声学设备和制造方法
【专利摘要】一种麦克风组件包括底座、至少一个侧壁和盖。所述至少一个侧壁布置在所述底座上。所述盖耦接到所述至少一个侧壁。所述底座、侧壁和盖形成了腔，并且所述腔中布置有MEMS器件。顶部口延伸穿过所述盖，并且第一通道延伸穿过侧壁。第一通道被设置成与所述顶部口相连通。底部口延伸穿过所述底座。所述MEMS器件布置在所述底部口的上方。形成第二通道并且使之沿着所述底座的底面延伸。第二通道在第一通道和底部口之间延伸并与第一通道和底部口相连通。由顶部口接收的声能穿过第一通道、第二通道和底部口，并在所述MEMS器件处被接收。
【专利说明】声学设备和制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利要求保护基于35U.S.C.§ 119(e)于2011年8月19日递交的发明名称为“声学设备和制造方法”的美国临时申请N0.61/525，395的优先权，其内容整体上作为参考并入于此。
【技术领域】
[0003]本申请涉及声学设备，更具体地涉及它们的结构和输入配置。
【背景技术】
[0004]各种类型的麦克风和接收器已经被人们使用了多年。在这些设备中，不同的电子部件共同安置于一个外壳或组件内。例如，麦克风典型地包括微机电系统(MEMS)设备、振动膜和集成电路，连同其他部件和这些部件都安置于外壳内。其他类型的声学设备可包括其他类型的部件。
[0005]可以按照各种不同的方式来配置及组装麦克风。例如，可以配置麦克风以便声能通过麦克风的“顶部”口(即，位于麦克风组件的顶面上的口)进入。在另一示例中，可以配置麦克风以便声能通过麦克风的“底部” 口(即，位于麦克风组件的底面上的口)进入。
[0006]可以由部署麦克风的空间的几何结构(例如，举几个例子，在蜂窝电话、个人计算机、助听器及一些其他电子设备中，)来决定是使用配置有顶部口的麦克风还是使用配置有底部口的麦克风的选择。例如，在一些实例中，这个几何结构可能决定了必须使用顶部口，然而在其他环境下，也可能需要底部口。
[0007]底部口配置提供了一些相比顶部口配置设备的优势。例如，具有底部口的麦克风的后腔(back volume)通常大于利用顶部口的设备的后腔。因为一般来说，后腔越大，麦克风的性能越好，所以通常希望使用底部口麦克风。不幸地是，常常需要顶部口设备，因此，用户不能得到底部口设备中通常后腔较大的好处。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]为了更彻底地理解本公开，将参考以下的详细说明和附图，其中:
[0009]图1A是根据本发明不同实施方式的麦克风设备的一个示例的底部剖面立体图；
[0010]图1B是根据本发明不同实施方式的图1A的麦克风设备的一部分的侧面剖视图；
[0011]图1C是根据本发明不同实施方式的图1A的麦克风设备的顶部立体图；
[0012]图1D是根据本发明不同实施方式的图1A的麦克风设备的底部立体图；
[0013]图2A是根据本发明不同实施方式的双麦克风设备的一个示例的立体剖面图；
[0014]图2B是根据本 发明不同实施方式的图2A的双麦克风设备的一部分的立体剖面图；
[0015]图3A是根据本发明不同实施方式的双麦克风设备的一个示例的立体剖面图；
[0016]图3B是根据本发明不同实施方式的图3A的双麦克风设备的一部分的立体剖面图。
[0017]本领域技术人员应当意识到，为了简明和清楚图示了图中的元素。应当进一步意识到，可以按照事件的特定次序描述或者描绘某些动作和/或步骤，同时本领域技术人员应当理解实际上并不需要一定按照这种顺序。还应当理解的是，本文使用的术语和措辞具有与其在查询和研究的相应各自领域种一致的普通含义，除非本文另外阐述具体含义。
【具体实施方式】
[0018]麦克风被设置为允许声能通过麦克风组件的顶部开口进入。声音被传播到该设备的底部口，并且通过该底部口进入该设备(即，省略了直接通向麦克风组件内部的顶部口)。这样，因为使用了更大的后腔(相比于顶部口设备)而增大了该设备的信噪比。
[0019]还提供了双或多MEMS麦克风设备，其中，在同一组件中布置了两个或更多个麦克风。在一个特定的双麦克风组件中，一个麦克风的声能源自该组件的顶部，并且通过该设备中的通道进行传播，穿过该组件的底部，到达底部口，并且然后进入该组件。在另一个麦克风的情形下，声能通过基板传播，并且进入该组件的第二麦克风的底部口。
[0020]在本文描述的方法中，因为相比于常规顶部口 MEMS麦克风，后腔更大，所以提供了改进的信噪比(SNR)性能。通过狭窄通道传播声音增加了阻尼，并且用来拉平麦克风频率响应的共振峰。本文描述的方法还防止从组件的外部到组件的内部的碎片渗透。在任何情形下，由于存在碎片的艰难路径(在通道之下，经由狭窄路径，以及向上进入设备)，所以也能防止碎片从麦克风的外部到MEMS底板/振动膜的移动。
[0021]在许多这些实施方式中，麦克风组件包括底座、至少一个侧壁和盖。该至少一个侧壁布置在底座上。该盖耦接到该至少一个侧壁。该底座、侧壁和盖形成腔，并且该腔内布置有MEMS器件。顶部口延伸穿过该盖，并且第一通道延伸穿过侧壁。第一通道被排布成使得与顶部口相连通。底部口延伸穿过底座。MEMS器件布置在底部口上方。形成第二通道，使之沿着底座的底面延伸。第二通道在第一通道和底部口之间延伸，并且与第一通道和底部口相连通。由顶部口接收的声能穿过第一通道、第二通道以及底部口，并且在MEMS器件处被接收。
[0022]在其他这些实施方式中，多麦克风组件包括底座、至少一个侧壁和盖。该至少一个侧壁布置在底座上。该盖耦接到至少一个侧壁。该底座、至少一个壁和盖形成腔。该腔中布置有第一 MEMS器件和第二 MEMS器件。
[0023]顶部口延伸穿过该盖。第一通道延伸穿过至少一个侧壁，并且第一通道被排布成使得与顶部口相连通。第一底部口延伸穿过该底座，并且第一 MEMS器件布置在第一底部口上方。
[0024]形成第二通道，使之沿着底座的底面延伸。第二通道在第一通道和第一底部口之间延伸，并且与第一通道和第一底部口相连通。第二底部口延伸穿过底座，并且第二 MEMS器件布置在第二底部口上方。形成第三通道，使之沿着底座的底面延伸。第三通道在第四通道(其形成在基板中)和第二底部口之间延伸，并且与第四通道和第二底部口相连通。
[0025]由顶部口接收的第一声能穿过第一通道、第二通道以及底部口，并且在第一 MEMS器件处被接收。从基板中的第四通道接收的第二声能穿过第三通道以及第二底部口，在第二 MEMS器件处被接收。[0026]在其他方面，第一 MEMS器件和第二 MEMS器件共享单个后腔。在其他示例中，内部壁将该腔分割成第一子腔和第二子腔。在一些方面，第一 MEMS器件布置在第一子腔中，并且第二 MEMS器件布置在第二子腔中。在其他的方面，第一 MEMS器件使用第一后腔，而第二MEMS器件使用第二后腔。通过内部壁将第一后腔和第二后腔分开。
[0027]在一些示例中，焊料环布置在底座的底面上，并且焊料环和底座的底面形成了第二通道。在其他方面，该底座包括印刷电路板。在其他示例中，集成电路布置在腔中，并且耦接到第一 MEMS器件或者第二 MEMS器件。
[0028]现在参考图1A、1B、1C和ID来说明声学设备或组件100 (例如，麦克风)的一个示例。设备或者组件100包括盖102、侧壁104、微机电系统(MEMS)器件106、振动膜108、MEMS腔容积110、后腔112、底座印刷电路板114、集成电路116、焊料环118和电接触焊盘120。底部口 122从组件100的底面126延伸穿过印刷电路板114。垂直通道124从组件100的顶面128延伸穿过组件100到达组件100的底面126。
[0029]盖102和侧壁104由FR4材料形成。微机电系统(MEMS)器件106的主体将声音耦合到MEMS器件106的振动膜108。随着声能通过口 122进入该设备，振动膜移动创建了可由集成电路116处理的电能。集成电路116可以是执行放大以记载集成电路116可执行的功能的一个示例的CMOS集成电路，其可以执行对提到的集成电路116可以实现的功能的一个例子进行放大。也可以提供其他示例的功能。印刷电路板114和线结合点(未示出)提供集成电路116和焊盘120之间的电互连。在一个示例中，焊盘120可连接到外部设备。
[0030]焊料环118形成了狭窄通道132，其中，来自垂直通道124的声音按照箭头130所指示的方向，穿过组件100的底面126，到达底部口 122 (并进入组件100)。以所采用焊料的环形导体轨迹和厚度作为壁、以设备100作为顶部，并且以其上布置有设备100的实体(例如，安装基板)作为底部来形成狭窄通道132。在一个示例中，狭窄通道132是封闭空间。在其他方面，狭窄通道132提供了对穿过狭窄通道132的声能的衰减。因此，提供了频率响应的峰值阻尼。选择焊料环118的尺寸和狭窄通道132的尺寸(例如，与通道124的开口和底部口 122的距离以及该通道的宽度)，以使得达到期望的阻尼量。在一个示例中，当焊料环是圆形(例如，参见图1D)时，导体环和焊料(即，焊料环)的厚度大约是100微米(通道的这个厚度包括麦克风上的导体环的厚度、麦克风和基板之间的焊料的厚度，以及基板上的导体环的厚度)，并且狭窄通道的长度大约是1mm，图1D中的导体环的内径是2.5mm。这相比于底部口麦克风提供了大约9dB的衰减。该狭窄通道还禁止碎片进入设备100，因为它沿着路径130是狭窄的。
[0031]应当意识到，声音通过设备100的顶部进入，穿过通道124，然后穿过狭窄通道132，并且经由底部口 122进入设备100。因此，该设备允许声能在该设备的顶部开始穿过其路径，同时还提供了底部口设备的优点(例如，后腔112相对较大)。换句话说，提供了顶部口设备(例如，在布置设备100的位置需要顶部口声音入口)和底部口设备(例如，大的后腔)两者的优点。
[0032]例如，可以看出，通道124并没有像现有技术的顶部口设备的情况那样直接流入设备100的内部而与MEMS器件106交互。事实上，如果在此处所示的设备中提供顶部口(以及省略的通道124)，本方法的后腔将变成前腔(front volume)，并且本方法的空气容积110将变成后腔。因此，当希望明确相反时，所得到的前腔将变得比所得到的后腔更大。相反，通过使用本文描述的方法，后腔明显大于前腔，同时允许声音从组件100的顶部开始其进入组件100的路径。
[0033]应当意识到，本文描述的方法使用了穿过该组件的垂直频道。然而，应当理解的是，还可以使用从顶部到底部(例如，举两个示例，管、导管)移动声音的其他方法。
[0034]现在参考图2A至2B，描述了双麦克风组件或设备200的示例。尽管图2A和2B的组件与两个麦克风相关联，但是应当意识到，这些方法可用于具有任意数量的麦克风的设备。设备200包括盖202、侧壁204、第一微机电系统(MEMS)器件206、第一振动膜208、第一MEMS腔容积210、第一后腔212、底座印刷电路板214、第一集成电路216和第一焊料环218。第一底部口 222从底面226延伸穿过印刷电路板214。第一垂直通道224从顶面228延伸到底面226。第一微机电系统(MEMS)器件206、第一振动膜208、第一 MEMS腔容积210、第一后腔212和第一集成电路216形成了组件200的第一麦克风。
[0035]设备200还包括第二微机电系统(MEMS)器件256、第二振动膜258、第二 MEMS腔容积260、第二后腔262、第二集成电路266和第二焊料环268。第二底部口 272从底面226延伸穿过印刷电路板214。第二垂直通道274从安装基板203的底面280延伸到基板203的顶面282。壁284在第一麦克风和第二麦克风之间延伸。第二微机电系统(MEMS)器件256、第二振动膜258、第二 MEMS腔容积260、第二后腔262和第二集成电路266形成了组件200的第二麦克风。
[0036]以上相对于图2A和2B描述的各种部件具有与以上相对于图1A-1D描述的那些组件类似的功能，并且在此将不再描述或重复。
[0037]焊料环218形成了狭窄通道232，在狭窄通道232中，声能按照箭头230所指示的方向从垂直通道224流向底部口 222。狭窄通道232是以焊料环作为壁、以设备200作为顶面并且以基板203作为通道的底面而形成的。在一个示例中，狭窄通道232是封闭空间。在其他方面，狭窄通道232提供了对流过狭窄通道232的声能的频率响应的峰值阻尼。相对于传统的顶部口 MEMS麦克风，增大了该麦克风的后腔，因此改进了该麦克风的SNR。选择焊料环218的尺寸和狭窄通道232的距离(例如，从通道224的开口道底部口 222的距离，以及该通道的宽度)，以使得能够实现所期望的阻尼量。在一个示例中，当焊料环是圆形时，导体环和焊料(即，焊料环)的厚度大约是100微米，狭窄通道的长度大约是1_，并且该导体环的内径是2.5_。这相对于顶部口麦克风提供了大约9dB的衰减。该狭窄通道还抑制了碎片进入设备200，因为它沿着路径230是狭窄的。
[0038]同样，焊料环268形成了狭窄通道292，在狭窄通道292中，声音按照箭头294所指示的方向从垂直通道274流向底部口 272。狭窄通道292是以焊料环作为壁、以组件200作为顶面并且以基板203作为底面而形成的。在一个示例中，狭窄通道292是封闭空间。在其他方面，狭窄通道292提供了对流过狭窄通道292的声能的频率响应的峰值阻尼。相对于传统的顶部口 MEMS麦克风，增大了该麦克风的后腔，因此改进了该麦克风的SNR。选择焊料环278的尺寸和狭窄通道292的距离(例如，从通道274的开口和底部口 272的距离)，以使得能够实现所期望的阻尼量。在一个示例中，当焊料环是圆形时，导体环和焊料(即，焊料环)的厚度大约是100微米，并且狭窄通道的长度大约是1mm，并且该导体环的内径是2.5_。这相对于顶部口麦克风提供了大约9dB的衰减。该狭窄通道还抑制了碎片进入设备200，因为它沿着路径294是狭窄的。[0039]应当意识到，声音通过设备200的顶部进入，流过通道224，然后流过狭窄通道232，并且经由底部口 222进入设备200。因此，该设备允许声能在该设备的顶部开始穿过其路径，同时还提供了底部口设备的优点(例如，后腔212相对较大)。换句话说，提供了顶部口设备(例如，布置设备200的位置需要顶部口声音进入)和底部口设备(例如，大的后腔)两者的优点。声能还可以经由垂直通道274、狭窄通道292和底部口 272流入另一个麦克风。
[0040]还可以看出，例如，通道224没有流入设备200的内部而与MEMS器件206相交，而在顶部口设备中却是这样的。事实上，如果按照本方法提供顶端口，则本方法的后腔将变成前腔，本方法的MEMS腔容积将变成后腔。因此，当希望严格相反时，所得到的前腔将比所得到的后腔大得多。相反，通过使用本文描述的方法，后腔明显大于前腔，同时还允许声音在组件200的顶部开始其进入组件200的路径。
[0041]现在参考图3A和3B，描述了双麦克风设备300的另一示例。虽然图3A和3B的设备可用于具有两个麦克风的设备，但是应当意识到，这些方法也可用于具有任何数量的麦克风的设备。设备300包括盖302、侧壁304、第一微机电系统(MEMS)器件306、第一振动膜308、第一 MEMS腔容积310、公共后腔312、底座印刷电路板314、第一集成电路316以及第一焊料环318。第一底部口 322从组件300的底面326延伸穿过印刷电路板314。第一垂直通道324从组件300的顶面328延伸到组件300的底面326。
[0042]设备300还包括第二微机电系统(MEMS)器件356、第二振动膜358、第二 MEMS腔容积360、第二集成电路366以及第二焊料环368。第二底部口 372从组件300的底面326延伸穿过印刷电路板314。第二垂直通道374从基板303的底面380延伸到基板303的顶面 382。
[0043]与图2A和图2B的系统不同，在第一麦克风和第二麦克风之间没有布置壁284，而是这两个麦克风共享一个公共后腔312。各种部件具有与以上所述的那些类似的功能，并且在此将不再描述或重复。使用公共后腔312简化了设备300的设计和制造，并且相比在两个麦克风之间插入隔壁能够使用更大的后腔312。
[0044]双麦克风的使用允许出现灵敏度的匹配。更具体地，当构造双麦克风时，两个麦克风将由同一批次的材料构造，结果可能是这两个麦克风具有匹配的或大体上匹配的灵敏度。在双麦克风示例的另一优点中，如果每个麦克风的垂直和狭窄通道为相同或者大体上相同的尺寸，则每个麦克风的频率响应曲线将是相等的或者大体上相等的。
[0045]本文描述的方法还可以包括制造任何一个本文描述的设备。例如，可以装配部件，以及钻孔设备用于穿过该组件而钻出垂直通道。之后可以应用焊料环，然后将该设备安装到PCB基板上。在装配完剩余的组件后，可以钻出穿过麦克风的洞，或者可以在堆叠这些层之前在盖上、壁上和底座上钻出洞。
[0046]本文描述了本发明的优选实施方式，包括用于实现本发明的发明人所熟知的最佳方式。应该理解的是，说明的实施方式仅是示范性的，并且不应该看作限制本发明的范围。
【权利要求】
1.一种麦克风组件，该麦克风组件包括: 底座； 布置在所述底座上的至少一个侧壁； 耦接到所述至少一个侧壁的盖，其中，所述底座、所述至少一个侧壁和所述盖形成了腔，所述腔中布置有MEMS器件； 延伸穿过所述盖的顶部口； 延伸穿过所述至少一个侧壁的第一通道，该第一通道被设置成与所述顶部口相连通； 延伸穿过所述底座的底部口，其中，所述MEMS器件布置在该底部口的上方； 所形成的沿着所述底座的底面延伸的第二通道，该第二通道在所述第一通道和所述底部口之间延伸并且与所述第一通道和所述底部口相连通； 使得由所述顶部口接收的声能穿过所述第一通道、所述第二通道和所述底部口，并在所述MEMS器件处被接收。
2.根据权利要求1所述的麦克风组件，其中，焊料环、所述底座的底面和安装基板形成了所述第二通道。
3.根据权利要求1所述的麦克风组件，其中，所述底座包括印刷电路板。
4.根据权利要求1所述的麦克风组件，该麦克风组件还包括布置在所述腔中并耦接到所述MEMS器件的集成电路。
5.根据权利要求1所述的麦克风组件，其中，所述MEMS器件限定了前腔和后腔，并且所述后腔明显大于所述前腔。
6.—种多麦克风组件，该多麦克风组件包括: 底座； 布置在所述底座上的至少一个侧壁； 耦接到所述至少一个侧壁的盖，其中，所述底座、所述至少一个壁和所述盖形成了腔，所述腔中布置有第一 MEMS器件和第二 MEMS器件； 延伸穿过所述盖的顶部口； 延伸穿过所述至少一个侧壁的第一通道，该第一通道被设置成与所述顶部口相连通；延伸穿过所述底座的第一底部口，其中，所述第一 MEMS器件布置在所述第一底部口的上方； 所形成的沿着所述底座的底面延伸的第二通道，所述第二通道在所述第一通道和所述第一底部口之间延伸并且与所述第一通道和所述第一底部口相连通； 延伸穿过所述底座的第二底部口，其中，所述第二 MEMS器件布置在所述第二底部口的上方； 所形成的沿着所述底座的底面延伸的第三通道，所述第三通道在基板中的第四通道和所述第二底部口之间延伸并且与所述基板中的所述第四通道和所述第二底部口相连通；使得由所述顶部口接 收的第一声能穿过所述第一通道、所述第二通道和所述底部口，并且在所述第一 MEMS器件处被接收；并且 使得从所述基板中的所述第四通道接收的第二声能穿过所述第三通道和所述第二底部口，并且在所述第二 MEMS器件处被接收。
7.根据权利要求6所述的多麦克风组件，其中，所述第一MEMS器件和所述第二 MEMS器件共享单个后腔。
8.根据权利要求6所述的多麦克风组件，该多麦克风组件还包括内部壁，所述内部壁将所述腔划分为第一子腔和第二子腔。
9.根据权利要求8所述的多麦克风组件，其中，所述第一MEMS器件布置在所述第一子腔中，并且所述第二 MEMS器件布置在所述第二子腔中。
10.根据权利要求9所述的多麦克风组件，其中，所述第一MEMS器件使用第一后腔，所述第二 MEMS器件使用第二后腔，并且所述第一后腔通过所述内部壁与所述第二后腔分开。
11.根据权利要求6所述的多麦克风组件，该多麦克风组件还包括布置在所述底座的底面上的焊料环，所述焊料环、所述底座的底面和安装基板形成了所述第二通道。
12.根据权利要求6所述的多麦克风组件，其中，所述底座包括印刷电路板。
13.根据权利要求6所述的多麦克风组件，该多麦克风组件还包括集成电路，所述集成电路布置在所述腔中并耦接到所述第一 MEMS器件或者所述第二 MEMS器件。
14.根据权利要求6所述的多麦克风组件: 其中，所述第一 MEMS器件和所述第二 MEMS器件形成了至少一个前腔； 其中，所述第一 MEMS器件和所述底座形成了第一前腔； 其中，所述第二 MEMS器 件和所述底座形成了第二前腔；以及 其中，所述至少一个后腔明显大于所述第一前腔或所述第二前腔。
【文档编号】H04R31/00GK103975608SQ201280040355
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年8月14日 优先权日:2011年8月19日
【发明者】T·K·威克斯特龙 申请人:美商楼氏电子有限公司