麦克风芯片及其封装结构的制作方法

[0001]
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种麦克风芯片及其封装结构。


背景技术：

[0002]
声波具有两种传播方式，即空气传播和颅骨传播。传统的麦克风大多基于空气传播原理对声音信号进行采集。然而，由于空气传播方式受环境影响较大，限制了传统麦克风的应用场景。因此，有必要提供一种基于颅骨传播的新型麦克风。


技术实现要素：

[0003]
有鉴于此，本发明实施例致力于提供一种麦克风芯片及其封装结构，以解决现有技术中基于空气传播原理的麦克风应用场景受限的问题。
[0004]
本发明第一方面提供了一种麦克风芯片，包括振动采集单元、转换单元，以及位于振动采集单元和转换单元之间的第一腔体。振动采集单元将采集到的由声音产生的颅骨振动转化为机械振动；第一腔体内的气体在机械振动的作用下被压缩；转换单元将气体的压缩信号转换为电信号以输出。
[0005]
在一个实施例中，振动采集单元包括第一振膜和位于第一振膜远离第一腔体一侧的质量块。
[0006]
在一个实施例中，第一振膜的厚度为2-20微米；和/或质量块的厚度为容纳质量块的空腔的厚度的20％-80％。
[0007]
在一个实施例中，转换单元包括第二振膜和背极板，以及位于第二振膜和背极板之间的第二腔体。
[0008]
在一个实施例中，背极板位于第一腔体和第二腔体之间，背极板包括连通第一腔体和第二腔体的至少一个第一通孔。
[0009]
在一个实施例中，至少一个第一通孔包括多个第一通孔，多个第一通孔在背极板上均匀排布。
[0010]
在一个实施例中，背极板靠近第一腔体的表面和靠近第二腔体的表面中的至少一个表面包括凸起。
[0011]
在一个实施例中，第二振膜包括第二通孔，第二通孔在厚度方向上贯穿第二振膜。
[0012]
在一个实施例中，第一振膜、背极板和第二振膜依次平行排布。
[0013]
在一个实施例中，第一振膜和背极板之间的间距大于背极板和第二振膜之间的间距。
[0014]
本发明第二方面提供了一种麦克风芯片的封装结构，包括：基板和壳体，基板和壳体之间具有容纳腔；以及固定在容纳腔内的上述任一实施例提供的麦克风芯片和与麦克风芯片电连接的集成电路芯片。
[0015]
根据本发明实施例提供的麦克风芯片及其封装结构，提供了一种骨传导麦克风芯片，其通过振动采集单元采集颅骨振动，颅骨振动通过压缩气体的形式传递给转换单元，转
换单元将气体的压缩信号转换为电信号，从而实现了通过骨传导原理对声音信号进行采集。
附图说明
[0016]
图1为本发明一实施例提供的麦克风芯片的三维剖面示意图。
[0017]
图2为图1所示麦克风芯片的截面示意图。
[0018]
图3为本发明一实施例提供的麦克风芯片的封装结构示意图。
具体实施方式
[0019]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。
[0020]
图1为本发明一实施例提供的麦克风芯片的三维剖面示意图。图2为图1所示麦克风芯片的截面示意图。结合图1和图2可以看出，麦克风芯片100包括振动采集单元103、转换单元，以及位于振动采集单元103和转换单元之间的第一腔体a。振动采集单元103将采集到的由声音产生的颅骨振动转化为机械振动；第一腔体a内的气体在机械振动的作用下被压缩；转换单元将气体的压缩信号转换为电信号以输出。
[0021]
在一个实施例中，振动采集单元103包括第一振膜103a和位于第一振膜103a远离第一腔体a一侧的质量块103b。质量块103b感受颅骨振动从而产生机械振动，质量块103b的机械振动带动第一振膜103a挤压第一腔体a内的气体。后续转换单元将气体的压缩信号转换为电信号以输出。
[0022]
通过调节质量块103b的宽度或者高度可以改变质量块103b的大小，质量块103b的大小是影响振动采集单元103的灵敏度的关键因素之一，质量块103b越小，振动采集单元103的灵敏度越高。第一振膜103a的材料包括多晶硅。通过调节第一振膜103a的表面积、厚度，以及质量块在平行于的第一振膜103a的方向上的截面面积可以改变麦克风芯片100的刚度。
[0023]
第一振膜103a和质量块103b在厚度选择上相互制约，通常而言，第一振膜103a的厚度和质量块103b的厚度正相关。在一个实施例中，如图2所示，第一振膜103a的厚度d1为2-20微米，质量块103b的厚度d2为容纳质量块103b的空腔c的厚度d3的20％-80％，优选地，质量块103b的厚度d2为容纳质量块103b的空腔c的厚度d3的50％-80％。
[0024]
在一个实施例中，转换单元包括第二振膜108和背极板105，以及位于第二振膜108和背极板105之间的第二腔体b。第一腔体a内的气体被压缩后，使得第二振膜108产生位移，进而改变了第二振膜108和背极板105之间的电容，电容的改变产生电信号。这种情况下，对于麦克风芯片整体结构而言，质量块103b和第二振膜108分别独立设置，相比于现有技术中质量块和振膜一体成型的结构而言，可以带来如下有益效果。第一、在材料选择上，现有技术中由于质量块和振膜一体成型，质量块需要同时满足振动要求和振膜的导电要求；而在本申请中由于质量块103b和第二振膜108分别独立设置，因此质量块103b仅需满足振动要求即可。因此，本申请的麦克风芯片中的质量块103b的材料选择性更大。第二、对于现有技
术中质量块和振膜一体成型的结构而言，由于工艺需求，通常会在振膜上开设若干孔洞，例如释放孔等。由于这些孔洞的存在，在振膜振动的过程中极易产生裂纹，导致振膜的可靠性较低。而本申请中质量块103b和第二振膜108分别独立设置，从而极大地降低了第二振膜108产生裂纹的问题，提高了振膜的可靠性。第一腔体a和第二腔体b的大小是影响麦克风芯片100灵敏度的重要因素之一，第一腔体a和第二腔体b腔体体积之和越大，麦克风芯片100的灵敏度越高。
[0025]
根据本实施例提供的麦克风芯片，提供了一种骨传导麦克风芯片，通过振动采集单元103采集颅骨振动，颅骨振动通过压缩气体的形式传递给转换单元，转换单元将气体的压缩信号转换为电信号，从而实现了通过骨传导原理对声音信号进行采集。
[0026]
在一个实施例中，如图1和图2所示，背极板105位于第一腔体a和第二腔体b之间，背极板105包括连通第一腔体a和第二腔体b的至少一个第一通孔105b。当背极板105包括连通第一腔体a和第二腔体b之间时，需要在背极板105上开设第一通孔105b，从而确保第一腔体a内气体的压缩可以传递给第一腔体a内的气体，进而使得第二振膜108振动。
[0027]
根据本实施例提供的麦克风芯片，通过将背极板105设置在第一腔体a和第二腔体b之间，相比于将第二振膜108设置在第一腔体a和第二腔体b之间而言，前者可以避免两个振膜相邻所导致的易粘连问题。与此同时，由于背极板105上开设有至少一个第一通孔105b，因此根据本实施例通过将背极板105设置在第一腔体a和第二腔体b之间，相比于将第二振膜108设置在第一腔体a和第二腔体b之间而言，第一腔体a和第二腔体b的封闭性更好，从而可以起到良好的防尘作用，进而避免灰尘对第二振膜108和/或第一振膜103a的振动产生不良影响，确保器件精度。在一个实施例中，至少一个第一通孔105b包括多个第一通孔105b，多个第一通孔105b在背极板105上均匀排布。
[0028]
第一通孔105b的形状可以是任意的，例如圆孔、方形孔、三角形孔等。第一通孔105b在背极板105上的体积占比越大，阻抗越小，低频部分会衰减，风噪越小，麦克风芯片的可靠性越好。
[0029]
根据本实施例提供的麦克风芯片，通过设置多个第一通孔105b在背极板105上均匀排布，可以确保第一腔体a内气体的压力均匀施加在第二腔体b内的气体上，从而避免第二振膜108上集中受力，进而提高了麦克风芯片的可靠性。
[0030]
在一个实施例中，背极板105靠近第一腔体a的表面和靠近第二腔体b的表面中的至少一个表面包括凸起105a。
[0031]
凸起105ad的形状和高度可调。凸起105a具有限位作用，可以防止第一振膜103a和/或第二振膜108的振幅太大，并且第一振膜103a和/或第二振膜108与凸起105a的接触面积小于第一振膜103a和/或第二振膜108与背极板105的接触面积，从而有效防止膜粘连。
[0032]
在一个实施例中，第二振膜108包括第二通孔，第二通孔在厚度方向上贯穿第二振膜108。第二通孔包括两类，即泄气孔108a和释放孔108b。
[0033]
其中，泄气孔108a用于平衡第二振膜108受到的气体压强，从而防止气体压强过于集中导致第二振膜108破裂。泄气孔108a的形状包括条形、u型、圆形、方形中的任一种。泄气孔108a可以设置在第二振膜108的周围边缘或中央位置。泄气孔108a的数量可以根据实际需要合理设置。在一个实施例中，泄气孔108a的数量为多个，多个泄气孔108a环绕第二振膜108的中心设置。
[0034]
释放孔108b是工艺需求，用来去除牺牲层以形成第二腔体b和/或第一腔体a。释放孔108b的形状包括条形、u型、圆形、方形中的任一种。释放孔108b可以设置在第二振膜108的周围边缘或中央位置。释放孔108b的数量可以根据实际需要合理设置。在一个实施例中，释放孔108b的数量为一个，一个泄气孔108a设置在第二振膜108的中心。
[0035]
在一个实施例中，第一振膜103a、背极板105和第二振膜108依次平行排布。
[0036]
例如，如图1和图2所示，麦克风芯片100包括衬底101，衬底101包括在厚度方向上贯穿衬底101的环形通孔。衬底101上表面设置有环绕环形通孔的第一环形牺牲层102。第一振膜103a悬置于第一环形牺牲层102上，质量块103b位于环形通孔内。第一振膜103a的上表面设置有第二环形牺牲层104，背极板105悬置于第二环形牺牲层104上，以在背极板105和第一振膜103a之间形成第一腔体a。背极板105的上表面设置有第三环形牺牲层107，第二振膜108悬置于第三环形牺牲层107上，以在背极板105和第二振膜108之间形成第二腔体b。在本实施例中，质量块103b远离第一振膜103a的表面感受颅骨振动，该振动依次经过振动采集单元103和第一腔体a、第二腔体b内气体的传递，以及转换单元的转换，生成电信号。
[0037]
这里提到的第一环形牺牲层102、第二环形牺牲层104和第三环形牺牲层107的材料可以是氧化硅。此外，背极板105可以是单一膜层，也可以是多个膜层叠置形成的复合膜层。在一个实施例中，如图1所示，麦克风芯片100还包括叠置在背极板105靠近第二腔体b一侧的另一层背极板106。
[0038]
在一个实施例中，第一振膜103和背极板105之间的间距大于背极板105和第二振膜108之间的间距，即对于图1和图2所示麦克风芯片100而言，第二牺牲层104的厚度大于第三牺牲层107的厚度。在第一腔体a和第二腔体b体积之和一定的前提下，通过设置第一振膜103和背极板105之间的间距大于背极板105和第二振膜108之间的间距，一方面，可以进一步降低质量块103b和背极板105发生碰撞的概率，提高可靠性；另一方面，可以增大第一腔体a的体积。由于腔体内压强一定的前提下，当对腔体施加一定压力时，腔体体积越小形变量越小，体积越大形变量越大。因此，当第一腔体a的体积增大时，可以提高第一振膜103a的灵敏度。
[0039]
第二牺牲层104的厚度和第三牺牲层107的厚度都是可以调节的。第二牺牲层104的厚度和第三牺牲层107的厚度中的至少一个越薄，麦克风芯片100的灵敏度越高，但同时又会带来噪声大的缺点。因此，可以通过实验优化参数来达到最优的信噪比。
[0040]
在一个实施例中，麦克风芯片100为微机电系统(micro electromechanical system，mems)麦克风芯片。这种情况下，第一腔体a和第二腔体b可以做到尽可能地小，从而使得传递到第二振膜108上的压力比较大，进而使得麦克风芯片100具有较高的灵敏度。
[0041]
需要说明的是，根据本发明任一实施例提供的麦克风芯片的质量块103b是设置在第一振膜103a上的，相比于将质量块103b直接设置在第二振膜108上，同时省略第一振膜103a的技术方案的好处是，可调的设计参数比较多，使得设计裕度比较宽，从而可以根据不同的应用场景实现不同需要的麦克风芯片。
[0042]
图3为本发明一实施例提供的麦克风芯片的封装结构示意图。如图3所示，麦克风芯片的封装结构200包括基板201和壳体204，基板201和壳体204之间具有容纳腔。封装结构200还包括固定在容纳腔内的麦克风芯片203和与麦克风芯片203电连接的集成电路芯片204。麦克风芯片203为本发明任一实施例提供的麦克风芯片203。集成电路芯片202用于对
骨传导麦克风芯片203输出的电信号进行信号处理，以转换为模拟或者数字信号。
[0043]
在一个实施例中，如图3所示，麦克风芯片203和集成电路芯片204固定在基板201上，麦克风芯片203和集成电路芯片204通过打线的方式实现信号互连。
[0044]
根据本实施例提供的麦克风芯片的封装结构200具有和麦克风芯片203相应的技术效果，这里不予赘述。
[0045]
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。