HK1261735B - Mems设备和方法 - Google Patents

Description

MEMS设备和方法

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)设备和方法，具体地，涉及与换能器有关的MEMS设备和方法，所述换能器例如是电容式麦克风。

背景技术

多种MEMS设备正变得越来越受欢迎。MEMS换能器，尤其是MEMS电容式麦克风，越来越多地用在便携式电子设备(诸如移动电话和便携式计算设备)中。

使用MEMS制造方法形成的麦克风设备通常包括一个或多个膜，其中用于读出/驱动的电极被沉积在所述膜和/或基底上。在MEMS压力传感器和麦克风的情况下，通常通过测量一对电极之间的电容来实现读出，该电容将随着所述电极之间的距离响应于入射在膜表面上的声波改变而变化。

图1a和图1b分别示出了已知的电容式MEMS麦克风设备100的示意图和立体视图。电容式麦克风设备100包括一个膜层101，该膜层101形成一个柔性膜，该柔性膜响应于由声波所生成的压力差而自由移动。第一电极102机械地联接至该柔性膜，且它们一起形成电容式麦克风设备的第一电容板。第二电极103机械地联接至大体刚性的结构层或背板(back-plate)104，它们一起形成电容式麦克风设备的第二电容板。在图1a示出的实施例中，第二电极103被嵌入在背板结构104中。

该电容式麦克风被形成在基底105上，该基底105例如是硅晶片，该硅晶片可以具有在其上形成的上部氧化物层106和下部氧化物层107。该基底中以及任何覆盖层中的腔108(在下文中称为基底腔)被设置在膜下方，且可以使用“背部蚀刻(back-etch)”穿过基底105来形成。基底腔108连接到定位在膜正下方的第一腔109。这些腔108和109可以共同提供声学容积，从而允许膜响应于声学激励而移动。置于第一电极102和第二电极103之间的是第二腔110。

可以在制造过程期间使用第一牺牲层来形成第一腔109，即，使用一种材料来限定随后可以被去除的第一腔，并将膜层101沉积在第一牺牲材料上方。使用牺牲层来形成第一腔109意味着对基底腔108的蚀刻对于限定膜的直径不起任何作用。相反，由第一腔109的直径(其进而由第一牺牲层的直径来限定)结合第二腔110的直径(其进而由第二牺牲层的直径来限定)来限定膜的直径。相较于使用湿蚀刻或干蚀刻执行的背部蚀刻过程所形成的第一腔109的直径，可以更精确地控制使用第一牺牲层所形成的第一腔109的直径。因此，蚀刻基底腔108将在膜101下面的基底的表面中限定一个开口。

多个孔(在下文中称为排出孔(bleed hole)111)连接第一腔109和第二腔110。

如所提到的，可以通过将至少一个膜层101沉积在第一牺牲材料上方来形成膜。以此方式，(一个或多个)膜层的材料可以延伸到支撑膜的支撑结构(即，侧壁)内。可以由彼此大体上相同的材料形成膜和背板层，例如膜和背板均可以通过沉积氮化硅层来形成。膜层可以被设定尺度以具有所需的柔性，而背板可以被沉积成更厚且因此更刚性的结构。此外，在形成背板104时可以使用多种其他材料层以控制背板的属性。使用氮化硅材料系统在许多方面是有利的，尽管可以使用其他材料，例如使用多晶硅膜的MEMS换能器是已知的。

在一些应用中，麦克风可以在使用中被布置成使得经由背板接收入射声音。在这样的情况下，在背板104中布置另外的多个孔(下文称为声孔112)，以便允许空气分子自由移动，使得声波可以进入第二腔110。与基底腔108相关联的第一腔109和第二腔110允许膜101响应于通过背板104中的声孔112进入的声波而移动。在这样的情况下，基底腔108通常被称为“后容积(back volume)”，且它可以基本上被密封。

在其他应用中，麦克风可以被布置成使得可以在使用时经由基底腔108接收声音。在这样的应用中，背板104通常仍设置有多个孔，以允许空气在第二腔和背板上方的另一个容积之间自由移动。

还应注意，虽然图1示出背板104被支撑在膜的、与基底105相对的一侧上，但是如下这样的布置是已知的，其中背板104被形成为距基底最近，其中膜层101被支撑在背板104上方。

在使用时，响应于与入射在麦克风上的压力波对应的声波，膜从其平衡位置略微变形。下部电极102和上部电极103之间的距离被对应地更改，从而引起这两个电极之间的电容的改变，所述电容的改变随后被电子电路系统(未示出)检测到。排出孔允许第一腔和第二腔中的压力在相对长的时段(就声学频率而言)内平衡，这减小了例如由温度变化等引起的低频压力变化的影响，但不会影响在期望的声学频率下的灵敏度。

图1中示出的换能器被例示为具有支撑与背板104间隔开的膜层101的大体上垂直的侧壁。考虑到沉积过程的性质，这可以导致在形成膜的材料层中形成的拐角处的高应力集中。倾斜的或斜面的侧壁可以被用来减少应力集中。附加地或替代地，已知的是包括许多支撑结构，诸如柱，来帮助以减少应力集中的方式支撑膜。这样的柱是通过以下方式形成的：图案化用来限定第一腔109的第一牺牲材料，使得在沉积形成膜层101的材料之前，使基底105在许多区域中暴露。然而，此过程可能在所述柱的区域中的背板层的上表面中导致浅凹。

MEMS换能器(诸如图1中示出的那些MEMS换能器)可以有用地用在一系列设备中，所述设备包括便携式设备。尤其是当用于便携式设备时，期望MEMS换能器足够坚固以耐受对设备的预期处置和使用。因此，通常期望改善MEMS设备的弹性。

因此，为了有用地用在便携式电子设备中，这样的换能器应能够耐受对便携式设备的预期处置和使用，对所述便携式设备的预期处置和使用可以包括该设备被意外掉落。

如果设备(诸如移动电话)遭受坠落，这不仅会导致由于撞击而产生的机械冲击，而且还会导致入射在MEMS换能器上的高压力脉冲。例如，移动电话可能在设备的一个面上具有用于MEMS麦克风的声音/声学端口。如果该设备的该面坠落在地，则一些空气可以被坠落中的设备压缩，且被迫进入声音端口中。这会导致入射在换能器上的高压力脉冲。已经发现，在上文描述的形式的常规MEMS换能器中，高压力脉冲可以潜在地导致换能器损坏。

用来限定第一腔和第二腔的牺牲材料的被设定尺寸以便在膜层101和基底105之间以及在膜层101和背板104之间提供期望的平衡间隔，以便在使用中提供良好的灵敏度和动态范围。在正常操作中，膜可以在由第一腔和第二腔限定的容积内变形，而不接触背板和/或基底105。

然而，响应于高压力脉冲，膜层101可以表现出比通常更大的变形量。图2a例示了在高压力事件之后膜已经向下变形的情形，且图2b示出了膜已经向上移位的情形。

考虑如下情形：其中麦克风被布置成从布置在背板104上方的声音端口接收入射声音，且该声音端口压力突然增大，例如由于当设备坠落时困住的空气被迫进入该声音端口内。这可能导致第二腔110中的压力显著大于第一腔109中的压力，从而使膜向下移位到比通常更大的程度。这可能在膜层101形成支撑结构201的侧壁的一部分的点301处导致相对大的应力，且在一些情况下，可能因此导致膜层与侧壁结构的其余部分分层。此外，如果压力差足够大，则膜可以在由基底腔108的开口的侧壁202限定的基底的边缘处与基底105接触。通常，在基底腔的开口的位置处的基底的边缘具有相对尖锐的角度，因此膜会在该边缘周围变形，从而导致在此点302处的较大应力集中。

如先前所提到的，膜层101通常将由半导体材料(诸如氮化硅)的一个或多个薄层形成。虽然这样的材料在经受均匀的应力时可以是柔性的，但是如果存在诸如通过与基底腔108的开口的边缘接触而在点302处引入到膜内的显著局部平面外应力，则膜材料可能相对易碎。因此，膜和基底腔的开口的边缘之间的以此方式的接触可能导致损坏，诸如膜破裂。

上文参考图1讨论的排出孔将提供第一腔和第二腔之间的流动路径，且因此经过排出孔的空气流动将随着时间推移减小作用在膜上的压力差。然而，排出孔通常被有意地布置成提供有限量的流动，以便提供期望的频率响应。因此，在经过排出孔的流动起作用以使第一腔和第二腔中的压力均衡之前，可能在相对长的时间周期内在该膜两侧维持高压力差。经由排出孔均衡所需的时间可以通过更改排出孔的尺寸和/或数目来改变，但是这可能对换能器性能造成不利影响。

因为由困住的空气引起的高压力可能持续相对长的时间，所以第一腔和第二腔中的压力可以凭借如所讨论的排出孔来均衡。因此，第一腔和基底腔中的压力可以增大，直到所述压力被均衡。然而，一旦空气不再被迫进入声音端口，声音端口中的压力将非常快速地减小，且因为通常背板具有低声学阻抗，所以第二腔中的压力将快速减小。此时，第一腔中的压力可以显著大于第二腔中的压力，因此膜可以向上变形，再次达到比通常情况下更大的程度。此外，这可能在区域301中导致显著应力，在区域301中膜层101与支撑结构的侧壁相接。如果压力差足够大，则膜可以被移位得足够远到接触背板104。这与图2a中示出的情形相比可以限制膜的行进量，但是此外这可能在膜层接触背板104的点303处将应力引入到膜层中。此外，此压力差凭借经过排出孔的流动减小可能需要一段时间。

应理解，当经由基底腔108接收声音时，这两种情形也可能发生，但是以相反的顺序发生。

图3a至图3c示出了先前提出的MEMS换能器，该MEMS换能器包括柔性膜101和可移动部分或“翼片(flap)”402形式的可变通气口结构(vent structure)401。可移动翼片部分由细通道403限定，该细通道403延伸穿过膜并且使该可移动翼片部分与膜的其余部分部分地分离，同时经由连接部分404保持附接到膜的其余部分。

可移动翼片部分402被布置成使得它的平衡位置——即，它在大体上没有压力差作用在该可移动部分上时采取的位置——在膜的平面中。响应于通气口结构的可移动部分两侧的压力差，使该可移动部分偏转远离膜的平面以便使膜中的孔暴露。以此方式，响应于作用在可移动部分上的可变压力差，经过通气口结构的在膜上方的第一容积与膜下方的第二容积之间的流动路径的尺寸变化。

图3b以立体视图例示了膜的一部分和可变通气口。在此实施例中，膜下方的容积中的压力足够大于膜上方的容积中的压力，使得可移动翼片部分402已经向上偏转远离膜表面的其余部分。这打开了穿过膜的流动通道，即，有效地打开了基底中的孔。如果压力差增加到足够大，则可移动部分402可以进一步偏转，从而提供更大的打开量，即，更大的流动路径。

因此，该可移动部分可以采取一系列位置。这些位置取决于作用在该可移动部分(或可变通气口)上的压力差。该可移动部分偏转的程度还确定该可移动部分阻挡/暴露穿过膜的孔的程度，从而确定流动路径的尺寸。

图3中示出的结构已经被示出为如此起作用以减小在相对较高的压力差下作用在膜上的压力差。然而，由于例如由于撞击造成被迫进入主机设备的声音端口内的空气而引起的压力脉冲曲线可能常常在几毫秒内达到峰值。因此，除非通气口结构能够理想地在此时间范围内快速响应，否则仍可能因高压力或“超压力”事件而损坏。

发明内容

本发明涉及改进MEMS设备对入射在MEMS换能器上的高压力脉冲的弹性。特别地，本发明涉及改善设置在MEMS换能器的柔性膜上的通气口结构的响应时间。因此，本发明涉及促进在膜的上表面和下表面之间产生的压力差的均衡。

根据本发明的一方面，提供了一种MEMS换能器，包括：一个柔性膜，所述柔性膜具有包括至少一个可移动部分的通气口结构，其中所述通气口结构被配置成使得，响应于所述通气口结构两侧的压力差，所述可移动部分能够绕第一旋转轴线和第二旋转轴线旋转，这些旋转轴线在所述膜的平面中延伸。

根据本发明的另一方面，提供了一种MEMS换能器，包括：一个柔性膜，所述柔性膜具有包括至少一个可移动部分的通气口结构，所述至少一个可移动部分通过单个接头结构(joint structure)连接到所述膜，其中所述通气口结构被配置成使得，响应于所述通气口结构两侧的压力差，所述可移动部分能够绕在所述膜的平面中延伸的第一旋转轴线和大体正交于所述第一旋转轴线并且在所述可移动部分的平面中延伸的第二旋转轴线旋转，其中所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线在所述接头结构处相交。

响应于通气口结构的可移动部分两侧的压力差，可移动部分偏转以显露柔性膜中的尺寸可变的孔隙(aperture)。因此，响应于通气口结构的可移动部分两侧的压力差，可移动部分偏转以提供穿过柔性膜的流动路径。孔隙的尺寸并且因此流动路径的尺寸随着可移动部分偏转而增加。这有助于作用在膜的相对表面上的压力的均衡，且倾向于使可移动部分恢复到其平衡位置。

柔性膜表现出平衡位置，所述平衡位置可以被认为对应于穿过柔性膜的流动路径的最小尺寸。因此，在所述平衡位置，通气口结构两侧的压力差不足以导致可移动部分偏转，且穿过膜的流动路径的尺寸是最小的/可忽略的。

响应于通气口结构两侧的压力差，可移动部分可以潜在地绕两个旋转轴线旋转。在平衡时，这两个旋转轴线可以被认为大体上在所述膜的平面中延伸。然而，一旦可移动部分已经被偏转到膜的平面以上或以下，则第二旋转轴线可以被认为在可移动部分的平面中延伸。所述旋转轴线可以相互正交或可以彼此不正交。

可以相对于将所述/每个可移动部分连接到柔性膜的接头结构或“铰链”方便地限定旋转轴线。所述接头结构可以由设置在膜层内的一个或多个通道限定。所述接头结构例如可以包括一个简单的连接部分，或膜材料的“颈部”，其形成可移动部分与柔性膜的其余部分之间的连接。因此，可移动部分可以由狭缝或通道限定，所述狭缝或通道延伸穿过膜材料，从而将可移动部分与膜的其余部分分离，且因此限定可移动部分的周界形状。在其最简单的形式中，所述接头结构可以包括一个限定在通道的两个终止端或两个终止区域之间的连接部分。所述接头结构还可以包括大体上细长的梁结构，所述梁结构邻近连接部分延伸并且被定位在膜的其余部分和连接部分之间。

因此，限定可移动部分的通道可以被认为限定通道的两个端点之间的路径。每个端点可以被认为在通道的一个终止区域处。限定在通道的终止区域之间的连接部分的宽度可以被认为是通道的一个终止区域上的第一点与通道的另一个终止区域上的一个对应的点之间的距离。

第一旋转轴线可以被认为与接头结构的宽度大体上重合或平行。因此，第一旋转轴线可以与横跨形成在使可移动部分与膜的其余部分分离的通道的两个终止端或终止区域之间的连接部分的宽度重合或平行。替代地，第一旋转轴线可以与接头结构的大体上细长的梁的纵向部段重合或平行。可移动部分绕此第一旋转轴线的旋转将导致可移动部分偏转到膜的表面的其余部分以上或以下，这取决于作用在通气口结构上的合力。

在平衡时，第二旋转轴线也在膜的平面中延伸并且具有大体上垂直于接头结构的宽度的分量。可移动部分绕此第二旋转轴线的旋转倾向于导致可移动部分的一个侧向边缘/拐角(取决于所述可移动部分的形状)相对于膜表面的平面向上偏转，同时导致相对的侧向边缘/拐角相对于膜表面的平面向下偏转。

因此，所述接头结构可以被认为包括一个双铰链，所述双铰链允许所述可移动部分或每个可移动部分绕第一旋转轴线和第二旋转轴线旋转。

因此，所述可移动部分能够通过绕第二旋转轴线旋转而相对于膜的平面围绕所述接头结构“倾斜”。倾向于最初在高压力事件之后发生的绕第二旋转轴线的此倾斜倾向于导致最初暴露的孔隙的比例大于在可移动部分被认为仅绕第一旋转轴线旋转的情况下将显露的孔隙的比例。

可移动部分绕第二旋转轴线旋转的能力有利地使得通气口结构能够响应于膜两侧的压力差而更快速地打开。这有益地导致在压力脉冲事件之后膜两侧的压力的更快的均衡。

根据本发明的另一方面，提供了一种MEMS换能器，包括：一个柔性膜，所述柔性膜具有包括至少一个可移动部分的通气口结构，其中所述/每个可移动部分通过具有宽度的接头结构连接到所述膜，所述通气口结构被配置成使得，响应于所述通气口结构两侧的压力差，所述可移动部分能够绕具有垂直于所述接头结构的所述宽度的分量的旋转轴线旋转。

因此，通气口结构可以被配置成使得可移动部分的旋转绕具有垂直于接头结构的宽度方向的分量的旋转轴线发生。这例如可以是可移动部分的形状和/或每个可移动部分连接到膜的其余部分的方式的结果。

根据本发明的另一方面，提供了一种MEMS换能器，包括：一个柔性膜，所述柔性膜具有包括至少一个可移动部分的通气口结构，其中所述可移动部分通过接头结构连接到所述膜的其余部分，且其中在大体上正交于连接部分的宽度的方向上从所述连接部分的中心延伸横跨所述可移动部分的假想线将所述可移动部分分成第一部段和第二部段，所述第一部段具有比所述第二部段更大的表面面积。

根据本发明的另一方面，提供了一种MEMS换能器，包括：一个柔性膜，所述柔性膜具有包括至少一个可移动部分的通气口结构，其中所述可移动部分通过具有宽度的连接部分连接到所述膜的其余部分，且其中所述可移动部分关于在大体上正交于所述连接部分的宽度的方向上从所述连接部分的中心延伸横跨所述可移动部分的假想线不对称。

由于所述通气口结构两侧的压力差，合力作用在可移动部分上，从而导致可移动部分偏转。因此，在一些情况下，诸如在导致作用在可移动部分的一个平面表面上的压力(即，力/单位面积)与作用在可移动部分的相对的平面表面上的压力之间的差异的撞击事件中，合力在较大压力的方向上作用在可移动部分的表面上。

由于所述通气口两侧的压力差(例如在从可移动部分的上表面到下表面的方向上或反之亦然)，作用在可移动部分的一个部段的较大表面面积上的总力将大于作用在所述部段的较小表面面积上的总力。这导致可移动部分绕第二旋转轴线旋转。

根据另一方面，提供了一种MEMS换能器，包括：一个柔性膜，所述柔性膜具有包括至少一个可移动部分和一个接头结构的通气口结构，所述接头结构被设置在所述可移动部分的将所述可移动部分连接到所述柔性膜的连接边缘上，其中所述接头结构被设置在所述连接边缘上的偏心位置处。

根据本发明的另一方面，提供了一种MEMS换能器，包括：一个柔性膜，所述柔性膜具有包括至少一个可移动部分的通气口结构，其中所述可移动部分通过接头结构连接到所述膜的其余部分，且其中从所述接头结构的中心大体上正交地延伸横跨所述可移动部分的假想线将所述可移动部分分成第一部段和第二部段使得，响应于所述膜两侧的压力差，在第一部分上出现的合力引起绕所述假想线的力矩，所述力矩大于由在第二部分上出现的合力引起的力矩。

根据本发明的另一方面，提供了一种MEMS换能器，包括一个通气口结构，所述通气口结构包括一个可移动部分，所述可移动部分响应于所述通气口结构两侧的压力差而倾斜，使得所述可移动部分的一个边缘偏转到所述膜的平面以下，而所述可移动部分的一个相对的边缘偏转到所述膜的平面以上。

一般而言，提供了一种MEMS换能器，其包括设置在所述换能器的柔性膜中的至少一个通气口结构。所述MEMS换能器可以是电容式麦克风。所述柔性膜可以被支撑在第一容积和第二容积之间，且可以通过所述通气口在所述第一容积和所述第二容积之间设置一个流动路径。所述通气口结构可以包括一个可移动部分，所述可移动部分是可移动的，以便打开从所述第一容积延伸到所述第二容积的孔。所述可移动部分可以静止地占据所述孔的至少一些区域，且可能占据所述孔的大部分区域，但是能够响应于所述孔两侧的局部压力差而移动，以便改变打开以提供流动路径的孔的尺寸。换句话说，所述可移动部分可以在平衡时有效地封闭所述孔的至少一部分，但是能够移动以便改变所述孔封闭的程度。所述可移动部分优选地被布置成在正常操作压力差下保持所述孔(即，孔隙)封闭，但是在可能潜在地对所述膜造成损坏的较高压力差下更大以增大所述流动路径的尺寸，例如使所述孔封闭较少。因此，所述通气口可以被视为可变孔隙。

因此，所述通气口结构用作一种减压阀，以减小作用在所述膜上的压力差。然而，与膜中的具有固定面积从而具有固定尺寸的流动路径的排出孔(如果存在的话)不同，可变通气口具有响应于压力差而变化的流动路径尺寸，即孔隙。因此，所述通气口允许通气的程度取决于作用在所述通气口上的压力差，所述压力差明显取决于所述第一容积和所述第二容积中的至少一个的压力。因此，所述通气口结构提供了可变声学阻抗。

所述换能器可以包括一个背板结构，其中柔性膜层相对于所述背板结构被支撑。所述背板结构可以包括穿过所述背板结构的多个孔。当在所述柔性膜层中形成至少一个通气口结构时，穿过所述背板结构的孔中的至少一个可以包括在与所述柔性膜层中的通气口结构的位置对应的位置处的通气孔。所述背板中的通气孔的区域可以在所述柔性膜中的可变通气口首次打开时的位置处侧向延伸远离所述柔性膜中的通气口的打开区域。当至少一个通气口结构被形成在所述柔性膜层中并且包括一个经由梁结构连接到所述膜的其余部分的可移动部分并且所述可移动部分和梁结构由延伸穿过所述柔性膜的通道限定时；所述膜中的在使用中不形成穿过所述膜的可变流动路径的一部分的通道的位置则可以被布置成不与所述背板结构中的所述多个孔中的任何一个的位置大体上重叠。

所述换能器可以是电容式传感器，诸如麦克风。所述换能器可以包括读出电路系统(模拟的和/或数字的)。所述换能器和电路系统可以一起设置在单个半导体芯片上——例如，集成麦克风。替代地，所述换能器可以在一个芯片上，且所述电路系统可以被设置在第二芯片上。所述换能器可以被定位在具有声音端口(即，声学端口)的封装件内。所述换能器可以被实施在电子设备中，所述电子设备可以是以下中的至少一个：便携式设备；电池供电设备；音频设备；计算设备；通信设备；个人媒体播放器；移动电话；平板设备；游戏设备；以及语音控制设备。

任何给定的方面的特征可以与任何其他方面的特征组合，且本文描述的多种特征可以在一个给定的实施方案中以任何组合的方式实施。

为以上方面中的每个方面提供了相关联的制造MEMS换能器的方法。

附图说明

现在将参考附图仅通过实施例的方式描述本发明，在附图中：

图1a和图1b以截面视图和剖视立体视图例示了已知的电容式MEMS换能器；

图2a和图2b例示了高压力事件会如何影响膜；

图3a-图3c例示了已知的可变通气口结构；

图4例示了根据第一实施例的具有通气口结构的柔性膜，其中该通气口结构在平衡位置；

图5例示了在通气口两侧的第一压力差的情况下根据第一实施例的具有通气口结构的柔性膜；

图6例示了在通气口两侧的第二压力差的情况下根据第一实施例的具有通气口结构的柔性膜；

图7例示了示例本发明的许多其他通气口结构；以及

图8a至图8h例示了多种MEMS换能器封装件。

具体实施方式

本发明的实施方案涉及MEMS换能器，所述MEMS换能器包括一个换能器结构，该换能器结构包括被支撑在第一容积和第二容积之间的柔性膜。第一容积可以例如包括膜和基底之间的第一腔109和/或在基底108中形成的容积。第二容积可以包括膜和背板之间的第二腔110和/或与第二腔流体连通的任何容积(例如，在顶部端口实施方案中的声音端口)。

为了降低在高压力情形下损坏的可能性，该换能器结构包括至少一个与所述第一容积和第二容积中的至少一个连通的通气口结构。所述通气口结构包括至少一个可移动部分，所述可移动部分能够响应于所述通气口结构两侧的压力差而移动。

图4、图5和图6例示了根据第一实施例的柔性膜501。

参考图4、图5和图6中例示的实施例，柔性膜501包括具有三个可移动部分502a、502b、502c的通气口结构。在此实施例中，所述可移动部分中的每个是不规则多边形并且通过接头结构连接到该膜的其余部分。在此实施例中，该接头结构包括连接部分505和梁结构503。

每个可移动部分由通道403形成，通道403从该膜的上表面延伸到该通道的下表面。可以通过蚀穿该膜形成的通道403将每个可移动部分与膜501的其余部分部分地分离。每个梁结构由辅助通道504形成，辅助通道504延伸穿过膜并且可以通过蚀穿该膜来形成。

所述连接部分包括膜材料的一部分或“颈部”，该部分或“颈部”由通道403的终止端或终止区域限定。例如，返回参见图3a，将理解，包括膜材料的非常浅的颈部的连接部分可以直接形成在通道403的终止端之间。终止端之间的距离表示连接部分的宽度w。替代地，如由图4a的翼片502b例示的，通道403的终止区域向内朝向可移动部分的中心区域延伸，从而限定膜材料的具有宽度w的更明显的颈部。限定在通道的终止区域之间的连接部分的宽度可以被认为是通道的一个终止区域上的第一点与通道的另一个终止区域上的一个对应的点之间的距离。

作为另一个实施例，且如由图4a的翼片502c例示的，通道的终止区域可以限定C形或U形路径，使得在终止端之间绘制的线将与通道相交。在此情况下，将理解，尽管连接部分没有直接设置在通道403的终止端之间，但是连接部分仍然是限定在通道的终止区域之间的膜材料的颈部。每个可移动部分沿着与膜的协作边缘大致重合的连接边缘连接到膜的其余部分。除了在接头结构处之外，所述可移动部分的连接边缘通过通道403与膜的其余部分分离。在此实施例中，所述接头结构被设置在所述可移动部分的连接边缘上的偏心位置处。将理解，可移动部分的“连接边缘”被限定为包括接头并且在图4a上示出的点X和Y之间延伸的边缘。

当然将理解，通道403确实表示使空气流动经过膜的路径，然而通道403可以被形成为具有非常窄的宽度，从而当可移动翼片部分在平衡位置、由此可移动部分嵌合以大体上封闭孔隙时，经过通道的空气流动将最小或可忽略。

通道403的宽度可受到以下的限制：对最小可蚀刻间隙的光刻工艺约束，或对用于使可移动元件弯曲和挠曲但仍然越过结构的其余部分的一些机械间隙的需要。此外，窄间隙将倾向于具有较大比例的制造公差，从而导致闭合时声学阻抗的变化较大，并因此导致例如麦克风的低频滚降的变化较宽。

相对于范围在20μm至50μm的典型通气口结构，典型宽度可以是1μm。然而，根据声学规格或制造工艺能力，该宽度可能其十分之一或是其十倍。如所提到的，限定可移动通气口部分的通道的线宽可能影响诸如低频滚降的因素。在选择适当的线宽时，可以模拟不同宽度的效果和/或可以制造和测试不同设计。

图4a、图4b和图4c示出了当膜两侧的压力差为零或接近零时处于大体上封闭或“平衡”状态的通气口结构。图5a、图5b和图5c示出了在第一相对低的压力差下通气口结构的可移动部分的位置。图6a、图6b和图6c示出了在第二相对高的压力差下通气口结构的可移动部分的位置。

图4a、图4b和图4c分别示出了当膜两侧的压力差为零或接近零并且可移动部分502a、502b和502c因此大体上在平面中或与膜的平面表面“齐平”时柔性膜501的平面视图、侧视图和正视图。在此情况下，经过膜的流动路径基本被封闭(其中根据通道403的尺寸，任何最小的空气流动经过膜)。

参考图4a，其示出了从柔性件的上表面看到的平面视图，可以看到可移动部分502表现出不规则多边形形状。可以认为每个可移动部分在假想“中心线”C的任一侧延伸，该假想“中心线”C在大体上正交于与连接部分的宽度w重合或平行的线的方向上从接头结构的中心延伸横跨可移动部分。该中心线C将可移动部分分成第一部段a1和第二部段a2。可移动部分502关于假想中心线C不对称，且可以看到第一部段a1表现出比第二部段a2更大的表面面积。

在引起膜的上表面和下表面上经受的压力之间的压力差的事件之后，可移动部分偏转出膜的平面。图5a、图5b和图5c分别示出了在通气口两侧的第一压力差的情况下柔性膜501的平面视图、侧视图和正视图。如从图5b和图5c可以最清楚地看到的，可移动部分502中的每个已经绕第一旋转轴线R1和第二旋转轴线R2(示出在5a上)旋转，从而使可移动部分偏转远离膜的其余部分，以便显露膜中的孔隙A。孔隙A提供经过膜的流动路径。

每个可移动部分的第一旋转轴线R1与梁503的细长部分大体上重合或平行。孔隙A可以被认为是大致圆形的(尽管将理解，在此实施例中，该孔隙的外边缘由直边形成)。因此，第一旋转轴线R1可以被认为具有切向分量t——即，可以相对于通气口结构或孔隙切向分解的分量。在此具体实施例中，第一旋转轴线与该切向分量大体上重合。

第二旋转轴线R2在膜的平面中延伸横跨通气口结构。因此，R2具有在膜的平面中从接头结构朝向通气口结构的中心延伸的分量Rc。第二旋转轴线R2可以与第一旋转轴线R1大体上正交。

考虑关于第一旋转轴线R1所采取的旋转轴线，可以看到，作用在可移动部分上的第一压力差已经导致绕R1的旋转，以便使可移动部分向上偏转出膜的平面。

从图5b和5c可以看到的是，由于作用在通气口结构两侧的第一压力差，绕第二旋转轴线R2发生的旋转移动倾向于导致可移动部分“倾斜”。因此，可移动部分的部段a1的侧向边缘已经相对于膜的平面向上偏转，而可移动部分的部段a2的侧向边缘已经相对于膜的平面向下偏转。由于绕第一旋转轴线R1发生的旋转量相对小，因此可移动部分的已经绕R2向下偏转的部段a2的侧向边缘实际上略微突出到膜的表面以下。这可以在图5b中看到。

在此相对低的压力差下，当通气口结构更接近平衡位置时，通气口两侧的压力差倾向于使得绕R2的旋转比绕R1的旋转更大。可移动部分绕第二旋转轴线的继续偏转倾向于导致将显露的孔隙的比例比由于绕R1旋转而将显露的孔隙的比例更大(从而导致更大的流动路径)。这使得通气口结构能够响应于高压力事件从平衡位置更快速地打开，因此响应于相对低的压力差而显露出更大的孔隙。这有益地使得膜上方和下方的相对压力更快地均衡，从而保护换能器免受潜在的损坏。

图6a、图6b和图6c分别示出了在通气口两侧的第二压力差的情况下柔性膜501的平面视图、侧视图和正视图，第二压力差高于上文参考图5讨论的第一压力差。在此情况下，可移动部分由于通气口结构两侧的压力差而已经经历了大的偏转。具体地，通过梁503的扭转或扭曲提供的绕第一轴线R1的旋转倾向于导致可移动部分502向上朝向与膜的其余部分的平面正交的平面偏转。在此相对高的压力差下，可移动部分的连续偏转倾向于绕R1发生。

通气口结构的所述/每个可移动部分可以响应于膜两侧的压力差而绕旋转轴线中的任一个或两个旋转。例如，考虑在例如由于主机设备坠落与表面撞击而导致困住的空气被迫进入主机设备的声音端口内的事件之后发生的压力曲线。声音端口的压力将在一定时间内上升并且将达到峰值压力差，之后因通气口结构打开而减小，以使通气口两侧的压力均衡。随着空气压力增大，所述/每个可移动部分可以最初绕具有在水平平面中垂直于铰链的分量的轴线(“第二旋转轴线”)旋转。随着压力继续上升，所述/每个可移动部分还可以同时绕第一轴线旋转。然后，在更高的压力下，所述/每个可移动部分可以绕具有在水平平面中大体上平行于接头结构的分量的轴线(“第一”旋转轴线)旋转。

图4、图5和图6中示出的通气口结构包括围绕膜孔隙A的周边布置的三个可移动部分。然而将理解的是，此设计可以被推广到纳入任何数目的任何形状(包括球棒形/三叶草形)的可移动部分，已经发现此配置是特别有益的，因为它平衡了以下矛盾目标：响应速度——其与可移动部分的数目成比例——和与在膜中设置更多通道来限定可移动部分相关联的“泄漏”(即，在通气口在平衡位置时发生的经过膜的空气流动)。

图7a和7b示出了示例的另一些通气口结构。

图7a示出了用于MEMS换能器的柔性膜601，该柔性膜601包括单个可移动部分602。可移动部分602在假想“中心线”C的任一侧延伸，该假想“中心线”C在大体上正交于横跨连接部分或横跨连接部分的宽度在宽度方向绘制的线的方向上从接头结构604的中心延伸横跨可移动部分。因此，中心线C将可移动部分分成第一部段a1和第二部段a2。可移动部分602关于假想中心线C不对称，且可以看到，第一部段a1表现出比第二部段a2更大的表面面积。从中心线C上的点P开始，从点P到可移动部分的第一部段a1的侧向边缘大体上正交地绘制的第一线d1的距离大于从点P到第二部段a2的侧向边缘大体上正交地绘制的第二线的距离。

可移动部分沿着连接边缘603在偏移连接边缘的中心的位置处连接到膜的其余部分。响应于膜601两侧的压力差，可移动部分可以绕第一旋转轴线R1和第二旋转轴线R2旋转。

通气口可以充当非线性通气口，其是流动路径尺寸不固定并且其中通气口打开的程度以及经过通气口的流动速率随着压力差以非线性方式而变化的通气口。

图7b示出了用于MEMS换能器的柔性膜601，该柔性膜601包括两个可移动部分702a和702b，每个可移动部通过连接部分连接到膜的其余部分。

因此，本发明的实施方案总体上涉及MEMS换能器，所述MEMS换能器包括具有被支撑在第一容积和第二容积之间的柔性膜以及至少一个通气口结构的换能器结构。所述通气口结构具有至少一个可移动部分，所述至少一个可移动部分能够响应于可移动部分两侧的高压力差而移动，以便为排出流体(例如来自所述第一容积和第二容积中的至少一个的气体)提供流动路径。

已经在从容积排出空气方面描述了实施方案。相同的原理适用于其他气体并且实际上适用于其他流体，可能包括液体。在一些实施方案中，该换能器可以被布置在填充有除了空气之外的流体的密封环境中，该密封环境被布置成允许压力波传输到密封环境外部或传输来自密封环境外部的压力波。仍然可能存在可以在密封环境中生成的大的压力差，且在这样的实施方案中使用可变通气口会是有益的。

本发明的实施方案还涉及MEMS换能器，所述MEMS换能器包括被支撑在第一容积和第二容积之间的柔性膜以及连接所述第一容积和第二容积的通气口结构。所述通气口提供尺寸随着该膜两侧的压力差而变化的流动路径。

本发明的实施方案还涉及具有被支撑在第一容积和第二容积之间的膜的MEMS换能器，其中所述第一容积和第二容积之间的声学阻抗能够随着所述容积之间的压力差而变化。

尽管多种实施方案描述了MEMS电容式麦克风，但是本发明还可应用于除了麦克风之外的任何形式的MEMS换能器，例如压力传感器或超声波发射器/接收器。

本发明的实施方案可以在一系列不同的材料系统中有用地实施，然而，本文描述的实施方案对于具有包括氮化硅的膜层的MEMS换能器特别有利。

应注意，上文描述的实施方案可以用在一系列设备中，包括但不限于：模拟麦克风、数字麦克风、压力传感器或超声换能器。本发明还可以用在许多应用中，包括但不限于：消费者应用、医疗应用、工业应用和自动化应用。例如，典型的消费者应用包括：便携式音频播放器、膝上型电脑、移动电话、PDA以及个人计算机。实施方案还可以用在语音激活设备或语音控制设备中。典型的医疗应用包括助听器。典型的工业应用包括主动噪音消除。典型的自动化应用包括免提设定、声学碰撞传感器以及主动噪音消除。

根据上文描述的实施方案中的任何一个实施方案的一个或多个换能器可以被纳入一个封装件中。图8a至图8g例示了多种不同的封装布置。图8a至图8g中的每个示出了定位在封装件中的换能器元件，但是应理解，在一些实施方案中，可以存在不止一个换能器(例如，换能器阵列)，且多种换能器可以被形成在相同的换能器基底(即，单片换能器基底)上，或可以被形成为具有单独的换能器基底的单独的换能器，每个单独的换能器基底被接合到封装件基底。

图8a示出了第一布置，其中换能器1100被定位在封装件基底1102上的盖1101内，盖1101形成壳体的至少一部分。在此实施例中，盖可以是接合到基底的金属壳体。封装件基底可以包括至少一个绝缘层。封装件基底还可以包括至少一个导电层。封装件基底可以是半导体材料，或可以由诸如PCB、陶瓷等的材料形成。在盖1101是金属的或盖1101本身包括导电层的情况下，盖可以被电联接到基底的导电层，例如，以使得壳体提供针对电磁干扰(EMI)的屏蔽。接合线1103可以将换能器连接到封装件基底上的接合焊盘。在一些实施方案中，读出电路系统(例如，放大器电路系统)可以被定位在壳体内，所述壳体被形成在封装件基底中或连接到封装件基底。穿过封装件基底的通孔(未示出)可以连接到触点(即，焊料焊盘)1104，用于将外部电路系统(未示出)电连接到封装件，以允许将电信号传输到换能器1100/传输来自换能器1100的电信号。在图8a中示出的实施例中，在盖1101中存在一个声音端口或声学端口，以允许声音进入封装件，且换能器被布置在顶部端口布置中。

图8b例示了一个替代布置，其中声音端口被设置在封装件基底1102中并且可以在使用时被密封。环1105可以是密封环或焊料焊盘环(用于在形成焊料环时使用)，环1105可以围绕封装件的外侧上的声音端口的周边设置，以允许在使用时，在例如将封装件连接到另一个PCB时，对通向声音端口的声音路径进行密封。在此实施方案中，换能器被布置在底部端口布置中，且由壳体1101限定的容积形成换能器的后容积的一部分。

图8c例示了一个实施例，其中代替将换能器连接到封装件基底的接合线，换能器结构被倒置，且经由连接件1106而被倒装(flip-chip)接合到封装件基底。在此实施例中，声音端口在封装件基底中，使得封装件被布置在底部端口布置中。

图8d例示了图8b的实施例的一个替代实施例，其中壳体1107由多种材料面板(例如，PCB等)形成。在此情形下，壳体1107可以包括一个或多个导电层和/或一个或多个绝缘层。图8d示出了封装件基底中的声音端口。图8e示出了图8b的布置的一个替代布置，其中壳体1107由多种材料面板(例如，如关于图8d所描述的PCB等)形成。图8f示出了另一个实施方案，其中换能器结构经由连接1106被接合到壳体上部层，该壳体上部层例如可以是PCB或层状的导电材料/绝缘材料。然而，在此实施例中，与封装件的电连接仍然是经由封装件基底上的触点(焊料焊盘)1404，例如封装件基底中的通孔(未示出)以及在壳体的内侧上至换能器的导电迹线(trace)。图8g例示了图8c的实施例的一个替代实施例，其中换能器被倒装接合到壳体1107中的封装件基底，该壳体1107由材料面板(例如，如关于图8d描述的PCB等)形成。

一般而言，如图8h中例示的，一个或多个换能器可以被定位在一个封装件中，然后该封装件被操作性地互连到另一个基底(诸如母板(mother board))，如本领域已知的。

应注意，上文提及的实施方案例示而非限制本发明，在不偏离随附的权利要求的范围的前提下，本领域普通技术人员将能够设计许多替代实施方案。词语“包括”不排除除了权利要求中所列出的元件或步骤以外的元件或步骤的存在，“一”或“一个”不排除多个，以及单个特征或其他单元可以实现权利要求中所引用的多个单元的功能。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制它们的范围。

Claims (32)

1.一种MEMS换能器，包括：一个柔性膜，所述柔性膜具有包括至少一个可移动部分的通气口结构，其中所述可移动部分通过具有宽度的单个连接部分连接到所述膜的其余部分，且其中所述可移动部分关于一个假想线不对称，该假想线在大体上正交于所述连接部分的宽度的方向上从所述连接部分的中心延伸横跨所述可移动部分。

2.一种MEMS换能器，包括：

一个柔性膜，所述柔性膜具有包括至少一个可移动部分的通气口结构，所述至少一个可移动部分通过单个接头结构连接到所述膜，所述通气口结构被配置成使得，响应于所述通气口结构两侧的压力差，所述可移动部分能够绕第一旋转轴线和第二旋转轴线旋转，当所述通气口结构在平衡位置时，这些旋转轴线在所述膜的平面中延伸，其中所述第一旋转轴线和所述第二旋转轴线在所述接头结构处相交。

3.根据权利要求2所述的MEMS换能器，其中所述接头结构包括具有宽度的连接部分，且其中所述第一旋转轴线具有在所述膜的平面中与所述连接部分的宽度大体上重合或平行的分量。

4.根据权利要求2或3所述的MEMS换能器，其中所述第二旋转轴线具有大体上垂直于所述第一旋转轴线的分量。

5.根据权利要求2或3所述的MEMS换能器，其中绕所述第一旋转轴线的旋转倾向于导致所述可移动部分偏转到所述膜的平面以上或以下。

6.根据权利要求2或3所述的MEMS换能器，其中绕所述第二旋转轴线的旋转倾向于导致相应的可移动部分相对于所述膜的平面倾斜。

7.根据权利要求2或3所述的MEMS换能器，其中所述第一旋转轴线和第二旋转轴线相互正交。

8.一种MEMS换能器，包括一个柔性膜，所述柔性膜具有包括至少一个可移动部分的通气口结构，其中所述/每个可移动部分通过具有连接部分的单个接头结构连接到所述膜，所述通气口结构被配置成使得，响应于所述通气口结构两侧的压力差，所述可移动部分能够绕具有垂直于所述连接部分的宽度的分量的旋转轴线旋转。

9.一种MEMS换能器，包括：

一个柔性膜，所述柔性膜具有包括至少一个可移动部分的通气口结构，其中所述可移动部分通过具有宽度的单个连接部分连接到所述膜的其余部分，且其中一个假想线将所述可移动部分分成第一部段和第二部段，所述第一部段具有比所述第二部段更大的表面面积，所述假想线在大体上正交于所述连接部分的宽度的方向上从所述连接部分的中心延伸横跨所述可移动部分。

10.根据权利要求1、8或9中的任一项所述的MEMS换能器，其中，响应于所述通气口结构两侧的压力差，所述可移动部分能够绕在所述可移动部分的平面中具有垂直于所述连接部分的宽度的分量的旋转轴线旋转。

11.根据权利要求1、2、8或9中的任一项所述的MEMS换能器，其中，所述可移动部分旋转以暴露所述膜中的孔隙，从而提供穿过所述膜的流动路径。

12.根据权利要求11所述的MEMS换能器，其中所述通气口结构包括三个可移动部分，所述三个可移动部分围绕所述膜中的所述孔隙的外周边布置。

13.根据权利要求1、2、8或9中的任一项所述的MEMS换能器，其中，所述可移动部分或每个可移动部分具有平衡位置，在所述平衡位置，所述膜两侧的压力差是可忽略的，且在所述平衡位置，穿过所述通气口结构的流动路径在最小值处。

14.根据权利要求1、2、8或9中的任一项所述的MEMS换能器，其中所述柔性膜被支撑在第一容积和第二容积之间，且其中流动路径在所述第一容积和所述第二容积之间。

15.根据权利要求1、2、8或9中的任一项所述的MEMS换能器，其中所述柔性膜的所述至少一个可移动部分由行进穿过所述柔性膜的一个或多个通道限定。

16.根据权利要求1、2、8或9中的任一项所述的MEMS换能器，其中所述至少一个可移动部分是不规则多边形。

17.根据前一项权利要求所述的MEMS换能器，其中所述可移动部分经由梁结构连接到所述柔性膜的其余部分。

18.根据权利要求1、2、8或9中的任一项所述的MEMS换能器，包括一个背板结构，其中所述柔性膜相对于所述背板结构被支撑。

19.根据权利要求18所述的MEMS换能器，其中所述背板结构包括穿过所述背板结构的多个孔。

20.一种MEMS换能器，包括一个柔性膜，所述柔性膜具有一个通气口结构，所述通气口结构包括一个可移动部分，所述可移动部分通过一个接头结构连接到所述膜，其中所述可移动部分响应于所述通气口结构两侧的压力差而相对于所述接头结构侧向倾斜，使得所述可移动部分的一个侧向边缘偏转到所述膜的平面以下，而所述可移动部分的一个相对的侧向边缘偏转到所述膜的平面以上。

21.根据权利要求1、2、8、9或20中的任一项所述的MEMS换能器，其中所述换能器包括电容式传感器。

22.根据权利要求1、2、8、9或20中的任一项所述的MEMS换能器，其中所述换能器包括麦克风。

23.根据权利要求21所述的MEMS换能器，还包括读出电路系统。

24.根据权利要求23所述的MEMS换能器，其中所述读出电路系统能够包括模拟电路系统和/或数字电路系统。

25.根据权利要求1、2、8、9或20中的任一项所述的MEMS换能器，其中所述换能器被定位在具有声音端口的封装件内。

26.一种电子设备，包括根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器。

27.根据权利要求26所述的电子设备，其中所述设备是以下中的至少一个：便携式设备；电池供电设备；音频设备；计算设备；通信设备；个人媒体播放器；移动电话；游戏设备；以及语音控制设备。

28.一种集成电路，包括读出电路系统和根据权利要求1-25中的任一项所述的MEMS换能器。

29.一种制造具有柔性膜的MEMS换能器的方法，所述方法包括：

形成具有支撑在第一容积和第二容积之间的柔性膜的结构；以及

形成与所述第一容积和所述第二容积中的至少一个连通的至少一个通气口结构，所述至少一个通气口结构包括通过接头结构连接到所述柔性膜的至少一个可移动部分，其中，响应于所述通气口结构两侧的压力差，所述可移动部分能够绕具有在所述膜的平面中垂直于所述接头结构的宽度的分量的旋转轴线旋转。

30.一种制造具有柔性膜的MEMS换能器的方法，所述方法包括：

形成具有支撑在第一容积和第二容积之间的柔性膜的结构；以及

形成与所述第一容积和所述第二容积中的至少一个连通的至少一个通气口结构，所述至少一个通气口结构包括至少一个可移动部分；以及

在所述可移动部分的将所述可移动部分连接到所述柔性膜的连接边缘上形成单个接头结构，其中所述接头结构被形成在所述连接边缘上的偏心位置处。

31.根据权利要求29或30所述的方法，包括形成膜层以形成所述柔性膜的至少一部分并且在所述膜层中形成至少一个所述通气口结构。

32.根据权利要求31所述的方法，其中形成所述通气口结构包括形成穿过所述膜层的一个或多个通道，以使得能够响应于压力差使所述柔性膜的一部分偏转远离所述柔性膜的其余部分的表面。