CN105530576B - Mems话筒结构元件 - Google Patents

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Abstract

提出一种方案，该方案能够实现具有非常好的SNR、高的话筒灵敏度和大的频率带宽的MEMS话筒结构元件。MEMS结构元件的话筒结构以层结构实现并且包括至少一个声压敏感的膜(210)、可透声的对应元件(220)和用于感测膜偏转的电容器装置，其中，所述膜(210)和所述对应元件(220)在层结构中上下相叠地并且相互间隔开地布置，并且分别配备有所述电容器装置的至少一个电极。根据本发明，所述膜(210)的所述层结构包括至少一个封闭的薄层(1)和至少一个结构化的厚层(2)，其中，在该厚层(2)中构造有覆盖整个膜表面的网栅结构(100)，该网栅结构确定所述膜(210)的刚性。

Description

MEMS话筒结构元件
技术领域
本发明的出发点是一种具有话筒结构的MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微机电系统)结构元件，所述话筒结构以层结构实现。所述话筒结构包括至少一个声压敏感的膜、可透声的对应元件和用于感测膜偏转的电容器装置。膜和对应元件在该结构元件的层结构中上下相叠地并且相互间隔开地布置并且分别配备有电容器装置的至少一个电极。
背景技术
在声作用下，话筒膜垂直于层结构的层平面地偏转。由此，在话筒膜和固定的对应元件之间的距离改变。话筒膜和对应元件分别配备有至少一个电容器电极，使得话筒膜的“面外(Out-of-plane)”偏转可作为电容器装置的电容变化被感测。但是，膜在结构元件的层结构上的连接引起膜的弯曲或者说拱曲，所述弯曲或者说拱曲会对话筒性能产生负面影响。这样的拱曲尤其会导致，在膜偏转和测量信号之间的关联在声压较高时不再是线性的。
在高性能的MEMS话筒中总是力求高的信噪比SNR(signal-to-noise-ratio)。用于改进SNR的可能性在于，减小对应元件的流动阻力。
此外，在高性能的MEMS话筒中经常力求尽可能大的频率带宽，也就是尽可能平缓的传递函数，该频率带宽也包括较高的频率，理想地直到超声波范围内的频率。有利地，为此这样设计话筒结构，使得它具有尽可能高的谐振频率ω。电容式的MEMS话筒的谐振频率ω越高，则传递函数的上极限频率就越大。谐振频率ω决定性地取决于话筒膜的质量和刚性。在膜面积和膜刚性给定的情况下膜越薄，则谐振频率就越高。然而，在膜均质的情况下，刚性同样取决于膜的厚度。薄的话筒膜的较小刚性又有利于其拱曲，这对话筒性能产生负面影响并且导致话筒信号的非线性，以及减小谐振频率。即，高的谐振频率和好的话筒性能不能毫无疑问地相互协调一致。
发明内容
通过本发明提出一种方案，该方案能够实现具有非常好的SNR、高的话筒灵敏度和大的频率带宽的MEMS话筒结构元件。
这根据本发明由此实现：膜的层结构包括至少一个封闭的薄层和至少一个结构化的厚层，其中，在厚层中构造有覆盖整个膜表面的网栅结构，所述网栅结构确定膜的刚性。
根据本发明可知，MEMS话筒结构元件的膜也可以由多个层构造成并且这些膜层可相互无关地结构化。
此外可见，借助于在较厚的膜层中的网栅结构可在刚性相对高的情况下实现具有相对小的质量的膜。该膜方案根据本发明应被用在MEMS话筒结构元件的范围内，因为以此方式可不仅得到相对高的谐振频率而且得到良好的SNR。即，通过根据本发明的措施使噪声分量至少在频率较高的情况下被降低。
原则上，存在用于转换根据本发明方案的多种不同可能性，尤其是这涉及膜的层结构和网栅结构的布局。
在此，所述至少一个封闭的薄膜层有利地由能导电的材料、例如多晶硅构成，使得该层或者该层的至少一个区域可作为电容器装置的电极起作用。在这种情况下，网栅结构例如可简单地构造在较厚的氧化硅层中。网栅结构有利地布置在封闭的膜层和固定的对应元件之间，从而它在膜电极和具有电容器装置的至少一个对应电极的对应元件之间形成电绝缘。在这种情况下，网栅结构不仅用于膜加固而且也用作膜的止挡和过载保护。
根据本发明的方案提供了可能性：通过网栅结构的布局有针对性地影响膜的刚性，以便由此以可预给定的定义的特性配置MEMS话筒结构元件。
如果膜通过弹簧元件结合到MEMS结构元件的层结构中，则通常力求在整个膜表面上一致的刚性，以便获得在膜偏转和电容变化之间尽可能线性的关联。一致的刚性可有利地由此实现：所述网栅结构在整个膜区域中具有相同的接片宽度和/或网眼大小并且网栅结构的层厚度在整个膜区域中是一致的。
如果膜的边缘区域环绕封闭地连接在MEMS结构元件的层结构上，则通常膜的中间区域被相对于膜的边缘区域加固，从而具有膜电极的中间区域被尽可能平行平面地偏转。在这种情况下被证明有利的是：网栅结构在各个膜区域：边缘区域和中间区域中具有不同的接片宽度和/或不同的网眼大小和/或网栅结构的层厚度在各个膜区域中是不同的，即使得在声作用时尽可能仅仅边缘区域变形。
话筒性能不仅仅受到膜的质量和刚性而且也受到MEMS结构元件的层结构上的连接方式影响。该设计参数可同样用于有针对性地配置话筒特性。如已经提到的，膜的边缘区域可以环绕封闭地或者也可仅仅通过弹簧元件连接到MEMS结构元件的层结构上。在两个实施变型中，膜连接可在膜的层结构的薄层和/或厚层中形成。
有利的是，所述膜的边缘区域具有一个或多个褶皱(Korrugationen)。
当具有膜电极的封闭的薄膜层位于膜的朝向对应元件的侧上时，电容器装置的电极之间的距离可以非常小地选择。在这种情况下，电容器装置的静电容相应地大。
替换地，封闭的薄膜层也可布置在膜的背离对应元件的侧上。该变型的优点在于相对小的流动阻力，这对话筒结构元件的SNR产生积极的影响。
附图说明
如以上已经讨论的，存在以有利的方式构型和扩展本发明的教导的不同可能性。为此，一方面可参阅后述的权利要求书，及另一方面可根据附图参阅本发明的多个实施例的下述说明。
图1示出蜂窝式的网栅100，
图2a-2c分别立体地示出根据本发明的MEMS结构元件的膜210的边缘区段，和
图3a，3b分别立体地示出根据本发明的MEMS结构元件的膜210和对应元件220的可能的取向和布置。
具体实施方式
在图1中所示出的网栅100是具有相同大小和一致的格栅强度的六角形的格栅网眼的连续的格栅，所述格栅在同样六角形的膜210的整个表面上延伸。格栅的该形状是网栅的一个例子，所述网栅根据本发明被构造在MEMS膜的层结构的至少一个层中，以便实现具有尽可能的小质量和与质量在很大程度上无关地定义的刚性的MEMS膜。
这样的MEMS膜的层结构包括至少一个封闭的薄层和至少一个厚层。网栅结构应仅仅在厚层中构造，更确切地说，使得它覆盖整个膜表面。
在此要明确地指出，网栅结构也可具有与图1中示出的连续的相同形状的格栅不同的形状。网栅结构例如也可由各个接片有规则的布置构成。网栅结构也不必在整个膜区域中是相同形状的。因此，可以构型各个具有不同的网眼大小和/或不同的接片宽度的网栅结构的膜区域。网栅结构被构造其中的层厚度也可在各个膜区域内是不同的。
在这里所建议的具有一个封闭的薄层和一个厚层的膜层结构尤其适合用于电容式高性能的MEMS话筒结构元件的膜，在所述厚层中构造有网栅结构。在所述结构元件中，话筒结构以层结构实现并且除了声压敏感的膜之外包括至少一个可透声的对应元件。话筒结构的这两个组件在层结构中上下相叠地并且相互间隔开地布置并且分别配备有用于感测膜偏转的电容器装置的至少一个电极。
有利地，膜的边缘连接和在中间区域中的刚性被这样设计，使得具有膜电极的中间区域在声加载时基本上平行平面地偏转，而主要变形在膜的边缘区域或者说连接区域中进行。所述区域通常是无电极的并且因此对电容器装置的电容或者说电容变化无贡献。
膜的边缘区域可以或者环绕地或多或少封闭地结合在MEMS结构元件的层结构中，或者通过弹簧元件，如在图2a至2c中所示出的这样。
在图2a中所示出的实施变型中，弹簧元件211仅仅构造在膜210的层结构的封闭的薄层1中。与此不同地，在图2b的情况下，弹簧元件212仅仅在膜210的层结构的厚层2中实现，网栅结构100也由该厚层结构化出用于加固膜210。最后，图2c示出一个实施变型，其中，弹簧元件213在膜210的层结构的两个层1和2上延伸。
如已经提到的，声压敏感的膜210和固定的对应元件220在层结构中上下相叠地并且相互间隔开地布置。在这里所说明的实施例中，在对应元件220中构造有贯通开口221的网栅状布置，使得对应元件220是可透声的。因为膜210的具有封闭的薄层1和结构化的厚层2的层结构是不对称的，得出两个在图3a和3b中所示出的结构变型。
在图3a的情况下，膜210和对应元件220这样布置，使得具有膜电极的封闭的薄膜层1位于朝向对应元件220的侧上。在该变型中，可以实现在膜电极和对应电极之间的特别小的距离。与此相应地，电容器装置在这种情况下具有相对大的基本电容。与此不同地，在图3b的情况下，具有膜电极的封闭的薄膜层1位于背离对应元件220的侧上，使得在此在膜210的封闭的层1和对应元件220之间具有较大距离和与之相应地具有较小的流动阻力。此外，在膜层结构的厚层2中的网栅结构100在此可用作为用于膜210的过载保护。

Claims (12)

1.具有话筒结构的MEMS结构元件，所述话筒结构以层结构实现并且至少包括：
·声压敏感的膜(210)，
·可透声的对应元件(220)，和
·用于感测膜偏转的电容器装置，
其中，所述膜(210)和所述对应元件(220)在该层结构中上下相叠地并且相互间隔开地布置，并且分别配备有所述电容器装置的至少一个电极，
其特征在于，所述膜(210)的层结构包括至少一个封闭的薄层(1)和至少一个结构化的厚层(2)，其中，在该厚层(2)中构造有覆盖整个膜表面的网栅结构(100)，该网栅结构确定所述膜(210)的刚性，及其中，所述网栅结构(100)构造在较厚的氧化硅层中并且作为电绝缘布置在所述封闭的薄层(1)与所述对应元件(220)之间，使得所述网栅结构不仅用于膜加固而且也用作膜的止挡和过载保护。
2.根据权利要求1所述的MEMS结构元件，其特征在于，所述网栅结构(100)在整个膜区域中具有相同的接片宽度和/或网眼大小。
3.根据权利要求1所述的MEMS结构元件，其特征在于，所述网栅结构在各个膜区域中具有不同的接片宽度和/或不同的网眼大小。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS结构元件，其特征在于，所述网栅结构(100)的层厚度在整个膜区域中是一致的。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS结构元件，其特征在于，所述网栅结构的层厚度在各个膜区域内是不同的。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS结构元件，其特征在于，在所述膜(210)的所述厚层(2)中构造有蜂窝式的接片结构作为网栅结构(100)。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS结构元件(10)，其特征在于，所述膜的边缘区域环绕封闭地连接在所述MEMS结构元件的所述层结构上。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS结构元件(10)，其特征在于，所述膜的边缘区域具有一个或多个褶皱。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS结构元件(10)，其特征在于，所述膜(210)的边缘区域通过弹簧元件(211；212；213)连接在所述MEMS结构元件的所述层结构上。
10.根据权利要求7所述的MEMS结构元件(10)，其特征在于，所述膜(210)在所述MEMS结构元件的所述层结构上的连接在所述膜(210)的层结构的所述薄层(1)中和/或所述厚层(2)中形成。
11.根据权利要求9所述的MEMS结构元件(10)，其特征在于，所述膜(210)在所述MEMS结构元件的所述层结构上的连接在所述膜(210)的层结构的所述薄层(1)中和/或所述厚层(2)中形成。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS结构元件(10)，其特征在于，所述封闭的薄层(1)构造在所述膜(210)的朝向所述对应元件(220)的侧上或者构造在所述膜(210)的背离所述对应元件(220)的侧上。
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