CN111885470B - 电容型微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备 - Google Patents

Abstract

本说明书实施例提供电容型微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备。该电容型微机电系统麦克风包括：背极板；振膜；以及间隔件，用于使得所述背极板和振膜间隔开，其中，在施加工作偏压的状态下，所述振膜相对于平整位置的静态有效位移与振膜的厚度的比值大于或等于0.5。

Description

电容型微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备

技术领域

本说明书涉及电容型微机电系统麦克风技术领域，更具体地，涉及一种电容型微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备。

背景技术

微机电系统(MEMS)麦克风是采用微机电技术制造的麦克风芯片。它具有较小的体积，并可以广泛应用于各种电子设备，例如，手机、平板电脑、监控设备、可穿戴设备等。

电容型微机电系统麦克风使用双端电容的结构。图1示出了一种电容型电容型微机电系统麦克风的结构。如图1所示，电容型微机电系统麦克风包括背极板11、振膜12以及位于背极板11和振膜12之间的间隔件13。间隔件13用于将背极板11和振膜12隔开。间隔件13可以单独的间隔层也可以是芯片衬底的一部分。

在图1中，背极板11、振膜12和间隔件13围成电容型微机电系统麦克风的后腔15。在背极板11中可以形成连通到后腔15的孔14。在振膜12中还可以形成泄气孔(未示出)。

如图2所示，振膜12在施加工作偏压的状态下向背极板11弯曲。为了保证振膜12的机械线性性能，在施加工作偏压的情况下，当振膜12处于静止状态时，振膜12具有较小的静态挠度，即，振膜12相对于平整位置的静态有效位移(静态有效挠度)与振膜12的厚度的比值W₀/t<0.5，其中，W₀是在工作偏压下振膜12在静止状态下的有效位移，t是振膜12的厚度。

图2的振膜12被设置成具有较大的硬度，以使得振膜12具有较小的静态挠度。这种振膜的灵敏度较低。

因此，需要提供一种新的电容型微机电系统麦克风。

发明内容

本说明书的实施例提供用于电容型微机电系统麦克风的新技术方案。

根据本说明书的第一方面，提供了一种电容型微机电系统麦克风，包括：背极板；振膜；以及间隔件，用于使得所述背极板和振膜间隔开，其中，在施加工作偏压的状态下，所述振膜相对于平整位置的静态有效位移与振膜的厚度的比值大于或等于0.5。

根据本说明书的第二方面，提供了一种麦克风单体，包括单体外壳、这里公开的电容型微机电系统麦克风以及集成电路芯片，其中，所述电容型微机电系统麦克风以及集成电路芯片被设置在所述单体外壳中。

根据本说明书的第三方面，提供了一种电子设备，包括这里公开的麦克风单体。

在不同实施例中，通过使用较大静态挠度的振膜，可以降低麦克风的整体非线性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书实施例。

此外，本说明书实施例中的任一实施例并不需要达到上述的全部效果。

通过以下参照附图对本说明书的示例性实施例的详细描述，本说明书的实施例的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书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说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有技术的微机电麦克风的示意图。

图2示出了现有技术的微机电麦克风的示意图，其中，振膜在施加工作偏压的状态下具有较小的静态挠度。

图3示出了振膜在静止状态下的有效位移与工作偏压的关系的曲线图。

图4示出了关于振膜的声学过载点的示意图。

图5示出了根据这里公开的一个实施例的电容型微机电系统麦克风的示意图。

图6示出了根据这里公开的另一个实施例的电容型微机电系统麦克风的示意图。

图7示出了根据这里公开的又一个实施例的电容型微机电系统麦克风的示意图。

图8示出了根据这里公开的一个实施例的麦克风单体的示意图。

图9示出了根据这里公开的一个实施例的电子设备的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述各种示例性实施例。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

下面，参照附图描述本说明书的不同实施例和例子。

在这里，提出了一种电容型微机电系统MEMS麦克风。例如，如图5所示，电容型微机电系统麦克风包括：背极板21、振膜22以及间隔件23。间隔件23用于使得背极板21和振膜22间隔开。间隔件23可以是单独的间隔层，也可以是芯片衬底的一部分。

在施加工作偏压的状态下，振膜22相对于平整位置的静态有效位移与振膜的厚度的比值大于或等于0.5。如图5所示，振膜22相对于以虚线展示的平整位置偏离较大的距离。

在图5中，背极板21、振膜22以及间隔件23形成后腔24。

下面，结合图3、4解释图5所示的包含背极板21和振膜22的电容型MEMS麦克风的工作原理及性能。这种电容型MEMS麦克风又可以称为双端电容型微机电系统麦克风。在电容型微机电系统麦克风中，电荷总量是常量(固定的)，即，在音频频率下，电量Q＝CV为常数，其中，C、V分别为振膜和背极板之间的电容、电压。所以，信号输出可以表示为：

vo＝-x/(1-x)·VB (公式1)

其中x＝w/G₀，它是振膜22的位移w与背极板21和振膜22之间静态空气间隙G₀的比值，VB为背极板21和振膜22之间的工作偏压。静态空气间隙G₀是在施加工作偏压VB下振膜和背极板之间的有效静态空气间隙。VB可以表示使得振膜能够处于期望工作状态的偏置电压。

在通过背极板和振膜之间电容检测来获取输出信号时，电容检测所产生的非线性可以表示为：

|vo⁺/vo^-|＝[(1-x^-)/(1-x⁺)]·(x⁺/x^-) (公式2)

其中，公式2中的vo和x的含义如上所述，以及上标+、-分别对应振膜所接受的声压的正、负半周期。当声压为正时，x朝向空气间隙G减小的方向变化。公式2表明了双端电容型MEMS麦克风的非线性的主要来源之一。

传统的麦克风利用振膜的机械线性性能，即，尽量使得振膜的位移w正比于声压p，即，x^-＝-x⁺，x⁺＝x>0，其中，对于x，朝向空气间隙G减小的方向为正。此时，麦克风的非线性可以表示为：

|vo⁺/vo^-|＝(1+x)/(1-x) (公式3)

在公式3中，正信号输出大于负信号输出，并且麦克风的非线性程度和x直接相关。

此外，振膜本身的机械非线性可以表示为：

P＝aW+bW³ (公式4)

其中，P、W为振膜所接受的总压力、总位移量，a、b正的常数。

振膜在静态状态(即，在施加工作偏压VB但是未施加声压p的状态)下的静态有效位移(工作偏压下的有效位移)是W₀。由于在电容型麦克风的振膜和背极板之间施加工作偏压VB，因此，W₀>0。当有声压p施加到振膜上时，在声压p的正半周期(正声压)时振膜的位移量是w⁺，在声压p的负半周期(负声压)时振膜的位移量是w^-，w⁺略小于w^-。

公式4还可以表示为：

p+P₀＝a(W₀+w)+b(W₀+w)3 (公式5)

其中，p为声压(具有正、负半周期))，P₀>0为由静电力产生的静态压力，w为声压所产生的额外振膜位移(可以是正或负的值)。

图3示出了静态有效位移W₀和工作偏压VB的关系。在图3中，横坐标是VB/VP，其中，VP表示麦克风的下塌电压；纵坐标是W₀/G₀。为保证麦克风器件的可靠性，通常设置VB/VP<75％，对应的W₀/G₀约为16％。通过设置VB可以调整振膜22的静态挠度，或者调整振膜22相对于平整位置的静态有效位移W₀与振膜的厚度t的比值W₀/t。

在传统的电容型MEMS麦克风中，为了追求机械线性，需要选择在静态(未施加声压)时具有较小静态挠度的振膜，或者振膜22相对于平整位置的静态有效位移W₀与振膜的厚度t的比值W₀/t<＝0.5。这种麦克风的非线性主要来自电容检测。

在这里，我们提出通过增大振膜的静态挠度来抵消电容检测的非线性。

具体来说，综合考虑上面的公式1-5，电容型MEMS麦克风的总体非线性可以表示为：

|vo⁺/vo^-|＝A·B (公式6)

其中，A＝(1-x-)/(1-x+)～(1+x)/(1-x)>1，

B＝(x⁺/x^-)＝[a+3b(W₀+w^-)2]/[a+3b(W₀+w⁺)²]

～[a+3b(W₀-w)]/[a+3b(W₀+w)]<1，其中w+＝w～-w->0。

如果综合考虑电容型MEMS麦克风的非线性，可以发现公式6中的A>1，而B<1。因此，可以通过调整A或B来降低信号输出的正负周期的不对称所造成的非线性，从而改善THD(总谐波失真)和AOP(声学过载点)。

在这个发明中，通过利用工作偏压VB，调整“预偏移量”(振膜静态挠度)，使得W₀/t>＝0.5，优选地，W₀/t>＝1。通过这种预偏移方式，可以使得公式6中的A和B至少部分抵消，从而改善输出信号的非线性程度或特定非线性程度下的声压级。例如，1％THD的声压级或10％THD对应的AOP都可大幅提高。

图4示出了预偏移量与AOP的关系。在图4中，横坐标表示振膜的静态挠度与振膜厚度的比值W₀/t，纵坐标表示静态压力P₀。在图4中，实线表示较软的振膜S的性质，虚线表示较硬的振膜H的性质。如图4所示，在振膜S的初始静态挠度较小的情况下，振膜S的AOP1较小。如果采用较硬的振膜H，在较小的静态挠度下，振膜H的AOP3较小。但是，较硬的振膜H可能会降低灵敏度。当将振膜S的静态挠度设置得较大时，例如，当将振膜S的静态挠度设置在与(W₀，P₀)对应的点时，振膜S的AOP2相对于AOP1显著增加。通过这种方式，可以在保留较软振膜的优点(例如，灵敏度)的情况下增加AOP等性能。

在未施加工作偏压的状态下，振膜22处于平整状态，即，振膜22没有位移/翘曲/挠度。例如，空气间隙G等于5-10um，振膜22的厚度t＝0.1-1um。在施加工作偏压的状态下，振膜22的有效(平均)位移W₀＝(0.5-3)t，或者振膜的(中心处的)最大位移Wc＝(1-9)t。这超出了超出传统电容型MEMS麦克风的小静态挠度范围。振膜22的机械非线性达到与电容检测非线性同等幅度但相反方向的程度，从而大大降低MEMS麦克风的整体非线性，并改善了THD和AOP性能。

在这里，通过静电作用将自由振膜预拉偏至较大的挠度。这样，可以可以人为地引进振膜机械(几何)非线性，即，声压正、负半周期内机械响应的不对称性。当施加正声压(压向背极板)时振膜的变形是w⁺，当施加负声压(背离背极板)时振膜的变形是w^-，w⁺小于w^-。这可以弥补由于电容检测引进来的非线性，即，输出信号可以表示如下：

v_out～-x/(1-x)VB,其中x＝w/G₀，w为声压造成的振膜位移，G₀为在施加工作偏压且未施加声压的情况下的静态等效的空气间隙，VB为工作偏压。在正声压下，x>0，输出信号大于x*VB；而在负声压下，输出信号小于x*VB。考虑在特定声压级下w+/w-～(1-x)/(1+x)，可以利用振膜的机械非线性来弥补电容检测造成的非线性，从而改善电容型MEMS麦克风的THD和AOP。

图6示出了根据这里公开的另一个实施例的电容型MEMS麦克风的示意图。

如图3所示，如果以VB/VP＝75％为工作偏压的上限(即，W₀/G₀～16％)，那么当较大的静态挠度与振膜的比值W₀/t分别为0.5、1、1.5时，对应的G₀/t分别为3.1、6.3、9.4。

当空气间隙G₀超过5-10um时，通常需要较大面积的振膜来形成足够的有效电容C_mic以保证麦克风的性能。以G₀＝5um为例，对应的振膜厚度t分别为1.6um、0.8um、0.53um。

因此，较大静态挠度的设计要求振膜较薄。由于振膜太软且它谐振频率太低，因此，这不容易形成单一的、大的自由振膜。在图6中提出将多个小振膜并联形成较大面积的振膜阵列。

在图6中，电容型MEMS麦克风的间隔件包括第一间隔件33和第二间隔件35。第一间隔件33沿振膜的周边设置。在图6的电容型MEMS麦克风中，背极板31、振膜32和第一间隔件33形成后腔34。第二间隔件35设置在振膜32朝向背极板31的投影范围内并且将振膜32划分成至少两个振动部分，例如，在图6中，振膜被分成3个振动部分。上述振动部分作为振膜单元，组成振膜阵列。

在一个例子中，振膜单元中的至少两个振膜单元具有不同的声音响应特性。通过这种方式，可以分别调整MEMS麦克风在不同方面(例如不同频段)的响应特性。

如图6所示，第二间隔件35是位于振膜和背极板之间的柱状体。通过柱状体，可以减小间隔件35对应MEMS麦克风的影响，例如减小寄生电容。

图7示出了根据这里公开的又一个实施例的电容型MEMS麦克风的示意图。

图7中的电容型MEMS麦克风与图6中的电容型MEMS麦克风的不同之处在于柱状体35与振膜32接触的端部36。如图7所示，柱状体35与振膜32接触的端部36的截面积大于柱状体35中部的截面积。通过这种方式，可以防止柱状体35的端部36损坏振膜32。

此外，端部36可以包括弹性部分。弹性部分的弹性大于柱状体主体部分的弹性。这样可以进一步防止柱状体35的端部36损坏振膜32。

图8示出了根据这里公开的一个实施例的麦克风单体的示意图。

如图8所示，麦克风单体40包括单体外壳41、上面描述的电容型MEMS麦克风42以及集成电路芯片43。电容型MEMS麦克风42以及集成电路芯片43被设置在所述单体外壳42中。电容型MEMS麦克风42与单体外壳41的进气口对应。电容型MEMS麦克风42、集成电路芯片43和单体外壳41中的电路通过引线44连接。

图9示出了根据这里公开的一个实施例的电子设备的示意图。

如图9所示，电子设备50可以包括图8所示的麦克风单体51。电子设备50可以是手机、平板电脑、可穿戴设备等。

以上所述仅是本说明书实施例的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本说明书实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本说明书实施例的保护范围。

Claims (10)

1.一种电容型微机电系统麦克风，包括：

背极板；

振膜；以及

间隔件，用于使得所述背极板和振膜间隔开，

其中，在施加工作偏压的状态下，所述振膜相对于平整位置的静态有效位移与振膜的厚度的比值大于或等于0.5。

2.根据权利要求1所述的电容型微机电系统麦克风，其中，在施加工作偏压的状态下，所述振膜相对于平整位置的静态有效位移与振膜的厚度的比值大于或等于1。

3.根据权利要求1所述的电容型微机电系统麦克风，其中，所述间隔件包括第一间隔件和第二间隔件，第一间隔件沿振膜的周边设置，以及第二间隔件设置在振膜朝向背极板的投影范围内并且将振膜划分成至少两个振动部分。

4.根据权利要求3所述的电容型微机电系统麦克风，其中，第二间隔件是位于振膜和背极板之间的柱状体。

5.根据权利要求4所述的电容型微机电系统麦克风，其中，柱状体与振膜接触的端部的截面积大于柱状体中部的截面积。

6.根据权利要求4所述的电容型微机电系统麦克风，其中，柱状体与振膜接触的端部包括弹性部分，所述弹性部分的弹性大于柱状体主体部分的弹性。

7.根据权利要求3-6中的任何一项所述的电容型微机电系统麦克风，其中，所述振动部分作为振膜单元，组成振膜阵列。

8.根据权利要求7所述的电容型微机电系统麦克风，其中，所述振膜单元中的至少两个振膜单元具有不同的声音响应特性。

9.一种麦克风单体，包括单体外壳、根据权利要求1所述的电容型微机电系统麦克风以及集成电路芯片，其中，所述电容型微机电系统麦克风以及集成电路芯片被设置在所述单体外壳中。

10.一种电子设备，包括根据权利要求9所述的麦克风单体。

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