用于拾取语音的骨传导加速度计的制作方法

用于拾取语音的骨传导加速度计
【技术领域】
1.本发明属于mems(micro
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electro
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mechanical system，微机电系统)技术领域，尤其涉及一种用于拾取语音的骨传导加速度计。


背景技术：

2.传统用于拾取语音的mems传感器多采用硅麦克风，其主要包括接受声音的硅振膜和硅背极，是通过声音使得空气振动，硅振膜感应(或敏感)到振动信号转为电信号，再对电信号读取，实现对声音的拾取，其整个过程在空气中进行，导致易受外界噪声干扰。最近市面上有推出骨传导硅麦克风，多数厂家是在硅麦克风中振膜上设置一个质量块，骨头传播的振动信号使质量块振动，通过感应(或敏感)质量块振动实现对声音的拾取，将骨传导麦克风封装形成密封的腔体，隔绝空气传声，但使得麦克风整体占较大空间，且密封性差。
3.因此，有必要提出一种技术方案来克服上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的之一在于提供一种用于拾取语音的骨传导加速度计，其整体芯片尺寸小、密封性好，且可实现对声音的拾取。
5.根据本发明的一个方面，本发明提供一种用于拾取语音的骨传导加速度计，所述骨传导加速度计采用体硅工艺加工制作，所述骨传导加速度计包括：微机电系统部件，其为电容式加速度计，所述微机电系统部件用于感应骨振动信号并将该骨振动信号转换为电信号，所述微机电系统部件包括衬底、半导体结构层和盖板，所述半导体结构层设置于所述衬底上方，所述半导体结构层包括键合框架和位于所述键合框架内的敏感框架；所述盖板设置于所述半导体结构层上方，其中，所述键合框架与所述半导体结构层上方的所述盖板和所述半导体结构层下方的结构围成密封腔，所述敏感框架位于所述密封腔内；所述信号处理部件，其与所述微机电系统部件电连接，所述信号处理部件用于处理所述微机电系统部件产生的所述电信号，并将所述电信号转换为声音信号。
6.与现有技术相比，本发明提供的用于拾取语音的骨传导加速度计包括mems部件1和信号处理部件2。所述mems部件1为电容式加速度计，其用于感应(或敏感)骨振动信号并将该骨振动信号转换为电信号。所述信号处理部件2与所述mems部件1电连接，所述信号处理部件2用于处理所述mems部件1产生的所述电信号，并将所述电信号转换为声音信号。本发明采用骨传导加速度计实现对声音的拾取，可避免外界环境声音的干扰，且无需外壳封装来实现密封，mems芯片采用体硅工艺加工制备，工艺简单，芯片尺寸小，密封性和可靠性好。
【附图说明】
7.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本
领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
8.图1为本发明在一个实施例中的用于拾取语音的骨传导加速度计的纵向剖面示意图；
9.图2为本发明在另一个实施例中的用于拾取语音的骨传导加速度计的纵向剖面示意图；
10.图3为本发明在一个实施例中如图1和图2所示的半导体结构层的整体结构示意图。
11.其中，1
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mems部件；2
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信号处理部件；3
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衬底；4
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半导体结构层；5
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盖板；6
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键合框架；7
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敏感框架；8
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质量块；8a
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x质量块；8b
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y质量块；8c
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z质量块；9
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锚点；9a
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x质量块锚点；9b
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y质量块锚点；9c
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z质量块锚点；10a
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横向弹性梁；10b
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纵行弹性梁；10c
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扭转梁；11
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纵向可动疏齿；12
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纵向固定疏齿；13
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y轴检测电极；14
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z轴检测电极；15
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通孔；16
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凸起；17
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凹槽；18
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x轴检测电极；19
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横向固定梳齿；20
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横向可动梳齿。
【具体实施方式】
12.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
13.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
14.本发明提供的用于拾取语音的骨传导加速度计主要是通过骨振动实现对声音的检测。具体工作原理是，当人讲话时声音会引起骨骼轻微振动，加速度计中的质量块感应(或敏感)到骨骼的振动信号(即骨振动信号)，质量块会随振动信号的变化自身电容发生变化，对电容信号经过处理，可实现对声音的拾取。
15.请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的用于拾取语音的骨传导加速度计的纵向剖面示意图。图1所示的用于拾取语音的骨传导加速度计包括mems(micro
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electro
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mechanical system，微机电系统)部件1和信号处理部件2。
16.所述mems部件1为电容式加速度计，其用于感应(或敏感)骨振动信号并将该骨振动信号转换为电信号。所述信号处理部件2与所述mems部件1电连接，所述信号处理部件2用于处理所述mems部件1产生的所述电信号，并将所述电信号转换为声音信号。
17.所述mems部件1可以采用体硅工艺加工制作，所述mems部件1包括衬底3、半导体结构层4和盖板5。其中，半导体结构层4设置于所述衬底3上方；所述半导体结构层4包括键合框架6和位于所述键合框架6内的敏感框架7；所述盖板5设置于所述半导体结构层4上方，且所述盖板5的下表面与所述键合框架6的上表面键合；所述键合框架6与所述半导体结构层4上方的所述盖板5和所述半导体结构层4下方的结构围成密封腔(未标识)，所述敏感框架7位于所述密封腔内，在图1所示的具体实施例中，所述半导体结构层4下方的结构为所述衬底3。由此，通过衬底3和盖板5实现对敏感框架7的密封，这样声音无法通过空气传递到敏感框架7内，能够避免外部噪声干扰，实现通过振动来传递声音，而且图1所示的骨传导加速度
计自身通过衬底3和盖板5的密封来实现对敏感框架7的密封，从而不需要依靠外壳封装来实现骨传导加速度计的密封环境，不仅提高了密封效果，一致性好且能够提高产品良率，也便于骨传导加速度计的安装。
18.在图1所示的具体实施例中，所述盖板5的下表面与所述敏感框架7相对位置处设置有凹槽17；所述键合框架6的下表面与所述衬底3的上表面键合。在一个实施例中，所述键合框架6的下表面与所述衬底3的上表面可以直接键合；所述盖板5的下表面与所述键合框架6的上表面可以采用alge键合(即铝锗共晶键合)。
19.信号处理部件2可以为asic(application specific integrated circuit，即专用集成电路)，其可以单独加工制作，形成单个分离芯片，可以设置在所述盖板5上方(如图1所示)或所述mems部件1的侧方位置。
20.请参考图2所示，其为本发明在另一个实施例中的用于拾取语音的骨传导加速度计的纵向剖面示意图。图2所示的用于拾取语音的骨传导加速度计包括mems部件1和信号处理部件2。
21.其中，图2所示的mems部件1与图1所示的mems部件1的各组成部分及其相对位置关系基本一致，具体请参见前述对图1所示的mems部件1的相关描述，在此不再赘述。图2与图1的主要区别在于，图2所示的信号处理部件2设置于所述衬底3和半导体结构层4之间，所述信号处理部件2作为所述半导体结构层4下方的结构。由此，通过信号处理部件2和盖板5实现对敏感框架7的密封，这样声音无法通过空气传递到敏感框架7内，能够避免外部噪声干扰，实现通过振动来传递声音，而且图2所示的骨传导加速度计自身通过信号处理部件2和盖板5的密封来实现对敏感框架7的密封，从而不需要依靠外壳封装来实现骨传导加速度计的密封环境，不仅提高了密封效果，一致性好且能够提高产品良率，也便于骨传导加速度计的安装。
22.在一个实施例中，信号处理部件2可以直接在所述衬底3上加工制作；然后，所述信号处理部件2的上表面与所述键合框架6键合。
23.所述mems部件1与信号处理部件2进行电学连接后，进行封装工艺，将mems部件1设置在基板上方，然后经过固定、引线、密封后，形成最终产品。
24.所述敏感框架7为拾取声音的感应(或敏感)部件，其可设置多个质量块(例如，x质量块，y质量块，z质量块)或单个质量块(共用质量块)，用来感应(或敏感)三轴加速度或骨振动信号。在图1和图2所示的实施例中，所述敏感框架7包括质量块8、锚点9、梁结构(未标识)和固定电极(未标识)。其中，所述质量块8通过所述梁结构与所述锚点9相连，所述锚点9固定于所述半导体结构层4下方的的结构上；所述固定电极固定于所述半导体结构层4下方的的结构上，在图1所示的具体实施例中，所述半导体结构层4下方的结构为所述衬底3；在图2所示的具体实施例中，所述半导体结构层4下方的结构为所述信号处理部件2。当所述质量8感应(或敏感)到所述骨振动信号时，所述质量块8发生运动，以使得所述质量块8与所述固定电极的距离发生变化，从而将所述骨振动信号转换为反映所述质量块8与所述固定电极之间的电容变化的电信号，该电信号即为前述所述mems部件1将骨振动信号转换产生的电信号。
25.为了方便理解，在下文中，以所述敏感框架7为三个质量块的电容式加速度计为例进行解释。
26.所述质量块8包括x质量块，y质量块，z质量块；所述固定电极包括x轴检测电极、y轴检测电极和z轴检测电极。
27.所述x质量块上设置有可动梳齿结构，所述x轴检测电极上设置有固定梳齿结构，当敏感(或感应)到x轴骨振动信号输入时，会使得所述x质量块带动可动梳齿结构沿x轴发生运动，使得所述x质量块上设置的可动梳齿相对于所述x轴检测电极设置的固定梳齿结构发生运动，进而使得所述x轴检测电极和所述x质量块之间的电容发生变化，所述x轴检测电极检测与所述x质量块的距离变化，从而将所述x轴骨振动信号转换为反映所述x质量块与所述x轴检测电极之间的电容变化的电信号。
28.所述y质量块上设置有可动梳齿结构，所述y轴检测电极上设置有固定梳齿结构，当敏感(或感应)到y轴骨振动信号输入时，会使得所述y质量块带动可动梳齿结构沿y轴发生运动，使得所述y质量块上设置的可动梳齿相对于所述y轴检测电极设置的固定梳齿结构发生运动，进而使得所述y轴检测电极和所述y质量块之间的电容发生变化，所述y轴检测电极检测与所述y质量块的距离变化，从而将所述y轴骨振动信号转换为反映所述y质量块与所述y轴检测电极之间的电容变化的电信号。
29.所述z轴检测电极位于所述z质量块下方且与所述z质量块存在间隙。当敏感(或感应)到z轴骨振动信号输入时，会使得所述z质量块发生类似跷跷板式运动，所述z轴检测电极检测与所述z质量块之间的距离变化，从而将所述z轴骨振动信号转换为反映所述z质量块与所述z轴检测电极之间的电容变化的电信号。
30.将mems部件1产生的反映所述x质量块与所述x轴检测电极之间的电容变化的电信号、反映所述y质量块与所述y轴检测电极之间的电容变化的电信号，以及反映所述z质量块与所述z轴检测电极之间的电容变化的电信号经信号处理部件2处理后，即可实现声音的拾取。
31.请参考图3所示，其为本发明在一个实施例中如图1和图2所示的半导体结构层的整体结构示意图。图3所示的半导体结构层包括键合框架6和位于所述键合框架6内的敏感框架7。所述敏感框架7包括质量块8、锚点9、梁结构10和固定电极(未标识)。
32.在图3所示的实施例中，质量块8包括x质量块8a、y质量块8b和z质量块8c；锚点9包括x质量块锚点9a、y质量块锚点9b和z质量块锚点9c；梁结构10包括横向弹性梁10a、纵向弹性梁10b和扭转梁10c；所述固定电极包括x轴检测电极18、y轴检测电极13和z轴检测电极14。为了更好的说明本发明所示的半导体结构层，可以建立一个三维直角坐标系，在图3所示的实施例中，x轴和y轴相互垂直并且定义了所述半导体结构层下方的结构所在的平面，z轴垂直于x轴和y轴所定义的平面，通过x轴、y轴和z轴建立的三维直角坐标系在图3中有所体现，其中，x轴沿左右方向，y轴沿上下方向，z轴沿垂直于纸面方向。
33.所述x轴检测电极18位于所述x质量块8a内，所述x轴检测电极18中设置有与y轴相平行的若干横向固定梳齿19，所述x质量块8a中设置有与y轴相平行的若干横向可动梳齿20，其中，所述x轴检测电极18中的若干横向固定梳齿19与所述x质量块8a中的若干横向可动梳齿20呈叉指排布，以形成叉指电容。当敏感(或感应)到x轴骨振动信号输入时，会使得所述x质量块8a沿x轴发生运动，所述x轴检测电极18检测与所述x质量块8a的距离变化，从而将所述x轴骨振动信号转换为反映所述x质量块8a与所述x轴检测电极18之间的电容变化的电信号。在3所示的具体实施例中，位于所述x质量块8a内的x轴检测电极18为四个，其中，
两个x轴检测电极18分别位于所述x质量块8a内的上部的左右两侧；另外两个x轴检测电极18分别位于所述x质量块8a内的下部的左右两侧。
34.所述x质量块锚点9a和横向弹性梁10a也位于所述x质量块8a内，其中，所述x质量块8a经横向弹性梁10a与所述x质量块锚点9a连接。在图3所示的具体实施例中，所述横向弹性梁10a为两个，其分别位于x质量块锚点9a的左右两侧，其中，所述x质量块8a经一个横向弹性梁10a与所述x质量块锚点9a连接；所述x质量块8a经另一个横向弹性梁10a与所述x质量块锚点9a连接。在图3所示的具体实施例中，所述横向弹性梁10a平行于y轴放置(或所述横向弹性梁10a的延伸方向与y轴平行)；两个x轴检测电极18位于所述x质量块锚点9a的上方，且位于两个横向弹性梁10a之间；另外两个x轴检测电极18位于所述x质量块锚点9a的下方，且位于两个横向弹性梁10a之间。
35.x质量块锚点8a固定于所述半导体结构层4下方的结构上；x轴检测电极18固定于所述半导体结构层4下方的结构上；x质量块8a和横向弹性梁10a悬置于所述半导体结构层4下方的结构上方。
36.所述y轴检测电极13位于所述y质量块8b内，所述y轴检测电极13中设置有与x轴相平行的若干纵向固定梳齿12，所述y质量块8b中设置有与x轴相平行的若干纵向可动梳齿11，其中，所述y轴检测电极13中的若干纵向固定梳齿12与所述y质量块8b中的若干纵向可动梳齿11呈叉指排布，以形成叉指电容。当敏感(或感应)到y轴骨振动信号输入时，会使得所述y质量块8b沿y轴发生运动，所述y轴检测电极13检测与所述y质量块8b的距离变化，从而将所述y轴骨振动信号转换为反映所述y质量块8b与所述y轴检测电极13之间的电容变化的电信号。在3所示的具体实施例中，位于所述y质量块8b内的y轴检测电极13为四个，其中，两个y轴检测电极13分别位于所述y质量块8b内的左侧的上下两端；另外两个y轴检测电极13分别位于所述y质量块8b内的右侧的上下两端。
37.所述y质量块锚点9b和纵向弹性梁10b也位于所述y质量块8b内，其中，所述y质量块8b经纵向弹性梁10b与所述y质量块锚点9b连接。在图3所示的具体实施例中，所述纵向弹性梁10b为两个，其分别位于y质量块锚点9b的上下两断，其中，所述y质量块8b经一个纵向弹性梁10b与所述y质量块锚点9b连接；所述y质量块8b经另一个纵向弹性梁10b与所述y质量块锚点9b连接。在图3所示的具体实施例中，所述纵向弹性梁10b平行于x轴放置(或所述纵向弹性梁10b的延伸方向与x轴平行)；两个y轴检测电极13位于所述y质量块锚点9b的左侧，且位于两个纵向弹性梁10b之间；另外两个y轴检测电极13位于所述y质量块锚点9b的右侧，且位于两个纵向弹性梁10b之间。
38.y质量块锚点9b固定于所述半导体结构层4下方的结构上；y轴检测电极13固定于所述半导体结构层4下方的结构上；y质量块8b和纵向弹性梁10b悬置于所述半导体结构层4下方的结构上方。
39.所述z质量块锚点9c和扭转梁10c位于所述z质量块8c内，所述z质量块8c通过所述扭转梁10c与所述z质量块锚点9c连接；所述z轴检测电极14位于所述z质量块8c下方且与所述z质量块8c存在间隙。当敏感(或感应)到z轴骨振动信号输入时，会使得所述z质量块8c以所述扭转梁10c为轴发生扭转或枢转(互类似跷跷板式运动)，所述z轴检测电极14检测与所述z质量块8c的距离变化，从而将所述z轴骨振动信号转换为反映所述z质量块8c与所述z轴检测电极14之间的电容变化的电信号。在图3所示的具体实施例中，扭转梁10c平行于y轴放
置(或扭转梁10c的延伸方向与y轴平行)；扭转梁10c为两个，其中，一个扭转梁10c位于所述z质量块锚点9c的上方，且该扭转梁10c连接所述z质量块锚点9c和z质量块8c；另一个扭转梁10c位于所述z质量块锚点9c的下方，且该扭转梁10c连接所述z质量块锚点9c和z质量块8c；z轴检测电极14为两个，其分别位于所述扭转梁10c的左右两侧。
40.z质量块锚点9c固定于所述半导体结构层4下方的结构上；z轴检测电极14固定设置于所述半导体结构层4下方的结构上；z质量块8c和扭转梁10c悬置于所述半导体结构层4下方的结构上方。
41.在一个实施例中，所述质量块8上可设置有通孔15(如图3所示)、盲孔、镂空或半镂空结构，用来减少质量，提高灵敏度。
42.在一个实施例中，所述质量块8和梁结构10上可设置有防碰撞的凸起16(如图3所示)，防止受到外界大的冲击时结构受损。
43.在一个实施例中，所述衬底3为硅材料，其上方设置有多层金属层、层间介质及通孔，所述金属层主要用来做互联线，材质可为铝、铜，将电信号传输到芯片不同位置；所述层间介质是绝缘材料，用来分离所述金属层间的电连接；所述通孔贯穿各介质层从一层金属到相邻的另一层金属层形成电通路的开口，即所述通孔贯穿各个所述层间介质层、各层金属层形成电通路的开口，常用金属钨填充。
44.需要特别说明的是，本发明中的敏感框架7也可以采用现有技术中的电容式加速度计结构。
45.本发明提供的用于拾取语音的骨传导加速度计可用于耳机，头盔可穿戴领域，可在户外跑步、攀登、骑车、游泳时使用。
46.综上所述，本发明提供的用于拾取语音的骨传导加速度计包括mems部件1和信号处理部件2。所述mems部件1为电容式加速度计，其用于敏感(或感应)骨振动信号并将该骨振动信号转换为电信号。所述信号处理部件2与所述mems部件1电连接，所述信号处理部件2用于处理所述mems部件1产生的所述电信号，并将所述电信号转换为声音信号。本发明的有益效果为：采用骨传导加速度计实现对声音的拾取，可避免外界环境声音的干扰，且无需外壳封装来实现密封，mems芯片采用体硅工艺加工制备，工艺简单，芯片尺寸小，密封性和可靠性好。
47.在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
48.以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。