CN105009604A - Mems设备和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及MEMS设备，特别地MEMS电容式换能器，且还涉及用于形成这样的MEMS换能器的方法，该MEMS换能器提供对于声学冲击的增强的耐久性和适应性。本申请描述的换能器结构具有被支撑在第一容积(109)和第二容积(110)之间的柔性膜(101)。该换能器结构包括与所述第一容积和第二容积中的至少一个连通的至少一个可变通气部结构(401)，所述可变通气部结构包括至少一个可移动部，所述可移动部响应于该可移动部两侧的压力差而可移动，从而改变穿过所述通气部结构的流动路径的尺寸。该可变通气部可被形成为穿过该膜，且该可移动部可以是该膜的一部分，该部分由一个或多个通道限定，可被偏转远离所述膜的表面。该可变通气部优选地在正常压力差范围内闭合，而在高压力差下打开以提供该膜之上和之下的空气容积的更快速平衡。<pb pnum="1" />

Description

MEMS设备和方法

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(MEMS)设备和方法，且具体地，涉及一种与换能器有关的MEMS设备和方法，所述换能器例如为电容式麦克风。

背景技术

各种MEMS设备变得越来越普及。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(例如移动电话和便携式计算设备)中。

使用MEMS制造方法所形成的麦克风设备通常包括一个或多个膜，用于读出/驱动的电极沉积在所述膜和/或一个基底上。在MEMS压力传感器和麦克风的情形中，通常通过测量所述电极之间的电容来实现所述读出。在输出换能器的情形中，通过静电力来移动膜，所述静电力是通过改变跨所述电极施加的电位差来生成的。

图1a和图1b分别示出了一种已知的电容式MEMS麦克风设备100的示意图和立体图。电容式麦克风设备100包括一个膜层101，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机械地联接至所述柔性膜，它们共同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104，它们共同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。

电容式麦克风被形成在基底105上，所述基底105例如为硅晶片，所述硅晶片可具有在其上形成的上部氧化物层106和下部氧化物层107。基底中和任何覆盖层中的腔108(下文中称作基底腔)被设置在膜下方，且可使用“背部蚀刻(back-etch)”穿过基底105来形成。基底腔108连接至位于膜正下方的第一腔109。这些腔108和109可共同提供声学容积，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。

可在制造方法期间使用第一牺牲层(即，使用一种随后可被移除的材料来限定第一腔)且将膜层101沉积在第一牺牲材料上方来形成第一腔109。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。替代地，膜的直径由第一腔109的直径(这转而由第一牺牲层的直径来限定)结合第二腔110的直径(这转而可由第二牺牲层的直径来限定)来限定。相比于使用湿蚀刻或干蚀刻执行的背部蚀刻工艺所形成的第一腔109的直径，使用第一牺牲层所形成的第一腔109的直径可受到更加精确地控制。从而，对基底腔108的蚀刻将限定膜101下面的基底的表面中的开口。

多个孔(下文中称作排出孔111)连接第一腔109和第二腔110。

如所提及的，可通过将至少一个膜层101沉积在第一牺牲材料上方来形成所述膜。这样，(一个或多个)膜层的材料可延伸到支撑所述膜的支撑结构(即侧壁)中。膜和背板层可由彼此基本上相同的材料形成，例如膜和背板均可通过沉积氮化硅层来形成。膜层可被定尺寸为具有所要求的柔性，然而背板可被沉积为一种更厚从而更刚性的结构。另外，在形成背板104时可使用各种其他材料层，以控制背板104的性质。使用氮化硅材料体系在许多方面都是有利的，尽管可使用其他材料，例如使用多晶硅膜的MEMS换能器是已知的。

在一些应用中，麦克风可在使用中被布置为使得经由背板接收入射声。在这种情况下，另外的多个孔(下文中称作声学孔112)被布置在背板104中，从而允许空气分子的自由移动，使得声波可进入第二腔110。与基底腔108相关联的第一腔109和第二腔110允许膜101响应于经由背板104中的声学孔112进入的声波而移动。在这种情况下，基底腔108常规地称作“后容积(back volume)”，且它可基本上被密封。

在另一些应用中，麦克风可被布置为使得在使用时可经由基底腔108接收声音。在这样的应用中，背板104通常仍设有多个孔，以允许空气在第二腔和背板上方的另一容积之间自由移动。

还应当注意，尽管图1示出了背板104被支撑在膜的与基底105相对一侧上，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，且膜层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相应的声波，所述膜从其平衡位置略微变形。相应地改变了下部电极102和上部电极103之间的距离，导致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所产生的低频压力变化的影响，而在期望的声学频率处未影响灵敏性。

图1中示出的换能器被示为基本竖直的侧壁以与背板104间隔开的关系支撑膜层101。考虑到沉积工艺的性质，这可在形成所述膜的材料层中所形成的拐角处导致高应力集中。斜向或倾斜的侧壁可用于减小应力集中。附加地或替代地，已知的是包括若干支撑结构(例如，柱)以有助于以一种减小应力集中的方式来支撑膜，如图2a和图2b中所示出的。图2a和图2b以立体图和横截面图分别示出了MEMS麦克风结构的周界，其中类似的部件由与图1中所使用的相同的数字来标识。

在该实施例中，MEMS设备200被形成为具有布置在所述膜的周界周围的多个支撑结构201，在该实施例中所述多个支撑结构201被形成为支撑柱。所述柱是通过如下方式形成的：对用于限定第一腔109的第一牺牲材料图案化，使得在若干个区域中暴露基底105之后，沉积形成膜层101的材料(图2b示出了直接沉积在基底上的一个膜层，但是应理解，在基底上可能存在各种中间层，并且可通过沉积多个膜层来形成所述膜)。同样地，用于限定第二腔110的第二牺牲材料被图案化，使得膜层101在相同的区域中被暴露之后，沉积背板层的材料。这导致多个柱围绕所述膜的周界形成，提供了对所述膜的支撑，但是与图1中所示出的布置相比，具有减小的应力集中。所述柱优选地被形成为具有阶梯式轮廓和/或倾斜侧壁，以使得应力最小化。该工艺可导致在所述柱的区域中、所述背板层的上表面中的微凹。

MEMS换能器，例如图1和图2中所示出的那些，可有利地用在多种设备中，包括便携式设备。尤其是当用于便携式设备时，期望的是，MEMS换能器足够坚固，从而经受住对该设备的期望处置和使用。因而，总体期望提高MEMS设备的适应性。

发明内容

因而，本发明涉及提高MEMS设备的耐久性和/或适应性。

因此，根据本发明的一个方面，提供了一种MEMS换能器，包括：一个柔性膜，以及至少一个可变通气部结构，其中所述可变通气部结构提供一个流动路径，该流动路径具有随着所述膜两侧的压力差而变化的尺寸。

所述可变通气部结构可包括至少一个可移动部，所述至少一个可移动部响应于所述可移动部两侧的压力差而可移动，从而改变穿过所述通气部结构的流动路径的尺寸。

所述至少一个可移动部的平衡位置可对应于流动路径的最小尺寸。所述平衡位置可相应于所述流动路径被基本上闭合。

所述柔性膜可被支撑在第一容积和第二容积之间，并且所述流动路径可在所述第一容积和第二容积之间。至少一个可变通气部结构可被形成在所述柔性膜中，并且所述流动路径是一个穿过所述膜的路径。所述至少一个可移动部可以是可移动的，以暴露所述膜中的一个孔，并且可包括所述膜的一部分，该部分能够被偏转远离所述膜的其余部分的表面。所述膜的可移动部可由贯穿所述膜的一个或多个通道限定。至少一个所述可移动部可以是大体三角形形状、圆形形状或矩形形状。在一些情形中，所述可移动部可经由一个梁结构被连接至所述膜的其余部分。所述梁结构可以能够扭曲，以允许所述可移动部被偏转远离所述膜的其余部分的表面。

所述梁结构可具有一个非直线性路径，即曲折路径，例如所述梁结构的至少一部分可具有一个蛇状路径，或者所述梁结构可包括所述梁的平面内的一个或多个弯曲部，例如成直角的弯曲部。所述梁结构可包括至少一个扭转弹簧，所述至少一个扭转弹簧位于所述可移动部和所述膜的其余部分之间。因而，所述可移动部可经由一个弹簧(即阻尼)结构被连接至所述膜的其余部分，并且所述弹簧结构可以能够扭曲，以允许所述可移动部被偏转远离所述膜的其余部分的表面。

所述梁结构可附加地或替代地能够弯曲，以允许所述可移动部被偏转远离所述膜的其余部分的表面，例如在基本上垂直于所述膜的方向上。所述梁结构可包括一个叶片弹簧和/或具有一个蛇状路径。

至少一个可变通气部结构可包括至少两个可移动部，所述至少两个可移动部能够被偏转远离所述膜的其余部分的表面，以暴露所述膜中的一个孔。

在一些实施方案中，所述可移动部可包括所述膜的、在所述膜中具有所述孔的部分，所述膜相对于一个固定的柱塞部可移动。所述固定的柱塞部可在其平衡位置位于所述膜的平面中，且可以相对于一个换能器结构被支撑。所述柱塞部可从所述基底被支撑，所述基底可在用于所述柱塞区段的支撑部的附近具有一个穿过所述基底的通道，或者所述柱塞部可从所述背板被支撑。所述柱塞部可由与所述膜相同的材料形成和/或可比所述膜更厚。

至少一个可变通气部结构可形成有绕开所述膜的一个流动路径。所述流动路径可贯穿所述换能器结构的一个侧壁的至少一部分。

至少一个可变通气部可具有从所述第一容积和/或第二容积中的一个至所述第一容积和/或第二容积外侧的流动路径。

所述可变通气部可被配置为使得，在低于第一阈值的压力差时，所述可移动部未被完全偏转出膜的其余部分的表面。在低于第一阈值的压力差时，基本上不存在所述可移动部从平衡位置的任何移动。所述第一阈值可以大于150Pa，并且可以大于1kPa。对于范围为0Pa-200Pa的压力差，所述可变通气部可以基本上不提供流动路径尺寸中的任何显著变化。

所述可变通气部可提供与所述可移动部两侧的压力差为非线性关系的穿过所述通气部的流动路径的尺寸。

所述至少一个可移动部可被配置为使得，在压力差大于第二阈值时，存在所述可移动部从平衡位置的显著移动。所述第二阈值可低于100kPa。对于范围为100kPa-200kPa的压力差，与在平衡时的所述流动路径尺寸相比，所述可变通气部可基本上提供流动路径尺寸的显著增大。所述至少一个可移动部可响应于所述可移动部两端的至少100kPa的压力差而可移动。

所述换能器可包括一个背板结构，其中所述柔性膜层相对于所述背板结构被支撑。所述背板结构可包括穿过所述背板结构的多个孔。当至少一个可变通气部结构被形成在柔性膜层中时，穿过所述背板结构的孔中的至少一个在相应于所述柔性膜层中的可变通气部结构的位置的一个位置中可包括一个通气孔。所述背板中的所述通气孔的区域可在所述柔性膜中的所述可变通气部首先打开的位置处，横向远离所述柔性膜中的所述通气部的开口区域而延伸。当至少一个可变通气部结构被形成在所述柔性膜层中并且包括一个可移动部，所述可移动部经由一个梁结构被连接至所述膜的其余部分，所述可移动部和梁结构由贯穿所述柔性膜的通道限定；接着，所述膜中的所述通道的位置可被布置为使得基本上不与所述背板结构中的所述多个孔中的任何一个的位置交叠，在使用时，所述膜中的所述通道不形成穿过所述膜的可变流动路径的一部分。

所述换能器可以是电容式传感器例如麦克风。所述换能器可包括读出电路系统，即放大电路系统。所述换能器可位于一个封装件内，所述封装件具有一个声音端口，即声学端口。所述换能器可被实施在一个电子设备中，所述电子设备可以是下列中的至少一个：便携式设备；由电池供电的设备；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。

在另一方面中，本发明提供了一种制造MEMS换能器的方法，所述MEMS换能器具有一个柔性膜，所述方法包括：

形成一个具有柔性膜的结构，所述柔性膜被支撑在第一容积和第二容积之间；以及

形成至少一个可变通气部结构，所述至少一个可变通气部结构与所述第一容积和第二容积中的至少一个连通；

所述可变通气部结构包括至少一个可移动部，所述至少一个可移动部响应于所述可移动部两侧的压力差而可移动，从而改变穿过所述通气部结构的流动路径的尺寸。

所述方法可用于形成根据上面所讨论的任一实施方案的换能器。具体地，所述方法可包括形成一个膜层以形成所述柔性膜的至少一部分，以及在所述膜层中形成至少一个可变通气部结构。形成所述可变通气部结构可包括形成穿过所述膜的一个或多个通道，使得所述膜的一部分可响应于一个压力差而被偏转远离所述膜的其余部分的表面。

在本发明的另一方面中，提供了一种MEMS换能器，包括：

一个换能器结构，包括一个柔性膜，所述柔性膜被支撑在第一容积和第二容积之间；其中

所述换能器结构包括至少一个可变通气部结构；

所述可变通气部结构包括至少一个可移动部，所述至少一个可移动部响应于所述可移动部两侧的高压力差而可移动，从而提供一个流动路径，用于排放来自所述第一容积和第二容积中的至少一个的气体。

在另一方面中，提供了一种MEMS换能器，包括：

一个柔性膜；以及

至少一个可变通气部结构，在第一范围的压力差时，所述至少一个可变通气部结构基本上被闭合，在第二更高范围的压力差时，所述至少一个可变通气部结构打开，以减小所述膜两侧的压力差。

在另一方面中，本发明提供了一种MEMS换能器，包括：

一个柔性膜，所述柔性膜被支撑在第一容积和第二容积之间；

一个通气部结构，所述通气部结构连接所述第一容积和第二容积；

其中所述通气部提供一个流动路径，所述流动路径具有随所述膜两侧的压力差而改变的尺寸。

在另一方面中，提供了一种MEMS换能器，包括：

一个柔性膜，所述柔性膜被支撑在第一容积和第二容积之间；以及

一个通气部，所述通气部连接所述第一容积和第二容积，其中所述通气部被配置为使得穿过所述通气部的流动速率相对于压力差是非线性的。

在另一方面中，提供了一种MEMS换能器，所述换能器具有被支撑在第一容积和第二容积之间的膜，其中所述第一容积和第二容积之间的声学阻抗随所述容积之间的压力差是可变的。

本发明的实施方案涉及一种MEMS换能器，包括：

一种换能器结构，其包括一个柔性膜，所述柔性膜被支撑在第一容积和第二容积之间；其中

所述换能器结构包括至少一个可变通气部结构，用于改变所述第一容积和第二容积之间的流动路径的尺寸；

所述可变通气部结构包括至少一个可移动部，所述至少一个可移动部相对于一个表面可移动，其中所述可移动部通过至少一个扭转弹簧被连接至所述表面的其余部分。所述可变通气部可被形成在所述柔性膜中。

另一方面提供了一种MEMS换能器，包括：

一个换能器结构，其包括一个柔性膜，所述膜被支撑在第一容积和第二容积之间；其中

所述换能器结构包括至少一个可变通气部结构，所述至少一个可变通气部结构与所述第一容积和第二容积中的至少一个连通；

所述可变通气部结构包括至少一个可移动部，所述至少一个可移动部响应于所述可移动部两侧的压力差而可移动，从而改变穿过所述通气部结构的流动路径的尺寸。

所述可变通气部可以是一个可变孔口，从而本发明的实施方案还提供了一种MEMS换能器，包括：一个柔性膜；以及，至少一个可变孔口，用于平衡所述柔性膜两侧的压力差。

总之，提供了一种包括至少一个可变通气部的MEMS换能器。所述MEMS换能器可以是一个电容式麦克风。所述换能器可具有一个柔性膜，且所述可变通气部可被形成在所述柔性膜中。

附图说明

现在将参考附图，以仅为实例的方式来描述本发明。

图1a和图1b以截面图和剖视立体图示出了已知的电容式MEMS换能器；

图2a和图2b示出了另一已知的电容式MEMS换能器的平面截面图和立体图；

图3a和图3b示出了高压力事件可以如何影响膜；

图4a-图4c示出了根据本发明的一个实施方案的可变通气部结构；

图5示出了声导(acoustic conductance)相对于压力差和通气部结构开口程度的曲线图；

图6a和图6b示出了具有可变通气部的换能器的膜；

图7示出了合适的可变通气部结构的另一些实施方案；

图8a-图8f示出了另一些合适的通气部结构；

图9a-图9c示出了合适的通气部结构的另一些实施例；

图10a和图10b示出了具有多个可变通气部结构的膜的平面图；

图11示出了在绕开膜的流动路径中具有可变通气部的换能器；

图12a-图12c示出了根据本发明的一个实施方案的另一可变通气部结构；

图13示出了可变通气部结构的另一实施方案；以及

图14a-图14h示出了包括MEMS换能器的封装件的多种布置。

具体实施方式

如上面所描述的，MEMS换能器(例如，图1和图2中所示出的MEMS换能器)可有利地用在多种不同的设备中，并且越来越普遍地用于便携式电子设备(例如，移动电话、移动计算设备和/或个人媒体播放器等)中。

为了在便携式电子设备的使用中有用，所述换能器应当能够经受住对便携式设备的期望处置和使用，所述便携式设备的期望处置和使用可包括该设备意外掉落。

如果设备(例如移动电话)发生坠落，这不仅可导致由于撞击而产生的机械冲击，而且还会导致入射在MEMS换能器上的高压脉冲。例如，移动电话可能在该设备的一个面上具有用于MEMS麦克风的声音端口/声学端口。如果该设备在该面上坠落，则一些空气可被坠落中的设备压缩，并且被迫进入声音端口中。这可导致入射在换能器上的高压力脉冲。已发现，在上面描述的常规形式的MEMS换能器中，高压力脉冲可潜在地导致对换能器的损坏。

再次参考图2a和图2b，如前面所描述的，MEMS换能器200可具有一个膜层101和一个背板层104，所述膜层和背板层被形成为使得膜悬浮在基底105的表面上方以限定第一腔109，且使得背板104悬浮在所述膜的上方以形成第二腔110。注意，如本文所使用的，术语基底将用于指一层或多层材料，其中膜悬浮在所述一层或多层材料上方。这通常可包括硅晶片，还可包括一个或多个沉积层，可能地包括与用于形成膜层的材料相同的多层材料。

如上面所提及的，牺牲材料可用于限定第一腔的尺度以及从而限定膜的尺度。如所讨论的，可相对精确地使牺牲材料沉积和图案化，以提供对膜的尺度的很好的控制。基底腔还通常借助于背部蚀刻而设置在基底105中。为了确保由第一腔109的尺度来确定膜的尺度，基底腔被布置为在基底腔和第一腔汇合(meet)的点202处具有比第一腔更小的直径，换句话说，基底腔在基底的表面处的开口具有比第一腔更小的直径。这意味着，在这样的结构中，膜悬浮在由箭头203所指示的基底的一个区段上方，之后到达基底腔的开口，即基底的表面中的基底腔108的开口在柔性膜的区域内。

用于限定第一腔和第二腔的牺牲材料被定尺度，从而提供膜层101和基底105之间的期望的平衡分离，以及膜层101和背板104之间的期望的平衡分离，从而在使用时提供很好的灵敏性和动态范围。在正常运作时，膜可在由第一腔和第二腔所限定的容积内变形，而不接触背板和/或基底105。

然而，响应于高压力脉冲，膜层101可呈现比平常更大量的变形。图3a示出了在高压力事件之后膜朝下变形的情形，图3b示出了膜朝上位移的情形。

考虑如下情形：麦克风被布置为接收来自布置于背板104上方的声音端口的入射声，且声音端口压力突然增大，例如，因为在该设备坠落时受陷空气被迫进入声音端口。这可导致第二腔110中的压力显著大于第一腔109中的压力，使得膜比平常更大程度地朝下位移。这可导致点301处相对大的应力，在点301处膜层101形成支撑结构201的侧壁的一部分，且在一些情况下，可从而导致膜层与侧壁结构的其余部分的脱层。此外，如果压力差足够大，则膜可在由基底腔108的开口的侧壁202所限定的基底的边缘处接触基底105。通常，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，从而膜可围绕该边缘变形，导致该点302处的大的应力集中。

如前面所提及的，膜层101将通常由一层或多层薄的半导体材料(例如，氮化硅)形成。尽管所述材料当经受均匀应力时可以是柔性的，但是如果存在一个显著的局部平面外应力，例如可通过接触基底腔108的开口的边缘而在点302处被引入膜中，则膜材料可相对脆。因而，膜和基底腔的开口的边缘之间的这种方式的接触可导致膜的损坏，例如膜的破裂。

上面关于图1所讨论的排出孔(在图2和图3中未示出)将提供第一腔和第二腔之间的流动路径，从而穿过排出孔的空气的流动将随时间的逝去而减小作用在膜上的压力差。然而，通常排出孔被有意地布置为提供有限量的流动，从而提供期望的频率响应。因而，可在膜两侧维持高的压力差且持续相对长的时间段，之后穿过排出孔的流动用于平衡第一腔和第二腔中的压力。可通过更改排出孔的尺寸和/或数目来改变经由排出孔进行平衡所花费的时间，但是这可能负面影响换能器的性能。

由于由受陷空气所导致的高压力可持续相对长的时间，所以第一腔和第二腔中的压力可借助于所讨论的排出孔来平衡。因而，第一腔和基底腔中的压力可增大，直至压力被平衡。然而，一旦空气不再被迫进入声音端口，则声音端口中的压力将极其快速地减小，并且通常由于背板具有低的声学阻抗，所以第二腔中的压力将快速地减小。此时，第一腔中的压力可显著大于第二腔中的压力，从而与通常的情形中相比，膜可再次更大程度地朝上变形。再次，这可导致在膜层101与支撑结构的侧壁汇合的区域301中的一个显著应力。如果该压力差足够大，该膜可被位移得足够远，以接触背板104。与图3a中示出的情形相比，这可限制膜的行进的量，但是再次这可在膜层接触背板104的点303处将应力引入膜层中。再次，可能会花费一段时间借助于流过排出孔将压力差减小。

应理解，当经由基底腔108但是以相反顺序接收声音时，也可出现这两种情形。尽管这两种情形可导致对膜的损坏，但是相信，图3a中示出的情形更可能导致损坏。

本发明的实施方案涉及包括一种换能器结构的MEMS换能器，该换能器结构包括一种柔性膜，该柔性膜被支撑在第一容积和第二容积之间。第一容积可例如包括膜和基底之间的第一腔(109)，和/或在基底中所形成的容积(108)。第二容积可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，顶部端口实施方案中的声音端口)。为了减小高压力情形中损坏的可能性，该换能器结构包括至少一个可变通气部结构，该至少一个可变通气部结构与所述第一容积和第二容积中的至少一个连通。该可变通气部结构包括至少一个可移动部，所述至少一个可移动部响应于该可移动部两侧的压力差而可移动，从而改变穿过该通气部结构的流动路径的尺寸。

该可变通气部结构可包括一个可移动部，该可移动部是可移动的，从而打开从第一容积延伸至第二容积的孔。该可移动部可在不动时(quiescently)占据该孔的区域的至少一些，以及可能占据该孔的区域的大部分，但是响应于该孔两侧的局部压力差而可移动，从而改变该孔的尺寸，所述孔被打开以提供一个流动路径。换句话说，在平衡时，该可移动部可有效地闭合所述孔的至少一部分，但是是可移动的，从而改变该孔被闭合的程度。该可移动部优选地被布置为在正常运作压力差时保持闭合所述孔(即，孔口)，但是在可能潜在地导致对膜的损坏的较高压力差时，将流动路径的尺寸增大为更大，例如较少地闭合该孔。因而，该通气部可被视作可变的孔口。

因此，该可变通气部结构用作一种压力释放阀，从而在相对高的压力差时，降低作用在膜上的压力差。然而，不同于膜中的具有固定区域从而具有固定尺寸的流动路径的排出孔(如果存在)，该可变通气部具有一个响应于压力差而改变的流动路径尺寸，即孔口。因而，该可变通气部允许通气的程度依赖于作用在通气部上的压力差，该压力差明显依赖于第一容积和第二容积中的至少一个的压力。因而，该可变通气部提供了一种可变的声学阻抗。

方便地，该可变通气部被布置为在更高的压力时提供更大程度的通气。因而，该可移动部的平衡位置，即当不存在显著的压力差时所述可移动部所采取的位置，相应于流动路径的最小尺寸。可移动部的平衡位置可相应于流动路径被基本闭合。因而，在相对低的压力差时，例如在换能器的期望正常运作范围中可经历的压力差时，可变通气部可被有效地闭合和/或仅允许有限量的通气。然而，在高压力情形中，可变通气部的可移动部可移动至一个更加打开的位置，以提供更大尺寸的流动路径，从而提供更大的通气。这可减小作用于膜上的压力差，从而减小对膜损坏的机会。

在一些实施方案中，至少一个可变通气部结构的流动路径在第一容积和第二容积之间。该可变通气部可包括(至少在打开时)这样一种结构的孔，该孔连接第一容积和第二容积。因而，在这两个容积之间存在高压力差的情形中，该可变通气部可允许这两个容积中的压力平衡。该可变通气部可在较高的压力差时逐渐打开，从而与不具有可变通气部的情形相比，允许更快速地平衡。在较低的压力差时，所述可变通气部可提供一个最小的流动路径，从而不影响设备的性能。

图4a至图4c示出了本发明的一个实施方案。在该实施方案中，至少一个可变通气部结构被形成在柔性膜101中，流动路径是穿过所述膜的一个路径。换句话说，该可变通气部结构可包括穿过基底的一个孔，该可变通气部结构的可移动部根据局部压力差而提供对该孔的一个可变程度的堵塞。

图4a示出了可变通气部结构401的平面图。该可变通气部结构包括被形成为可移动部402的膜101的一部分。在该实施方案中，该可移动部402被形成为一个可移动的折翼(flap)部。该可移动折翼部402由通道403所限定，该通道403贯穿所述膜。通道403(可通过蚀刻穿过膜来形成)是一个细的通道，且将可移动折翼部402与膜的其余部分局部地分离。该可移动折翼部经由连接部404保持附接至该膜的其余部分。

以这种方式对通道进行蚀刻从而将可移动部402与膜的其余部分局部地分离意味着，该膜的可移动部可被偏转远离膜的其余部分的表面。

该可移动部优选地被布置为使得其平衡位置(即，在基本上没有作用于该可移动部上的压力差时该可移动部所采取的位置)位于该膜的平面内。换句话说，在平衡时，该可移动部未被显著偏转远离该膜的其余部分。在该位置，可移动部402基本上覆盖穿过该膜的流动路径，即该流动路径处于最小尺寸，并且在该实施方案中，基本上被闭合。

当然，将理解，通道403代表空气流动穿过该膜的路径，然而该通道403可被形成为具有非常窄的宽度，从而当该可移动折翼部处于闭合位置时，可能不存在流动穿过该通道的空气，或者存在有限的流动穿过该通道的空气。

可根据对最小可蚀刻间隙的光刻工艺约束条件，或者对用于可移动元件弯曲和挠曲但是不受该结构的其余部分阻碍的某一机械空隙的需要，来限制通道403的宽度。此外，窄的间隙将趋于具有较大的片段制造容差，导致当被闭合时声学阻抗中的较宽的变化，从而在例如低频衰减(roll-off)麦克风时较宽的变化。

相对于20μm至50μm的典型的通气部结构，一种典型的宽度可以是1μm。然而，依赖于声学规格或制造方法能力，该宽度可以小十倍或大十倍。如所提及的，限定可移动通气部部分的通道的线宽度可影响一些因子例如低频衰减。在选择合适的线宽度时，不同宽度的影响可被仿真，和/或不同的设计可被制造和测试。

在高压力差时，该可移动部可被偏转出膜的表面，从而有效地打开穿过该膜的流动路径。图4b以立体图示出了该膜的一部分和该可变通气部。在该实施例中，该膜下方的容积中的压力充分大于该膜上方的容积中的压力，使得可移动折翼部402被朝上偏转远离膜表面的其余部分。这打开了穿过所述膜的流动通道，即有效地打开了基底中的孔。如果该压力差增加得足够大，则该可移动部402可被进一步偏转，从而提供更大量的打开，即更大的流动路径。

因而，该可移动部可采取一系列的位置。这些位置依赖于作用在该可移动部(或者可变通气部)上的压力差。该可移动部被偏转的程度还确定该可移动部堵塞/暴露穿过该膜的孔的程度，从而确定流动路径的尺寸，如图5中所示。图5示出了声导相对于压力差的图表。声导代表空气可在这两个容积之间流动的容易程度，从而与流动路径的打开程度(即，穿过所述膜的孔被暴露的程度)有关，相对于压力差。

图5还示出了在四个具体压力差(指示为a、b、c和d)时的可移动部的相对位置。在低压力差/平衡时，该可移动部位于该膜的表面中，从而该流动路径基本上被闭合，如由位置a所指示的，仅仅限定该可移动部的通道的尺寸提供了一个流动路径。因而，该声导是低的，或者如果限定该可移动部的通道足够细则基本上为零。

在略微较高的压力差时，该可移动部可被略微偏转，但是仍至少局部位于由膜的上表面和下表面所限定的平面中。因而，该流动路径保持基本上闭合。位置b示出了该可移动部被朝上偏转的位置，该可移动部的底部部分即将要延伸超出该膜的顶部表面。因而，声导仍非常低。

在较高的压力差时，该可移动部被偏转为使得该可移动部的至少一部分完全延伸超出膜表面。这提供了某一尺寸的流动路径，然而该孔仍被该可移动部局部堵塞。这由位置c来代表。

随着偏转量增大，未被堵塞的流动路径的区域增大，直至在位置d处，该可移动部完全移动出流动路径的区域，该通气部完全打开为具有一个所限定的最大区域。即使压力差进一步增大，流动路径的尺寸将不再增大。然而，实际上，在一些实施方案中，该可移动部可能不会可变形至位置d中所示的完全程度。

将理解，声导(或声学阻抗)，即流动路径的尺寸，并未呈现与压力差的线性关系。因而，流动速率将依赖于该可变通气部打开的程度而改变。在该可移动部被变形至完全程度之前，流动速率将增大得大于随着所施加的压力差的线性变化。此外，由于在膜的另一侧上施加压力的输入步骤所造成的任何接收容积中的压力将示出一个上升时间，所述上升时间依赖于与接收容积的声学电容有关的时间常数和该通气部的声导，所以该上升时间还将随着增大压力步骤而减小，趋向于减小该膜两侧的峰值压力差，从而减小其变形或应力。

实际上，与甚至非常大的声音有关的声学压力将低于在所描述的意外故障或过载情况中麦克风需要承受的压力水平至少数个数量级。因而，对于正常的声学压力水平，通气部结构将在远低于压力b的情况下运作，所以将对例如低频衰减具有可忽略的影响。

方便地，该可变通气部被布置为使得，在换能器的正常运作中期望的压力差期间，该通气部保持基本闭合(例如，对于示出为具有一个可移动的折翼的实施例，位于位置a和b之间的某一地方)，并且仅当该压力差到达异常高水平或者开始逼近可潜在导致对换能器造成损坏的水平时，开始显著打开(即，延伸超出位置b)。将理解，使流动路径穿过所述膜可改变换能器的运作特性。如上面关于图1所讨论的，在MEMS麦克风中，可存在一个或多个穿过膜的排出孔，以减小低频音效的影响。这些孔的数目和尺度被仔细选择，以提供期望的运作特性。因而，这些排出孔已提供了一个路径用于平衡膜的任一侧上的两个容积中的压力，但是这些孔被有意地设计成在声学方面所述平衡花费长的时间。因而，所述排出孔单独地并不会阻止大的压力差造成对换能器的损坏。所述可变通气部被提供，以实现更加快速的平衡。然而，在所述可变通气部被打开以在期望的正常运作压力差时提供一个显著的流动路径的情况下，所述附加的流动路径将改变该换能器的频率特性，并且可导致失真。

因而，该可变通气部的可移动部可被配置为使得，在压力差低于第一阈值时，基本上不存在该可移动部从所述平衡位置的移动。具体地，该可移动部可被偏转一个小于该膜的宽度的距离，使得该可移动部的尾部表面(即，与偏转方向相对一侧上的表面)不显著延伸超出所述膜表面。因而，流动路径(即，穿过该膜的孔)保持大部分被该可移动部堵塞。对于声学换能器等，第一阈值可大于150Pa，并且可大于200Pa或者更高，并且在一些应用中，可大于1kPa。换句换说，该可变通气部可在最高达约150Pa-200Pa或者更高的压力差时，保持基本闭合。因而，对于范围为0Pa-200Pa的压力差，该可变通气部可基本上不提供流动路径尺寸的显著变化。这意味着，该可变通气部对该换能器的运作具有最小的性能影响。

该可变通气部被布置为在逼近可对换能器造成损坏的压力差的压力差时打开，以提供一个流动路径。例如，该可变通气部可被布置为在为约100kPa的压力差时充分打开，以提供一个用于通气的显著的流动路径。因而，该可移动部可被配置为使得，在第二阈值以上的压力差时，存在该可移动部从所述平衡位置的显著移动，该第二阈值可低于100kPa。因而，对于范围为100kPa-200kPa的压力差，与在平衡时的流动路径尺寸相比，该可变通气部基本上提供流动路径尺寸的显著增大。

该可变通气部打开时的压力差将依赖于多种因素，例如形成可移动部(例如，所述膜)的材料的厚度和成分，还有(对于折翼布置)与折翼部402的区域相比的连接部404的宽度。对于具有由氮化硅形成的膜的MEMS麦克风换能器，膜为大约0.4μm的厚度，可通过蚀刻如上面所描述的合适形状和尺寸的可移动折翼部来形成合适的可变通气部。例如，图4a中所示的设计通过12μm的折翼部半径和6μm的连接部宽度来仿真。该结果指示，可变通气部将在最高达1kPa和5kPa之间的压力差时保持基本上闭合。在20kPa-50kPa之间时，该通气部局部打开，在100kPa时，该通气部被充分打开(即，例如图4b中所示出的)，以提供一个显著的流动路径。

这样的一个通气部当打开时提供了第一容积和第二容积之间的一个显著的流动路径，从而显著增大了第一容积和第二容积之间出现压力平衡时的速率。这减小了该膜可被暴露至高应力的时间。然而，此外，该可变通气部可减小由所述膜所经历的最大压力差或峰值压力差。

为了解释，设想由于主机设备坠落到一个表面上，由受陷空气被迫进入声音端口而导致高压力脉冲。声音端口中的压力将在某一上升时间中增大，即该声音端口中的压力曲线将具有某一上升时间。现在考虑两个实例。在第一实例中，所述脉冲由常规MEMS麦克风经历，在第二实例中，所述压力脉冲入射在根据本发明的一个实施方案上。

在具有常规麦克风的第一实例中，在声音端口中，从而在所述容积中的一个(例如，第一容积)中，增大的空气压力将增大穿过所述膜中的排出孔的流动速率，但是所述排出孔的尺寸被固定。因而，将达到某一峰值压力差，该峰值压力差可潜在地为大约800kPa或者更大。在具有根据本发明的MEMS麦克风的一个实施方案的第二实例中，随着该压力差增大至高水平，例如50kPa左右，该可变通气部可开始打开，从而提供来自第一容积的某一附加的通气(除了排出孔之外)，进而使第二容积的压力向着同一水平上升(且可能地，减小第一容积中的压力，与它之前的压力相比)。随着声音端口中的压力进一步增大，例如增大至100kPa，该可变通气部将被打开，提供一个显著的流动路径，从而提供更快的平衡。依赖于压力脉冲的性质，相比于第一实例，所述通气可减小第一容积中所经历的峰值压力，但是在任何情形中，第二容积中的压力将具有更快的上升时间，从而减小所经历的峰值压力差。

图6示出了该可变通气部的运作。图6a示出了换能器的柔性膜101(为清楚起见，省略了换能器结构的其余部分)。该膜被支撑在第一容积和第二容积之间。在该实施例中，该第一容积包括位于膜和基底之间的腔109。第一容积可附加地或替代地包括基底中的腔。第二容积可包括位于膜和背板之间的第二腔110。第二容积还可包括背板外侧的区域，该区域有效地经历与第二腔相同的压力变化。

所述膜具有多个排出孔111，所述排出孔111被定尺度且被布置为在换能器上产生调谐效应，并且减小低频压力变化的影响。所述膜还设有多个可变通气部结构401，如上面所描述的。在一些应用中，还可能的是使用单个可变通气部结构，但是在一些应用中，可能有利的是提供具有多个可变通气部结构的膜。当存在多个可变通气部结构时，它们可被相对均匀地分布在膜周围。

图6a示出了膜上的、位于膜电极103的区域外侧的可变通气部结构。这意味着，该通气部正好由形成该膜101的所述一层或多层材料形成。然而，在一些实施方案中，将可能的是，在该电极的区域内形成可变通气部结构，例如在电极的总体区域内的未沉积金属电极的排除区域中。替代地，该可变通气部结构可被形成在电极的区域中，膜层和电极层共同形成可变通气部结构。在一些应用中，由膜层和金属层形成通气部的可移动部能提供更强的可移动部。应当注意到，无论所述可变通气部结构在何处形成，在该位置处可存在联接至所述膜的一个或多个附加的材料，从而定制所述可变通气部的性质，例如柔性或应力处置能力。

图6a示出了正常操作时的情形，其中第二容积110中的压力大于第一容积中的压力。因而，所述膜从所述膜平衡位置朝下偏转。然而，该压力差在该设备的正常期望运作范围内，即低于运作阈值，从而可变通气部401保持基本上闭合。

图6b示出了压力差已增大超出一个阈值至足以导致该可变通气部打开的水平时的情形。因而，所述膜的可移动部(在该实施例中为可移动折翼部)被朝下偏转，从而打开穿过膜的流动路径(即，孔)，这更加允许具有上面所讨论的好处的更加快速的平衡。

膜101的材料是相对弹性的。因而，如果第二腔中的压力停止增大，则在短时间之后，穿过可变通气部401的通气会将压力差减小至可变通气部返回至如图6a所示的闭合位置的水平。如果第二腔中的压力之后减小得相对快，则所述膜两侧的相反方向上的压力差可增大，使得膜朝上偏转。压力差可增大至这样一种程度，使得通气部现在在朝上方向上打开，从而将来自第一容积的空气通气至第二容积中。因而，将理解，所述可变通气部可以是双向的，且允许从第一容积至第二容积的通气，反之亦然。

从图6b中将看到，当该可变通气部打开时，该可移动折翼部将被变形为在与膜被偏转的相同的方向上远离膜的表面。因而，该可移动折翼部可潜在地比膜自身延伸得更远。在一些实施方案中，所述膜可相对于换能器结构的其余部分(例如，背板或基底的某一结构)布置，使得膜可与换能器结构接触(在图6b中示出为601)。在一些情形中，这在阻止膜的过度行进时可以是有益的。很明显，所述可变通气部需要能够打开，以提供上面所描述的优势，从而所述可变通气部优选地相对于换能器结构布置为使得换能器结构将不阻止所述通气部打开。此外，还可优选的是，当打开时，没有结构正好在用于通气部的出口路径内。在一些情形中，所述通气部可被布置在所述膜的一部分上，使得所述通气部将不与所述换能器结构接触。例如，相对于所述背板，所述通气部可被布置为使得所述可移动部打开到一个或多个所述背板声学孔的区域中。然而，在其他实施方案中，所述通气部可被布置为使得它们可充分打开以提供一个显著的流动路径，但是被换能器结构阻止进一步打开。因而，所述换能器结构可用作一个用于所述通气部的可移动部的坚固的止挡件，所述止挡件可减小或限制所述可移动部中的应力，并且有助于防止对所述可移动部的损坏。

所述可变通气部的可移动部可采取许多形式。图7示出了合适的可变通气部结构的多种不同配置。在左上方，若干互连通道702被蚀刻，以留下若干可移动折翼部701。在该实施例中，所述通道被蚀刻成“十”字形，以限定四个三角形可移动折翼部。与折翼部的表面区域相比，该配置提供了一个相对宽的连接部，由虚线703指示。这样的配置可以是相对强壮的。

应理解，当经受足以造成所述可移动折翼部变形的压力差时，在连接部上将存在一个显著的应力。对于可变通气部，可期望的是，能够经受住高压力差而没有损坏，因此在一些应用中，一个宽的连接部可以是优选的。然而，注意到，所述通气部打开的动作将导致所述可移动折翼部的暴露至较高压力区域的有效区域减小。因而，对于一个固定的压力差，所述可移动折翼部上的力将随通气部打开而减小，这有助于防止所述可移动折翼部过度变形。

然而，在一些情形中，所述可变通气部结构可包括被特别提供以确保所述通气部结构的可期望性质的材料。例如，图7还示出了由通道705形成的一个大体弯曲的(例如，半圆形的)可移动折翼部704，且一层加强材料706被设置在该连接区的附近。加强材料可例如包括金属，并且可例如由与用于形成膜电极的材料相同的材料形成，尽管当然可使用其他材料。

图7还示出了由仅围绕三侧的通道708形成的长方形可移动折翼部707，以及由通道710形成且具有相对窄的连接部的大体正方形的折翼部709。通常，所述膜的可移动折翼部由贯穿所述膜的一个或多个通道限定，所述折翼部可以例如是三角形、圆形、椭圆形或长方形形状中的一个，或者大体具有任何合适的规则多边形或不规则多边形的形状。

图8a和图8b示出了合适的可移动部的一些另外的实施例。图8a示出了一个可变通气部结构801，该可变通气部结构801包括一个可移动部802，该可移动部802包括一个由通道803所限定的不规则多边形形状。然而，在该实施方案中，通道803连同附加的通道804意味着，可移动部802借助于梁结构805而被连接至所述膜的其余部分。梁805在两个端部处连接至所述膜的其余部分，并且支撑可移动部802。与前面所描述的实施方案相同，作用于膜从而作用于可移动部802上的压力差趋于将可移动部802偏转远离所述膜的平面。然而，在该实施方案中，由于梁805的扭曲而非由于连接部离开平面的弯曲而出现偏转。因而，梁805用作扭转梁。可实现的可移动部的应力和偏转可经由扭转梁805的尺度控制。这可允许与前面所讨论的实施方案相同程度的偏转，但是具有较低的应力从而较小的损坏可能性，或者替代地允许对于给定压力差的更大程度的打开。

图8a还示出了另一可变通气部结构806，该可变通气部结构806包括由通道808a和808b还有通道809所限定的两个半圆形的可移动部807a和807b，可移动部807a和807b通过扭转梁810a和810b而连接至所述膜。同样，可移动部807a和807b的移动涉及梁810a和810b的扭曲。

图8b以平面图示出了另一可变通气部结构811，并且图8b以截面图示出了当至少局部打开时的另一可变通气部结构811。该可变通气部结构811包括两个可移动部812a和812b，在该实施例中，所述两个可移动部812a和812b具有由通道813a和813b(包括共同的中央通道813c)所限定的大体梯形形状，其中通道814a和814b限定支撑所述可移动部的扭转梁815a和815b。

同样，所述通气部的性质(关于所述通气部打开时的压力差以及所述通气部结构上的应力)可通过合适地选择尺度来控制，通气部的开闭比率也同样可以被控制。在一个实施例中，当通气部以大约0.4μm的厚度的氮化硅膜形成时，限定通气部结构的通道的宽度(即，在图8b中尺度“a”)可以是大约1μm。所述梁结构的宽度(尺度“b”)可以是大约3μm的b。所述可移动部812a和812b中的每个可以是约15μm宽，即所述可移动部的、从中央通道813c至梁结构的宽度的尺度“c”。所述梁的长度(尺度“d”)可以为大约30μm。

将注意到，图8b中所示出的通气部结构的流动路径的总体形状由两个可移动部812a和812b限定，且是大体六边形的。对于通气部，这是一种尤其有利的形状。

如前面所提及的，所述通气部结构可相对于所述换能器的另一结构(例如，背板104)来布置，使得所述通气部与背板中的间隙对准，以允许所述通气部打开至期望程度。因而，如所描述的，所述通气部可与背板104中的声学孔对准。然而，在一些实施方案中，设置在背板中的所述声学孔的尺寸通常可能比所述通气部的尺寸更小。因而，在一些实施方案中，背板104的结构在所述通气部结构附近设有更大的孔816或者间隙。

背板104通常被设计成相对透声的，从而在通气部附近提供附加的孔是可接受的。然而，改变穿过所述背板的孔的尺寸和/或分布可能对该设备的声学性质(例如，麦克风的低频衰减)具有影响。因而，将孔设置在背板中以允许所述通气部打开可通过声学孔112的尺寸和/或间距的减小来补偿，以维持期望的性质，和/或所述背板中的孔可紧密匹配所述通气部的形状。

图8c和图8d示出了在用于图8b所示形式的可变通气部的两个实施方案中布置穿过背板的孔的布置。图8c和图8d示出了背板的一部分的平面图，且示出了声学孔112的规则阵列，在该实施例中，所述声学孔112被布置成规则的多边形图案。还示出的是所述膜中的下面可变通气部和所述可移动部812a和812b的结构。可见，所述可移动部的尺寸大于所述声学孔112的尺寸。例如，所述声学孔的直径可为大约10μm，每一声学孔与其最近邻分离开约5μm。在上面所描述的实施例中，这两个可移动部中的每一个的宽度为大约15μm。

因此，在该实施方案中，在背板104中在通气部的附近存在较大的通气孔816，以允许用于可移动部812a和812b打开的空间。设置在所述背板中的通气孔816可被定尺寸和定形状，以匹配所述通气部的形状。图8c示出了这样一种布置，其中通气孔816相应地交叠所述通气部附近的、具有相应于所述通气部的图案的声学孔图案。图8d示出了一种替代布置，其中在所述通气部的附近省去了所述声学孔图案，且替代地，提供了相应于所述通气部结构的形状的通气孔816。

如所示出的，背板中的通气孔可以至少是所述可变通气部的尺寸，且可以大体是相同的形状，尽管将理解，在一些实施方案中可使用不同的形状，且所述通气部的可移动部可仅要求背板中的较小的打开，以容纳所述可移动部的必要范围的移动。

还将看到，在该实施方案中，所述通气部结构的大体形状匹配所述声学孔的布置，以至于较大的通气孔816可很容易地容纳在所述声学孔的正常图案中。

在图8c所示出的实施方案中，背板中的通气孔816包括这样一个区域817，该区域被定位在所述可变通气部将首先打开的位置附近，但是与所述通气部的区域横向偏置，即当该通气部打开时，该区域不交叠所述膜中的被打开的区域。这种布置在以下方面是有利的：在可移动部812a或812b未被完全偏转的位置处，最大化穿过所述可变通气部的通气的量。换句话说，提供这样一种背板孔的区域(该区域邻近通气部打开的位置，但是与通气部的位置略微偏置)可在所述通气部被打开时，帮助最大化通气的量，从而确保当存在足以导致所述通气孔打开的压力差时，尽可能快地出现显著的通气。

再回来参考图8b，可以看到，随着可移动折翼部812a和812b偏转从而提供穿过所述膜的流动路径，在垂直于所述膜的方向上的所述流动路径的尺寸有效地被可移动部812a和812b之间所打开的间隙限定。因而，经过所述通气部的空气通过可移动折翼部812a和812b可被有效地汇集穿过该间隙。然而，将理解，所述间隙的尺寸将保持相对小，直至可移动部812a和812b已被偏转至一个相当显著的程度。例如，考虑所述可移动部中的每一个都具有相同的宽度(即，图8b中的尺度“c”)，以使得如果这两个可移动部被偏转为垂直于所述膜(假设这将是可能的)，则所述间隙将具有最大值G。如果所述可移动部中的每一个都被偏转成与所述膜成约45℃的角度，则所述间隙将为约0.3G(忽略所述可移动部的形状的任何形变)。

随着所述可移动部偏转远离所述膜，还可能的是空气经过穿过所述膜的暴露路径，然后横向偏转，即在图8b的截面图所示出的实施例中，可移动部812a和所述膜的平面之间(即，在可移动部812a及其所示出的静止位置之间)的区域中的空气可在如所示出的进入纸面或者离开纸面的方向上通气。

尽管实际中将出现侧部通气，但是在所述可移动部被偏转进所述膜和背板之间的腔内的情形中，已发现，使得所述背板中的通气孔(相应于所述可变通气部)延伸至可出现所述侧部通气的区域可以是有利的，以增加所述通气的量。

图8e示出了当膜101已被偏转朝向背板104时，具有图8b中总体示出的结构的通气部被局部打开的情形。将理解，背板104可具有大约几微米或者更大的厚度。图8e示出了观看侧部的视图，与图8b中所示的视图进行比较，并示出了可移动折翼部812a处于远离膜101、朝向背板104的局部偏转位置。如所提及的，背板中的通气孔816可被定尺度为至少相应于所述可变通气部的尺寸，以允许所述通气部在通气孔816的区域中打开。在图8e所示出的实施方案中，背板中的通气孔816具有这样一个区域817，该区域817在通气部首先打开的位置处横向远离所述通气部的区域延伸。这允许由所述实箭头示出的穿过所述通气部的流动路径，该流动路径经过所述膜的平面，但是之后通气离开所述局部打开的通气部的一侧。虚线区域818示出了在缺少背板孔的横向区域817的情况下将发生的状态。如果所述膜101未与所述背板104接触，一些空气仍可能地从所述局部打开的通气孔的一侧通气进入膜和背板之间的腔，如由虚箭头所示出的。然而，在没有横向区域817的情况下，侧部通气可发生的程度可大大减小。

因而，在多种实施方案中，对于设置在可变通气部的位置中的、背板中的至少一些通气孔，例如以允许可变通气部打开进入所述背板中的通气孔的区域中的空间，所述背板通气孔的区域可在所述通气孔首先打开的位置处或附近横向延伸远离所述通气部的打开的区域，从而允许或改进侧部通气。

如上面所提及的，扭转梁(例如，上面的图8a和图8b的实施方案中所示出的扭转梁)的使用可以是有利的，以允许所述可变通气部的可移动折翼部移动以打开所述通气部，同时限制所述结构中的应力。影响所述可变通气部的可移动部的移动程度及其有关应力的一个因素是所述扭转梁的长度，即图8b中的尺度d。较长的梁长度允许对于给定应力水平的较大程度的移动，或者对于给定移动程度，减小总体应力。因而，可能期望的是，在一些实施方案中，提供相对长的长度的梁。

然而，将注意到，所述膜中使用包括扭转梁的可变通气部结构涉及在所述膜中形成通道以限定扭转梁。例如，在图8b中，通道814a和814b被要求用于局部限定扭转梁815a和815b。这些通道并未形成所述通气部的可变流动路径部分的一部分，即所述通道并未形成通过所述通气部的可移动部的移动而被打开的所述可变流动路径的一部分。为了在通气部被闭合时，最小化所述通气部结构的影响，有益的是，限制所述通道位于与所述背板中的声学孔相同位置的程度。如果穿过所述膜的通道位于与所述背板中的孔相同的位置处，则这可提供一个小的流动路径，甚至当所述通气部被闭合时。对于所述膜中的、被用于限定所述通气部结构的可移动部的通道，例如通道813c，可能不可避免的是，所述通道将相应于所述背板中的孔。当打开时，所述通道将有效地形成所述通气部流动路径的一部分，从而可设置在相应于较大的背板孔816的位置中。然而，可能有利的是，配置不相应于所述通气部结构的可变流动路径的任何通道，从而最小化它们与任何背板孔交叠——即在背板中的任何声学孔的下面(或者，依赖于换能器的结构，在背板中的任何声学孔的上面)——的程度。

因而，在一些实施方案中，背板孔(即，声学孔112)的图案可被布置为使得，所述背板的、相应于所述膜中的通道位置的一个或多个区域基本上不存在任何背板孔，所述膜中的通道位置限定所述可变通气部结构的一部分。

换句话说，在所述背板中可存在至少一个通气孔(即，大孔816)，所述至少一个通气孔相应于所述可变通气部的流动路径，且可被定尺寸以允许所述通气部在所述孔中至少局部打开。所述背板中的所述通气孔可被定尺寸和定形状为大体相应于当所述可变通气部打开时由所述可变通气部所实现的流动路径，且在通气部首先打开以允许早期侧部通气的位置处具有可能的横向区域。然而，所述通气孔可被布置，从而基本上不在所述膜中的如下任何通道上方延伸：所述通道用于限定所述膜中的可变通气部结构的一部分但是在使用时并未形成所述可变流动路径的一部分。参考图8d，孔816被布置为使得它并未延伸到用于限定所述扭转梁的外部边缘的上部通道和下部通道。然后，背板中的其他孔(即，声学孔112)的图案可被布置，也使得基本上不与所述通气部结构的任何通道交叠，即，以限定可设置所述膜中的通道的区域。

然而，在一些实施方案中，可能期望的是具有规则图案的声学孔，而在背板中没有显著不存在声学孔的任何区域。因而，所述声学孔的图案可限制所述通道的最大长度，所述通道可被建立以限定所述扭转梁结构且不与声学孔显著交叠。例如，考虑图8d中所示出的布置，其中背板中的声学孔112被布置为六边形堆积的阵列，且所述可变通气部具有大体六边形形状。如果声学孔112的直径例如为大约10μm，且彼此分离开5μm，则相邻“行”的声学孔之间的最大间隙小于3μm。如上面所讨论的，在一个实施例中，所述梁的宽度可为大约3μm，且限定所述梁的通道为1μm宽。因而，之后可以看到，在这样一种布置中，不可能的是，所述扭转梁的长度延伸超出某一长度(在该实施例中，为约30μm)，且限定扭转梁的通道中的至少一个不与背板中的声学孔交叠，或者不需要从阵列中省去声学孔112中的一些(对性能具有可能的影响)。

因而，在一些实施方案中，将可移动部连接至所述膜的其余部分的梁结构可具有非直线路径。换句话说，由将所述可移动部连接至所述膜的其余部分的梁所建立的路径可在所述梁的平面内、在其中具有一个或多个弯曲部。这可增大可设置在一个给定距离内梁的有效路径长度。例如，所述梁可具有如图8f所示的蛇状或曲折结构。在图8f所示出的实施例中，通道被形成在所述膜中，以形成两个可移动部812a和812b，如上面关于图8b所描述的。这些可移动部经由梁结构819a和819b被连接至所述膜的其余部分。然而，在该实施方案中，限定梁结构819a和819b的通道具有相对于总体梁长度横向延伸的区段820和821，以限定所述梁结构的蛇状区段822。这些蛇状区段822用作弹簧区段，且增大所述梁结构的有效长度。所述梁结构的有效长度等于所述梁结构的总体长度L加上用于每个弯曲部的弹簧结构的宽度W。因而，图8f中示出的梁819a和819b具有L+6W的有效长度。使用所述弹簧结构来增大梁结构的有效长度具有上面所描述的优势：允许针对给定应力水平的更大程度的移动/针对给定移动程度减小总体应力，但是不要求增大所述梁结构的总体长度。

在图8f的实施方案中，在将可移动部连接至基底的梁结构的两个臂的每一个中形成了相同的弹簧结构。在一些材料体系中，这样的布置可以是有益的，以确保由所述可移动部的偏转引发的应力均匀分布，然而并不需要都是这种情形，在另一实施方案中，在所述梁结构中的一个臂中比另一臂中可存在更多的弯曲部。

图8f示出了所述梁路径中的成直角的弯曲部和大体正方形的拐角部。然而，应理解，一系列其他形状是可能的。例如，所述梁路径中的弯曲部可低于90度(或者在一些应用中更大)和/或更圆化，例如用于减小应力。

如所提及的，蛇状类型形状(即，曲折路径)提供了一个扭转弹簧结构，从而通常所述可移动部经由一个或多个扭转弹簧被连接至所述膜的其余部分。以这样一种方式使用扭转弹簧可减小可变通气部打开时的压力差，同时保持所述通气部结构的低占用区域(使得形成弹簧结构的通道不需要与任何背板孔显著交叠)和低应力性质。

具有例如图8b中示出的直线性扭转梁的通气部设计被生产，且与包括例如图8f所示的蛇状弹簧结构的通气部设计进行比较。在这两种情形中，所述梁结构的总体长度L相同，且所述可移动部的尺寸和形状相同。与具有直的扭转梁的通气部相比，针对给定的压力差，包括扭转弹簧的通气部的可移动部的偏转被显著增大。在一个测试中，50kPa的压力差导致具有扭转弹簧的可变通气部中的12.3μm的偏转，相比于具有直的扭转梁的通气部中的4.5μm的偏转。这导致在该压力时，所述通气部的空气阻力的18倍的减小。

因而，通常在一些实施方案中，所述可变通气部可包括一个可移动部，该可移动部可移动以暴露穿过一个表面的流动路径，其中所述可移动部通过至少一个扭转弹簧连接至所述表面。所述扭转弹簧可包括一个限定非直线性路径的梁。所述表面可以是所述膜，所述可移动部可以是膜材料的一部分，其相对于所述膜的其余部分可移动。

图9a-图9c示出了合适的可变通气部结构的另一些实施例。在这些实施例中，所述可变通气部结构包括一个可移动部，所述可移动部可移动出所述膜的平面，以提供一个流动路径。图9a示出了第一可变通气部结构901，该第一可变通气部结构901具有由通道903所限定的可移动部902。通道903被布置以限定梁部905a和905b，所述梁部905a和905b可响应于可移动部902上的压力差而弯曲，使得所述可移动部可偏转出所述膜的表面，如图9a中以截面图示出的。

图9b示出了沿着类似的线的另一通气部结构906，其具有通过梁连接至所述表面的其余部分的可移动部907，但是具有附加的通道，从而限定蛇状的梁结构908，以提供更大程度的弯曲。

图9c示出了可变通气部结构909的另一实施例，该可变通气部结构909具有通过多个梁911连接的可移动部910，所述多个梁911有效地用作支撑可移动部910的叶片弹簧。

当然，应理解，所述可移动部的形状可改变，且例如可以是圆形或椭圆形，或者大体上是规则多边形或不规则多边形形状，具有变化数目的支撑臂或叶片弹簧，所述支撑臂或叶片弹簧可以在其中具有或者不具有描述蛇状结构的弯曲部。通常，所述可移动部可在大体上垂直于所述膜的平面的方向上可移动，并且可被梁结构支撑，所述梁结构可以是直的或者弯曲的或者形成为弹簧结构。

如前面所讨论的，在所述膜中可设置多于一个的可变通气部结构，且所述可变通气部结构可围绕如图10a中所示的膜均匀地间隔开，图10a示出了换能器的膜1001的平面图，且示出了可变通气部结构1002和排出孔1003的间距。

替代地，所述通气部可以例如图10b中所示的其他图案来布置。图10b还示出了在不同的位置，通气部结构1002的取向可以相同，例如以适应声学孔的图案和较大的背板孔的图案，如前面所描述的。

如上面所描述的，至少一个可变通气部可形成在所述膜中。附加地或替代地，至少一个可变通气部可形成有绕开所述膜的流动路径。例如，所述流动路径可绕开所述膜，且贯穿某一换能器结构的侧壁的至少一部分。

图11示出了具有绕开实际膜的可变通气部1101的流动路径的一个实施方案。图11示出了换能器的支撑结构的至少一部分，所述换能器包括至少一个背板结构104和一个或多个膜层101。在该实施例中，背板结构104的侧壁和膜层101的侧壁被图案化，以提供流动路径的第一端口1102。在该实施例中，端口1102提供了通向第一腔110外侧的容积的一个流动路径。然而，所述背板结构由于声学孔112是相对透声的，所以第一腔中的压力与该区域中的压力紧密关联。因而，端口1102提供了通向/来自包括第二腔110的容积的流动路径。

基底105也被蚀刻，以提供用于通向/来自包括第一腔109和基底腔108的容积的流动路径的端口1104。

位于端口1102和1104之间的流动路径中的是一材料层1103，该材料层1103沉积在所述基底上，且被形成为包括可变通气部1101。所述可变通气部可具有上面描述的任何通气部的形式(且如上面所描述的，通气部形成在层1103中而非膜中)。在该情形中，可针对期望的性质选择所述通气部的材料，而不造成所述膜的性质的改变。所述层的厚度还可被控制，以提供期望的通气特性。然而，材料层1103可以是被提供作为换能器结构的一部分的任何材料层，且自身可与所述膜的材料相同。所述可变通气部的操作如前面所描述的。所述膜两侧的压力差还导致所述可变通气部两侧的类似的压力差。在正常操作中遇到的压力差时，可变通气部可保持闭合，从而换能器的声学性质依赖于所述膜。如果遇到了高压力差，则所述通气部可打开，有助于平衡这两个容积，从而降低所述膜上的压力差。

上面所讨论的实施方案集中于将第一容积连接至第二容积的流动路径。所述布置是有利的，因为它增大了低压力容积中的压力，并且潜在地减小了高压力容积中的压力。然而，在一些应用中，可能的是提供一个可变通气部，该可变通气部具有从所述第一容积和/或第二容积中的一个至所述第一容积和/或第二容积外侧的流动路径。换句话说，代替将第一容积直接连接至第二容积，所述流动路径可以将第一容积连接至其他容积。所述其他容积可以是局部封闭的容积，且可以被容纳在换能器中或其封装件中或包含该换能器的设备中，或者可以是未被局部封闭的容积，甚至包括外部大气。在正常操作时，所述可变通气部将保持闭合，但是响应于有关容积中的高压力，所述通气部可打开，以提供来自高压力容积的通气，从而有助于减小绝对压力。替代地，对于未直接连接至所述声音端口或声音端口的一部分的容积，例如后容积，通气部可响应于外部大气中的高压力而打开，使得在声音端口中的压力增大另一容积中的压力的同时，后容积中的压力增大。

图12示出了根据本发明的一个实施方案的可变通气部的另一实施例。图12a示出了悬挂于基底105和背板104的膜101，如前面所描述。然而，在该实施方案中，在膜101中存在一个孔，所述孔在平衡位置通过柱塞区段1201基本闭合。柱塞区段1201被支撑，从而基本上被固定就位。换句话说，膜101相对于柱塞区段1201是可移动的，且所述柱塞区段相对于所述膜支撑结构(即，基底105、背板104和/或侧壁结构)基本固定。在图12a所示的实施例中，所述柱塞区段通过一个或多个支撑结构1202在所述膜覆在基底105上面的区域中从基底101支撑，所述一个或多个支撑结构1202可以例如是支撑柱。所述支撑结构将所述柱塞区段保持就位。

在使用时，柱塞区段1201在平衡时基本上堵塞膜101中的孔，从而阻止空气的显著流动，如前面所描述。随着所述膜偏转远离平衡位置，所述柱塞保持就位，从而逐渐地暴露穿过所述膜的孔，提供了一个增大的流动路径，如前面所描述。

图12b示出了所述膜朝下偏转的情形(为清楚起见，省去了背板)。可以看到，所述膜已移动出所述柱塞的平面，从而打开穿过所述膜中的孔的流动路径用于空气的流动，如由箭头所示出的。图12c示出了膜被朝上偏转的情形。流动路径的尺寸或者声导(或者声学阻抗)将依赖于所述膜101的偏转的程度，这转而依赖于所述膜两侧的压力差。因而，在低压力时，随着相对低的膜偏转，将存在所述流动路径的有限打开，从而通气部的存在将不会显著影响换能器的操作。在例如由高压力事件造成的高压力差时，其中存在显著的膜偏转，将存在所述通气部的显著打开，从而随着所述膜的两侧的容积的压力平衡，所述压力差将快速降低，如前面所描述的。

所述通气部打开所要求的偏转的程度可通过控制柱塞区段1201的厚度而被部分地控制。如图12中所示，柱塞区段可具有与膜层相同的厚度，这可易于制造，如将在下面所描述的。然而，在其他实施方案中，所述柱塞区段可比所述膜层更厚，使得所述膜必须被偏转一个大的量以脱离柱塞区段，从而提供所述通气部的显著打开。

应理解，为了在膜朝下偏转时空气流动，支撑结构1202必须不堵塞所述膜101中的孔。这可通过确保支撑结构1202包括一个或多个柱或支柱来实现，所述柱或支柱具有小于所述柱塞区域的面积的横截面面积(在平行于膜101的平面中)，从而允许空气围绕所述支撑柱流动。然而，附加地或者替代地，一个或多个孔可被设置为穿过支撑结构1202。例如，所述支撑结构可包括一个框架，所述框架具有一个或多个开口窗，以允许空气流过所述支撑结构。

在图12中所示的其中所述柱塞区段从基底105支撑的实施方案中，膜101和基底101之间的相对小的间隙可限制来自所述膜下方的容积的空气流动的量。即使当通气部大幅打开时，这也可限制所述通气部的最大声导。因而，在一些实施方案中，可存在从由基底105所限定的容积延伸至所述通气部附近的一个或多个通道或孔口1204。

图12a中所示的结构可使用标准的方法技术附加少数几个额外方法步骤来制造。如所提及的，通常膜层101被沉积在一个合适形状的牺牲材料层上，所述牺牲材料被已沉积在基底上。在一种布置中，所述支撑结构可在一个或多个沉积步骤中制造，之后将用于限定所述腔的牺牲材料沉积在所述膜层下方。在所述牺牲材料的顶部处可暴露所述支撑结构的顶部。替代地，所述牺牲材料可被沉积和被图案化，以展现用于所述支撑结构的空间。之后，形成支撑结构的材料可被合适地沉积和蚀刻，使得当要求时，所述支撑结构延伸穿过所述牺牲材料。可通过在多个步骤中沉积支撑结构和牺牲材料来提供一个框架结构。

之后，适合用于所述膜的材料(例如，氮化硅)层可被沉积在所述牺牲材料上以及所述支撑结构的顶部上。之后，一个通道可被蚀刻，以将所述膜层与所述柱塞区段分离。当随后所述牺牲材料被移除时，所述膜将在所述侧壁处被自由支撑从而是柔性的，且所述柱塞区段将被支撑，以大部分固定就位。作为所述背部蚀刻方法的一部分，穿过所述基底的任何通道可被蚀刻。

应理解，所述膜层的基底侧上的支撑结构1202的存在并不意味着，当所述膜被朝下偏转时的所述流动路径与当所述膜被朝上偏转一个类似量时不一样大。对于给定大的压力差，这可导致所述通气部的响应时间的略微不同，这依赖于哪一侧上处于高压力。

图13示出了类似于图12示出的一个替代实施方案，但是其中柱塞区段1301通过一个支撑结构1302从背板1302支撑。这种结构将以与参考图12所描述的方式类似的方式操作，但是具有通气部远离基底105定位的优势，从而不存在对来自基底下方的容积的流动的任何妨碍，所述通气孔还可定位在较大膜偏转的区域中，从而在高的膜偏转时提供较大的流动路径。

该结构可以与上面所描述的方式类似的方式制造，但是沉积所述膜层且蚀刻一个通道，从而将柱塞区段1301与膜层的其余部分隔离，之后形成支撑结构1302。之后，支撑结构1302可以与上面所描述的方式类似的方式形成，从而提供延伸穿过用于限定所述上部腔的牺牲材料的支撑结构，之后沉积所述背板层的材料。

根据上面描述的实施方案中任一个的一个或多个换能器可被包括在一个封装件中。图14a至图14g示出了多种不同的封装件布置。图14a至图14g中的每一个都示出了位于封装件中的一个换能器元件，但是应理解，在一些实施方案中，可以存在多于一个的换能器(例如，换能器阵列)，且多种换能器可被形成在相同的换能器基底(即，单块换能器基底)上，或者可形成为具有单独的换能器基底的单独的换能器，其中每个单独的换能器基底被接合至封装件基底。

图14a示出了第一布置，其中换能器1400被定位在封装件基底1402上在盖1401中，所述盖1401形成壳体的至少一部分。在该实施例中，所述盖可以是被接合至所述基底的金属壳体。所述封装件基底可包括至少一个绝缘层。所述封装件基底还可包括至少一个导电层。所述封装件基底可以是半导体材料，或者可由诸如PCB、陶瓷等材料形成。当盖1401是金属的或者其自身包括一个导电层时，所述盖可被电联接至所述基底的导电层，例如使得所述壳体提供对于电磁干扰(EMI)的屏蔽。接合线1403可将换能器连接至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)可位于壳体内，所述壳体形成在封装件基底中或者连接至封装件基底。穿过所述封装件基底的贯穿孔(未示出)可连接至触点(即，焊料焊盘)1404，用于将外部电路系统(未示出)电连接至所述封装件，以允许电信号传输至换能器1400/来自换能器1400的电信号的传输。在图14a所示的实施例中，在盖1401中存在一个声音端口或者声学端口，以允许声音进入所述封装件，且所述换能器被布置在一个顶部端口布置中。

图14b示出了一个替代布置，其中所述声音端口被设置在封装件基底1402中，且可在使用时被密封。环1405(可以是密封环或焊料焊盘环，在形成焊料环时使用)可被设置在所述封装件的外侧上在声音端口的周界周围，以允许在使用时，当封装件例如被连接至另一PCB时，密封通向声音端口的声音路径。在该实施方案中，换能器被布置在一个底部端口布置中，其中由壳体1401所限定的容积形成换能器的后容积的一部分。

图14c示出了一个实施例，其中代替将换能器连接至封装件基底的接合线，所述换能器结构被倒置且经由连接部1406而被倒装芯片(flip-chip)接合至封装件基底。在该实施例中，所述声音端口在所述封装件基底中，使得所述封装件被布置在一个底部端口布置中。

图14d示出了图14b的实施例的一个替代实施例，其中壳体1407由多种材料面板(例如，PCB等)形成。在这种情形中，壳体1407可包括一个或多个导电层和/或一个或多个绝缘层。图14d示出了封装件基底中的声音端口。图14e示出了图14b的布置的一个替代布置，其中壳体1407由多种材料面板(例如，如关于图14d所描述的PCB等)形成。图14f示出了另一实施方案，其中所述换能器结构经由连接部1406被接合至所述壳体上层，所述壳体上层例如可以是PCB或分层的导电材料/绝缘材料。然而，在该实施例中，与所述封装件的电连接仍经由所述封装件基底上的触点、焊料焊盘1404，例如封装件基底中的贯穿孔(未示出)，在所述壳体的内侧上具有通向换能器的导电线路(conductive trace)。图14g示出了图14c的实施例的一个替代实施例，其中换能器被倒装芯片接合至壳体1407中的封装件基底，所述壳体1407由材料面板(例如，如关于图14d所描述的PCB等)形成。

通常，如图14h中所示，一个或多个换能器可位于一个封装件中，所述封装件接着可操作地互连至另一基底，例如一个母板，如本领域中已知的。

在所有实施方案中，可变通气部可用作非线性通气部，所述非线性通气部是这样一个通气部，其流动路径尺寸未被固定，且其中所述通气部被打开的程度以及穿过所述通气部的流动速率随着压力差以非线性的方式改变，如上面所描述的。

因而，总体上本发明的实施方案涉及一种包括至少一个可变通气部的MEMS换能器。因而，更具体地，本发明的实施方案涉及一种包括换能器结构的MEMS换能器，所述换能器结构包括一个被支撑在第一容积和第二容积之间的柔性膜和至少一个可变通气部结构。该可变通气部结构可具有至少一个可移动部，所述至少一个可移动部响应于所述可移动部两侧的高压力差而可移动，从而提供一个用于排放流体的流动路径，例如来自所述第一容积和第二容积中的至少一个的气体。因而，该可变通气部可包括一个孔口，其中所述孔口的开口尺寸随着压力差而改变。

已经在排放来自一个容积的空气描述了所述实施方案。相同的原理适用于其他气体以及事实上其他流体，可能地包括液体。在一些实施方案中，所述换能器可被布置在密封环境中，该密封环境填充有除空气以外的流体，该密封环境被布置为允许压力波传输至密封环境的外侧/来自密封环境的外侧的压力波的传输。仍可存在于密封环境内所生成的大的压力差，并且在所述环境中使用可变通气部可能是有益的。

本发明的实施方案还涉及包括一个柔性膜和至少一个可变通气部结构的MEMS换能器，所述至少一个可变通气部在第一范围的压力差时基本上闭合，在第二较高范围的压力差时打开以减小所述膜两侧的压力差。

本发明的实施方案还涉及这样的MEMS换能器，所述MEMS换能器包括一个被支撑在第一容积和第二容积之间的柔性膜和一个连接所述第一容积和第二容积的通气结构。所述通气部提供具有随着所述膜两侧的压力差而改变的尺寸的流动路径。

本发明的实施方案还涉及这样的MEMS换能器，所述MEMS换能器包括一个被支撑在第一容积和第二容积之间的柔性膜和一个连接所述第一容积和第二容积的通气部，其中所述通气部被配置为使得穿过所述通气部的流动速率相对于压力差是非线性的。

本发明的实施方案还涉及这样的MEMS换能器，所述MEMS换能器具有一个被支撑在第一容积和第二容积之间的膜，其中所述第一容积和第二容积之间的声学阻抗随着所述容积之间的压力差可变化。

尽管各种实施方案描述了一个MEMS电容式麦克风，但是本发明还适用于除麦克风以外的任何形式的MEMS换能器，例如压力传感器或超声发射机/接收机。

本发明的实施方案可有利地使用一系列不同的半导体类型材料例如多晶硅来实施。然而，本文描述的实施方案涉及一种具有膜层的MEMS换能器，所述膜层包含氮化硅。

注意到，上面描述的实施方案可用在一系列设备中，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。本发明还可用在多种应用中，包括但不限于消费品应用、医疗应用、工业应用和汽车应用。例如，典型的消费品包括便携式音频播放器、膝上型计算机、移动电话、平板电脑、PDA和个人电脑。实施方案还可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有源噪声消除。典型的汽车应用包括免提套件、声学碰撞传感器(acousticcrash sensor)和有源噪声消除。

应注意，上面提及的实施方案举例说明而非限制本发明，在不背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举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应当不被解释用于限制它们的范围。

Claims (71)

1.一种MEMS换能器，包括：

一个柔性膜；以及

至少一个可变通气部结构，其中所述可变通气部结构提供一个流动路径，该流动路径具有随着所述膜两侧的压力差而变化的尺寸。

2.如权利要求1所述的MEMS换能器，其中：

所述可变通气部结构包括至少一个可移动部，所述至少一个可移动部响应于所述可移动部两侧的压力差而可移动，从而改变穿过所述通气部结构的流动路径的尺寸。

3.如权利要求2所述的MEMS换能器，其中所述至少一个可移动部的平衡位置相应于流动路径的最小尺寸。

4.如权利要求3所述的MEMS换能器，其中所述至少一个可移动部的所述平衡位置相应于所述流动路径被基本上闭合。

5.如权利要求2至4中任一项所述的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，以及其中所述至少一个可变通气部结构的所述流动路径在所述第一容积和第二容积之间。

6.如权利要求2至5中任一项所述的MEMS换能器，其中至少一个所述可变通气部结构被形成在所述柔性膜中，并且所述流动路径是一个穿过所述柔性膜的路径。

7.如权利要求6所述的MEMS换能器，其中所述至少一个可移动部是可移动的，以暴露所述柔性膜中的一个孔。

8.如权利要求6或权利要求7所述的MEMS换能器，其中所述至少一个可移动部包括所述柔性膜的一部分，该部分能够被偏转远离所述柔性膜的其余部分的表面。

9.如权利要求8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由贯穿所述柔性膜的一个或多个通道限定。

10.如权利要求8或权利要求9所述的MEMS换能器，其中所述至少一个可移动部是下列形状中的一个：大体三角形形状、大体圆形形状或大体长方形形状。

11.如权利要求8到10中任一项所述的MEMS换能器，其中所述柔性膜的所述可移动部经由一个梁结构被连接至所述柔性膜的其余部分。

12.如权利要求11所述的MEMS换能器，其中所述梁结构能够扭曲，以允许所述柔性膜的所述可移动部被偏转远离所述柔性膜的其余部分的表面。

13.如权利要求11或权利要求12所述的MEMS换能器，其中所述梁结构具有一个非直线性路径。

14.如权利要求13所述的MEMS换能器，其中所述梁结构的至少一部分具有一个蛇状路径。

15.如权利要求11到14中任一项所述的MEMS换能器，其中所述梁结构包括所述梁的平面内的一个或多个弯曲部。

16.如权利要求15所述的MEMS换能器，其中所述梁结构包括多个基本上成直角的弯曲部。

17.如权利要求11到16中任一项所述的MEMS换能器，其中所述梁结构包括至少一个扭转弹簧，所述至少一个扭转弹簧位于所述柔性膜的所述可移动部和其余部分之间。

18.如权利要求11所述的MEMS换能器，其中所述梁结构能够弯曲，以允许所述可移动部被偏转远离所述柔性膜的其余部分的表面。

19.如权利要求13所述的MEMS换能器，其中所述梁结构包括一个叶片弹簧。

20.如权利要求18或权利要求19所述的MEMS换能器，其中所述梁结构具有一个蛇状路径。

21.如权利要求18到20中任一项所述的MEMS换能器，其中所述梁结构被配置为使得所述柔性膜的所述可移动部在基本上垂直于所述柔性膜的方向上可偏转远离所述柔性膜的其余部分的表面。

22.如权利要求8到10中任一项所述的MEMS换能器，其中所述可移动部经由一个弹簧结构被连接至所述柔性膜的其余部分。

23.如权利要求22所述的MEMS换能器，其中所述弹簧结构能够扭曲，以允许所述柔性膜的所述可移动部被偏转远离所述柔性膜的其余部分的表面。

24.如权利要求8至23中任一项所述的MEMS换能器，其中至少一个所述可变通气部结构包括所述柔性膜的至少两个可移动部，所述至少两个可移动部能够被偏转远离所述柔性膜的其余部分的表面，以暴露所述柔性膜中的一个孔。

25.如权利要求7所述的MEMS换能器，其中所述至少一个可移动部包括所述柔性膜的、在所述膜中具有所述孔的一部分，所述柔性膜相对于一个固定的柱塞部可移动。

26.如权利要求25所述的MEMS换能器，其中所述固定的柱塞部在其平衡位置位于所述柔性膜的平面中。

27.如权利要求25或权利要求26所述的MEMS换能器，其中所述柱塞部相对于一个换能器结构被支撑，所述换能器结构包括一个基底和一个背板，其中所述换能器结构相对于所述基底和所述背板支撑所述柔性膜。

28.如权利要求27所述的MEMS换能器，其中所述柱塞部从所述基底被支撑。

29.如权利要求28所述的MEMS换能器，其中所述基底在支撑所述柱塞部的附近具有一个穿过所述基底的通道。

30.如权利要求27所述的MEMS换能器，其中所述柱塞部从所述背板被支撑。

31.如权利要求25-30中任一项所述的MEMS换能器，其中所述柱塞部由与所述柔性膜的材料相同的材料形成。

32.如权利要求25-31中任一项所述的MEMS换能器，其中所述柱塞部比所述柔性膜更厚。

33.如权利要求5到32中任一项所述的MEMS换能器，其中至少一个所述可变通气部结构形成有绕开所述柔性膜的一个流动路径。

34.如权利要求33所述的MEMS换能器，其中绕开所述柔性膜的所述流动路径贯穿换能器结构的一个侧壁的至少一部分，所述换能器结构的所述侧壁支撑所述柔性膜。

35.如权利要求5到34中任一项所述的MEMS换能器，包括至少一个所述可变通气部结构，所述可变通气部结构具有从所述第一容积和/或第二容积中的一个至所述第一容积和/或第二容积外侧的流动路径。

36.如权利要求7-24中任一项所述的MEMS换能器，其中至少一个所述可变通气部结构被配置为使得，在低于第一阈值的压力差时，所述至少一个可移动部未被完全偏转离开柔性膜的其余部分的表面。

37.如权利要求2到36中任一项所述的MEMS换能器，其中所述至少一个可移动部被配置为使得，在低于第一阈值的压力差时，基本上不存在所述可移动部从平衡位置的移动。

38.如权利要求36或权利要求37所述的MEMS换能器，其中所述第一阈值大于150Pa。

39.如权利要求38所述的MEMS换能器，其中所述第一阈值大于1kPa。

40.如任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中对于范围为0Pa-200Pa的压力差，至少一个所述可变通气部结构基本上不提供流动路径尺寸的显著变化。

41.如任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中至少一个所述可变通气部结构提供与所述柔性膜两侧的压力差为非线性关系的、穿过所述通气部的流动路径的尺寸。

42.如权利要求2到39中任一项所述的MEMS换能器，其中所述至少一个可移动部被配置为使得，在压力差大于第二阈值时，存在所述可移动部从平衡位置的显著移动。

43.如权利要求42所述的MEMS换能器，其中所述第二阈值低于100kPa。

44.如任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中对于范围为100kPa-200kPa的压力差，与平衡时所述流动路径的尺寸相比，至少一个所述可变通气部结构基本上提供流动路径尺寸的显著增大。

45.如任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中至少一个所述可变通气部结构包括至少一个可移动部，所述至少一个可移动部响应于所述可移动部两侧的至少100kPa的压力差而可移动。

46.如任一项前述权利要求所述的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。

47.如权利要求46所述的MEMS换能器，所述背板结构包括穿过所述背板结构的多个孔。

48.如权利要求47所述的MEMS换能器，其中至少一个所述可变通气部结构被形成在所述柔性膜中，且其中穿过所述背板结构的多个孔中的至少一个在相应于所述柔性膜中的可变通气部结构的位置的一个位置中包括一个通气孔。

49.如权利要求48所述的MEMS换能器，其中对于至少一个通气孔，所述背板中的所述通气孔的区域在所述柔性膜中的所述可变通气部结构首先打开的位置处，横向远离所述柔性膜中的至少一个所述可变通气部结构的打开区域而延伸。

50.如权利要求47到49中任一项所述的MEMS换能器，其中：

至少一个所述可变通气部结构被形成在所述柔性膜中，并且包括一个可移动部，所述可移动部经由一个梁结构被连接至所述膜的其余部分；

所述可移动部和梁结构由贯穿所述柔性膜的通道限定；以及

所述柔性膜中的所述通道的位置基本上不与所述背板结构中的所述多个孔中的任何一个的位置交叠，在使用时，所述柔性膜的所述通道不形成穿过所述柔性膜的所述可变流动路径的一部分。

51.如任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中所述换能器包括电容式传感器。

52.如任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中所述换能器包括一个麦克风。

53.如权利要求51或权利要求52所述的MEMS换能器，还包括读出电路系统。

54.如任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中所述换能器位于一个封装件内，所述封装件具有一个声音端口。

55.一种电子设备，包括如任一项前述权利要求所述的MEMS换能器。

56.如权利要求55所述的电子设备，其中所述设备是下列中的至少一个：便携式设备；由电池供电的设备；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。

57.一种用于制造具有柔性膜的MEMS换能器的方法，所述方法包括：

形成一个具有柔性膜的结构，所述柔性膜被支撑在第一容积和第二容积之间；以及

形成至少一个可变通气部结构，所述至少一个可变通气部结构与所述第一容积和第二容积中的至少一个连通；

所述至少一个可变通气部结构包括至少一个可移动部，所述至少一个可移动部响应于所述可移动部两侧的压力差而可移动，从而改变穿过所述可变通气部结构的流动路径的尺寸。

58.如权利要求57所述的方法，包括形成一个膜层以形成所述柔性膜的至少一部分，以及在所述膜层中形成至少一个所述可变通气部结构。

59.如权利要求58所述的方法，其中形成所述可变通气部结构包括形成穿过所述膜层的一个或多个通道，使得所述柔性膜的一部分可以响应于压力差而被偏转远离所述柔性膜的其余部分的表面。

60.一种MEMS换能器，包括：

一个换能器结构，该换能器结构包括一个柔性膜，所述柔性膜被支撑在第一容积和第二容积之间；其中

所述换能器结构包括至少一个可变通气部结构；

所述可变通气部结构包括至少一个可移动部，所述至少一个可移动部响应于所述可移动部两侧的高压力差而可移动，从而提供一个流动路径，用于排放来自所述第一容积和第二容积中的至少一个的气体。

61.一种MEMS换能器，包括：

一个柔性膜；以及

至少一个可变通气部结构，在第一范围的压力差时，所述至少一个可变通气部结构基本上被闭合，在第二更高范围的压力差时，所述至少一个可变通气部结构打开，以减小所述膜两侧的压力差。

62.一种MEMS换能器，包括：

一个柔性膜，其被支撑在第一容积和第二容积之间；

一个通气部结构，其连接所述第一容积和第二容积；

其中所述通气部提供了一个流动路径，所述流动路径具有随所述膜两侧的压力差而改变的尺寸。

63.一种MEMS换能器，包括：

一个柔性膜，其被支撑在第一容积和第二容积之间；以及

一个通气部，其连接所述第一容积和第二容积，其中所述通气部被配置为使得穿过所述通气部的流动速率相对于压力差是非线性的。

64.一种MEMS换能器，其具有被支撑在第一容积和第二容积之间的膜，其中所述第一容积和第二容积之间的声学阻抗随所述容积之间的压力差是可变的。

65.一种MEMS换能器，包括：

一个换能器结构，包括一个柔性膜，所述柔性膜被支撑在第一容积和第二容积之间；其中

所述换能器结构包括至少一个可变通气部结构，用于改变所述第一容积和第二容积之间的流动路径的尺寸；

所述可变通气部结构包括至少一个可移动部，所述至少一个可移动部相对于一个表面可移动，其中所述可移动部通过至少一个扭转弹簧被连接至所述表面的其余部分。

66.如权利要求65所述的MEMS换能器，其中所述可变通气部被形成在所述柔性膜中。

67.一种MEMS换能器，包括：

一个换能器结构，其包括一个柔性膜，所述膜被支撑在第一容积和第二容积之间；其中

所述换能器结构包括至少一个可变通气部结构，所述至少一个可变通气部结构与所述第一容积和第二容积中的至少一个连通；

所述可变通气部结构包括至少一个可移动部，所述至少一个可移动部响应于所述可移动部两侧的压力差而可移动，从而改变穿过所述通气部结构的流动路径的尺寸。

68.一种MEMS换能器，包括至少一个可变通气部。

69.如权利要求68所述的MEMS换能器，其中所述换能器是一个电容式麦克风。

70.如权利要求68或69所述的MEMS换能器，其中所述换能器包括一个柔性膜，所述柔性膜包括所述至少一个可变通气部。

71.一种MEMS换能器，基本上如上文中参照附图中的图4-图14所描述的。