TWI381750B - 聲音換能器以及使用聲音換能器之麥克風 - Google Patents

Description

聲音換能器以及使用聲音換能器之麥克風

本發明係有關於一種聲音換能器，特別是有關於一種具有聲音換能器的麥克風。

可將聲音能量轉換為電能量的矽電容器也被稱為聲音換能器。一些習知的聲音換能器包括一具有穿孔的背板以及易受聲波影響的一薄膜。舉例說明，在麥克風中，一介電質，例如空氣通常存在於背板與薄膜之間以形成一電容結構。不過，以特定觀點來看，電容的特徵是大幅依賴位於背板以及薄膜之間的空間或是距離。例如，背板以及薄膜必須小心的設置以避免電接觸而導致短路。因此，必須使用額外的絕緣結構來預防短路。一個在聲音換能器中使用多於一個背板的設計，使薄膜在震動的時候，可在每一背板以及薄膜之間偵測出兩個不同的電位。然而，如此額外的絕緣結構或是背板使聲音換能器的製程複雜化，亦提高了製造成本。

一習知麥克風包括至少一換能器以及一殼體包覆該換能器。大體而言，麥克風對於聲波的敏感度是由薄膜的支撐結構、薄膜的力學特性以及殼體的封裝種類而定。舉例來說，在習知麥克風的殼體上表面可形成兩個入口，在圍住其中一入口的部分可包括一阻尼材料以延遲入射的聲波，而因此增加由特定方向傳來的聲波的敏感度。但是， 在這種設計下，以不同材料來製造殼體的過程會相對的複雜化。

在另一個設計中，定向麥克風陣列包括多於兩個全指向麥克風以由各個方向蒐集聲音源的聲波。然而，全指向麥克風的空間特性限制了定向麥克風的微小化。舉例說明，空間特性之一包括全指向麥克風在陣列排列的時候必須間隔2×λ/π，相當於約0.64λ。若入射聲波具有20(KHz)的頻率，陣列中兩個麥克風的空間或距離也許會大於1(cm)，應用於越來越密實的電產品中尺寸也許會過大。另外陣列中的麥克風具有不同的敏感度也會造成換能的不精確。

本發明提供一種聲音換能器包括一基板、一薄膜、複數個支撐件、一第一組突出部以及一第二組突出部。薄膜可相對於基板移動，複數個支撐件可使薄膜懸浮於基板上方，第一組突出部係延伸自薄膜，第二組突出部係延伸自基板。第二組突出部與第一組突出部交錯並可相對於第一組突出部移動，其中第一組突出部以及第二組突出部之一組中的每一突出部包括一第一導電層、一第二導電層以及位於第一導電層以及第二導電層之間之一介電層，且第一組突出部以及第二組突出部之另一組中的每一突出部包括一第三導電層。

本發明提供另一種聲音換能器包括一基板、一薄膜、 複數個支撐件、複數個第一突出部以及複數個第二突出部。薄膜可相對於基板移動，並包括一導電平面。支撐件設置於導電平面上，使薄膜可相對於基板樞轉。第一突出部設置於薄膜之導電平面上，每一第一突出部包括複數個導電層，且導電層之間係由至少一介電層隔開。第二突出部設置於基板上方，第二突出部與第一突出部交錯並可相對於第一突出部移動，每一第二突出部包括複數個導電層，且導電層之間係由至少一介電層隔開。

本發明更提供一種電聲音換能器包括一基板、一薄膜、複數個支撐件、一第一組突出部以及一第二組突出部。薄膜可相對於基板移動。支撐件使薄膜可相對於基板震動，其中至少一個支撐件朝一第一方向延伸。第一組突出部自薄膜朝一第二方向延伸，且第一方向與該第二方向彼此相切。第二組突出部自該薄膜朝第二方向延伸，且第二組突出部與第一組突出部交錯並可相對於該第一組突出部移動。

為使本發明之上述及其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一具體之較佳實施例，並配合所附圖式第做詳細說明。且於文中將以相同的標號標示同樣的部分。

第1圖顯示本發明一實施例中之一聲音換能器1之立體圖。參見第1圖，聲音換能器1包括一基板11以及一薄膜12。在一實施例中，基板11包括一矽基板。基板11以及薄膜12係由微機電系統(MEMS)製程、互補式金氧半導 體(CMOS)製程或是其他合適的製程所形成。

第2A圖與第2B圖分別顯示第1圖中薄膜12之俯視圖以及仰視圖。參見第2A圖，薄膜12包括藉由微機電系統(MEMS)製程、互補式金氧半導體(CMOS)製程或是其他合適的製程所形成之一單層或多層結構。為清楚顯示，顯示於第2A圖中之薄膜12僅顯示具有由薄層堆疊而成的多層結構。參見第2B圖，薄膜12包括複數個肋條123在多層結構的下層上延伸。肋條123可幫助支撐或是加強薄膜12以及/或支撐薄膜12的其他層。

參見第1圖，薄膜12可具有一矩形，但不限於此，並且包括一對支撐件122，用以支撐薄膜12於基板11上方。在一實施例中，該對支撐件122橫向延伸並穿過或是接近薄膜12的重力中心，使薄膜12因此可相對於基板11樞轉。該對支撐件122具有立方形、圓柱形或是其他適合的形狀使薄膜12可樞轉。在另一實施例中基板11可包括用以容納支撐件12之凹槽。

薄膜12更包括複數個縱向延伸的突出部121。再者，基板11上方結構層13包括複數個突出部131與複數個突出部121交錯。突出部131以及121的結構將於後述。

第3A圖與第3B圖顯示薄膜12之突出部121以及第1圖中所顯示結構層13之示意圖。參見第3A圖，突出部131與121中的每一突出部相互交錯。突出部121包括一(上)第一導電層121a、一介電層121c以及一(下)第二導電層121b。突出部131與121中的每一突出部包括金屬、碳、 石墨以及其他導電材料。介電層121c包括氧化物或是其他絕緣材料。

參見第3B圖，在另一實施例中，每一突出部131包括一第一導電層131a、一第二導電層131b以及位於第一導電層131a以及第二導電層131b之問之一介電層131c。並且，每一突出部121以及導電層131a與131b可包括金屬、碳或是石墨層，又或者是以上之結合，但不限於此。並且，介電層131c可包括一氧化層，但不限於此。在本實施例中，第一電容14-1(如虛線所示)可存在於第一導電層131a以及突出部121之間，而第二電容14-2(如虛線所示)可存在於第二導電層131b以及突出部121之間。

第4A圖根據本發明之第1圖中之突出部131與121之操作狀態示意圖。參見第4A圖，每一突出部131可包括複數個導電層，例如M1、M2、M3與M4，以及一導電複合層42。導電層M1、M2、M3與M4與導電複合層42彼此之間由介電層43隔開，並且藉由導電孔41彼此電性連接。每一突出部121可包括由一介電層44隔開之一上導電層以及一下導電層。每一突出部121之上導電層與下導電層可分別與突出部131的M4層以及M1層同時形成，並因此分別標示"M4"與"M1"。在操作時，當聲波入射於薄膜12，使簿膜12朝一"D"方向相對於突出部131位移並旋轉，介於上突出部121之導電層M4以及突出部131之間的電容可相對於突出部121的相對位移而改變。更者，因為薄膜12震動導致的電容改變可藉由支撐件122傳送至基 板11上之一處理電路(未圖示)。

第4A圖根據本發明之第3A圖中之突出部131與121之操作狀態示意圖。參見第4B圖，突出部121以及131之間的相對運動可產生電容的改變。明確的來說，一個突出部121之第一導電層121a以及突出部131之間的相對運動可產生電容C₁ 的改變，而突出部121之第二導電層121b以及突出部131之間的相對運動可產生電容C₂ 的改變。

第5A圖顯示本發明另一實施例中一聲音換能器5之剖面圖。參見第5B圖，聲音換能器5包括一基板51以及一薄膜52。複數個突出部531(其切線位置與第1圖中切線"CC"相似)形成於基板51上。每一突出部531包括一上導電層512、一下導電層511以及位於上導電層512以及下導電層511之間之一介電層513。並且，至少一導電層或是多晶層514形成於基板51以及突出部531之間。薄膜52(其切線位置與第1圖中切線"DD"相似)包括一導電平面523，且在導電平面523之一表面520上之突出部521與支撐件522並不面對基板51。在一實施例中，每一突出部521包括複數個導電層(未標號)，導電層彼此之間藉由一介電層(未標號)隔開。更者，導電平面523可與下導電層511同時製造，並且因此而實質上與下導電層511共面。

第5B圖顯示本發明又一實施例中一聲音換能器5'之剖面圖。參見第5B圖，聲音換能器5'與第5A圖中之聲音換能器5結構類似，除了在基板51上方之一導電層或是多晶層514'可在薄膜52下方延伸。介於導電層514'以及薄 膜52之間的電容C₃ 可隨著薄膜52相對於基板51樞轉而改變。

第6圖顯示本發明又一實施例中一聲音換能器6之剖面圖。參見第6圖，聲音換能器6與第5A圖中之聲音換能器5結構類似，除了薄膜62取代原本的薄膜52。薄膜62包括一導電平面623，且在導電平面623之一表面620上之突出部621以及支撐件622面對基板51。更者，導電平面623可與上導電層512同時製造，並且因此而實質上與上導電層512共面。

第7A圖顯示本發明一實施例中之一麥克風7之立體圖。參見第7A圖，麥克風7包括一聲音換能器71以及一殼體72用以包覆聲音換能器71。聲音換能器71可分別與第1圖、第5A圖、第5B圖以及第6圖中之聲音換能器1、5、5'類似。至少一入口73形成於殼體72的上表面，用以將聲波傳導至麥克風7中。在此實施例中，殼體72的上表面具有兩個入口73，使麥克風7對於由AA'方向以及BB'方向(如圖中箭頭所示)傳來的聲波更加敏感。根據上述，麥克風7可作為一定向麥克風。

第7B圖為本發明中麥克風7接收頻率為8.4KHz之一入射聲波所顯示敏感度之圖表。參見第7A圖與第7B圖，曲線70代表薄膜12對於入射聲波所產生的位移。麥克風7對於一第一角度(約為0至90度)以及第二角度(約為270至360度)具有敏感度。

第8圖顯示本發明另一實施例中之一聲音換能器8之 立體圖。參見第8圖，聲音換能器8包括一基板81以及一薄膜82。基板81包括複數個突出部811。薄膜82包括複數個支撐件822以及複數個突出部821。在此實施例中，薄膜82包括四個支撐件822。其中之一個支撐件822可朝一"EE"方向延伸，並切入突出部811與821之延伸方向，也就是"GG"方向。基板81、薄膜82、突出部811、821以及支撐件822的結構與第1圖中之基板11、薄膜12、突出部131、121以及支撐件122的結構類似。

第9圖顯示本發明另一實施例中之一麥克風9之立體圖。參見第9圖，麥克風9包括一聲音換能器91以及一殼體92，用以包覆聲音換能器91。聲音換能器91可分別與第1圖、第5A圖、第5B圖以及第6圖中之聲音換能器1、5、5'類似。至少一入口93形成於殼體92的上表面，用以將聲波傳導至麥克風9中。在此實施例中，殼體92的上表面具有一個入口93。於上表面約0至360度的方向傳來之一入射聲波可穿過入口93後射入薄膜82。根據上述，麥克風9可作為一全指向麥克風。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，仍可作些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧聲音換能器

11‧‧‧基板

12‧‧‧薄膜

121‧‧‧突出部

121a‧‧‧第一導電層

121b‧‧‧第二導電層

121c‧‧‧介電層

122‧‧‧支撐件

123‧‧‧肋條

13‧‧‧結構層

131‧‧‧突出部

131a‧‧‧第一導電層

131b‧‧‧第二導電層

131c‧‧‧介電層

14-1‧‧‧第一電容

14-2‧‧‧第二電容

41‧‧‧導電孔

42‧‧‧導電複合層

43‧‧‧介電層

44‧‧‧介電層

5‧‧‧聲音換能器

5'‧‧‧聲音換能器

51‧‧‧基板

511‧‧‧下導電層

512‧‧‧上導電層

513‧‧‧介電層

514‧‧‧導電層或多晶層

514'‧‧‧導電層或多晶層

52‧‧‧薄膜

520‧‧‧表面

521‧‧‧突出部

522‧‧‧支撐件

523‧‧‧導電平面

531‧‧‧突出部

6‧‧‧聲音換能器

62‧‧‧薄膜

620‧‧‧表面

621‧‧‧突出部

622‧‧‧支撐件

623‧‧‧導電平面

7‧‧‧麥克風

71‧‧‧聲音換能器

72‧‧‧殼體

73‧‧‧入口

8‧‧‧聲音換能器

81‧‧‧基板

811‧‧‧突出部

82‧‧‧薄膜

821‧‧‧突出部

822‧‧‧支撐件

9‧‧‧麥克風

91‧‧‧聲音換能器

92‧‧‧殼體

93‧‧‧入口

C₁ ‧‧‧電容

C₂ ‧‧‧電容

C₃ ‧‧‧電容

C‧‧‧方向

D‧‧‧方向

M1‧‧‧導電層

M2‧‧‧導電層

M3‧‧‧導電層

M4‧‧‧導電層

第1圖顯示本發明一實施例中之一聲音換能器之立體圖；第2A圖與第2B圖分別顯示本發明中一薄膜之俯視圖以及仰視圖；第3A圖與第3B圖顯示本發明中突出部之示意圖；第4A圖顯示本發明一實施例中突出部之操作狀態示意圖；第4B圖顯示本發明另一實施例中突出部之操作狀態示意圖；第5A圖顯示本發明另一實施例中一聲音換能器之剖面圖；第5B圖顯示本發明又一實施例中一聲音換能器之剖面圖；第6圖顯示本發明又一實施例中一聲音換能器之剖面圖；第7A圖顯示本發明一實施例中之一麥克風之立體圖；第7B圖顯示本發明一實施例中之一麥克風之敏感度之圖表；第8圖顯示本發明另一實施例中之一聲音換能器之立體圖；以及第9圖顯示本發明另一實施例中之一麥克風之立體圖。

121‧‧‧突出部

131‧‧‧突出部

41‧‧‧導電孔

42‧‧‧導電複合層

43‧‧‧介電層

44‧‧‧介電層

D‧‧‧方向

M1‧‧‧導電層

M2‧‧‧導電層

M3‧‧‧導電層

M4‧‧‧導電層

Claims (22)

1. 一種聲音換能器，包括：一基板；一薄膜，可相對於該基板移動；複數個支撐件，使該薄膜懸浮於該基板上方；一第一組突出部，延伸自該薄膜；以及一第二組突出部，延伸自該基板，且該第二組突出部與該第一組突出部交錯並可相對於該第一組突出部移動；其中該第一組突出部以及該第二組突出部之一第一子組中的每一突出部包括一第一導電層、一第二導電層以及位於第一導電層以及第二導電層之間之一介電層，且該第一組突出部以及該第二組突出部之一第二子組中的每一突出部包括一第三導電層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之聲音換能器，其中一第一可變電容定義於該第一導電層以及該第三導電層之間，且一第二可變電容定義於該第二導電層以及該第三導電層之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之聲音換能器，其中該支撐件朝一第一方向延伸，該第一組突出部朝沿一第二方向延伸，且該第一方向與該第二方向呈直角。
4. 如申請專利範圍第1項所述之聲音換能器，其中至少一個該支撐件朝一第一方向延伸，該第一組突出部朝一第二方向延伸，且該第一方向切入該第二方向。
5. 如申請專利範圍第1項所述之聲音換能器，其中該薄 膜包括一導電平面，且該等支撐件與該第一組突出部係設置於該導電平面之一表面，而該表面並不面對該基板。
6. 如申請專利範圍第1項所述之聲音換能器，其中該薄膜包括一導電平面，且該等支撐件與該第一組突出部係設置於該導電平面之一表面，而該表面面對該基板。
7. 如申請專利範圍第5項所述之聲音換能器，更包括一導電層位於該基板以及該第二組突出部之間，其中一可變電容定義於該導電層以及該導電平面之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之聲音換能器，其中該薄膜包括複數個肋條。
9. 如申請專利範圍第1項所述之聲音換能器，更包括一殼體，包覆該基板以及該薄膜。
10. 如申請專利範圍第9項所述之聲音換能器，其中該殼體包括一開口。
11. 一種聲音換能器，包括：一基板；一薄膜，可相對於該基板移動，並包括一導電平面；複數個支撐件，設置於該導電平面上，使該薄膜可相對於該基板樞轉；複數個第一突出部，設置於該薄膜之該導電平面上，每一該等第一突出部包括複數個導電層，且該等導電層之間係由至少一介電層隔開；以及複數個第二突出部，設置於該基板上方，該等第二突出部與該等第一突出部交錯並可相對於該等第一突出部移 動，每一該等第二突出部包括複數個導電層，且該等導電層之間係由至少一介電層隔開。
12. 如申請專利範圍第11項所述之聲音換能器，其中該等第一突出部係設置於該導電平面之一表面，而該表面並不面對該基板。
13. 如申請專利範圍第11項所述之聲音換能器，其中該等第一突出部係設置於該導電平面之一表面，而該表面面對該基板。
14. 如申請專利範圍第12項所述之聲音換能器，更包括一第一導電層位於該基板以及該等第二突出部之間，其中一可變電容定義於該第一導電層以及該導電平面之間。
15. 如申請專利範圍第11項所述之聲音換能器，更包括一殼體，包覆該基板以及該薄膜，且該殼體包括一開口使該薄膜外露於該殼體。
16. 一種聲音換能器，包括：一基板；一薄膜，可相對於該基板移動；複數個支撐件，使該薄膜可相對於該基板震動，其中至少一個該等支撐件朝一第一方向延伸；一第一組突出部，自該薄膜朝一第二方向延伸，且該第一方向與該第二方向彼此相切；以及一第二組突出部，自該薄膜朝該第二方向延伸，且該第二組突出部與該第一組突出部交錯並可相對於該第一組突出部移動。
17. 如申請專利範圍第16項所述之聲音換能器，其中該第一組突出部中的每一突出部包括一第一導電層、一第二導電層以及位於第一導電層以及第二導電層之間之一介電層，且該第二組突出部中的每一突出部包括一第三導電層。
18. 如申請專利範圍第16項所述之聲音換能器，其中該第二組突出部中的每一突出部包括一第一導電層、一第二導電層以及位於第一導電層以及第二導電層之間之一介電層，且該第一組突出部中的每一突出部包括一第三導電層。
19. 如申請專利範圍第16項所述之聲音換能器，其中該薄膜包括一導電平面，且該第一組突出部與該等支撐件係設置於該導電平面之一表面，而該表面並不面對該基板。
20. 如申請專利範圍第16項所述之聲音換能器，其中該薄膜包括一導電平面，且該第一組突出部與該等支撐件係設置於該導電平面之一表面，而該表面面對該基板。
21. 一種使用聲能轉換器之麥克風，包括：一殼體，具有一上表面以及二入口，該等入口形成於該上表面之上；一聲能轉換器，設於該殼體之中；以及一薄膜，設於該殼體之中，其中，至少一入射聲波經過該等入口而接觸該薄膜，該麥克風對於一第一入射角度以及一第二入射角度的該入射聲波較為靈敏，該第一角度介於0至90度，該第二角度介於270至360度，其中，該聲能轉換器可以為上述申請專利範圍第1、11或16項所述之聲能轉換器。
22. 一種使用聲能轉換器之麥克風，包括：一殼體，具有一上表面以及一入口，該入口形成於該上表面之上；一聲能轉換器，設於該殼體之中；以及一薄膜，設於該殼體之中，其中，至少一入射聲波經過該入口而接觸該薄膜，該麥克風可接收入射角度為0至360度的該入射聲波，其中，該聲能轉換器可以為上述申請專利範圍第1、11或16項所述之聲能轉換器。