TWI520625B - 具振膜支撐結構的聲波傳感器 - Google Patents

Description

具振膜支撐結構的聲波傳感器

本發明為一種微機電麥克風內的聲波傳感器，特別是一種具有複數個振膜且能彼此獨立運作的聲波傳感器。

微機電麥克風具有體積小以及製程容易的優點，因此大量運用於手機。而一般習知的聲波傳感器結構，請參考第7圖。此聲波傳感器80具有一基板81、一背板82以及一振膜83，振膜83覆蓋在基板81的開孔811上，而背板82設置於基板81上並且和振膜83之間有一層空氣間隙84。電極單元85設置在背板82上並且具有一固定部821圍繞固定振膜83的外周緣，而固定部821可為一空心柱體或是複數個凸塊圍繞形成。因此當聲波傳感器80接收到聲波時，振膜83能夠振動並改變其與電極單元85之間的距離，進而造成電容的改變。

然而，隨著智慧型手機的發展，手機為了能支援影片拍攝等功能，因此對於裝載於手機的麥克風不僅要求體積極小化，並且對於聲音品質的要求也日益增高，特別是希望聲波傳感器在接收不同聲壓位準(SPL)的聲音時，均能維持一定的靈敏度與訊噪比。聲波傳感器的振膜所能接收聲音的動態範圍(Dynamic Range)取決於許多因素，例如振膜的材質、振膜厚度、寬度與面積等。而在製程上，如果改變振膜的幾何形狀(例如寬度、 厚度或面積)來對應地反應不同聲壓位準的聲音並維持一定的靈敏度與訊噪比，是屬於相對簡單的作法。然而，如果想提升聲波傳感器接收聲音的動態範圍，往往需要設置複數個振膜，若考慮到節省材料以及麥克風的體積極小化等因素而讓不同幾何形狀的振膜設置在一起，卻容易衍生出振膜之間互相干擾的問題，讓聲波傳感器的設計者在不增加振膜的總面積並維持一定程度的靈敏度與訊噪比的情況下，難以簡單地藉由改變振膜的幾何形狀來提升聲波傳感器所接收聲音的動態範圍。

有鑑於此，本創作之主要目的在於提供一種聲波傳感器，其振膜具有複數個振動部，能各自獨立運作並具有不同的幾何形狀，讓設計者在不增加振膜的總面積並維持一定程度的靈敏度與訊噪比的情況下，能簡單地藉由改變振膜的幾何形狀來提升接收聲音的動態範圍。

為了達成上述目的，本發明提供了一種具振膜支撐結構的聲波傳感器，其具有一基板、一振膜以及一背板，振膜覆蓋基板的一開孔並具有相連的複數個振動部，聲波傳感器具有一連接部設於背板與振膜之間並連接任二相鄰的振動部的交接處，使各振動部能獨立產生振動。

藉此，各振動部彼此獨立振動且互不影響，讓設計者在不增 加振膜的總面積並維持一定程度的靈敏度與訊噪比的情況下，能簡單地藉由改變振膜的幾何形狀來提升接收聲音的動態範圍。

較佳地，背板具有一固定部圍繞固定振膜的外周緣。

較佳地，開孔為一圓孔。

較佳地，振動部之交接處皆呈一圓形。

較佳地，連接部為複數個實心圓柱體沿振動部的交接處排列而成。

較佳地，聲波傳感器更具有複數個彈性件環設於振動部的周緣。

1‧‧‧聲波傳感器

10‧‧‧基板

11‧‧‧矽底層

12‧‧‧絕緣層

13‧‧‧鏤空槽

14‧‧‧開孔

20‧‧‧振膜

21‧‧‧振動部

211‧‧‧內振動部

212‧‧‧外振動部

30‧‧‧背板

31‧‧‧連接部

32‧‧‧固定部

33‧‧‧音孔

40‧‧‧電極單元

50‧‧‧彈性件

W‧‧‧短邊長

L1、L2‧‧‧邊長

G‧‧‧空氣間隙

80‧‧‧聲波傳感器

81‧‧‧基板

811‧‧‧開孔

82‧‧‧背板

821‧‧‧固定部

83‧‧‧振膜

84‧‧‧空氣間隙

85‧‧‧電極單元

第1圖為本發明第一實施例聲波傳感器的橫斷面剖視圖。

第2圖為本發明第一實施例聲波傳感器以第1圖中2-2剖視線的縱斷面剖視圖。

第3圖為本發明第一實施例聲波傳感器的剖視圖，用以說明連接部呈一中空圓柱體的情況。

第4圖為本發明第一實施例聲波傳感器的局部立體示意圖。

第5圖為本發明第二實施例聲波傳感器的剖視圖。

第6圖為第5圖沿6-6剖視線的剖視圖。

第7圖為習知的聲波傳感器的剖視圖。

為了能更瞭解本發明之特點所在，本發明提供了一第一實施例並配合圖示說明如下，請參考第1至3圖。本發明之聲波傳感器1的主要元件包含有一基板10、一振膜20以及一背板30，各元件的結構以及相互間的關係詳述如下：請參考第1圖，基板10為一矽底層11以及佈設於矽底層11上方的一絕緣層12所構成，基板10具有一鏤空槽13貫穿基板10的二面並且鏤空槽13在絕緣層12上形成一呈圓形的開孔14，以供聲波通過。

振膜20設置於基板10上並且覆蓋開孔14，振膜20具有複數個振動部21且各振動部21彼此相連。在本實施例中，振膜20為圓形且振動部21的數量為二，其分別為一呈圓形的內振動部211以及一呈圓環形並圍繞在內振動部211的外周緣的外振動部212，並且振膜20的厚度實質上相等但幾何形狀不同。

須說明的是，內振動部211以及外振動部212不一定侷限於圓形及其相對應的圓環形的組合，其可為一矩形以及一外圓內方的圓環形，或是其他幾何形狀的組合，而開孔14不一定為圓形，亦可為一方形或其他幾何形狀。

背板30罩設於基板10的上方，並且背板30與基板10之間具有一層空氣間隙G。而背板30具一連接部31，從背板30面對基板10的一面朝振膜20延伸形成，並且連接內振動部211與外振動部212的交接處，在本實施例中，連接部31為複數個圓柱體圍繞在內振動部211與外振動部212的交接處(如第2圖)。連接部31亦可為複數個四角柱體，或是呈一中空圓柱體的形狀(如第3圖)。背板30另開設有複數個音孔33，以供聲波通過，其開設數目可依實際需要改變，並且依照封裝方式的不同，聲波傳感器1亦可改為從音孔33到振膜20傳播聲波。此外，振膜20的外周緣雖然已經牢固地連接在基板10上，但本實施例選用了一固定部32圍繞固定在振膜20的外周緣使連接部31直接地且更牢固地連接背板30與振膜20，本領域技術人員可視實際需要，省略固定部32或是選擇讓背板30的二側在振膜20以外的地方連接基板10。

此外，前述實施例之連接部31亦可改由振膜20朝向背板30 延伸，連接於內振動部211與外振動部212的交接處，可以達成同樣的技術效果。

當聲波經過鏤空槽13到達振膜20，內振動部211與外振動部212將相對於基板10作垂直振動，使其與設置於背板30上的電極單元40之間的距離產生變化，進而造成電容的變化。因為連接部31連接了背板30以及內振動部211與外振動部212的交接處，因此內振動部211的振動不會傳遞至外振動部212，反之亦然，使得內振動部211與外振動部212皆能獨立作垂直振動而彼此互不干擾(如第4圖)。同時因為內振動部211與外振動部212的厚度實質上相等，因此各振動部21的剛性將取決於其幾何形狀，而對於不同剛性的振動部21其所能靈敏地反應出聲波的動態範圍亦不同，因此聲波感測器的設計者可以簡單地藉由改變各振動部21的幾何形狀，調控出設計者所欲接收聲音的動態範圍並維持一定程度的靈敏度與訊噪比，進而提升所能接收聲音的動態範圍。

須說明的是，本發明係在同一個振膜20劃分出不同幾何形狀的振動部21，因此振膜20所需的總面積不需要增加。而因為各振動部21的面積較原本的振膜小，因此連帶地使各振動部21的剛性增加並造成振動部21的靈敏度降低，為此，聲波感測器1設計者可以選擇在各振動部21的周緣設置複數個彈性件50，並讓彈性件50朝背板30方向形變的彈性係數小於振動部21朝背板30方向形變的彈性係數，讓設計者在調控所欲接收聲音的動態範圍時能有更多的方式。

另外，各振動部21範圍的界定係以連接部31在振膜20上的連接處以及振膜20的外周緣的連接處二者所分隔劃分，使各振動部21能獨立 產生振動。在本實施例中，各振動部21為彼此互相連接而可形成一完整的振膜20，但是，若振動部21的交界處實際上有分割，而各振動部21全部的周緣為被連接部31固定，或是部分周緣被固定在基板10上且部分周緣被連接部31固定，而使各振動部21能獨立產生振動，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

本發明另提供一第二實施例，請參考第5至6圖，其主要元件與第一實施例相同而其主要的差異在於開孔14為方孔並且振膜20呈矩形，而連接部31為複數個圓柱體以平行於一短邊長W方向直線排列於二呈矩形的振動部21的交接處，並且二振動部21的厚度實質上相等且具有不同的長寬比，因此聲波感測器的設計者可以更簡單地控制二振動部21的邊長(L1&L2)調控出設計者所欲接收聲音的動態範圍。

最後，必須再次說明的是，本創作於前述實施例中所揭露的構成元件僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，舉凡其他易於思及的結構變化，或與其他等效元件的替代變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

1‧‧‧聲波傳感器

10‧‧‧基板

11‧‧‧矽底層

12‧‧‧絕緣層

13‧‧‧鏤空槽

14‧‧‧開孔

20‧‧‧振膜

21‧‧‧振動部

211‧‧‧內振動部

212‧‧‧外振動部

30‧‧‧背板

31‧‧‧連接部

32‧‧‧固定部

33‧‧‧音孔

40‧‧‧電極單元

50‧‧‧彈性件

G‧‧‧空氣間隙

Claims (10)

1. 一種具振膜支撐結構之聲波傳感器，包含一基板、一振膜以及一背板，該振膜設於該基板上並覆蓋該基板之一開孔，其特徵在於：該振膜具有相連的複數個振動部，該聲波傳感器還具有一連接部設於該背板與該振膜之間，並連接任二相鄰之該等振動部之交接處，使各該等振動部能獨立產生振動，且各振動部之幾何形狀互不相同。
2. 如請求項1所述之具振膜支撐結構之聲波傳感器，其中該背板更具有一固定部圍繞固定該振膜之外周緣。
3. 如請求項1所述之具振膜支撐結構之聲波傳感器，其中該等振動部之交接處皆呈一圓形。
4. 如請求項1所述之具振膜支撐結構之聲波傳感器，其中該連接部為複數個實心柱體沿該等振動部之交接處排列而成。
5. 如請求項1所述之具振膜支撐結構之聲波傳感器，其中該連接部為一中空圓柱體。
6. 如請求項1所述之具振膜支撐結構之聲波傳感器，其中該聲波傳感器更具有複數個彈性件環設於該等振動部之周緣。
7. 如請求項1所述之具振膜支撐結構之聲波傳感器，其中該開孔為一圓孔。
8. 如請求項1所述之具振膜支撐結構之聲波傳感器，其中該開孔為一方孔。
9. 如請求項1所述之具振膜支撐結構之聲波傳感器，其中該等振動部皆呈矩形且具有不同的長寬比。
10. 如請求項1所述之具振膜支撐結構之聲波傳感器，其中該等振動部之數量為二。