具有彈簧和內(nèi)部支承件的mems麥克風(fēng)的制作方法
【專利摘要】一種MEMS麥克風(fēng)，其具有包括背板的靜止部和膜片，所述背板具有多個(gè)開口，所述膜片與所述背板間隔開且具有外周緣。作為電容式麥克風(fēng)，膜片和背板形成可變電容器。麥克風(fēng)還具有在背板與膜片之間延伸且實(shí)質(zhì)上永久性地與之連接的柱體和將膜片緊固到柱體和靜止部的至少其中之一的一組彈簧。該柱體定位于膜片外周緣的徑向內(nèi)部。
【專利說明】具有彈簧和內(nèi)部支承件的MEMS麥克風(fēng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及MEMS裝置，更具體地來說，本發(fā)明涉及MEMS麥克風(fēng)。

【背景技術(shù)】
[0002]MEMS電容式麥克風(fēng)典型地具有膜片，該膜片形成具有底層背板的可變電容器。接收到可聽信號使得膜片振動，由此生成表示可聽信號的可變電容信號。此可變電容信號可被放大、記錄或以其它方式傳送到另一個(gè)電子設(shè)備。
[0003]遺憾地，噪聲常常使得記錄下的可變電容信號降級。本領(lǐng)域技術(shù)人員常常通過放大膜片面積來應(yīng)對此問題，這應(yīng)該增大可變電容信號。但是，此解決方案可能產(chǎn)生又一些問題。確切地來說，應(yīng)力和長跨度導(dǎo)致膜片的中央?yún)^(qū)域向背板下陷，這產(chǎn)生另一個(gè)范圍的性能問題。例如，這種膜片可能更容易粘著到背板。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一種MEMS麥克風(fēng)具有包括背板的靜止部和膜片，該背板具有多個(gè)開口，膜片與背板間隔開且具有外周緣。作為電容式麥克風(fēng)，膜片和背板形成可變電容器。麥克風(fēng)還具有在背板與膜片之間延伸且實(shí)質(zhì)上永久性地與之連接的柱體和將膜片緊固(secure)到柱體和靜止部的至少其中之一的一組彈簧。該柱體定位于膜片外周緣的徑向內(nèi)部。
[0005]該柱體可以在膜片外周緣的兩個(gè)不同邊緣之間大致間隔等距。例如，如果膜片具有中心，則柱體可以實(shí)質(zhì)上從膜片的中心延伸。而且，該組彈簧的至少其中之一可以從膜片的外周緣延伸到靜止部。作為備選或附加，該組彈簧的至少其中之一可以從柱體延伸到膜片，例如，該組彈簧可以將膜片緊固到柱體和靜止部。該組彈簧可以包括至少一個(gè)拉長彈簧(例如，螺旋形狀的)，該至少一個(gè)拉長彈簧形成膜片和柱體與靜止部的至少其中之一之間的空間。
[0006]一些實(shí)施例具有在膜片與背板之間延伸且與之接觸的多個(gè)附加柱體。柱體優(yōu)選地與背板和膜片其中之一或二者電絕緣。該柱體和膜片組合適用于多個(gè)不同尺寸的膜片，例如直徑大于約I毫米的膜片。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一種MEMS麥克風(fēng)具有包括背板的靜止部和膜片,該背板具有多個(gè)開口，膜片與背板間隔開且具有外周緣和外周緣的徑向內(nèi)部的區(qū)域。作為電容式麥克風(fēng)，膜片和背板形成可變電容器。膜片的徑向內(nèi)部區(qū)域具有固定區(qū)，該固定區(qū)相對于靜止部實(shí)質(zhì)上不可響應(yīng)入射到膜片上的聲音信號而移動。此外，該徑向內(nèi)部區(qū)域還具有可移動區(qū)，該可移動區(qū)相對于靜止部可響應(yīng)入射聲音信號而移動。一組彈簧將膜片緊固到靜止部。
[0008]根據(jù)其它實(shí)施例，一種轉(zhuǎn)換聲音信號的方法提供一種MEMS麥克風(fēng),其具有包括背板的靜止部和膜片，該背板具有多個(gè)開口，膜片與背板間隔開且具有外周緣。作為電容式麥克風(fēng)，膜片和背板形成可變電容器。該麥克風(fēng)還具有從膜片延伸且實(shí)質(zhì)上永久性地與膜片連接的柱體。該柱體定位于膜片外周緣的徑向內(nèi)部且正常情況下被偏置以與背板間隔開。在提供此麥克風(fēng)之后，該方法然后對可變電容器供能(energize)以促使膜片移動而與背板接觸并在被供能時(shí)保持與背板接觸。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]本領(lǐng)域技術(shù)人員從參考如下概述的附圖論述的下文“【具體實(shí)施方式】”中應(yīng)該更充分地認(rèn)識到本發(fā)明的多種實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)。
[0010]圖1A以示意圖形式示出封裝的麥克風(fēng)的俯視透視圖，該封裝的麥克風(fēng)具有根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例配置的MEMS麥克風(fēng)晶片。
[0011]圖1B以示意圖形式示出圖1A所示的封裝的麥克風(fēng)的底視透視圖。
[0012]圖1C以示意圖形式示出如圖1A所示朝向的封裝的麥克風(fēng)的截面圖。
[0013]圖1D以示意圖形式示出具有底部端口的類似封裝的麥克風(fēng)的截面圖。
[0014]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例大致配置的MEMS麥克風(fēng)晶片。
[0015]圖3A示意圖形式示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，配置有柱體和結(jié)合到柱體和膜片的彈簧的MEMS麥克風(fēng)的頂視圖。
[0016]圖3B以示意圖形式示出圖3A所示的MEMS麥克風(fēng)的截面透視圖。
[0017]圖4A示意圖形式示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的MEMS麥克風(fēng)的頂視圖。
[0018]圖4B以示意圖形式示出圖4A所示的MEMS麥克風(fēng)的截面透視圖。
[0019]圖5以示意圖形式示出在膜片與背板之間具有多個(gè)柱體的MEMS麥克風(fēng)的截面透視圖。
[0020]圖6A和圖6B以示意圖形式示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例配置的MEMS麥克風(fēng)晶片的截面圖。
[0021]圖7以示意圖形式示出使用圖6A和圖6B所示的MEMS麥克風(fēng)的過程。

【具體實(shí)施方式】
[0022]在說明性實(shí)施例中，MEMS麥克風(fēng)晶片具有膜片支承柱體以實(shí)質(zhì)性地減少膜片下陷(sagging)。相應(yīng)地，此類實(shí)施例能夠增大膜片面積，從而有利地增加信噪比。為了確保甚至更精細(xì)的分辨率，此類實(shí)施例使用彈簧將膜片連接到I)支承柱體，2)麥克風(fēng)晶片的靜止部，或3)連接到支承柱體和靜止部。下文論述說明性實(shí)施例的細(xì)節(jié)。
[0023]圖1A示意圖形式示出封裝的麥克風(fēng)10的頂視透視圖，封裝的麥克風(fēng)10可以并入根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例配置的MEMS麥克風(fēng)晶片16 (如圖1C、圖1D和圖2以及下文論述的其它附圖所示)。以對應(yīng)的方式，圖1B以示意圖形式示出相同的封裝的麥克風(fēng)10的底視透視圖。
[0024]這些附圖所示的封裝的麥克風(fēng)10具有封裝基底12，封裝基底12與對應(yīng)的頂蓋14一起形成內(nèi)室，該內(nèi)室包含麥克風(fēng)芯片16，以及如果需要的話包含單獨(dú)的麥克風(fēng)電路芯片18(晶片16和18都在圖1C和圖1D以及下文論述的附圖中以示意圖形式予以示出)。本實(shí)施例中的頂蓋14是腔式頂蓋，其具有從內(nèi)部頂表面大致垂直延伸以形成空腔的四個(gè)壁部。在說明性實(shí)施例中，頂蓋14由金屬或其它導(dǎo)體材料形成以便為麥克風(fēng)晶片16屏蔽電磁干擾。頂蓋14緊固到實(shí)質(zhì)上平的封裝基底12的頂部表面以形成內(nèi)室。
[0025]頂蓋14還具有音頻輸入端口 20，音頻輸入端口 20使音頻信號能夠進(jìn)入室中。但是，在備選實(shí)施例中，音頻端口 20位于另一個(gè)位置，如穿過封裝基底12或頂蓋14的側(cè)壁的其中之一。進(jìn)入內(nèi)室的音頻信號與麥克風(fēng)芯片16相互作用以產(chǎn)生電信號，該電信號通過附加(外部)組件(例如，揚(yáng)聲器和附屬電路)產(chǎn)生與輸入可聽信號對應(yīng)的輸出可聽信號。
[0026]圖1B示出封裝基底12的底部表面22，其具有用于將麥克風(fēng)晶片16與基板，如印刷電路板或其它電互連裝置以電的方式(和在許多預(yù)期的使用中以物理方式)連接的多個(gè)觸點(diǎn)24。封裝的麥克風(fēng)10可以用于范圍廣泛的任何應(yīng)用中。例如，封裝的麥克風(fēng)10可以與移動電話、固定電話、計(jì)算機(jī)設(shè)備、視頻游戲、助聽器、聽力儀器、生物識別安全系統(tǒng)、雙向無線電、公告系統(tǒng)(public announcement)和轉(zhuǎn)換信號的其它設(shè)備結(jié)合使用。實(shí)際上,可預(yù)期封裝的麥克風(fēng)10可以用作由電信號產(chǎn)生可聽信號的揚(yáng)聲器。
[0027]在說明性實(shí)施例中，圖1A和圖1B所示的封裝基底12可以是印刷電路板材料，如FR-4或預(yù)成型引線框式封裝(也稱為“預(yù)成型封裝”)。其它實(shí)施例可以使用不同的封裝類型，例如，陶瓷腔封裝。因此，論述特定類型的封裝僅出于說明性目的。
[0028]圖1C以示意圖形式示出穿過圖1A的直線C-C的封裝的麥克風(fēng)10的截面圖。如圖所示和上文提到的，基底12和頂蓋14形成用于包含MEMS麥克風(fēng)晶片16和用于控制和驅(qū)動麥克風(fēng)晶片16的電子元件18的所提到的內(nèi)室。在說明性實(shí)施例中，電子元件作為第二單獨(dú)的集成電路，如專用集成電路(“ASIC 18”)來實(shí)現(xiàn)。但是，其它實(shí)施例可以在單個(gè)晶片上形成MEMS微結(jié)構(gòu)和電子電路。
[0029]粘合或另一固連機(jī)構(gòu)將麥克風(fēng)晶片16和ASIC晶片18緊固到基底12。焊線將麥克風(fēng)晶片16和ASIC晶片18電連接到封裝基底12內(nèi)部的觸點(diǎn)焊盤(未示出)。
[0030]雖然圖1A-1C示出頂部端口封裝的麥克風(fēng)設(shè)計(jì)，但是一些實(shí)施例將輸入端口定位于其它位置，如穿過基底12。例如，圖1D以示意圖形式示出類似封裝的麥克風(fēng)10的截面圖，其中麥克風(fēng)晶片16覆蓋輸入端口，由此產(chǎn)生大后端容積。其它實(shí)施例(未示出)將麥克風(fēng)晶片16定位成使其不覆蓋穿過基底12的輸入端口 20。
[0031]論述特定封裝的麥克風(fēng)僅出于說明性目的。因此，結(jié)合圖1A-1D論述的封裝的麥克風(fēng)10無意限制本發(fā)明的所有實(shí)施例。
[0032]圖2以示意圖形式示出可以根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例制造的MEMS麥克風(fēng)晶片16 (也稱為“麥克風(fēng)芯片16”)的頂視透視圖。后續(xù)圖3A-6示出多種不同實(shí)施例中相同麥克風(fēng)晶片16穿過圖2的直線2-2的頂視圖和截面圖18。
[0033]除其它之外，麥克風(fēng)晶片16還包括靜止部26，靜止部26支承并形成具有柔性膜片30的可變電容器28。在說明性實(shí)施例中，靜止部26包括背板32 (如后續(xù)附圖所示以及下文論述)，背板32由單晶硅(例如，下文論述的絕緣體上硅晶圓頂層)和其它沉積的層形成，而膜片30僅由沉積的材料，如沉積的多晶硅形成。但是，其它實(shí)施例使用其它類型的材料來形成靜止部26和膜片30。例如，單晶硅體材料晶圓和/或某種沉積的材料可以形成靜止部26。以相似方式，單晶硅體材料晶圓、絕緣體上硅晶圓的一部分或某種其它沉積的材料可以形成膜片30。
[0034]彈簧34可移動且整體地將膜片30的外周緣連接到麥克風(fēng)晶片16的靜止部26。彈簧34有效地形成允許音頻/聲音信號的至少一部分傳遞通過膜片30的多個(gè)開口 36。這些開口 36也可以稱為“膜片開口 36”，可以按應(yīng)用所需為任何形狀的，如縫隙形狀、圓孔形狀或某種不規(guī)則形狀。晶片16和18的頂部表面上的電觸點(diǎn)25提供用于圖1C和圖1D所示的焊線的電連接。
[0035]圖3A和圖3B示出此實(shí)施例的MEMS麥克風(fēng)晶片16的更多細(xì)節(jié)，但是具有一般為矩形的膜片30。具體來說，圖3A以示意圖形式示出圖2所示的麥克風(fēng)晶片16的頂視圖的更多細(xì)節(jié)。圖3B以示意圖形式示出相同麥克風(fēng)晶片16的截面圖。
[0036]如圖3B中最佳示出的，麥克風(fēng)晶片16的靜止部26具有背板32，背板32連同膜片30形成可變電容器28。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，可變電容器28產(chǎn)生表示入射到膜片30上的輸入聲音信號的電信號。為了利于操作，背板32具有引入背側(cè)腔40的多個(gè)透孔開口(“背板開口 38”)。開口 38可以將形狀、尺寸和配置設(shè)為使性能優(yōu)化。一種此類配置具有大致圓形的孔和縫隙(即，拉長孔)，而另一種配置僅具有按特定模式布置的大致圓形的孔。
[0037]當(dāng)靜止時(shí)，無論是否供能，許多現(xiàn)有技術(shù)的膜片由于內(nèi)在應(yīng)力和地心引力都會某種程度變形(例如，它們除其它之外可能下陷)。一些現(xiàn)有技術(shù)膜片的多個(gè)部分可能下陷，其范圍介于其與背板32之間的“標(biāo)稱距離/間隙42”的25與50%之間。更確切的來說，將“標(biāo)稱距離/間隙42”理解為膜片30完全平坦的情況下，膜片30與背板32之間靜止時(shí)的距離。例如，膜片30的一些部分可能與背板32間隔開約3微米，而膜片30的更居中的區(qū)域可能與背板32間隔開約2微米。
[0038]下陷增加了膜片30將接觸背板32的可能性，從而可能導(dǎo)致大量問題。例如，膜片30可能粘著到背板32 (本領(lǐng)域中稱為“粘滯”)，這可能損壞設(shè)備或?qū)е履て?0與背板32之間的短路。即使所提到的這些問題未發(fā)生，膜片30與背板之間的接觸除其它情況以外還常常使得信號峰值失真(例如，削平信號峰值)而降低輸出信號的質(zhì)量。
[0039]在非常小膜片(例如，與圖3A的X-Y平面平行的最長尺寸小于約I毫米)的一些麥克風(fēng)設(shè)計(jì)中，膜片下陷可能不是問題。但是，發(fā)明人認(rèn)識到較小的麥克風(fēng)常常具有比較大的膜片低的信噪比。由此往往期望較大的膜片來提高麥克風(fēng)性能。例如，如果能夠控制下陷，則具有大于I毫米的最大尺寸的膜片應(yīng)獲得提高的信噪比。
[0040]因此，為了控制膜片下陷，本發(fā)明的說明性實(shí)施例，如圖2、圖3A和圖3B所述，具有支承膜片30的內(nèi)部部分的至少一個(gè)支承柱體44。換言之，支承柱體44有效地固化膜片30的一部分，從而使之實(shí)質(zhì)上靜止。這往往接近膜片30的大致中心或質(zhì)心。例如，柱體44可以定位于在膜片30的兩個(gè)相對邊緣之間實(shí)質(zhì)上等距。雖然確信多種實(shí)施例結(jié)合較大膜片(即，大于約I毫米)產(chǎn)生了改善的效果，但是多種實(shí)施例也適用于較小膜片。
[0041]如上所提到的，彈簧34通過與靜止部26結(jié)合來支承膜30的周緣。圖3A和圖3B所示的這些彈簧34形成上文提到的彈簧開口或空間36。因此，膜片30的周緣的一些部分不直接與靜止部26連接。圖3A將周緣的一個(gè)部分稱為詞匯“未支承部分”。在任何情況中，膜片周緣周圍的多個(gè)點(diǎn)均得以支承。因此，盡管存在周緣的一些部分懸空的情況，但是此布置不視為懸臂式構(gòu)造。
[0042]例如，膜片周緣可以至少每180度或更小具有多個(gè)區(qū)與彈簧34連接(S卩，膜片30的每側(cè)上的對向彈簧34)。其它實(shí)施例可以具有按約120度或更小、約90度或更小、約60度或更小、約45度或更小等間隔開的彈簧34。
[0043]如圖3A所示的矩形設(shè)計(jì)的膜片30具有16個(gè)彈簧34，這16個(gè)彈簧34實(shí)質(zhì)上等距間隔地圍繞著膜片周緣。作為矩形膜片30，這16個(gè)彈簧34無需像膜片30是圓形那樣精確且相等間距地圍繞膜片30。相反，將它們定位成使得它們在其之間具有至少兩個(gè)對向彈簧34 (即，約180度隔開)以及其它的。因此，此矩形設(shè)計(jì)的膜片30可以視為具有約180度以及更小間距隔開的彈簧34。理解此膜片30的另一種方式是它具有多個(gè)直線邊，且每個(gè)邊具有至少一個(gè)彈簧。因此，如果膜片30是另一種多邊形形狀，如八邊形、五邊形等...，則它在每個(gè)邊上具有至少一個(gè)彈簧34且，由此不是懸臂式。每個(gè)邊可以具有相同的數(shù)量、類型和間距的彈簧34，或不同速率、類型和間距的彈簧34。如果膜片30是不規(guī)則形狀設(shè)計(jì)，則可預(yù)期至少使彈簧34間隔180度將提供令人滿意的效果。
[0044]圖3A和圖3B中圍繞膜片周緣的彈簧34是拉長且螺旋形方式形成的。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，螺旋形彈簧34能夠比直接直線短粗彈簧34對膜片30提供更多控制。當(dāng)然，其它類型的彈簧34應(yīng)該滿足要求，如僅固接到靜止部26 (即，像鼓那樣)的彈簧34。這種類型的彈簧34較薄從而允許更大膜片柔性且設(shè)計(jì)成允許膜片30的更像活塞的縮進(jìn)(depress1n)(見以下)。此外，雖然圖3A的麥克風(fēng)晶片16具有對稱定位的彈簧34，但是備選實(shí)施例可以具有非對稱定位的彈簧34。
[0045]這是與一些現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)形成對照，其可以僅緊固到支承柱體44或靜止部26的一側(cè)。確切地來說，不是連接膜片周緣，一些現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)際允許膜片30的外周緣以懸臂式形式懸掛。發(fā)明人認(rèn)識到此類現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)更欠可控性且往往導(dǎo)致差的效果。說明性實(shí)施例應(yīng)該比所提到的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)更具可控性地在Z方向上以更平面更像活塞的方式對背板32往返移動。
[0046]為此，彈簧34還可以結(jié)合在支承柱體44與膜片30的內(nèi)周緣之間以便進(jìn)一步提高性能。不管情況怎么樣，這些彈簧34可以是上文論述的類型中任一種，并且還具有在柱體44與膜片30或彈簧34之間產(chǎn)生空間36的未支承區(qū)。與外周緣彈簧34類似，這些內(nèi)部彈簧34可以圍繞支承柱體44 180度或更小而定位(例如，120度或更小、90度或更小，如圖3A所示等)，或以上文結(jié)合外部彈簧34論述的其它方式(例如，具有多邊形橫截面的柱體44的每一側(cè)上一個(gè)彈簧)來定位。其它實(shí)施例在柱體44與膜片30之間不使用彈簧(如下文論述)。
[0047]如上文提出的，柱體44可以具有任何數(shù)量形式、形狀和尺寸。例如，柱體44可以具有大致矩形、圓形或不規(guī)則橫截面形狀。在說明性實(shí)施例中，柱體44由多晶硅制成，整體性地從膜片30延伸并整體性地與背板32連接。此類連接可以是視為一種類型的永久性連接(即，在沒有非常規(guī)作用力，如使用鋸子的情況下，這些組件將一直連接)。不同于某些現(xiàn)有技術(shù)非MEMS麥克風(fēng)，柱體44不與膜片30導(dǎo)電。相反，柱體44實(shí)質(zhì)是電盡頭端(deadend)。
[0048]因此，柱體44不電連接膜片30和背板32，是因?yàn)槿绻@樣，則可變電容器28的兩個(gè)極板(即，背板32和膜片30)將是相同電勢的，從而導(dǎo)致電容器無法工作。為此，彈簧44優(yōu)選地在其與膜片30和背板32的其中之一或二者之間具有某種絕緣材料。例如，制造過程中，在沉積膜片層之前，工藝可以在柱體44的頂側(cè)(即，柱體44最終與膜片30連接的一側(cè))上形成絕緣氧化層(例如，自然氧化物)。由此后續(xù)制造步驟可以在該氧化物上沉積多晶硅膜片層。柱體44的頂部與膜片30之間的氧化層由此阻止膜片30與背板32之間經(jīng)由柱體44的電通信。
[0049]當(dāng)然，MEMS膜片晶片16可以具有用于將柱體44與膜片30和背板32的其中之一或二者電絕緣的其它部件。另一種技術(shù)可以在背板32中柱體44底部之間形成氧化層或絕緣層。其它實(shí)施例可以圍繞柱體44圍繞它連接到膜片30和背板32的其中之一或二者的區(qū)域形成電絕緣溝槽。其它實(shí)施例可以簡單地利用非導(dǎo)體材料形成柱體44，例如，不摻雜硅、氧化物、氮化物或MEMS制造工藝中常用的導(dǎo)電或不導(dǎo)電材料的某種組合。
[0050]雖然圖3A和圖3B示出沿著膜片30的內(nèi)周緣和外周緣均有的彈簧34，但是其它實(shí)施例可以從這些區(qū)域中任一區(qū)域或二者省略彈簧34。圖4A和圖4B以示意圖形式示出一個(gè)實(shí)施例，前者為平面圖，后者為截面透視圖。此實(shí)施例保留沿著外周緣的彈簧34，并且取消柱體44與膜片30之間的彈簧34。其它實(shí)施例可以僅具有沿著內(nèi)膜片周緣的彈簧34，或沿著內(nèi)或外膜片周緣均沒有彈簧34。圖4B附帶地示出膜片30上與穿過背板32的開口 38對應(yīng)的縮進(jìn)(各具有從大致中心點(diǎn)突起的三個(gè)或四個(gè)部分)。
[0051]作為多個(gè)有益效果，使用柱體44或其它部件使得膜片30的大致中央?yún)^(qū)域保持實(shí)質(zhì)上靜止。確切地來說，它顯著地縮短膜片30的長度/跨度。例如，考慮I毫米直徑的圓形膜片，其通常在其中心處下陷，穿過標(biāo)稱3微米間隙42(8卩，如果完全平坦的話，則膜片30與背板32之間的間隙42將是3微米)約I微米。將柱體44定位于大約膜片30的中心處應(yīng)該將膜片下陷減少約50%。因此，膜片30的其余可移動部分(即，未被柱體44保持實(shí)質(zhì)上靜止的部分)應(yīng)該不會下陷大于約0.5微米。
[0052]發(fā)明人認(rèn)識到這種膜片下陷的減少使得他們能夠增大膜片30，從而增加可變電容器28產(chǎn)生的信號。因此，接續(xù)上文示例，膜片30現(xiàn)在可以具有兩倍于該尺寸的膜片30 ；BP具有約2毫米的直徑。但是，最壞情況下，可預(yù)期膜片30下陷同樣約I微米。但是，因?yàn)槊娣e隨著半徑的平方增加，所以這產(chǎn)生表面積4倍的增加，并由此產(chǎn)生了對應(yīng)4倍的信噪比提升。
[0053]應(yīng)該注意柱體44占據(jù)的面積確實(shí)某種程度地降級改善的信號。但是，與此直覺認(rèn)為避免柱體以使可變電容器28的表面積最大化相反，發(fā)明人認(rèn)識到顯著改善的信號實(shí)質(zhì)性地超過柱體導(dǎo)致的此性能降級。換言之，柱體44在信號質(zhì)量中僅僅產(chǎn)生不顯著的性能下降或降級。此外，可變電容器28產(chǎn)生的噪聲不會以信號增大對應(yīng)的速率增大。這提供實(shí)質(zhì)性地提高麥克風(fēng)晶片16的信噪比的有益效果。
[0054]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)支承柱體44提供多個(gè)附帶好處。確切地來說，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道ASIC晶片16具有降低封裝的麥克風(fēng)10所產(chǎn)生的凈信號的輸入電容。實(shí)質(zhì)性增大的麥克風(fēng)晶片電容由此將此輸入ASCI電容以及系統(tǒng)中的其它寄生電容的負(fù)面影響減到最小或?qū)⑵錅p少。此外，更大的麥克風(fēng)晶片電容通過移動其有效低頻截止來降低噪聲。
[0055]使用過程中，入射聲音信號使膜片30大致沿著Z軸移動。理想情況下，膜片30沿著Z軸如柱塞一樣移動-其多個(gè)點(diǎn)中的幾乎全部以相同速率向上和向下移動。彈簧34配置成確保膜片30在接收到具有指定振幅的信號時(shí)以預(yù)期方式移動。例如，某些麥克風(fēng)晶片可能是針對低振幅聲音信號(例如，不視為非常響的信號)制作的，并由此，具有彈簧常數(shù)相對較低的彈簧34。此類彈簧34可以較細(xì)、較長，或以允許此類行為的方式制成。實(shí)際上，非常高振幅的信號沖擊此類麥克風(fēng)可能損壞彈簧34和膜片30。
[0056]雖然論述為大致接近或位于膜片30的大致質(zhì)心或中心，但是一些實(shí)施例(如上所述)可能使柱體44相對于膜片30偏離到其它位置。圖5以示意圖形式示出其中麥克風(fēng)晶片16具有多個(gè)柱體44的另一個(gè)實(shí)施例。這些柱體44可以根據(jù)麥克風(fēng)芯片16的預(yù)期用途和應(yīng)用來策略性地定位。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)預(yù)期的用途選擇適合的位置。
[0057]其它實(shí)施例在膜片30與背板32之間具有可移動柱體44。圖6A和圖6B示出一個(gè)此類實(shí)施例，其中柱體44整體性地延伸，從膜片30突起。如圖6A所示，未供能的位置、膜片30通常被偏置，以使柱體44不接觸背板32，即當(dāng)麥克風(fēng)芯片16未被供能時(shí)。柱體44可以延伸實(shí)質(zhì)上膜片30/背板32間隙42的整個(gè)長度，并且僅留下小空間以供在接收到電壓時(shí)行進(jìn)。例如，當(dāng)在膜片30與背板32之間具有標(biāo)稱3微米間隙42的麥克風(fēng)芯片16中使用時(shí)，柱體44可以延伸使得它在未供能時(shí)距離背板32僅約0.1或0.2微米。此距離也將標(biāo)稱、未供能的下陷納入考慮。其它實(shí)施例可以允許柱體44甚至在未供能時(shí)跨越整個(gè)膜片30/背板32間隙42。
[0058]應(yīng)該注意圖6A的此截面圖是跨膜片30左側(cè)的彈簧34 (從附圖視角而言)和膜片30右側(cè)的開放空間36。換言之，此實(shí)施例周圍的彈簧結(jié)構(gòu)可能與上文結(jié)合其它實(shí)施例描述的那些結(jié)構(gòu)中任何一個(gè)結(jié)構(gòu)相似。
[0059]在圖6A的膜片30與背板32之間施加靜電作用力(例如，電壓差導(dǎo)致的力)迫使膜片30向下，直到柱體44接觸到背板32 (圖6B)為止。在此時(shí)點(diǎn)，麥克風(fēng)晶片16已就緒，準(zhǔn)備接收和轉(zhuǎn)換輸入的聲音信號。
[0060]不從膜片30延伸，而是圖6A和圖6B所示的麥克風(fēng)芯片16的備選實(shí)施例使柱體44從背板32向上延伸。這樣某種意義上不如圖6A和圖6B所述的實(shí)施例那樣令人滿意，因?yàn)槟て?0往往比背板32薄得多，并由此可能受損且對柱體44的頂部施加太大的力。
[0061]圖7示出使用圖6A和圖6B所示的MEMS麥克風(fēng)芯片16的簡化過程。該過程開始于步驟700，其中對麥克風(fēng)晶片16供能。這導(dǎo)致膜片30和柱體44向下移動以接觸到背板32 (圖6B)。當(dāng)供能時(shí)，膜片30與柱體44整體性連接的部分應(yīng)該保持實(shí)質(zhì)上靜止。
[0062]在此時(shí)點(diǎn)，MEMS麥克風(fēng)晶片16接收并在正常過程中轉(zhuǎn)換進(jìn)入的聲音信號(步驟702)。最后，過程對麥克風(fēng)晶片16解除供能而結(jié)束于步驟704。彈簧34和膜片30的彈性由此使得膜片30和柱體44返回到靜止位置，如圖6A所示。
[0063]雖然上文論述公開本發(fā)明的多種示范實(shí)施例，但是應(yīng)該顯見到本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在不背離本發(fā)明真正范圍的前提下作出將實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一些優(yōu)點(diǎn)的多種修改。
【權(quán)利要求】
1.一種MEMS麥克風(fēng)，其包括: 靜止部，所述靜止部包括具有多個(gè)開口的背板； 與所述背板間隔開且具有外周緣的膜片，所述膜片和背板形成可變電容器； 在所述背板和所述膜片之間延伸且實(shí)質(zhì)上永久性地與所述背板和所述膜片連接的柱體，所述柱體位于所述膜片的所述外周緣的徑向內(nèi)部；以及 一組彈簧，所述一組彈簧將所述膜片緊固到所述柱體和所述靜止部的至少其中之一。
2.如權(quán)利要求1定義的MEMS麥克風(fēng)，其中所述柱體在所述膜片的所述外周緣的兩個(gè)不同邊緣之間大致間隔等距。
3.如權(quán)利要求2定義的MEMS麥克風(fēng)，其中所述膜片具有質(zhì)心，所述柱體實(shí)質(zhì)上從所述膜片的所述質(zhì)心延伸。
4.如權(quán)利要求1定義的MEMS麥克風(fēng)，其中所述一組彈簧的至少其中之一從所述膜片的所述外周緣延伸到所述靜止部。
5.如權(quán)利要求1定義的MEMS麥克風(fēng)，其中所述一組彈簧的至少其中之一從所述柱體延伸并延伸到所述膜片。
6.如權(quán)利要求1定義的MEMS麥克風(fēng)，其中所述一組彈簧包括至少一個(gè)拉長彈簧，所述至少一個(gè)拉長彈簧形成所述膜片與所述柱體和所述靜止部的至少其中之一之間的空間。
7.如權(quán)利要求1定義的MEMS麥克風(fēng)，還包括多個(gè)附加柱體，所述多個(gè)附加柱體在所述膜片與所述背板之間延伸且與所述膜片與所述背板均接觸。
8.如權(quán)利要求1定義的MEMS麥克風(fēng)，其中所述柱體與所述背板和所述膜片其中之一或二者電絕緣。
9.如權(quán)利要求1定義的MEMS麥克風(fēng)，其中所述膜片具有大于約I毫米的直徑。
10.如權(quán)利要求1定義的MEMS麥克風(fēng)，其中所述一組彈簧將所述膜片緊固到所述柱體和所述靜止部。
11.一種MEMS麥克風(fēng)，其包括: 靜止部，所述靜止部包括具有多個(gè)開口的背板； 與所述背板間隔開且具有外周緣和所述外周緣的徑向內(nèi)部的區(qū)域的膜片，所述膜片和背板形成可變電容器； 所述徑向內(nèi)部區(qū)域的固定區(qū)，所述固定區(qū)相對于所述靜止部實(shí)質(zhì)上不可響應(yīng)入射到所述膜片上的聲音信號而移動， 所述徑向內(nèi)部區(qū)域的可移動區(qū)，所述可移動區(qū)相對于所述靜止部可響應(yīng)入射聲音信號而移動；以及 一組彈簧，所述一組彈簧將所述膜片緊固到所述靜止部。
12.如權(quán)利要求11定義的MEMS麥克風(fēng)，還包括用于將所述固定區(qū)以固定的方式緊固以使之相對于所述靜止部實(shí)質(zhì)上不可響應(yīng)入射聲音信號而移動的部件。
13.如權(quán)利要求12定義的MEMS麥克風(fēng)，其中所述固定方式緊固部件包括柱體，所述一組彈簧的至少其中之一將所述膜片緊固到所述柱體以形成空間。
14.如權(quán)利要求11定義的MEMS麥克風(fēng)，其中所述一組彈簧的至少其中之一是拉長的。
15.如權(quán)利要求11定義的MEMS麥克風(fēng)，其中所述一組彈簧將所述膜片緊固到所述固定區(qū)和所述靜止部。
16.如權(quán)利要求11定義的MEMS麥克風(fēng)，其中所述固定區(qū)在所述膜片的所述外周緣的兩個(gè)不同邊緣之間大致間隔等距。
17.如權(quán)利要求11定義的MEMS麥克風(fēng)，其中所述固定區(qū)在所述可變電容器未被供能時(shí)是可移動的。
18.一種轉(zhuǎn)換聲音信號的方法，所述方法包括: 提供一種MEMS麥克風(fēng)，其具有包括背板的靜止部，所述背板具有多個(gè)開口 ；膜片，所述膜片與所述背板間隔開且具有外周緣，所述膜片和背板形成可變電容器；以及柱體，所述柱體從所述膜片延伸且實(shí)質(zhì)上永久性地與所述膜片連接，所述柱體位于所述膜片的所述外周緣的徑向內(nèi)部且正常情況下被偏置以與所述背板分隔開；以及 對所述可變電容器供能以使所述膜片移動而與所述背板接觸并在被供能時(shí)保持與所述背板接觸。
19.如權(quán)利要求18定義的方法，還包括 在所述膜片上接收聲音信號以使所述膜片相對于所述背板移動，所述可變電容器生成表示所述聲音信號的信號，在生成所述信號時(shí)所述柱體保持與所述背板接觸。
20.如權(quán)利要求19定義的方法，還包括:將所述可變電容器解除供能以使所述柱體返回其與所述背板間隔開的偏置位置。
21.如權(quán)利要求18定義的方法，其中所述MEMS麥克風(fēng)還包括一組彈簧，所述一組彈簧將所述膜片緊固到所述柱體和所述靜止部的至少其中之一。
【文檔編號】H04R7/20GK104137571SQ201280066927
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月11日
【發(fā)明者】S.巴拉坦, A.S.亨金, T.D.陳 申請人:應(yīng)美盛股份有限公司