CN103731783A - 具有微机械麦克风结构的器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于实现在相对较小的芯片面积的情况下具有高测量灵敏度的电容式MEMS麦克风的方案。所述器件的微机械麦克风结构以层结构实现并且包括至少一个声压敏感的膜片结构、一个声学穿透的对应元件和一个用于检测膜片结构的偏转的电容器装置，所述膜片结构能够基本上垂直于层结构的层平面偏转，所述对应元件具有通孔并且以层结构构造在膜片结构的上方/下方。根据本发明，膜片结构包括至少一个基本上垂直地从膜片平面伸出的结构元件，所述结构元件根据膜片结构的偏转程度或多或少地伸入对应元件的相应成形和设置的通孔中。结构元件设置在膜片结构的中间区域中。

Description

具有微机械麦克风结构的器件

技术领域

本发明涉及一种具有微机械麦克风结构的器件，所述微机械麦克风结构以层结构实现。麦克风结构包括至少一个声压敏感的膜片结构、具有通孔的声学穿透的对应元件以及用于检测膜片结构的偏转的电容器装置，所述膜片结构能够基本上垂直于层结构的层平面偏转，所述对应元件以层结构构造在膜片结构上方或者下方。

背景技术

在此谈及类型的MEMS（Micro-Electro-Mechanical-System：微机电系统）麦克风近年来已公知并且使用在不同应用领域中。

市场上常见的是具有平行于芯片平面或者衬底平面的面状膜片结构的MEMS麦克风，其通过前侧声加载或背侧声加载被激励进行垂直的（out-of-plane：脱离平面）振动。通常电容式地进行信号检测。为此，在膜片结构上设置电极，所述电极与在固定的对应元件上的另一电极一起形成电容器装置，使得膜片结构的偏转引起所述麦克风电容器的电容变化。

膜片面积越大，则膜片结构对压力变化或者声激励越敏感并且电容器装置的电极可以设计得面积越大，以便在给定的膜片偏转时实现尽可能大的电容变化。出于所述原因，高麦克风敏感度和器件微型化仅仅由条件决定地达成一致。此外，如同对于麦克风膜片而言所需的那样，大的、自由伸出的薄层的制造、调节和调整伴随着极大的开发和工艺开销。

发明内容

通过本发明提出一种用于实现在相对较小的芯片面积的情况下具有高测量灵敏度的电容式MEMS麦克风的方案。

根据本发明的器件方案提出，膜片结构包括至少一个基本上垂直地从膜片平面伸出的结构元件，所述结构元件根据膜片结构的偏转程度或多或少地伸入对应元件的相应形成和设置的通孔中。从膜片平面伸出的结构元件设置在膜片结构的中间区域中。

膜片结构的脱离平面运动的电容效应在此通过膜片结构和对应元件的“啮合”来增强。与现有技术不同，膜片结构为此不构造成基本上面状的而是构造成三维的。

通常，膜片结构的边缘区域接合（einbinden）到器件的层结构中，使得在声加载时膜片结构的中间区域——并且由此设置在所述区域中的从膜片平面伸出的结构元件——经历最大的偏转。此外，结构元件在所述情形中基本上垂直于膜片平面偏转，使得其不能在对应元件的通孔中倾斜。

原则上存在用于根据本发明的器件方案的很多不同实现可能性，尤其这涉及膜片结构的三维构造。

根据本发明的器件的麦克风灵敏度主要取决于膜片结构与对应元件之间的啮合程度。啮合程度越高，则麦克风灵敏度越大。因此，根据本发明的器件的一种优选实施方式的膜片结构包括基本上垂直地从膜片平面伸出的梳结构，所述梳结构根据膜片结构的偏转程度或多或少地伸入对应元件的相应形成和设置的通孔中。

在本发明的一种特别优选的实施方式中，麦克风结构包括两个声学穿透的对应元件，它们构造在膜片结构上方和下方，使得膜片结构设置在两个对应元件之间的间隙中并且是可偏转的。膜片结构在两侧设有垂直于层平面取向的结构元件，从而所述结构元件根据膜片结构的偏转程度或多或少地伸入对应元件的相应成形和设置的通孔中。在两侧啮合的麦克风结构同样有助于提高麦克风灵敏度并且还能够实现差分信号检测。

此外，可以通过膜片结构连接到器件的层结构上的方式提高麦克风灵敏度。始终追求膜片结构的中间区域的特别大的、尽可能平面平行（planparallel）的偏转，其中构造有基本上垂直地从膜片平面伸出的结构元件。由此不仅实现尽可能高的电容变化，而且也防止膜片结构的结构元件卡在对应元件的通孔中。在此证明有利的是，膜片结构通过弹簧悬挂接合到器件的层结构中。在声作用时，首先膜片结构的弹簧悬挂变形，而中间区域基本上平面平行地偏转。替代地或补充地，可以强化膜片结构的中间区域，以便防止中间区域的变形。由此也使结构元件与对应元件中的通孔平齐的取向稳定。

为了减小膜片结构的重量例如可以在中间区域中对膜片结构进行穿孔，这同样有助于根据本发明的器件的麦克风性能。

有利地，根据本发明的器件配备有膜片结构的过载保护，其例如可以以用于膜片结构的机械止挡的形式实现。其例如可以构造在膜片结构本身上、对应元件上或声开口的边缘区域中。

如已提及的那样，在根据本发明的器件方案的范畴中电容式地借助电容器装置进行信号检测，在所述电容器装置上施加定义的电容器电压。

在第一实现变型方案中，所述电容器装置包括对应元件上的至少一个固定电极和膜片结构上的至少一个电极，使得在膜片结构偏转时电容器装置的电极间距以及其电容变化。在所述情形中，膜片结构的从膜片平面伸出的结构元件有助于增大电极面积并且由此有助于增大测量信号。在信号检测的所述变型方案中，由于在电容器装置上施加的电压在高声压的情况下会出现膜片结构推向对应元件，这此后损害信号检测。

在第二实现变型方案中排除了这种信号检测损害。在此，膜片结构不充当电极，而是充当电容器装置的电介质。为此，膜片结构至少部分地由介电材料构成或以介电材料涂覆，更确切地说，尤其是膜片结构的伸入对应元件的通孔中的那部分。电容器装置的电极在此在对应元件上实现，使得在膜片结构偏转时电容器装置的电极间隙中的介电特性变化。膜片结构的偏转在此与电容器电压无关，因为电压在所述实施变型方案中施加在对应元件上的两个固定电极之间。由此即使在高声压的情况下也排除了膜片不期望地推向对应元件。

附图说明

如以上已阐述的那样，存在不同的可能性来有利地构造和改进本发明的教导。为此，一方面参照从属于权利要求1的权利要求而另一方面参照以下借助附图对本发明的多个实施例的描述。

图1示出根据本发明的第一麦克风器件10的示例性截面图，

图2示出根据本发明的第二麦克风器件20的示意性截面图。

图3a示出根据本发明的第三麦克风器件30的示意性截面图，

图3b示出所述麦克风器件30的电容器装置的俯视图。

具体实施方式

在图1中示出的麦克风器件10涉及MEMS器件，其从衬底1出发以层结构实现。器件10的麦克风结构跨越衬底背侧中的空腔2。所述麦克风结构包括声压敏感的膜片结构3，所述膜片结构能够基本上垂直于层结构的层平面、即脱离平面地偏转。此外，所述麦克风结构包括声学穿透的对应元件5，其具有一些通孔6。在这里所示的实施例中，对应元件5以层结构设置在膜片结构3上方。膜片结构3连接到对应元件5上，更确切地说，通过弹簧元件4连接到对应元件5上，所述弹簧元件构造在膜片结构3的边缘区域中。在未示出的实施例中也可以提出，膜片结构3设置在对应元件5上方。

根据本发明，膜片结构3包括结构元件31，所述结构元件基本上垂直地从膜片平面伸出并且（根据膜片结构3的偏转）或多或少地伸入对应元件5的相应成形和设置的通孔6中。相应地，结构元件31指向对应元件5并且与对应元件5的通孔31平齐地构造。在这里示出的器件10的情形中，膜片结构3的结构元件31形成配合到对应元件5的结构中的梳结构。

为了实现麦克风功能，器件10设有壳体100。器件10在衬底侧安装在壳体底部101上，使得空腔2在背侧压力密封地封闭并且充当背侧体积。声开口102位于壳体100的上侧中，使得声压通过对应元件5中的通孔作用于膜片结构3并且使膜片结构进行振动。在此，使膜片结构3的中间区域基本上平面平行地偏转，同时使弹簧元件4变形，因为具有梳结构31的中间区域明显硬于弹簧元件4。

电容式地借助电容器装置进行信号检测，所述电容器装置在器件10的情形中包括膜片结构3上的运动电极和对应元件5上的固定电极。电容器装置的电极例如可以以对应元件的导电层或者膜片结构的导电层实现或也可以以合适的掺杂的形式实现并且在此没有详细示出。无论如何，所述电容器装置的电极面积由于膜片结构3的梳结构31明显大于芯片结构3所占据的芯片面积。由于膜片结构3的偏转，电容器装置的电极间距变化并且因此其电容变化。

与在图1中示出的器件10不同，在图2中示出的麦克风器件20的麦克风结构包括两个固定的对应元件51和52，其以层结构实现在膜片结构23上方和下方，使得膜片结构23夹心式地（sandwichartig）设置在两个对应元件51、52之间的间隙中。在两个对应元件51和52中构造有一些通孔6，使得两个对应元件51、52是声学穿透的。膜片结构23通过弹簧元件4连接到上部的对应元件51上并且能够基本上垂直于层平面地偏转。膜片结构23的中间区域具有双梳结构，其通过在两侧从膜片平面伸出的结构元件231形成。所述结构元件伸入上部的对应元件51和下部的对应元件52的相应设计的通孔6中或者与这些通孔6平齐地设置。

为了实现麦克风功能，器件20也在衬底侧安装在壳体100的底部101上，使得空腔2在麦克风结构下方在背侧压力密封地封闭并且充当背侧体积。通过壳体100的上侧中的声开口102进行声加载，使得声压通过上部的对应元件51中的通孔6作用于膜片结构23并且使膜片结构进行振动。在此，使双梳结构231在膜片结构3的中间区域中基本上平面平行地偏转，同时使弹簧元件4变形。在膜片结构23的每次偏转时，双梳结构231配合到对应元件51或者52之一的通孔6中的增大程度与其对于设置在相对置的一侧上的第二对应元件52或者51而言的减小程度相同。所述情况能够实现差分的信号检测和信号分析处理和/或信号反馈，使得膜片结构保持静止状态。在所述情形中，麦克风信号的非线性特别低。

为此，麦克风器件20的电容器装置包括两个对应元件51和52中的任一个上的至少一个固定电极和膜片结构23上的至少一个可偏转电极。如在图1的情形中那样，在图2中没有详细示出电容器装置的电极。

在图3a、3b中示出的麦克风器件30的器件结构（至少在横截面上）相应于在图1中示出的麦克风器件10的器件结构。因此，在此方面参考图1的描述。但两个器件10和30在实现用于信号检测的电容器装置方面不同。器件30的电容器装置包括两个固定电极71、72，它们都由对应元件5结构化出并且设置在层结构的一个平面中。在这里示出的实施例中，两个电极71和72梳状地构造，使得这两个电极71和72的指结构彼此配合，这尤其通过图3b示出。两个电极71和72之间的间隙在对应元件5的整个厚度上延伸并且因此形成用于设置在其下方的膜片结构3的声加载的通孔6。膜片结构3上从膜片平面伸出的结构元件31在此接片状地并且相应于电极间隙6成形。其由介电材料构成。因此，电容器装置的间隙中的介电特性由于膜片结构3的偏转而变化，并且因此其电容也变化，这可以作为测量信号被检测并且可以被分析处理。

Claims (9)

1.一种具有微机械麦克风结构的器件（10），所述微机械麦克风结构以层结构实现，所述器件至少包括：

·声压敏感的膜片结构（3），所述膜片结构能够基本上垂直于所述层结构的层平面偏转，

·声学穿透的对应元件（5），所述对应元件具有通孔（6），所述对应元件以层结构构造在所述膜片结构（3）的上方或下方，

·用于检测所述膜片结构（3）的偏转的电容器装置，

其特征在于，所述膜片结构（3）包括至少一个基本上垂直地从膜片平面伸出的结构元件（31），所述结构元件根据膜片结构（3）的偏转程度或多或少地伸入所述对应元件（5）的相应成形和设置的通孔（6）中，并且所述至少一个结构元件（31）设置在所述膜片结构（3）的中间区域中。

2.根据权利要求1所述的器件（10），其特征在于，所述膜片结构（3）包括梳结构（31），所述梳结构根据膜片结构（3）的偏转程度或多或少地伸入所述对应元件（5）的相应成形和设置的通孔（6）中。

3.根据权利要求1或2所述的器件（20），其特征在于，所述麦克风结构包括两个声学穿透的对应元件（51，52），它们具有通孔（6），所述膜片结构（23）夹心式地设置在两个对应元件（51，52）之间，并且所述膜片结构（23）在两侧设有垂直于所述层平面取向的结构元件（231），所述结构元件根据所述膜片结构（23）的偏转程度或多或少地伸入所述对应元件（51，52）的相应成形和设置的通孔（6）中。

4.根据权利要求1至3之一所述的器件（20），其特征在于，所述电容器装置包括至少一个固定电极和至少一个可偏转电极，其中，所述至少一个对应元件（5）充当所述至少一个固定电极的支承装置而所述膜片结构（3）充当所述至少一个可偏转电极的支承装置，使得在所述膜片结构（3）的偏转时电容器装置的电极间距变化。

5.根据权利要求1至4之一所述的器件（20），其特征在于，所述膜片结构（3）和尤其所述至少一个从所述膜片平面伸出的结构元件（31）至少部分地由介电材料构成或以介电材料涂覆，并且在从所述膜片平面伸出的结构元件（31）由于所述膜片结构（3）的偏转侵入所述对应元件的平面中时至少一个对应元件（5）上的电容器装置的两个彼此电分离的电极（71，72）之间的电极间隙的电特性变化。

6.根据权利要求1至5之一所述的器件（20），其特征在于，所述膜片结构（3）通过弹簧悬挂（4）接合到所述层结构中。

7.根据权利要求1至6之一所述的器件（20），其特征在于，所述膜片结构的中间区域是经加强的。

8.根据权利要求1至7之一所述的器件（20），其特征在于，所述膜片结构至少在其中部区域中是经穿孔的。

9.根据权利要求1至8之一所述的器件（20），其特征在于，设有用于所述膜片结构的过载保护，尤其以所述膜片结构上的止挡元件的形式。

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