CN102075840A - 微机电系统麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容性微机电系统(MEMS)麦克风，包括半导体衬底，半导体衬底具有通过衬底延伸的开口。麦克风具有跨过开口延伸的薄膜以及跨过开口延伸的背板。薄膜被配置为响应于声音产生信号。背板通过绝缘体与薄膜分离，背板表现出弹簧常数。麦克风还包括：后腔室，封闭开口以与薄膜形成压力腔；以及调谐结构，被配置为将背板的谐振频率设置为与薄膜的谐振频率的值实质上相同的值。

Description

微机电系统麦克风

技术领域

本发明总体涉及微机电系统(MEMS)麦克风，更具体地，涉及对MEMS麦克风的背板的谐振频率的控制。

背景技术

微机电系统(MEMS)是使用与制造传统模拟和数字CMOS电路所使用的步骤相同类型的步骤(例如材料层的沉积和材料层的选择性去除)来制造的麦克风装置。

一种类型的MEMS是麦克风。电容性MEMS麦克风使用响应于压力变化(例如声波)而振动的薄膜(或隔膜)。薄膜是跨过衬底中的开口而悬置的薄材料层。麦克风通过测量薄膜变形的变化来将压力变化转换为电信号。薄膜的变形导致薄膜的电容(作为电容性薄膜/对电极布置的一部分)的改变。在操作中，空气压力(例如声波)的变化引起薄膜振动，薄膜振动引起薄膜电容的改变，薄膜电容的改变与薄膜的变形成比例，因此薄膜振动可以用于将压力波转换为电信号。

MEMS麦克风容易受机械振动(例如结构传递声音(structure-born sound)的影响，例如可以与麦克风和/或采用了麦克风的设备的移动有关。这些振动可以被不期望检测为噪声，干扰麦克风精确检测声音的能力。另外，减轻噪声的许多方法可以影响麦克风检测声音的能力，妨碍麦克风的分辨力(resolution)。

鉴于上述和其他问题，MEMS麦克风的实施仍然具有挑战性。

发明内容

与本发明的示例实施例一致，电容性微机电系统(MEMS)麦克风包括半导体衬底，半导体衬底具有通过衬底延伸的开口。麦克风具有跨过开口延伸的薄膜和跨过开口延伸的背板。薄膜被配置为响应于声音产生信号。背板通过绝缘体与薄膜分离并且背板表现出弹簧常数。麦克风还包括：后腔室，封闭开口以与薄膜形成压力腔；以及调谐结构，被配置为将背板的谐振频率设置为与薄膜的谐振频率值实质上相同的值(例如将背板的机械加速度响应与薄膜的机械加速度响应相匹配)。

根据本发明的另一示例实施例，电容性MEMS麦克风包括半导体衬底，半导体衬底具有通过衬底延伸的开口。麦克风具有压敏薄膜，压敏薄膜跨过开口延伸并且被配置为响应于声波产生信号。麦克风还具有跨过开口延伸的弹性悬置背板。弹性悬置背板通过第一绝缘体与压敏薄膜分离，背板表现出弹簧常数。麦克风还具有调谐背板，调谐背板跨过开口延伸并且通过第二绝缘体与弹性悬置背板分离。麦克风还包括：后腔室，封闭开口以与薄膜形成压力腔；以及偏置电路，被配置为为向调谐背板施加调谐偏置电压电压以将弹性悬置背板的谐振频率(例如基本谐振频率)设置为与薄膜的谐振频率值实质上相同的值。

以上概述不旨在描述本公开的每个实施例或每一种实现方式。随后的附图和详细说明更具体地示例多种实施例。

附图说明

结合附图考虑到本发明的多种实施例的以下详细说明，可以更完全地理解本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的示例实施例的MEMS麦克风的图示；

图2示出了根据本发明的另一示例实施例的MEMS麦克风的图示；

图3示出了与本发明的又一示例实施例一致的MEMS麦克风的图示；以及

图4示出了根据本发明的又一示例实施例的MEMS麦克风的示意图。

尽管本发明适用于多种修改和替代形式，但是附图中仅以示例的方式示出了其中的一些并对其进行详细描述。然而，应理解的是，本发明不限于所描述的具体的实施例。相反，本发明包含落入包括由所附权利要求限定的方面的本发明的范围内的所有修改、同等和替换。

具体实施方式

认为本发明可应用于与MEMS麦克风一起使用的多种不同类型的过程、设备和布置。尽管本发明不必限于此，然而可以通过使用这种上下文讨论示例来意识到本发明的各方面。

根据本发明的示例实施例，电容性MEMS麦克风包括半导体衬底，半导体衬底具有通过衬底延伸的开口。薄膜跨过衬底中的开口延伸，薄膜被配置为响应于声音产生信号。背板也跨过衬底中的开口延伸并且通过绝缘体与薄膜分离。背板表现出弹簧常数。后腔室封闭衬底中的开口以与薄膜形成压力腔。麦克风包括调谐结构，调谐结构被配置为将背板的谐振频率设置为与薄膜的谐振频率的值实质上相同的值。将背板的谐振频率设置为与薄膜的谐振频率实质上相等(或者例如将背板的机械加速度响应与薄膜的机械加速度响应相匹配)减轻了MEMS麦克风对机械振动的敏感性。在一种实现方式中，调谐结构包括调谐背板，背板的谐振频率是通过在背板和调谐板之间施加偏置电压来设置的。

在以下讨论中，做出了多种参考以相对于薄膜来匹配或设置背板的谐振频率。在这些实施例中，设置谐振频率的该方法可以包含(作为相同方法的备选方法或一部分)：设置或控制背板的机械加速度响应，使得背板的机械加速度响应与薄膜的机械加速度响应相匹配。因此，包含谐振频率匹配的多种实施例可以取而代之地和/或另外还匹配背板和薄膜的机械加速度响应。

根据本发明的另一示例实施例，电容性MEMS麦克风包括薄膜、可弯曲背板以及在可弯曲背板顶部的第二较硬背板。第二较硬背板用于精细调谐背板和薄膜之间的频率匹配。背板始终是可弯曲的，因为背板是由具有特定杨氏模量/应力的材料制成的并且背板具有特定的有限厚度。可弯曲背板比第二较硬背板稍微更易弯曲，第二较硬背板也是稍微可弯曲的。在薄膜和可弯曲背板之间施加第一偏置电压。第一偏置电压影响薄膜的灵敏度以及薄膜和可弯曲背板的谐振频率。在可弯曲背板和硬背板之间施加第二偏置电压。第二偏置电压影响可弯曲背板的谐振频率并且用于在不影响薄膜对声音的灵敏度的情况下调节可弯曲背板的谐振频率。因此，第二较硬背板和第二偏置电压允许以独立于薄膜的方式调谐可弯曲背板的谐振频率。

根据本发明的又一示例实施例，通过减小(例如最小化)机械振动(例如结构传递声音)的影响来将电容性硅MEMS麦克风的灵敏度设置为期望水平。在一个实现方式中，通过使背板具有与薄膜相同的谐振频率，从而使麦克风对听觉频率范围内的机械噪声本质上不敏感，来达到这种结果。相同的谐振频率是指背板和薄膜对于特定加速度具有相同偏移，因为薄膜或背板的谐振频率和对加速度的灵敏度都是通过k/M比(质量上的弹簧常数(spring constant over mass))来给出的。在特定实现方式中，背板的谐振频率被设置为使得背板和薄膜的谐振频率在10％内匹配。

根据本发明的另一实施例，可弯曲背板(例如弹性悬置背板)的电可调谐频率匹配是在麦克风操作期间来执行的，以完全抑制体噪声。经由调谐背板与背板之间的静电力来设置背板的谐振频率，静电力是由于施加至调谐背板的偏置电压而产生的。在一个实现方式中，背板是可弯曲的，调谐背板是比背板更不易弯曲的硬背板。

根据本发明的另一实施例，电容性MEMS包括薄膜和背板，薄膜和背板对于加速度具有不同灵敏度，这引起不同的偏转，从而产生输出信号。该效应称作体噪声，通过将背板的谐振频率与薄膜的谐振频率相匹配来抑制该效应。薄膜偏移Δx与加速度有关，如方程式1所表示：

$\left.\begin{array}{c}F=M\·a\\ F=k\·\mathrm{\Δx}\end{array}\right\}\mathrm{\Δx}=\frac{M}{k}\·a---\left(1\right)$

谐振频率由方程式2给出：

$f_{\mathrm{res}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·{\left(\sqrt{\frac{M}{k}}\right)}^{-1}---\left(2\right)$

方程式2示出了比率M/k确定灵敏度和谐振频率。因此，薄膜和背板的谐振频率具有以下关系：

$f_{\mathrm{res},m}=f_{\mathrm{res},\mathrm{bp}}\⇒\mathrm{\Δ}{x}_m=\mathrm{\Δ}{x}_{\mathrm{bp}}\⇒\mathrm{\ΔV}=0---\left(3\right)$

更一般的表示是：

$\mathrm{\Δx}=\mathrm{\Δ}{x}_m-\mathrm{\Δ}{x}_{\mathrm{bp}}=a\·(\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{res},\mathrm{mem}}\right)}^2}-\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{res},\mathrm{bp}}\right)}^2})=a\·\left(\frac{{\left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{res},\mathrm{bp}}\right)}^2-{\left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{res},\mathrm{mem}}\right)}^2}{{\left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{res},\mathrm{mem}}\right)}^2{\left(2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{res},\mathrm{bp}}\right)}^2}\right)---\left(4\right)$

$f_{\mathrm{res},\mathrm{mem}}\→f_{\mathrm{res},\mathrm{bp}}\⇒\mathrm{\ΔV}\↓---\left(5\right)$

因此，将背板的谐振频率与薄膜的谐振频率相匹配减小了体噪声。

图1示出了根据本发明的示例实施例的电容性MEMS麦克风100的图示。麦克风100包括半导体衬底110，半导体衬底110具有通过衬底110延伸的开口112。压敏薄膜120跨过衬底110中的开口112延伸。薄膜120被配置为响应于声音产生信号。有孔的背板130也跨过衬底110中的开口112延伸。背板130通过绝缘材料132与薄膜120分离。麦克风100还包括有孔的调谐背板140，有孔的调谐背板140跨过衬底110中的开口112延伸。调谐背板140通过绝缘材料142与背板130分离。后腔室150封闭开口112以与薄膜120形成压力腔。

调谐偏置电压施加在背板130与调谐背板140之间。例如，MEMS麦克风100包括被配置为施加调谐偏置电压的偏置电路160。施加调谐偏置电压以将背板130的谐振频率电调谐为与薄膜120的谐振频率相匹配，从而抑制体噪声(例如根据以上方程式1至5)。

在一个实现方式中，使用调谐偏置电压来电调谐背板130的谐振频率使体噪声补偿与麦克风灵敏度去耦。例如，调谐背板140用于在不改变薄膜120的灵敏度的情况下给背板130额外的弹性软化。调谐偏置电压的施加经由调谐背板140与背板130之间的静电力来改变背板130的谐振频率。

在另一执行中，偏置电路160被配置为在薄膜120与背板130之间施加偏置电压以设置薄膜的灵敏度。电容性麦克风100具有由薄膜120和背板130组成的平行板装置。可以认为薄膜120是在薄膜130的电场中，因此受到电学力，如方程式6所示：

$F_{\mathrm{el}}=\frac{q^2}{2{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}---\left(6\right)$

q是板上的电荷，A是板表面，ε₀是空气的介电常数。电荷q由施加在平行板电容器上的偏置电压来确定，q由方程式7来限定，方程式7是：

$q=C\·V_{\mathrm{bias}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d_0}{V}_{\mathrm{bias}}.---\left(7\right)$

组合方程式6和7得到方程式8：

$F_{\mathrm{el}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{2d_0(d_0+\mathrm{\Δx})}{V^2}_{\mathrm{bias}}\≈\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{2{d_0}^2}{V^2}_{\mathrm{bias}}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{2{d_0}^3}{V^2}_{\mathrm{bias}}\mathrm{\Δx}---\left(8\right)$

Δx是薄膜120和背板130相对于彼此的偏移。薄膜120以弹簧常数k_mech悬置，薄膜将具有由施加的偏置电压产生的负弹性，如方程式9所限定：

k_el＝-(ε₀A/2d_o ³)V² _bias                        (9)

该效应称作弹性软化，因为薄膜的总弹簧常数k比机械弹簧常数k_mech小。

在一个实现方式中，弹性软化用于调谐薄膜120的谐振频率。例如，通过改变施加的偏置电压来调节薄膜120的谐振频率，施加的偏置电压影响弹性软化。如方程式10所示，(自由)谐振频率是偏置电压V_bias的函数：

$f_0\left(V_{\mathrm{bias}}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k_{\mathrm{eff}}}{M_{\mathrm{eff}}}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k_m+k_{\mathrm{el}}\left(V_{\mathrm{bias}}\right)}{M_{\mathrm{eff}}}}---\left(10\right)$

在一些实现方式中，向调谐背板施加调谐偏置电压以便于独立调节薄膜120的灵敏度(例如经由施加至薄膜120的偏置电压)，并且减轻调节施加至薄膜的偏置电压以补偿体噪声的需要。例如，通过选择偏置电压将薄膜120的灵敏度设置为期望水平(因此也设置薄膜的谐振频率)，然后响应于施加至薄膜130的偏置电压来选择施加至调谐背板140的调谐偏置电压，以将背板130的谐振频率设置为与薄膜120的谢振频率实质上相等。

在另一实现方式中，调谐背板140用于使薄膜120与背板130分开(de-stick)。在MEMS麦克风100的制造期间，薄膜120可以变得粘连于(stick)背板130。在背板130与调谐背板140之间施加调谐偏置电压将背板130静电地向调谐背板吸引，从而使背板130从薄膜120分离。

图2示出了根据本发明的另一示例实施例的电容性MEMS麦克风200的图示。麦克风200与图1的麦克风100相似。麦克风200包括半导体衬底210，半导体衬底210具有通过衬底210延伸的开口212。薄膜220跨过衬底210中的开口212延伸。有孔的背板230也跨过衬底210中的开口212延伸。背板230通过绝缘材料232与薄膜220分离。麦克风200还包括有孔的调谐背板240，有孔的调谐背板240跨过衬底210中的开口212延伸。调谐背板240通过绝缘材料242与背板230分离。后腔室250封闭开口212以与薄膜220形成压力腔。在衬底250的与图1的麦克风100的后腔室150相反的一侧，后腔室250封闭衬底中的开口212。

偏置电路260被配置为在薄膜220与背板230之间施加偏置电压以设置薄膜220的灵敏度。偏置电路260还配置为在背板230与调谐背板240之间施加调谐偏置电压。调谐偏置电压的施加将背板230的谐振频率电调谐为与薄膜220的谐振频率相匹配，从而在不改变薄膜220的灵敏度的情况下抑制体噪声。在一个实现方式中，调谐偏置电压的施加经由在调谐背板240与背板230之间的静电力来改变背板230的谐振频率。

图3示出了根据本发明的又一示例实施例的电容性MEMS麦克风300的图示。麦克风300包括半导体衬底310，半导体衬底310具有通过衬底310延伸的开口312。薄膜320跨过衬底310中的开口312延伸。有孔的背板330也跨过衬底310中的开口312延伸。背板330通过绝缘材料332与薄膜320分离。麦克风300还包括后腔室350，后腔室350封闭开口312以与薄膜320形成压力腔。

偏置电路360被配置为在薄膜320与背板330之间施加偏置电压以设置薄膜320的灵敏度。偏置电路360还被配置为在背板330与后腔室350的壁之间施加调谐偏置电压。调谐偏置电压的施加将背板330的谐振频率电调谐为与薄膜320的谐振频率相匹配，从而在不改变薄膜320的灵敏度的情况下抑制体噪声。例如，偏置电压352的施加经由在后腔室350的壁与背板330之间的静电力来改变背板330的谐振频率。

图4示出了具有麦克风主体410、薄膜420和背板430的示意MEMS麦克风400，其中薄膜420和背板430各自都具有自己的弹簧常数(k1和k2)和质量(m1和m2)。薄膜420和背板430对于加速度具有不同的灵敏度(由图4中的箭头所示)。因此，机械振动引入体噪声。通过将背板430的谐振频率与薄膜420的谐振频率相匹配来抑制由机械振动产生的体噪声。质量弹簧常数比M/k(见例如方程式3)确定了薄膜420的灵敏度和谐振频率以及背板430的谐振频率。在薄膜420与背板430之间施加偏置电压影响薄膜420的弹簧常数k2，从而调节薄膜420的灵敏度和谐振频率。因此，偏置电压用于设置薄膜420的灵敏度和谐振频率。调谐偏置电压施加在背板430与调谐背板(未在图4中示出)之间。调谐偏置电压影响背板430的弹簧常数k1，从而电调谐背板430的谐振频率。因此，调谐偏置电压用于将背板430的谐振频率设置为与薄膜420的谐振频率实质上相等，从而抑制体噪声。

因此，尽管在上文和权利要求中已经描述了本发明，然而本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明做出许多改变。

Claims (20)

1.一种电容性微机电系统MEMS麦克风，包括：

半导体衬底，具有通过衬底延伸的开口；

薄膜，跨过开口延伸，被配置为响应于声音而产生信号；

背板，跨过开口延伸，背板通过绝缘体与薄膜分离并表现出弹簧常数；

后腔室，封闭开口以与薄膜形成压力腔；以及

调谐结构，被配置为将背板的谐振频率设置为与薄膜的谐振频率值实质上相同的值。

2.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，调谐结构包括：调谐板，被配置为响应于施加至调谐板的偏置电压来设置背板的谐振频率。

3.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，调谐结构被配置为通过施加电学力以影响背板的弹簧常数来设置背板的谐振频率，从而设置背板的谐振频率的值并抑制体噪声的引入。

4.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，

调谐结构包括被布置为与薄膜和背板实质上平行的调谐板，背板位于薄膜和调谐板之间，以及

所述MEMS麦克风还包括偏置电路，偏置电路被配置为：

在背板和薄膜之间施加第一偏置电压，以设置用于响应于声音的薄膜的频率响应，以及

在调谐板与背板之间施加第二偏置电压以控制调谐板设置背板的谐振频率。

5.权利要求4所述的MEMS麦克风，其中，施加在调谐板与背板之间的第二偏置电压基于施加在背板与薄膜之间的第一偏置电压。

6.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，调谐结构包括后腔室，后腔室被配置为响应于施加在后腔室的壁与背板之间的偏置电压来设置背板的谐振频率。

7.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，调谐结构包括调谐背板，调谐背板通过另一绝缘体与背板分离并且表现出弹簧常数，调谐背板被配置为响应于施加至调谐背板的偏置电压来设置背板的谐振频率。

8.权利要求7所述的MEMS麦克风，其中，调谐结构还包括：偏置电路，被配置为向调谐背板施加偏置电压。

9.权利要求7所述的MEMS麦克风，其中，调谐背板与背板之间有距离，所述距离使得由于向调谐背板施加偏置电压而产生的静电力控制背板的谐振频率。

10.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，后腔室位于衬底的表面上，薄膜位于背板与后腔室之间。

11.权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，调谐结构被配置为将背板的机械加速度响应与薄膜的机械加速度响应相匹配。

12.一种电容性微机电系统MEMS麦克风，包括：

半导体衬底，具有通过衬底延伸的开口；

压敏薄膜，跨过开口延伸，被配置为响应于声波来产生信号；

弹性悬置背板，跨过开口延伸，弹性悬置背板通过第一绝缘体与压敏薄膜分离并且表现出弹簧常数；

调谐背板，调谐背板跨过开口延伸并通过第二绝缘体与弹性悬置背板分离；

后腔室，封闭开口以与薄膜形成压力腔；以及

偏置电路，被配置为向调谐背板施加调谐偏置电压以将弹性悬置背板的谐振频率设置为与薄膜的谐振频率值实质上相同的值。

13.权利要求12所述的MEMS麦克风，其中，偏置电路还被配置为在弹性悬置背板与薄膜之间施加偏置电压以设置用于响应于声音的薄膜的频率响应，调谐偏置电压基于施加在弹性悬置背板与薄膜之间的偏置电压。

14.权利要求12所述的MEMS麦克风，其中，调谐背板被配置为：通过表现出电学力以影响弹性悬置背板的弹簧常数，来响应于调谐偏置电压设置弹性悬置背板的谐振频率，从而设置弹性悬置背板的谐振频率的值并抑制经由弹性悬置背板引入体噪声。

15.权利要求12所述的MEMS麦克风，其中，调谐背板比弹性悬置背板硬。

16.权利要求12所述的MEMS麦克风，其中，偏置电路被配置为：向调谐背板施加调谐偏置电压，以设置弹性悬置背板的有效弹簧常数，从而将背板的机械加速度响应与薄膜的机械加速度响应相匹配。

17.一种抑制在电容性微机电系统MEMS麦克风中引入体噪声的方法，麦克风包括：具有通过衬底延伸的开口的半导体衬底；跨过开口延伸并且被配置为响应于声波产生信号的薄膜；跨过开口延伸并通过第一绝缘体与薄膜分离的背板；跨过开口延伸并通过第二绝缘体与背板分离的调谐背板；以及封闭开口以与薄膜形成压力腔的后腔室，该方法包括：

选择要施加在薄膜与背板之间的偏置电压；

在薄膜与背板之间施加偏置电压以设置薄膜的灵敏度；

选择要施加在背板与调谐背板之间的调谐偏置电压；以及

在背板与调谐背板之间施加调谐偏置电压，以设置背板的谐振频率并且抑制在MEMS麦克风中引入体噪声。

18.权利要求17所述的方法，其中，施加调谐偏置电压包括：施加偏置电压，以将背板的机械加速度响应与薄膜的机械加速度响应相匹配。

19.权利要求18所述的方法，其中，响应于施加在薄膜与背板之间的偏置电压来选择调谐偏置电压，在背板与调谐背板之间施加调谐偏置电压将背板的谐振频率设置为与薄膜的谐振频率实质上相等。

20.权利要求17所述的方法，其中，在背板与调谐背板之间施加调谐偏置电压使背板与薄膜分开。

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