[發(fā)明專利]微機電電容式麥克風

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010189359.X
• 申請日: 2010-05-26
• 公開（公告）號: CN102264020A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 方維倫;詹竣凱
• 申請（專利權(quán)）人: 國立清華大學(xué)
• 主分類號: H04R19/04
• 分類號: H04R19/04
• 代理公司: 北京康信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責任公司 11240
• 代理人: 吳貴明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微機電電容式麥克風，尤其涉及一種具有剛性振膜的微機電電容式麥克風。

背景技術(shù)

電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢一向朝體積輕薄、效率提升的方向前進，麥克風的演進亦不例外。麥克風用以接收聲音并將其轉(zhuǎn)換為電氣信號，在日常生活中應(yīng)用廣泛，例如裝置于電話、手機、錄音筆等。以電容式麥克風為例，聲音的變化會以音波形式迫使薄膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對應(yīng)的變形，薄膜結(jié)構(gòu)的變形會導(dǎo)致電容發(fā)生變化，因此，可借感測電容變化而讀出壓差值而獲知聲音的變化。

相較于傳統(tǒng)駐極電容式麥克風(electret?condenser?microphone，ECM)，微機電(Micro-Electro-Mechanical?Systems，MEMS)式麥克風可利用集成電路的工藝技術(shù)，將機械元件與電子元件整合于一半導(dǎo)體材料上，借此制作出微型的麥克風，于是漸成微型麥克風的主流。微機電式麥克風除重量輕、體積小、省電外，還具備的優(yōu)點包括：其可利用表面黏著(surface?mount)方式生產(chǎn)、能夠忍受較高的回焊溫度(reflow?temperature)、易于與互補式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝以及其它音訊電子裝置整合，以及具有較佳的抗射頻(RF)和電磁干擾(electromagnetic?interference，EMI)的特性。

圖1示出了一現(xiàn)有微機電電容式麥克風1的構(gòu)造示意圖，其包括一背極板(back-plate)2、一振膜(membrane?or?diaphragm)3以及一間隔件4。其中，該間隔件4設(shè)置于背極板2與振膜3之間，使振膜3與背極板2相互絕緣隔離并平行設(shè)置，彼此分別形成一平行電容板結(jié)構(gòu)的上電極與下電極；背極板2對應(yīng)振膜3處開設(shè)有多個音孔(air?hole)5，這些音孔5貫通背極板2，并連通開設(shè)于一硅基板6的一背腔(back?chamber)7。

分別對該背極板2與振膜3施加電壓，可使其電性相異并帶有電荷，形成一電容結(jié)構(gòu)。根據(jù)平行電極板的電容公式：C＝εA/d(其中，ε為介電系數(shù)(dielectric?constnt)、A為兩電極板重合面積、d為兩電容板的間距(gap))，可知兩電容板間的間距變化將改變電容值。借此，當一音波作用于振膜3而造成該振膜3振動、形變時，振膜3與背極板2之間的間距將會改變，使得電容隨之變化而可轉(zhuǎn)換成電氣信號輸出。位于振膜3與背極板2之間受擾動、壓縮的空氣，則可自該些音孔5釋放至該背腔7，避免氣壓變動過大而損壞可撓的振膜3和背極板2的結(jié)構(gòu)。

請配合參閱圖2，其示出了一微機電電容式麥克風1的封裝示意圖。該微機電電容式麥克風1設(shè)置于一基板8，并封裝于一金屬蓋體9形成的容置空間內(nèi)。其中，微機電電容式麥克風1的振膜3與背極板2分別電性連接至一轉(zhuǎn)換芯片10，使背極板2與振膜3之間的電容變化可通過該轉(zhuǎn)換芯片10轉(zhuǎn)換成電氣信號而輸出。

習用于微機電電容式麥克風的振膜均為可撓式振膜，其利用音壓造成振膜形變的特性來獲致與背極板間的間距改變，借以改變電容值。然而，以薄膜沉積可撓式振膜的工藝溫度極高，且因材料彼此間的熱膨脹系數(shù)互有差異，如此將使得振膜在制造的過程中累積程度不一的張應(yīng)力或壓應(yīng)力。殘存于振膜的應(yīng)力會導(dǎo)致振膜翹曲，形成皺折而不平整，導(dǎo)致其影響感測的精準度；更進一步地，麥克風的靈敏度(sensitivity)與振膜的殘留應(yīng)力呈現(xiàn)反比關(guān)系，因此過高的應(yīng)力殘留將導(dǎo)致靈敏度降低。為此，美國專利第US5490220號的“Solid?state?condenser?and?microphone?devices”提出一種無固定邊界的懸浮振膜，利用一懸臂梁來支撐振膜，使振膜懸浮借以釋放溫度效應(yīng)造成的應(yīng)力；美國專利第US5870482號的“Miniaturesilicon?condenser?microphone”則延伸應(yīng)用設(shè)計出大型平板振膜僅固定一邊的結(jié)構(gòu)。

由于可撓式振膜于形變時無法隨時與背極板保持平行，因此振膜與背極板之間的間距變化估算不易，精確度較為不足。再者，由于麥克風的靈敏度正比于驅(qū)動電壓，因此，欲提升靈敏度而提高驅(qū)動電壓時，現(xiàn)有的可撓式振膜容易發(fā)生崩潰(collapse)效應(yīng)，貼附于背極板而導(dǎo)致麥克風失效。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的目的在于解決上述問題，進而提出一種精確度、靈敏度高且制造容易的微機電電容式麥克風。