專利名稱:靜電電容傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))電容器傳聲器之類的靜電電容傳 感器。
本申請(qǐng)要求基于日本專利申請(qǐng)No.2006-345400的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容在此 并入作為參考。
背景技術(shù)：
作為一種公知的靜電電容傳感器，諸如封裝在MEMS封裝中的電容器 傳聲器之類的MEMS傳感器已經(jīng)在各種文獻(xiàn)中公開(kāi)，如日本專利申請(qǐng)公開(kāi) 號(hào)2004-537182,美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)US2004/0046245A1和美國(guó)專利申請(qǐng) 公開(kāi)號(hào)US2005/0018864A1。每個(gè)用作電容器傳聲器的靜電電容傳感器都具 有高阻抗的相對(duì)電極。由于這個(gè)原因，靜電電容傳感器封裝的蓋(就是封裝 蓋)由接地導(dǎo)體組成，以便于用作噪聲屏蔽物。
上述文獻(xiàn)教導(dǎo)了電容器傳聲器的封裝蓋有允許聲波進(jìn)入封裝內(nèi)部的開(kāi) 口。這就會(huì)意外地將電光(electric lighting)的電^ 茲感應(yīng)帶來(lái)的噪聲引入電 容器傳聲器的輸出信號(hào)，從而減弱了信噪比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有高信噪比的靜電電容傳感器。 在本發(fā)明的第 一方面中，靜電電容傳感器包括傳感器管芯和屏蔽構(gòu)件， 其中傳感器管芯包括相互相對(duì)地定位的偏壓電極和信號(hào)電極，以及所述屏蔽 構(gòu)件具有接合傳感器管芯(die)接合表面，所述屏蔽構(gòu)件包括穩(wěn)定電位導(dǎo)電 膜，所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜的外部形狀在俯視圖中包圍信號(hào)電極的垂直投影區(qū) 域，其中信號(hào)電極定位在偏壓電極和穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜之間。
如上所述，高阻抗的信號(hào)電極被夾在穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜(其電位被穩(wěn)定化) 和偏壓電極(施加了穩(wěn)定的偏壓)之間，所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜和偏壓電極兩 者的電位都被穩(wěn)定化，其中信號(hào)電極在俯視圖中與偏壓電極和穩(wěn)定電位導(dǎo)電
膜重疊。偏壓電極和信號(hào)電極之間的距離非常小，例如在幾個(gè)微米到幾個(gè)亞 微米之間。這里，使用非常接近信號(hào)電極的偏壓電極形成了用于信號(hào)電極的 噪聲屏蔽，并且所述屏蔽構(gòu)件的穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜接合傳感器管芯。與使用與
傳感器管芯分離的封裝蓋形成的噪聲屏蔽構(gòu)件相比，這種方式可以提高關(guān)于 信號(hào)電極的噪聲電阻。就是說(shuō)，不使用封裝蓋(用作所述噪聲屏蔽)和其他 外部噪聲屏蔽就可以實(shí)現(xiàn)靜電電容傳感器的高信噪比。
被穩(wěn)定化的偏壓或電位指電極或膜被連接到穩(wěn)定電源電路，接地，或連 接到具有較大電容的導(dǎo)體。用于穩(wěn)定電位的元件不受限于它是主動(dòng)的還是被 動(dòng)的。用于穩(wěn)定電位的元件和靜電電容傳感器之間的關(guān)系不受限于所述元件 是相對(duì)于所述靜電電容傳感器定位還是定位在所述靜電電容傳感器的內(nèi)部。
術(shù)語(yǔ)"地(ground)"不必局限于"大地(earth)";因此，它具有這樣的技 術(shù)方面的廣義含義，即包括建立了與信號(hào)電位相比的參考電位的任意類型的 導(dǎo)體。術(shù)語(yǔ)"垂直投影區(qū)域"指相應(yīng)于當(dāng)物體相對(duì)于指定投影表面垂直地投 影時(shí)顯現(xiàn)的陰影的區(qū)域。例如，當(dāng)電位被穩(wěn)定化的穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜的外部形 狀包圍信號(hào)電極的垂直投影區(qū)域時(shí)，所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜的層間邊界 (interlayer boundary )用作投影表面，從而信號(hào)電極相對(duì)于所述層間邊界垂 直地投影以便于產(chǎn)生虛擬的(virtual)陰影區(qū)域，該區(qū)域相應(yīng)于所述信號(hào)電 極的垂直才更影區(qū)域。
在該靜電電容傳感器中，傳感器管芯包括具有多個(gè)音孔并形成信號(hào)電極 的板件，形成偏壓電極且隨聲波相對(duì)于板件振動(dòng)的隔膜，以及具有用于暴露 隔膜的通孔并支承板件和隔膜的管芯基板，其中傳感器管芯經(jīng)由與音孔連通 的聲學(xué)通道接合屏蔽構(gòu)件的接合表面。該靜電電容傳感器形成MEMS電容 器傳聲器，其中聲波通過(guò)聲學(xué)通道(對(duì)應(yīng)于傳感器管芯與多層布線基板的接 合表面之間的間隙)傳遞，而后通過(guò)板件的音孔傳遞從而到達(dá)隔膜，由此使 得隔膜隨聲波振動(dòng)。
該靜電電容傳感器進(jìn)一 步包括連接到信號(hào)電極上以降低輸出阻抗的阻 抗變換器，以及接合屏蔽構(gòu)件接合表面的驅(qū)動(dòng)管芯。這里，屏蔽構(gòu)件對(duì)應(yīng)于 多層布線基板，該多層布線基板包括穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜，電位被穩(wěn)定化的第二 穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜以及信號(hào)線，信號(hào)線定位在穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜和第二穩(wěn)定電位 導(dǎo)電膜之間，且與穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜和第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜部分地重疊，從而 將信號(hào)電極和阻抗變換器連接起來(lái)。
在該連接中，靜電電容傳感器的輸出阻抗通過(guò)驅(qū)動(dòng)管芯的阻抗變換器降 低。除此之外，高阻抗的信號(hào)電極被夾在偏壓電極和多層布線基板的電位穩(wěn) 定導(dǎo)電膜之間。進(jìn)一步地，用來(lái)連接信號(hào)電極和阻抗變換器的信號(hào)線被夾在 穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜和第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜之間，且在俯視圖中與它們部分地重 疊。就是說(shuō)，可以通過(guò)定位在接近信號(hào)線處且電位被穩(wěn)定化的兩個(gè)導(dǎo)電膜來(lái) 提高高阻抗信號(hào)線的噪聲電阻。因此，可以進(jìn)一步地增大靜電電容傳感器的 信噪比。
靜電電容傳感器進(jìn)一步包括封裝蓋，它與多層布線基板結(jié)合，從而限定 了用于包含傳感器管芯和驅(qū)動(dòng)管芯的內(nèi)部空間。這使得靜電電容傳感器能保 護(hù)內(nèi)部電路不受外部環(huán)境中灰塵和光線的影響。這使得靜電電容傳感器易于操作。
在該靜電電容傳感器中，傳感器管芯包括具有多個(gè)音孔并形成信號(hào)電極 的板件，形成偏壓電極且隨聲波相對(duì)板件振動(dòng)的隔膜和具有用于暴露隔膜的 通孔且支承板件和隔膜的管芯基板，其中傳感器管芯經(jīng)由將內(nèi)部空間與音孔 連通的聲學(xué)通道與屏蔽構(gòu)件的接合表面相接合，且封裝蓋具有用于將內(nèi)部空 間與外部空間連通的開(kāi)口 。該靜電電容傳感器進(jìn)一步包括接合傳感器管芯表 面的墊圈，該墊圈具有內(nèi)部腔體，它從內(nèi)部空間隔離并與管芯基板的通孔連 通。
上述靜電電容傳感器形成了 MEMS電容器傳聲器，其中聲波經(jīng)由封裝 蓋的開(kāi)口和聲學(xué)通道(對(duì)應(yīng)于傳感器管芯和多層布線基板接合表面之間的間
隙)傳遞，而后通過(guò)板件上的音孔傳遞到達(dá)隔膜，從而使得隔膜隨聲波振動(dòng)。 這里，背部腔體被定位為與隔膜背部相連，并且包括傳感器管芯的管芯基板 的通孔和接合傳感器管芯的墊圈的內(nèi)部腔體。該背部腔體通過(guò)傳感器管芯的 管芯基板和墊圈與允許聲波達(dá)到隔膜的空間隔離。隨著背部腔體體積增大， 截止頻率降低，從而增加了低頻帶的靈敏度。常見(jiàn)的電容器傳聲器中，傳感 器管芯(由硅晶片組成)的管芯基板接合多層布線基板，且管芯基板的通孔 被多層布線基板封閉從而形成背部腔體。與常見(jiàn)的電容器傳聲器相比，本發(fā) 明電容器傳聲器的背部腔體在與傳感器管芯保持一定距離的封裝蓋和隔膜 之間形成；因此，就可以增加背部腔體的體積。就是說(shuō)，與常見(jiàn)電容器傳聲 器相比，本發(fā)明的電容器傳聲器能降低截止頻率，且增加低頻帶的靈敏度。 在該靜電電容傳感器中，屏蔽構(gòu)件的接合表面具有形成聲學(xué)通道的內(nèi)壁
的凹部。由于提供了這個(gè)凹部和相對(duì)于多層布線基板接合表面的突出部，可 以增加允許聲波傳遞至隔膜的聲學(xué)通道中的聲學(xué)阻抗和共振頻率的自由度。 除此之外，該凹部可以很容易地通過(guò)在多層布線基板的接合表面層壓具有不 同外部形狀的多個(gè)陶瓷片形成。
在該靜電電容傳感器中，傳感器管芯以倒裝管芯(flip-chip)的連接方 式與多層布線基板接合。這樣的連接可以減少封裝的引腳。除此之外，焊球 或凸塊之間的間隙可以形成用來(lái)連通板件上音孔與封裝的內(nèi)部空間的聲學(xué) 通道。
在該靜電電容傳感器中，多層布線基板包括用于將偏壓電極和管芯基板 兩者都接合到穩(wěn)定電源電路的偏壓線，其中穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜和第二穩(wěn)定電位 導(dǎo)電膜都接地。在速個(gè)連接中，噪聲屏蔽效應(yīng)完全地施加在多層布線基板中
的傳感器管芯的垂直投影區(qū)域；因此，盡管信號(hào)線沒(méi)有部分地與偏壓電極重 疊，換句話說(shuō)，盡管信號(hào)線通過(guò)了傳感器管芯的垂直投影區(qū)域而在偏壓電極 垂直投影區(qū)域的外部，但還是可以在不布置額外噪聲屏蔽物的情況下增加靜 電電容傳感器的噪聲阻抗。
在該靜電電容傳感器中，穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜將偏壓電極和管芯基板兩者都 連接到穩(wěn)定電源電路。在這個(gè)連接中，噪聲屏蔽效應(yīng)完全地施加在多層布線 基板中的傳感器管芯的垂直投影區(qū)域；因此，盡管信號(hào)線沒(méi)有部分地與偏壓 電極重疊，換句話說(shuō)，盡管信號(hào)線通過(guò)了傳感器管芯的垂直投影區(qū)域而在偏 壓電極垂直投影區(qū)域的外部，但還是可以在不布置額外噪聲屏蔽物的情況下 增加靜電電容傳感器的噪聲阻抗。除此之外，從傳感器管芯的角度來(lái)看，這 消除了在信號(hào)線背部額外引入"接地，，導(dǎo)電膜(只用作噪聲屏蔽)的必要性； 因此，可以簡(jiǎn)化多層布線基板的結(jié)構(gòu)。
在該靜電電容傳感器中，第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜連接到穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜。 在這個(gè)連接中，信號(hào)線被夾在多層布線基板中的兩個(gè)電位都被穩(wěn)定化的導(dǎo)電 膜之間。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面， 一種電子裝置被設(shè)計(jì)成包括上述靜電電容傳感 器，所述靜電電容傳感器的多層布線基板接合外部布線基板。這里，高阻抗 的信號(hào)電極和高阻抗的信號(hào)線被夾在靜電電容傳感器的多層布線基板中的 兩個(gè)電位被穩(wěn)定化的導(dǎo)電膜之間；因此，就不必額外提供對(duì)于外部布線基板 的噪聲屏蔽(用于在靜電電容傳感器中使用)。也就是說(shuō)，電子裝置可以減 少噪聲屏蔽的成本，同時(shí)增加靜電電容傳感器的信噪比。


本發(fā)明的這些和其它目的，方面和實(shí)施例將參照以下附圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō) 明，其中
圖1A是示出依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的電容器傳聲器的構(gòu)造的縱向剖 面圖；
圖1B是圖1A所示電容器傳聲器的俯視圖；
圖2是示出依照本發(fā)明的由傳感器管芯和屏蔽構(gòu)件組成的靜電電容傳感 器的基本構(gòu)造的筒單剖面圖；
圖3是示出屏蔽構(gòu)件由多層布線基板形成的靜電電容傳感器的構(gòu)造的簡(jiǎn) 單剖面圖；
圖4是示出了用作MEMS電容器傳聲器的靜電電容傳感器的構(gòu)造的筒 單剖面圖；
圖5是示出了依照本實(shí)施例第一變體的電容器傳聲器構(gòu)造的縱向剖面
圖；
圖6是示出了依照本實(shí)施例第二變體的電容器傳聲器構(gòu)造的縱向剖面
圖；
圖7是示出了依照本實(shí)施例第三變體的電容器傳聲器構(gòu)造的縱向剖面圖。
具體實(shí)施方式
下面將通過(guò)實(shí)施例并參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明。 l.基本構(gòu)造與工作原理
在具體地說(shuō)明依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的電容器傳聲器之前，將根據(jù)圖2 ， 3和4詳細(xì)說(shuō)明其基本構(gòu)造和工作原理。
圖2是概要地示出了本發(fā)明的靜電電容傳感器的基本構(gòu)造的簡(jiǎn)單剖面 圖。如圖2所示，本發(fā)明的靜電電容傳感器至少由傳感器管芯10和屏蔽構(gòu) 件20構(gòu)成。
傳感器管芯IO是一個(gè)包括偏壓電極11 (用作相對(duì)電極之一并施加偏置 電壓)和信號(hào)電極12 (用作另一個(gè)相對(duì)電極)的MEMS管芯?？梢酝ㄟ^(guò)依 照各種成形技術(shù)的薄膜或膜的形成來(lái)形成諸如偏壓電極11和信號(hào)電4及12之 類的傳感器管芯構(gòu)件10的構(gòu)件。就是說(shuō)，可以采用照相平版印刷^t支術(shù)，精
加工技術(shù)和薄膜成形技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)，化學(xué)氣相沉積(CVD)，物理氣相沉 積(PVD )和納米壓印(nano-imprint)技術(shù)應(yīng)用于制造傳感器管芯10。為 了實(shí)現(xiàn)將如壓力、加速度和聲波之類的物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，偏壓電極11 和信號(hào)電極12被彼此相對(duì)一定距離地支承，從而使得它們之間的距離是可 變化的。實(shí)際上，偏壓電極11和信號(hào)電極12可以被設(shè)計(jì)成其中一個(gè)可以變 形或移動(dòng)，或者兩者都可以變形或移動(dòng)。其中，由偏壓電極11和信號(hào)電極 12組成的電容器(或電容)并入電路系統(tǒng)，其中信號(hào)電極12的電位由于靜 電電容的變化而改變。
由于信號(hào)電極12具有高阻抗，就必須對(duì)靜電電容傳感器內(nèi)部的信號(hào)電 極12采用如下的噪聲屏蔽措施。即把用來(lái)穩(wěn)定電位的導(dǎo)電膜布置在由薄膜 組成的信號(hào)電極12的表面和背部，它們部分地重疊信號(hào)電極12并與其接近。 具體來(lái)說(shuō)，其中導(dǎo)電膜相當(dāng)于偏壓電極11，另一導(dǎo)電膜相當(dāng)于與屏蔽構(gòu)件 20相適應(yīng)的穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21。偏壓電極11的外部形狀完全地或大體地與 信號(hào)電極12的外部形狀匹配，就是說(shuō)，偏壓電極11包圍了信號(hào)電才及12的 垂直投影區(qū)域。由于偏壓電極11和信號(hào)電極12都布置在同一個(gè)管芯上，它 們之間的距離非常小，例如可能在一個(gè)微米(或者lum)到幾個(gè)亞微米之間。 穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21的外部形狀包圍了信號(hào)電極12的垂直投影區(qū)域。由于屏 蔽構(gòu)件20接合傳感器管芯10，屏蔽構(gòu)件20的穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21與信號(hào)電 極12之間的距離非常小，可能只有幾百個(gè)微米。由于屏蔽構(gòu)件20和信號(hào)電 極12之間的距離受噪聲的影響變小，就可以實(shí)現(xiàn)具有高屏蔽效應(yīng)的小尺寸 噪聲屏蔽。這就是為什么噪聲屏蔽物完全嵌入靜電電容傳感器內(nèi)，以使得信 號(hào)電極12布置為接近于與傳感器管芯IO接合的指定部分而不是接近于偏壓 電極11的原因。
與傳感器管芯10接合的指定部分用來(lái)形成屏蔽構(gòu)件20,且可以是，例 如，形成封裝的底部的布線基板或與傳感器管芯IO堆疊的另一個(gè)管芯。穩(wěn) 定電位導(dǎo)電膜21被接地以穩(wěn)定電位。或替代地，穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21用作偏 置電壓施加線從而穩(wěn)定電位。
圖3示出了靜電電容傳感器的一個(gè)變體，其中屏蔽構(gòu)件20通過(guò)多層布 線基板形成。圖3所示靜電電容傳感器由傳感器管芯10和多層布線基板20
外加驅(qū)動(dòng)管芯30構(gòu)成。傳感器管芯10和驅(qū)動(dòng)管芯30兩者都與多層布線基 板20接合。
驅(qū)動(dòng)管芯(或LSI芯片)30是由給偏壓電極11施加穩(wěn)定電壓的穩(wěn)定電 源電路31，減小靜電電容傳感器輸出阻抗的阻抗變換器32和接地的管芯基 板34構(gòu)成。由于阻抗變換器32布置在靜電電容傳感器的內(nèi)部，這就可以將 噪聲屏蔽措施完全地嵌入靜電電容傳感器中。
多層布線基板20的表面形成了接合傳感器管芯10和驅(qū)動(dòng)管芯30的接 合表面25。與接合表面25相對(duì)的多層布線基板20的背面與外部布線基板(未 示出)接合，所述外部布線基板用于將靜電電容傳感器與其他電子器件安裝 到一起。多層布線基板20包括用來(lái)連接信號(hào)電極12和阻抗變換器32的信 號(hào)線23。由于與信號(hào)電極12連接的信號(hào)線23具有高阻抗，就可以采用以下 的噪聲屏蔽措施。即兩導(dǎo)電膜經(jīng)由多層布線基板20中的厚度在10到IOO微 米之間的絕緣層分別布置在信號(hào)線23的上下方，其中它們與信號(hào)線23部分 地重疊用以穩(wěn)定電位。這里，使用兩個(gè)導(dǎo)電膜形成了噪聲屏蔽物。具體來(lái)說(shuō)， 兩導(dǎo)電膜之一相應(yīng)于"第一"穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21，它的外部形狀包圍信號(hào)電 極12的垂直投影區(qū)域，信號(hào)線23的垂直投影區(qū)域和驅(qū)動(dòng)管芯30的垂直投 影區(qū)域，而另一導(dǎo)電膜是第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜22，它的外部形狀包圍信號(hào)線 23的垂直投影區(qū)域。其中，兩個(gè)導(dǎo)電膜之一或兩者都接地以便于穩(wěn)定電位。 或替代地，兩個(gè)導(dǎo)電膜之一或兩者都用作偏置電壓施加線(bias-voltage applied lines)以便于穩(wěn)定電位。通過(guò)信號(hào)線23和兩導(dǎo)電膜形成了浮動(dòng)電容 (floating capacity )。然而，由于包含在多層布線基板20中的絕緣層的厚度 足夠大，可以基本忽略浮動(dòng)電容。
圖4示出了用作電容器傳聲器的靜電電容傳感器的另一變體。具體來(lái)說(shuō)， 圖4所示的電容器傳聲器是由多層布線基板20和封裝蓋40構(gòu)成的MEMS 電容器傳聲器。
封裝蓋40具有接合多層布線基板20的盒狀外觀。在封裝蓋40的指定 區(qū)域形成有開(kāi)口 41以便于將聲波引入封裝的內(nèi)部空間。封裝蓋40不是必須 用作噪聲屏蔽構(gòu)件；因此它可以由諸如樹(shù)脂，陶瓷和玻璃之類的絕緣材料組 成。由于封裝蓋40不必接地，在設(shè)計(jì)開(kāi)口41的位置、尺寸和形狀時(shí)就可以 實(shí)現(xiàn)相對(duì)高的自由度。
傳感器管芯10由形成偏壓電極的隔膜11,形成信號(hào)電極的板件12,施
加了偏壓的管芯基板13構(gòu)成。隔膜11和板件12都通過(guò)使用在管芯基板13 上層壓的薄膜形成，且兩者都可以通過(guò)單個(gè)導(dǎo)電膜或多個(gè)導(dǎo)電膜形成；或替 代地，可以通過(guò)導(dǎo)電膜和絕緣膜組成的多層膜形成。絕緣膜(未示出)進(jìn)一 步形成在隔膜11的薄膜和板件12的薄膜之間，從而在隔膜11和板件12之 間形成間隙，從而將偏壓電極與信號(hào)電極絕緣。
如圖4所示，當(dāng)信號(hào)電極由板件12組成時(shí)，就可以通過(guò)偏壓電^l和穩(wěn) 定電位導(dǎo)電膜21來(lái)實(shí)現(xiàn)噪聲屏蔽。其中，隔膜ll、板件12和多層布線基板 20之間必須建立這樣的位置關(guān)系，即形成信號(hào)電極的板件12夾在形成偏壓 電極的隔膜11和多層布線基板20的穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21之間。
也可以按如下方式改變隔膜11、板件12和多層布線基板20之間的位置 關(guān)系，即隔膜11形成信號(hào)電極同時(shí)板件12形成偏壓電極。然而，圖4示出 了電容器傳聲器的 一種簡(jiǎn)單構(gòu)造，其中隔膜11形成偏壓電極同時(shí)板件12形 成信號(hào)電極，從而提高了噪聲屏蔽效果。
被隔膜11隔開(kāi)的兩個(gè)空間之一可以用來(lái)使聲波到達(dá)隔膜11;然而，與 允許聲波到達(dá)隔膜11的與多層布線基板20 (如圖4中隔膜11的下部空間) 接近的空間是有利的，因?yàn)榭梢越档徒刂诡l率，從而出于如下所述的原因增 加低頻帶的靈敏度。
在圖4中，傳感器管芯接合多層布線基板20,從而在封裝蓋40和傳感 器管芯IO之間保留了間隙。與定位于傳感器管芯IO以下的與多層布線基板 20接近的空間相比，定位于傳感器管芯10以上的與封裝蓋40接近的空間較 大。換句話說(shuō)，可以將定位于傳感器管芯10以上的與封裝蓋40接近的空間 形成的背部腔體的體積增大，使其比通過(guò)定位于傳感器管芯IO以下的與多 層布線基板20接近的空間形成的背部腔體的體積更大。也就是說(shuō)，當(dāng)背部 腔體由定位于傳感器管芯10以上的與封裝蓋40接近的空間形成時(shí)，聲波通 過(guò)定位于傳感器管芯10以下的與多層布線基板10接近的空間到達(dá)隔膜11; 因此，就可以降低截止頻率且增加低頻帶的靈敏度。
為了通過(guò)定位于傳感器管芯10以下的與多層布線基板20接近的空間將 傳遞聲波到達(dá)隔膜ll,例如，就必須形成允許聲波被引入封裝內(nèi)部空間的穿 過(guò)多層布線基板的通孔。然而，這種結(jié)構(gòu)的不利之處在于噪聲可能通過(guò)多層 布線基板20上的通孔被采集進(jìn)來(lái)。
為了使聲波能通過(guò)定位于傳感器管芯IO以下的與多層布線基板IO接近
的空間傳遞到達(dá)隔膜ll而不在多層布線基板20上形成通孔，就必須在多層
布線基板20的接合表面和傳感器管芯IO之間形成間隙，所述間隙形成聲學(xué) 通道。在圖4中，凹部26形成于接合傳感器管芯10的多層布線基板20的 接合表面25中從而形成聲學(xué)通道27。其中，凹部26的內(nèi)壁形成了聲學(xué)通道
使得可以以一種適當(dāng)?shù)姆绞綄鞲衅鞴苄?0和多層布線基板20連接到一 起，使得對(duì)關(guān)于引線結(jié)合(wire bonding)之類的檢查和修復(fù)容易實(shí)施。當(dāng) 傳感器管芯10經(jīng)由倒裝管芯連接與多層布線基板20接合時(shí)，在諸如凸塊和 焊球這樣的凸出電極之間可以保留間隙。除非這個(gè)間隙絕對(duì)地封閉，傳感器 管芯10和多層布線基板20之間的間隙總能允許聲波到達(dá)隔膜11;因此，凹 部26不總是必須的。
墊圈50將背部腔體從允許聲波傳播至隔膜11的空間隔離出來(lái)。墊圏50 是用例如由聚酰亞胺組成的樹(shù)脂形成的，其中所述墊圈50具有圍繞中空內(nèi) 部的指定外部形狀。如果封裝步驟和將電容器傳聲器安裝在外部布線基板的 安裝步驟都在相對(duì)低的熱處理溫度下進(jìn)行，就可以用橡膠之類的材料形成墊 圏50。墊圈50的內(nèi)部腔體與形成在管芯基板13中的通孔131連通，由此將 墊圈50的內(nèi)部腔體和通孔131結(jié)合在一起形成背部腔體。附帶地，隔膜ll 暴露在通孔131中。
墊圈50的一端接合傳感器管芯10的表面，而另一端接合封裝蓋40的 內(nèi)壁。因此，墊圈50的中空腔體與墊圈50的外部空間分隔開(kāi)。墊圈50可 以緊密地安裝到傳感器管芯10而不留間隙，或者墊圈50可以緊密地安裝到 封裝蓋40而不留間隙。或替代地，墊圈50也可以以小間隙安裝到傳感器管 芯10,由此將音頻范圍內(nèi)的聲學(xué)阻抗增加到足夠高，或者墊圏50可以以一 小間隙安裝到封裝蓋40,由此將音頻范圍內(nèi)的聲學(xué)阻抗增加到足夠高。這樣 的間隙可以建立墊圏50的內(nèi)部氣壓與外部大氣壓之間的平衡。墊圏50也可 以被重新設(shè)計(jì)成具有底部的另外的外部形狀，譬如具有封閉的底部和被傳感 器管芯10封閉的開(kāi)口的圓柱形，由此將墊圈50的內(nèi)部腔體與外部空間分隔。
由于板件12被定位于允許隔膜ll接收聲波的空間中，多個(gè)允許聲波傳 遞的音孔121在板件12中形成。因此，從封裝蓋40的開(kāi)口 41上專#入的聲 波傳遞通過(guò)多層布線基板20和傳感器管芯10之間的聲學(xué)通道27,然后通過(guò) 板件12上的音孔121到達(dá)隔膜11。由于帶有音孔121的板件12具有相對(duì)隔
膜ll較高的剛度，由聲波引起的板件12的振動(dòng)非常小且可以忽略。由于這 個(gè)原因，當(dāng)聲波到達(dá)隔膜11時(shí)，隔膜11相對(duì)于板件12發(fā)生振動(dòng)從而引起
傳感器管芯IO的靜電電容變化，由此引起信號(hào)電極相對(duì)板件12的電位變化。 2.優(yōu)選實(shí)施例
接下來(lái)，將參照?qǐng)D1A和1B依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)由電容器傳聲 器實(shí)現(xiàn)的靜電電容傳感器進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖1B是示出了圖1A所示的電容 器傳聲器移除封裝蓋40和墊圈50后的俯視圖。
傳感器管芯IO是通過(guò)切割層壓了薄膜的晶片形成的MEMS芯片。
隔膜11和板件12都是由摻有諸如磷之類雜質(zhì)的硅薄膜組成的。諸如二 氧化硅膜之類的絕緣膜(未示出)布置于形成隔膜11和板件12的兩個(gè)硅薄 膜的外周之間。板件12被絕緣膜支承從而與隔膜11形成間隙。例如，隔膜 11和板件12之間的距離在1微米到4微米之間。例如，隔膜11的寬度(或 直徑)與板件12的寬度(或直徑)分別設(shè)置成1毫米。隔膜11和板件12 兩者的外部形狀沒(méi)有特殊限制。例如，隔膜11與板件12都做成外部圓周完 全固定的同心的圓形。在俯視圖中隔膜11和板件12可以互相重疊?；蛱娲?地，它們可以部分地互相重疊。
傳感器管芯10的管芯基板13由包括諸如硅之類雜質(zhì)的半導(dǎo)體組成。諸 如二氧化硅膜之類的絕緣膜(未示出)布置在形成隔膜11的硅薄膜的外周 部分和管芯基板之間。隔膜ll被絕緣膜支承。形成隔膜11 (作為偏壓電極) 的硅薄膜通過(guò)通路或接合點(diǎn)與管芯基板電連接。這使得可以給管芯基板13 施加穩(wěn)定的偏壓，由此該管芯基板的功能相當(dāng)于噪聲屏蔽物。因此,傳感器 管芯10的垂直投影區(qū)域通過(guò)隔膜11完全屏蔽了噪聲，其中所述隔膜11在 俯視圖中與管芯基板13和通孔131 (形成在管芯基板13中)完全重疊。特 別地，用作信號(hào)電極的板件12通過(guò)隔膜11 (與板件12距離1微米左右)將 噪聲屏蔽；因此，具有相對(duì)高阻抗的板件12的噪聲電阻提高了。
驅(qū)動(dòng)管芯(或LSI芯片)30以這樣的結(jié)構(gòu)形成，其中硅摻雜的導(dǎo)電薄膜 或由二氧化硅組成的絕緣膜與摻入如硅之類雜質(zhì)的管芯基板13層壓在一起。 穩(wěn)定電源電路31 (如電荷泵)和阻抗變換器32 (如運(yùn)算放大器)形成在驅(qū) 動(dòng)管芯30中。穩(wěn)定電源電路31通過(guò)通路連接焊球24 (用作電源端)。阻抗 轉(zhuǎn)換器32的輸出端通過(guò)通路連接焊球24 (用作信號(hào)端)。驅(qū)動(dòng)管芯30的所 有電路部件通過(guò)通路連接到焊球24(用作接地端)，因此它們可以屏蔽噪聲。多層布線基板20通過(guò)使用經(jīng)陶瓷片層壓在一起并燒結(jié)的三個(gè)導(dǎo)電膜形
成的。傳感器管芯10和驅(qū)動(dòng)管芯30通過(guò)使用由焊球和凸塊組成的凸出電極 15和33,以一種倒裝管芯的連接方式與多層布線基板20的接合表面25接 合。如圖1B所示，形成聲學(xué)通道27的壁的接合表面25的凹部26通過(guò)將多 個(gè)U型陶瓷片層壓在矩形陶瓷片上形成。多個(gè)用于連接多層布線基板20的 線路和外部布線基板60的線路的焊球24布置在與封裝底部相對(duì)應(yīng)的多層布 線基板20的背部。
穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21對(duì)應(yīng)于在封裝中形成多層布線基板20的三層導(dǎo)電膜 的最外層導(dǎo)電膜，因此其外部形狀包圍了封裝中所有電路元件(除一些通路) 的垂直投影區(qū)域。穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21通過(guò)通路與焊球24 (用作接地端，布 置在封裝底部)連接。就是說(shuō)，穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜221被接地以便于穩(wěn)定電位。 因此，穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21用作封裝的所有電路元件的噪聲屏蔽物。特別地， 用作信號(hào)電極的板件12與穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21稍微隔開(kāi)幾百個(gè)微米；因此， 可以提高具有相對(duì)高阻抗的板件12的噪聲電阻。
第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜22對(duì)應(yīng)于形成多層布線基板20的三層導(dǎo)電膜的最 內(nèi)層，其外部形狀完全覆蓋從傳感器管芯IO和驅(qū)動(dòng)管芯30垂直投影區(qū)域部 分地延伸出的信號(hào)線23。第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜22通過(guò)通路與第一穩(wěn)定電位 導(dǎo)電膜21和用作接地端的焊球24連接。也就是說(shuō)，第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜被 接地以便于穩(wěn)定電位。
將用作信號(hào)電極的板件12和阻抗轉(zhuǎn)換器32連接在一起的信號(hào)線23對(duì) 應(yīng)于形成多層布線基板20的三層導(dǎo)電膜的中間層，它夾在了第一穩(wěn)定電位 導(dǎo)電膜21和第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜22之間。在封裝中，定位在信號(hào)線23外 部的穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21的指定部分用作噪聲屏蔽物，而定位于信號(hào)線23的 內(nèi)部的穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21的其他部分、第二穩(wěn)定電位膜22、傳感器管芯IO 的管芯基板13和驅(qū)動(dòng)管芯30的管芯基板34共同組成噪聲屏蔽物。信號(hào)線 23完全地被上述屏蔽物包圍，它們非?？拷盘?hào)線23,其間僅為IO微米到 IOO微米之間的距離，且信號(hào)線23完全地與噪聲屏蔽物重疊。因此就可以提 高具有相對(duì)高阻抗的信號(hào)線23的噪聲電阻。
用作偏壓電極的隔膜11通過(guò)偏壓線28連接到穩(wěn)定電源電路31 。與信號(hào) 線23類似，偏壓線28也是通過(guò)形成多層布線基板20的三層導(dǎo)電膜中的中 間層導(dǎo)電膜形成的。偏壓線28與信號(hào)線23保持適當(dāng)距離從而使得浮動(dòng)電容可以忽略。
在本實(shí)施例中，噪聲屏蔽物被完全地嵌入電容器傳聲器封裝內(nèi)部，所述
噪聲屏蔽物實(shí)現(xiàn)了關(guān)于具有高阻抗的板12和信號(hào)線23的高噪聲阻抗。這就 消除了為與外部布線基板60及外圍部分連接的電容器傳聲器安裝噪聲屏蔽 物的必要性。也就是說(shuō)，可以降低適于電容器傳聲器的噪聲屏蔽措施的整體 成本。 3.變體
本實(shí)施例可以用多種方式進(jìn)行修改；因此，在下文中將對(duì)變體進(jìn)行說(shuō)明。
(a) 第一變體
圖5示出了電容器傳聲器的第一變體，它與圖1A和1B示出的實(shí)施例 的不同之處在于穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21沒(méi)有接地，而是與穩(wěn)定電源電路31連接。 也就是說(shuō)，第一變體允許通過(guò)通路將穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21與用作偏壓電極的 隔膜ll、傳感器管芯10的管芯基板13和穩(wěn)定電源電路31電連接。在這個(gè) 連接中，穩(wěn)定電源電路31承擔(dān)了噪聲屏蔽物和偏壓線這兩個(gè)功能；因此與 圖1A和1B所示的多層布線基板20的構(gòu)造相比，可以簡(jiǎn)化圖5中的多層布 線基板20的構(gòu)造。
(b) 第二變體
圖6示出了電容器傳聲器的第二變體，它與圖1A和1B示出的實(shí)施例 的不同之處在于穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜21和第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜22都連接到穩(wěn)定 電源電路31上。就是說(shuō)，第二變體允許第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜22通過(guò)通路與 穩(wěn)定電源電路31電連接。
(c) 第三變體
圖7示出了電容器傳聲器的第三變體，它與圖1A和1B示出的實(shí)施例 的不同之處在于額外引入保護(hù)電極16以便于減小形成隔膜11的導(dǎo)電膜形成 的寄生電容，或減小形成管芯基板13和板件12的導(dǎo)電膜形成的寄生電容。 保護(hù)電極16是由定位于板件12的導(dǎo)電膜和管芯基板13之間的導(dǎo)電膜構(gòu)成 的，它與隔膜11的導(dǎo)電膜定位在同一層上，并且與隔膜11的導(dǎo)電膜絕緣。 保護(hù)電極16通過(guò)對(duì)應(yīng)于形成多層布線基板20的導(dǎo)電膜的中間層導(dǎo)電膜的保 護(hù)線29連接到阻抗轉(zhuǎn)換器32的輸出端，其中保護(hù)電極16和板件12 (與信 號(hào)線23相連)的導(dǎo)電膜都設(shè)置到相同電位。這樣就消除了保護(hù)電極16和板 件12的導(dǎo)電膜之間的寄生電容。除此之外，管芯基板13和保護(hù)電極16之
間形成的電容不會(huì)實(shí)質(zhì)地影響電容器傳聲器的輸出信號(hào)。由于保護(hù)電極16 的提高，可以顯著地減小電容器傳聲器輸出信號(hào)中的寄生電容成分。 (d)其他變體
可以在不背離本發(fā)明基本特征的基礎(chǔ)上對(duì)電容器傳聲器作進(jìn)一步修改。 比如，本發(fā)明的靜電電容傳感器可以適用于壓力傳感器和加速度傳感器。靜
態(tài)電容傳感器的封裝不必限于MEMS封裝或MCP (多芯片封裝)，其中在 MCP中可以使用引線結(jié)合和堆疊多個(gè)管芯。本發(fā)明的靜電電容傳感器可以 應(yīng)用于諸如便攜式電話終端(或移動(dòng)電話)，個(gè)人數(shù)字助理(PDA), IC錄音 機(jī)和個(gè)人計(jì)算機(jī)等任意類型的電子設(shè)備。
最后，本發(fā)明并不局限于該實(shí)施例及其變體，它可以在本發(fā)明所附的權(quán) 利要求范圍內(nèi)進(jìn)一步以各種方式進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1、一種靜電電容傳感器，包括
傳感器管芯，包括相互相對(duì)地定位的偏壓電極和信號(hào)電極；以及
屏蔽構(gòu)件，具有接合所述傳感器管芯的接合表面，其中所述屏蔽構(gòu)件包括穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜，所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜的外部形狀在俯視圖中包圍所述信號(hào)電極的垂直投影區(qū)域，
其中所述信號(hào)電極定位在所述偏壓電極和所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜之間。
2、 如權(quán)利要求
1所述的靜電電容傳感器，其中所述傳感器管芯包括 板件，具有多個(gè)音孔并形成所述信號(hào)電極，形成所述偏壓電極的隔膜，所述隔膜由于聲波而相對(duì)于所述板件振動(dòng)，以及管芯基板，具有用于暴露所述隔膜的通孔且支承所述板件和所述隔膜， 其中所述傳感器管芯經(jīng)由與所述音孔連通的聲學(xué)通道接合所述屏蔽構(gòu) 件的接合表面。
3、 如權(quán)利要求
1所述的靜電電容傳感器，進(jìn)一步包括 阻抗變換器，連接到所述信號(hào)電極從而降低輸出阻抗；以及 驅(qū)動(dòng)管芯，接合所述屏蔽構(gòu)件的接合表面， 其中所述屏蔽構(gòu)件對(duì)應(yīng)多層布線基板，該多層布線基板包括 穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜，第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜，其電位被穩(wěn)定化，以及信號(hào)線，定位在所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜和所述第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜之間， 且與所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜和所述第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜部分地重疊，從而將所 述信號(hào)電極和所述阻抗變換器連接到 一起。
4、 如權(quán)利要求
3所述的靜電電容傳感器，進(jìn)一步包括封裝蓋，所述封 裝蓋與所述多層布線基板結(jié)合，從而限定了用于包含所述傳感器管芯和所述 驅(qū)動(dòng)管芯的內(nèi)部空間。
5、 如權(quán)利要求
4所述的靜電電容傳感器，其中所述傳感器管芯包括 板件，具有多個(gè)音孔并形成所述信號(hào)電極，形成偏壓電極的隔膜，所述隔膜由于聲波而相對(duì)于所述板件振動(dòng)，以及 管芯基板，具有用于暴露所述隔膜的通孔且支承所述板件和所述隔膜，其中所述傳感器管芯經(jīng)由將所述音孔與所述內(nèi)部空間連通的聲學(xué)通道 接合所述屏蔽構(gòu)件的接合表面，以及其中所述封裝蓋具有用于將所述內(nèi)部空間與外部空間連通的開(kāi)口 。
6、 如權(quán)利要求
5所述的靜電電容傳感器，進(jìn)一步包括墊圈，該墊圈接合傳感器管芯的表面并具有內(nèi)部腔體，所述內(nèi)部腔體與所述內(nèi)部空間隔離并 與管芯基板的通孔連通。
7、 如權(quán)利要求
5所述的靜電電容傳感器，其中所述屏蔽構(gòu)件的接合表 面具有凹部，所述凹部形成所述聲學(xué)通道的內(nèi)壁。
8、 如權(quán)利要求
3所述的靜電電容傳感器，其中所述傳感器管芯以倒裝 管芯的連接方式與所述多層布線基板接合。
9、 如權(quán)利要求
3所述的靜電電容傳感器，其中所述多層布線基板包括 用于將所述偏壓電極和所述管芯基板兩者都連接到穩(wěn)定電源電路的偏壓線， 以及其中所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜和所述第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜都接地。
10、 如權(quán)利要求
3所述的靜電電容傳感器，其中所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜將 所述偏壓電極和所述管芯基板兩者都連接到穩(wěn)定電源電路。
11、 如權(quán)利要求
10所述的靜電電容傳感器，其中所述第二穩(wěn)定電位導(dǎo) 電膜連接到所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜。
12、 一種電子裝置，具有外部布線基板，在所述外部布線基板上接合了 靜電電容傳感器的多層布線基板，所述靜電電容傳感器包括傳感器管芯，所述傳感器管芯包括相互相對(duì)地 定位的偏壓電極和信號(hào)電極，和屏蔽構(gòu)件，具有接合所述傳感器管芯的接合表面，其中所述屏蔽構(gòu)件包 括穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜，所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜的外部形狀在俯視圖中包圍信號(hào)電 極的垂直投影區(qū)域，其中所述信號(hào)電極定位在所述偏壓電極和所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜之間。
13、 如權(quán)利要求
12所述的電子裝置，其中所述傳感器管芯包括 板件，具有多個(gè)音孔并形成所述信號(hào)電極，形成所述偏壓電極的隔膜，所述隔膜由于聲波而相對(duì)于所述板件振動(dòng)，以及管芯基板，具有用于暴露所述隔膜的通孔且支承所述板件和所述隔膜，其中所述傳感器管芯經(jīng)由與所述音孔連通的聲學(xué)通道接合所述屏蔽構(gòu)件的接合表面。
14、如權(quán)利要求
12所述的電子裝置，進(jìn)一步包括 阻抗變換器，連接到所述信號(hào)電極從而降低輸出阻抗；以及驅(qū)動(dòng)管芯，接合所述屏蔽構(gòu)件的接合表面， 所述屏蔽構(gòu)件對(duì)應(yīng)多層布線基板，該多層布線基板包括穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜，第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜，其電位被穩(wěn)定化，以及信號(hào)線，定位在所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜和所述第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜之間， 且與所述穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜和所述第二穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜部分地重疊，從而將所述信號(hào)電極和所述阻抗變換器連接到一起。
專利摘要
一種靜電電容傳感器，包括傳感器管芯以及屏蔽構(gòu)件，其中傳感器管芯包括間隔很小距離而相對(duì)定位的偏壓電極和信號(hào)電極，所述屏蔽構(gòu)件包括外部形狀覆蓋了信號(hào)電極的垂直投影區(qū)域的穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜。傳感器管芯與屏蔽構(gòu)件的接合表面接合。信號(hào)電極被定位在偏壓電極和穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜之間。使用偏壓電極和穩(wěn)定電位導(dǎo)電膜形成了適用于信號(hào)電極的噪聲屏蔽；因此，可以提高信號(hào)電極的噪聲阻抗，并提高靈敏度中的信噪比。
文檔編號(hào)H04R19/01GKCN101207941SQ200710305370
公開(kāi)日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2007年12月21日
發(fā)明者佐藤明善, 平野雅三, 鈴木利尚 申請(qǐng)人:雅馬哈株式會(huì)社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan