[發明專利]一種硅電容麥克風

有效

• 申請號: 201410666070.0
• 申請日: 2014-11-19
• 公開（公告）號: CN105681990B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 萬蔡辛;楊少軍
• 申請（專利權）人: 共達電聲股份有限公司;深圳市共達電聲科技有限公司
• 主分類號: H04R19/04
• 分類號: H04R19/04
• 代理公司: 濟南舜源專利事務所有限公司 37205
• 代理人: 李江

技術領域

本發明涉及微麥克風技術領域，特別涉及一種應用柔性背極的硅電容麥克 風。

背景技術

微機電(MEMSmicro-electro-mechanicalsystem)麥克風或稱硅麥克風 因其體積小、適于表面貼裝等優點而被廣泛用于平板電子裝置的聲音采集，例 如：手機、MP3、錄音筆和監聽器材等。相關技術中，硅電容麥克風包括基底、 背極板和振膜。其中，振膜是硅電容麥克風的核心部件，既需要靈敏地敏感聲 壓信號并將之轉化為電信號，又需要在外界風壓吹擊、跌落沖擊的應力和內部 加工工藝釋放應力作用后保持性能基本不變地正常工作。其背極也根據實現的 制作工藝不同，分為剛性背極和柔性背極。振膜上受到約束包括多種連接和支 撐形式，是決定振膜敏感振型并抑制其他不需要振型的關鍵技術，直接與硅電 容麥克風的靈敏度、線性度、信噪比、吸合電壓、敏感電容、動態響應等指標 相關。

傳統的硅微麥克風一般限于在振膜與固定的剛性基板和相對基板靜止的剛 性背極之間構造多種相對約束，這種約束方式由于基板和剛性背極在敏感運動 中相對靜止，設計較為簡便，但靈活性也受限。

在傳統的硅微麥克風設計方案中，已有的研究工作已經認識到了硅麥克風 的許多優化方向，但受限于工藝和剛性背極方案，優化起來難度很大。

首先，已有的研究已經認識到需要把振膜盡量制作成邊緣較軟，中間較硬 的接近集中參數平板電容模型的結構，但這一點在工藝決定振膜厚度有限的前 提下實現時，遇到了振膜面積增大后，來自振膜中心膜片本身而非邊緣的剛度 影響，從而使得增大振膜面積提高芯片面積利用率與集中參數平板電容模型的 矛盾；為了實現這一點，在美國專利US5146435中局部地將振膜中心處加厚； 美國專利US5870482降低芯片面積利用率或在振膜上制作褶皺來使振膜局部加 硬；美國專利US7856804B2將振膜設置為電阻率較高的材料并在振膜上覆蓋一 層電阻率極低的金屬以將振膜位移較大處有用信號提取出現，避免寄生電容對 信號造成衰減和干擾；而美國專利20110103622A1則是反其道而行之，在振膜 邊緣設置褶皺降低邊緣處的剛度，以提高振膜中心膜片與邊緣處剛度的相對比 值。已有研究中的這些方案均通過工藝上的改進來彌補這兩者的矛盾關系，均 需在工藝上作出大小不同的改動，也可針對這樣的矛盾關系做出大小不同的改 善，但均無法從本質上將這個問題解決------芯片面積利用率降低和工藝難度 提升均意味著生產成本的提高。另一方面，從本質上來看，在工藝條件或設計 條件限制了振膜膜片厚度極限的前提下，將對于較大尺寸的振膜而言，由于振 膜僅與聲腔邊緣處的固定基板或固定背極存在機械連接，根據圣維南原理，即 使將聲腔邊緣處振膜周緣全部固定住，對振膜中心處剛度仍然影響甚微，無法 通過設計手段對振型予以有效調整。

其次，美國專利US20070047746A1等技術方案試圖通過將多個麥克風單元 并聯以獲得更大的有效電容以保證麥克風信號的質量，但是這種方案受麥克風 本身加工的工藝限制，麥克風外圍結構的無效面積與麥克風個數成正比，對應 帶來的成本增加是難以克服的。

再次，在麥克風芯片尺寸做大以獲取有效電容時，由于工藝條件的限制， 其殘余應力導致膜片的翹曲。一般地，對于一個幾百微米跨度的膜片結構，會 存在中心區域1-20微米量級的翹曲，但麥克風膜片的電容間隙(氣隙)寬度范 圍一般都在1-20微米量級。故已有方案針對這個翹曲問題，都是通過各種手段 盡量減小振膜的翹曲，另外盡量將背極設置得較硬，來降低振膜和背極的翹曲 對電學模型的影響。如中國專利CN1498513A通過制作“凸微觀結構”來抑制翹 曲。這樣的技術方案增加了工藝實現的難度，相應增加的成本很難再降下來， 并且將背極設置得較硬會帶來較脆的后果，使硅麥克風結構在沖擊下更易碎裂。

最后，對于傳統硅麥克風產品，如果在膜片邊緣設置開槽，麥克風頻響曲 線的低頻響應將會衰減，在衰減較為嚴重時，甚至影響到麥克風對低頻聲學信 號的正常響應，從而影響其正常使用。而不在膜片邊緣設置開槽，意味著對于 使用多處中部連接的剛性背極結構而言，只能在膜片上通過設置褶皺等，有限 地設置其局部力學特性，無法有效地應用“板梁組合”這樣的經典力學結構來 使每個振膜單元結構得到最大的優化，否則就要面對力學性能與低頻響應衰減 之間的艱難權衡。