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一种MEMS麦克风.pdf

摘要
申请专利号:

CN201210056862.7

申请日:

2012.03.06

公开号:

CN102595294B

公开日:

2015.01.21

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 专利权人的姓名或者名称、地址的变更IPC(主分类):H04R 19/04变更事项:专利权人变更前:歌尔声学股份有限公司变更后:歌尔股份有限公司变更事项:地址变更前:261031 山东省潍坊市高新技术产业开发区东方路268号变更后:261031 山东省潍坊市高新技术产业开发区东方路268号|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H04R 19/04申请日:20120306|||公开
IPC分类号: H04R19/04 主分类号: H04R19/04
申请人: 歌尔声学股份有限公司
发明人: 宋青林; 潘昕
地址: 261031 山东省潍坊市高新技术产业开发区东方路268号
优先权:
专利代理机构: 代理人:
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201210056862.7

授权太阳城集团号:

|||102595294B||||||

法律状态太阳城集团日:

2016.10.12|||2015.01.21|||2013.01.30|||2012.07.18

法律状态类型:

专利权人的姓名或者名称、地址的变更|||授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种MEMS麦克风,由外壳和线路板构成MEMS麦克风的外部封装结构,在所述封装结构上设置有拾音孔,其中,在所述封装结构内部的所述线路板上设置有两个或更多个串联的MEMS声学换能器和一个ASIC芯片。本发明的MEMS麦克风,由于在线路板上串联连接的两个或更多个MEMS声学换能器能够将同时感知的外界声压的变化转换为整体电容变化,由ASIC芯片检测该整体电容变化并将其转换为电信号输出,从而提高了器件整体的灵敏度和信噪比增益。

权利要求书

1.一种MEMS麦克风,由外壳和线路板构成MEMS麦克风的外部封装结
构,在所述封装结构上设置有拾音孔,其特征在于,在所述封装结构内部的所
述线路板上设置有两个或更多个串联的MEMS声学换能器和一个ASIC芯片。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风,其特征在于,所述两个或更多
个串联的MEMS声学换能器之间良好匹配。
3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风,其特征在于,所述两个或更多
个串联的MEMS声学换能器在各自基底上,分别构成独立的MEMS芯片。
4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风,其特征在于,所述两个或更多
个串联的MEMS声学换能器在同一基底上,构成一个整体式MEMS芯片。
5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风,其特征在于,所述ASIC芯片包
括一个缓冲电路和一个DC-DC偏置电路,所述两个或更多个MEMS声学换能
器串联连接后,一端连接至所述DC-DC偏置电路输出端,另一端连接至所述缓
冲电路的输入端。
6.根据权利要求1-5任一项所述的MEMS麦克风,其特征在于,所述拾音
孔设置在所述外壳上。
7.根据权利要求1-5任一项所述的MEMS麦克风,其特征在于,所述拾音
孔设置在所述线路板上。
8.根据权利要求7所述的MEMS麦克风,其特征在于,所述线路板为多
层板结构,所述拾音孔设置在所述线路板的下表面,并且在所述线路板的上表
面设置有与MEMS声学换能器个数一致数量的开孔,且每个开孔均位于其对应
的MEMS声学换能器的下方,在所述线路板中设置有连接所述拾音孔与所述开
孔的埋藏沟道。

说明书

一种MEMS麦克风

技术领域

本发明涉及一种MEMS麦克风。

背景技术

目前应用较多且性能较好的麦克风是微电机系统
(Micro-Electro-Mechanical-System,简称MEMS)麦克风,其封装体积比传统
的驻极体麦克风小。MEMS麦克风是一种集成麦克风,由外壳和线路板构成外
部封装结构,封装结构上设置有声音通道,在封装结构内部的线路板上设置有
一个MEMS芯片和一个专用集成电路(Application Specific Intergrated Circuits,
简称ASIC)芯片。该MEMS芯片由一个MEMS声学换能器构成,包括一个刚
性穿孔背电极和一个弹性振膜。MEMS芯片上的弹性振膜能有效感知外界声压
的变化,并将其转换为电容的变化,ASIC芯片检测该电容变化并将其转换为电
信号输出。

由于现有结构的MEMS麦克风仅包含一个MEMS声学换能器,使得器件整
体的灵敏度和信噪比将受到该单个MEMS声学换能器的制约。

发明内容

本发明提供了一种能够提高器件整体的灵敏度和信噪比增益的MEMS麦克
风。

本发明的MEMS麦克风,由外壳和线路板构成MEMS麦克风的外部封装结
构,在所述封装结构上设置有拾音孔,在所述封装结构内部的所述线路板上设
置有两个或更多个串联的MEMS声学换能器和一个ASIC芯片。

优选地,所述两个或更多个串联的MEMS声学换能器之间良好匹配。

在一个实施方式中,所述两个或更多个串联的MEMS声学换能器在各自基
底上,分别构成独立的MEMS芯片。

在一个实施方式中,所述两个或更多个串联的MEMS声学换能器在同一基
底上,构成一个整体式MEMS芯片。

在一个实施方式中,所述ASIC芯片包括一个缓冲电路和一个DC-DC偏置
电路,所述两个或更多个MEMS声学换能器串联连接后,一端连接至所述
DC-DC偏置电路输出端,另一端连接至所述缓冲电路的输入端。

在一个实施方式中,所述拾音孔设置在所述外壳上。

在一个实施方式中,所述拾音孔设置在所述线路板上。其中可选地,该线
路板为多层板结构,所述拾音孔设置在所述线路板的下表面,并且在所述线路
板的上表面设置有与MEMS声学换能器个数相应的多个开孔,且每个开孔均对
应位于一个MEMS声学换能器的下方,在所述线路板中设置有连接所述拾音孔
与所述多个开孔的埋藏沟道。

本发明的MEMS麦克风,通过在线路板上设置两个或更多个串联的MEMS
声学换能器和一个ASIC芯片,由于串联连接的两个或更多个MEMS声学换能
器能够将同时感知的外界声压的变化转换为整体电容变化,由ASIC芯片检测该
整体电容变化并将其转换为电信号输出,从而实现了器件整体的灵敏度和信噪
比增益的提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施
例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述
中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付
出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了利用多个电压源串联提高信噪比的电路示意图;

图2示出了多个换能器元件串联到缓冲电路和DC-DC偏置电路的电路示意
图;

图3示出了本发明的MEMS麦克风的剖视立体图;

图4示出了本发明的MEMS麦克风在线路板上设置两个独立的MEMS芯片
实施方式的立体示意图;

图5示出了本发明的MEMS麦克风在线路板上设置三个独立的MEMS芯片
实施方式的立体示意图;

图6示出了本发明的MEMS麦克风在线路板上设置四个独立的MEMS芯片
实施方式的立体示意图;

图7示出了本发明在外壳上设置拾音孔实施方式的剖面示意图;

图8示出了本发明在多层线路板上设置拾音孔实施方式的剖面示意图;

图9示出了本发明的MEMS麦克风在线路板上设置的四个MEMS声学换能
器构成一个整体式MEMS芯片实施方式的立体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图和具体实
施例对本发明进行详细描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施
例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没
有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

首先对本发明基于的原理进行说明。

如图1所示的利用多个电压源串联提高信噪比的电路示意图中,n个交流电
源V1,V2,......,Vn串联来驱动单个负载RL,其中n个电源中的每一个都具有
电源阻抗Zn,总输出传递给负载RL,因此输出电压Vout可以通过累加原理计算:

Vout=(V1+V2+......+Vn)*RL/(RL+Z1+Z2+......+Zn)

当每一个电源的电源阻抗良好匹配时,V1=V2=......=Vn=V0,
Z1=Z2=......=Zn,并且考虑到相对于电源内阻抗而言,负载RL相当大,于是上
述等式可以简化为:

Vout=n*V0

即:输出电压Vout等于n个匹配电源的电源电压之和。

再考虑每一个电压源的噪声电压。由于电子热噪声或者声阻噪声中相位是非
相关的(即自由电子或气流运动是杂乱无章的),因此总系统噪声可以表示为来
自每个贡献源的单独噪声功率之和。

假设只有两个串联的噪声电压源,共同作用在一个无噪声的负载RL上,该
元件上的总噪声功率等于每个噪声源单独作用时的功率之和,这与一般的正弦
交流电路是不同的。具体说明如下:

输出的总噪声功率V可以用一个公式表示,即:

V 2 = V 1 2 + V 2 2 + 2 CV 1 V 2 . ]]>

式子中的C为相关系数,取值范围为[-1,1],C值的大小表示出V1,V2的相
关程度,当两者独立无关的时候C=0,为随机噪声的情况:

V 2 = V 1 2 + V 2 2 = V 1 2 [ 1 + ( V 1 V 2 ) 2 ] ]]>

V = V 1 [ 1 + ( V 1 V 2 ) 2 ] 1 2 ]]>

取对数得

20 lgV = 20 lgV 1 + 10 lg [ 1 + ( V 1 V 2 ) 2 ] ]]>

电压源匹配时,V1=V2,有

20lgV=20lgV1+3dB

可见两个互不相关的等幅噪声源串联输出的总噪声电压值等于单个噪声电
压值加上3dB。如果是多个互相独立无关的热噪声信号源,而且它们幅度基本相
等时,类似可推导得到总的噪声源电压dB数值为

20lgV=20lgV1+10lgn

信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)可以通过输出电压Vout与总的噪声电
压V之比进行计算。在电压源匹配时,信噪比为sqrt(n)。具体而言,串联信号
源,相关信号从累加信号中获得了增益,整体信号增大为n*V,同时使得总的
非相关噪声增大sqrt(n),由此总信噪比SNR增益为sqrt(n)。由此可知,可以通
过对相关信号源求和来增大信噪比。

图2示出了多个换能器元件串联到缓冲电路和DC-DC偏置电路的电路示意
图。如图2所示,多个换能器元件串联,每个换能器元件被描绘成可变电容器,
缓冲电路用于在高阻抗换能器元件和用户接口电路之间提供阻抗匹配,DC-DC
偏置电路用于为每个换能器元件提供偏压。

依据上述推导,如果是n个良好匹配的换能器元件串联的情况下,一方面
能够得到总信噪比SNR增益增大sqrt(n)的结果,这代表利用多个串联换能器元
件的信噪比增益的理论最大值;另一方面整体输出的电容变化为单个换能器元
件输出电容变化的n倍,即灵敏度提高了n倍,因此多个换能器元件串联后将
会带来系统的灵敏度和信噪比增益的提高。并且可知,在使用不太匹配的多个
串联换能器元件的情况下,也可带来提高灵敏度和信噪比增益的结果。需要说
明的是,上述推导是建立在每个换能器元件处于正常偏压情况下得到,因此为
保持每一个换能器元件工作在正常状态,那么配套的DC-DC偏置电路的输出电
压应为n*Vbias。

下面是基于上述原理给出的本发明的实施例。

图3示出了本发明的MEMS麦克风的剖视立体图。本实施例的MEMS麦克
风,由外壳2和线路板1构成MEMS麦克风的外部封装结构,其中,外壳2可
采用金属或镀金属的材料构成,外壳2与线路板1之间可以通过焊锡或者导电
胶进行粘接,使得外壳2和线路板1之间保证较好的电路连接,并且实现MEMS
麦克风需要的电磁屏蔽效果。在外壳2上设置有接收外界声音信号的拾音孔21,
在封装结构内部的线路板1上设置有一个ASIC芯片4和两个或更多个串联的
MEMS声学换能器3。

在一个线路板上设置两个或更多个MEMS声学换能器可以通过切割分离工
艺,将期望数量的MEMS声学换能器切割分离在不同基底上来实现。每个MEMS
声学换能器分别构成独立的MEMS芯片,各个独立的MEMS芯片之间通过相互
间的引线实现串联。

图4至图6分别示出了本发明MEMS麦克风在线路板上设置两个、三个和
四个独立的MEMS芯片的立体图。多个MEMS芯片3位于线路板1上的相临近
位置,且彼此之间串联(串联线在图中未示出),ASIC芯片4靠近一个或多个
MEMS芯片3。MEMS芯片及ASIC芯片可以通过固晶、表面安装或本领域其
他常用技术将其定位在线路板上,MEMS芯片之间的连接以及MEMS芯片与
ASIC芯片之间的连接可以通过引线接合的方式实现。

通过在线路板上设置两个或更多个串联的MEMS声学换能器,使得两个或
更多个串联的MEMS芯片3的弹性振膜能够将同时感知的外界声压的变化转换
为整体电容变化,由ASIC芯片检测该整体电容变化,并将其转换为电信号输出。
根据上述理论推导可知,MEMS麦克风的灵敏度和信噪比性能将随着线路板上
设置的MEMS芯片数量的增加而改善,多于图4至图6所示的2-4个串联MEMS
芯片可以达到更高的灵敏度和信噪比性能。

在一个实施方式中,ASIC芯片4可以包括一个缓冲电路和一个DC-DC偏
置电路,所述两个或更多个MEMS声学换能器串联连接后,一端连接至所述
DC-DC偏置电路输出端,另一端连接至所述缓冲电路的输入端。其中DC-DC
偏置电路用于为串联的每一个MEMS芯片提供正常工作的偏置电压,缓冲电路
用于为高阻抗MEMS芯片与后续应用接口电路提供阻抗匹配,避免传输信号在
传递过程中的损耗。

在一个实施方式中,参见图7,图7示出了本发明在外壳上设置拾音孔实施
方式的剖面示意图。当外界声音信号通过在外壳2上设置的拾音孔21传入时,
由于MEMS芯片尺寸很小,约为1mm*1mm,因此可认为在线路板上设置的两
个或更多个串联的MEMS芯片能够同时接收到该外界声音信号。串联的两个或
更多个MEMS芯片3的弹性振膜将同时有效感知的外界声压的变化转换为整体
电容变化,由ASIC芯片4检测该串联MEMS芯片的整体电容变化并将其转换
为电信号输出至后续应用接口电路。

还可以在线路板上开设声音通道。参见图8,图8示出了本发明在线路板上
设置拾音孔实施方式的剖面示意图。如图8所示,线路板1为多层板结构,在
线路板1的下表面设置有拾音孔11,在线路板1的上表面设置有与MEMS芯片
个数相应的多个开孔12,每个开孔12均位于一个MEMS芯片的下方,拾音孔
11与开孔12之间通过线路板1中的埋藏沟道13连接,这样由拾音孔11、埋藏
沟道13和多个开孔12之间构成一个狭长的声音通道,从拾音孔11进入的外界
声音信号通过埋藏沟道13后再经由多个开孔12直接撞击每个MEMS芯片的弹
性振膜,从而引起在线路板1上两个或更多个串联的MEMS芯片3的整体电容
变化。ASIC芯片4同样将检测到该整体电容变化并将其转换为电信号输出至后
续应用接口电路。

需要说明的是,本发明并不限定为图8所示的多层板结构线路板,在两层
板和单层板结构的线路板上同样可实现狭长的声音通道。

由于MEMS芯片的制造可以采用与集成电路制造类似的成熟技术或工艺,
因此制造出的MEMS芯片在灵敏度、信噪比等性能方面的一致性非常高,可视
为同一批次的MEMS芯片是良好匹配的。采用多个良好匹配的MEMS芯片可以
使得本发明的MEMS麦克风的灵敏度和信噪比性能获得最佳提升。当然,本发
明MEMS麦克风中两个或更多个串联的MEMS芯片并不需要良好匹配,即便如
此,仍然可以提高器件整体的灵敏度和信噪比增益。

在再一个实施方式中,可以设计具有两个或更多个MEMS声学换能器的芯
片结构,每个声学换能器之间的串联连接在芯片内部实现。如图9所示,图9
示出了本发明的MEMS麦克风在线路板上设置的四个MEMS声学换能器共同构
成整体式MEMS芯片实施方式的立体示意图。四个MEMS声学换能器在同一个
基底上,构成一个整体式MEMS芯片。该实施方式中各个MEMS换能器之间由
于不需要通过外部的引线接合方式来连接,从而减少了后序引线接合的数量,
保证MEMS麦克风内部引线的走线自如,减少了干扰信号导入的几率。同时这
种实施方式也减少了晶圆上预留的芯片分割道,有助于在同样尺寸的晶圆上制
备更多声学换能器。因此该实施方式可以提供更高效的生产效率及更低生产成
本。

需要说明的是,本发明的MEMS麦克风在线路板上设置的两个或更多个串
联的MEMS声学换能器,也可以是上述两种实施方式的组合,即:部分多个
MEMS声学换能器在同一基底上构成整体式MEMS芯片,其余部分MEMS声
学换能器分别在各自基底上分别构成独立的MEMS芯片。

综上所述,本发明的MEMS麦克风,通过在线路板上设置两个或更多个串
联的MEMS声学换能器和一个ASIC芯片,由于串联连接的两个或更多个MEMS
声学换能器能够将同时感知的外界声压的变化转换为整体电容变化,由ASIC芯
片检测该整体电容变化并将其转换为电信号输出,从而实现了器件整体的灵敏
度和信噪比增益的提高。

以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于
此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到
变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

关 键 词:
一种 MEMS 麦克风
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