CN114501266B - 单支点差分结构抗振动干扰芯片及具有该芯片的麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单支点差分结构抗振动干扰芯片及具有该芯片的麦克风，芯片由上而下依次包括上盖板、声学敏感结构层、腔体结构层和衬底；声学敏感结构层包括两个对称分布在支撑元件两侧的声学敏感元件，两个声学敏感元件均开设有阻尼孔；腔体结构层包括两个间隔分布的下电极，两个下电极与两个声学敏感元件一一对应且相对设置以组成两个电容器，两个声学敏感元件同时分别作为两个电容器的上电极；上盖板对应其中一个声学敏感元件的位置镂空以形成透声孔且对应另一个声学敏感元件的位置实施为声障部。在振动干扰的作用下两个声学敏感元件的变形完全一样，因此，两个电容器的电容变化量相同，经过差分输出之后，输出信号为零，实现了抗振动干扰的目的。

Description

单支点差分结构抗振动干扰芯片及具有该芯片的麦克风

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，具体地涉及单支点差分结构抗振动干扰芯片及具有该芯片的麦克风。

背景技术

声学传播理论表明，声波的频率越低，大气中的衰减越小，传播距离越远。因此，为了探测远处的目标，声学麦克风探测器检测目标声波的频率一般在kHz以下。

当前商用MEMS（Micro-Electro-Mechanical System的缩写，微机电***）麦克风主要针对人类语音信号设计，工作频段为20Hz~20000Hz，使用现有的商用麦克风作为探测器件存在高频频段资源的浪费，而低频资源不足的问题。另一方面，由于传感器的工作带宽与灵敏度是相互制约的两个性能，过大的工作带宽导致麦克风的灵敏度低，现有商用MEMS麦克风无法满足远距离声探测的需要。此外，探测时麦克风常搭载在车辆、无人机等平台在室外使用，面临的环境复杂多变，不可避免地会受低频振动干扰，现有商用麦克风不具备抗振动干扰的能力，将会严重地影响麦克风的声学性能。对于大气探测来说，远处目标的声信号很微弱，探测器周围环境的低频振动干扰信号产生的电信号可能大于声波产生的电信号，导致难以探测到远处目标的声信号，特别当低频振动干扰的频率与探测目标声信号的频率接近或相等时，难以将振动干扰产生的信号与目标声波产生的信号分离。

中国公开申请专利《一种膜片、MEMS麦克风芯片及其制作方法》，申请号202110893662.6，公开了MEMS麦克风芯片振膜上设置有至少两个均匀分布的泄气阀，泄气阀包括活动部和孔隙，孔隙具有阶梯状截面，且阶梯状截面的“阶梯数”为一个或多个。

中国公开申请专利《一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片及其制作方法》，申请号202110867544.8，公开了MEMS麦克风芯片包括衬底和沿上下向贯穿的背腔，电容器由衬底同一侧的振膜、背板以及振膜和背板之间的振动间隙构成，振膜上设有泄气阀，泄气阀周边设有防尘结构。

中国公开申请专利《麦克风及其制造方法》，申请号202110767002.3，公开了麦克风包括空腔的基底、基底上方的振膜、与振膜间隔设置的背板、背板电极以及引出电极。振膜上设有多层氧化硅层，引出电极在振膜上的投影至少部分与多层氧化硅层重叠。

中国公开申请专利《麦克风及其制作方法》，申请号202110728000.3，公开了一种MEMS麦克风，包括由外壳和基板形成的封装结构，在封装结构内部有MEMS芯片，MEMS芯片包括基底、设置在基底上的振膜、背极，基底包括连接柱和位于连接柱内部的中央柱，连接柱与中央柱在基底上形成背洞，在位于中央柱上方位置的振膜上设置有通孔；在背极上设置有用于限位振膜向上运动的限位件，中央柱用于限位振膜向上运动的范围，限位件与中央柱其同限位振膜在外部声压的作用下的位移量。

综上，现有的麦克风一般都是单振膜结构四周固支在腔体上，振膜在惯性力的作用下也会发生形变输出电压信号，振动干扰会影响麦克风的声学性能。这种结构的麦克风工作频率可达20000Hz，不能满足大气探测低频声波信号的应用需求。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明目的是提供单支点差分结构抗振动干扰芯片及具有该芯片的麦克风，实现抗振动干扰的目的。

本发明的技术方案是：

本发明其中一个目的在于提供一种单支点差分结构抗振动干扰芯片，该芯片由上而下依次包括上盖板、声学敏感结构层、腔体结构层和衬底；其中，

所述声学敏感结构层包括两个对称分布在支撑元件两侧的声学敏感元件，两个所述声学敏感元件均开设有阻尼孔，在所述声学敏感结构层上还设有金属焊盘；

所述腔体结构层包括两个间隔分布的下电极，两个所述下电极与两个所述声学敏感元件一一对应且相对设置以组成两个电容器，两个所述声学敏感元件同时分别作为两个所述电容器的上电极；

所述上盖板对应其中一个所述声学敏感元件的位置镂空以形成透声孔且对应另一个所述声学敏感元件的位置实施为声障部；

所述衬底由上下层叠设置的氧化层和硅层构成。

优选地，两个所述声学敏感元件相面对的端部通过两个关于所述支撑元件对称的连接梁刚性连接，两个连接梁与所述支撑元件之间分别通过一个扭转梁连接，两个所述扭转梁的延伸方向沿两个所述声学敏感元件的转动轴线方向。

优选地，所述声学敏感结构层和所述腔体结构层还包括设于两个所述声学敏感元件***和两个所述下电极***的第一边框；

所述金属焊盘包括设置在所述声学敏感结构元件***的所述第一边框上的一个上电极焊盘、两个下电极焊盘和一个衬底层焊盘，在所述衬底层焊盘上设有电极引出端；

在所述下电极***的所述第一边框上对应所述上电极焊盘和下电极焊盘的位置开设有隔离槽且对应所述电极引出端位置开设有第一引线孔，在所述隔离槽内设有与所述上电极焊盘和下电极焊盘对应的硅焊盘；

所述氧化层对应所述第一引线孔位置开设有第二引线孔；

两个所述下电极和所述支撑元件均通过硅引线与对应的隔离槽内的硅焊盘连接。

优选地，所述上盖板还包括第二边框，所述第二边框的宽度小于所述第一边框的宽度，使得所述声学敏感元件***的所述第一边框上的所述上电极焊盘、下电极焊盘和衬底层焊盘位于所述第二边框的外侧。

优选地，所述透声孔开设在所述第二边框内，所述声障部为形成在所述第二边框内对应所述透声孔一侧的板状的声障板。

优选地，所述第一边框和所述第二边框可为一体边框结构。

优选地，每个所述声学敏感元件的面积大于其对应的所述下电极的面积。

优选地，所述声学敏感结构层和腔体结构层的电阻率均小于或等于0.01，所述衬底层的电阻率为1~10/>。

优选地，所述氧化层的厚度为2μm。

本发明还有一个目的在于提供一种麦克风，包括上述任一项所述的单支点差分结构抗振动干扰芯片。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明的单支点差分结构抗振动干扰芯片，通过两个结构相同的声学敏感元件对称设置，在其中一个声学敏感元件上方开设透声孔，另一个上方设置声障板，从而实现对声音信号的差分检测输出，但在振动干扰的作用下两个声学敏感元件的变形完全一样，因此，两个电容器的电容变化量相同，经过差分输出之后，输出信号为零，实现了抗振动干扰的目的。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例的单支点差分结构抗振动干扰芯片的封装结构示意图；

图2为本发明实施例的单支点差分结构抗振动干扰芯片的***结构示意图；

图3为本发明实施例的单支点差分结构抗振动干扰芯片的剖视结构示意图；

图4为本发明实施例的单支点差分结构抗振动干扰芯片的上盖板的结构示意图；

图5为本发明实施例的单支点差分结构抗振动干扰芯片的声学敏感结构层的结构示意图

图6为本发明实施例的单支点差分结构抗振动干扰芯片的腔体结构层的结构示意图；

图7为本发明实施例的单支点差分结构抗振动干扰芯片的衬底的结构示意图；

图8为本发明实施例的麦克风芯片的一阶模态分析结果图；

图9为本发明实施例的麦克风芯片的二阶模态分析结果图；

图10为本发明实施例的麦克风芯片的声学仿真模型；

图11为本发明实施例的麦克风芯片，频域分析时，设声波幅值为1Pa、频率为1000Hz时的声学敏感结构层的位移响应图；

图12为本发明实施例的麦克风，受到Z方向（也即图中所示的竖直方向）的振动干扰的幅值为1g、频率为1000Hz时，麦克风频域分析的位移响应图；

图13为本发明实施例的麦克风，受到X方向（也即图中所示的左右方向）的振动干扰幅值为1g、频率为1000Hz时，麦克风频域分析的位移响应图；

图14为本发明实施例的麦克风，受到Y方向（也即图中所示的前后方向）的振动干扰幅值为1g、频率为1000Hz时，麦克风频域分析的位移响应图。

其中：1、上盖板；11、声障板；12、透声孔；13、第二边框；2、金属焊盘；21、下电极焊盘；22、上电极焊盘；23、下电极焊盘；24、衬底层焊盘；25、电极引出端；3、声学敏感结构层；31、第一锚点；32、扭转梁；33、连接梁；34、声学敏感元件；35、阻尼孔；36、声学敏感元件；37、第一边框a；4、腔体结构层；41、下电极；41、下电极；42、硅引线；43、硅焊盘；44、第一引线孔；45、隔离槽；46、第二锚点；47、第一边框b；5、氧化层；51、第二引线孔；6、衬底层；7、支撑元件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

参见图1至图7，本发明实施例的一种单支点差分结构抗振动干扰芯片，由上而下依次包括上盖板1、声学敏感结构层3、腔体结构层4和衬底。其中，声学敏感结构层3由两个对称分布在支撑元件7两侧的声学敏感元件34和36构成，两个声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件3 6均开设有阻尼孔35。腔体结构层4包括两个间隔分布的下电极41，两个下电极41与两个声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件3 6一一对应且相对设置以组成两个电容器，两个声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件36同时分别作为两个电容器的上电极。上盖板1对应其中一个声学敏感元件具体为声学敏感元件36的位置镂空以形成透声孔12且对应另一个声学敏感元件具体为声学敏感元件34的位置实施为声障部。衬底由上下层叠设置的氧化层5和硅层6构成。

当远处的声波传到麦克风时，由于声障部的作用，上方有声障部的声学敏感元件34受到的声压远小于上方无障部的声学敏感元件36受到的声压，在声压差的作用下电容器的上电极发生转动，导致一个电容器的电容减小，另一个电容器的电容增加，通过调号调理电路将电容的变化转换为电压的变化，实现了声波信号到电信号的转换。

由于振动干扰是一种惯性力，麦克风受到振动干扰时，麦克风的两个声学敏感元件都会受到振动的影响。因为两个声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件3 6呈对称分布且结构完全相同，在振动干扰的作用下两个声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件3 6的变形完全一样，因此，两个电容器的电容变化量相同，经过差分输出之后，输出信号为零，实现了抗振动干扰的目的。

根据本发明的一些实施例，声学敏感结构层由一SOI片的器件层加工而来，该SOI片的器件层为P型（半导体），电阻率小于或等于0.01。腔体结构层由另一SOI片的器件层加工而来，该SOI片的器件层也为P型，电阻率小于或等于0.01/>。该芯片中衬底的氧化层5的厚度可选为2μm。该芯片中衬底的硅层6也为P型，电阻率可选为1~10/>。

本发明实施例的麦克风器件受到声波作用时，正上方无声障板11的声学敏感元件36受到的声压远大于正上方有声障板11的声学敏感元件34受到的声压，两个声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件36在声压差的作用下发生扭转，导致两个电容器的电容发生变化。假设两个电容器的初始电容为C₀，受到声波作用时上方有声障板11的电容器电容减小，上方无声障板11的电容器电容增加/>，那么麦克风电容的差分变化量为2/>，经过C-V转换电路就实现了声波信号到电信号的转换，受到振动干扰时，两个电容的变化相同，无信号输出。

根据本发明的一些优选实施例，两个声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件3 6相面对的端部通过两个关于支撑元件7对称的连接梁33刚性连接，两个连接梁33与支撑元件7之间分别通过一个扭转梁32连接，两个扭转梁32的延伸方向沿两个声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件3 6的转动轴线方向。具体的，如图5所示，两个声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件3 6均为中间开设有若干阻尼孔35的板块，左右对称设置，在两个板块的中间设有第一锚点31（图中第一锚点31为方形块），第一锚点31的左右两侧不与两侧的两个声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件3 6连接也即设有间距，在第一锚点31的前后两侧分别连接有一个向前后方向延伸的长条状的连接条也即上述的扭转梁32，在两个扭转梁32的外端也即如图5所示的前侧的扭转梁32的前端以及后侧的扭转梁32的后端分别连接有一个连接块也即上述的连接梁33，两个连接梁33的左右两端分别与两个声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件3 6的端部刚性连接，从而构成一个由上电极构成的长板块单元。当有声波传到麦克风时，由于声压差的作用，两个声学敏感元件绕两个扭转梁32和第一锚点31发生上下转动，也就是说，上述的声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件3 6的转轴轴线实际上就是指两个扭转梁32或扭转梁32所在的延伸线也即如图5所示的经过两个扭转梁32和第一锚点31的前后方向延伸的一条直线。需要说明的是，上电极、连接梁33、扭转梁32和第一锚点31是一个等势体。优选地，本发明实施例中，第一锚点31、两个扭转梁32、两个连接梁33和两个声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件3 6为一体结构。

根据本发明的一些实施例，声学敏感结构层3和腔体结构层4还包括设于两个声学敏感元件也即声学敏感元件34和声学敏感元件3 6***和两个下电极41***的第一边框。为了便于描述和区分，如图5和图6所示，将声学敏感元件34和声学敏感元件36***的第一边框描述为第一边框a 37，将两个下电极41***的第一边框描述为第一边框b 47，实际中，第一边框a 37和第一边框b 47实际为一体的边框结构。在第一边框a 37上形成有上电极焊盘22、下电极焊盘（图中标号为21和23）和衬底层焊盘24，在衬底层焊盘24上设有电极引出端25，该电极引出端25是衬底层引线孔中的金属，可以实现将衬底层6的焊盘通过金属引线布放到器件表面。在第一边框b 47上对应上电极焊盘22和下电极焊盘（图中标号为21和23）的位置开设有隔离槽45且对应金属25位置开设有第一引线孔44，在隔离槽45内设有与上电极焊盘22和下电极焊盘（图中标号为21和23）对应的硅焊盘43（具体的，包括上电极焊盘22对应的上电极硅焊盘和下电极焊盘对应的下电极硅焊盘）。如图7所示，氧化层5对应第一引线孔44位置开设有第二引线孔51，第一引线孔44和第二引线孔51均对应衬底层6上的金属引线（未示出）。两个下电极41和第二锚点46均通过硅引线42与对应的隔离槽45内的硅焊盘43连接。具体的，如图5所示，上电极焊盘22的数量为一个，下电极焊盘的数量为两个，两个下电极焊盘（图中标号为21和23）位于上电极焊盘22的左右两侧，且均设置在第一边框a 37上。如图6所示，上电极硅焊盘的数量为一个，下电极硅焊盘的数量为两个，两个下电极硅焊盘位于上电极硅焊盘的左右两侧且均分布在第一边框b 47上。如图6所示，两个下电极41一左一右间隔设置，在两个下电极41之间还设有第二锚点46，第二锚点46和第一锚点31共同构成上述的支撑元件7。两个下电极41通过硅引线42与对应的两个隔离槽45内的下电极硅焊盘连接，第二锚点46通过硅引线42与对应的隔离槽45内的上电极硅焊盘连接。

根据本发明的一些实施例，上盖板1还包括第二边框13，第二边框13的宽度小于第一边框的宽度，使得第一边框a 37上的上电极焊盘22、下电极焊盘（图中标号为21和23）和衬底层焊盘24位于第二边框13的外侧。如图4所示，第二边框13的前侧边落在第一边框的前侧边上且位于上电极焊盘22、下电极焊盘（图中标号为21和23）和衬底层焊盘24的后端。如此设计的目的，在于方便上电极焊盘22、下电极焊盘（图中标号为21和23）和衬底层焊盘24的设置。作为可替换的实施例，第一边框和第二边框13也可以为一体结构，便于加工生产，可以降低加工步骤和加工成本。

根据本发明的一些实施例，透声孔12开设在第二边框13内具体为如图4所示的第二边框13的右端，声障部为形成在第二边框13内对应透声孔12一侧也即如图4所示的透声孔12的左侧的板状的声障板11。

根据本发明的一些优选实施例，每个声学敏感元件的面积大于其对应的下电极41的面积。当麦克风受到X/Y方向的振动干扰时，由于下电极41的面积小于上电极的面积，两个电容器的电容没有变化。可以实现抗振动的目的。

为了验证本发明实施例所提出的麦克风芯片结构的可行性，建立了麦克风器件三维模型。一阶模态分析结果如图8所示，固有频率为2367.4+2260.6i Hz，模态振型为声学敏感结构绕如图所示的前后方向所在的轴线（用Y轴表述）转动，一个电容器的电容增加，一个电容的电容减小，符合探测声波时电容差分的要求。二阶模态分析结果如图9所示，固有频率为10430+10.127i Hz，二阶固有频率是一阶固有频率的4.4倍，可以有效地避免结构的交叉耦合，保证敏感结构较低的离轴灵敏度。

麦克风器件的声学仿真模型如图10所示，麦克风器件的周围是空气。频域分析时，设声波的幅值为1Pa，频率为1000Hz时，声学敏感结构层的位移响应如图11所示（缩放比例为200000），从图11中可以看出，本发明实施例的麦克风器件可以实现声波信号的检测，提取两个电容器的电容变化量并差分得到总的电容变化量为0.0347fF。当麦克风器件受到如图12所示的竖直方向（用Z方向表述）幅值1g、频率为1000Hz的振动干扰时，麦克风频域分析的位移响应如图12所示（缩放比例为300000），提取两个电容器的电容变化量并差分得到总的电容变化量为0.000016fF。当麦克风器件受到如图13所示的左右方向（用X方向表述）幅值1g、频率为1000Hz的振动干扰时，麦克风器件频域分析的位移响应如图13所示（缩放比例为100000），提取两个电容器的电容变化量并差分得到总的电容变化量为0.00037fF。当麦克风受到如图14所示的前后方向（用Y方向表述）幅值1g、频率为1000Hz的振动干扰时，麦克风器件频域分析的位移响应如图14所示（缩放比例为40000000），提取两个电容器的电容变化量并差分得到总的电容变化量为0.0000012fF。综上，本发明实施例提出的麦克风结构受到振动干扰时产生的电容变化量远远小于受到声波信号时电容产生的变化量。因此，可以实现抗振动干扰的目的。

参见图1至图14，本发明实施例还提供了一种麦克风，包括上述实施例的低频抗振动干扰芯片。由于包括上述实施例的芯片，故而至少具备上述实施例的芯片的有益效果，具体不再赘述。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种单支点差分结构抗振动干扰芯片，其特征在于，该芯片由上而下依次包括上盖板、声学敏感结构层、腔体结构层和衬底；其中，

所述声学敏感结构层包括两个对称分布在支撑元件两侧的声学敏感元件，两个所述声学敏感元件均开设有阻尼孔，在所述声学敏感结构层上还设有金属焊盘；

所述腔体结构层包括两个间隔分布的下电极，两个所述下电极与两个所述声学敏感元件一一对应且相对设置以组成两个电容器，两个所述声学敏感元件同时分别作为两个所述电容器的上电极；

所述上盖板对应其中一个所述声学敏感元件的位置镂空以形成透声孔且对应另一个所述声学敏感元件的位置实施为声障部；

所述衬底由上下层叠设置的氧化层和硅层构成。

2.根据权利要求1所述的单支点差分结构抗振动干扰芯片，其特征在于，两个所述声学敏感元件相面对的端部通过两个关于所述支撑元件对称的连接梁刚性连接，两个连接梁与所述支撑元件之间分别通过一个扭转梁连接，两个所述扭转梁的延伸方向沿两个所述声学敏感元件的转动轴线方向。

3.根据权利要求1或2所述的单支点差分结构抗振动干扰芯片，其特征在于，所述声学敏感结构层和所述腔体结构层还包括设于两个所述声学敏感元件***和两个所述下电极***的第一边框；

所述金属焊盘包括设置在所述声学敏感元件***的所述第一边框上的一个上电极焊盘、两个下电极焊盘和一个衬底层焊盘，在所述衬底层焊盘上设有电极引出端；

在所述下电极***的所述第一边框上对应所述上电极焊盘和下电极焊盘的位置开设有隔离槽且对应所述电极引出端位置开设有第一引线孔，在所述隔离槽内设有与所述上电极焊盘和下电极焊盘对应的硅焊盘；

所述氧化层对应所述第一引线孔位置开设有第二引线孔；

两个所述下电极和所述支撑元件均通过硅引线与对应的隔离槽内的硅焊盘连接。

4.根据权利要求3所述的单支点差分结构抗振动干扰芯片，其特征在于，所述上盖板还包括第二边框，所述第二边框的宽度小于所述第一边框的宽度，使得所述声学敏感元件***的所述第一边框上的所述上电极焊盘、下电极焊盘和衬底层焊盘位于所述第二边框的外侧。

5.根据权利要求4所述的单支点差分结构抗振动干扰芯片，其特征在于，所述透声孔开设在所述第二边框内，所述声障部为形成在所述第二边框内对应所述透声孔一侧的板状的声障板。

6.根据权利要求4或5所述的单支点差分结构抗振动干扰芯片，其特征在于，所述第一边框和所述第二边框可为一体边框结构。

7.根据权利要求1所述的单支点差分结构抗振动干扰芯片，其特征在于，每个所述声学敏感元件的面积大于其对应的所述下电极的面积。

8.根据权利要求1所述的单支点差分结构抗振动干扰芯片，其特征在于，所述声学敏感结构层和腔体结构层的电阻率均小于或等于0.01Ω.cm，所述衬底层的电阻率为1~10Ω.cm。

9.根据权利要求1所述的单支点差分结构抗振动干扰芯片，其特征在于，所述氧化层的厚度为2μm。

10.一种麦克风，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的单支点差分结构抗振动干扰芯片。