專利名稱：帶有壓力釋放的麥克風(fēng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種麥克風(fēng)，并且更具體地，本發(fā)明涉及麥克風(fēng)膜片耐用性。
背景技術(shù)：
許多類型的麥克風(fēng)具有與固定構(gòu)件形成可變電容器的膜片。在使用中，入射音頻信號使得膜片相對于固定構(gòu)件移動(dòng)。因此，這種移動(dòng)改變了可變電容器的電容，從而產(chǎn)生表示入射音頻信號的電信號。最后，該電信號可以被處理，以在揚(yáng)聲器上再現(xiàn)入射音頻信號。
一些麥克風(fēng)具有借助多個(gè)彈簧與其下面的固定構(gòu)件可移動(dòng)地連接的膜片。例如，美國專利No. 5,146,435示出這種麥克風(fēng)。與具有以鼓狀方式連接到固定構(gòu)件的膜片的麥克風(fēng)不同，該類型的麥克風(fēng)更易于由于集中在彈簧上的應(yīng)力而導(dǎo)致?lián)p壞。具體而言，基于彈簧的麥克風(fēng)將力集中在相對較小的區(qū)域上(即在彈簧上)，而不是圍繞整個(gè)周圍連接構(gòu)件分布力。結(jié)果，當(dāng)經(jīng)受相對較較高力情況，諸如高的機(jī)械和/或聲震情況(即門撞擊或噴氣發(fā)動(dòng)機(jī))時(shí)， 一個(gè)或多個(gè)彈簧可能損壞，因此，使得麥克風(fēng)不可用。
這種問題的一種解決方案是，使用鼓狀膜片方法。雖然可以更耐用，然而，鼓狀膜片方法對于其他設(shè)計(jì)原因(例如考慮靈敏度)來說
6可能不是期望的構(gòu)造。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，麥克風(fēng)具有擁有至少一個(gè)內(nèi)凹陷的固 定部分。所述麥克風(fēng)進(jìn)一步包括具有靜止位置的可移動(dòng)膜片，其中， 當(dāng)可移動(dòng)膜片處于靜止位置時(shí)，可移動(dòng)膜片的至少一部分位于內(nèi)凹陷 中。彈簧組可移動(dòng)地聯(lián)接膜片與固定部分。響應(yīng)于較高力情況，膜片 移動(dòng)到內(nèi)凹陷的外部，產(chǎn)生空氣逸出的路徑。彈簧組能夠使膜片從凹 陷的外部位置返回到凹陷的內(nèi)部的靜止位置。
彈簧組可以采取各種構(gòu)造并且具有不同數(shù)量的彈簧(例如能夠具 有兩個(gè)或更多彈簧)。例如，除此之外，彈簧組可以包括至少一個(gè)迂回 曲折形彈簧、具有壓力釋放功能的至少一個(gè)彈簧，具有變化的寬度的 至少一個(gè)彈簧、和/或大體上直的彈簧。
麥克風(fēng)可以包括與膜片形成電容器的背板?？梢援a(chǎn)生輸出信號作 為膜片響應(yīng)于輸入音頻信號移動(dòng)的結(jié)果。
麥克風(fēng)可具體化為微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)裝置，其中麥克風(fēng)
的部件的每一個(gè)使用微機(jī)械加工技術(shù)從普通硅基板開始制造。麥克風(fēng) 芯片可以包括使用集成電路制造工藝制造的電氣元件。在某些實(shí)施例 中，硅可以是單晶硅。此外，膜片可以由多晶硅形成。背板也可以由 單晶硅形成。
在一個(gè)實(shí)施例中，麥克風(fēng)芯片包括膜片，該膜片包括第一表面和 至少一個(gè)側(cè)面。膜片可以由多晶硅形成。麥克風(fēng)芯片包括具有至少一 個(gè)側(cè)面的固定部分。固定部分可以是硅基板的一部分。此外，麥克風(fēng) 芯片包括多個(gè)聯(lián)接到膜片和固定部分的彈簧，其中在固定部分的側(cè)面 與膜片的側(cè)面之間存在具有某個(gè)尺寸的間隙。此外，彈簧可以在由音 頻輸入信號對膜片的第一表面施加的力的作用下伸長，增加尺寸。彈簧在基本上垂直于膜片的第一側(cè)面的方向上延伸。麥克風(fēng)芯片也可以包括與膜片形成電容器的背板。背板可以由單晶硅形成。電容器響應(yīng)于音頻輸入信號產(chǎn)生電輸出信號。背板可以具有一個(gè)或多個(gè)孔，這些孔允許可聽見的輸入信號穿過并且接觸膜片。


本領(lǐng)域的技術(shù)人員從下面參考以下緊接著概括的附圖而討論的"具體實(shí)施方式
"將更加完整理解本發(fā)明各種實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)。
圖1A示意性示出麥克風(fēng)的頂部透視圖，該麥克風(fēng)可以根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例制造。
圖1B示意性示出圖1A的麥克風(fēng)在靜止位置時(shí)的橫截面視圖。
圖1C示意性示出圖1A的麥克風(fēng)在延伸位置時(shí)的橫截面視圖。圖2A和2B示意性示出使用第一類型的迂回曲折形彈簧的本發(fā)明的實(shí)施例。
圖3A和3B示意性示出使用第二類型的迂回曲折形彈簧的本發(fā)明的實(shí)施例。
圖4A和4B示意性示出使用另一類型彈簧的本發(fā)明的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明示例性實(shí)施例中，麥克風(fēng)被構(gòu)造為當(dāng)經(jīng)受相對高的力的情況時(shí)，其膜片保持完好無損。為此，多個(gè)將膜片連接到基板的彈簧幫助形成有效的壓力釋放閥，這些壓力釋放閥在較高力情況中幫助在麥克風(fēng)中釋放壓力。下面討論各種實(shí)施例的細(xì)節(jié)。此外，麥克風(fēng)在為較高力情況提供壓力釋放的同時(shí)保持靈敏度。
圖1A示意性示出麥克風(fēng)10 (也稱作"麥克風(fēng)芯片10")的頂部透視圖，該麥克風(fēng)可以根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例來構(gòu)造。圖1B示意性示出同一麥克風(fēng)10的跨過圖1A的線B-B的橫截面。圖1A和圖1B示出當(dāng)處于靜止位置(restposition)中時(shí)的麥克風(fēng)10。除了其它情形之外，麥克風(fēng)0包括固定(static)背板12，其支 撐且和柔性膜片14形成電容器。在示例性實(shí)施例中，背板12由單晶 硅(即絕緣體上硅晶圓的頂層)形成，而膜片14由沉積的多晶硅形成。 然而，其他實(shí)施例使用其他類型的材料來形成背板12和膜片14。例如， 單晶硅塊體晶圓或某種沉積的材料可以形成背板12。以類似的方式， 單晶硅塊體晶圓、絕緣體上硅晶圓的 一 部分或某種其他沉積的材料可 以形成膜片14。為了便于操作，背板12具有多個(gè)通向背側(cè)空腔的通孔 16。在其他實(shí)施例中，背側(cè)空腔也能夠取決于麥克風(fēng)類型(例如底部 收音式)而位于膜片上方。
彈簧19可移動(dòng)地將膜片連接到麥克風(fēng)10的固定部分17，該固定 部分17包括基板。音頻信號引起膜片振動(dòng)，因此，產(chǎn)生變化的電容。 片內(nèi)或片外電路(未示出)(經(jīng)由接觸15)接收該變化的電容并且將該 變化的電容轉(zhuǎn)換成能夠被進(jìn)一步處理的電信號。雖然膜片可以是柔性 的，但當(dāng)與彈簧的柔性相比較時(shí)膜片表現(xiàn)為剛性結(jié)構(gòu)。
應(yīng)注意圖1A和圖1B中示出的特定麥克風(fēng)10的討論僅僅用于示 例性目的。因此，其他麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)可以與本發(fā)明的示例性實(shí)施例一起 使用。
如上所述，圖1B示意性示出靜止的麥克風(fēng)10。具體來說，認(rèn)為 麥克風(fēng)10在沒有經(jīng)受任何不可忽略的入力,諸如輸入音頻信號或較高 力情況時(shí)靜止。當(dāng)處于這種狀態(tài)中時(shí)，認(rèn)為膜片14處于靜止位置。例 如，在所示實(shí)施例中，膜片14具有頂表面20A，該頂表面20A大體上 與固定部分的頂表面共用一個(gè)平面。該固定部分在圖1B中以附圖標(biāo)記 17來標(biāo)明。然而，應(yīng)注意這種關(guān)系不是必需的。具體來說，在其他實(shí) 施例中，固定部分17可以處于比膜片14的頂表面20A高或低的平面 中。靜止平面能夠具有大體上與膜片14的靜止平面相同的厚度。這樣， 至少一部分膜片在靜止時(shí)位于在由固定部分形成的凹陷內(nèi)。固定部分 可以具有多個(gè)凹陷，并且凹陷可以堆疊。當(dāng)靜止時(shí)，膜片14還在其外周與固定部分17之間形成間隔(圖
1B中示為間隔"D1")。預(yù)計(jì)的是，經(jīng)受小振動(dòng)，間隔Dl將保持基本上與經(jīng)受正常入射音頻信號時(shí)的相同大小。該間隔D1能夠非常小(例如，1微米)，而膜片14基本上是實(shí)心(solid)的。因此，這種間隔DI基本上不能釋放在膜片14下形成的空氣壓力。
處于靜止位置的被示出的膜片14至少部分位于固定部分17中的凹陷內(nèi)。能夠認(rèn)為該靜止的凹陷具有背板12與和靜止部分的側(cè)壁一起形成靜止部分17的頂表面的邊界。在其他實(shí)施例中，材料的附加層可以形成附加的堆疊的凹陷。例如，另一層可以被放置在固定部分的頂部。該附加層可以形成另一凹陷或堆疊的凹陷。該凹陷的特征可以在于具有與靜止凹陷不同的尺寸。例如，堆疊的凹陷的尺寸，諸如其寬度可以大于靜止凹陷。因此，如果膜片在固定部分17的頂表面之上移動(dòng)，而沒有在堆疊的凹陷之上延伸，則膜片仍然被認(rèn)為位于相對于靜止凹陷的外部。作為在此所使用的，術(shù)語上、下、頂、和底用于表達(dá)相對關(guān)系，而不表達(dá)絕對的方向，并且不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明的實(shí)施例受到這些術(shù)語的限制。
當(dāng)經(jīng)受入射音頻信號時(shí)，膜片14大體上沿著Z軸來回振動(dòng)。如上所述，該振動(dòng)產(chǎn)生可變電容，其能夠被轉(zhuǎn)換成表示入射音頻信號的等效的電信號，作為膜片與背板之間的電荷的變化的結(jié)果。在該時(shí)間內(nèi)，膜片14的底表面20B大體上保持低于由固定部分17的頂表面限定的平面，并且因此，大體上保持在靜止平面內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，彈簧19允許膜片14的底表面20B的至少一部分處在比固定部分17的頂表面更正向(positive)的平面內(nèi)。圖1C中更加清楚示出的這種關(guān)系在膜片14經(jīng)受較高力情況諸如可能處于140dB量級的門撞擊的音頻信號時(shí)是特別有用的。結(jié)果，膜片14在經(jīng)受較高力情況時(shí)可以與固定部分17間隔距離D2。例如，在膜片
1014之下可能出現(xiàn)高壓情況，引起膜片移動(dòng)以及彈簧拉伸。如圖1C中所
示，期望該距離D2大于靜止距離D1。例如，該距離D2能夠是高達(dá)十倍于距離D1的量級。因此，由于增加的距離D2，空氣能夠更容易地從膜片14下面流出。因此，距離D2的增加有效釋放了膜片14下面的壓力。換句話說，該新的間隔D2有效地用作麥克風(fēng)IO的壓力釋放閥。
圖2A-4B示意性示出可以用于實(shí)施本發(fā)明的示例性實(shí)施例的多個(gè)不同彈簧構(gòu)造。應(yīng)注意這些實(shí)施例僅僅作為示例來討論，并且不意在限制本發(fā)明的各種其他實(shí)施例。
圖2A示意性示出使用迂回曲折形(serpentine)彈簧的一個(gè)實(shí)施例。如所示的，迂回曲折形彈簧19放置在膜片14周圍的十二個(gè)位置處。彈簧19被認(rèn)為具有大體上垂直于膜片14d外周表面的長度(long)方向(在圖2A和2B中由字母"L"示出)。此外，如圖2B中更加詳細(xì)示出的，彈簧19示例性地具有進(jìn)一步提高其性能的細(xì)節(jié)。除了其它情況之外，每個(gè)彈簧19可以被構(gòu)造為在其整體之上更加均勻地分配應(yīng)力。圖3A和4A上的彈簧具有類似的長度方向和細(xì)節(jié)。
具體來說，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，迂回曲折形彈簧可以被認(rèn)為是具有長度尺寸和寬度尺寸(見圖2B中參見字母"W",其示出寬度的尺寸)的單個(gè)構(gòu)件。然而，為了呈現(xiàn)其基本迂回曲折形結(jié)構(gòu)，該單個(gè)構(gòu)件被形成為具有一個(gè)或多個(gè)彎曲，所述彎曲在圖2B中由字母"B"標(biāo)識(shí)。本發(fā)明的示例性實(shí)施例改變該單個(gè)構(gòu)件的寬度尺寸，以給彈簧的較高應(yīng)力區(qū)域提供更大的強(qiáng)度。更具體地，預(yù)計(jì)的是，最靠近膜片I4和固定部分17的彈簧19的部分會(huì)經(jīng)受最高的應(yīng)力。因此，這些區(qū)域被形成為具有比更靠近其中間的彈簧19的部分更寬的寬度。
彈簧19能夠具有若干其他優(yōu)化。例如，能夠在彎曲B中的一些處形成應(yīng)力釋放圓孔22,并且角部能夠被圓化。圓孔和角的圓化在更大的區(qū)域之上分布力。圖3A和3B示意性示出使用迂回曲折形彈簧19的另一實(shí)施例。與圖2A和2B中所示的實(shí)施例不同，該實(shí)施例將迂回曲折形彈簧19構(gòu)造為使得其長度尺寸大體上平行于膜片14的外圓周。
其他實(shí)施例使用非迂回曲折形形狀的彈簧19。例如，圖4A和4B示意性示出使用大體上直的彈簧19，該彈簧中每一個(gè)具有大體上平行于膜片14外表面的主要尺寸。
應(yīng)指出的是，圖2A-4B中所示彈簧19的各種方面可以被組合，以提供期望的性能。因此，單獨(dú)討論的這些特征并不意在表示他們不能夠被組合。
當(dāng)然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)制造彈簧19時(shí)需考慮若干其他因素。具體來說，本領(lǐng)域的技術(shù)人員期望將彈簧19形成為具有共同(collective)彈簧常數(shù)。對確定彈簧常數(shù)有貢獻(xiàn)的因素包括膜片的加速靈敏度、待測量的頻率帶寬和最大聲壓級。此外，需要考慮諸如對由高機(jī)械和/或聲壓力引起的斷裂的免疫性和由偏置電壓引起的靜電吸合穩(wěn)定性的因素。在一個(gè)實(shí)施例中，例如，全體彈簧具有7.8N/m的共同彈簧常數(shù)。該彈簧常數(shù)為直徑大約500pm的膜片提供了音頻信號的靈敏度(在對于4V偏置電壓-36dBA ref. 1V/Pa的量級上)，該靈敏度在正常操作下可以移動(dòng)微米的十分之幾并且在較高力情況下移出靜止平面外大約7-10nm。除了已提到的因素之外，其他對靈敏度有貢獻(xiàn)的因素包括膜片背部與背板之間感測間隙距離。
為了制造彈簧，除了考慮上面討論的因素之外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還考慮其他因素，諸如用亍形成彈簧19的材料和使用的彈簧19的數(shù)量。實(shí)際上， 一些實(shí)施例可以圍繞膜片14d周圍使用兩個(gè)或更多不同類型的彈簧19。
12除了其它布置之外，本發(fā)明的示例性實(shí)施例將證明在麥克風(fēng)10被
直接安裝到麥克風(fēng)封裝的輸入孔(aperture)時(shí)是特別有用的。例如，參見示出這種安裝構(gòu)造的美國專利申請11/947,192 (2007年11月29日由發(fā)明人Carl M. Roberts和Kieran P. Harney提交，標(biāo)題為"MicrophoneSystem with Silicon Microphone Secured to Package Lid")。 該臨日寸專禾ll申請的公開內(nèi)容和其全部通過引用并入這里。
雖然上述討論公開了本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例，但顯而易見的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不偏離本發(fā)明的實(shí)際范圍的情況下，能夠做出實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的某些優(yōu)點(diǎn)的各種修改。
1權(quán)利要求
1.一種麥克風(fēng)，包括固定部分，其具有至少一個(gè)內(nèi)凹陷；可移動(dòng)的膜片，其具有靜止位置，其中當(dāng)所述可移動(dòng)的膜片處于所述靜止位置時(shí)，所述可移動(dòng)的膜片的至少一部分位于所述內(nèi)凹陷中；和彈簧組，其可移動(dòng)地聯(lián)接所述膜片與所述固定部分，所述膜片移動(dòng)到所述內(nèi)凹陷的外部，所述彈簧組能夠使所述膜片從所述內(nèi)凹陷的外部返回到所述凹陷的內(nèi)部的所述靜止位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的麥克風(fēng)，其中當(dāng)所述膜片處在所述靜止 位置，使所述膜片的至少一部分位于所述凹陷的內(nèi)部時(shí)，在所述膜片與 所述固定部分之間形成具有第一距離的間隙，并且其中，當(dāng)所述膜片位 于所述凹陷的外部時(shí)，所述膜片與所述固定部分間隔第二距離，所述 第二距離大于所述第一距離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的麥克風(fēng)，其中所述彈簧組包括至少一個(gè)迂回曲折形彈簧。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的麥克風(fēng)，其中所述彈簧組包括至少一個(gè) 具有壓力釋放功能的彈簧。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的麥克風(fēng)，其中所述彈簧組包括至少一個(gè) 具有變化的寬度或應(yīng)力釋放圓孔的彈簧。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的麥克風(fēng)，其中所述彈簧組包括大體上直 的彈簧。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的麥克風(fēng)，其中所述彈簧組具有兩個(gè)或更多彈簧。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的麥克風(fēng)，其中所述固定部分是硅。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的麥克風(fēng)，其中所述膜片在經(jīng)受較高力情 況時(shí)位于所述凹陷的外部。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的麥克風(fēng)，迸一步包括背板，該背板與所述膜片一起形成電容器，響應(yīng)于音頻輸入信號 產(chǎn)生電輸出信號。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的麥克風(fēng)，其中所述背板是單晶硅。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的麥克風(fēng)，其中所述膜片是多晶硅。
13. —種麥克風(fēng)芯片，包括膜片，其具有側(cè)面和第一表面；固定部分，其具有側(cè)面；多個(gè)彈簧，其被聯(lián)接到所述膜片和所述固定部分，其中在所述固 定部分的側(cè)面與所述膜片的側(cè)面之間存在具有一尺寸的間隙，并且在 由音頻輸入信號施加到所述膜片的第一表面的力的作用下，所述彈簧 可伸長，從而增加所述間隙的所述尺寸。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的麥克風(fēng)芯片，進(jìn)一步包括背板，該背板與所述膜片一起形成電容器，響應(yīng)于音頻輸入信號 產(chǎn)生電輸出信號。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的麥克風(fēng)芯片，其中所述多個(gè)彈簧在基本上垂直于所述膜片的第一側(cè)面的平面中拉伸。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的麥克風(fēng)芯片，其中所述背板是單晶硅。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的麥克風(fēng)芯片，其中所述膜片是多晶硅。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的麥克風(fēng)芯片，其中所述背板具有一個(gè) 或多個(gè)孔，所述一個(gè)或多個(gè)孔允許可聽見的輸入信號穿過并且接觸所 述膜片。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的麥克風(fēng)芯片，其中所述多個(gè)彈簧包括 至少兩個(gè)迂回曲折形彈簧。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的麥克風(fēng)芯片，其中所述多個(gè)彈簧包括 至少一個(gè)具有壓力釋放功能的彈簧。
21. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的麥克風(fēng)芯片，其中所述多個(gè)彈簧包括 至少一個(gè)具有變化的寬度或應(yīng)力釋放圓孔的彈簧。
22. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的麥克風(fēng)芯片，其中所述彈簧組包括大 體上直的彈簧。
23. —種用于麥克風(fēng)芯片的操作的方法，所述方法包括 提供具有膜片的麥克風(fēng)，所述膜片通過多個(gè)彈簧聯(lián)接到一固定部分，其中所述膜片位于所述固定部分中的凹陷的內(nèi)部；將輸入音頻信號提供給所述麥克風(fēng)的所述膜片；以及 由于所述輸入音頻信號，將所述膜片移動(dòng)到所述內(nèi)凹陷的外部，以提供壓力釋放。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述固定部分具有頂表面， 且所述膜片具有底表面，并且當(dāng)沒有音頻信號提供給所述膜片的底側(cè)時(shí)，所述膜片的底表面位于低于所述固定部分的頂表面的平面中，并 且當(dāng)所述輸入音頻信號提供給所述膜片時(shí)，所述膜片的底表面位于 在所述固定部分的頂表面之上的平面中。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述多個(gè)彈簧包括至少一 個(gè)迂回曲折形彈簧。
全文摘要
一種麥克風(fēng)，該麥克風(fēng)包括具有靜止位置的可移動(dòng)的膜片、固定部分、和可移動(dòng)地聯(lián)接膜片與固定部分的彈簧組。當(dāng)膜片處于靜止位置時(shí)，膜片與固定部分間隔第一距離。然而，當(dāng)膜片不處在靜止位置時(shí)，膜片與固定部分能夠間隔第二距離，第二距離大于第一距離。不管距離如何變化，當(dāng)膜片返回到靜止位置時(shí)，膜片仍能夠?qū)㈤g隔從第二距離恢復(fù)到第一距離。
文檔編號H04R19/00GK101584226SQ200880001956
公開日2009年11月18日 申請日期2008年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月17日
發(fā)明者基蘭·P·哈尼, 欣 張, 賈森·W·魏戈?duì)柕? 邁克爾·W·朱蒂 申請人:模擬設(shè)備公司