專利名稱：電容麥克風組件的制作方法
技術領域：
本申請涉及一種麥克風，并尤其涉及一種電容麥克風組件，如由半導體器件制成的具有一體的墊塊的背板。
背景技術：
電容器或電容麥克風廣泛用于音頻、電子和檢測儀表工業(yè)中。電容器麥克風包括柔性隔膜或薄膜，以及剛性的背板，該背板包括一個或多個開口。麥克風的薄膜和背板一起形成電容器(capacitor)，這也稱為轉(zhuǎn)換電容器(condenser)。當聲波撞擊薄膜時，薄膜運動，導致薄膜和背板之間的氣隙的高度變化。這個間隙變化造成薄膜和背板形成的電容器的電容變化。如果在電容器上維持固定的或受控的電荷Q，將橫跨電容器形成一電壓，那么這個電壓將與氣隙高度變化成比例地變化。如在現(xiàn)有技術中公知的，傳統(tǒng)隔膜由金屬膜或金屬化的聚合物薄膜構(gòu)成。
對于各種用途，希望制造小型、高質(zhì)量的電容麥克風。如在現(xiàn)有技術中公知的，背板中的開口可以通過鉆或沖孔形成。隨著孔變得越來越小，要控制這個孔的精確尺寸和位置變得愈加困難，而這是關鍵所在。
如在現(xiàn)有技術中公知的，包括隔膜在內(nèi)的整個電容麥克風可以通過微型電子機械系統(tǒng)(MEMS)制造方法形成在硅襯底上，這是基于硅集成電路制造工藝形成機械部件。例如，美國專利5889872公開了一種用半導體加工工藝形成的電容麥克風。作為加工過程的一部分，通過在氮化硅層上施加多晶硅層而形成隔膜，多晶硅層得以構(gòu)圖或蝕刻以形成隔膜。
美國專利5870482解釋了與使硅晶片制造的隔膜保持高度柔順性并精確定位該隔膜相關的挑戰(zhàn)。該專利公開了另一種具有半導體支承結(jié)構(gòu)的固態(tài)電容麥克風。
美國專利6075867公開了一種具有多個隔膜的微型機械麥克風。為了解決潮濕、灰塵和污垢的問題，這種麥克風在變換器的每一側(cè)上包括兩個密封薄膜。然而，在探測變換器之前的周邊薄膜會影響音頻特性，如信噪比、頻響和靈敏度。
通過MEMS工藝形成完整的電容麥克風極其困難并且成本高。此外，完全由MEMS工藝形成的電容麥克風經(jīng)常呈現(xiàn)出較差的音頻和可靠性特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過一種如下的麥克風組件解決多個上述問題，該麥克風組件包括殼體、安裝在殼體內(nèi)的半導體背板和位于背板之上的柔性隔膜。半導體墊塊與背板一體形成并在背板和隔膜中間。背板和墊塊與隔膜、隔膜框架或殼體不是一體形成的。隔膜在隔膜框架上伸展并粘性地固定于后者上。隔膜框架保持隔膜中的張力。隔膜由金屬膜或金屬化的聚合物薄膜構(gòu)成，且隔膜既是電容性電聲變換器的保護性外界屏障，又是該變換器的探測電極。殼體可以由金屬制成，而背板由硅制成。墊塊還可以包括電絕緣層，如二氧化硅或含氟聚合物。
背板包括頂部、底部和側(cè)部，以及多個從背板的頂部延伸到背板的底部的開口。在一個實施例中，多個開口沿著背板的側(cè)部定位，并從墊塊徑向向外。背板可以是圓形的、三角形的或其他所需形狀。墊塊可以由環(huán)形側(cè)壁、一系列弧形側(cè)壁、一系列弧形延伸部或矩形側(cè)壁構(gòu)成。
殼體包括上唇部，而隔膜框架包括相對上唇部定位的金屬環(huán)。該組件還包括背板底部上的金屬觸點。此外，本發(fā)明可以包括定位于背板和殼體下部之間的彈簧。
另外，本發(fā)明可以包括連接到殼體和背板上的晶體管。麥克風組件還可以包括耦合到背板上的特定用途集成電路(ASIC)，而ASIC可以包括晶體管。
本發(fā)明的這些以及其他新穎的優(yōu)點、細節(jié)、實施例、特征和目的將從隨后在此列出的本發(fā)明的詳細描述、所附的權利要求書、以及附圖中由本領域技術人員理解到，這些詳細描述、權利要求書和附圖可用來解釋本發(fā)明。


在下文和附圖中，遍及若干視圖，類似的附圖標記標示類似的元件，
本發(fā)明將參照所圖示的實施例加以解釋，圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明制造的麥克風組件的第一實施例的透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明制造的麥克風組件的一部分的透視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明制造的背板的第一實施例的平面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明制造的背板的第二實施例的平面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明制造的背板的第三實施例的平面圖；圖5A是圖5中由區(qū)域104所示的部分的放大圖；以及圖6是根據(jù)本發(fā)明制造的背板的第四實施例的平面圖。
具體實施例方式
參照圖1和2，在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明包括一個與背板12分離開的薄膜或隔膜10。隔膜10是柔性的并暴露于空氣中。保護性隔柵(未示出)可以安裝在隔膜10之上。隔膜10由公知的用于構(gòu)造麥克風隔膜的材料，如金屬膜或金屬化聚合物薄膜制成。
背板12是剛性的或固定的。與背板12一體形成的是墊塊，例如在圖1中在標號14處示出，且在圖2中在標號15處示出。隔膜10與背板12分離開一個狹窄的氣隙13(僅在圖2中示出)，該氣隙由墊塊14、15限定。背板12和墊塊14例如由半導體材料、如硅，通過批處理技術制造。參照圖1，墊塊14的頂部區(qū)域28包括一層電絕緣材料，如二氧化硅或含氟聚合物，如特氟隆。類似地，參照圖2，墊塊15的頂部區(qū)域30包括類似的絕緣層。墊塊可以采取多種形狀的形式，如側(cè)壁或凸脊。
薄膜10和背板12形成一個電容器，公知為轉(zhuǎn)換電容器(condenser)。當聲波撞擊到薄膜10時，薄膜運動，導致薄膜10和背板12之間的氣隙13高度變化。這個間隙變化造成薄膜10和背板12所形成的電容器的電容變化。如果在電容器上保持固定的或受控的電荷Q，橫跨電容器將形成電壓，而該電壓將與氣隙13的高度變化成比例地變化。隔膜10在隔膜框架16上伸展，并膠合地或粘著地固定到隔膜框架16上。隔膜框架16保持隔膜10中的張力。隔膜框架16定位在墊塊14和殼體20的上邊緣18之間。殼體20是公知的殼體，不通過批處理技術制造，并優(yōu)選地由金屬，而不是硅制成。殼體20作用為電接地。背板12可以包括由箭頭22、24和26指出的開口或孔。這些開口允許空氣從背板12之上的區(qū)域穿行到背板12之下的區(qū)域。
圖1所示的背板12是矩形或正方形的。背板通過定位座32位于殼體20中。背板12和定位在32之間的開口34也允許空氣從背板12之上的區(qū)域穿行到背板12之下的區(qū)域。在一個實施例中，諸如金屬的材料可以選擇性淀積到附圖標記40所標示的圓形部分內(nèi)。
參照圖2，彈簧42用于將背板12機械地偏壓到殼體20的底部44上，后者為一個PC板。彈簧42使得背板12的墊塊15推入到隔膜10和隔膜框架或環(huán)16中，該墊塊15隨后壓在殼體20的上邊緣或唇部18上。以這種方式，隔膜耦接到墊塊15上。從而，彈簧42、隔膜框架16、殼體20的上唇部18、殼體20和PC板44一起配合，以將隔膜固定到墊塊15的絕緣層30上。隔膜10未與墊塊15一體形成。
麥克風組件優(yōu)選地采用單個隔膜10，該隔膜10既作用為保護性外界屏障，又作用為電容性電聲變換器的探測電極。相反，現(xiàn)有技術的硅制造的電容麥克風系統(tǒng)采用或是無保護性外界屏障的或多個一個隔膜或薄膜，其中一個作用為外界屏障，而另一個不是。
各種形狀和結(jié)構(gòu)都可以用于隔膜10和背板12。例如在圖1中，隔膜框架16是圓形的，并為圓環(huán)形式，而背板12是正方形的。本領域技術人員將理解到隔膜框架16和背板可以包括其他的形狀，這取決于殼體20和本發(fā)明其他部件的形狀。
由于隔膜10不是作為背板12的一部分制造或加工，該隔膜可免于與制造和安裝背板12相關的應力。另外，隔膜10上的張力與背板12內(nèi)的內(nèi)部應力無關。如在本領域中所認識到的，這些不可控制的內(nèi)部應力都是半導體加工工藝的共同的不期望結(jié)果。從而，隔膜10相對于與背板12的表面或隔膜10的表面平行的應力自由浮動。通過將隔膜10安裝到與背板12和墊塊15相獨立的適當?shù)母裟た蚣?6上，隔膜10的拉應力不會受到包裝和背板的影響。
圖3～6示出背板上具有不同的墊塊和孔排列的另一實施例。如本領域技術人員可以理解到的，孔的位置、數(shù)量和尺寸影響麥克風的音頻特性。MEMS將使得對孔的尺寸和設置的控制得以改善，這將增強控制頻響和靈敏度的能力。
參照圖3，孔80可以從墊塊82徑向向內(nèi)定位。墊塊82可以為小的圓形凸起。
另外，圖4示出沿背板95一側(cè)的孔90和凹口92，這些孔90和凹口92允許空氣從背板之上穿行到背板之下。圖4也示出環(huán)形墊塊側(cè)壁94。圖5示出不帶有從弧形墊塊部分100徑向向內(nèi)的孔的背板。而是，空氣從背板之上經(jīng)由開口102穿行到背板之下。圖5A中的箭頭106、108和110描繪了空氣從背板112的頂部流動到背板112的下側(cè)，圖5A是圖5中區(qū)域104的放大圖。圖6進一步示出矩形或正方形背板130，其具有正方形或矩形墊塊側(cè)壁和隔柵或孔，其中一個孔由134示出。如本領域技術人員將理解到的，墊塊也可以為側(cè)壁中的足以支承隔膜10和隔膜框架16的弧形部分。
再參照圖2，背板12在輸出140處由偏置電壓外部偏壓。背板可以用直流(DC)電壓或射頻(RF)偏置電壓外部偏壓。在一個實施例中，晶體管或FET(未示出)安裝到PC板44和殼體20限定區(qū)域之內(nèi)的PC板44上。FET也可以位于殼體20的外側(cè)或直接位于背板12的底部上。通常，將FET靠近背板定位將改善本發(fā)明的噪聲特性。該單元也可以由駐極體偏壓，例如由背板12上的充電或極化層偏壓。
背板12的下側(cè)可以包括接觸區(qū)域142，它們優(yōu)選是金屬的，并可以通過化學氣相沉積(CVD)技術淀積。彈簧42可以提供從接觸區(qū)域142到區(qū)域140的電接觸。
再參照圖1，集成電路(IC)或特定用途集成電路(ASIC)180可以安裝到PC板(未示出)之下。ASIC可以包含晶體管，如FET。ASIC也可以包括前置放大器，以增大麥克風的電輸出和/或改進麥克風的響應。
ASIC也可以包括模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)。A/D的用途是將麥克風或麥克風前置放大器的模擬輸出轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，該信號或是用作來自麥克風的直接的數(shù)字輸出，或是饋送到數(shù)字信號處理(DSP)電路中。DSP的目的是改進A/D之后的麥克風的輸出。該輸出可以是數(shù)字的、或模擬的、或二者都有。特定的用途可以包括均衡、信號壓縮、頻率相關的信號壓縮、自校準。
升壓電路也可以用于輕易獲得緊湊的電源(例如，9V電池)，以提供一個用來外部DC偏壓電容器的升高的電壓(例如200V)。
本發(fā)明另一實施例可以包括射頻(RF)偏壓電路，以提供以RF波長振蕩的偏置電壓。這種電路的另一目的是使得麥克風可以輸出用于無線傳輸?shù)腞F調(diào)制信號。從而，在殼體20中結(jié)合的不同的背板和不同的ASIC電路使得麥克風具有各種潛在的工況和功能。
在上面說明書中，本發(fā)明已經(jīng)參照其特定的示例性實施例加以描述。雖然本發(fā)明已經(jīng)在優(yōu)選實施例方面得以描述，但是，本領域技術人員將認識到在所附權利要求書中陳述的本發(fā)明的范圍和精髓之內(nèi)，可以對本發(fā)明作出各種改進、實施或變化。因此，說明書和附圖被認為是示例性的，而非限制性的。于是，除了在所附權利要求書的角度上是需要的以外，并不意在限制本發(fā)明。
權利要求
1.一種麥克風組件，包括殼體；安裝在殼體內(nèi)的半導體背板；位于背板上的柔性隔膜；半導體墊塊，該墊塊與背板成一體，并在背板和隔膜中間；以及隔膜框架，隔膜在隔膜框架上伸展并粘結(jié)地固定到隔膜框架上，隔膜框架保持隔膜內(nèi)的張力。
2.如權利要求1所述的麥克風組件，其中，隔膜包括由金屬膜或金屬化聚合物薄膜構(gòu)成的組中的材料。
3.如權利要求2所述的麥克風組件，其中，隔膜既是保護性外界屏障，又是電容性電聲變換器的探測電極。
4.如權利要求1所述的麥克風組件，其中，隔膜既是保護性外界屏障，又是電容性電聲變換器的探測電極。
5.如權利要求3所述的麥克風組件，其中，殼體是金屬的。
6.如權利要求5所述的麥克風組件，其中，背板是硅的。
7.如權利要求6所述的麥克風組件，其中，墊塊還包括來自二氧化硅或含氟聚合物構(gòu)成的組的絕緣層。
8.如權利要求7所述的麥克風組件，其中，背板包括頂部、底部和側(cè)部，以及多個從背板的頂部延伸到背板的底部的開口。
9.如權利要求8所述的麥克風組件，其中，多個開口沿著背板的側(cè)部定位，并從墊塊徑向向外。
10.如權利要求9所述的麥克風組件，其中，背板是圓形的。
11.如權利要求9所述的麥克風組件，其中，背板是矩形的。
12.如權利要求10所述的麥克風組件，其中，墊塊包括由環(huán)形側(cè)部、一系列弧形側(cè)壁、一系列弧形延伸部或矩形側(cè)部構(gòu)成的組。
13.如權利要求12所述的麥克風組件，其中，殼體包括上唇部，而隔膜框架包括相對上唇部定位的金屬環(huán)。
14.如權利要求13所述的麥克風組件，其特征在于，還包括背板底部上的金屬觸點。
15.如權利要求14所述的麥克風組件，其特征在于，還包括位于背板和殼體下部之間的彈簧。
16.如權利要求15所述的麥克風組件，其特征在于，還包括耦接到殼體上的晶體管。
17.如權利要求15所述的麥克風組件，其特征在于，還包括耦接到背板上的晶體管。
18.如權利要求15所述的麥克風組件，其特征在于，還包括耦接到背板上的集成電路，該集成電路具有晶體管。
19.如權利要求15所述的麥克風組件，其特征在于，還包括耦接到背板上的集成電路，該集成電路具有升壓電路。
20.如權利要求15所述的麥克風組件，其特征在于，還包括耦接到背板上的集成電路，該集成電路具有RF偏壓電路。
21.如權利要求20所述的麥克風組件，其中，RF偏壓電路產(chǎn)生RF調(diào)制的輸出，而RF調(diào)制的輸出用于RF無線傳輸。
22.如權利要求15所述的麥克風組件，其特征在于，還包括耦接到背板上的集成電路，該集成電路具有數(shù)字信號處理器。
23.如權利要求15所述的麥克風組件，其特征在于，還包括耦接到背板上的集成電路，該集成電路具有模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。
24.如權利要求1所述的麥克風組件，其特征在于，還包括耦接到背板上的集成電路，該集成電路具有晶體管。
25.如權利要求1所述的麥克風組件，其特征在于，還包括耦接到背板上的集成電路，該集成電路具有升壓電路。
26.如權利要求1所述的麥克風組件，其特征在于，還包括耦接到背板上的集成電路，該集成電路具有RF偏壓電路。
27.如權利要求26所述的麥克風組件，其中，RF偏壓電路產(chǎn)生RF調(diào)制的輸出，而RF調(diào)制的輸出用于RF無線傳輸。
28.如權利要求1所述的麥克風組件，其特征在于，還包括耦接到背板上的集成電路，該集成電路具有數(shù)字信號處理器。
29.如權利要求1所述的麥克風組件，其特征在于，還包括耦接到背板上的集成電路，該集成電路具有模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。
30.如權利要求1所述的麥克風組件，其中，殼體包括上邊緣，而上邊緣將隔膜框架和隔膜壓入墊塊中。
31.一種麥克風組件，包括殼體；安裝到殼體內(nèi)的半導體背板；半導體墊塊，其包括從背板突出并與背板成一體的凸起；單個隔膜，其包括金屬膜或金屬化聚合物薄膜構(gòu)成的組，所述單個隔膜既作用為保護性外界屏障，又作用為電容器電聲探測變換器的探測電極；以及隔膜框架，隔膜在該框架上伸展并粘結(jié)到該框架上。
32.一種麥克風組件，包括殼體，殼體包括上唇部；硅背板，其具有頂部、底部和環(huán)形側(cè)部；硅墊塊，其與背板一體形成，并包括至少一個凸起，該凸起從硅背板的頂部伸出并與硅背板的頂部為一體，墊塊還包括由二氧化硅或含氟聚合物構(gòu)成的組(形成的)絕緣層；多個開口，它們從背板頂部延伸到背板底部；單個隔膜，其由金屬化聚合物薄膜構(gòu)成，所述單個隔膜既作用為保護性外界屏障，又作用為電容器電聲探測變換器的探測電極；以及金屬環(huán)，其相對于金屬殼體的上唇部定位，隔膜粘結(jié)地固定到該金屬環(huán)上，該金屬環(huán)與上唇部和彈簧配合而將隔膜固定到墊塊的絕緣層上。
全文摘要
一種麥克風組件，包括殼體(20)，殼體(20)包括上唇部(18)；硅背板(12)，硅墊塊(14、15)，它們與背板一體地形成并包括至少一個凸起和絕緣層(30)，如二氧化硅或含氟聚合物。具有金屬化聚合物薄膜的單個隔膜(10)既作用為保護性外界屏障，又作用為電容性電聲傳感器的探測電極。
文檔編號H04R19/00GK1478370SQ01820023
公開日2004年2月25日 申請日期2001年12月7日 優(yōu)先權日2000年12月20日
發(fā)明者凱利·Q·凱, 馬克·W·吉爾伯特, W 吉爾伯特, 凱利 Q 凱 申請人:舒爾公司