一种集成的硅电容麦克风的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种集成的硅电容麦克风，包括：具有至少1个进音孔的外壳，具有1个开孔的基板，2个或4个无缝物理连接的相互匹配的MEMS敏感元件、集成电路和声腔，声腔由2个或4个MEMS敏感元件和基板共同构成，具体为通过基板上的开孔将2个或4个MEMS敏感元件的音腔对称地相连通，并通过共用布置在外壳上、相对各MEMS敏感元件位置同一的进音路径形成的对称声腔，使得声波输入直到通过各MEMS敏感元件转变为电信号的传声路径对于硅麦克风中各MEMS敏感元件的完全对称，其中进音路径为从外壳上的进音孔、声腔到各MEMS敏感元件的振膜形成的路径；集成电路用于对声波经传声路径传送至各MEMS敏感元件转化为的电信号进行缓冲/放大和输出。
【专利说明】一种集成的硅电容麦克风
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及麦克风领域，具体而言，涉及一种集成的硅电容麦克风。
【背景技术】
[0002]微机电(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)麦克风或称硅麦克风，因其体积小、适于表面贴装等优点而被广泛用于平板电子装置的声音采集，例如:手机、MP3、录音笔和监听器材等。为满足人民群众日益增长的物质文化需求，硅麦克风的体积、成本、信噪比等指标也在不断地优化提高。在相关优化技术方案中，不乏试图通过将多个硅麦克风MEMS敏感元件一同使用的方式，以提高现有加工工艺条件下的信噪比指标。
[0003]传统的娃微麦克风是单MEMS敏感兀件,一般包括振膜构成的振动部和与基底相连的支撑部，支撑部对应振膜的中心部分下方挖空形成音腔。为了使多个MEMS敏感元件协同工作时得到的声音信号相近以便于数据融合，一般会保证各MEMS敏感元件的音腔通过空气相互连接。
[0004]为了适应硅微麦克风的多MEMS敏感元件复用要求，现有技术提出了制作多开孔的基板或在封装中通过设置板区分前后腔的方式来保证各MEMS敏感元件的音腔通过空气相互连接。美国专利US7933428、US20080037768通过多开孔的基板，在基板下方对应每个MEMS敏感元件都制作一个开孔，各MEMS敏感元件的音腔通过开孔之外的空间相互连通。这种封装方案由于实际使用情况中声源位置的随机性，声波传递过程中的强度衰减和相移也各不相同，更严重的是，这种对声波信号强度的衰减和相位的延迟随着频率变化也各不相同，且衰减场的分布也是随着声源位置的变化而变化的。这样，各MEMS敏感元件收到的声波信号强度和相位都不完全相同，并且随着声源位置的变动而变化。相应地，在面临将各MEMS敏感元件的信号综合到一起作数据融合时，面临各个信号不一致的情况必须舍弃一部分信息。
[0005]为减少各MEMS敏感元件信号不一致带来的数据融合损失，美国专利US8170244、US20100092020、US20120207334、中国专利CN102187685A均提出将麦克风腔体通过基板划分为前腔、后腔的方案，并将各MEMS敏感元件的音腔都与前腔相连，再通过前腔向外壳开孔。这样就屏蔽了在硅电容麦克风正常使用时声源位置变动带来的影响。各MEMS敏感元件收到的声波信号强度和相位虽然不完全相同，但由于衰减的信号强度和相位延迟都不随使用过程中声源位置的变化而改变，使得数据融合中通过电路补偿的手段成为可能。然而，这样的前后腔分离的封装方案在厚度尺寸上有所增加，限制了相应麦克风产品的适用范围；为使各MEMS敏感元件的信号以较高效率进行数据融合，更需要在电路补偿上做额外努力。美国专利US20120039499中的双集成电路双MEMS敏感元件方案设计了一种完全对称的声腔，但是这种方案只适用于双集成电路，其引线设计较为复杂，寄生参数难于控制，此外，与前述方案类似，这种前后腔分离的封装方案在厚度尺寸上有所增加，限制了相应麦克风产品的适用范围。
[0006]对于多个MEMS敏感元件复用的情况而言，美国专利US7933428、US20080037768选择了分离的MEMS敏感元件方案，美国专利US8170244、US20100092020、US20120207334、中国专利CN102187685A既有分离的MEMS敏感元件方案，也有无缝物理连接的MEMS敏感兀件方案。对于分离的MEMS敏感兀件方案而言，由于声波对于各MEMS敏感兀件的传声路径不完全对称，本身就存在各路信号不一致的问题，如果各MEMS敏感元件是分离的，那么在生产过程中就有可能在一块晶圆上取到不相邻的MEMS敏感元件，从而造成各MEMS敏感元件的不匹配，增大了各路信号的不一致，也增大了后续数据融合中为了提高数据融合效率而补偿的负担。对于美国专利US8170244、US20100092020、US20120207334、中国专利CN102187685A的无缝物理连接的MEMS敏感元件方案而言，其不足之处与美国专利US8477983的方案类似，除了存在声波传声路径对于各MEMS敏感元件不对称问题和封装方案的厚度尺寸较大从而限制应用场合的问题之外，其MEMS敏感元件直接相连并连向集成电路芯片的方式，将造成由于其封装方案带来的各路信号不一致无法补偿的结果。此夕卜，在后续封装过程中，分离的多MEMS敏感元件的封装成本明显高于单MEMS敏感元件和无缝物理连接的多MEMS敏感元件。如以美国专利US20070278601为代表的刚性封装，就存在额外的应对分离的多MEMS敏感元件的工艺环节和材料准备环节；而以美国专利US20100155863为代表的分离的多MEMS敏感结构柔性封装方式，成本更是远高于以韩国专利KR100737728B1为代表的单MEMS敏感结构柔性封装方式。这样就使得现有的多MEMS敏感元件复用技术面临着如补偿就要承担较高的相互分离的MEMS封装成本，而MEMS敏感元件直接相连并连向集成电路芯片的方式却无法补偿前端由芯片位置和传声路径的不匹配带来的数据融合效率降低的两难境地。
实用新型内容
[0007]本实用新型提供一种集成的硅电容麦克风，用以提高集成的硅电容麦克风各MEMS敏感结构之间相互数据融合的效率，进一步提高其性能。
[0008]为达到上述目的，本实用新型提供了一种集成的硅电容麦克风，包括:具有至少I个进音孔的外壳，具有I个开孔的基板，2个或4个无缝物理连接的相互匹配的MEMS敏感元件、集成电路和声腔，其中:
[0009]声腔由2个或4个MEMS敏感元件和基板共同构成，具体为通过基板上的开孔将2个或4个MEMS敏感元件的音腔对称地相连通，并通过共用布置在外壳上、相对各MEMS敏感元件位置同一的进音路径形成的对称声腔，其中进音路径为从外壳上的进音孔、声腔到各MEMS敏感元件的振膜形成的路径；
[0010]集成电路与各MEMS敏感元件分别相连接。
[0011]较佳的，基板的材质为硅、微晶玻璃或陶瓷，基板与各MEMS敏感元件接合，基板上的开孔的形状和位置相对于2个或4个MEMS敏感元件的中心对称。
[0012]较佳的，外壳上的进音孔设置在外壳的壳盖和/或底板上。
[0013]较佳的，2个或4个MEMS敏感元件分别为变化方向，灵敏度均相同的可变电容器。
[0014]较佳的，2个或4个MEMS敏感元件相互并联。
[0015]较佳的，集成电路的片数根据引线和寄生参数确定，各MEMS敏感元件间相互电气连接或通过弓丨线键合相连后再通过弓I线键合连接到集成电路，或通过引线键合的方式分别实现各MEMS敏感元件与集成电路之间的相连。[0016]较佳的，基板与外壳的顶面或底面相连。
[0017]现有技术中，针对多MEMS敏感元件并行使用的声腔和传声路径相对各MEMS敏感元件并未要求相互对称，这样可能在实际使用中存在声波输入到各信号通路中的信号不一致且不一致性受声源位置变化影响，或者固定的不一致性在相应的补偿工作中面临较高的封装和补偿成本，或者不一致性难于补偿的情况。本实用新型中，通过将封装方案中刻意维持传声路径和声学信号向电学信号变换的对称性，保证了各MEMS敏感元件信号通路中信号的一致性，从而无需补偿环节即可保证各路信号能以较高的效率进行数据融合，由此也规避了通用技术中相应针对多MEMS敏感元件的封装、补偿的额外成本，保持了相对单MEMS敏感元件麦克风系统通用性技术和应用范围的兼容性，同时也提供了保证高效率数据融合前提下的灵活布局布线方式。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1是本实用新型一个实施例的进音孔在外壳上盖的麦克风结构纵剖面示意图；
[0020]图2是本实用新型一个实施例的进音孔在外壳底板的麦克风结构纵剖面示意图；
[0021]图3是本实用新型一个实施例的2个无缝物理连接的MEMS敏感元件和I块配合I个MEMS敏感兀件的集成电路在基板上的布局的俯视图；
[0022]图4是本实用新型一个实施例的2个无缝物理连接的MEMS敏感元件和I块配合2个MEMS敏感元件的集成电路在基板上的布局的俯视图；
[0023]图5是本实用新型一个实施例的2个无缝物理连接的MEMS敏感元件和3块共配合2个MEMS敏感元件的集成电路在基板上的布局的俯视图；
[0024]图6是本实用新型一个实施例的4个无缝物理连接的MEMS敏感元件和I块配合I个MEMS敏感兀件的集成电路在基板上的布局的俯视图；
[0025]图7是本实用新型一个实施例的4个无缝物理连接的MEMS敏感元件和5块共配合4个MEMS敏感元件的集成电路在基板上的布局的俯视图；
[0026]图8是本实用新型一个实施例的4个无缝物理连接的MEMS敏感元件和I块配合4个MEMS敏感元件的集成电路在基板上的布局的俯视图；
[0027]图9是本实用新型一个实施例的4个无缝物理连接的MEMS敏感元件和3块共配合4个MEMS敏感元件的集成电路在基板上的布局的俯视图；
[0028]图10是本实用新型一个实施例的4个无缝物理连接的MEMS敏感元件和3块共配合2个MEMS敏感元件的集成电路在基板上的布局的俯视图；
[0029]图11是本实用新型一个实施例的以I个MEMS敏感元件作输入来配合实际2个MEMS敏感元件的模拟或数字电路处理方案示意图；
[0030]图12是本实用新型一个实施例的以2个MEMS敏感元件作输入来配合实际2个MEMS敏感元件的模拟或数字电路处理方案示意图；
[0031]图13是本实用新型一个实施例的以I个MEMS敏感元件作输入来配合实际4个MEMS敏感元件的模拟或数字电路处理方案示意图；
[0032]图14是本实用新型一个实施例的以4个MEMS敏感元件作输入来配合实际4个MEMS敏感元件的模拟或数字电路处理方案示意图；
[0033]图15是本实用新型一个实施例的以2个MEMS敏感元件作输入来配合实际4个MEMS敏感元件的模拟或数字电路处理方案示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0035]图1是本实用新型一个实施例的进音孔在外壳上盖的麦克风结构纵剖面示意图；图2是本实用新型一个实施例的进音孔在外壳底板的麦克风结构纵剖面示意图；如图所示，集成的硅电容麦克风包括:具有I个进音孔101的外壳，具有I个开孔201的基板202，2个或4个无缝物理连接的相互匹配的MEMS敏感元件301、集成电路401和声腔，其中:
[0036]声腔由2个或4个MEMS敏感元件301和基板202共同构成，具体为通过基板202上的开孔201将2个或4个MEMS敏感元件301的音腔对称地相连通，并通过共用布置在外壳上、相对各MEMS敏感兀件301位置同一的进音路径形成的对称声腔,使得声波输入直到通过各MEMS敏感元件301转变为电信号的传声路径对于硅麦克风中各MEMS敏感元件301的完全对称，其中进音路径为从外壳上的进音孔101、声腔到各MEMS敏感元件301的振膜形成的路径；这是为了通过对MEMS敏感元件301各子结构的相对位置、封装位置的控制，使得麦克风进音部封装方案本身具备对称性，从而保证声波信号在麦克风内部传递过程中的对称性。
[0037]集成电路401用于对声波经传声路径传送至各MEMS敏感元件301转化为的电信号进行缓冲/放大和输出。
[0038]图1和图2给出了进音孔101分别在外壳102上盖和外壳底板103上的麦克风结构纵剖面示意图。其中基板202上的开孔201与MEMS敏感元件301的音腔302连接并构成一个各MEMS敏感元件共有的大声腔并相对各MEMS敏感元件对称，使声波场在这个大声腔中均匀地分布到各个MEMS敏感元件301的振膜上。实际上，外壳上的进音孔可存在于方案需要的任何外壳表面并取合适的个数、形状，只需保证任何方向的声源从进音孔输入，传递到基板上开孔后的声波信号相对各MEMS敏感元件对称。这样做一是为了通过进音孔的设计摒弃声源位置变化带来的进音孔到声腔的传声路径变化，二是为了将输入进音孔的声波信号从声腔的相对各MEMS敏感元件对称的方位均匀地输入,从而保证传声路径的对称性。即使与其他兼容其他现有的封装方案和以防尘、抵抗焊接安装过程脏物和高温为目的的声孔设置手段结合，也需保证这一点。
[0039]需强调的是，与美国专利US8170244、US20100092020、US20120207334、中国专利CN102187685A中将麦克风腔体分为前后腔以保证对称性的做法不同，本实用新型通过将MEMS敏感元件个数限制为2个或4个并无缝连接且相互匹配，辅以其他常规封装手段，实现传声路径完全同一，从而在厚度尺寸上维持了与传统的单MEMS敏感元件相当，较之较厚的前后腔封装方案可以有更宽的应用范围。上述实施例将2个或4个匹配的MEMS敏感元件并行使用，同时保证各声波输入直到通过MEMS敏感元件转变为电信号的传声路径对于硅电容麦克风中各个MEMS敏感元件的完全对称，提高了麦克风的灵敏度、信噪比等性能指标；此外，还可通过匹配结构、传声路径和声阻的手段，使声波信号传播到MEMS敏感元件上的强度衰减与相位延迟一致，而匹配的MEMS敏感元件使得声波信号转化成为的电容变化信号也一致，从而提高集成的硅电容麦克风各MEMS敏感元件之间相互数据融合的效率，进一步提闻麦克风的性能。
[0040]其中，基板202的材质可以为硅、微晶玻璃或陶瓷，基板202与MEMS敏感元件301以表面安装、粘接或任何其他任何本领域普通技术人员可构想的方式连接，基板202上的开孔201的形状和位置相对于MEMS敏感元件301的中心对称。这是为了使开孔201与MEMS敏感元件301的音腔302连接并构成一个各MEMS敏感元件共有的大声腔并相对各MEMS敏感元件对称,使声波场在这个大声腔中均匀地分布到各个MEMS敏感元件301的振膜上。
[0041]其中，上述2个或4个MEMS敏感元件301匹配且关于芯片组的中心对称，这2个或4个MEMS敏感元件301是基容，变化方向，灵敏度均相同的可变电容器，并可根据电路连接需要相互并联，使得后续处理可以将它们视作同一。这是为了使声波信号对称地传递到MEMS敏感元件301上后，被对称地转化为电信号，这样保证在后续处理中将各路信号视作同一的封装方案，对各路信号做数据融合有益。即使出于回声消除等信号优化的需要要对信号作补偿，也只要在后级将各MEMS敏感元件通路的信号视作同一，进行较为便利的软件补偿即可。
[0042]其中，集成电路401的片数可以根据引线和寄生参数的需要设置I片或更多，各MEMS敏感元件301间相互电气连接或通过弓I线键合相连后再通过弓I线键合连接到集成电路，或通过引线键合的方式分别实现各MEMS敏感元件与集成电路之间的相连，例如可以根据实际走线和寄生参数、封装布局等需要拆分为直接与MEMS敏感元件301连接的集成电路402和不直接与敏感元件301相连的集成电路403等多个集成电路芯片。其中连接方案可根据整体封装方案和生产效率选择，但封装方案中传声路径对称性优先于电气引线对称性，这是因为传声路径位于前级，其非线性失调影响传递到后级会被放大且难于补偿，而现有技术对于后级电路上的失调的补偿手段和补偿有效性也多于和强于针对前级传声路径失调的补偿。
[0043]其中上述集成电路可以是匹配该2个或4个MEMS敏感元件集成方案的专用缓冲/放大-输出电路，也可以是通用硅电容麦克风单MEMS敏感元件的匹配电路。这样做是为了通过专用集成电路获得较高性能；或者在成本、封装引线尺寸形式、技术条件等跟不上的情况下，通过将各拥有相同传声路径又同一的各MEMS敏感元件直接并联相接再接入通过单MEMS敏感元件的匹配电路，虽然相应的走线和寄生参数优化方案相对前者受限，也可以较高数据融合效率获得并行使用MEMS敏感元件的性能提高。
[0044]图3?图10给出了针对2个或4个MEMS敏感元件和多种集成电路封装形式的灵活封装布局布线形式，其中基板202上的开孔201与MEMS敏感元件301的音腔302连接并构成一个各MEMS敏感元件共有的大声腔相对MEMS敏感元件组301的几何中心对称。图中的粗实线连接表示通过弓I线键合进行电信号传输；在MEMS敏感元件301上使用相同图形表示的焊盘，可根据寄生参数控制及布线需要灵活选择，在MEMS敏感元件301上通过MEMS加工工艺设置连线来实现电信号传输，或在MEMS加工中断开但在引线键合时通过引线相连来实现电信号传输；在一些粗实线旁的细实线表不可能存在的双线信号传输。图3?10中的芯片和焊盘布局方式仅为一种示例，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本实用新型的保护范围内。
[0045]图11?图15给出了针对2个或4个MEMS敏感元件配套集成电路的电路原理示意，图中输入1、输入2、输入3、输入4分别对应一个MEMS敏感元件,集成电路对输入信号进行缓冲/放大、信号处理后输出。图11和图13的集成电路原理相近，相应的使用方法也适用于单MEMS敏感元件配套集成电路，换言之，本实用新型允许运用类似图11和图13的电路原理实现本实用新型中2个或4个MEMS敏感元件与通用的对应单MEMS敏感元件的集成电路的配套。图12和图15的集成电路原理相近，换言之，本实用新型允许运用类似图15的电路原理实现本实用新型中4个MEMS敏感元件与图13中集成电路的配套。在图11?15的原理框架下，可根据寄生参数控制和布局布线需要对集成电路作集成或部分功能模块的拆分，其示例包括但不限于图3?图10的单集成电路芯片和多集成电路芯片方案。在本实用新型中，与2个或4个MEMS敏感元件配套的集成电路，既允许是模拟电路，也允许是数字电路，还允许是一部分模拟电路一部分数字电路的情况。
[0046]其中为了保证较小封装尺寸以拓宽麦克风适用场合，基板202还可以与外壳102的顶面或底板103相连。
[0047]此外，在保证传声路径对称性的基础上，上述实施例中的集成的硅电容麦克风还可以兼容其他现有的封装方案和以防尘、抵抗焊接安装过程脏物和高温为目的的声孔设置方案。这是为了与现有的一些通用技术方案衔接以保证麦克风生产实施过程的便利性。
[0048]综上所述，本实用新型的上述实施例实现了以下有益效果:
[0049](I)集成的硅电容麦克风使得MEMS敏感元件与基板、外壳等封装结构结合，构成了传声路径对于各MEMS敏感元件完全对称的声腔。整体封装由于无需像专利CN102187685A般划分前后腔，从而在厚度尺寸上维持了与传统的单MEMS敏感元件相当，可以有更宽的应用范围。
[0050](2)由于本实用新型实施例中提供各MEMS敏感元件在芯片上相连的电气连接方式，在电路设计时有更加充分的空间来根据原理方案、封装和寄生参数等因素来选择引线方式以优化布局。
[0051 ] (3 )由于本实用新型提供完全对称的传声腔路径且只适用于2个或4个MEMS敏感元件，在电路设计时不需基于MEMS敏感元件的不同传声路径和其本身的传感器特性不一致来考虑补偿，从而拥有更大的设计空间。如果本实用新型提出的麦克风在后续使用中需要补偿，只需要在后端通过软件方式对这2路或4路信号作同一补偿即可，这就在大大降低相应封装成本的基础上保持了较大的补偿自由度。此外，数据融合理论指出，随着MEMS敏感元件的增多，其融合效率也随着各芯片的不一致而降低，各MEMS敏感元件及其传声腔路径的不一致性却受MEMS工艺影响和封装方式的局限，随着数目增多而增加，因此，虽然为保证对称性，本实用新型只适用2个或4个MEMS敏感元件并行使用的场合，却也可以覆盖较宽的应用范围。
[0052]本领域普通技术人员可以理解:附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。
[0053]本领域普通技术人员可以理解:实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
[0054]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种集成的娃电容麦克风，其特征在于，包括:具有至少I个进音孔的外壳，具有I个开孔的基板，2个或4个无缝物理连接的相互匹配的MEMS敏感元件、集成电路和声腔，其中: 所述声腔由所述2个或4个MEMS敏感元件和所述基板共同构成，具体为通过所述基板上的开孔将所述2个或4个MEMS敏感元件的音腔对称地相连通，并通过共用布置在所述外壳上、相对各所述MEMS敏感元件位置同一的进音路径形成的对称声腔，其中所述进音路径为从所述外壳上的进音孔、所述声腔到各所述MEMS敏感元件的振膜形成的路径； 所述集成电路与各所述MEMS敏感元件分别相连接。
2.根据权利要求1所述的集成的娃电容麦克风，其特征在于，所述基板的材质为娃、微晶玻璃或陶瓷，所述基板与各所述MEMS敏感元件接合，所述基板上的开孔的形状和位置相对于所述2个或4个MEMS敏感元件的中心对称。
3.根据权利要求1所述的集成的硅电容麦克风，其特征在于，所述外壳上的进音孔设置在所述外壳的壳盖和/或底板上。
4.根据权利要求1所述的集成的硅电容麦克风，其特征在于，所述2个或4个MEMS敏感元件分别为变化方向，灵敏度均相同的可变电容器。
5.根据权利要求4所述的集成的硅电容麦克风，其特征在于，所述2个或4个MEMS敏感元件相互并联。
6.根据权利要求1所述的集成的硅电容麦克风，其特征在于，所述集成电路的片数根据引线和寄生参数确定，各所述MEMS敏感元件间相互电气连接或通过引线键合相连后再通过引线键合连接到所述集成电路，或通过引线键合的方式分别实现各所述MEMS敏感元件与所述集成电路之间的相连。
7.根据权利要求1所述的集成的硅电容麦克风，其特征在于，所述基板与所述外壳的顶面或底面相连。
【文档编号】H04R19/04GK203537561SQ201320678044
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】万蔡辛, 杨少军 申请人:北京卓锐微技术有限公司