MEMS麦克风组件和制造MEMS麦克风组件的方法与流程

本公开内容涉及mems麦克风组件，尤其是基于光学mems麦克风的mems麦克风组件，以及制造mems麦克风组件的方法。

微机电系统(mems)麦克风被广泛用于现代消费电子产品中的音频应用。集成mems麦克风扮演重要角色的常见示例是便携式计算设备例如膝上型计算机、笔记本计算机和平板计算机，以及便携式通信设备例如智能电话或智能手表。由于这些设备的空间限制越来越大，因此部件变得越来越紧凑并且尺寸越来越小。由于以上也适用于这些设备中所使用的mems麦克风，因此其已成为具有复杂封装设计的高度集成的部件，并且具有容积小、音质高、可靠且价格可承受的特点。

要实现的目的是提供一种针对具有减小的尺寸和高灵敏度的紧凑型mems麦克风组件的改进概念。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中限定了改进的概念的实施例和改进方案。

改进概念基于提供具有增加的有效后部容积的mems麦克风组件的思想。较大的后部容积相当于麦克风组件内部的mems膜片后面的空气具有较大的声学电容，导致声学阻抗降低，这是由于后部容积内的空气的有限的可压缩性而引起的。改进概念的补充方面的目的是由于膜片与专用集成电路asic之间的气流改善从而进一步降低声学阻抗，该asic通常布置在膜片附近并用于读出运动，即mems膜片的偏转。mems膜片例如是薄膜。

特别地，改进概念的mems麦克风组件包括壳体，该壳体限定第一腔并且具有将第一腔连接到组件的环境的声学进入端口。组件还包括布置在第一腔内的mems麦克风，该mems麦克风具有带有接合结构和mems膜片的第一晶片以及具有专用集成电路(asic)的第二晶片，其中该膜片具有第一侧和第二侧。

根据改进的概念，第二晶片被接合至第一晶片的接合结构，使得在膜片的第一侧与第二晶片之间形成间隙，其中，该间隙限定第二腔并且具有间隙高度。例如，根据标准晶片接合工艺，接合可以是例如黏性或共熔性的接合。在这样的组件中，膜片的第一侧与第二腔相接，并且膜片的第二侧经由声学进入端口与环境相接。此外，接合结构被布置成使得形成连接第一腔和第二腔的压力通风开口。

在这样的mems麦克风组件中，通常由mems膜片与asic之间的间隙限定的后部容积经由压力通风开口连接到由壳体限定的第一腔的容积，该容积通常用于封装目的。这样做的效果是，例如由于移动的膜片而导致的间隙内的空气的压缩会分布在明显更大量的空气上，从而增加其声学顺应性。

随着现代mems麦克风尺寸的不断减小，它们的后部容积也随之减小，这可能会导致更大的声学阻抗。这继而又会导致麦克风在灵敏度、频率响应和信噪比(snr)等方面的音频性能下降。因此，增加后部容积的目的是降低声学阻抗，从而克服现有mems麦克风设备的局限性。

有了由mems晶片的接合结构限定的压力通风开口，其他的解决方案则不再需要，例如，诸如穿过asic晶片的通风开口，这意味着对用于asic的电子部件的空间的限制。

除了限定第一腔以外，根据改进概念的壳体还具有附加目的，即，使mems麦克风对于通过声学进入端口进入组件的声波是全向的。为此，第一晶片相对于声学进入端口被布置成使得第一腔和第二腔在声学进入端口的边界处与环境气密密封。例如，膜片相对于声学进入端口齐平安装。

该组件还可以包括从asic到外部电路的连接，例如通过穿过壳体的接线和/或馈通件。

在一些实施例中，间隙高度大于10μm，特别是等于或大于50μm。

常规mems麦克风的间隙高度通常为10μm或更小。对于电容式麦克风，为了通过获得所需的电容而仍具有足够的信噪比，间隙高度需要小至2μm。例如，依赖于对集成在mems膜片中的光栅的衍射现象进行光学检测的光学麦克风，同样具有间隙高度小于10μm的特点。因此，当位于间隙中的少量空气由于膜片的偏转降低了间隙高度而被压缩时，空气会对膜片的运动施加很大的阻抗。挤压后的阻抗可能是mems麦克风信噪比的限制因素。

如改进的概念所建议的那样，将间隙高度增加到明显高于10μm的值，意味着间隙内的空气量更大，从而导致了压缩的分布，因此导致整体上的更小的挤压阻抗，该挤压阻抗对mems膜片的偏转是具有破坏性作用的。

在这些实施例中，优选通过光学偏转测量方案例如从原子力显微镜中已知的光束偏转测量，或者通过光学干涉测量法来实现膜片偏转的读出。特别是对于这些测量方案，mems膜片以及其表面不需要为了读出的目的而被穿孔、图案化、结构化等，而是膜片在其整个表面区域上均具有平坦的顶部和底部表面。

在一些实施例中，压力通风开口由膜片的主延伸平面中膜片的夹持结构与接合结构之间的空隙限定。

在这样的实施例中，夹持结构被连接至接合结构，从而限定了间隙，该夹持结构将mems膜片悬挂并且可以另外用作将mems麦克风安装至壳体的声学进入端口的结构。例如，可以通过环形夹持结构在膜片的边界处将圆形膜片悬挂，并且在膜片的平面中，夹持结构可以借助于多个桥连接至同心但更大的环形接合结构。桥之间的空隙限定用作压力通风开口的间隙。

在一些替代实施例中，压力通风开口由接合结构的空隙限定。

作为上述实施例的替代，接合结构中的空隙可以替代地用作压力通风开口。对于具有环形夹持结构的圆形膜片的示例来说，可以在夹持结构底侧上的某些位置布置接合结构。这样，压力通风开口在接合后位于膜片的平面与asic芯片的顶表面之间。

在一些实施例中，第二晶片包括连接第一腔和第二腔的通风孔。

如果asic的电气部件的布置允许，则可以将一个或更多个通风孔集成到asic晶片中，以在第一腔与第二腔之间提供附加连接。这可以进一步改善气流，从而降低声学阻抗，尤其是对于气隙较小的设备。对于具有足够大的气隙即大于50μm的设备，asic晶片中的这些额外的通风孔只会导致声学阻抗(如果有的话)的微小的降低，因此这可能是没有必要的。

在一些实施例中，压力通风开口的至少一个尺寸对应于间隙高度。

设计压力通风开口以使得它们的高度等于间隙高度，使得能够最大程度地改善气流以及第一腔和第二腔的连接。

在一些实施例中，mems麦克风由第一晶片和第二晶片组成。

仅由两个晶片即用于mems膜片的第一晶片和用于asic的第二晶片组成的mems麦克风使得能够根据用于第一晶片的mems兼容工艺以及用于第二晶片的mems兼容工艺进行低成本和高收益的单独制造。与之不同的是，常规的麦克风通常采用更复杂的三晶片结构，其中第三晶片用作第一晶片与第二晶片之间的连接链路。此外，两晶片结构优于单晶片结构，这是因为单晶片结构需要同时考虑兼容mems和asic的制造工艺。

在制造的最后步骤中，两个晶片通过mems膜片与asic晶片的顶表面之间的间隙接合在一起。可以根据标准晶圆级接合技术来执行接合。特别地，例如，第一晶片的接合结构被接合至第二晶片上的接合垫，使得晶片仅在用于限定压力通风开口的特定点处被接合。

特别是不需要额外的晶片，例如包括背板诸如穿孔的背板，确保即使是大的间隙高度也能实现紧凑的装配。

在一些实施例中，组件还包括至少具有光源和探测器的光学读出组件，其中，光学读出组件被配置成检测膜片的点或表面的位移，特别是膜片的第一侧的点或表面的位移。

如上所述，采用电容读出方案或基于衍射现象的光学读出方案的常规mems麦克风具有非常小的间隙高度的限制，以便能够首先检测到膜片的任何偏转。与之不同，采用光学偏转测量方案，例如原子力显微镜中常用的光束偏转测量或干涉测量，这两者都旨在以高灵敏度光学测量膜片的点或表面的偏转，允许使用更大的间隙高度，使得降低影响膜片的运动的声学阻抗。在这些实施例中，asic可以包括诸如激光器的并且照射膜片的面向asic的第一侧上的特定点或特定表面的相干光源。因此，膜片的偏转可以由asic的光学检测器读出，所述光学检测器例如分段的光电二极管或检测器，该检测器被配置成在干涉测量方案的情况下将反射光与从组件的静止点或表面反射的参考光束进行比较。

在一些实施例中，壳体包括压力均衡开口。

替代地，在一些实施例中，膜片还包括压力均衡开口。

静态气压水平通常围绕海平面1013hpa的标准大气压水平进行几十hpa的波动。由于声压级大约为1pa，并且可能小至20μpa，这被认为是人类听力的阈值，因此，环境和传声器组件内部的同等压力水平对于检测由声波引起的微小压力波动是绝对必要的。为了确保由第一腔和第二腔限定的后部容积中的静态压力与环境的静态压力相等，在这些实施例中，麦克风组件包括压力均衡孔。该孔能够例如由位于壳体中或mems膜片中的压力均衡开口限定。

在一些其他的实施方式中，压力均衡开口被配置成用作纵波的高通滤波器，尤其是截止频率为20hz至100hz的高通滤波器。

由于麦克风通常用于感测覆盖20hz至20khz的频率的音频频带中的纵波，因此需要在该频带中的带通滤波器。虽然上截止频率通常由mems膜片的机械共振确定，但壳体的特性、尤其是封闭后容积的大小和声学电容以及压力均衡开口的声学电容确定了麦克风的下截止频率。为了实现期望的具有hz量级截止频率的高通滤波器，在具有给定壳体的麦克风组件的这些实施例中的压力通风开口的大小通常为1μm至10μm的量级。

该目的还通过一种包括根据所述实施例之一的mems麦克风组件的电子设备来解决，该电子设备例如压力感测设备或通信设备，其中，mems麦克风被配置为全方位地检测环境中的动态压力变化，尤其是与音频频率相对应的速率下的动态压力变化。

根据上述实施例之一的mems麦克风组件可以方便地用于需要紧凑的高灵敏度传感器来检测较小的动态压力变化的各种应用中，尤其是在音频带中检测声波。因此，本发明旨在用于诸如膝上型计算机、笔记本计算机和平板计算机的便携式计算设备中以及诸如智能电话、智能手表和耳机的便携式通信设备中，在这些设备中，用于附加部件的空间是非常有限的。

非专注于音频带的应用是被配置为检测由各种频率的振动引起的压力波的传感器设备。这种应用的示例是地震传感器和用于通过近场感测来监视各种表面的振动的传感器设备。例如，mems麦克风被附接到电动马达的表面以用于监测其振动，并且向电动马达的控制器提供测量信号以用于其操作的调整。

该目的通过制造微机电系统mems麦克风组件的方法进一步解决。该方法包括提供限定第一腔的壳体，其中该壳体包括将第一腔连接至组件的环境的声学进入端口。该方法还包括将mems麦克风的第一晶片和第二晶片布置在第一腔内，其中，第一晶片包括mems膜片和接合结构，第二晶片包括专用集成电路asic。根据该方法，第二晶片被接合至第一晶片的接合结构，使得在膜片与第二晶片之间形成间隙，其中，间隙限定第二腔并且具有间隙高度。此外，第一晶片被布置为使得膜片的第一侧与第二腔相接，并且膜片的第二侧经由声学进入端口与环境相接。接合结构被布置成使得形成连接第一腔和第二腔的压力通风开口。

通过麦克风组件的实施例，该方法的其他实施例对于本领域技术人员是明显的。

以下对示例性实施例的附图的描述可以进一步说明和解释改进概念的各方面。麦克风组件的具有相同结构和相同效果的部件和零件分别以相同的附图标记表示。在不同附图中，麦克风组件的部件和零件的功能只要是相对应的，则对于以下附图中的每一个将不再重复其描述。

图1示出了根据改进概念的mems麦克风组件的mems麦克风的示例性实施例；

图2示出了根据改进概念的mems麦克风组件的mems麦克风的另一示例性实施例；

图3示出了根据改进概念的mems麦克风组件的示例性实施例；

图4示出了根据改进概念的mems麦克风组件的另一示例性实施例；

图5示出了根据改进概念的mems麦克风组件的另一示例性实施例；

图6示出了根据改进概念的mems麦克风组件的另一示例性实施例；

图7示出了图5所示的mems麦克风组件的实施例的声学噪声特性。

图1示出了根据改进概念的mems麦克风组件1的mems麦克风20的示例性实施例。特别地，图1在中心处以俯视图并且分别在顶部和底部以在虚拟切口x和y处的两个截面视图示出了麦克风20。

mems麦克风20包括第一晶片21，其经由第一晶片21上的环形接合结构23接合至第二晶片22。除了接合结构23之外，第一晶片21还包括mems膜片24，该mems膜片在该示例中为圆形，该mems膜片被悬挂并夹持至环形夹持结构27。被配置为对声波敏感的膜片的典型直径为0.5mm至1.5mm。夹持结构27在某些点处经由桥29连接至接合结构23，在该示例中是经由围绕夹持结构27的周长均匀布置的四个桥29连接至接合结构，以使得压力通风开口30由桥29、夹持结构27和接合结构23形成的空隙限定。因此，在该实施例中，压力通风开口30位于膜片24的主延伸平面中，并且将第二腔31连接至由壳体10限定的第一腔11，该壳体在该图中未示出。mems膜片24可以由氮化硅制成，并且夹持结构27、接合结构23和桥29可以由相同的材料例如硅或不同的材料制成。

第一晶片21通过标准的晶圆接合技术接合至第二晶片22，该技术可以是例如粘黏性或共熔性的接合。第二晶片22除了包括专用集成电路asic之外还包括例如接合垫，其在尺寸、形状和位置方面优选地对应于第一晶片21的接合结构23。执行接合使得在膜片24的第一侧25与第二晶片22的顶表面33之间形成间隙28，其中，该间隙限定第二31。间隙高度大于10μm，特别是等于或大于50μm。压力通风开口30的宽度通常具有相似的尺寸。

第二晶片22上的asic被配置为测量膜片24的运动，例如由于膜片24的振动而引起的周期性偏转。如果麦克风是光学麦克风，则asic可以例如包括相干光源例如激光器，其被配置为照射膜片24的第一侧25上的点或表面。asic还可以包括检测器，该检测器被配置为检测从膜片24的第一侧25上的点或表面反射的来自光源的光，并基于检测到的光生成电信号。例如，检测器可以是分段的光电二极管。asic还可以包括处理单元，该处理单元被配置为将电信号映射为偏转信号并将该信号输出到输出端口。替代地，asic可以被配置为经由输出端口将电信号输出至外部处理单元。

图2示出了根据改进概念的mems麦克风组件1的mems麦克风20的另一示例性实施例。本实施例基于图1所示的实施例。类似地，图2在中心处以俯视图并且分别在顶部和底部以在虚拟切口x和y处的两个截面视图示出了麦克风20。

与图1所示的实施例不同，这里，接合结构23被布置在膜片24的夹持结构27与第二晶片22的顶表面33之间。在该示例中，接合结构23仅由围绕膜片24的周长均匀布置的桥限定。这样，在第一晶片21和第二晶片22接合之后，限定了压力通风开口30。特别地，围绕膜片24的周长的接合结构23的空隙限定了压力通风开口，该压力通风开口待布置在夹持结构27与第二晶片22的顶表面之间，并且其高度对应于间隙高度，该高度同样大于10μm，特别是等于或大于50μm。

另外，在该实施例中，第二晶片22还包括可选的通风孔32，该通风孔与压力通风开口30类似地将第二腔31连接至由未示出的壳体10限定的第一腔11。

图3示出了根据改进概念的示例性mems麦克风组件1。该组件包括限定第一腔11作为其封闭容积的壳体10。壳体10包括侧壁15和pcb板14，该pcb板具有开口，用作诸如声波等的进入压力波的声学进入端口12，从而使该麦克风组件1成为底部端口麦克风组件。在该实施例中的壳体还包括压力均衡开口13，该压力均衡开口将第一腔11连接至环境2，例如气体(诸如空气)的环境2，以确保环境2和第一腔11的压力相等。利用该压力均衡开口13，环境2的静态压力的变化传播到麦克风组件中，从而使其对诸如声波的动态压力变化具有不变的灵敏性。

压力均衡开口13的尺寸为1μm至10μm，因此用作对于声学麦克风配置截止频率通常为20-100hz的麦克风组件1的高通滤波器。麦克风组件的上截止频率通常由mems膜片24的机械共振决定，通常约为20khz。

壳体10可以由包括pcb板14和侧壁15的第三晶片形成，但是可以替代地由例如金属或聚合物的通用壳体形成。pcb板14可以包括电触点，其将麦克风信号输出到诸如电子设备的微处理器之类的外部处理单元。

在壳体10内，即在第一腔11内，例如根据上述实施例之一的mems麦克风20相对于声学进入端口12被布置成使得第一腔室11在声学进入端口12的边界处与环境2气密密封。例如，夹持结构27被安装至pcb板14，使得麦克风20的mems膜片24与声学进入端口12齐平安装。这样，麦克风组件1变成了全方位的，即对以不同入射角进入声学进入端口12的声波敏感，这是因为入射压力波只能撞击在膜片24的第二侧26上而不能进入第一腔11或第二腔31，并经由膜片的第一侧25破坏性地影响膜片24的偏转或运动。

膜片24、夹持结构27、接合结构23和带有用于检测膜片24的偏转的asic的第二晶片22通过间隙28限定第二腔31。压力通风开口30连接第一腔11和第二腔22，从而显著增加mems麦克风20的后部容积。这种增加的后部容积降低了对膜片24的运动产生破坏性影响的声学阻抗，从而降低了所检测到的声波的信噪比。该增加归因于以下事实：由于压缩而导致的气压增加通过压力通风开口30分布在麦克风组件1的由第一腔11和第二腔31限定的整个容积中。麦克风组件1内部的箭头表示在膜片24朝向第二晶片22运动的情况下的气压流动。

为了读出，第二晶片22上的asic的输出端口可以例如经由馈通件电连接至pcb板14的面向环境2的一侧上的触点。

大间隙28、由于压力通风开口30所致使的大后部容积以及压力均衡开口13的组合使得能够实现由于声学阻抗而产生的低噪声，也就是说，麦克风组件对200μpa量级的声压具有很高的灵敏度，这是仅高于人类听力阈值一个数量级，并且相当于19db的声压级(spl)。

图4示出了根据改进概念的另一示例性mems麦克风组件1。与图3相比，该实施例的特征在于，压力均衡开口13在膜片24中间的可选位置。尽管膜片24的基本振动模式即蹦床模式在该点处具有最大偏转，并因此测量将产生最高的信噪比，但通常来说，膜片的高阶模式具有较高的相关性，这是因为这些模式的频率位于感兴趣的频带中。最佳测量点，即这些高阶模式的波腹不一定在膜片24的中心。

另外，所示的实施例除了包括压力通风开口30之外还包括第二晶片22中的可选的通风孔32，该可选的通风孔用作第一腔11与第二腔31之间的附加连接，这潜在地进一步降低了声学阻抗。同样，麦克风组件1内部的箭头表示在膜片24朝向第二晶片22运动的情况下的气压流动。

图5示出了根据改进概念的另一示例性mems麦克风组件1。该实施例包括根据图2所示的实施例的麦克风20。特别地，压力通风开口在此被布置在夹持结构27与第二晶片22之间并且在高度上与间隙28的间隙高度相对应。与图3和图4所示的实施例相比，该实施例的特征在于甚至更低的噪声水平，即更高的灵敏度，能够在在18.5db处以降低了约0.5db的声压水平操作。

类似于图4中所示的实施例，图6中的实施例的特征在于可选的通风孔32和位于膜片24中的压力均衡开口13。

图7示出了图5所示的麦克风组件1的模拟声学噪声与间隙28的间隙高度之间的关系。不同的迹线t1-t3示出了不同的噪声贡献，而迹线t4和t5示出了有效的总噪声。

特别地，t3示出了由于膜片的偏转而导致的第二腔31中的空气的压缩或挤压而产生的声学噪声。迹线t1和t2分别表示在具有和不具有压力通风开口30的情况下，由于第二晶片22中所存在的开口32所引起的声学噪声。轨迹t4和t5分别构成麦克风组件1的在第二晶片22中具有和不具有开口32的实施例的总声学噪声。特别是对于间隙高度为50μm或更大的情况，开口32对总噪声水平的影响很微小，因此例如为asic的附件部件留出空间的做法是过时的。该特定实施例的噪声水平为174μpa，这表明对于该特定示例性实施例，对于50μm的间隙高度，最小可检测声压水平为18.8db。

如所陈述的在图1至图6中示出的实施例表示麦克风20和麦克风组件1的示例性实施例，因此它们并不构成根据改进概念的所有实施例的完整列表。实际的麦克风和麦克风组件的构造可以在例如形状、尺寸和材料方面与所示的实施例不同。例如，麦克风组件1可以被配置为前部端口麦克风组件，这对于某些应用可能是有益的。

根据所示实施例之一的mems麦克风组件可以方便地用于需要紧凑的高灵敏度传感器来检测较小的动态压力变化的各种应用中，尤其是在音频带中检测声波。可能的应用包括在诸如膝上型计算机、笔记本计算机和平板计算机的计算设备中以及在诸如智能电话和智能手表的便携式通信设备中用作声学麦克风，在这些设备中，用于附加部件的空间是非常有限的。

附图标记说明

1麦克风组件

2环境

10壳体

11第一腔

12声学进入端口

13压力均衡开口

14pcb板

15侧壁

20mems麦克风

21第一晶片

22第二晶片

23接合结构

24mems膜片

25第一侧

26第二侧

27夹持结构

28间隙

29桥

30压力通风开口

31第二腔

32开口

33顶表面

t1-t5声学噪声迹线。