本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(mems)設(shè)備和方法，具體地，涉及與換能器有關(guān)的mems設(shè)備和方法，所述換能器例如是電容式麥克風(fēng)。

多種mems設(shè)備正變得越來(lái)越受歡迎。mems換能器，尤其是mems電容式麥克風(fēng)，越來(lái)越多地用在便攜式電子設(shè)備(諸如移動(dòng)電話和便攜式計(jì)算設(shè)備)中。

使用mems制造方法形成的麥克風(fēng)設(shè)備通常包括一個(gè)或多個(gè)膜，其中用于讀出/驅(qū)動(dòng)的電極被沉積在所述膜和/或基底上。在mems壓力傳感器和麥克風(fēng)的情況下，通常通過(guò)測(cè)量所述電極之間的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)讀出。在輸出換能器的情況下，通過(guò)靜電力來(lái)移動(dòng)所述膜，所述靜電力是通過(guò)使跨所述電極施加的電位差變化生成的。

圖1a和圖1b分別示出了已知的電容式mems麥克風(fēng)設(shè)備100的示意圖和立體視圖。電容式麥克風(fēng)設(shè)備100包括一個(gè)膜層101，該膜層101形成一個(gè)柔性膜，該柔性膜響應(yīng)于由聲波所生成的壓力差而自由移動(dòng)。第一電極103機(jī)械地聯(lián)接至該柔性膜，且它們一起形成電容式麥克風(fēng)設(shè)備的第一電容板。第二電極102機(jī)械地聯(lián)接至大體剛性的結(jié)構(gòu)層或背板(back-plate)104，它們一起形成電容式麥克風(fēng)設(shè)備的第二電容板。在圖1a示出的實(shí)施例中，第二電極102被嵌入在背板結(jié)構(gòu)104中。

該電容式麥克風(fēng)被形成在基底105上，該基底105例如是硅晶片，該硅晶片可以具有在其上形成的上部氧化物層106和下部氧化物層107。該基底中以及任何覆蓋層中的腔108(在下文中稱(chēng)為基底腔)被設(shè)置在膜下方，且可以使用“背部蝕刻(back-etch)”穿過(guò)基底105來(lái)形成?；浊?08連接至定位在膜正下方的第一腔109。這些腔108和109可以共同提供聲學(xué)容積，從而允許膜響應(yīng)于聲學(xué)激勵(lì)而移動(dòng)。置于第一電極103和第二電極102之間的是第二腔110。

多個(gè)孔(在下文中稱(chēng)為排出孔(bleedhole)111)連接第一腔109和第二腔110。

又一些多個(gè)孔(在下文中稱(chēng)為聲學(xué)孔112)被布置在背板104中，以便允許空氣分子自由移動(dòng)穿過(guò)該背板，使得第二腔110與該背板的另一側(cè)上的空間一起形成聲學(xué)容積的一部分。膜101因此被支撐在兩個(gè)容積之間，一個(gè)容積包括腔109和基底腔108，另一個(gè)容積包括腔110和該背板上方的任何空間。這些容積被定尺寸使得該膜可以響應(yīng)于經(jīng)由這些容積中的一個(gè)進(jìn)入的聲波而移動(dòng)。通常，入射聲波到達(dá)該膜所穿過(guò)的容積稱(chēng)為“前容積(frontvolume)”，而另一個(gè)容積稱(chēng)為“后容積(backvolume)”，所述另一個(gè)容積可以是基本上密封的。

在一些應(yīng)用中，該背板可以被布置在前容積中，以使得入射聲音經(jīng)由背板104中的聲學(xué)孔112到達(dá)該膜。在這樣的情況下，基底腔108可以被定尺寸為提供至少一個(gè)合適的后容積的相當(dāng)大一部分。

在其他應(yīng)用中，該麥克風(fēng)可以被布置為使得，在使用時(shí)可以經(jīng)由基底腔108接收聲音，即該基底腔形成一個(gè)到膜的聲學(xué)通道的一部分和前容積的一部分。在這樣的應(yīng)用中，背板104形成通常由某個(gè)其他結(jié)構(gòu)(諸如合適的封裝件)封閉的后容積的一部分。

還應(yīng)注意，雖然圖1示出背板104被支撐在膜的、與基底105相對(duì)的側(cè)上，但是如下這樣的布置是已知的，其中背板104被形成為距基底最近，其中膜層101被支撐在背板104上方。

在使用時(shí)，響應(yīng)于與入射在麥克風(fēng)上的壓力波對(duì)應(yīng)的聲波，該膜從其平衡位置略微變形。下部電極103和上部電極102之間的距離被對(duì)應(yīng)地更改，從而引起這兩個(gè)電極之間的電容的改變，所述電容的改變隨后通過(guò)電子電路系統(tǒng)(未示出)檢測(cè)。排出孔允許第一腔和第二腔中的壓力在相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)段(就聲學(xué)頻率而言)內(nèi)平衡，這減小了例如由溫度變化等引起的低頻壓力變化的影響，但不會(huì)在期望的聲學(xué)頻率下影響靈敏度。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，mems換能器通常被形成在晶片上，之后被單切(singulated)。正越來(lái)越多地提出，至少某個(gè)電子電路系統(tǒng)(例如用于換能器的讀出和/或驅(qū)動(dòng))也被提供作為具有換能器的集成電路的一部分。例如，mems麥克風(fēng)可以被形成為具有至少某個(gè)放大器電路系統(tǒng)和/或某個(gè)用于使麥克風(fēng)偏置的電路系統(tǒng)的集成電路。換能器和任何電路系統(tǒng)所期望的區(qū)域的占地面積(footprint)將決定可以在一個(gè)給定的晶片上形成多少個(gè)設(shè)備，從而影響mems設(shè)備的成本。因此，通常期望減少在晶片上制造mems設(shè)備所期望的占地面積。

除了適合于在便攜式電子設(shè)備中使用之外，這樣的換能器應(yīng)能夠耐受對(duì)便攜式設(shè)備的預(yù)期處置和使用，所述便攜式設(shè)備的預(yù)期處置和使用可以包括該設(shè)備被意外掉落。

如果設(shè)備(諸如移動(dòng)電話)遭受墜落，這不僅會(huì)導(dǎo)致由于撞擊而產(chǎn)生的機(jī)械沖擊，而且還會(huì)導(dǎo)致入射在mems換能器上的高壓力脈沖。例如，移動(dòng)電話可能在該設(shè)備的一個(gè)面上具有用于mems麥克風(fēng)的聲音端口。如果該設(shè)備墜落到該面上，則一些空氣可以被墜落中的設(shè)備壓縮，且被迫進(jìn)入聲音端口中。此壓縮可以導(dǎo)致入射在換能器上的高壓力脈沖。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)mems換能器中，高壓力脈沖可以潛在地導(dǎo)致?lián)Q能器的損壞。

為了幫助防止可能由這些高壓力脈沖所導(dǎo)致的任何損壞，已經(jīng)提出，mems換能器可以被設(shè)置有可變通氣部(vent)，所述可變通氣部可以在前容積和后容積之間提供流動(dòng)路徑，該流動(dòng)路徑具有在使用時(shí)可以變化的尺寸。在高壓力情形下，所述可變通氣部在所述容積之間提供相對(duì)大的流動(dòng)路徑，以便在所述容積之間提供相對(duì)迅速的均衡，從而減小膜上的高壓力事件的程度和/或持續(xù)時(shí)間。然而，在換能器的預(yù)期正常操作范圍以?xún)?nèi)的較低壓力下，該流動(dòng)路徑的尺寸(如果有的話)則較小。

因此，可變通氣部結(jié)構(gòu)(ventstructure)用作一種類(lèi)型的壓力釋放閥，以在相對(duì)高的壓力差下減小作用在膜上的壓力差。然而，與在具有固定面積從而具有固定尺寸的流動(dòng)路徑的膜中可能存在的排出孔不同，可變通氣部具有響應(yīng)于壓力差而變化的流動(dòng)路徑尺寸。因此，可變通氣部允許通氣的程度取決于作用在通氣部上的壓力差，所述壓力差顯然取決于第一容積和第二容積中的至少一個(gè)的壓力。該可變通氣部因此提供可變的聲學(xué)阻抗。

一種所提出的可變通氣部結(jié)構(gòu)具有一個(gè)可移動(dòng)部分，該可移動(dòng)部分可移動(dòng)，以便打開(kāi)在膜的任一側(cè)上的容積之間延伸的孔。圖2a和圖2b例示這樣已知的可變通氣部結(jié)構(gòu)。圖2a例示諸如上文關(guān)于圖1a和圖1b描述的換能器的柔性膜101(為了清楚起見(jiàn)，省略了換能器結(jié)構(gòu)的其余部分)。該膜被支撐在包括腔109的第一容積和包括腔110的第二容積之間。如上文描述的，該膜通常將具有多個(gè)排出孔111，所述排出孔111被定尺度并且被布置為在換能器上產(chǎn)生調(diào)諧效應(yīng)并且減小低頻壓力變化的影響。然而，這樣的排出孔被設(shè)計(jì)為在感興趣的聲學(xué)頻率下對(duì)動(dòng)態(tài)壓力變化具有有限的影響，從而提供對(duì)突然高壓力事件的非常有限的響應(yīng)。

因此，圖2a的換能器結(jié)構(gòu)還包括由可移動(dòng)部分202形成的可變通氣部結(jié)構(gòu)201，如由圖2b例示的，該可移動(dòng)部分202相對(duì)于一個(gè)孔可移動(dòng)，所述孔在此情況下是穿過(guò)膜101的孔?？梢苿?dòng)部分202被布置為在平衡壓力下(即當(dāng)?shù)谝蝗莘e和第二容積處于大體上相同的壓力時(shí))占據(jù)該孔的區(qū)域的至少一些，且可能占據(jù)該孔的區(qū)域的大部分。該可移動(dòng)部分響應(yīng)于該孔兩側(cè)(即在前容積和后容積之間從而膜兩側(cè))的局部壓力差而可移動(dòng)，以便使該孔的尺寸變化，該孔被打開(kāi)以提供流動(dòng)路徑，從而使通氣部允許所述容積之間的壓力均衡的程度變化。換句話說(shuō)，在平衡時(shí)，該可移動(dòng)部分可以有效地閉合該孔的至少一部分，但該可移動(dòng)部分可移動(dòng)，以便使該孔被閉合的程度變化。

可移動(dòng)部分202可以通過(guò)穿過(guò)膜材料101蝕刻一個(gè)或多個(gè)通道203來(lái)限定，使得該可移動(dòng)部分通過(guò)一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn)204附接到膜101的其余部分，從而該可移動(dòng)部分可以從該膜的其余部分偏轉(zhuǎn)。該通氣部可以被配置為使得可移動(dòng)部分202在mems換能器的正常預(yù)期操作范圍以?xún)?nèi)的壓力差下基本上不被偏轉(zhuǎn)，從而保持該孔閉合，但是在可以潛在地導(dǎo)致膜損壞的較高壓力差下移動(dòng)以增大流動(dòng)路徑的尺寸，例如較少地閉合該孔。

圖2a的頂部部分例示在正常操作中的柔性膜101，在正常操作中，第二容積110中的壓力大于第一容積中的壓力。膜101因此從膜平衡位置向下偏轉(zhuǎn)。然而，壓力差在該設(shè)備的正常預(yù)期操作范圍以?xún)?nèi)，即在操作壓力閾值以下，從而可變通氣部201的可移動(dòng)部分202保持基本上閉合。圖2的下部部分例示可移動(dòng)部分202已經(jīng)從膜的其余部分偏轉(zhuǎn)以暴露該膜中的孔，從而提供穿過(guò)該膜的流動(dòng)路徑。圖2a例示膜形成可變通氣部結(jié)構(gòu)201的兩個(gè)可移動(dòng)部分，但是應(yīng)理解，在實(shí)踐中可以存在更多這樣的通氣部。

因此，這樣的可變通氣部結(jié)構(gòu)對(duì)于提供可以更好地耐受高壓力事件的mems換能器(尤其是麥克風(fēng))是非常有用的。然而，需要注意可變通氣部的設(shè)計(jì)，尤其是當(dāng)可變通氣部被形成在換能器的膜中時(shí)。在已知的可變通氣部的情況下，通常在高壓力釋放和聲學(xué)壓力下的性能之間存在折衷方案，因?yàn)槿绻獠咳菀状蜷_(kāi)，則換能器的聲學(xué)性能可能會(huì)退化，但是如果通氣部太難打開(kāi)，則它可能不會(huì)在高壓力事件期間提供足夠的額外流動(dòng)?？梢酝ㄟ^(guò)增加通氣部的數(shù)目來(lái)增加流動(dòng)，但是如果在膜本身中形成太多的通氣部，則這可能使膜的性能退化，或?qū)е履さ膮^(qū)域中的應(yīng)力集中增加。通氣部可以替代地被形成在流動(dòng)路徑中，例如穿過(guò)側(cè)壁結(jié)構(gòu)，但這通常增加換能器結(jié)構(gòu)的尺寸和成本，會(huì)增大換能器芯片所期望的面積。

應(yīng)理解，mems換能器的膜層。當(dāng)材料的原子由于力的作用而從其平衡位置移位時(shí)，就稱(chēng)為該材料處于應(yīng)力下。因此，增加或減少膜層的原子之間的原子間距離的力在膜內(nèi)引起應(yīng)力。例如，當(dāng)在平衡時(shí)(即，當(dāng)膜兩側(cè)沒(méi)有出現(xiàn)壓力差或出現(xiàn)可忽略的壓力差時(shí))，膜層表現(xiàn)出固有的(inherent)或內(nèi)在的(intrinsic)殘余應(yīng)力。此外，應(yīng)力可以在膜層內(nèi)出現(xiàn)，這是例如由于以與該基底成固定關(guān)系來(lái)支撐該膜的方式或由于入射在膜上的聲學(xué)壓力波。

根據(jù)本發(fā)明的mems換能器意在響應(yīng)于在膜表面上表現(xiàn)為瞬時(shí)應(yīng)力波的聲學(xué)壓力波。因此，應(yīng)理解，當(dāng)在平衡時(shí)在膜層內(nèi)表現(xiàn)出的應(yīng)力可以潛在地對(duì)換能器的性能具有不利影響。

本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方案總體上涉及改進(jìn)換能器結(jié)構(gòu)的效率和/或性能。本發(fā)明的多個(gè)方面還涉及減輕和/或重分布膜層內(nèi)的應(yīng)力。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種mems換能器，所述mems換能器包括一個(gè)相對(duì)于基底被支撐的膜，所述膜包括一個(gè)中心區(qū)域和多個(gè)應(yīng)力分布臂，所述多個(gè)應(yīng)力分布臂從所述中心區(qū)域橫向延伸。

優(yōu)選地，所述應(yīng)力分布臂用于以與所述基底成固定關(guān)系來(lái)支撐膜層。優(yōu)選地，每個(gè)應(yīng)力分布臂包括一個(gè)或多個(gè)安裝結(jié)構(gòu)，所述安裝結(jié)構(gòu)以與所述基底成固定關(guān)系來(lái)支撐膜層。因此，所述膜可以借助于設(shè)置在每個(gè)應(yīng)力分布臂上的一個(gè)或多個(gè)安裝部分而被直接地或間接地安裝到所述基底。優(yōu)選地，所述安裝部分被設(shè)置在所述膜層的周界處或附近。所述安裝部分的位置可以有效地限定所述膜層的邊界。

所述應(yīng)力分布臂優(yōu)選地被布置和/或被配置為在所述膜內(nèi)提供受控的應(yīng)力分布。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述應(yīng)力分布臂相對(duì)于所述膜的所述中心區(qū)域布置，使得跨越所述膜或跨越至少所述膜的所述中心區(qū)域的應(yīng)力分布是基本上均勻的或以受控的方式變化。所述應(yīng)力分布臂優(yōu)選地以規(guī)則的距離間隔圍繞所述膜的所述中心區(qū)域布置。此布置可以減輕特別是在所述膜的所述中心區(qū)域中出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，電極通常被聯(lián)接到所述膜的所述中心區(qū)域，從而在所述膜的所述中心區(qū)域進(jìn)行感測(cè)(即，膜的移動(dòng))。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述膜的形狀可以是大體上正方形的或矩形的，且多個(gè)應(yīng)力分布臂中的一個(gè)可以從所述中心區(qū)域向外朝向所述膜的一個(gè)周界拐角延伸。接近于所述周界拐角，所述應(yīng)力分布臂被設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)安裝結(jié)構(gòu)，所述安裝結(jié)構(gòu)有效地限定所述膜的邊界邊緣。

所述膜可以被布置在所述換能器的基底上方，使得所述膜的所述中心區(qū)域基本上覆蓋所述基底的一個(gè)腔。

包括一個(gè)中心區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)應(yīng)力分布臂的所述膜可以被認(rèn)為形成所述膜的第一區(qū)域。所述膜也可以包括至少一個(gè)第二區(qū)域，所述第二區(qū)域可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)通道與所述第一區(qū)域分離。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種mems換能器，所述mems換能器包括一個(gè)膜，所述膜具有第一膜區(qū)域和第二膜區(qū)域，其中所述第一膜區(qū)域通過(guò)一個(gè)或多個(gè)通道與所述第二膜區(qū)域分離。所述第一膜區(qū)域可以包括一個(gè)中心區(qū)域和多個(gè)支撐臂，所述多個(gè)支撐臂從所述中心區(qū)域橫向延伸，每個(gè)支撐臂具有一個(gè)或多個(gè)安裝部分，所述安裝部分以與所述基底成固定關(guān)系來(lái)支撐膜層。所述支撐臂還被布置和/或被配置為使得在平衡時(shí)在所述膜中出現(xiàn)的應(yīng)力分布是受控的。優(yōu)選地，所述支撐臂被布置和/或被配置為最小化/減輕在所述膜的所述中心區(qū)域中(特別是，在所述膜的中心附近)發(fā)生任何應(yīng)力集中。所述膜的所述第二膜區(qū)域可以被布置在所述膜的周界處、在兩個(gè)相鄰的應(yīng)力分布臂之間的區(qū)域中。

所述第一區(qū)域可以被認(rèn)為包括所述膜的“活性(active)區(qū)域”。因此，包括一個(gè)中心區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)應(yīng)力分布臂的所述膜可以被認(rèn)為是第一或活性膜區(qū)域。此外，所述第二區(qū)域可以被認(rèn)為包括所述膜的“非活性(inactive)區(qū)域”。所述第一/活性區(qū)域可以被認(rèn)為是換能器膜的、用于感測(cè)的和/或是“動(dòng)態(tài)的”區(qū)域。所述膜的、通過(guò)通道與所述第一/活性區(qū)域分離的所述第二/非活性區(qū)域在感測(cè)方面可以被認(rèn)為是非動(dòng)態(tài)的，使得所述膜的此部分的任何移動(dòng)是可忽略的。例如，在包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的mems換能器的麥克風(fēng)設(shè)備的情況下，所述第一/活性區(qū)域響應(yīng)于聲學(xué)激勵(lì)(例如，進(jìn)入與所述膜相鄰的容積的聲波)的移動(dòng)被測(cè)量。所述換能器可以包括第一電極和第二電極，所述電極中的一個(gè)被聯(lián)接到第一或活性膜區(qū)域，并且所述電極之間的電容被測(cè)量以感測(cè)或測(cè)量所述聲學(xué)激勵(lì)。

因此，所述mems換能器還可以包括一個(gè)被聯(lián)接到所述膜的所述第一/活性區(qū)域的電極。

所述膜的所述第二/非活性區(qū)域仍然將充當(dāng)mems換能器的前容積和后容積之間的聲學(xué)屏障。因此，存在與將所述第二/非活性區(qū)域作為所述mems換能器的一部分相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)。然而，所述第二/非活性區(qū)域的移動(dòng)(其將是零或是可忽略的)未被測(cè)量。

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種mems換能器，所述mems換能器包括：一個(gè)膜層，包括：

一個(gè)活性膜區(qū)域，活性區(qū)域包括多個(gè)臂，用于支撐所述活性膜區(qū)域；和

多個(gè)非活性膜材料區(qū)域，所述多個(gè)非活性膜材料區(qū)域未被直接連接到所述活性膜區(qū)域。

所述膜的所述第一區(qū)域和/或第二區(qū)域可以設(shè)置有至少一個(gè)通氣部結(jié)構(gòu)，所述通氣部結(jié)構(gòu)具有一個(gè)可移動(dòng)部分，所述可移動(dòng)部分響應(yīng)于所述通氣部結(jié)構(gòu)兩側(cè)的壓力差而偏轉(zhuǎn)，以提供穿過(guò)所述膜的流動(dòng)路徑。優(yōu)選地，與所述第二區(qū)域相比，所述第一區(qū)域設(shè)置較少的通氣部結(jié)構(gòu)。

所述膜的所述第一區(qū)域和/或第二區(qū)域可以設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)排出孔。優(yōu)選地，與所述第二區(qū)域相比，所述第一區(qū)域設(shè)置較少的排出孔。

優(yōu)選地，包括所述第一膜區(qū)域和所述第二膜區(qū)域的所述膜的形狀是非圓形。因此，所述膜的形狀可以是大體上正方形的或矩形的。所述膜可以包括四個(gè)側(cè)邊。替代地，所述膜可以具有多邊形形狀。

根據(jù)另一方面，提供了一種晶片，所述晶片包括至少一個(gè)使本發(fā)明的任何一個(gè)方面具體化的換能器。因此，一個(gè)晶片可以包括至少一個(gè)mems換能器，所述mems換能器具有一個(gè)相對(duì)于基底被支撐的膜，所述膜包括一個(gè)中心區(qū)域和多個(gè)應(yīng)力分布臂，所述多個(gè)應(yīng)力分布臂從所述中心區(qū)域橫向延伸，每個(gè)應(yīng)力分布臂具有一個(gè)或多個(gè)安裝部分，所述安裝部分以與所述基底成固定關(guān)系來(lái)支撐膜層。

優(yōu)選地，所述晶片是硅晶片，且包括一個(gè)換能器區(qū)域，在所述換能器區(qū)域處換能器被設(shè)置在所述晶片上。硅晶片的所述換能器區(qū)域的形狀典型的是正方形或矩形。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方案所述膜的形狀可以?xún)?yōu)選地是大體上正方形或矩形，由于所述膜的形狀，所述換能器可以是基于利用大體上矩形或正方形膜區(qū)域的設(shè)計(jì)。這在制造具有一個(gè)或多個(gè)mems換能器的硅晶片時(shí)是特別有利的，因?yàn)閼?yīng)理解，這樣的設(shè)計(jì)與等效圓形設(shè)計(jì)相比，對(duì)于給定的換能器靈敏度需要較少面積。

本發(fā)明的多個(gè)方面還涉及減輕和/或擴(kuò)散和/或重分布在所述膜中、在安裝結(jié)構(gòu)的區(qū)域中出現(xiàn)的應(yīng)力，所述安裝結(jié)構(gòu)用于以與所述基底成固定關(guān)系來(lái)支撐膜的位置。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種mems換能器，所述mems換能器包括一個(gè)膜和至少一個(gè)安裝結(jié)構(gòu)，所述至少一個(gè)安裝結(jié)構(gòu)用于相對(duì)于一個(gè)基底支撐所述膜，以提供一個(gè)柔性膜，且所述mems換能器還包括一個(gè)或多個(gè)應(yīng)力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，所述一個(gè)或多個(gè)應(yīng)力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述膜中，以便擴(kuò)散所述安裝結(jié)構(gòu)的區(qū)域中的應(yīng)力。

所述應(yīng)力擴(kuò)散或重分布結(jié)構(gòu)可以包括延伸穿過(guò)所述膜的縫。所述縫的形態(tài)可以是彎曲的或弓形的。因此，所述縫可以是c形的或u形的，且可以彎曲至少180度，以在所述縫的端部之間限定一個(gè)口或開(kāi)口。所述應(yīng)力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)有利地用來(lái)以受控的方式改變所述膜中出現(xiàn)的局部應(yīng)力分布。優(yōu)選地，所述應(yīng)力擴(kuò)散縫接近于所述安裝結(jié)構(gòu)設(shè)置，使得所述彎曲縫的口背對(duì)由所述或每個(gè)安裝結(jié)構(gòu)限定的邊界，且通過(guò)所述縫與所述安裝結(jié)構(gòu)的區(qū)域分離。以此方式，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的仿真已經(jīng)證明，在所述膜內(nèi)、在所述安裝結(jié)構(gòu)處或附近出現(xiàn)的應(yīng)力被引導(dǎo)到所述縫的彎曲部周?chē)⑶冶患性谒鰪澢康娜我粋?cè)。所述彎曲部的邊界部分內(nèi)的膜應(yīng)力也被示出為被減小。優(yōu)選地，多個(gè)應(yīng)力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)被設(shè)置成行。在此實(shí)施例中，仿真示出，在相鄰的應(yīng)力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)一系列應(yīng)力集中區(qū)域和在所述應(yīng)力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的邊界部分中的一系列減小應(yīng)力區(qū)域。以此方式控制應(yīng)力已經(jīng)證明，改進(jìn)了所述膜的靈敏度。具體而言，根據(jù)一些實(shí)施例，應(yīng)力被示出為更均勻地分布在所述膜的所述中心區(qū)域處。所述膜的順從性和/或柔性被增強(qiáng)。

雖然所述縫將有效地使所述膜的一部分與所述膜的其余部分分離，但是所述縫被定尺度為使得所述膜的、由所述縫限定的部分不充當(dāng)由于所述膜兩側(cè)的壓力差而變形的折翼。因此，所述縫的邊界彎曲部中的部分響應(yīng)于所述膜兩側(cè)的壓力差而表現(xiàn)出最小的遠(yuǎn)離所述膜的平面的偏轉(zhuǎn)。

根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種mems換能器，所述mems換能器包括一個(gè)相對(duì)于一個(gè)基底被支撐的膜，所述膜包括一個(gè)中心區(qū)域和多個(gè)應(yīng)力分布臂，所述多個(gè)應(yīng)力分布臂從所述中心區(qū)域橫向延伸，其中每個(gè)應(yīng)力分布臂包括一個(gè)或多個(gè)安裝結(jié)構(gòu)，所述安裝結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述基底支撐膜層，且其中設(shè)置一個(gè)或多個(gè)應(yīng)力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)以便使所述安裝結(jié)構(gòu)的區(qū)域中的應(yīng)力擴(kuò)散。

一般而言，提供了一種mems換能器，所述mems換能器具有一個(gè)柔性膜，所述mems換能器包括至少一個(gè)應(yīng)力重分布特征。所述mems換能器可以是電容式麥克風(fēng)。所述柔性膜可以被支撐在第一容積和第二容積之間，且一個(gè)通氣部結(jié)構(gòu)可以被設(shè)置以允許所述第一容積和所述第二容積之間的流動(dòng)路徑。所述通氣部結(jié)構(gòu)可以包括一個(gè)可移動(dòng)部分，所述可移動(dòng)部分可移動(dòng)，以便打開(kāi)從所述第一容積延伸到所述第二容積的孔。所述可移動(dòng)部分可以靜止地占據(jù)所述孔的區(qū)域的至少一些且可能地占據(jù)大部分，但是響應(yīng)于所述孔兩側(cè)的局部壓力差而可移動(dòng)，以便使孔的尺寸變化，所述孔被打開(kāi)以提供流動(dòng)路徑。換句話說(shuō)，所述可移動(dòng)部分在平衡時(shí)可以有效地閉合所述孔的至少一部分，但是可移動(dòng)以便使所述孔閉合的程度變化。所述可移動(dòng)部分優(yōu)選地被布置為，在正常操作壓力差下，保持所述孔(即，孔徑)閉合，但是在會(huì)潛在地對(duì)所述膜造成損壞的較高壓力差下，使所述流動(dòng)路徑的尺寸增加更大，例如使所述孔閉合較小。因此，所述通氣部可以被看作可變孔徑。

因此，所述通氣部結(jié)構(gòu)充當(dāng)一種類(lèi)型的壓力釋放閥，以減小作用在所述膜上的壓力差。然而，與所述膜中的具有固定面積從而具有固定尺寸的流動(dòng)路徑的排出孔(如果有的話)不同，所述可變通氣部具有響應(yīng)于壓力差而變化的流動(dòng)路徑尺寸，即孔徑。因此，所述通氣部允許通氣的程度取決于作用在所述通氣部上的壓力差，所述壓力差顯然取決于所述第一容積和所述第二容積中的至少一個(gè)的壓力。因此，所述通氣部結(jié)構(gòu)提供了可變聲學(xué)阻抗。

所述換能器可以包括一個(gè)背板結(jié)構(gòu)，其中所述柔性膜層相對(duì)于所述背板結(jié)構(gòu)被支撐。所述背板結(jié)構(gòu)可以包括穿過(guò)所述背板結(jié)構(gòu)的多個(gè)孔。

所述換能器可以是電容式傳感器，諸如麥克風(fēng)。所述換能器可以包括讀出(即，放大)電路系統(tǒng)。所述換能器可以被定位在具有聲音端口(即，聲學(xué)端口)的封裝件內(nèi)。所述換能器可以被實(shí)施在電子設(shè)備中，所述電子設(shè)備可以是以下中的至少一個(gè)：便攜式設(shè)備；電池供電設(shè)備；音頻設(shè)備；計(jì)算設(shè)備；通信設(shè)備；個(gè)人媒體播放器；移動(dòng)電話；平板設(shè)備；游戲設(shè)備；以及語(yǔ)音控制設(shè)備。

任何給定的方面的特征可以與任何其他方面的特征組合，且本文描述的多種特征可以在一個(gè)給定的實(shí)施方案中以任何組合的方式實(shí)施。

為以上方面中的每個(gè)方面提供了相關(guān)聯(lián)的制造mems換能器的方法。

為了更好地理解本發(fā)明，且為了示出如何實(shí)施本發(fā)明，現(xiàn)在將通過(guò)實(shí)施例的方式參考附圖，在附圖中：

圖1a和圖1b例示已知的mems麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)的截面視圖和立體視圖；

圖2a和圖2b例示已知的可變通氣部的一個(gè)實(shí)施例；

圖3a例示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的換能器結(jié)構(gòu)；

圖3b例示圖3a中示出的換能器結(jié)構(gòu)上的變化；

圖4例示晶片上的多個(gè)換能器的形成；

圖5例示可以用在根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的換能器中的可變通氣部的一個(gè)實(shí)施例；

圖6例示根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的換能器的橫截面；

圖7例示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的另一換能器結(jié)構(gòu)；

圖8a-圖8c例示多種應(yīng)力重分布結(jié)構(gòu)；

圖9以平面視圖例示換能器的背板；

圖10例示根據(jù)另一實(shí)施方案的換能器的橫截面；

圖11a至圖11f例示多種mems換能器封裝件。

具體實(shí)施方式

在換能器(諸如上文關(guān)于圖1a和圖1b描述的換能器)中，膜層由諸如氮化硅的材料形成，且可以被沉積為在平衡時(shí)在膜中具有固有的殘余應(yīng)力。因此，膜被形成為圍繞其基本上整個(gè)周界被支撐。因此，膜可以被認(rèn)為處于張力下，類(lèi)似于在框架之上拉伸的鼓皮。因此，為了提供一致的行為和均勻的應(yīng)力分布，膜通常被形成為大體上圓形的結(jié)構(gòu)。

例如，為了形成圖1a中例示的換能器結(jié)構(gòu)，一個(gè)或多個(gè)基礎(chǔ)層(baselayer)可以被形成在基底105上，然后一個(gè)犧牲材料層可以被沉積且被圖案化，以形成大體上圓形的形狀。犧牲材料用來(lái)限定將形成腔109的空間。然后，一個(gè)或多個(gè)層可以被沉積在犧牲材料上，以形成膜101。排出孔111連同諸如參考圖2a或圖2b描述的任何通氣部結(jié)構(gòu)可以被形成在膜層中。然后，又一犧牲材料層可以被沉積在膜的頂部上，并且被圖案化以限定腔110。然后，背板層可以被沉積。為了形成基底腔108，可以執(zhí)行背部蝕刻。為了確保犧牲材料限定腔109，而不是本體背部蝕刻(這將是不太準(zhǔn)確的)限定腔109，確保基底腔的開(kāi)口小于腔109并且被定位在腔109的區(qū)域內(nèi)。然后可以移除犧牲材料，以留下腔109和110且釋放膜。因此，膜層延伸到也支撐背板的側(cè)壁結(jié)構(gòu)中。柔性膜自身被支撐并且被約束在所有側(cè)上，并且形狀是大體上圓形的。

雖然此類(lèi)型的方法產(chǎn)生良好的設(shè)備屬性，但是圓形膜的使用傾向于導(dǎo)致硅晶片的使用效率有些低。

出于多種原因，最通常和/或成本有效的是以大體上矩形的區(qū)域塊處理硅區(qū)域。因此，硅晶片上指定用于mems換能器的區(qū)域的形狀通常是大體正方形或矩形。此區(qū)域需要足夠大，以包含大體上圓形的換能器結(jié)構(gòu)。這在硅晶片的使用方面傾向于是效率低的，因?yàn)榇酥付〒Q能器區(qū)域的拐角區(qū)域未被有效地使用。這限制了可以在一個(gè)給定的晶片上制造的換能器結(jié)構(gòu)和電路的數(shù)目。當(dāng)然，可以通過(guò)減小換能器的尺寸來(lái)將更多個(gè)換能器置于一個(gè)晶片上，但是這將對(duì)所產(chǎn)生的靈敏度具有影響，因此是不期望的。

因此，在一些實(shí)施方案中，換能器是基于更有效率地利用大體上矩形的或正方形的區(qū)域的設(shè)計(jì)。與等效圓形設(shè)計(jì)相比，針對(duì)給定的換能器靈敏度，此設(shè)計(jì)需要較小的面積。

圖3a例示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的換能器300的一個(gè)實(shí)施例。圖3a例示了換能器膜101，因此表示穿過(guò)該換能器的截面，但是背板可以具有基本上相同的形狀。該膜不是基本上圓形的，在此實(shí)施例中，作為替代，該膜具有多邊形形狀。一般而言，該膜具有將基本上填充由該膜的周界限定的正方形區(qū)域的形狀。換句話說(shuō)，如果考慮將完全包含膜101的盡可能小的正方形區(qū)域，則該膜將覆蓋大比例的這樣區(qū)域的，例如該膜可以覆蓋至少90％的這樣的正方形區(qū)域。應(yīng)理解，對(duì)于直徑為d的圓形膜，最小的這樣的正方形區(qū)域?qū)⒕哂袀?cè)邊d。因此，圓的面積(π.d²/4)將覆蓋約78％的這樣的正方形的面積(d²)。

圖3a中例示的整個(gè)區(qū)域設(shè)置有一膜材料層。然而，在圖3a中例示的實(shí)施例中，該膜材料層被分成第一膜區(qū)域301和多個(gè)第二區(qū)域302，該第一膜區(qū)域301在本文中將稱(chēng)為活性膜區(qū)域或僅稱(chēng)為活性膜，該第二區(qū)域302將稱(chēng)為非活性膜區(qū)域或非活性膜。非活性膜區(qū)域302由圖3a中的陰影區(qū)域例示，其中非陰影區(qū)域?qū)?yīng)于活性膜301。

因此，活性膜是中心區(qū)域，例如，膜電極103將被定位在該中心區(qū)域，該中心區(qū)域由多個(gè)臂303支撐。在一些實(shí)施方案中，所述臂可以基本上均勻地圍繞該膜的周界分布。所述臂的大體上均勻的分布會(huì)有助于避免不期望的應(yīng)力集中。在圖3中例示的實(shí)施例中，存在四個(gè)臂303，從而存在四個(gè)分立的非活性膜區(qū)域302，但是應(yīng)理解，在其他實(shí)施方案中可以存在更多或更少的臂，但是優(yōu)選地將存在至少三個(gè)臂。

因此，在活性膜區(qū)域301的材料和非活性膜區(qū)域302的材料之間存在一個(gè)或多個(gè)通道或間隙304。方便地，在制造期間，一連續(xù)的膜材料層可以被沉積，然后可以穿過(guò)該膜材料蝕刻通道304，以形成活性區(qū)域和非活性區(qū)域。通道可以被成形為使得所述臂的側(cè)邊緣表現(xiàn)出平滑的或連續(xù)的輪廓，而非由一個(gè)或多個(gè)直線形成。這被例示在圖3b中。

活性膜區(qū)域301的每個(gè)臂303可以包括至少一個(gè)安裝件305，用于相對(duì)于該基底且也可能相對(duì)于背板來(lái)支撐活性區(qū)域301的膜層。在非活性膜區(qū)域內(nèi)也可以存在安裝件306，用于支撐非活性膜區(qū)域。

安裝件305和306可以采取多種形式。例如，安裝件可以包括換能器結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，且膜層可以延伸到該側(cè)壁中。然而，在一些實(shí)施例中，安裝件可以是膜材料與基底或從基底隆起的支撐結(jié)構(gòu)接觸的區(qū)域。安裝件也可以包括該背板或用于該背板的支撐結(jié)構(gòu)與該膜接觸的區(qū)域。因此，膜在安裝件處被有效地保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，且被防止相?duì)于該基底和/或該背板的任何大的移動(dòng)。

因此，該膜層的材料可以在內(nèi)在應(yīng)力內(nèi)沉積，如先前描述的?；钚詤^(qū)域301的多個(gè)臂全部大體上輻射狀遠(yuǎn)離活性膜的中心，因此，可以用以有效地保持該膜處于張力中。如所提及的，所述臂可以圍繞活性膜均勻地間隔開(kāi)。此外，活性膜301的安裝點(diǎn)(例如，安裝件305)全都可以與活性膜的中心基本上等距離，即使在大體上正方形的膜層的情況下。這是可能的，因?yàn)檎叫尾贾玫摹皞?cè)邊”處的膜材料已經(jīng)被分離成未被直接連接到活性膜區(qū)域的非活性膜區(qū)域。因此，這種布置意味著，在平衡時(shí)以及當(dāng)活性膜受入射壓力激勵(lì)而被偏轉(zhuǎn)時(shí)，活性膜中的應(yīng)力分布是大體均勻的。因此，活性膜將以與圍繞其周界被約束的圓形膜類(lèi)似的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。如果是所有側(cè)邊被限制的正方形膜或圖3a中例示的多邊形膜，則這將不是該情況。

這樣的設(shè)計(jì)是有利的，因?yàn)樗峁┝诉@樣的活性膜區(qū)域，該活性膜區(qū)域具有的響應(yīng)與半徑等于活性膜的中心與臂的安裝件305之間的距離的圓形膜的響應(yīng)類(lèi)似。然而，制造這樣的對(duì)應(yīng)的圓形膜換能器將需要較大矩形區(qū)域的基底。因而，通過(guò)使用諸如圖3a中例示的設(shè)計(jì)，與具有類(lèi)似性能的圓形膜相比，換能器在晶片上所期望的面積可以被減小。

因此，總而言之，在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，mems換能器可以包括一個(gè)膜層，該膜層被形成到一個(gè)活性膜區(qū)域內(nèi)，該活性區(qū)域包括用于支撐該活性膜區(qū)域的多個(gè)臂。所述臂可以圍繞該活性膜的周界基本上均勻地分散開(kāi)。膜層也可以包括多個(gè)非活性膜材料區(qū)域，所述非活性膜材料區(qū)域未直接連接到該活性膜區(qū)域。該活性膜區(qū)域的臂可以包括一個(gè)或多個(gè)安裝件，每個(gè)臂的安裝件與該活性膜的中心大體上等距。該活性膜可以處于內(nèi)在應(yīng)力下。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，之前已經(jīng)提出了多種設(shè)計(jì)的mems換能器，所述mems換能器具有隔膜，該隔膜的中心部分被臂支撐。然而，在這樣的已知設(shè)計(jì)中，隔膜通常不處于內(nèi)在應(yīng)力下，且這樣的臂的目的常常是減小應(yīng)力；然而，在圖3a中例示的實(shí)施方案中，臂維持該活性膜中的內(nèi)在應(yīng)力。

此外，這樣的已知設(shè)計(jì)不包括非活性膜區(qū)域。在本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)計(jì)中，基本上整個(gè)由安裝件305限定的區(qū)域包括膜材料。換句話說(shuō)，如果想要通過(guò)在相鄰的臂的安裝件305之間繪制直線來(lái)限定一個(gè)形狀，則這樣的形狀的基本上所有區(qū)域?qū)げ牧希椿钚阅げ牧匣蚍腔钚阅げ牧?。例如，由安裝件305限定的至少90％的區(qū)域或由安裝件305限定的至少95％的區(qū)域?qū)げ牧?。在圖3a的設(shè)計(jì)中，此區(qū)域的唯一不包括膜材料的部分是排出孔111和通道304(連同用于通氣部307的任何通道，如下文將討論的)。

優(yōu)選地，活性區(qū)域和非活性區(qū)域之間的間隙可以是相對(duì)小的，即恰好足以分離這些區(qū)域，例如，大約幾微米左右。因此，在平衡位置處，活性區(qū)域可以與膜的非活性區(qū)域位于同一平面內(nèi)。因此，在平衡時(shí)，換能器的前容積和后容積之間的唯一顯著的流動(dòng)路徑會(huì)是穿過(guò)為低頻壓力均衡而設(shè)置的任何排出孔111。

響應(yīng)于入射壓力激勵(lì)，活性膜將以與上文討論的常規(guī)膜類(lèi)似的方式被偏轉(zhuǎn)。應(yīng)理解，膜的非活性區(qū)域可以不被偏轉(zhuǎn)到相同的程度，因此當(dāng)活性膜移動(dòng)時(shí)，在膜的活性區(qū)域和非活性區(qū)域之間可以存在打開(kāi)的小流動(dòng)通道。然而，這樣的流動(dòng)通道可能是相對(duì)小的，增加的聲導(dǎo)可被限制，因此對(duì)換能器性能的影響也可被限制。在設(shè)計(jì)換能器且設(shè)計(jì)例如排出孔111的數(shù)目時(shí)，可考慮膜的活性區(qū)域和非活性區(qū)域之間的任何流動(dòng)的影響。

如上文提及的，整個(gè)換能器結(jié)構(gòu)可以具有圖3a中例示的大體形狀。具體而言，背板可以是與例示的膜相同的大體形狀。背板可以通過(guò)安裝點(diǎn)305和/或306處的支撐件而被支撐在膜上方，且背板的外邊緣基本上不會(huì)延伸超出膜材料層的邊緣。如上文提及的，這對(duì)于在晶片上制造多個(gè)換能器且可能地連同相關(guān)聯(lián)的電子電路系統(tǒng)會(huì)是有利的。

圖4例示了晶片400的至少一部分，具有在所述晶片400上制造的多個(gè)換能器300。晶片400可以是已經(jīng)被處理以產(chǎn)生多個(gè)設(shè)備并且處于單切之前的晶片。在此實(shí)施例中，每個(gè)換能器具有相關(guān)聯(lián)的電路系統(tǒng)401區(qū)域。該電路系統(tǒng)區(qū)域可以包括用于操作和/或讀出換能器的電路系統(tǒng)。例如，該電路系統(tǒng)可以包括電壓偏置電路，諸如電荷泵浦。附加地或替代地，讀出電路系統(tǒng)可以包括放大器電路系統(tǒng)，諸如低噪聲放大器或其他讀出或信號(hào)處理電路系統(tǒng)。換能器300將通過(guò)導(dǎo)電路徑402連接到電路系統(tǒng)，導(dǎo)電路徑402通常可以至少部分地隱埋在多個(gè)其他層(諸如鈍化層)下面。電路系統(tǒng)區(qū)域可以包括用于在使用中形成電連接的接觸區(qū)域。

可以看到的是，換能器300和電路系統(tǒng)401被裝配到制造區(qū)域403中，且有效率地利用該制造區(qū)域。因此，可以更有效率地使用晶片的面積，即，與原本使用圓形換能器設(shè)計(jì)的情況相比，產(chǎn)生更大數(shù)目的換能器，且所形成的換能器的靈敏度沒(méi)有任何顯著損失。

如上文提及的，已經(jīng)提出在mems換能器結(jié)構(gòu)中使用可變通氣部(例如諸如關(guān)于圖2a和圖2b例示的可變通氣部)，以在高壓力情形下充當(dāng)一種類(lèi)型的壓力釋放閥，該通氣部在高壓力差下打開(kāi)以提供較大的流動(dòng)路徑，但是在mems換能器的正常操作范圍以?xún)?nèi)的壓力差下具有較小的(如果有的話)流動(dòng)路徑。因此，通氣部結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為在第一壓力差范圍以?xún)?nèi)基本上閉合，但是在第二、較高的壓力差范圍時(shí)打開(kāi)以允許相對(duì)顯著增加的流動(dòng)，所述第一壓力差范圍對(duì)應(yīng)于換能器的操作壓力差的正常范圍。注意，閉合位置不一定對(duì)應(yīng)于無(wú)流動(dòng)，可以對(duì)應(yīng)于正常操作所期望的限定的流動(dòng)路徑尺寸，例如，對(duì)應(yīng)于在第一壓力差范圍以?xún)?nèi)提供至少一些低頻均衡。wo2014/045040描述了可以使用的許多不同的可變通氣部設(shè)計(jì)。

返回參考圖3a，如上所述，活性膜301相對(duì)于非活性膜區(qū)域302的移動(dòng)可以在膜的任一側(cè)上的容積(例如，前容積和后容積)之間提供某種有限程度的通氣。這可以在高壓力情形下提供某種有限通氣。然而，可能有利的是，提供一些可變通氣部307用于在高壓力情形下通氣和/或用于提供調(diào)諧的靈敏度響應(yīng)，如上文描述的。

在一些實(shí)施方案中，至少一個(gè)可變通氣部307可以被定位在非活性膜區(qū)域302中。在一些實(shí)施方案中，所存在的任何可變通氣部307中的大多數(shù)或大體上全部可被定位在非活性膜區(qū)域302中。附加地或替代地，排出孔111中的一些、大多數(shù)或大體上全部可以被定位在膜的非活性區(qū)域中。

如上文討論的，在諸如參考圖1a和圖1b所描述的常規(guī)mems麥克風(fēng)換能器中，膜層通常是基本上一致的圓形膜，該圓形膜圍繞基本上整個(gè)周界被支撐。在這樣的常規(guī)設(shè)計(jì)中，在被支撐件所限定的周界內(nèi)的整個(gè)膜層實(shí)際上是活性膜。因此，在膜中所形成的任何可變通氣部被形成在活性膜中。

這意味著，通氣部的尺寸、形狀和位置需要被認(rèn)真地控制。如果在膜中存在太多通氣部，通過(guò)蝕刻穿過(guò)膜所形成的通氣部的存在可能更改膜中的應(yīng)力，并且使總體性能退化。如果通氣部相對(duì)于其他膜特征和/或彼此未被正確放置，或再次如果存在太多通氣部結(jié)構(gòu)，則結(jié)果可能是以不期望的方式在膜的一部分中集中應(yīng)力，尤其是對(duì)于如上文描述的具有內(nèi)在應(yīng)力的膜。然而，如果存在太少通氣部或它們太小，則所提供的益處可以是使通氣部最小化，并且在高壓力情形下可能不存在穿過(guò)膜的、足以防止損壞的增加的流動(dòng)。

在諸如參考圖3a所描述的一個(gè)實(shí)施方案中，膜層被分成多個(gè)非活性區(qū)域302以及用于感測(cè)的活性區(qū)域301。非活性區(qū)域302包括膜材料并且繼續(xù)充當(dāng)換能器的前容積和后容積之間的聲學(xué)屏障。因此，可變通氣部307可以被放置在非活性區(qū)域中，如圖3a中例示的。這樣的通氣部結(jié)構(gòu)可以例如如wo2014/045040中描述的那樣操作，以提供具有可變尺寸的流動(dòng)路徑，該流動(dòng)路徑隨著膜兩側(cè)的壓力差而變化，且可以例如在高壓力差下打開(kāi)，以提供一個(gè)顯著的附加流動(dòng)路徑用于在所述容積之間通氣。然而，因?yàn)橥獠拷Y(jié)構(gòu)被形成在該膜的非活性區(qū)域302中，所以通氣部結(jié)構(gòu)的存在(或不存在)對(duì)該膜的活性部分(即，活性膜區(qū)域301)的應(yīng)力不具有影響。因此，與對(duì)于形成在活性膜中的通氣部相比，在可變通氣部結(jié)構(gòu)的尺寸和間距的設(shè)計(jì)上可以存在更大的自由度。除了關(guān)于限定通氣部的通道的尺寸以及例如通道對(duì)低頻衰減的影響的常見(jiàn)關(guān)注之外，對(duì)個(gè)體通氣部的尺寸不存在限制，因此，與形成在活性膜中的通氣部的情況相比，所述通氣部可以更大。

此外，如果可變通氣部結(jié)構(gòu)被形成在非活性膜302中，則在那個(gè)位置處可以存在連接到膜的一個(gè)或多個(gè)附加材料，以便定制可變通氣部的屬性，例如柔性或應(yīng)力處置能力，而不影響活性膜301的性能。

因此，圖3a例示的是，每個(gè)非活性膜區(qū)域302可以設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)可變通氣部307。可變通氣部可以具有任何合適的結(jié)構(gòu)。例如，可變通氣部307可以具有根據(jù)wo2014/045040中描述的變體中的任何一個(gè)的結(jié)構(gòu)，wo2014/045040的內(nèi)容通過(guò)引用的方式納入本文。

然而，通過(guò)至少一些已知的可變通氣部設(shè)計(jì)，可能難以在設(shè)備的正常操作范圍以?xún)?nèi)、在保持通氣部足夠閉合以便對(duì)換能器的操作(例如mems麥克風(fēng)的聲學(xué)靈敏度)具有最小影響與通氣部在高壓力情形下打開(kāi)到足夠的程度以提供足夠的通氣之間實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

因此，本發(fā)明的一些實(shí)施方案利用具有改進(jìn)的操作特性和/或可以對(duì)給定的壓力差提供更調(diào)諧的響應(yīng)的可變通氣部。

因此，在一些實(shí)施方案中，可變通氣部結(jié)構(gòu)可以包括至少一個(gè)可移動(dòng)部分，所述可移動(dòng)部分可移動(dòng)以提供一個(gè)流動(dòng)路徑，該流動(dòng)路徑的尺寸隨著膜材料兩側(cè)的壓力差而變化。所述可移動(dòng)部分可以具有至少第一區(qū)段或節(jié)段和第二區(qū)段或節(jié)段，其中通氣部的第一區(qū)段相對(duì)于通氣部的第二部分可移動(dòng)。換句話說(shuō)，可移動(dòng)部分的第一區(qū)段和第二區(qū)段二者都可以被偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離平衡位置，但是此外可移動(dòng)部分的第二區(qū)段可以被偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離可移動(dòng)部分的第一區(qū)段。第一區(qū)段可以經(jīng)由由可移動(dòng)部分的材料所形成的活動(dòng)鉸鏈而被聯(lián)接到第二區(qū)段。因此，本發(fā)明的實(shí)施方案的可移動(dòng)部分可以具有至少兩個(gè)折翼部分，而不是被布置為如具有關(guān)于圖2b所描述的可變通氣部的基本上單個(gè)折翼。

可移動(dòng)部分可以相對(duì)于通氣孔布置，以在平衡位置處至少部分地充當(dāng)通氣部蓋并且至少部分地阻塞通氣孔。在一些實(shí)施方案中，通氣孔可以被形成在換能器的膜層中。可移動(dòng)部分充當(dāng)可移動(dòng)通氣部蓋，且可以通過(guò)蓋兩側(cè)的足夠的局部壓力差而被偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離其平衡位置。可移動(dòng)蓋的第一區(qū)段可以被聯(lián)接到通氣孔的一個(gè)側(cè)壁，例如，周?chē)哪げ牧?，使得第一區(qū)段可以從平衡位置偏轉(zhuǎn)，例如從平衡位置旋轉(zhuǎn)地偏轉(zhuǎn)。因此，第一區(qū)段可以有效地以鉸鏈方式聯(lián)接到通氣孔的壁的側(cè)邊。第二區(qū)段可以被聯(lián)接(例如，被鉸接)到第一區(qū)段，以使得第二區(qū)段可以相對(duì)于第一區(qū)段旋轉(zhuǎn)地偏轉(zhuǎn)。因此，第二區(qū)段可以有效地以鉸鏈方式聯(lián)接到第一區(qū)段。第二區(qū)段可以?xún)H經(jīng)由第一區(qū)段連接到通氣孔的側(cè)壁，因此它的可能移動(dòng)可以通過(guò)與第一區(qū)段的連接而被充分限定。

提供一個(gè)可移動(dòng)部分作為通氣部蓋，其中可移動(dòng)部分或蓋包括至少兩個(gè)區(qū)段，其中第二區(qū)段能夠相對(duì)于第一區(qū)段移動(dòng)，且其中第二區(qū)段的移動(dòng)可以由它與第一區(qū)段的連接而被完全限定是有利的，因?yàn)樗试S通氣部的打開(kāi)被更容易地調(diào)節(jié)到所期望的特性，且可以提供在所施加的壓力差的情況下更好的聲導(dǎo)分布圖。

圖5以平面視圖例示了這樣的可變通氣部結(jié)構(gòu)307的一個(gè)實(shí)施例。在此實(shí)施方案中，至少一個(gè)可變通氣部結(jié)構(gòu)被形成在非活性膜區(qū)域302中，流動(dòng)路徑從而是穿過(guò)此部分膜的路徑，然而其他布置是可能的。因此，可變通氣部結(jié)構(gòu)可以包括一個(gè)穿過(guò)非活性膜302的通氣孔，且該膜的一部分被形成為可移動(dòng)部分501，該可移動(dòng)部分501充當(dāng)通氣部蓋，且在受到局部壓力差時(shí)，可移動(dòng)部分501提供對(duì)該孔的可變程度的阻塞。

可移動(dòng)蓋部分501由伸展穿過(guò)膜的至少一個(gè)通道502限定。通過(guò)蝕刻穿過(guò)膜材料所形成的通道502可以是薄的通道，且將可移動(dòng)蓋部分502與膜的其余部分分離。蝕刻至少一個(gè)通道502以使可移動(dòng)蓋部分501以這種方式與非活性膜302的其余部分部分地分離意味著，可移動(dòng)蓋部分501可以被偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離該膜的其余部分的表面。在通氣部被形成在非活性膜區(qū)域中的情況下，通氣部的可移動(dòng)部分501也可以由上文討論的通道304部分地限定，所述通道304使活性膜301與非活性膜區(qū)域302分離。

在圖5的實(shí)施方案中，通道502被配置為不僅允許蓋部分501相對(duì)于非活性膜302可移動(dòng)，而且還允許蓋的一個(gè)區(qū)段相對(duì)于蓋的另一區(qū)段可移動(dòng)。

因此，在圖5的實(shí)施方案中，可移動(dòng)部分或通氣部蓋501包括第一折翼部分501a以及第二折翼部分302b。第一折翼部分501a經(jīng)由連接區(qū)域503a連接到膜101的其余部分。此連接區(qū)域由通道502限定，從而此連接區(qū)域具有的形狀和尺寸允許可移動(dòng)蓋的第一區(qū)段501a響應(yīng)于作用在膜上的足夠高的壓力差而被偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離膜。連接區(qū)域503a提供第一區(qū)段501a和膜的其余部分之間的有效地鉸鏈連接，所述其余部分限定穿過(guò)膜的通氣孔的側(cè)壁。應(yīng)理解，鉸鏈連接部被形成為活動(dòng)鉸鏈，即由與膜和可移動(dòng)蓋的第一區(qū)段501a相同的材料形成，且鉸鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)移除連接部的任一側(cè)上的材料使得該連接部形成一個(gè)頸部部分來(lái)提供的。在此實(shí)施方案中，不需要特殊處理連接區(qū)域本身來(lái)形成該活動(dòng)鉸鏈，即該連接區(qū)域不需要被變薄或以其他方式被特別削弱。該連接部由通道502的位置簡(jiǎn)單地限定。因此，此連接區(qū)域503a允許蓋501的第一區(qū)段501a遠(yuǎn)離該膜的其余部分的鉸鏈(即，旋轉(zhuǎn))移動(dòng)。因此，應(yīng)理解，在圖5的實(shí)施方案中，該可移動(dòng)蓋的第一區(qū)段501a被有效地鉸接到膜的其余部分。

可移動(dòng)蓋的第二區(qū)段501b通過(guò)連接區(qū)域503b連接到第一區(qū)段501a。此連接區(qū)域也由通道502限定，以便此連接區(qū)域具有的形狀和尺寸允許所述可移動(dòng)蓋的第二區(qū)段501b響應(yīng)于足夠高的壓力差而被偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離第一區(qū)段501a。連接區(qū)域503b同樣可以提供第一區(qū)段501a和第二區(qū)段501b之間的活動(dòng)鉸鏈連接部，同樣，不需要對(duì)連接區(qū)域503b進(jìn)行特殊處理，該連接區(qū)域503b同樣可以形成一個(gè)頸部部分。因此，此連接區(qū)域503b允許第二區(qū)段501b遠(yuǎn)離第一區(qū)段501a的旋轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)(即，鉸鏈)移動(dòng)。應(yīng)理解，因此，在圖5的實(shí)施方案中，可移動(dòng)蓋的第二區(qū)段501b有效地被鉸接到第一區(qū)段501a，且經(jīng)由第一區(qū)段501a僅連接到膜的其余部分。

可移動(dòng)蓋部分501的第一區(qū)段501a和第二區(qū)段501b優(yōu)選地被布置為使得，它們的平衡位置(即，當(dāng)不存在作用在可變通氣部結(jié)構(gòu)上的大壓力差時(shí)，它們所采取的位置)基本上在非活性膜302的平面內(nèi)。換句話說(shuō)，在平衡處，蓋501的第一區(qū)段501a基本上不偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離膜材料的其余部分，且第二區(qū)段501b基本上不偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離第一區(qū)段501a。因此，在平衡位置中，蓋501基本上覆蓋或阻塞穿過(guò)非活性膜的流動(dòng)路徑的至少一部分。在此實(shí)施方案中，流動(dòng)路徑在平衡位置處基本上完全閉合，但是在一些實(shí)施方案中，通氣部可以被設(shè)計(jì)為在平衡處提供某一限定的流動(dòng)尺寸。

當(dāng)然，應(yīng)理解，通道502表示空氣流動(dòng)穿過(guò)該膜的路徑，然而，類(lèi)似于上文討論的通道304，通道502可以被形成有非常窄的寬度，因此，當(dāng)可移動(dòng)蓋501的區(qū)段501a和501b這二者都在平衡位置中時(shí)，可能不存在或存在非常有限的空氣流動(dòng)穿過(guò)該通道。

無(wú)論可變通氣部的設(shè)計(jì)如何，應(yīng)理解，同一換能器中的不同通氣部可以具有不同的設(shè)計(jì)，可變通氣部中的至少一些可以被定位在非活性膜區(qū)域302中。如所提及的，這意味著，期望的通氣性能可以通過(guò)活性膜中較少的通氣部來(lái)實(shí)現(xiàn)，可能地，未在活性膜301中設(shè)置任何通氣部。

當(dāng)被定位在非活性膜區(qū)域302中時(shí)，任何可變通氣部307應(yīng)優(yōu)選地被定位成當(dāng)通氣部打開(kāi)時(shí)在膜的任一側(cè)上的容積之間提供相對(duì)直接的流動(dòng)路徑。

如先前在至少一些實(shí)施方案中所描述的，可以通過(guò)使用適當(dāng)圖案化的犧牲材料來(lái)準(zhǔn)確地限定膜層101和基底之間的腔108?；浊?08被蝕刻以與此腔109聯(lián)合，但是為了避免不太準(zhǔn)確的背部蝕刻(所述背部蝕刻形成基底腔)限定膜，基底腔的開(kāi)口的邊緣在腔109的區(qū)域內(nèi)。圖3a例示了基底腔的開(kāi)口的邊緣308。這意味著，在實(shí)踐中，膜的周界(活性區(qū)域301和非活性區(qū)域302這二者)覆蓋在材料支架(shelf)(即，基底層)。

方便地，可變通氣部307被布置為至少部分地覆蓋基底腔108的開(kāi)口，換句話說(shuō)，通氣部被布置為使得，在通氣部打開(kāi)時(shí)，穿過(guò)通氣部的流動(dòng)路徑在基底腔和膜的另一側(cè)上的腔之間提供合理的直接路徑。因此，圖3a例示的是，對(duì)于具有多個(gè)鉸鏈折翼部分的可變通氣部結(jié)構(gòu)，至少端部折翼覆蓋基底腔的開(kāi)口，即向內(nèi)延伸超出由基底層形成的支架或曲形架(dog-leg)。

圖6例示了根據(jù)本發(fā)明的mems換能器的橫截面。具體而言，這是圖3a中示出的膜層沿著線x-x’的橫截面。圖6也例示了背板104和基底105(其可以包括基礎(chǔ)基底和在基礎(chǔ)基底上所形成的一個(gè)或多個(gè)基底層)。如在圖6中可以看到的，在此實(shí)施方案中，可變通氣部結(jié)構(gòu)307被定位在腔108之上，以在可變通氣部結(jié)構(gòu)307打開(kāi)時(shí)提供直接流動(dòng)路徑。這也允許可變通氣部結(jié)構(gòu)307打開(kāi)而不與基底的任何部分碰撞。在此實(shí)施方案中，在背板104中也存在孔601，孔601被定位在可變通氣部307將打開(kāi)的位置中。孔601可以是背板中的常見(jiàn)聲學(xué)孔中的一個(gè)，但在一些實(shí)施方案中，可以大于典型的孔。在使用中，當(dāng)通氣部打開(kāi)時(shí)，孔601再次允許前容積和后容積之間的直接流動(dòng)路徑，且可以提供可變通氣部通向背板，而不會(huì)不期望地接觸背板的空間。

圖3和圖6還例示的是，排出孔111中的至少一些可以被定位在非活性膜區(qū)域中。將排出孔定位在非活性區(qū)域中可以提供上文關(guān)于可變通氣部結(jié)構(gòu)所討論的類(lèi)似益處，即，孔未被定位在活性膜301中從而不影響活性膜301的應(yīng)力或性能。因此，與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，用于排出孔111的設(shè)計(jì)約束會(huì)是寬松的。然而，排出孔可以被定位在非活性膜302的、覆蓋基底層105的支架或曲形架的區(qū)域中，例如，定位在基底腔的開(kāi)口區(qū)域外部。這意味著，排出孔不在前容積和后容積之間提供直接流動(dòng)路徑，作為替代，流動(dòng)路徑是曲折的。這減小了在聲學(xué)頻率下對(duì)排出孔的影響，同時(shí)仍然允許低頻響應(yīng)。

圖6還例示了可以支撐膜層101的安裝件306的形式的一個(gè)實(shí)施例。在此實(shí)施例中，安裝件306包括膜層與基底接觸的區(qū)域。在此實(shí)施例中，背板104在安裝區(qū)域中也與膜層101接觸。因此，膜101在此區(qū)域中被保持固定在基底105和背板306之間。安裝區(qū)域的傾斜側(cè)壁有助于應(yīng)力分布，且避免使用時(shí)的分層。

在圖3a的實(shí)施方案中，活性膜包括多個(gè)具有安裝件305的臂。圖3a例示了一個(gè)橫跨所述臂橫向延伸的總體安裝結(jié)構(gòu)，然而，實(shí)際上通常優(yōu)選地是使用多個(gè)安裝件。

圖7例示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的換能器，其中使用相同的附圖標(biāo)記來(lái)標(biāo)識(shí)與圖3a中所標(biāo)識(shí)的部件類(lèi)似的部件。

圖7以平面視圖例示膜。再次，所示出的整個(gè)區(qū)域包括膜材料，且膜層被通道304分成活性膜區(qū)域301和非活性膜區(qū)域302。再次，活性膜可以由多個(gè)臂303支撐，所述多個(gè)臂303圍繞活性膜被均勻地間隔開(kāi)。

在圖7中例示的實(shí)施例中，針對(duì)每個(gè)臂具有多個(gè)安裝件305。安裝件305可以具有如上文闡述的相同的總體結(jié)構(gòu)。

安裝結(jié)構(gòu)305以與基底成固定關(guān)系來(lái)支撐膜層。因?yàn)榘惭b件305是活性膜301的最內(nèi)固定部分，所以它們有效地限定活性膜301的柔性部分的周界邊緣。安裝結(jié)構(gòu)305可以沿著膜的周界邊緣彼此間隔開(kāi)。

如上文提及的，臂區(qū)域303支撐膜的活性區(qū)域，且膜中可能存在內(nèi)在應(yīng)力。膜的偏轉(zhuǎn)在活性膜和臂區(qū)域中創(chuàng)建多種附加的應(yīng)力。因此，在一些實(shí)施方案中，在臂區(qū)域303中可以存在一個(gè)或多個(gè)應(yīng)力重分布或應(yīng)力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)701，以避免在臂區(qū)域中(具體地，在安裝件處)的任何不期望的應(yīng)力集中。

應(yīng)力重分布結(jié)構(gòu)可以包括位于膜材料中的彎曲縫或弓形縫。每個(gè)縫可以在柔性膜內(nèi)相對(duì)于臂303的一對(duì)相鄰的安裝結(jié)構(gòu)305定位，以便被定位在該對(duì)安裝結(jié)構(gòu)之間的間隙前方，即，被定位在朝向膜的中心的方向上?？p可以被布置為使得，在膜層上的、源于柔性膜的中心且穿過(guò)相鄰的安裝件之間的間隙的任何線將與縫交叉。每個(gè)縫可以描述一個(gè)彎曲路徑，所述彎曲路徑相對(duì)于柔性膜的中心是凹的并且彎曲至少180°。

在一些實(shí)施方案中，縫可以是大體u形或c形縫，且通常小于1微米寬。應(yīng)力重分布縫改變膜的安裝端中的應(yīng)力分布，而不會(huì)顯著更改活性膜的聲學(xué)屬性。為了減輕膜的活性部分中的任何顯著的應(yīng)力集中，縫是彎曲的，以便提供應(yīng)力的受控重分布。

應(yīng)理解，安裝結(jié)構(gòu)處的高應(yīng)力可以潛在地在活性膜內(nèi)引起顯著的應(yīng)力。這在相對(duì)緊湊的通氣部設(shè)計(jì)(諸如，包括如圖3b中示出的大體正方形或矩形的膜的設(shè)計(jì))的情況下是特別有問(wèn)題的，因?yàn)橛砂惭b結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的應(yīng)力對(duì)屬性具有成比例的更高更顯著的影響。有利地，設(shè)置壓力重分布縫通過(guò)使膜與安裝結(jié)構(gòu)的區(qū)域部分地?cái)嚅_(kāi)，用來(lái)緩解安裝區(qū)域附近的應(yīng)力。這可以被看成減小安裝件正前方的彎曲力矩。此外，穿過(guò)該區(qū)域出現(xiàn)的應(yīng)力流動(dòng)線在安裝件的區(qū)域中被改變和/或被重分布，且該應(yīng)力流動(dòng)線穿過(guò)此區(qū)域被改變。

通常已知的是，孔可以被設(shè)置在膜中，以用于應(yīng)力釋放。然而，穿過(guò)膜的孔提供流動(dòng)路徑，從而將導(dǎo)致低的聲導(dǎo)，低的聲導(dǎo)將改變膜的聲學(xué)響應(yīng)。因此，此實(shí)施方案的弓形縫提供了應(yīng)力重分布或擴(kuò)散的益處，但在聲導(dǎo)上沒(méi)有任何顯著的增加?？p可以描述大多數(shù)圓形路徑，然而，這將導(dǎo)致一個(gè)窄的連接區(qū)域，所述窄的連接區(qū)域?qū)⒖p內(nèi)的材料與膜的其余部分連接。這可以提供一個(gè)與通氣部的可移動(dòng)部分類(lèi)似的折翼狀結(jié)構(gòu)?？p701的目的是不同的，通氣在此區(qū)域中不一定有用。因此，縫可以被設(shè)計(jì)為使得縫內(nèi)的區(qū)域基本上不充當(dāng)折翼。

圖8a例示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的活性膜301的安裝端，即臂區(qū)域303。

在此實(shí)施方案中，安裝件305沿著膜的周界散布。在圖8a中例示了四個(gè)安裝件305，但是應(yīng)理解，在不同實(shí)施方案中可以使用不同數(shù)目的安裝件。應(yīng)力重分布縫701被定位在安裝件前方。在此實(shí)施方案中，縫被定位成使得，針對(duì)相鄰的安裝結(jié)構(gòu)之間的每個(gè)間隙，存在一個(gè)縫701，縫701在朝向膜的中心的方向上定位在間隙的前方。在此實(shí)施方案中，縫被定位在臂區(qū)域303中，且每個(gè)縫的寬度至少與相關(guān)的間隙一樣大?？p通常彎曲約180度或更大的角度。

這些u形縫701可以被布置為使得，由虛線801例示的兩個(gè)不同且平行的切線可以被繪制到每個(gè)縫的路徑，所述路徑將與前方定位有縫的安裝結(jié)構(gòu)交叉。應(yīng)理解，可以使用不同形狀的縫和/或縫可以被有區(qū)別地定位。應(yīng)理解，可以添加更多縫，以進(jìn)一步改進(jìn)應(yīng)力分布。例如，可以在圖8a中已經(jīng)存在的縫701之間添加附加的縫。這樣的實(shí)施方案被例示在圖8b中。在此實(shí)施方案中，應(yīng)力重分布縫中的至少一些可以在朝向活性膜的中心的方向上基本上完全定位在安裝件305前方。替代地或附加地，在此實(shí)施方案中交錯(cuò)的另一層縫可以更靠近膜的中心添加，如圖8c中示出的。

這樣的應(yīng)力重分布縫對(duì)于所描述的活性膜301被不同的臂303支撐的實(shí)施方案特別有用。然而，這樣的原理同樣可以被應(yīng)用于圖1a和圖1b中示出的常規(guī)換能器結(jié)構(gòu)，在所述常規(guī)換能器結(jié)構(gòu)中，連續(xù)的膜被多個(gè)安裝結(jié)構(gòu)圍繞膜的周界支撐。

因此，應(yīng)力重分布縫允許這樣的實(shí)施方案：在該實(shí)施方案中，在臂區(qū)域303中沒(méi)有過(guò)度應(yīng)力集中的情況下實(shí)施活性膜301，應(yīng)力可以是膜層101的固有應(yīng)力和/或可以是在活性膜偏轉(zhuǎn)時(shí)誘發(fā)的應(yīng)力。

返回參考圖7，在此實(shí)施方案中，膜電極103的形狀共形到膜的總體形狀。換句話說(shuō)，膜電極103的周界可以是非圓形的形狀。在此實(shí)施方案中，膜電極103的周界包含活性膜301的相當(dāng)大比例的內(nèi)部部分(即，臂區(qū)域303內(nèi)部的區(qū)域)。在這樣相對(duì)寬的范圍以?xún)?nèi)設(shè)置膜可以有助于提供良好的靈敏度。在此實(shí)施方案中，在活性膜中可以不需要可變通氣部孔或排出孔，從而電極可以在此區(qū)域上延伸，而不需要為這樣的特征留出空間。在一些實(shí)施方案中，膜電極103可以在膜材料內(nèi)的整個(gè)區(qū)域上是大體上連續(xù)的。然而，在一些實(shí)施方案中，在膜的周界內(nèi)可能存在缺乏電極材料的區(qū)域，例如，在膜電極內(nèi)可能存在多個(gè)孔。

當(dāng)膜由于入射的聲學(xué)壓力波而偏轉(zhuǎn)時(shí)，用于膜電極的金屬材料可以表現(xiàn)出一程度的塑性變形。在一些情況下，這會(huì)導(dǎo)致膜在平衡位置處的逐漸永久變形，且導(dǎo)致不期望的偏移或靈敏度損失。使用較少的金屬可以減小此問(wèn)題的發(fā)生，但是通常會(huì)被認(rèn)為減小了靈敏度。然而，應(yīng)理解，由于存在聲學(xué)孔112，所以背板電極中存在孔。換能器的靈敏度主要受膜和背板電極的重疊量的影響，從而應(yīng)理解，在對(duì)應(yīng)于背板聲學(xué)孔的位置中可以省略膜電極材料，而不會(huì)顯著影響靈敏度。

在一些實(shí)施方案中，背板的元件可以附加地或替代地共形到總體換能器形狀。例如，圖9以平面視圖例示了換能器700的背板104。在此實(shí)施方案中，背板與膜一樣被相同的安裝結(jié)構(gòu)305和306支撐。背板電極102的周界也由虛線例示，且可以對(duì)應(yīng)于背板電極的形狀和/或換能器的總體形狀，例如，活性膜的內(nèi)部部分(即，活性膜的、被臂部分303所支撐的部分)的形狀。

圖9還例示的是，穿過(guò)背板的聲學(xué)孔112可以與活性膜共形，從而例如可以被形成在這樣一個(gè)區(qū)域中，該區(qū)域具有大體上對(duì)應(yīng)于活性膜的、被臂部分303支撐的部分的形狀。

圖9還例示的是，較大的孔可以被定位成對(duì)應(yīng)于通氣部307的位置。

因此，在這樣的實(shí)施方案中，經(jīng)由背板所接收的任何入射聲波將基本上被入射在活性膜301上。

從上文的討論將理解的是，非活性膜區(qū)域302可以由與活性膜301的材料相同的材料形成。因此，響應(yīng)于壓力差，會(huì)存在非活性膜的一程度的偏轉(zhuǎn)。

雖然在一些實(shí)施方案中非活性膜的這樣有限的偏轉(zhuǎn)可能沒(méi)有問(wèn)題，但是可以存在連接在非活性膜與基底或背板中的任一個(gè)或這兩者之間的至少一個(gè)支撐元件。此支撐元件應(yīng)被定位在任何可變通氣部區(qū)域外部，可以防止非活性膜的顯著移動(dòng)，但是可以不影響活性膜。

圖7和圖9例示的是，可以存在這樣的支撐元件702，該支撐元件702從背板連接到非活性膜302的內(nèi)邊緣附近。圖10例示了穿過(guò)圖7中所示的線y-y’的橫截面。

根據(jù)上文描述的實(shí)施方案中的任何一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)或多個(gè)換能器可以被納入一個(gè)封裝件中。圖11a至圖11g例示了多種不同的封裝布置。圖11a至圖11g中的每個(gè)示出了定位在封裝件中的換能器元件，但是應(yīng)理解，在一些實(shí)施方案中，可以存在不止一個(gè)換能器(例如，換能器陣列)，且多種換能器可以被形成在相同的換能器基底(即，單片換能器基底)上，或可以被形成為具有分立的換能器基底的分立的換能器，每個(gè)分立的換能器基底被接合到封裝件基底。

圖11a示出第一布置，其中換能器1100被定位位于封裝件基底1102上的蓋1101內(nèi)，蓋1101形成殼體的至少一部分。在此實(shí)施例中，蓋可以是接合到基底的金屬殼體。封裝件基底可以包括至少一個(gè)絕緣層。封裝件基底還可以包括至少一個(gè)導(dǎo)電層。封裝件基底可以是半導(dǎo)體材料，或可以由諸如pcb、陶瓷等的材料形成。在蓋1101是金屬的或蓋1101本身包括導(dǎo)電層的情況下，蓋可以被電聯(lián)接到基底的導(dǎo)電層，例如，以使得殼體提供針對(duì)電磁干擾(emi)的屏蔽。接合線1103可以將換能器連接到封裝件基底上的接合焊盤(pán)。在一些實(shí)施方案中，讀出電路系統(tǒng)(例如，放大器電路系統(tǒng))可以定位在殼體內(nèi)，所述殼體被形成在封裝件基底中或連接到封裝件基底。穿過(guò)封裝件基底的通孔(未示出)可以連接到觸點(diǎn)(即，焊料焊盤(pán))1104，用于將外部電路系統(tǒng)(未示出)電連接到封裝件，以允許將電信號(hào)傳輸?shù)綋Q能器1100/傳輸來(lái)自換能器1100的電信號(hào)。在圖11a中示出的實(shí)施例中，在蓋1101中存在一個(gè)聲音端口或聲學(xué)端口，以允許聲音進(jìn)入封裝件，且換能器被布置在頂部端口布置中。

圖11b例示了一個(gè)替代布置，其中聲音端口被設(shè)置在封裝件基底1102中并且可以在使用時(shí)被密封。環(huán)1105可以是密封環(huán)或焊料焊盤(pán)環(huán)(在形成焊料環(huán)時(shí)使用)，可以圍繞封裝件的外側(cè)上的聲音端口的周界設(shè)置，以允許在使用時(shí)，在例如將封裝件連接到另一pcb時(shí)，對(duì)通向聲音端口的聲音路徑進(jìn)行密封。在此實(shí)施方案中，換能器被布置在底部端口布置中，且由殼體1101所限定的容積形成換能器的后容積的一部分。

圖11c例示了一個(gè)實(shí)施例，在該實(shí)施例中，代替將換能器連接到封裝件基底的接合線，換能器結(jié)構(gòu)被倒置，且經(jīng)由連接部1106而被倒裝(flip-chip)接合至封裝件基底。在此實(shí)施例中，聲音端口在封裝件基底中，使得封裝件被布置在底部端口布置中。

圖11d例示了圖11b的實(shí)施例的一個(gè)替代實(shí)施例，其中殼體1107由多種材料面板(例如，pcb等)形成。在此情形下，殼體1107可以包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層和/或一個(gè)或多個(gè)絕緣層。圖11d示出了封裝件基底中的聲音端口。圖11e示出了圖11b的布置的一個(gè)替代布置，其中殼體1107由多種材料面板(例如，如關(guān)于圖11d所描述的pcb等)形成。圖11f示出了另一實(shí)施方案，其中換能器結(jié)構(gòu)經(jīng)由連接部1106被接合至殼體上部層，該殼體上部層例如可以是pcb或分層的導(dǎo)電材料/絕緣材料。然而，在此實(shí)施例中，與封裝件的電連接部仍然是經(jīng)由封裝件基底上的觸點(diǎn)(焊料焊盤(pán))1404，例如封裝件基底中的通孔(未示出)以及在殼體的內(nèi)側(cè)上至換能器的導(dǎo)電跡線(trace)。圖11g例示了圖11c的實(shí)施例的一個(gè)替代實(shí)施例，其中換能器被倒裝接合至殼體1107中的封裝件基底，該殼體1107由材料面板(例如，如關(guān)于圖11d描述的pcb等)形成。

一般而言，如圖11h中例示的，一個(gè)或多個(gè)換能器可以被定位在一個(gè)封裝件中，然后該封裝件被操作性地互連到另一基底(諸如母板(motherboard))，如本領(lǐng)域已知的。

雖然多個(gè)實(shí)施方案描述了mems電容式麥克風(fēng)，但是本發(fā)明也可應(yīng)用于除麥克風(fēng)之外的任何形式的mems換能器，例如壓力傳感器或超聲波發(fā)射器/接收器。

可以在一系列不同材料系統(tǒng)中有用地實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施方案，然而，本文所描述的實(shí)施方案對(duì)于具有包括氮化硅的膜層的mems換能器是特別有利的。

雖然上文已經(jīng)關(guān)于mems電容式麥克風(fēng)描述了多個(gè)實(shí)施方案，但是本發(fā)明也可應(yīng)用于除麥克風(fēng)之外的任何形式的mems換能器，例如壓力傳感器或超聲波發(fā)射器/接收器。

可以在一系列不同材料系統(tǒng)中有用地實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施方案，然而，本文所描述的實(shí)施方案對(duì)于具有包括氮化硅的膜層的mems換能器是特別有利的。

所述mems換能器可以被形成在一個(gè)換能器管芯上，且在一些情況下可以與用于換能器的操作的至少一些電子器件集成。在上文描述的實(shí)施方案中，注意，對(duì)換能器元件的引用可以包括多種形式的換能器元件。例如，換能器元件可以包括單個(gè)膜和背板組合。在另一實(shí)施例中，一個(gè)換能器元件包括多個(gè)個(gè)體換能器，例如多個(gè)膜/背板組合。一個(gè)換能器元件的個(gè)體換能器可以是類(lèi)似的，或可以被有區(qū)別地配置以使得它們有區(qū)別地響應(yīng)于聲學(xué)信號(hào)，例如換能器元件可以具有不同的靈敏度。一個(gè)換能器元件也可以包括被定位成從不同的聲學(xué)通道接收聲學(xué)信號(hào)的不同的個(gè)體換能器。

注意，在本文描述的實(shí)施方案中，一個(gè)換能器元件可以包括例如一個(gè)麥克風(fēng)設(shè)備，該麥克風(fēng)設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)膜，其中用于讀出/驅(qū)動(dòng)的電極被沉積在所述膜和/或基底或背板上。在mems壓力傳感器和麥克風(fēng)的情況下，可以通過(guò)測(cè)量與電極之間的電容有關(guān)的信號(hào)來(lái)獲得電輸出信號(hào)。然而，注意，所述實(shí)施方案還意在包含通過(guò)監(jiān)測(cè)壓阻元件或壓電元件或事實(shí)上光源來(lái)導(dǎo)出輸出信號(hào)。所述實(shí)施方案還意在包括換能器元件是電容式輸出換能器，其中通過(guò)靜電力來(lái)移動(dòng)所述膜，所述靜電力是通過(guò)使跨所述電極施加的電位差變化生成的，包括其中壓電元件是使用mems技術(shù)制造的并且被激勵(lì)以導(dǎo)致柔性構(gòu)件動(dòng)作的輸出換能器的實(shí)施例。

注意，上文描述的實(shí)施方案可以被用在一系列設(shè)備中，所述設(shè)備包括但不限于：模擬麥克風(fēng)、數(shù)字麥克風(fēng)、壓力傳感器或超聲換能器。本發(fā)明也可以被用在多種應(yīng)用中，所述應(yīng)用包括但不限于：消費(fèi)品應(yīng)用、醫(yī)療應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用和汽車(chē)應(yīng)用。例如，典型的消費(fèi)品應(yīng)用包括便攜式音頻播放器、可穿戴設(shè)備、膝上型計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、pda和個(gè)人電腦。實(shí)施方案還可以被用在語(yǔ)音激活設(shè)備或語(yǔ)音控制設(shè)備中。典型的醫(yī)療應(yīng)用包括助聽(tīng)器。典型的工業(yè)應(yīng)用包括有源噪聲消除。典型的汽車(chē)應(yīng)用包括免提套件、聲學(xué)碰撞傳感器(acousticcrashsensor)和有源噪聲消除。

應(yīng)注意，上文提及的實(shí)施方案例示而非限制本發(fā)明，在不偏離隨附的權(quán)利要求的范圍的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)許多替代實(shí)施方案。詞語(yǔ)“包括”不排除除了權(quán)利要求中所列出的元件或步驟以外的元件或步驟的存在，“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)，以及單個(gè)特征或其他單元可以實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中所引用的多個(gè)單元的功能。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制它們的范圍。