CN106375914A - 具有声压敏感膜片元件和压敏信号感测装置的mems构件 - Google Patents

具有声压敏感膜片元件和压敏信号感测装置的mems构件 Download PDF

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Abstract

MEMS构件(51)，在其层结构中构造有至少一个声压敏感的膜片元件(531)，其覆盖所述层结构中的开口或空腔，所述膜片元件(531)的偏移借助膜片元件(531)的连接区域中的至少一个压敏电路元件(58)来感测，提出应能够在所述膜片元件偏移时符合目的地影响膜片面上的应力分布的设计措施。尤其提出将所述机械应力符合目的地传导到膜片元件的预先给定区域中的措施，以便增强测量信号。为此，所述膜片元件(531)应包括至少一个预定弯曲区域(55)，其通过所述膜片元件(531)的结构化(571)限定并且在声作用下与邻接的膜片区段(56)相比更强烈地变形。

Description

具有声压敏感膜片元件和压敏信号感测装置的MEMS构件
技术领域
本发明涉及一种MEMS构件，在其层结构中构造有至少一个声压敏感的膜片元件，所述膜片元件覆盖该层结构中的开口或空腔。所述膜片元件是结构化的，并且，所述膜片元件的偏移借助至少一个压敏电路元件来感测，所述压敏电路元件布置在所述膜片元件附接到所述层结构上的连接区域中。
背景技术
压敏MEMS麦克风构件的特别的优点在于：与电容性MEMS麦克风构件不同，压敏MEMS麦克风构件能够非常简单地装备“唤醒(wake-up)”功能。即能够非常简单地设计压敏MEMS麦克风构件，使得其仅在需要情况下才耗电，即例如仅当超出确定的声级时才耗电。由此，压敏MEMS麦克风构件在“常开(always-on)”运行模式中的耗电量与电容性MEMS麦克风构件相比显著较低。
在US 2014/0084395 A1中描述了开头提到的类型的压敏MEMS麦克风构件。这些MEMS麦克风构件分别包括结构化的声压敏感膜片元件，该声压敏感膜片元件具有用于信号感测的压电式层结构。所述膜片元件的结构化在此用于膜片元件两侧之间的压力平衡并且应有利于由声压造成的膜片运动。为此提出：贯通开口的在整个膜片区域中均匀的栅格布置；或者，将所述膜片元件划分为桨状部段的沟槽缝。所述压电式层结构分别布置在所述膜片元件的边缘区域中，当所述膜片元件偏移时，在那里出现最大应变或最大机械应力。
发明内容
本发明提出能够在所述膜片元件偏移时符合目的地影响膜片面上的应力分布的设计措施。尤其提出将机械应力符合目的地传导到所述膜片元件的预先给定的区域中的措施，以便增强测量信号。
根据本发明，这以下述方式实现：所述膜片元件包括至少一个预定弯曲区域，所述预定弯曲区域通过所述膜片元件的结构化限定并且在声作用下与邻接的膜片区段相比更强烈地变形。
原则上存在不同的可能性来实现根据本发明的MEMS构件，尤其是在膜片元件的形状和悬置方面以及在膜片元件的结构化的布局和方式方面。
膜片元件的根据本发明的结构化可以可选地包括增大或减小膜片厚度和/或在限定的区域中构造贯通开口，以便完成加强的膜片区段以及完成预定弯曲区域。
膜片厚度例如可以通过确定区域中的限于局部的材料沉积来符合目的地增大。替代于此，所述膜片元件的区段式加强也可以有利地通过构造波纹板状或凹凸状的褶皱(Korrugation)来实现。预定弯曲区域能以壁特别薄的膜片区段的形式来实现，但是当在此至少部分地从膜片连接部中分出来弹簧元件式的结构时，也可通过在所述膜片元件中产生贯通开口来实现。
根据本发明的MEMS构件的膜片元件的结构化优选这样设计，使得膜片元件附接到层结构上的连接区域(即用于信号感测的压敏电路元件也布置在那里的位置)中的机械应力尽可能大，使得测量信号也尽可能大。在本发明的有利的扩展方案中，膜片元件附接到层结构上的连接部、即膜片边缘至少在所述区域中是凹形的。由此进一步增强在所述膜片元件偏移时所述连接区域的应变。
在本发明的另一种有利实施方式中，膜片元件通过至少一个弹簧元件附接到所述层结构上。在这种情况下，在所述膜片元件偏移时出现的机械应力集中在所述弹簧元件中，在这里随后也会布置压敏电路元件。
如已经提到的那样，根据本发明的MEMS构件的膜片元件可具有任意的形状和尺寸，并且也可通过不同的方式连接到所述构件的层结构上。所述膜片元件例如也可以构造成桨状，其方式是，所述膜片元件仅仅在单侧连接到所述层结构上，并且以它的自由端部越过所述层结构中的开口或空腔延伸。在声级给定的情况下，这类膜片元件的偏移相对大。然而在这种膜片布局的情况下，所述膜片元件两侧之间的通流路径的面积也相对大，这对麦克风敏感度有不利影响。
因此，在本发明的一种有利的实施方式中，所述膜片元件在所有侧连接到所述层结构上，但是所述膜片元件基于其结构化而包括多个高刚性的膜片区段，这些高刚性的膜片区段从膜片元件的膜片边缘延伸直至膜片元件的中间区域中并且通过预定弯曲区域互相连接。这些预定弯曲区域同样从膜片元件的膜片边缘延伸直至膜片元件的中间区域中。以这种方式，膜片元件两侧之间的漏气流被阻止或者至少很大程度上被限制，而高刚性的膜片区段在声作用下至少基本上如单个桨元件那样表现。
附图说明
如上所述，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。为此一方面参见后面的权利要求，而另一方面参见在后面对本发明的多个实施例进行的描述。
图1a、1b示出圆形膜片元件的剖视图和立体局部视图；
图2a、2b示出具有至少区段式呈凹形的连接部的两个桨状膜片元件的立体视图；
图3a、3b示出具有凹形边缘的封闭膜片元件的示意性俯视图(图3a)以及经由层结构中的开口突出的四个桨状膜片元件的示意性俯视图(图3b)；
图4a-4c示出用于桨状膜片元件的三个不同的弹簧悬置部；
图5a-5c示出具有根据本发明的被结构化的膜片元件的两个MEMS构件51和52的示意性俯视图(图5a、5b)和剖视图(图5c)；
图6a、6b具有根据本发明的被结构化的膜片元件的另两个MEMS构件61和62的示意性俯视图。
具体实施方式
在图1a和1b中示出的圆形膜片元件10涉及微机械结构元件，该微机械结构元件在MEMS构件的层结构中实现并且覆盖该层结构中的开口或空腔。相应地，膜片元件10通过其外边缘区域连接到该MEMS构件的层结构上。在此已省略该构件结构的图示。
膜片元件10的形状、尺寸和厚度以及材料这样选择，使得膜片元件10对声压敏感，即能用作麦克风膜片。借助压敏电路元件感测膜片元件10的偏移，在此同样已省略所述压敏电路元件的图示。通常将这些压敏电路元件布置在膜片元件10附接到所述层结构上的、预计会在那里出现最大材料应变的连接区域中。
为了增强所述连接区域中的变形，已将圆形膜片元件10的中间区域加强。为此，膜片元件10的中间区域已设有呈同心布置的圆形褶皱11形式的结构化部。图1a直观示出圆形的沟槽结构的同心布置，而图1b直观示出膜片元件10在中间区域中的波纹板状的造型。
与在图1a和1b中示出的膜片元件10不同，图2a和2b示出膜片元件21和22，这些膜片元件仅仅在单侧连接到MEMS构件的层结构上。两个膜片元件21和22具有基本上呈三角形的基本形状并且以三角形侧边23与所述层结构中的开口或空腔的边缘区域连接，而尖的端部24则超过所述开口或空腔自由地突出。如在膜片元件10的情况下那样，用于感测声压造成的偏移的压敏电路元件在此也布置在膜片元件21或22的连接区域23中。为了将在此出现的机械应力在所述压敏电路元件的位置上增强，膜片元件21或22的自由端部24可以构造得比连接区域23厚。此外，在这里示出的两个实施例中还通过膜片边缘的至少区段式呈凹形的构型来增强连接区域23的应变。所述凹形区段在图2a和2b中以25标记。
在图3a中示出的实施例直观示出：膜片元件的连接区域或者说边缘的区段式呈凹形的构型并不局限于桨状膜片元件。在图3a中示出的膜片元件31涉及具有凹形地成形的膜片边缘35的、封闭的四角膜片。该膜片31在所有侧连接在MEMS构件的层结构上并且覆盖该层结构中的开口或空腔。在此借助四个压敏电路元件36感测膜片偏移，这四个压敏电路元件36分别居中地布置在凹形成型的膜片边缘35上。在此未示出的是膜片31的根据本发明的结构化部，该结构化部这样设计，使得所述边缘区域形成预定弯曲区域，即在声作用下与所述膜片31的中间区域相比更早且更强烈地变形的区域。
这也适用于在图3b中示出的、具有四个膜片元件321至324的实施方式32，所述四个膜片元件321至324如图3a所示通过将一个膜片分开来形成。相应地，膜片元件321至324中的每一个以凹形成型的三角形侧边33与层结构中的开口或空腔的边缘区域连接，而尖的端部34超过所述开口或空腔自由地突出。压敏电路元件36分别居中地布置在凹形成型的连接区域33上。
在图4a至4c中分别示出不同形式的桨状膜片元件41、421和422以及43，这些桨状膜片元件通过弹簧元件44和45连接到MEMS构件的层结构上并且超过层结构中的开口或空腔突出。用于感测桨偏移的压敏电路元件在此分别布置在弹簧元件44或45的区域中。弹簧元件44或45已从对应的膜片元件41、421、422或43的边缘区域被结构化出来。
图4a示出三角形的膜片元件41，其通过三角形侧边上的两个片状弹簧元件44连接到MEMS构件的层结构上。
图4b示出两个矩形的膜片元件421和422，它们同样通过一个或两个片状弹簧元件44连接到MEMS构件的层结构上的矩形侧边上。
而图4c示出膜片元件43，其具有四分之一圆部段的形状并且通过弹簧结构45连接到MEMS构件的层结构上，所述弹簧结构45从膜片元件43的圆弧形边缘区域结构化出来。
在图5a和5b中示出的两个MEMS构件51和52可以设计为麦克风构件，但是也用作压力传感器元件，因为它们分别包括一个封闭的膜片元件531或532。膜片元件531和532构造在对应构件51或52的层结构中并且覆盖构件背侧中的开口54，这通过图5c直观示出。两个膜片元件531和532基本上呈矩形或方形，并且环绕封闭地连接到所述层结构上。借助压敏的、即压电或压阻的电路元件58感测膜片偏移，所述电路元件58布置在膜片元件531或532的连接区域中，具体地说分别居中地布置在方形膜片面的每一个侧边上。
在这里描述的本发明实施例中，膜片元件531和532这样结构化，使得它们除了所述连接区域以外也还具有预定弯曲区域55，所述预定弯曲区域55从膜片角部出发以对角线形式经由膜片元件531或532延伸。通过预定弯曲区域55分开的三角形膜片部段56相对于这些预定弯曲区域55加强。为此，膜片元件531和532在这些膜片部段56中已设有褶皱571或572。在构件51的情况中，褶皱571以同心布置的三角形环绕沟槽的形式实现。在构件52的情况中，褶皱572涉及由凹凸状拱曲组成的栅格。图5c的剖视图直观示出膜片元件531或532的结构化的方式。
预定弯曲区域55有利于膜片元件531或532的各个膜片部段56的桨状偏移。在此，相对大的机械应力出现在各个膜片部段56的连接区域中，即出现在压敏电路元件58的位置上，这有助于增强测量信号并且因此形成良好的信号感测。
图6a和6b示出上述传感器设计的变型。在图5a和5b中示出的MEMS构件51和52中，膜片部段56通过褶皱571或572加强并且在对角线上经过膜片面延伸的预定弯曲区域55是封闭的，而在MEMS构件61和62中，在对角线上经过方形膜片面延伸的预定弯曲区域65以弹簧结构的形式实现。为此，膜片元件631或632在所述区域中已设有贯通开口。因为膜片元件631和632在其他部位是封闭的，所以弹簧结构65之间的膜片部段66在没有附加的结构化措施的情况下也具有较高的刚性，使得变形优先在弹簧结构65区域中出现。
在图6a和6b中示出的传感器布局尤其适合于麦克风用途，因为如对于麦克风用途所希望的那样，预定弯曲区域65中的贯通开口使得能实现膜片元件631或632两侧之间的缓慢的压力平衡。

Claims (6)

1.一种MEMS构件(51)，在其层结构中构造有至少一个声压敏感的膜片元件(531)，所述膜片元件(531)覆盖所述层结构中的开口(54)或空腔，
其中，所述膜片元件(531)是结构化的，
其中，所述膜片元件(531)的偏移借助至少一个压敏电路元件(58)来感测，所述压敏电路元件(58)布置在所述膜片元件(531)附接到所述层结构上的连接区域中，
其特征在于，所述膜片元件(531)包括至少一个预定弯曲区域(55)，所述至少一个预定弯曲区域(55)通过所述膜片元件(531)的结构化(571)限定并且在声作用下与邻接的膜片区段(56)相比更强烈地变形。
2.根据权利要求1所述的MEMS构件(51，52)，其特征在于，所述膜片元件(531，532)包括至少一个加强的膜片区段(56)，所述至少一个加强的膜片区段邻接所述预定弯曲区域(55)，并且，所述加强的膜片区段(56)与所述预定弯曲区域相比具有较大的厚度和/或在所述加强的膜片区段(56)中构造有波纹板状或凹凸状的褶皱(571)。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS构件(61，62)，其特征在于，在所述预定弯曲区域(65)中构造成布置有弹簧元件和贯通开口。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS构件，其特征在于，所述膜片元件(21，22)附接到所述层结构上的连接部至少在布置有用于信号感测的压敏电路元件的区段(25)中是凹形的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的MEMS构件，其特征在于，所述膜片元件(41，421，422，43)通过至少一个弹簧元件(44，45)连接到所述层结构上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的MEMS构件(51，52，61，62)，其特征在于，所述膜片元件(531，532，631，632)在所有侧连接到所述层结构上，所述膜片元件(531，532，631，632)基于所述膜片元件的结构化而包括多个高刚性的膜片区段(56，66)，所述高刚性的膜片区段从所述膜片元件(531，532，631，632)的膜片边缘延伸直至所述膜片元件的中间区域中，并且，所述高刚性的区段(56，66)通过预定弯曲区域(55，65)互相连接，其中，所述预定弯曲区域(55，65)同样从所述膜片元件(531，532，631，632)的膜片边缘延伸直至所述膜片元件的中间区域中。
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