微机电传感器和电子设备的制作方法
本实用新型涉及传感器领域，尤其涉及一种微机电传感器和应用该微机电传感器的电子设备。
背景技术：
随着半导体制造技术的日益成熟，在此基础上所发展起来的mems微机电系统以其体积小，功耗低，性能稳定的优点也逐渐成为现今高新技术发展的主流之一。完整的微机电系统的主要包含其中的微传感器，微动作器及微能源。
现有的微机电传感器多采用在pcb板上固定mems传感器芯片和asic放大器芯片，并将芯片之间和pcb板导通，此外在pcb板上焊接用以电磁屏蔽的金属外壳形成一个完整的声电换能传感器。提高该传感器的信噪比和灵敏度以达到客户体验和使用要求是目前市场竞争的主要目的，而通过提高mems传感器芯片和asic放大器芯片的性能指标无疑会投入大量的研发成本，因此如何通过优化传感器结构以提高信噪比和灵敏度即是现下市场竞争的主要手段。
由于微机电传感器的尺寸狭小且有限，限定了mems传感器芯片背腔尺寸，而使得相应的背腔空气容积小，振膜振动空间狭小，影响微机电传感器的灵敏度和信噪比。
技术实现要素：
本实用新型的主要目的是提供一种优化的微机电传感器结构，旨在通过增大mems传感器芯片背腔容积的方式提高微机电传感器的灵敏度和信噪比。
为实现上述目的，本实用新型提出的一种微机电传感器，包括基板、mems传感器芯片和金属外壳，所述基板和所述金属外壳连接形成内腔，mems传感器芯片收容于所述内腔，所述mems传感器芯片包含振膜和固定架，所述振膜、所述固定架围合形成传感器背腔，所述基板设有下凹的避空位，所述振膜投影于所述基板上的投影轮廓与至少部分所述避空位重合，所述避空位与所述背腔连通，以扩大微机电传感器背腔空气容积，从而增大所述mems传感器芯片上振膜的振动空间，减少空气阻力。
可选地，所述避空位具有面向所述内腔的开口，所述开口正对于所述背腔。
可选地，所述避空位为避空孔或避空槽，所述避空孔或所述避空槽与所述背腔形成封闭的振动空间。
可选地，所述避空位的深度h的取值范围为：0.1mm≤h≤3mm。
可选地，所述避空孔或所述避空槽内壁设有光滑层，以使所述避空孔或所述避空槽内壁光滑；
和/或，定义所述避空孔或所述避空槽具有深度方向，所述避空孔或所述避空槽具有垂直所述深度方向的截面，所述截面的截面轮廓为圆形、椭圆形、或多边形。
可选地，所述mems传感器芯片粘接于所述基板，并与所述基板电性连接。
可选地，所述微机电传感器还包括asic放大器芯片，所述asic放大器芯片固定在所述基板上，收容于所述内腔，并分别与所述基板和所述mems传感器芯片电性连接。
可选地，所述基板环绕所述内腔设有焊盘，所述金属外壳焊接在所述焊盘上。
可选地，所述金属外壳上设有声孔，所述声孔与所述内腔连通。
本实用新型还提出一种电子设备，包括微机电传感器，该微机电传感器包括基板、mems传感器芯片和金属外壳，所述基板和所述金属外壳连接形成内腔，所述mems传感器芯片收容于所述内腔，所述mems传感器芯片包含振膜和固定架，所述振膜、所述固定架围合形成微机电传感器背腔，所述基板设有下凹的避空位，所述振膜投影于所述基板上的投影轮廓与至少部分所述避空位重合，所述避空位与所述背腔连通，以扩大微机电传感器背腔空气容积，并增大所述mems传感器芯片上振膜的振动空间。
本实用新型技术方案通过设置基板和金属外壳，并将基板和金属外壳连接形成内腔，进一步在内腔中设置mems传感器芯片，该mems传感器芯片包含提供振动信息的振膜和支撑振膜的固定架，振膜和固定架共同围合形成微机电传感器背腔，进而在基板上增加与微机电传感器背腔连通的下凹的避空位，以此增大微机电传感器背腔容积，使得mems传感器芯片能响应较低的声音频率，扩大微机电传感器能响应和转换的声音频率范围，提高微机电传感器的灵敏度，另外增大mems传感器芯片背腔振膜的振动空间，扩大微机电传感器背腔空气容积，使得振膜在振动时所受的空气阻力减小，进而使得声波更容易推动振膜运动，提高微机电传感器的信噪比。如此，本实用新型技术方案在不改变芯片性能的情况下，提高了微机电传感器的灵敏度和信噪比，较好地满足的用户的体验和使用要求，同时也避免了研发升级芯片而投入大量资金成本。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为本实用新型的微机电传感器一实施例的结构俯视图；
图2为本实用新型的微机电传感器一实施例的结构左视图；
图3为本实用新型的微机电传感器一实施例的结构仰视图；
图4为本实用新型的微机电传感器一实施例的结构爆炸图。
附图标号说明：
本实用新型目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
请参照图1至图3，本实用新型提出一种微机电传感器100，在本实用新型的一些实施例中，该微机电传感器100包括基板30、mems传感器芯片20和金属外壳10，所述基板30和所述金属外壳10连接形成内腔，所述mems传感器芯片20收容于所述内腔，所述mems传感器芯片20包含振膜21和固定架22，所述振膜21、所述固定架22围合形成微机电传感器100的背腔，所述基板30设有下凹的避空位31，所述振膜21投影于所述基板30上的投影轮廓与至少部分所述避空位31重合，所述避空位31与所述背腔连通，以扩大微机电传感器100背腔空气容积，并增大所述mems传感器芯片20上振膜21的振动空间。
本实施例技术方案中的基板30，多为印刷线路板(printedcircuitboard，即pcb板)，是电子元器件的支撑体，也是电子元器件电气连接的载体，在本实用新型技术方案中，基板30一方面作为mems传感器芯片20，asic放大器芯片40和金属外壳10的载体，另一方面基板30背离金属外壳10一侧设置有金属触点33，使其同时作为微机电传感器100与外部电路电性连接的桥梁，进而使微机电传感器100能够适用于smt贴装。因此基板30需对mems传感器芯片20，asic放大器芯片40提供稳固的支撑结构。
在本实施例中，金属外壳10呈中空长方体，与基板30连接共同围合形成内腔，金属外壳10材质上采用能冲压成型的刚度适中的金属，且具有一定的屏蔽电磁干扰的能力，可采用不锈钢，铜，铜合金，铝，铝合金或其他具有前述性质的金属及合金材料，以确保mems传感器芯片20和asic放大器芯片40在所述内腔中得到较好的电磁屏蔽，使微机电传感器100不受外界电磁干扰，刚度较强的金属外壳10也能对微机电传感器100起支撑保护作用，使其敏感性不会受温度、振动、湿度和时间的影响，而且耐热性强，使微机电传感器100在用于smt贴片时可承受260℃的高温回流焊，而性能不会有任何变化。
进一步地，前述mems传感器芯片20和asic放大器芯片40是微机电传感器100实现声电转换的主要功能部件，mems传感器芯片20和asic放大器芯片40以及基板之间分别用导线进行电性连接，mems传感器芯片20拾取外部声源，并进行声电转换，输出电信号，asic放大器芯片40对转换后的电信号进行偏置放大，以此实现微机电传感器100的声电转换功能。
具体地，mems传感器芯片20由振膜21和固定架22组成，振膜21拾取声波并转换为振动信息，固定架22对振膜21起支撑固定作用，mems传感器芯片20固定在基板30上，收容于内腔，振膜21和金属外壳10之间的空间称之为前腔(前室)，振膜21与固定架22围合的空间称之为背腔(后室)，即振膜21将前述内腔隔开形成两个单独又协同作用的腔室，微机电传感器100的前腔和背腔内的空气共同作用推动振膜21运动，振膜21因拾取的声波频率不同而产生不同的振动幅度，影响其微电容的电容值，进而输出不同的电信号。本实验新型技术方案旨在提高微机电传感器100的灵敏度和信噪比，大多数微机电传感器100的灵敏度与微机电传感器100能响应转换的声音频率成正比，而微机电传感器100的高频频响是由前腔与声孔间产生的helmholtz谐振决定的，微机电传感器100的低频频响与微机电传感器100的背腔容积相关，微机电传感器100的背腔容积越大，能响应的声音频率越低。
在本实用新型的一些实施例中，基板30面向所述内腔的一侧上设有避空位31，mems传感器芯片20固定在基板30上且完全覆盖在避空位31上，前述振膜21投影在基板上的投影轮廓至少部分与所述避空位31重合，从而使微机电传感器100的背腔与避空位31连通，形成封闭的扩展腔，以增大背腔容积，使得微机电传感器100能响应更低的声音频率，在不改变高频响应的范围条件下，响应更低的声音频率即能响应和转换更大范围的声音频率，进而提高微机电传感器100的灵敏度，而微机电传感器100的背腔容积扩大，使得振膜21运动空间增大，空气容积增大使得振膜21在振动时所受的空气阻力减小，声波更容易推动振膜21运动，从而提高微机电传感器100的信噪比，优选将所述避空位31的开口正对于所述背腔，以获得最大的扩展腔。此方案可在不改变芯片性能前提下，提高微机电传感器100的灵敏度和信噪比。
本实用新型技术方案通过设置基板30和金属外壳10，并将基板30和金属外壳10连接形成内腔，进一步在内腔中设置mems传感器芯片20，该mems传感器芯片20包含提供振动信息的振膜21和支撑振膜21的固定架22，振膜21和固定架22共同围合形成微机电传感器100背腔，进而在基板30上增加与微机电传感器100的背腔连通的下凹的避空位31，以此增大微机电传感器100的背腔容积，使得mems传感器芯片20能响应较低的声音频率，扩大微机电传感器100能响应和转换的声音频率范围，提高微机电传感器100的灵敏度，另外增大mems传感器芯片20上振膜21的振动空间，扩大微机电传感器100背腔空气容积，使得振膜21在振动时所受的空气阻力减小，进而使得声波更容易推动振膜21运动，提高微机电传感器100的信噪比。如此，本实用新型技术方案在不改变芯片性能的情况下，提高了微机电传感器100的灵敏度和信噪比，较好地满足的用户的体验和使用要求，同时也避免了研发升级芯片而投入大量资金成本。
请参照图4，在本实用新型的一些实施例中，避空位31为盲孔，且盲孔正对于微机电传感器100背腔，盲孔尺寸根据微机电传感器100的背腔尺寸设置，即若微机电传感器100的背腔在基板30上的投影为直径为0.1mm的圆形，图示盲孔开口形状可为直径为0.1mm的圆形，深度尺寸h可为0.1mm，仅需将盲孔完全覆盖在mems传感器芯片20范围，与微机电传感器100的背腔连通，且不挖穿基板30，以形成封闭的腔体，需要说明的是，避空位31的深度h的尺寸需要根据基板厚度和微机电传感器100的背腔尺寸设计，以不挖穿基板30且保留足够的支撑结构为准，根据gb/t4722-217，基板30常规板厚为0.5mm,0.7mm,0.8mm,1.0mm,1.2mm,1.5mm,1.6mm,2.0mm,2.4mm,3.2mm和6.4mm，而微机电传感器100体积小且要适用于smt贴装，常规不会应用到厚度为6.4mm的基板。若避空位31深度小于0.1mm，无法达到有效地扩展微机电传感器100的背腔的作用，对微机电传感器100的灵敏度和信噪比提升效果不显著，若超过3mm，避空位31位置无法提供稳固的支撑结构，在前期生产或后期smt贴装时可能导致避空位31破损，而根据实际使用的基板30厚度不同及mems传感器芯片20尺寸不同，可将避空位31深度h取值为0.2mm,0.5mm,0.8mm,1.0mm,1.2mm,1.4mm,1.8mm,2mm,2.2mm,2.6mm,2.8mm等，均可保证基板30在保留足够的支撑架构时，使微机电传感器100背腔容积获得有效扩展，有效地提高微机电传感器100的灵敏度和信噪比，因此本实施例中避空位31深度h优选的取值范围为0.1mm≤h≤3mm，结构合理，便于制作。
需要说明的是，避空位31的形状并不受图示实施例限制，可为避空孔或者避空槽，任何形状尺寸，能被实际运用的mems传感器芯片20覆盖，不挖穿基板30，使之与微机电传感器100的背腔连通形成封闭的腔体，即能达到与本实用新型的技术方案同样的扩大微机电传感器100背腔容积的效果，即在本实用新型专利保护范围内。
进一步地，在本实用新型的一些实施例中，基板30上所开设的避空位31，内壁设有光滑的表层；和/或，定义所述避空孔或所述避空槽具有深度方向，所述避空孔或所述避空槽具有垂直所述深度方向的截面，所述截面的截面轮廓为圆形、椭圆形、或多边形。该光滑表层可避免避空位31中存在无法清理的杂质或灰尘，从而避免在微机电传感器100工作状态由于振膜21振动，微机电传感器100背腔内空气流动使得杂质灰尘附着在振膜21上，影响振膜21振动，降低声学性能。本实用新型所述光滑的表层，可通过避空位31表面镀金属的方式，如镀铜，喷锡，镀镍等或使用任何能使避空位31内壁光滑的方法和材料，如热风整平，有机涂覆等方式。而将避空位31的横截面设置为圆形，椭圆形，多边形(包括正方形，矩形或梯形)，一方面提高与背腔的结构形态适配性，另一方面方便生产加工。以及在对避空位31进行表层光滑处理时，便于各种表面处理工艺的实施，当然，所述横截面的形状并不局限于前述形状，只要便于避空位31扩大背腔容积，便于振膜21振动，并便于设计生产，降低生产成本即可。
在本实用新型的一些实施例中，优选使用粘接剂将mems传感器芯片20固定在基板30上，所述粘接剂可包括导电胶或锡膏等材料，优选粘接剂旨在达到可拆卸封装的目的，以便修复或更换芯片，也可以使用焊接等方式将芯片固定在基板上，但要使得mems传感器芯片20完全封闭所述避空位31，使扩展腔密封。
mems传感器芯片20还需使用导线与基板30电性连接，以便电信号的传送，构成稳定的回路，本实施例中，导线材质上选用具有电性导通效应的材料，优选金线可达到较高的传导效率，但可以使用铜线，镀金合金线等具有电性导通效应的金属材料，也可选用碳纤维或导电橡胶等非金属材料或复合材料。
在本实用新型的一些实施例中，还包括asic放大器芯片40的封装形式，优选使用粘接剂将asic放大器芯片40固定在基板30上，所述粘接剂可包括导电胶或锡膏等材料，优选粘接剂旨在达到可拆卸封装的目的，以便修复或更换芯片，但也可以使用焊接等方式将芯片固定在基板30上。另外还需将asic放大器芯片40使用导线分别与mems传感器芯片20和基板30基板电性连接，以便电信号的传送，构成稳定的回路，导线材质上选用具有电性导通效应的材料，优选金线可达到较高的传导效率，但也可使用铜线，镀金合金线等具有电性导通效应的金属材料，也可选用碳纤维或导电橡胶等非金属材料或复合材料。
如图4所示，在本实用新型的一些实施例中，金属外壳10包括金属外壳主体，以及开设在金属外壳10上的声孔11，金属外壳10对mems传感器芯片20和asic放大器芯片40罩闭封装，可对微机电传感器100结构起支撑保护和电磁屏蔽的作用，声孔11与内腔连通，对应微机电传感器100的前腔设置，声音通过声孔11传入内腔，可以增大声音传递效率，使得mems传感器芯片20更好地拾取外部声源。
进一步地，在本实用新型的一些实施例中，基板30上还包括环绕所述内腔的一圈焊盘32，焊盘32大小与金属外壳10四周边缘大小相匹配，金属外壳10通过焊接固定在基板30上，所述实施例的金属外壳10固定方式并不限定，在实际操作中，也可采用锡膏或密封胶粘接等方式固定金属外壳10，只需将金属外壳10四周边缘与基板30密封固定即可。
在本实用新型的一些实施例中，还提出一种电子设备，包括外部电路以及微机电传感器100，该微机电传感器100包括基板30、mems传感器芯片20和金属外壳10，所述基板30和所述金属外壳10连接形成内腔，所述mems传感器芯片20收容于所述内腔，所述mems传感器芯片20包含提供振动信息的振膜21和固定振膜21的固定架22，所述振膜21、所述固定架22围合形成微机电传感器100的背腔，所述基板30设有下凹的避空位31，所述振膜21投影于所述基板30上的投影轮廓至少部分与所述避空位31重合，使所述避空位31与所述背腔连通，以扩大微机电传感器100的背腔空气容积，并增大所述mems传感器芯片20上振膜21的振动空间。
可以理解的是，在本实施例中，该微机电传感器100适用于smt封装，在基板30背面设置有金属触点33，通过金属触点33与外部电路电性连接，但采用金属触点33封装仅是本实施例所举smt贴装的一种形式，还可通过在微机电传感器100的基板30底部设置焊球或基板30四周设置引脚的形式使微机电传感器100与外部电路电性连接。
由于本电子设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
总之，本实用新型通过设置基板30和金属外壳10，使基板30和金属外壳10连接形成微机电传感器100内腔，进一步在内腔中设置mems传感器芯片20，并在基板30上设置避空位31，将避空位31和微机电传感器100背腔连通以增大微机电传感器100的背腔容积，能够在不改变即有的mems传感器芯片20和asic放大器芯片40参数的前提下，提高微机电传感器100的灵敏度和信噪比，降低了产品的研发成本又提高了产品的性能。在本实施例中，相对于传统技术中使用未设置避空位31的微机电传感器100的传统产品，测试得到新产品的灵敏度和信噪比数值比传统产品的灵敏度和信噪比数值要高2-3db，提升较大。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。
技术特征：
1.一种微机电传感器，包括基板、mems传感器芯片和金属外壳，所述基板和所述金属外壳连接形成内腔，所述mems传感器芯片收容于所述内腔，所述mems传感器芯片包含振膜和固定架，所述振膜、所述固定架围合形成微机电传感器背腔，其特征在于，所述基板设有下凹的避空位，所述振膜投影于所述基板上的投影轮廓与至少部分所述避空位重合，所述避空位与所述背腔连通，以扩大微机电传感器背腔空气容积，并增大所述mems传感器芯片上振膜的振动空间。
2.如权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述避空位具有面向所述内腔的开口，所述开口正对于所述背腔。
3.如权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述避空位为避空孔或避空槽，所述避空孔或所述避空槽与所述背腔形成封闭的振动空间。
4.如权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述避空位的深度h的取值范围为：0.1mm≤h≤3mm。
5.如权利要求3所述的微机电传感器，其特征在于，所述避空孔或所述避空槽内壁设有光滑层，以使所述避空孔或所述避空槽内壁光滑；
和/或，定义所述避空孔或所述避空槽具有深度方向，所述避空孔或所述避空槽具有垂直所述深度方向的截面，所述截面的截面轮廓为圆形、椭圆形、或多边形。
6.如权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述mems传感器芯片粘接于所述基板，并与所述基板电性连接。
7.如权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述微机电传感器还包括asic放大器芯片，所述asic放大器芯片固定在所述基板上，收容于所述内腔，并分别与所述基板和所述mems传感器芯片电性连接。
8.如权利要求1至7任一所述的微机电传感器，其特征在于，所述基板环绕所述内腔设有焊盘，所述金属外壳焊接在所述焊盘上。
9.如权利要求1所述的微机电传感器，其特征在于，所述金属外壳上设有声孔，所述声孔与所述内腔连通。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至9中任一项所述的微机电传感器。
技术总结
本实用新型公开一种微机电传感器和电子设备，该微机电传感器包括基板、MEMS传感器芯片和金属外壳，所述基板和所述金属外壳连接形成内腔，所述MEMS传感器芯片收容于所述内腔，所述MEMS传感器芯片包含振膜和固定架，所述振膜、所述固定架围合形成MEMS传感器芯片背腔，所述基板设有下凹的避空位，所述振膜投影于所述基板上的投影轮廓与至少部分所述避空位重合，所述避空位与所述背腔连通，以此扩大传感器芯片背腔空气容积，并增大所述MEMS传感器芯片背腔振膜的振动空间。本实用新型技术方案提高了微机电传感器的灵敏度和信噪比，节约了研发成本。
