CN104936116A - 一种集成的差分硅电容麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用2个或4个差分MEMS敏感元件并联的、共用声腔的集成硅电容麦克风，其包括：相结合的外壳和基板，且其中之一上设有进音孔；2个或4个相互匹配的差分MEMS敏感元件；集成电路；声腔，其中，集成电路用于对声波经进音孔、声腔到各差分MEMS敏感元件转化为的电信号进行缓冲/放大和输出，集成电路与各差分MEMS敏感元件之间的电气排布和连接方式为轴对称或镜像对称关系。由于采用本发明的手段，差分硅电容麦克风的线性度、最大声压级等性能指标得到提高。

Description

一种集成的差分硅电容麦克风

技术领域

本发明涉及一种集成的差分硅电容麦克风及其封装方案。

背景技术

微机电(MEMS micro-electro-mechanical system)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，既有众多努力，试图通过将多个硅麦克风差分MEMS敏感元件一同使用的方式，将信噪比指标在现有加工工艺条件下提高，也有很多方案，试图通过制作差分MEMS敏感结构来提高硅电容麦克风的线性度、最大声压级等技术指标。本发明主要讨论差分的硅电容麦克风。

传统的差分MEMS敏感元件一般分为三层结构，其中上下两层相对固定，而中间层可动。已有的研究如中国专利CN102457801、中国专利CN103563399等，均对差分MEMS敏感元件的结构设计、工艺制备等做了深入的研究。另一方面，既有美国专利US8644529对差分硅电容麦克风的电路方案有相应的工作，也有美国专利US6285769对通过力反馈制作闭环工作的麦克风。

对于差分的硅电容麦克风而言，显然由于其MEMS敏感元件一般分为三层结构，会比常规硅电容麦克风的MEMS敏感元件一般分为两层(背极和振膜)引入更复杂的设计理念和制备工艺，相应地会在成本、良率、产品通用性上受到一些制约，这样相应地就需要差分麦克风在最大声压级、线性度等技术指标上显著高于常规麦克风。换言之，其后续封装和电路需要有相应的措施，以达到效佳的技术指标提高的技术效果。

发明内容

本发明提供了将2个或4个匹配的差分MEMS敏感结构并行使用同时保证各声波输入直到通过差分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差分MEMS敏感元件的前置级声学、力学、电学完全对称的高线性度硅电容麦克风，从差分MEMS敏感元件设置、集成电路设置、引线和封装设置、后续电路系统处理设置等硅麦克风的各环节着手，提高集成的硅电容麦克风各差分MEMS敏感结构之间相互数据融合的效率，进一步提高硅电容麦克风的整体技术指标，提高产品竞争力。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种集成的硅电容麦克风，包括：相结合的外壳和基板，且其中之一上设有进音孔；2个或4个相互匹配的差分MEMS敏感元件；集成电路；声腔，其中，所述集成电路用于对声波经所述进音孔、所述声腔到各所述差分MEMS敏感元件转化为的电信号进行缓冲/放大和输出，所述集成电路与各差分MEMS敏感元件之间的电气排布和连接方式为轴对称或镜像对称关系。通过将差分MEMS敏感元件设置成轴对称或镜像关系，保证电路芯片到各个差分MEMS敏感元件之间的前置级声学、力学、电学上的对称性。

较佳的，所述MEMS敏感元件的芯片形状为正方形，数量为4个，且4个差分MEMS敏感元件为2乘2矩形排布，在几何上沿相互位置中分面成镜像对称关系。对于2个MEMS敏感元件而言，显然其形状、位置上的对称性的多颗数据整合的性能提高，都差于4个MEMS敏感元件。而多于4个的MEMS敏感元件，其平面和空间声学、力学、电学上的对称性无法保证。

较佳的，声波进入进音孔后的传声路径和声腔对各个MEMS敏感元件一致，且集成电路和MEMS敏感元件在外壳和基板中的布局布线使得各路电气信号一致传递，其中，所述传声路径为从所述进音孔、所述声腔到各所述差分MEMS敏感元件形成的路径。这是通过封装体设置的技术手段，来保证电路芯片到各个差分MEMS敏感元件之间的前置级声学、力学、电学上的对称性。

较佳的，所述集成电路为一种同时提供对称的正负偏置电压的芯片。这是从电路芯片设置角度，提供电学对称性较佳的一种技术手段。

较佳的，所述集成电路为两种分别对称地提供正负偏置电压的芯片。这是从电路芯片设置角度，提供电学对称性较佳的一种技术手段。

较佳的，所述的硅电容麦克风的输出方式为差分双端输出。以双端输出，这是较佳的差分硅电容麦克风的输出方式。

较佳的，所述的硅电容麦克风工作时通过所述集成电路实现静电力反馈，从而使MEMS敏感元件闭环工作。这是从电路系统设置技术手段角度，提高硅电容麦克风工作的最大声压级的方式。由于提高了差分MEMS敏感元件前置级的声学、力学、电学对称性，闭环工作模型的误差减少，精度提高。

本发明的提出一种使用2个或4个差分MEMS敏感元件并联的、共用声腔的集成硅电容麦克风，使得差分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差分MEMS敏感元件完全对称的声腔；尤其使得MEMS到集成电路的引线与电路接口和封装结构相结合，较佳地从电路系统前置级保证了其对称性、线性度和较小的系统误差。因此，虽然为保证对称性，本发明只适用2个或4个差分MEMS敏感元件并行使用的场合，却可以得到较佳的线性度和最大声压级技术指标，提高产品的市场竞争力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是进音孔在外壳上盖的本发明麦克风结构纵剖面示意图；

图2是进音孔在外壳底板的本发明麦克风结构纵剖面示意图；

图3是2个差分MEMS敏感元件和2块配合MEMS敏感元件的集成电路(一种芯片同时提供匹配的正负偏置电压)在基板上的布局和引线的俯视示意图；

图4是本发明优选实施例的4个差分MEMS敏感元件和4个配合MEMS敏感元件的集成电路(一种芯片同时提供匹配的正负偏置电压)在基板上的布局的俯视示意图；

图5是2个或4个差分MEMS敏感元件和配合MEMS敏感元件的集成电路(一种芯片同时提供匹配的正负偏置电压)的前端电学模型示意图；

图6是2个差分MEMS敏感元件和2块配合MEMS敏感元件的集成电路(两种匹配芯片分别提供正负偏置电压)在基板上的布局和引线的俯视示意图；

图7是4个差分MEMS敏感元件和4个配合MEMS敏感元件的集成电路(两种匹配芯片分别提供正负偏置电压)在基板上的布局的俯视示意图；

图8是2个或4个差分MEMS敏感元件和配合MEMS敏感元件的集成电路(两种匹配芯片分别提供正负偏置电压)的前端电学模型示意图；

图9是2个差分MEMS敏感元件和集成电路配合的单端输出电路示意图；

图10是2个差分MEMS敏感元件和集成电路配合的双端输出电路示意图；

图11是4个差分MEMS敏感元件和集成电路配合的双端输出电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明主要用于一种集成的差分硅电容麦克风。现有技术虽然在差分硅电容麦克风的各个环节进行的努力卓有成效，仍缺乏相应的系统整合及接口处理工作，但在麦克风整体工作时这些环节却必不可少。本发明通过将2个或4个匹配的差分MEMS敏感结构并行使用，同时保证各声波输入直到通过差分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差分MEMS敏感元件的前置级声学、力学、电学完全对称的技术方案，从差分MEMS敏感元件设置、集成电路设置、引线和封装设置、后续电路系统处理设置等硅麦克风的各环节着手，提高集成的硅电容麦克风各差分MEMS敏感结构之间相互数据融合的效率，从而达到进一步提高硅电容麦克风的线性度、最大声压级等整体技术指标，提高了产品竞争力。下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1和图2分别是本发明进音孔101在外壳上盖102或基板103上的麦克风结构纵剖面示意图。如图中所示，可以按照实际传声需要，设置垫板202和连通MEMS敏感结构301的声腔302的连通空间201，集成电路芯片401、402(视需要可增加集成电路芯片403、404)在MEMS敏感结构301的周围做镜像或轴对称排布。值得强调的是，各个独立的MEMS敏感结构对称，从MEMS敏感结构301到各个集成电路芯片401、402(视需要可增加集成电路芯片403、404)的相对位置、引线镜像对称或轴对称，且芯片相对于封装壳体在电气意义上对称。

图3是2个差分MEMS敏感元件和2块配合MEMS敏感元件的集成电路(一种芯片同时提供匹配的正负偏置电压)在基板上的布局和引线的俯视示意图。图中粗实线表示引线，I表示MEMS敏感元件和集成电路的信号传递电极(引脚)，+和－分别表示正负偏置电压电极(引脚)。每个MEMS敏感元件包含上、中、下三个电极(引脚)，U表示上电极，M表示中间电极，D表示下电极。将上电极与中间电极之间的电容记作Cu(受到来自下方的单位声压激励的电容变化值为dCu)，将下电极与中间电极之间的电容记作Cd(受到来自下方的单位声压激励的电容变化值为-dCd)，将图3中正偏置电压电极引线和中间电极(信号传递电极)引线引入的寄生电容记作Cp(显然由于芯片位置和引线为轴对称排布，图3的两路前级电路的Cp是一致的)，将图3中负偏置电压电极引线和中间电极(信号传递电极)引线引入的寄生电容记作Cn。这样，如果认为集成电路的电容到电压转换环节为完全线性的话，这两路信号差分后的信息为2*(Cu-Cd)+2*(dCu+dCd)。这样，Cu与Cd的匹配性决定了电路的直流工作点，而寄生电容Cp和Cn被通过差分消除。

图4是本发明优选实施例的4个差分MEMS敏感元件和4个配合MEMS敏感元件的集成电路(一种芯片同时提供匹配的正负偏置电压)在基板上的布局的俯视示意图。与图3的区分之处在于，对于2个MEMS敏感元件而言，显然其形状、位置上的对称性的多颗数据整合的性能提高，都差于4个MEMS敏感元件。而多于4个的MEMS敏感元件，其平面和空间声学、力学、电学上的对称性无法保证。由于4路信号数据融合效果、对称性、可闭环和只需设置一种集成电路芯片的低成本，图4所示的实施例为本发明优选实施例。

图5是2个或4个差分MEMS敏感元件和配合MEMS敏感元件的集成电路(一种芯片同时提供匹配的正负偏置电压)的前端电学模型示意图。由于实际工艺实现时设置结构的不同和工艺误差的影响，Cu与Cd(同样影响到dCu与dCd)，Cp与Cn均不会完全对称，而这些参数均是存在于前级电学模型中，其对称性将对麦克风的线性度、最大声压级和闭环模型准确性产生直接的影响。本图通过将这几个参数在电路模型中的具现以图描述，使得本发明中消除寄生电容的具体实施过程更便于理解。

图6是2个差分MEMS敏感元件和2块配合MEMS敏感元件的集成电路(两种匹配芯片分别提供正负偏置电压)在基板上的布局和引线的俯视示意图。同图3，本图同图3的区分之处在于，分别将两个MEMS敏感元件的中间电极接入正、负偏置电压电极，而将其上、下电极接入集成电路相应的信号传递电极I1、I2，其寄生电容也相应地记作C1、C2，此外，本实施例技术方案与图3所示技术方案的区别在于本实施例使用芯片镜像对称排布，而图3的实施例使用芯片轴对称排布。同样，如果认为集成电路的电容到电压转换环节为完全线性的话，这两路信号差分后的信息为2*(Cu-Cd)+2*(dCu+dCd)。这样，Cu与Cd的匹配性决定了电路的直流工作点，而寄生电容C1和C2被通过差分消除。

图7是4个差分MEMS敏感元件和4个配合MEMS敏感元件的集成电路(两种匹配芯片分别提供正负偏置电压)在基板上的布局的俯视示意图。本图之于图6是与图4之于图3类似的，其中本图实施例采用芯片镜像对称排布，而图4实施例采用芯片轴对称排布。

图8是2个或4个差分MEMS敏感元件和配合MEMS敏感元件的集成电路(两种匹配芯片分别提供正负偏置电压)的前端电学模型示意图。本图之于图6、图7是与图5之于图4、图3相同的。

图9是2个差分MEMS敏感元件和集成电路配合的单端输出电路示意图。显然，按照麦克风输出的电气接口要求，可以在电路后端另增加一个差分功能，将两路信号差分后单端输出。值得一提的是，由于增加的差分功能体现在后端，并不会对麦克风的线性度等技术指标产生显著的影响。

图10是2个差分MEMS敏感元件和集成电路配合的双端输出电路示意图。由于电容与电容间隙成反比，显然差分MEMS敏感元件的中间电极在上、下电极之间运动改变电容间隙时，可以通过差分减小从运动量到电容量的非线性偏差，但无法完全消除。在使用图3和图4的实施例时，可以根据需要将这两路分别通过静电力反馈闭环后再行差分，具体实现方法是通过差分MEMS敏感元件的上、下电极施加一个反馈电压，与原正负偏置电压分别叠加，使上、下电极产生的静电力差平衡声学输入压力，从而使得中间极板一直工作在平衡位置，故电容间隙恒定，从而消除开环麦克风中间极板运动改变电容间隙带来的从运动量到电容量传递时的非线性影响。

图11是4个差分MEMS敏感元件和集成电路配合的双端输出电路示意图。其中两两完全相同的信号进行求和或线与之后再差分。与图9和图10的技术方案类似，可以如图9般在电路后端另增加一个差分功能并将两路信号差分后单端输出，也可以如图10般将每路信号进行闭环后再输出。

此外，本发明说明书和权利要求书中的术语“正”，“负”，“上”，“下”，“左”，“右”等(如果存在)用于说明性目的且不一定用于描述永久的相对位置。可以理解的是如此使用的术语可在适当情况下互换，使得本文所述的本发明的实施例能够在例如不同于上述或本文中所述的方向的其他方向上进行操作。

以上对本发明的描述是说明性的，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发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种集成的硅电容麦克风，其特征在于，包括：相结合的外壳和基板，且所述外壳和所述基板其中之一上设有进音孔，2个或4个相互匹配的差分MEMS敏感元件，集成电路和声腔，其中：

所述集成电路用于对声波经所述进音孔、所述声腔到各所述差分MEMS敏感元件转化为的电信号进行缓冲/放大和输出，所述集成电路与各所述差分MEMS敏感元件之间的电气排布和连接方式为轴对称或镜像对称关系。

2.根据权利要求1所述的集成的硅电容麦克风，其特征在于，所述差分MEMS敏感元件的芯片形状为正方形，数量为4个，且4个所述差分MEMS敏感元件为2乘2矩形排布，在几何上沿相互位置中分面成镜像对称关系。

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，声波进入所述进音孔后的传声路径和所述声腔对各个所述差分MEMS敏感元件一致，且所述集成电路和各所述差分MEMS敏感元件在所述外壳和所述基板中的布局布线使得各路电气信号一致传递，其中，所述传声路径为从所述进音孔、所述声腔到各所述差分MEMS敏感元件形成的路径。

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，所述集成电路为一种同时提供对称的正负偏置电压的芯片。

5.根据权利要求1所述的集成的硅电容麦克风，其特征在于，所述集成电路为两种分别对称地提供正负偏置电压的芯片。

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，所述硅电容麦克风的输出方式为差分双端输出。

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，所述硅电容麦克风工作时通过所述集成电路实现静电力反馈，从而使得各所述差分MEMS敏感元件闭环工作。