絲帶式麥克風的聲電轉換晶片的製作方法

2023-10-09 04:17:44 7

專利名稱：絲帶式麥克風的聲電轉換晶片的製作方法
技術領域：
本發明涉 及一種晶片，特別是涉及一種用於封裝麥克風的絲帶式麥克風的振膜芯 片。
背景技術：
由「聲」「電」轉換的方式區分，麥克風分為電容式、壓電式，及絲帶式(Ribbon MIC, 也稱為動圈式)三大類。電容式麥克風的特徵是可被聲能作用的振膜是一電容，當聲能作用在此振膜上時 會使振膜產生振動(形變)，而使原本設計的電容發生變化，從而可將電容改變轉換產生微 小的電位差，再經過放大後送出可供後續應用的電子信號；壓電式麥克風的特徵是可被聲 能作用的振膜是由例如石英等的壓電材料所構成的，當聲能作用在振膜上時會因為壓電材 料的本身特性產生電流變化，從而轉換可供後續應用的電子信號。如圖1、圖2所示，絲帶式麥克風1包含一個供聲能穿透的殼座11、一組設置於 該殼座11中並形成一個沿第一方向100磁場的磁力裝置12、一片可以感應聲能並產生對 應形變的振膜13 (Diaphragm)，及一可導電且對應於該磁場地設置在該振膜13上的音圈 14 (Voice Coil)，其特徵是當聲能作用在振膜13上會使振膜13產生振動(形變)，從而帶 動音圈14相對磁場位移，進而以音圈14切割磁力線產生感應電流，送出可供後續應用的電 子信號。由于振膜13帶動音圈14位移時切割磁力線的數目愈多，產生的感應電流也會愈 大，麥克風的感度也會越好，所以振膜13、音圈14常會設計呈皺摺絲帶形式，進而得到更佳 的感度。以往絲帶式麥克風1的製作，卻會衍生下述缺失一、振膜與音圈體積尺寸與重量較大，會產生明顯信號衰減由於絲帶式麥克風1進行聲電轉換的主要機制是靠著振膜13感應聲能的變化而 帶動音圈14，此一動作模式類似於卡車帶動貨櫃移動的過程，貨櫃愈重，卡車愈難帶動貨櫃 移動，而當兩者都開始動作後，卡車也愈不易在短時間、短距離完全煞車停止。所以，對絲帶式麥克風1而言，愈輕巧纖細的振膜13與音圈14越容易感受到愈微 弱的聲能變化，也愈容易在極短的時間裡完全靜止、再次動作，也就是感度愈高、頻率響應 特性愈好。但是，受限於目前絲帶式麥克風1的製作，特別是振膜13與音圈14的部分，絕大 多數是以機械加工方式成型製作的，而因為機械加工有其尺寸極限，所以製作出的振膜13 與音圈14仍嫌過重、過大，封裝成的絲帶式麥克風1也會因為振膜與音圈體積尺寸與重量 較大，而在高、低頻時會產生明顯信號衰減的缺點。二、音圈長度減少、降低絲帶式麥克風的感度為解決上述問題，發明人曾以中國臺灣公告第096116115號專利申請案「動圈式 麥克風晶片的製造方法」與第96116113號專利申請案「麥克風晶片及動圈式麥克風」提出 利用半導體製程與微機電技術製作出適用於封裝成動圈式麥克風的動圈式麥克風晶片，從而大幅微型化振膜13與音圈14的體積尺寸與重量，有效地大幅降低動圈式麥克風的體積 與重量，滿足應用動圈式(絲帶式)麥克風的電氣產品往輕、薄、短、小發展的潮流趨勢。但是，發明人發現對絲帶式麥克風而言，除了振膜13與音圈14的體積與重量會影 響到感度之外，對應在磁場中位移的音圈14總長度也是一個重要的參數。雖然利用半導體製程與微機電技術可以製作出微型的絲帶式麥克風晶片，但是微 型化的結果卻會讓動圈式麥克風晶片的音圈14長度減少、降低封裝製得的絲帶式麥克風 的感度。所以目前絲帶式麥克風晶片仍有改進的空間需要發明人的持續研究改進，以提升 封裝製得的絲帶式麥克風的感度與頻率響應特性。

發明內容
本發明的目的，是在提供一種音圈質量固定時總長度增加而具有高感度的絲帶式 麥克風的聲電轉換晶片。本發明的絲帶式麥克風的聲電轉換晶片，該絲帶式麥克風包含一可供聲能穿透的 殼座，及一組設置於該殼座中並形成一沿第一方向之磁場的磁力裝置，該聲電轉換晶片封 裝在該殼座中，並包含一支撐框及一響應單元。該支撐框與該磁力裝置共同界定出一個具有一開口的振動空間。該響應單元形成在該支撐框上，具有一以絕緣材料形成並連結在該支撐框頂面的 振膜，及一以導體材料形成在該振膜上成薄層形式的音圈膜，該振膜包括一對應該開口的 振動區域，及一由該振動區域周緣向外延伸並與該框架單元頂面連接的固定區域。該音圈膜包括兩由內向外概呈矩形同向卷繞且終點端彼此連接的音圈，每一音圈 具有多個概與該第一方向平行的連接段、多個概與該第一方向垂直且端點與該連接段端點 連接的第一垂直段，及多個概與該第一方向垂直且端點與該連接段端點連接的第二垂直 段，該等第一垂直段彼此間隔地位在該振動區域上，該等第二垂直段彼此間隔地位在該固 定區域上。當該振膜的振動區域受穿透該殼座的聲能作用而產生對應形變時，同步帶動該音 圈膜兩音圈的第一垂直段在該磁場中位移產生感應電動勢。本發明的有益效果在於提供一種具有兩音圈的音圈膜的聲電轉換晶片，借著音 圈膜的型態設計而大幅提升音圈的總長度，進而提高聲電轉換晶片的感度，而使得封裝制 得的絲帶式麥克風具有更佳的頻率響應特性。


圖1是一俯視示意圖，說明一個現有的絲帶式麥克風；圖2是一剖視示意圖，輔助說明圖1現有的絲帶式麥克風；圖3是一俯視示意圖，說明本發明絲帶式麥克風的聲電轉換晶片的一優選實施 例；圖4是一剖視示意圖，輔助說明圖3本發明絲帶式麥克風的聲電轉換晶片的優選 實施例；及圖5是一局部剖視圖，說明本發明絲帶式麥克風的聲電轉換晶片的振膜、音圈膜的另一種截面形式。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明如圖2、圖3所示，本發明一種絲帶式麥克風2的聲電轉換晶片5的一優選實施例， 適用與一組形成一個沿第一方向100磁場的磁力裝置4共同封裝在一個可供聲能穿透的殼 座3內，而成一個絲帶式麥克風2。該殼座3具有一底壁31、一由該底壁31周緣向上延伸的周壁32，及一與該周壁32 頂緣連結的頂壁33，該底壁31、周壁32，與頂壁33共同界定出一個供該磁力裝置4、聲電轉 換晶片5容置的封裝空間34，且該頂壁33並包括一可供聲能穿透的結構層331。該組磁力裝置4具有一塊設置在該殼座3底壁31上的磁鐵塊41，及兩個成翻轉 90°的「U」字型且呈鏡像相對的設置的導磁軛塊42，該兩個導磁軛塊42底部分別與該磁鐵 塊41的兩磁極相連接且彼此相間隔地對應設置，而將該磁鐵塊41的磁力線導引成一個位 於兩導磁軛塊42頂部並沿第一方向100的水平方向磁場。該聲電轉換晶片5是應用半導體製程與微機電技術製成，包含一層支撐框6，與一 層定義形成在該支撐框6上的響應單元7。該支撐框6由一塊基材經過半導體製程定義形成，具有相間隔的一塊第一基塊61 與一塊第二基塊62，且該第一、二基塊61、62分別設置在該磁鐵塊41上時高度實質到達該 兩導磁軛塊42頂部，與該磁鐵塊41、導磁軛塊42共同形成一個具有一開口 63的振動空間 64。該層響應單元7應用微機電技術經過半導體製程形成極薄的平板形式，連接在該 支撐框6上並與該殼座3頂壁33的內面相間隔地位於該磁場中，具有一層以絕緣材料形成 的振膜71，及一層以導體材料形成在該振膜71上的音圈膜8。該層振膜71並包括一封閉該振動空間64開口 63的振動區域711，及一由該振動 區域711周緣向外延伸並與該支撐框6頂面連接的固定區域712。該音圈膜8包括兩由內向外概呈矩形同向卷繞的音圈81，每一音圈81的起始端 815用於對外電連接以輸出電信號，終點端811彼此連接，且每一音圈81具有多個概與該第 一方向平行的連接段812、多個概與該第一方向垂直且端點與該連接段812端點連接的第 一垂直段813，及多個概與該第一方向垂直且端點與該連接段812端點連接的第二垂直段 814，該等第一垂直段813彼此間隔地位在該振動區域711上，該等第二垂直段814彼此間 隔地位在該固定區域712上，當該振膜71的振動區域711受穿透該殼座3的聲能作用而產 生對應形變時，同步帶動該音圈膜8兩音圈81的第一垂直段813在該磁場中位移而切割磁 力線，進而產生可向外輸出的感應電動勢。當外界的聲能穿透該殼座3而作用至該響應單元7時，該振膜71的振動區域711 被穿透該殼座3的聲能作用而在振動空間64與跟殼座3頂壁33間的間隙產生對應形變 (振動)，並同步帶動該音圈膜8在該磁場中位移，音圈膜8位移時兩音圈81的第一垂直段 813切割磁力線產生感應電動勢，進而產生感應電流而輸出對應於作用之聲能的電子信號。較佳地，該振膜71的厚 度可在1 10 μ m(本例是2 μ m)，並以例如氮化矽、聚醯亞 氨(Polyimide)、聚對二甲苯為材料沉積形成(本例是聚醯亞氨)；該音圈膜8的厚度也在數P m(本例是1 y m)，並以例如鋁、銅、鉻/金等導體材料以電鍍、濺鍍、蒸鍍等方式形成。如圖5所示，此外，當然，振膜71截面形式並非限定如圖3所示的平板形式，為更 有效提升頻率響應特性，振膜71』之振動區域711』的截面亦可呈連續的彎折形式_此部份 在技術上僅需先在基材上定義出對應彎折起伏的對應圖像，即可對應制得此等形式的振膜 71』，繼而在後續形成音圈膜8』時，也同樣地會依照振膜71』的截面形式而成截面連續的彎 折形式。其它，例如支撐框6，也可以視實際的需要，而成例如圓環形式、多個間隔之基塊形 式等等；由於此等變化組合種類眾多，且對半導體製程與微機電技術而言並不特殊，故在此 不再一一舉例詳述。與發明人提出的中國臺灣公告第96116113號專利申請案「麥克風晶片及動圈式 麥克風」的包括有振膜與音圈的動圈式麥克風晶片相比較，在同樣的支撐框結構、相同的振 膜尺寸與音圈膜總質量相同的比較前提下，本發明的聲電轉換晶片5的音圈膜8的可振動 面積約佔振膜71面積的1/2，而原先的動圈式麥克風晶片的音圈膜的可振動面積約佔振膜 面積的1/3，實質參與切割磁力線的音圈81總長度則約增加50%，大幅增加晶片的感度，從 而有效地提升絲帶式麥克風5的總頻率響應特性。由以上說明可知，本發明提出具有兩由內向外並同向卷繞且終點端811彼此連接 的音圈81的絲帶式麥克風晶片，該項設計具有下述功效一、振膜與音圈體積尺寸與重量小本發明應用半導體製程與微機電技術微型化用於封裝製作絲帶式麥克風2的芯 片，縮減振膜71、音圈81的體積、厚度、質量的同時，仍能大幅增加有效產生感應電動勢的 音圈81總長度，從而提升晶片的感度。二、音圈長度長、麥克風感度佳本發明依據絲帶式麥克風的聲電轉換原理，借著音圈膜8兩由內向外並同向卷繞 且終點端811彼此連接的音圈81，大幅增加在收到聲能作用時可以有效切割磁力線、產生 感應電動勢的音圈81長度，提升聲電轉換晶片5的感度。
權利要求
一種絲帶式麥克風的聲電轉換晶片，所述絲帶式麥克風包含一可供聲能穿透的殼座，及一組設置於所述殼座中並形成一沿第一方向的磁場的磁力裝置，所述聲電轉換晶片封裝在所述殼座中；其特徵在於所述聲電轉換晶片包含一支撐框及一響應單元，其中，所述支撐框與所述磁力裝置共同界定出一個具有一開口的振動空間，所述響應單元形成在所述支撐框上，具有一以絕緣材料形成並連結在所述支撐框頂面的振膜，及一以導體材料形成在所述振膜上成薄層形式的音圈膜，所述振膜包括一對應所述開口的振動區域，及一由所述振動區域周緣向外延伸並與所述支撐框頂面連接的固定區域，所述音圈膜包括兩由內向外概呈矩形同向卷繞且終點端彼此連接的音圈，每一音圈具有多個概與所述第一方向平行的連接段、多個概與所述第一方向垂直且端點與所述連接段端點連接的第一垂直段，及多個概與所述第一方向垂直且端點與所述連接段端點連接的第二垂直段，所述等第一垂直段彼此間隔地位在所述振動區域上，所述等第二垂直段彼此間隔地位在所述固定區域上，當所述振膜的振動區域受穿透所述殼座的聲能作用而產生對應形變時，同步帶動所述音圈膜兩音圈的第一垂直段在所述磁場中位移產生可向外輸出的感應電動勢。
2.根據權利要求1所述的絲帶式麥克風的聲電轉換晶片，其特徵在於所述支撐框是以半導體製程將一塊基材定義形成，並具有相間隔的一第一基塊與一第 二基塊，且所述磁力裝置具有一個磁鐵，及兩個相間隔並分別與所述磁鐵的兩磁極連接而 形成所述磁場的導磁軛塊，所述第一、二基塊分別貼靠近所述兩導磁軛塊相向的內側面地 設置在所述磁鐵上，且所述第一、二基塊的頂面實質與所述兩導磁軛塊的頂端成水平。
3.根據權利要求2所述的絲帶式麥克風的聲電轉換晶片，其特徵在於所述振膜的厚度是1 10ym，且選自於氮化矽、聚醯亞氨，或聚對二甲苯為材料構成。
4.根據權利要求2所述的絲帶式麥克風的聲電轉換晶片，其特徵在於所述振膜的振動區域截面成連續彎折形式。
5.根據權利要求2所述的絲帶式麥克風的聲電轉換晶片，其特徵在於所述振膜的振動區域的截面成平板形式。
全文摘要
本發明提供絲帶式麥克風的聲電轉換晶片，以半導體製程與微機電技術製成並包含一層支撐框、一層形成在支撐框上用以將聲能轉換成可輸出應用的感應電動勢的響應單元，響應單元具有一層絕緣的振膜及形成在振膜上且可導電的音圈膜，特別的是，振膜包括可受聲能作用而形變的振動區域，與連結在支撐框的固定區域，音圈膜包括兩由內向外概呈矩形同向卷繞的音圈，且每一音圈包括多個垂直於磁場方向並位于振動區域而可位移產生感應電動勢的第一垂直段，借著這樣的設計可以增加音圈膜的感度，有效提升絲帶式麥克風的頻率響應特性。
文檔編號H04R9/02GK101860781SQ20091013038
公開日2010年10月13日 申請日期2009年4月7日 優先權日2009年4月7日
發明者張昭智, 柯銘禮, 洪瑞華, 蔡燿丞, 陳冠位 申請人:國立中興大學