該電路板連接；該上背極板與該控制晶片的一個信號輸入端電連接；該下背極板與該控制晶片的另一個信號輸入端電連接。

在一個可能的實現方式中，該上背極板包括上背極板電極，所有的該第一麥克風結構的上背極板通過該上背極板電極電連接；

和/或，該下背極板包括下背極板電極，所有的該第二麥克風結構的下背極板通過該下背極板電極電連接；

和/或，該半導體振膜包括半導體振膜電極，所有的該半導體振膜通過該半導體振膜電極電連接。

在一個可能的實現方式中，該差分式矽基麥克風晶片還包括圖案化的：第一絕緣層、第二絕緣層以及第三絕緣層；

該矽基板、該第一絕緣層、該下背極板、該第二絕緣層、該半導體振膜、該第三絕緣層以及該上背極板，依次層疊設置。

在一個可能的實現方式中，該矽基麥克風裝置具有如下任意一種或幾種特徵：該差分式矽基麥克風晶片通過矽膠與該電路板固定連接；該遮罩外殼包括金屬外殼，該金屬外殼與該電路板電連接；該遮罩外殼通過錫膏或導電膠與該電路板的一側固連；該電路板包括印製電路板。

第二個方面，本發明實施例還提供了一種電子設備，包括：如第一個方面該的矽基麥克風裝置。

本發明實施例提供的技術方案帶來的有益技術效果是：

本發明實施例提供的矽基麥克風裝置，通過設置至少兩個差分式矽基麥克風晶片，且各差分式矽基麥克風晶片的第一麥克風結構均電連接、同時各差分式矽基麥克風晶片的第二麥克風結構均電連接，當同一聲波源從各進聲孔分別進入各差分式矽基麥克風晶片的背腔時，各第一麥克風結構受同一聲波所產生的電容變化量幅度相等，符號相同；同樣地，各第二麥克風結構受同一聲波所產生的電容變化幅度相同，符號相同，利用多個差分式矽基麥克風晶片可同時增加聲音信號與雜訊信號，由於聲音信號的變化量大於雜訊信號的變化量，從而可減小共模雜訊，提高信噪比和聲壓超載點，進而改善音質。

本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐瞭解到。

100:電路板

110:進聲孔

200:遮罩外殼

210:聲腔

300:差分式矽基麥克風晶片

301:背腔

310:第一麥克風結構

311:上背極板

311a:上氣流孔

311b:上背極板電極

312:上氣隙

320:第二麥克風結構

321:下背極板

321a:下氣流孔

321b:下背極板電極

322:下氣隙

330:半導體振膜

331:半導體振膜電極

340:矽基板

341:通孔

350:第一絕緣層

360:第二絕緣層

370:第三絕緣層

380:導線

400:控制晶片

本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

第1圖為根據本發明實施例的矽基麥克風裝置的內部結構示意圖；

第2圖為根據本發明實施例的矽基麥克風裝置中的單個差分式矽基麥克風晶片的結構示意圖；

第3圖為根據本發明實施例的矽基麥克風裝置中的兩個差分式矽基麥克風晶片的連接示意圖。

下面詳細描述本發明，本發明的實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的部件或具有相同或類似功能的部件。此外，如果已知技術的詳細描述對於示出的本發明的特徵是不必要的，則將其省略。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。

本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)，具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語，應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非像這裡一樣被特定定義，否則不會用理想化或過於正式的含義來解釋。

本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這裡使用的單數形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括複數形式。應該進一步理解的是，本發明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或元件，但是並不排除存在或添加一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、元件和/或它們的組。這裡使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關聯的列出項的全部或任一單元和全部組合。

下面以具體地實施例對本發明的技術方案以及本發明的技術方案如何解決上述技術問題進行詳細說明。

如第1圖所示，本發明實施例提供了一種矽基麥克風裝置，包括：電路板100、遮罩外殼200以及至少兩個差分式矽基麥克風晶片300(圖中僅示出了兩個差分式矽基麥克風晶片300)。遮罩外殼200罩合在電路板100的一側，並且與電路板100形成矽基麥克風裝置的聲腔210。

其中，電路板100上開設有至少兩個進聲孔110(圖中僅示出了兩個進聲孔110)，進聲孔110貫穿於電路板100，保證外部聲源從進聲孔110進入差分式矽基麥克風晶片300。各差分式矽基麥克風晶片300均位於聲腔210內，差分式矽基麥克風晶片300與進聲孔110一一對應設置，且每個差分式矽基麥克風晶片300的背腔301與對應位置處的進聲孔110連通。

各差分式矽基麥克風晶片300均包括第一麥克風結構310和第二麥克風結構320，所有的第一麥克風結構310電連接，所有的第二麥克風結構320電連接。

在本實施例提供的矽基麥克風裝置中，通過設置至少兩個差分式矽基麥克風晶片300，且各差分式矽基麥克風晶片300的第一麥克風結構310均電連接、同時各差分式矽基麥克風晶片300的第二麥克風結構320均電連接，當同一聲波源從各進聲孔110分別進入各差分式矽基麥克風晶片300的背腔301時，各第一麥克風結構310受同一聲波所產生的電容變化量幅度相等，符號相同；同樣地，各第二麥克風結構320受同一聲波所產生的電容變化幅度相同，符號相同，利用多個差分式矽基麥克風晶片300可同時增加聲音信號與雜訊信號，由於聲音信號的變化量大於雜訊信號的變化量，從而可減小共模雜訊，提高信噪比和聲壓超載點，進而改善音質。

具體地，當多個差分式矽基麥克風晶片300的電容變化幅度疊加後，靈敏度(對應聲音信號)的增加量是雜訊信號增加量的一倍，以增加的聲音信號所對應的電容變化量為2為例進行說明，靈敏度信號(對應聲音信號)增加是20*log(2)=6dB，以log(2)等於0.3進行計算；雜訊信號增加是

。因此，增加的信噪比=靈敏度-雜訊信號=3dB。其中，單位dB表示分貝。

本實施例中，差分式矽基麥克風晶片300的背腔301為聲波源的入口，聲波從背腔301進入差分式矽基麥克風晶片300的第二麥克風結構320和第一麥克風結構310，可分別引起第二麥克風結構320和第一麥克風結構310的電容變化，從而將聲信號轉變為電信號。在一種實施方式中，背腔301的橫截面形狀可以為圓形、橢圓形或者方形。

需要說明的是，第1圖中的矽基麥克風裝置僅示例為兩個差分式矽基麥克風晶片300。兩個差分式矽基麥克風晶片300分別為第一差分式矽基麥克風晶片和第二差分式矽基麥克風晶片，對應的進聲孔110為第一進聲孔和第二進聲孔。其中，第1圖中左側的差分式矽基麥克風晶片300為第一差分式矽基麥克風晶片，右側的差分式矽基麥克風晶片300為第二差分式矽基麥克風晶片。

具體地，第一差分式矽基麥克風晶片的第一麥克風結構310與第二差分式矽基麥克風晶片的第一麥克風結構310電連接，第一差分式矽基麥克風晶片的第二麥克風結構320與第二差分式矽基麥克風晶片的第二麥克風結構320電連接。其中，各差分式矽基麥克風晶片300中的第一麥克風結構310與第二麥克風結構320與電路板100的相對位置關係一致。

在一種實施方式中，電路板100為印製電路板100，由於印製電路板100為剛性結構，具有承載遮罩外殼200以及差分式矽基麥克風晶片300的結構強度。

在一種實施方式中，為了提高對聲腔210內的差分式矽基麥克風晶片300遮罩電磁干擾的作用，遮罩外殼200通常是採用導電的金屬材料製造而成的金屬外殼。

在一種實施方式中，遮罩外殼200通過錫膏或導電膠與電路板100固連，從而形成電連接，可防止外部干擾。

在一些實施例中，結合第1圖和第2圖所示，差分式矽基麥克風晶片300還包括矽基板340，第二麥克風結構320和第一麥克風結構310層疊設置在矽基板340的一側。

矽基板340上具有用於形成背腔301的通孔341，該通孔341與第一麥克風結構310的主體、以及第二麥克風結構320的主體均對應，以保證從通孔341進入的聲波能夠引起第一麥克風結構310和第二麥克風結構320的電容變化。

矽基板340的遠離第二麥克風結構320的一側與電路板100固連，且通孔341與對應位置處的進聲孔110連通，使得聲音能夠從進聲孔110進入到背腔301內。

本實施例中，電路板100上的進聲孔110與差分式矽基麥克風晶片300的背腔301相連通，聲音通過進聲孔110導入到差分式矽基麥克風晶片300的半導體振膜330，引起半導體振膜330的振動而產生聲音信號。

在一些實施例中，繼續參閱第1圖和第2圖，差分式矽基麥克風晶片300還包括下背極板321、半導體振膜330和上背極板311。其中，下背極板321、半導體振膜330和上背極板311層疊設置在矽基板340的遠離電路板100的一側。

上背極板311和半導體振膜330之間、以及半導體振膜330和下背極板321之間均具有間隙。上背極板311和下背極板321對應于通孔341的區域均設置有氣流孔。上背極板311和半導體振膜330存在間隙以充當電容結構，從而構成第一麥克風結構310的主體。同樣地，半導體振膜330和下背極板321之間存在間隙以充當電容結構，從而構成第二麥克風結構320的主體。

具體地，半導體振膜330可以與上背極板311平行佈置並由上氣隙312隔開，從而形成第一麥克風結構310；半導體振膜330可以與下背極板321平行佈置並由下氣隙322隔開，從而形成第二麥克風結構320。可以理解的是，半導體振膜330與上背極板311之間、以及半導體振膜330與下背極板321之間均用於形成電場(不導通)。由於半導體矽基板340上設有用於形成背腔301的通孔341，這樣聲波通過背腔301、下背極板321上的下氣流孔321a與半導體振膜330接觸。

在一種實施方式中，半導體振膜330的製備材料可以為多晶矽材料，半導體振膜330的厚度小於1微米，在較小的聲波作用下也會產生變形，靈敏度較高。上背極板311和下背極板321一般都是採用剛性較強、且厚度遠大於半導體振膜330的厚度的材料製造而成，而且在上背極板311上刻蝕有多個上氣流孔311a並且在下背極板321上刻蝕有多個下氣流孔321a。因此，當半導體振膜330受聲波作用產生形變時，上背極板311和下背極板321都不會受到影響而產生形變。

對於單個差分式矽基麥克風晶片300而言，通過在半導體振膜330與上背極板311之間施加偏壓後，在第一麥克風結構310的上氣隙312內就會形成上電場。同樣，通過在半導體振膜330與下背極板321之間施加偏壓後，在第二麥克風結構320的下氣隙322內就會形成下電場。由於上電場和下電場的極性正好相反，當半導體振膜330受聲波作用而上、下彎曲時，第一麥克風結構310的電容變化量與第二麥克風結果的電容變化量幅度相同、符號相反。

在一種實施方式中，矽基板340的遠離下背極板321的一側通過矽膠與電路板100固連。

在一些實施例中，如第2圖所示，矽基板340與下背極板321之間、下背極板321與半導體振膜330之間、以及半導體振膜330與上背極板311之間均絕緣佈置。

具體地，下背極板321與矽基板340之間通過圖案化的第一絕緣層350隔開，而半導體振膜330與下背極板321之間通過圖案化的第二絕緣層360隔開，半導體振膜330與上背極板311之間通過圖案化的第三絕緣層370隔開，使得矽基板340、第一絕緣層350、下背極板321、第二絕緣層360、半導體振膜330、第三絕緣層370以及上背極板311，依次層疊設置。

在一種實施方式中，第一絕緣層350、第二絕緣層360以及第三絕緣層370均可在全面成膜後通過刻蝕工藝實現圖案化，去除對應通孔341區域的絕緣層以及用於製備電極的區域的絕緣層。

在一些實施例中，如第3圖所示，對於矽基麥克風裝置中的多個差分式矽基麥克風晶片300，所有的第一麥克風結構310的上背極板311電連接，用於形成第一路信號；所有的第二麥克風結構320的下背極板321電連接，用於形成第二路信號。

具體地，第一路信號為所有第一麥克風結構310的上背極板311電連接之後的信號，該信號為各第一麥克風結構310的上背極板311與其對應的半導體振膜330之間的電容變化量的總和，並作為差分式信號處理晶片的一個輸入。第二路信號為所有的第二麥克風結構320的下背極板321電連接之後的信號，該信號為各第二麥克風結構320的下背極板321與其對應的半導體振膜330之間的電容變化量的總和，並作為差分式信號處理晶片的另一個輸入。

在一些實施例中，所有的差分式矽基麥克風晶片300的半導體振膜330電連接，且半導體振膜330用於與恒壓源電連接，以便於在第一麥克風結構310和第二個結構內形成穩定的電場。在一種實施方式中，恒壓源可以為零電壓。

在上述各實施例的基礎上，如第1圖所示，矽基麥克風裝置還包括控制晶片400，該控制晶片400位於聲腔210內，並且與電路板100連接。控制晶片400作為差分式信號處理的核心部件，可由其中一個第一麥克風結構310的上背極板311與該控制晶片400的一個信號輸入端電連接，從而將第一路信號接入該控制晶片400的輸入端；其中一個第一麥克風結構310的下背極板321與該控制晶片400的另一個信號輸入端電連接，從而將第二路信號接入該控制晶片400的輸入端。由該控制晶片400對這兩路信號進行差分信號處理，以提高信噪比。

在一種實施方式中，控制晶片400採用專用積體電路 (ASIC，Application Specific Integrated Circuit)晶片，ASIC晶片可根據麥克風的設計需求進行定制。ASIC晶片為差分放大信號處理晶片，並預留供第一路信號和第二路信號接入的引腳。

在一種實施方式中，控制晶片400通常也是通過矽膠或紅膠固定在電路板100上。

在一些實施例中，如第3圖所示，上背極板311包括上背極板電極311b，所有的第一麥克風結構310的上背極板電極311b通過導線380電連接。

在一種實施方式中，下背極板321包括下背極板電極321b，所有的第二麥克風結構320的下背極板電極321b通過導線380電連接。

在一種實施方式中，半導體振膜330包括半導體振膜電極331，所有的半導體振膜電極331通過導線380電連接。

對於單個差分式矽基麥克風晶片300而言，通過在半導體振膜330與上背極板311之間施加偏壓後，在第一麥克風結構310的上氣隙312內就會形成上電場，具體可通過在與半導體振膜330相連的振膜電極、以及與上背極板311相連的上背極板電極311b上施加偏壓。同樣，通過在半導體振膜330與下背極板321之間施加偏壓後，在第二麥克風結構320的下氣隙322內就會形成下電場，具體可通過在與半導體振膜330相連的振膜電極、以及與下背極板321相連的下背極板電極321b上施加偏壓。由於上電場和下電場的極性正好相反，當半導體振膜330受聲波作用而上、下彎曲時，第一麥克風結構310的電容變化量與第二麥克風結果的電容變化量幅度相同、符號相反。

在第3圖示例的兩個差分式矽基麥克風晶片300的連接方式中，第一差分式矽基麥克風晶片(左側)的半導體振膜電極331與第二差分式矽基麥克風晶片(右側)的半導體振膜電極331之間通過導線380實現電連接；第一差分式矽基麥克風晶片的上背極板電極311b與第二差分式矽基麥克風晶片的上背極板電極311b之間通過導線380實現電連接；第一差分式矽基麥克風晶片的下背極板電極321b與第二差分式矽基麥克風晶片的下背極板電極321b之間通過導線380實現電連接。

當從第一進聲孔進入的第一聲波與從第二進聲孔進入的第二聲波為同一個聲波源時，根據本發明實施例的兩個差分式基麥克風晶片的連接方式，第一差分式矽基麥克風晶片的第一麥克風結構310受第一聲波所產生的電容變化量、與第二差分式矽基麥克風晶片的第一麥克風結構310受第二聲波所產生的電容變化量幅度相等、符合相同。同理，第一差分式矽基麥克風晶片的第二麥克風結構320受第一聲波所產生的電容變化量、與第二差分式矽基麥克風晶片的第二麥克風結構320受第二聲波所產生的電容變化量幅度相等、符合相同。由於兩個第一麥克風結構310並聯相接並且兩個第二麥克風結構320並聯相接，採用本實施例的兩顆差分式矽基麥克風晶片300所封裝的矽基麥克風裝置，可以增大聲音信號與雜訊信號的比值，從而減小共模雜訊，進而實現更高的矽基麥克風信噪比。

需要說明的是，本發明上述各實施例中的矽基麥克風裝置採用單振膜(如：半導體振膜330)、雙背極(如：上背極板311和下背極板321)所實現的差分式矽基麥克風晶片300來示例。其中，差分式矽基麥克風晶片300除了單振膜、雙背極的設置方式之外，也可以是雙振膜、單背極的方式，或者是其他的差分式結構。

基於同一發明構思，本發明實施例還提供了一種電子設備，包括：前述各實施例中的矽基麥克風裝置。

本實施例提供的電子設備，包括了具有至少兩個差分式矽基麥克風晶片300的矽基麥克風裝置，該矽基麥克風裝置中，各差分式矽基麥克風晶片300的第一麥克風結構310均電連接、同時各差分式矽基麥克風晶片300的第二麥克風結構320均電連接，可同時增加聲音信號與雜訊信號，由於聲音信號的變化量大於雜訊信號的變化量，從而可減小共模雜訊，提高信噪比。

在一種實施方式中，上述實施例中的電子設備可以是手機、錄音筆或者翻譯機。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水準”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本說明書的描述中，具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

以上所述僅是本發明的部分實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。