CN107211223B - Mems换能器 - Google Patents

Abstract

本申请描述了具有柔性膜的MEMS换能器，其寻求减轻和/或重分布膜层内的应力。描述了具有第一/活性区域和第二/非活性区域的膜。

Description

MEMS换能器

本发明涉及微机电系统(MEMS)设备和方法，具体地，涉及与换能器有关的MEMS设备和方法，所述换能器例如是电容式麦克风。

多种MEMS设备正变得越来越受欢迎。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(诸如移动电话和便携式计算设备)中。

使用MEMS制造方法形成的麦克风设备通常包括一个或多个膜，其中用于读出/驱动的电极被沉积在所述膜和/或基底上。在MEMS压力传感器和麦克风的情况下，通常通过测量所述电极之间的电容来实现读出。在输出换能器的情况下，通过静电力来移动所述膜，所述静电力是通过使跨所述电极施加的电位差变化生成的。

图1a和图1b分别示出已知的电容式MEMS麦克风设备100的示意图和立体视图。电容式麦克风设备100包括一个膜层101，该膜层101形成一个柔性膜，该柔性膜响应于由声波生成的压力差而自由移动。第一电极103机械地联接至所述柔性膜，且它们一起形成电容式麦克风设备的第一电容板。第二电极102机械地联接至大体刚性的结构层或背板(back-plate)104，它们一起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102被嵌入在背板结构104中。

该电容式麦克风被形成在基底105上，该基底105例如是硅晶片，该硅晶片可以具有在其上形成的上部氧化物层106和下部氧化物层107。该基底中和任何覆盖层中的腔108(在下文中称为基底腔)被设置在膜下方，且可以使用“背部蚀刻(back-etch)”穿过基底105来形成。基底腔108连接至定位在膜正下方的第一腔109。这些腔108和109可以共同提供声学容积，因此允许膜响应于声学激励而移动。置于第一电极103和第二电极102之间的是第二腔110。

多个孔(在下文中称为排出孔(bleed hole)111)连接第一腔109和第二腔110。

又一些多个孔(在下文中称为声学孔112)被布置在背板104中，以便允许空气分子自由移动穿过该背板，使得第二腔110与该背板的另一侧上的空间一起形成声学容积的一部分。膜101因此被支撑在两个容积之间，一个容积包括腔109和基底腔108，另一个容积包括腔110和该背板上方的任何空间。这些容积被定尺寸使得该膜可以响应于经由这些容积中的一个进入的声波而移动。通常，入射声波到达该膜所穿过的容积称为“前容积(frontvolume)”，而另一个容积称为“后容积(back volume)”，所述另一个容积可以是大体上密封的。

在一些应用中，该背板可以被布置在前容积中，以使得入射声音经由背板104中的声学孔112到达该膜。在这样的情况下，基底腔108可以被定尺寸为提供至少一个合适的后容积的相当大一部分。

在其他应用中，该麦克风可以被布置为使得，在使用中可以经由基底腔108接收声音，即该基底腔形成一个到膜的声学通道的一部分和前容积的一部分。在这样的应用中，背板104形成通常由某个其他结构(诸如合适的封装件)封闭的后容积的一部分。

还应注意，虽然图1示出背板104被支撑在膜的与基底105相对的侧上，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，其中膜层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对应的声波，该膜从其平衡位置略微变形。下部电极103和上部电极102之间的距离被对应地更改，从而引起这两个电极之间的电容的改变，所述电容的改变随后通过电子电路系统(未示出)检测。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引起的低频压力变化的影响，但不会在期望的声学频率下影响灵敏度。

本领域技术人员将理解，MEMS换能器通常被形成在晶片上，之后被单切(singulated)。正越来越多地提出，至少某个电子电路系统(例如用于换能器的读出和/或驱动)也被提供作为具有换能器的集成电路的一部分。例如，MEMS麦克风可以被形成为具有至少某个放大器电路系统和/或某个用于使麦克风偏置的电路系统的集成电路。换能器和任何电路系统所期望的区域的占地面积(footprint)将决定可以在一个给定的晶片上形成多少个设备，因此影响MEMS设备的成本。因此，通常期望减少在晶片上制造MEMS设备所期望的占地面积。

除了适合于在便携式电子设备中使用之外，这样的换能器应能够耐受对便携式设备的预期处置和使用，所述便携式设备的预期处置和使用可以包括该设备被意外掉落。

如果设备(诸如移动电话)遭受坠落，这不仅可以导致由于撞击而产生的机械冲击，而且还可以导致入射在MEMS换能器上的高压力脉冲。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。如果该设备坠落到该面上，则一些空气可以被坠落中的设备压缩，且被迫进入声音端口中。此压缩可以导致入射在换能器上的高压力脉冲。已经发现，在常规MEMS换能器中，高压力脉冲可以潜在地导致换能器的损坏。

为了帮助防止可能由这些高压力脉冲导致的任何损坏，已经提出，MEMS换能器可以被设置有可变通气部(vent)，所述可变通气部可以在前容积和后容积之间提供流动路径，该流动路径具有在使用中可以变化的尺寸。在高压力情形下，所述可变通气部在所述容积之间提供相对大的流动路径，以便在所述容积之间提供相对迅速的均衡，从而减小膜上的高压力事件的程度和/或持续时间。然而，在换能器的预期正常操作范围以内的较低压力下，该流动路径的尺寸(如果有的话)则较小。

因此，可变通气部结构(vent structure)用作一种类型的压力释放阀，以在相对高的压力差下减小作用在膜上的压力差。然而，与在具有固定面积且因此具有固定尺寸的流动路径的膜中可能存在排出孔不同，可变通气部具有响应于压力差而变化的流动路径尺寸。因此，可变通气部允许通气的程度取决于作用在通气部上的压力差，所述压力差显然取决于第一容积和第二容积中的至少一个的压力。该可变通气部因此提供可变的声学阻抗。

一种提出的可变通气部结构具有一个可移动部分，该可移动部分可移动，以便打开在膜的任一侧上的容积之间延伸的孔。图2a和图2b例示这样已知的可变通气部结构。图2a例示诸如上文关于图1a和图1b描述的换能器的柔性膜101(为了清楚起见，省略了换能器结构的其余部分)。该膜被支撑在包括腔109的第一容积和包括腔110的第二容积之间。如上文描述的，该膜通常将具有多个排出孔111，所述排出孔111被定尺度并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。然而，这样的排出孔被设计为在感兴趣的声学频率下对动态压力变化具有有限的影响，从而提供对突然高压力事件的非常有限的响应。

因此，图2a的换能器结构还包括由可移动部分202形成的可变通气部结构201，如由图2b例示的，该可移动部分202相对于一个孔可移动，所述孔在此情况下是穿过膜101的孔。可移动部分202被布置为在平衡压力下(即当第一容积和第二容积处于大体上相同的压力时)占据该孔的区域的至少一些，且可能占据该孔的区域的大部分。该可移动部分响应于该孔两侧(即在前容积和后容积之间从而膜两侧)的局部压力差而可移动，以便使该孔的尺寸变化，该孔被打开以提供流动路径，从而使通气部允许所述容积之间的压力均衡的程度变化。换句话说，在平衡时，该可移动部分可以有效地闭合该孔的至少一部分，但该可移动部分可移动，以便使该孔被闭合的程度变化。

可移动部分202可以通过穿过膜材料101蚀刻一个或多个通道203来限定，使得该可移动部分通过一个或多个连接点204附接到膜101的其余部分，从而该可移动部分可以从该膜的其余部分偏转。该通气部可以被配置为使得可移动部分202在MEMS换能器的正常预期操作范围以内的压力差下大体上不被偏转，从而保持该孔闭合，但是在可以潜在地导致膜损坏的较高压力差下移动以增大流动路径的尺寸，例如较少地闭合该孔。

图2a的顶部部分例示在正常操作中的柔性膜101，在正常操作中，第二容积110中的压力大于第一容积中的压力。膜101因此从膜平衡位置向下偏转。然而，压力差在该设备的正常预期操作范围以内，即在操作压力阈值以下，从而可变通气部201的可移动部分202保持大体上闭合。图2的下部部分例示可移动部分202已经从膜的其余部分偏转以暴露该膜中的孔，从而提供穿过该膜的流动路径。图2a例示膜形成可变通气部结构201的两个可移动部分，但是应理解，在实践中可以存在更多这样的通气部。

这样的可变通气部结构因此对于提供可以更好地耐受高压力事件的MEMS换能器(尤其是麦克风)是非常有用的。然而，需要注意可变通气部的设计，尤其是当可变通气部被形成在换能器的膜中时。在已知的可变通气部的情况下，通常在高压力释放和声学压力下的性能之间存在折衷方案，因为如果通气部容易打开，则换能器的声学性能可能会退化，但是如果通气部太难打开，则它可能不会在高压力事件期间提供足够的额外流动。可以通过增加通气部的数目来增加流动，但是如果在膜本身中形成太多的通气部，则这可能使膜的性能退化，或导致膜的区域中的应力集中增加。通气部可以替代地被形成在流动路径中，例如穿过侧壁结构，但这通常增加换能器结构的尺寸和成本，会增大换能器芯片所期望的面积。

应理解，MEMS换能器的膜层。当材料的原子由于力的作用而从其平衡位置移位时，就称为该材料处于应力下。因此，增加或减少膜层的原子之间的原子间距离的力在膜内引起应力。例如，当在平衡时(即，当膜两侧没有出现压力差或出现可忽略的压力差时)，膜层表现出固有的(inherent)或内在的(intrinsic)残余应力。此外，应力可以在膜层内出现，这是例如由于以与该基底成固定关系来支撑该膜的方式或由于入射在膜上的声学压力波。

根据本发明的MEMS换能器意在响应于在膜表面上表现为瞬时应力波的声学压力波。因此，应理解，当在平衡时在膜层内表现出的应力可以潜在地对换能器的性能具有不利影响。

本发明的多个实施方案总体上涉及改进换能器结构的效率和/或性能。本发明的多个方面还涉及减轻和/或重分布膜层内的应力。

根据本发明的一个方面，提供了一种MEMS换能器，所述MEMS换能器包括一个相对于基底被支撑的膜，所述膜包括一个中心区域和多个应力分布臂，所述多个应力分布臂从所述中心区域横向延伸。

优选地，所述应力分布臂用于以与所述基底成固定关系来支撑膜层。优选地，每个应力分布臂包括一个或多个安装结构，所述安装结构以与所述基底成固定关系来支撑膜层。因此，所述膜可以借助于设置在每个应力分布臂上的一个或多个安装部分而被直接地或间接地安装到所述基底。优选地，所述安装部分被设置在所述膜层的周界处或附近。所述安装部分的位置可以有效地限定所述膜层的边界。

所述应力分布臂优选地被布置和/或被配置为在所述膜内提供受控的应力分布。在一个优选的实施方案中，所述应力分布臂相对于所述膜的所述中心区域布置，使得跨越所述膜或跨越至少所述膜的所述中心区域的应力分布是基本上均匀的或以受控的方式变化。所述应力分布臂优选地以规则的距离间隔围绕所述膜的所述中心区域布置。此布置可以减轻特别是在所述膜的所述中心区域中出现应力集中区域，电极通常被联接到所述膜的所述中心区域，从而在所述膜的所述中心区域进行感测(即，膜的移动)。

根据一个实施例，所述膜的形状可以是大体上正方形的或矩形的，且多个应力分布臂中的一个可以从所述中心区域向外朝向所述膜的一个周界拐角延伸。接近于所述周界拐角，所述应力分布臂被设置有一个或多个安装结构，所述安装结构有效地限定所述膜的边界边缘。

所述膜可以被布置在所述换能器的基底上方，使得所述膜的所述中心区域基本上覆盖所述基底的一个腔。

包括一个中心区域和一个或多个应力分布臂的所述膜可以被认为形成所述膜的第一区域。所述膜也可以包括至少一个第二区域，所述第二区域可以通过一个或多个通道与所述第一区域分离。

根据本发明的另一方面，提供了一种MEMS换能器，所述MEMS换能器包括一个膜，所述膜具有第一膜区域和第二膜区域，其中所述第一膜区域通过一个或多个通道与所述第二膜区域分离。所述第一膜区域可以包括一个中心区域和多个支撑臂，所述多个支撑臂从所述中心区域横向延伸，每个支撑臂具有一个或多个安装部分，所述安装部分以与所述基底成固定关系来支撑膜层。所述支撑臂还被布置和/或被配置为使得在平衡时在所述膜中出现的应力分布是受控的。优选地，所述支撑臂被布置和/或被配置为最小化/减轻在所述膜的所述中心区域中(特别是，在所述膜的中心附近)发生任何应力集中。所述膜的所述第二膜区域可以被布置在所述膜的周界处、在两个相邻的应力分布臂之间的区域中。

所述第一区域可以被认为包括所述膜的“活性(active)区域”。因此，包括一个中心区域和一个或多个应力分布臂的所述膜可以被认为是第一或活性膜区域。此外，所述第二区域可以被认为包括所述膜的“非活性(inactive)区域”。所述第一/活性区域可以被认为是换能器膜的、用于感测的和/或是“动态的”区域。所述膜的、通过通道与所述第一/活性区域分离的所述第二/非活性区域在感测方面可以被认为是非动态的，使得所述膜的此部分的任何移动是可忽略的。例如，在包括根据本发明的一个方面的MEMS换能器的麦克风设备的情况下，所述第一/活性区域响应于声学激励(例如，进入与所述膜相邻的容积的声波)的移动被测量。所述换能器可以包括第一电极和第二电极，所述电极中的一个被联接到第一或活性膜区域，并且所述电极之间的电容被测量以感测或测量所述声学激励。

因此，所述MEMS换能器还可以包括一个被联接到所述膜的所述第一/活性区域的电极。

所述膜的所述第二/非活性区域仍然将充当MEMS换能器的前容积和后容积之间的声学屏障。因此，存在与将所述第二/非活性区域作为所述MEMS换能器的一部分相关联的优点。然而，所述第二/非活性区域的移动(其将是零或是可忽略的)未被测量。

根据本发明，提供了一种MEMS换能器，所述MEMS换能器包括：

一个膜层，包括：

一个活性膜区域，活性区域包括多个臂，用于支撑所述活性膜区域；和

多个非活性膜材料区域，所述多个非活性膜材料区域未被直接连接到所述活性膜区域。

所述膜的所述第一区域和/或第二区域可以设置有至少一个通气部结构，所述通气部结构具有一个可移动部分，所述可移动部分响应于所述通气部结构两侧的压力差而偏转，以提供穿过所述膜的流动路径。优选地，与所述第二区域相比，所述第一区域设置较少的通气部结构。

所述膜的所述第一区域和/或第二区域可以设置有一个或多个排出孔。优选地，与所述第二区域相比，所述第一区域设置较少的排出孔。

优选地，包括所述第一膜区域和所述第二膜区域的所述膜的形状是非圆形。因此，所述膜的形状可以是大体上正方形的或矩形的。所述膜可以包括四个侧边。替代地，所述膜可以具有多边形形状。

根据另一方面，提供了一种晶片，所述晶片包括至少一个使本发明的任何一个方面具体化的换能器。因此，一个晶片可以包括至少一个MEMS换能器，所述MEMS换能器具有一个相对于基底被支撑的膜，所述膜包括一个中心区域和多个应力分布臂，所述多个应力分布臂从所述中心区域横向延伸，每个应力分布臂具有一个或多个安装部分，所述安装部分以与所述基底成固定关系来支撑膜层。

优选地，所述晶片是硅晶片，且包括一个换能器区域，在所述换能器区域处换能器被设置在所述晶片上。硅晶片的所述换能器区域的形状典型的是正方形或矩形。根据优选的实施方案所述膜的形状可以优选地是大体上正方形或矩形，由于所述膜的形状，所述换能器可以是基于利用大体上矩形或正方形膜区域的设计。这在制造具有一个或多个MEMS换能器的硅晶片时是特别有利的，因为应理解，这样的设计与等效圆形设计相比，对于给定的换能器灵敏度需要较少面积。

本发明的多个方面还涉及减轻和/或扩散和/或重分布在所述膜中、在安装结构的区域中出现的应力，所述安装结构用于以与所述基底成固定关系来支撑膜的位置。

根据本发明的另一方面，提供了一种MEMS换能器，所述MEMS换能器包括一个膜和至少一个安装结构，所述至少一个安装结构用于相对于一个基底支撑所述膜，以提供一个柔性膜，且所述MEMS换能器还包括一个或多个应力扩散结构，所述一个或多个应力扩散结构设置在所述膜中，以便扩散所述安装结构的区域中的应力。

所述应力扩散或重分布结构可以包括延伸穿过所述膜的缝。所述缝的形态可以是弯曲的或弓形的。因此，所述缝可以是C形的或U形的，且可以弯曲至少180度，以在所述缝的端部之间限定一个口或开口。所述应力扩散结构有利地用来以受控的方式改变所述膜中出现的局部应力分布。优选地，所述应力扩散缝接近于所述安装结构设置，使得所述弯曲缝的口背对由所述或每个安装结构限定的边界，且通过所述缝与所述安装结构的区域分离。以此方式，本发明的优选实施方案的仿真已经证明，在所述膜内、在所述安装结构处或附近出现的应力被引导到所述缝的弯曲部周围并且被集中在所述弯曲部的任一侧。所述弯曲部的边界部分内的膜应力也被示出为被减小。优选地，多个应力扩散结构被设置成行。在此实施例中，仿真示出，在相邻的应力扩散结构之间出现一系列应力集中区域和在所述应力扩散结构的边界部分中的一系列减小应力区域。以此方式控制应力已经证明，改进了所述膜的灵敏度。具体而言，根据一些实施例，应力被示出为更均匀地分布在所述膜的所述中心区域处。所述膜的顺从性和/或柔性被增强。

虽然所述缝将有效地使所述膜的一部分与所述膜的其余部分分离，但是所述缝被定尺度为使得所述膜的、由所述缝限定的部分不充当由于所述膜两侧的压力差而变形的折翼。因此，所述缝的边界弯曲部中的部分响应于所述膜两侧的压力差而表现出最小的远离所述膜的平面的偏转。

根据本发明的又一方面，提供了一种MEMS换能器，所述MEMS换能器包括一个相对于一个基底被支撑的膜，所述膜包括一个中心区域和多个应力分布臂，所述多个应力分布臂从所述中心区域横向延伸，其中每个应力分布臂包括一个或多个安装结构，所述安装结构相对于所述基底支撑膜层，且其中设置一个或多个应力扩散结构以便使所述安装结构的区域中的应力扩散。

一般而言，提供了一种MEMS换能器，所述MEMS换能器具有一个柔性膜，所述MEMS换能器包括至少一个应力重分布特征。所述MEMS换能器可以是电容式麦克风。所述柔性膜可以被支撑在第一容积和第二容积之间，且一个通气部结构可以被设置以允许所述第一容积和所述第二容积之间的流动路径。所述通气部结构可以包括一个可移动部分，所述可移动部分可移动，以便打开从所述第一容积延伸到所述第二容积的孔。所述可移动部分可以静止地占据所述孔的区域的至少一些且可能地占据大部分，但是响应于所述孔两侧的局部压力差而可移动，以便使孔的尺寸变化，所述孔被打开以提供流动路径。换句话说，所述可移动部分在平衡时可以有效地闭合所述孔的至少一部分，但是可移动以便使所述孔闭合的程度变化。所述可移动部分优选地被布置为，在正常操作压力差下，保持所述孔(即，孔径)闭合，但是在会潜在地对所述膜造成损坏的较高压力差下，使所述流动路径的尺寸增加更大，例如使所述孔闭合较小。因此，所述通气部可以被看作可变孔径。

因此，所述通气部结构充当一种类型的压力释放阀，以减小作用在所述膜上的压力差。然而，与所述膜中的具有固定面积从而具有固定尺寸的流动路径的排出孔(如果有的话)不同，所述可变通气部具有响应于压力差而变化的流动路径尺寸，即孔径。因此，所述通气部允许通气的程度取决于作用在所述通气部上的压力差，所述压力差显然取决于所述第一容积和所述第二容积中的至少一个的压力。因此，所述通气部结构提供了可变声学阻抗。

所述换能器可以包括一个背板结构，其中所述柔性膜层相对于所述背板结构被支撑。所述背板结构可以包括穿过所述背板结构的多个孔。

所述换能器可以是电容式传感器，诸如麦克风。所述换能器可以包括读出(即，放大)电路系统。所述换能器可以被定位在具有声音端口(即，声学端口)的封装件内。所述换能器可以被实施在电子设备中，所述电子设备可以是以下中的至少一个：便携式设备；电池供电设备；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。

任何给定的方面的特征可以与任何其他方面的特征组合，且本文描述的多种特征可以在一个给定的实施方案中以任何组合的方式实施。

为以上方面中的每个方面提供了相关联的制造MEMS换能器的方法。

为了更好地理解本发明，且为了示出如何实施本发明，现在将通过实施例的方式参考附图，在附图中：

图1a和图1b例示已知的MEMS麦克风结构的截面视图和立体视图；

图2a和图2b例示已知的可变通气部的一个实施例；

图3a例示根据本发明的一个实施方案的换能器结构；

图3b例示图3a中示出的换能器结构上的变化；

图4例示晶片上的多个换能器的形成；

图5例示可以用在根据一个实施方案的换能器中的可变通气部的一个实施例；

图6例示根据一个实施方案的换能器的横截面；

图7例示根据本发明的一个实施方案的另一换能器结构；

图8a-图8c例示多种应力重分布结构；

图9以平面视图例示换能器的背板；

图10例示根据另一实施方案的换能器的横截面；

图11a至图11f例示多种MEMS换能器封装件。

具体实施方式

在换能器(诸如上文关于图1a和图1b描述的换能器)中，膜层由诸如氮化硅的材料形成，且可以被沉积为在平衡时在膜中具有固有的残余应力。因此，膜被形成为围绕其基本上整个周界被支撑。因此，膜可以被认为处于张力下，类似于在框架之上拉伸的鼓皮。因此，为了提供一致的行为和均匀的应力分布，膜通常被形成为大体上圆形的结构。

例如，为了形成图1a中例示的换能器结构，一个或多个基础层(base layer)可以被形成在基底105上，然后一个牺牲材料层可以被沉积且被图案化，以形成大体上圆形的形状。牺牲材料用来限定将形成腔109的空间。然后，一个或多个层可以被沉积在牺牲材料上，以形成膜101。排出孔111连同诸如参考图2a或图2b描述的任何通气部结构可以被形成在膜层中。然后，又一牺牲材料层可以被沉积在膜的顶部上，并且被图案化以限定腔110。然后，背板层可以被沉积。为了形成基底腔108，可以执行背部蚀刻。为了确保牺牲材料限定腔109，而不是本体背部蚀刻(这将是不太准确的)限定腔109，确保基底腔的开口小于腔109并且被定位在腔109的区域内。然后可以移除牺牲材料，以留下腔109和110且释放膜。因此，膜层延伸到也支撑背板的侧壁结构中。柔性膜自身被支撑并且被约束在所有侧上，并且形状是大体上圆形的。

虽然此类型的方法产生良好的设备属性，但是圆形膜的使用倾向于导致硅晶片的使用效率有些低。

出于多种原因，最通常和/或成本有效的是以大体上矩形的区域块处理硅区域。因此，硅晶片上指定用于MEMS换能器的区域的形状通常是大体正方形或矩形。此区域需要足够大，以包含大体上圆形的换能器结构。这在硅晶片的使用方面倾向于是效率低的，因为此指定换能器区域的拐角区域未被有效地使用。这限制了可以在一个给定的晶片上制造的换能器结构和电路的数目。当然，可以通过减小换能器的尺寸来将更多个换能器置于一个晶片上，但是这将对所产生的灵敏度具有影响，因此是不期望的。

因此，在一些实施方案中，换能器是基于更有效率地利用大体上矩形的或正方形的区域的设计。与等效圆形设计相比，针对给定的换能器灵敏度，此设计需要较小的面积。

图3a例示了根据本发明的一个实施方案的换能器300的一个实施例。图3a例示了换能器膜101，因此表示穿过该换能器的截面，但是背板可以具有基本上相同的形状。该膜不是基本上圆形的，在此实施例中，作为替代，该膜具有多边形形状。一般而言，该膜具有将基本上填充由该膜的周界限定的正方形区域的形状。换句话说，如果考虑将完全包含膜101的尽可能小的正方形区域，则该膜将覆盖大比例的这样区域的，例如该膜可以覆盖至少90％的这样的正方形区域。应理解，对于直径为D的圆形膜，最小的这样的正方形区域将具有侧边D。因此，圆的面积(π.D²/4)将覆盖约78％的这样的正方形的面积(D²)。

图3a中例示的整个区域设置有一膜材料层。然而，在图3a中例示的实施例中，该膜材料层被分成第一膜区域301和多个第二区域302，该第一膜区域301在本文中将称为活性膜区域或仅称为活性膜，该第二区域302将称为非活性膜区域或非活性膜。非活性膜区域302由图3a中的阴影区域例示，其中非阴影区域对应于活性膜301。

因此，活性膜是中心区域，例如，膜电极103将被定位在该中心区域，该中心区域由多个臂303支撑。在一些实施方案中，所述臂可以基本上均匀地围绕该膜的周界分布。所述臂的大体上均匀的分布会有助于避免不期望的应力集中。在图3中例示的实施例中，存在四个臂303，从而存在四个分立的非活性膜区域302，但是应理解，在其他实施方案中可以存在更多或更少的臂，但是优选地将存在至少三个臂。

因此，在活性膜区域301的材料和非活性膜区域302的材料之间存在一个或多个通道或间隙304。方便地，在制造期间，一连续的膜材料层可以被沉积，然后可以穿过该膜材料蚀刻通道304，以形成活性区域和非活性区域。通道可以被成形为使得所述臂的侧边缘表现出平滑的或连续的轮廓，而非由一个或多个直线形成。这被例示在图3b中。

活性膜区域301的每个臂303可以包括至少一个安装件305，用于相对于该基底且也可能相对于背板来支撑活性区域301的膜层。在非活性膜区域内也可以存在安装件306，用于支撑非活性膜区域。

安装件305和306可以采取多种形式。例如，安装件可以包括换能器结构的侧壁，且膜层可以延伸到该侧壁中。然而，在一些实施例中，安装件可以是膜材料与基底或从基底隆起的支撑结构接触的区域。安装件也可以包括该背板或用于该背板的支撑结构与该膜接触的区域。因此，膜在安装件处被有效地保持在适当的位置，且被防止相对于该基底和/或该背板的任何大的移动。

因此，该膜层的材料可以在内在应力内沉积，如先前描述的。活性区域301的多个臂全部大体上辐射状远离活性膜的中心，因此，可以用以有效地保持该膜处于张力中。如所提及的，所述臂可以围绕活性膜均匀地间隔开。此外，活性膜301的安装点(例如，安装件305)全都可以与活性膜的中心基本上等距离，即使在大体上正方形的膜层的情况下。这是可能的，因为正方形布置的“侧边”处的膜材料已经被分离成未被直接连接到活性膜区域的非活性膜区域。因此，这种布置意味着，在平衡时以及当活性膜受入射压力激励而被偏转时，活性膜中的应力分布是大体均匀的。因此，活性膜将以与围绕其周界被约束的圆形膜类似的方式运转。如果是所有侧边被限制的正方形膜或图3a中例示的多边形膜，则这将不是该情况。

这样的设计是有利的，因为它提供了这样的活性膜区域，该活性膜区域具有的响应与半径等于活性膜的中心与臂的安装件305之间的距离的圆形膜的响应类似。然而，制造这样的对应的圆形膜换能器将需要较大矩形区域的基底。因而，通过使用诸如图3a中例示的设计，与具有类似性能的圆形膜相比，换能器在晶片上所期望的面积可以被减小。

因此，总而言之，在本发明的一些实施方案中，MEMS换能器可以包括一个膜层，该膜层被形成到一个活性膜区域内，该活性区域包括用于支撑该活性膜区域的多个臂。所述臂可以围绕该活性膜的周界基本上均匀地分散开。膜层也可以包括多个非活性膜材料区域，所述非活性膜材料区域未直接连接到该活性膜区域。该活性膜区域的臂可以包括一个或多个安装件，每个臂的安装件与该活性膜的中心大体上等距。该活性膜可以处于内在应力下。

本领域技术人员应理解，之前已经提出了多种设计的MEMS换能器，所述MEMS换能器具有隔膜，该隔膜的中心部分被臂支撑。然而，在这样的已知设计中，隔膜通常不处于内在应力下，且这样的臂的目的常常是减小应力；然而，在图3a中例示的实施方案中，臂维持该活性膜中的内在应力。

此外，这样的已知设计不包括非活性膜区域。在本发明的实施例的设计中，基本上整个由安装件305限定的区域包括膜材料。换句话说，如果想要通过在相邻的臂的安装件305之间绘制直线来限定一个形状，则这样的形状的基本上所有区域将包括膜材料，即活性膜材料或非活性膜材料。例如，由安装件305限定的至少90％的区域或由安装件305限定的至少95％的区域将包括膜材料。在图3a的设计中，此区域的唯一不包括膜材料的部分是排出孔111和通道304(连同用于通气部307的任何通道，如下文将讨论的)。

优选地，活性区域和非活性区域之间的间隙可以是相对小的，即恰好足以分离这些区域，例如，大约几微米左右。因此，在平衡位置处，活性区域可以与膜的非活性区域位于同一平面内。因此，在平衡时，换能器的前容积和后容积之间的唯一显著的流动路径会是穿过为低频压力均衡而设置的任何排出孔111。

响应于入射压力激励，活性膜将以与上文讨论的常规膜类似的方式被偏转。应理解，膜的非活性区域可以不被偏转到相同的程度，因此当活性膜移动时，在膜的活性区域和非活性区域之间可以存在打开的小流动通道。然而，这样的流动通道可能是相对小的，增加的声导可被限制，因此对换能器性能的影响也可被限制。在设计换能器且设计例如排出孔111的数目时，可考虑膜的活性区域和非活性区域之间的任何流动的影响。

如上文提及的，整个换能器结构可以具有图3a中例示的大体形状。具体而言，背板可以是与例示的膜相同的大体形状。背板可以通过安装点305和/或306处的支撑件而被支撑在膜上方，且背板的外边缘基本上不会延伸超出膜材料层的边缘。如上文提及的，这对于在晶片上制造多个换能器且可能地连同相关联的电子电路系统会是有利的。

图4例示了晶片400的至少一部分，具有在所述晶片400上制造的多个换能器300。晶片400可以是已经被处理以产生多个设备并且处于单切之前的晶片。在此实施例中，每个换能器具有相关联的电路系统401区域。该电路系统区域可以包括用于操作和/或读出换能器的电路系统。例如，该电路系统可以包括电压偏置电路，诸如电荷泵浦。附加地或替代地，读出电路系统可以包括放大器电路系统，诸如低噪声放大器或其他读出或信号处理电路系统。换能器300将通过导电路径402连接到电路系统，导电路径402通常可以至少部分地隐埋在多个其他层(诸如钝化层)下面。电路系统区域可以包括用于在使用中形成电连接的接触区域。

可以看到的是，换能器300和电路系统401被装配到制造区域403中，且有效率地利用该制造区域。因此，可以更有效率地使用晶片的面积，即，与原本使用圆形换能器设计的情况相比，产生更大数目的换能器，且所形成的换能器的灵敏度没有任何显著损失。

如上文提及的，已经提出在MEMS换能器结构中使用可变通气部(例如诸如关于图2a和图2b例示的可变通气部)，以在高压力情形下充当一种类型的压力释放阀，该通气部在高压力差下打开以提供较大的流动路径，但是在MEMS换能器的正常操作范围以内的压力差下具有较小的(如果有的话)流动路径。因此，通气部结构被设计为在第一压力差范围以内基本上闭合，但是在第二、较高的压力差范围时打开以允许相对显著增加的流动，所述第一压力差范围对应于换能器的操作压力差的正常范围。注意，闭合位置不一定对应于无流动，可以对应于正常操作所期望的限定的流动路径尺寸，例如，对应于在第一压力差范围以内提供至少一些低频均衡。WO2014/045040描述了可以使用的许多不同的可变通气部设计。

返回参考图3a，如上所述，活性膜301相对于非活性膜区域302的移动可以在膜的任一侧上的容积(例如，前容积和后容积)之间提供某种有限程度的通气。这可以在高压力情形下提供某种有限通气。然而，可能有利的是，提供一些可变通气部307用于在高压力情形下通气和/或用于提供调谐的灵敏度响应，如上文描述的。

在一些实施方案中，至少一个可变通气部307可以被定位在非活性膜区域302中。在一些实施方案中，所存在的任何可变通气部307中的大多数或大体上全部可被定位在非活性膜区域302中。附加地或替代地，排出孔111中的一些、大多数或大体上全部可以被定位在膜的非活性区域中。

如上文讨论的，在诸如参考图1a和图1b所描述的常规MEMS麦克风换能器中，膜层通常是基本上一致的圆形膜，该圆形膜围绕基本上整个周界被支撑。在这样的常规设计中，在被支撑件所限定的周界内的整个膜层实际上是活性膜。因此，在膜中所形成的任何可变通气部被形成在活性膜中。

这意味着，通气部的尺寸、形状和位置需要被认真地控制。如果在膜中存在太多通气部，通过蚀刻穿过膜所形成的通气部的存在可能更改膜中的应力，并且使总体性能退化。如果通气部相对于其他膜特征和/或彼此未被正确放置，或再次如果存在太多通气部结构，则结果可能是以不期望的方式在膜的一部分中集中应力，尤其是对于如上文描述的具有内在应力的膜。然而，如果存在太少通气部或它们太小，则所提供的益处可以是使通气部最小化，并且在高压力情形下可能不存在穿过膜的、足以防止损坏的增加的流动。

在诸如参考图3a所描述的一个实施方案中，膜层被分成多个非活性区域302以及用于感测的活性区域301。非活性区域302包括膜材料并且继续充当换能器的前容积和后容积之间的声学屏障。因此，可变通气部307可以被放置在非活性区域中，如图3a中例示的。这样的通气部结构可以例如如WO2014/045040中描述的那样操作，以提供具有可变尺寸的流动路径，该流动路径随着膜两侧的压力差而变化，且可以例如在高压力差下打开，以提供一个显著的附加流动路径用于在所述容积之间通气。然而，因为通气部结构被形成在该膜的非活性区域302中，所以通气部结构的存在(或不存在)对该膜的活性部分(即，活性膜区域301)的应力不具有影响。因此，与对于形成在活性膜中的通气部相比，在可变通气部结构的尺寸和间距的设计上可以存在更大的自由度。除了关于限定通气部的通道的尺寸以及例如通道对低频衰减的影响的常见关注之外，对个体通气部的尺寸不存在限制，因此，与形成在活性膜中的通气部的情况相比，所述通气部可以更大。

此外，如果可变通气部结构被形成在非活性膜302中，则在那个位置处可以存在连接到膜的一个或多个附加材料，以便定制可变通气部的属性，例如柔性或应力处置能力，而不影响活性膜301的性能。

因此，图3a例示的是，每个非活性膜区域302可以设置有一个或多个可变通气部307。可变通气部可以具有任何合适的结构。例如，可变通气部307可以具有根据WO2014/045040中描述的变体中的任何一个的结构，WO2014/045040的内容通过引用的方式纳入本文。

然而，通过至少一些已知的可变通气部设计，可能难以在设备的正常操作范围以内、在保持通气部足够闭合以便对换能器的操作(例如MEMS麦克风的声学灵敏度)具有最小影响与通气部在高压力情形下打开到足够的程度以提供足够的通气之间实现适当的平衡。

因此，本发明的一些实施方案利用具有改进的操作特性和/或可以对给定的压力差提供更调谐的响应的可变通气部。

因此，在一些实施方案中，可变通气部结构可以包括至少一个可移动部分，所述可移动部分可移动以提供一个流动路径，该流动路径的尺寸随着膜材料两侧的压力差而变化。所述可移动部分可以具有至少第一区段或节段和第二区段或节段，其中通气部的第一区段相对于通气部的第二部分可移动。换句话说，可移动部分的第一区段和第二区段二者都可以被偏转远离平衡位置，但是此外可移动部分的第二区段可以被偏转远离可移动部分的第一区段。第一区段可以经由由可移动部分的材料所形成的活动铰链而被联接到第二区段。因此，本发明的实施方案的可移动部分可以具有至少两个折翼部分，而不是被布置为如具有关于图2b所描述的可变通气部的基本上单个折翼。

可移动部分可以相对于通气孔布置，以在平衡位置处至少部分地充当通气部盖并且至少部分地阻塞通气孔。在一些实施方案中，通气孔可以被形成在换能器的膜层中。可移动部分充当可移动通气部盖，且可以通过盖两侧的足够的局部压力差而被偏转远离其平衡位置。可移动盖的第一区段可以被联接到通气孔的一个侧壁，例如，周围的膜材料，使得第一区段可以从平衡位置偏转，例如从平衡位置旋转地偏转。因此，第一区段可以有效地以铰链方式联接到通气孔的壁的侧边。第二区段可以被联接(例如，被铰接)到第一区段，以使得第二区段可以相对于第一区段旋转地偏转。因此，第二区段可以有效地以铰链方式联接到第一区段。第二区段可以仅经由第一区段连接到通气孔的侧壁，因此它的可能移动可以通过与第一区段的连接而被充分限定。

提供一个可移动部分作为通气部盖，其中可移动部分或盖包括至少两个区段，其中第二区段能够相对于第一区段移动，且其中第二区段的移动可以由它与第一区段的连接而被完全限定是有利的，因为它允许通气部的打开被更容易地调节到所期望的特性，且可以提供在所施加的压力差的情况下更好的声导分布图。

图5以平面视图例示了这样的可变通气部结构307的一个实施例。在此实施方案中，至少一个可变通气部结构被形成在非活性膜区域302中，流动路径从而是穿过此部分膜的路径，然而其他布置是可能的。因此，可变通气部结构可以包括一个穿过非活性膜302的通气孔，且该膜的一部分被形成为可移动部分501，该可移动部分501充当通气部盖，且在受到局部压力差时，可移动部分501提供对该孔的可变程度的阻塞。

可移动盖部分501由伸展穿过膜的至少一个通道502限定。通过蚀刻穿过膜材料所形成的通道502可以是薄的通道，且将可移动盖部分502与膜的其余部分分离。蚀刻至少一个通道502以使可移动盖部分501以这种方式与非活性膜302的其余部分部分地分离意味着，可移动盖部分501可以被偏转远离该膜的其余部分的表面。在通气部被形成在非活性膜区域中的情况下，通气部的可移动部分501也可以由上文讨论的通道304部分地限定，所述通道304使活性膜301与非活性膜区域302分离。

在图5的实施方案中，通道502被配置为不仅允许盖部分501相对于非活性膜302可移动，而且还允许盖的一个区段相对于盖的另一区段可移动。

因此，在图5的实施方案中，可移动部分或通气部盖501包括第一折翼部分501a以及第二折翼部分302b。第一折翼部分501a经由连接区域503a连接到膜101的其余部分。此连接区域由通道502限定，从而此连接区域具有的形状和尺寸允许可移动盖的第一区段501a响应于作用在膜上的足够高的压力差而被偏转远离膜。连接区域503a提供第一区段501a和膜的其余部分之间的有效地铰链连接，所述其余部分限定穿过膜的通气孔的侧壁。应理解，铰链连接部被形成为活动铰链，即由与膜和可移动盖的第一区段501a相同的材料形成，且铰链是通过移除连接部的任一侧上的材料使得该连接部形成一个颈部部分来提供的。在此实施方案中，不需要特殊处理连接区域本身来形成该活动铰链，即该连接区域不需要被变薄或以其他方式被特别削弱。该连接部由通道502的位置简单地限定。因此，此连接区域503a允许盖501的第一区段501a远离该膜的其余部分的铰链(即，旋转)移动。因此，应理解，在图5的实施方案中，该可移动盖的第一区段501a被有效地铰接到膜的其余部分。

可移动盖的第二区段501b通过连接区域503b连接到第一区段501a。此连接区域也由通道502限定，以便此连接区域具有的形状和尺寸允许所述可移动盖的第二区段501b响应于足够高的压力差而被偏转远离第一区段501a。连接区域503b同样可以提供第一区段501a和第二区段501b之间的活动铰链连接部，同样，不需要对连接区域503b进行特殊处理，该连接区域503b同样可以形成一个颈部部分。因此，此连接区域503b允许第二区段501b远离第一区段501a的旋转或枢转(即，铰链)移动。应理解，因此，在图5的实施方案中，可移动盖的第二区段501b有效地被铰接到第一区段501a，且经由第一区段501a仅连接到膜的其余部分。

可移动盖部分501的第一区段501a和第二区段501b优选地被布置为使得，它们的平衡位置(即，当不存在作用在可变通气部结构上的大压力差时，它们所采取的位置)基本上在非活性膜302的平面内。换句话说，在平衡处，盖501的第一区段501a基本上不偏转远离膜材料的其余部分，且第二区段501b基本上不偏转远离第一区段501a。因此，在平衡位置中，盖501基本上覆盖或阻塞穿过非活性膜的流动路径的至少一部分。在此实施方案中，流动路径在平衡位置处基本上完全闭合，但是在一些实施方案中，通气部可以被设计为在平衡处提供某一限定的流动尺寸。

当然，应理解，通道502表示空气流动穿过该膜的路径，然而，类似于上文讨论的通道304，通道502可以被形成有非常窄的宽度，因此，当可移动盖501的区段501a和501b这二者都在平衡位置中时，可能不存在或存在非常有限的空气流动穿过该通道。

无论可变通气部的设计如何，应理解，同一换能器中的不同通气部可以具有不同的设计，可变通气部中的至少一些可以被定位在非活性膜区域302中。如所提及的，这意味着，期望的通气性能可以通过活性膜中较少的通气部来实现，可能地，未在活性膜301中设置任何通气部。

当被定位在非活性膜区域302中时，任何可变通气部307应优选地被定位成当通气部打开时在膜的任一侧上的容积之间提供相对直接的流动路径。

如先前在至少一些实施方案中所描述的，可以通过使用适当图案化的牺牲材料来准确地限定膜层101和基底之间的腔108。基底腔108被蚀刻以与此腔109联合，但是为了避免不太准确的背部蚀刻(所述背部蚀刻形成基底腔)限定膜，基底腔的开口的边缘在腔109的区域内。图3a例示了基底腔的开口的边缘308。这意味着，在实践中，膜的周界(活性区域301和非活性区域302这二者)覆盖在材料支架(shelf)(即，基底层)。

方便地，可变通气部307被布置为至少部分地覆盖基底腔108的开口，换句话说，通气部被布置为使得，在通气部打开时，穿过通气部的流动路径在基底腔和膜的另一侧上的腔之间提供合理的直接路径。因此，图3a例示的是，对于具有多个铰链折翼部分的可变通气部结构，至少端部折翼覆盖基底腔的开口，即向内延伸超出由基底层形成的支架或曲形架(dog-leg)。

图6例示了根据本发明的MEMS换能器的横截面。具体而言，这是图3a中示出的膜层沿着线X-X’的横截面。图6也例示了背板104和基底105(其可以包括基础基底和在基础基底上所形成的一个或多个基底层)。如在图6中可以看到的，在此实施方案中，可变通气部结构307被定位在腔108之上，以在可变通气部结构307打开时提供直接流动路径。这也允许可变通气部结构307打开而不与基底的任何部分碰撞。在此实施方案中，在背板104中也存在孔601，孔601被定位在可变通气部307将打开的位置中。孔601可以是背板中的常见声学孔中的一个，但在一些实施方案中，可以大于典型的孔。在使用中，当通气部打开时，孔601再次允许前容积和后容积之间的直接流动路径，且可以提供可变通气部通向背板，而不会不期望地接触背板的空间。

图3和图6还例示的是，排出孔111中的至少一些可以被定位在非活性膜区域中。将排出孔定位在非活性区域中可以提供上文关于可变通气部结构所讨论的类似益处，即，孔未被定位在活性膜301中从而不影响活性膜301的应力或性能。因此，与常规设计相比，用于排出孔111的设计约束会是宽松的。然而，排出孔可以被定位在非活性膜302的、覆盖基底层105的支架或曲形架的区域中，例如，定位在基底腔的开口区域外部。这意味着，排出孔不在前容积和后容积之间提供直接流动路径，作为替代，流动路径是曲折的。这减小了在声学频率下对排出孔的影响，同时仍然允许低频响应。

图6还例示了可以支撑膜层101的安装件306的形式的一个实施例。在此实施例中，安装件306包括膜层与基底接触的区域。在此实施例中，背板104在安装区域中也与膜层101接触。因此，膜101在此区域中被保持固定在基底105和背板306之间。安装区域的倾斜侧壁有助于应力分布，且避免使用时的分层。

在图3a的实施方案中，活性膜包括多个具有安装件305的臂。图3a例示了一个横跨所述臂横向延伸的总体安装结构，然而，实际上通常优选地是使用多个安装件。

图7例示了根据本发明的一个实施方案的换能器，其中使用相同的附图标记来标识与图3a中所标识的部件类似的部件。

图7以平面视图例示膜。再次，所示出的整个区域包括膜材料，且膜层被通道304分成活性膜区域301和非活性膜区域302。再次，活性膜可以由多个臂303支撑，所述多个臂303围绕活性膜被均匀地间隔开。

在图7中例示的实施例中，针对每个臂具有多个安装件305。安装件305可以具有如上文阐述的相同的总体结构。

安装结构305以与基底成固定关系来支撑膜层。因为安装件305是活性膜301的最内固定部分，所以它们有效地限定活性膜301的柔性部分的周界边缘。安装结构305可以沿着膜的周界边缘彼此间隔开。

如上文提及的，臂区域303支撑膜的活性区域，且膜中可能存在内在应力。膜的偏转在活性膜和臂区域中创建多种附加的应力。因此，在一些实施方案中，在臂区域303中可以存在一个或多个应力重分布或应力扩散结构701，以避免在臂区域中(具体地，在安装件处)的任何不期望的应力集中。

应力重分布结构可以包括位于膜材料中的弯曲缝或弓形缝。每个缝可以在柔性膜内相对于臂303的一对相邻的安装结构305定位，以便被定位在该对安装结构之间的间隙前方，即，被定位在朝向膜的中心的方向上。缝可以被布置为使得，在膜层上的、源于柔性膜的中心且穿过相邻的安装件之间的间隙的任何线将与缝交叉。每个缝可以描述一个弯曲路径，所述弯曲路径相对于柔性膜的中心是凹的并且弯曲至少180°。

在一些实施方案中，缝可以是大体U形或C形缝，且通常小于1微米宽。应力重分布缝改变膜的安装端中的应力分布，而不会显著更改活性膜的声学属性。为了减轻膜的活性部分中的任何显著的应力集中，缝是弯曲的，以便提供应力的受控重分布。

应理解，安装结构处的高应力可以潜在地在活性膜内引起显著的应力。这在相对紧凑的通气部设计(诸如，包括如图3b中示出的大体正方形或矩形的膜的设计)的情况下是特别有问题的，因为由安装结构所导致的应力对属性具有成比例的更高更显著的影响。有利地，设置压力重分布缝通过使膜与安装结构的区域部分地断开，用来缓解安装区域附近的应力。这可以被看成减小安装件正前方的弯曲力矩。此外，穿过该区域出现的应力流动线在安装件的区域中被改变和/或被重分布，且该应力流动线穿过此区域被改变。

通常已知的是，孔可以被设置在膜中，以用于应力释放。然而，穿过膜的孔提供流动路径，从而将导致低的声导，低的声导将改变膜的声学响应。因此，此实施方案的弓形缝提供了应力重分布或扩散的益处，但在声导上没有任何显著的增加。缝可以描述大多数圆形路径，然而，这将导致一个窄的连接区域，所述窄的连接区域将缝内的材料与膜的其余部分连接。这可以提供一个与通气部的可移动部分类似的折翼状结构。缝701的目的是不同的，通气在此区域中不一定有用。因此，缝可以被设计为使得缝内的区域基本上不充当折翼。

图8a例示根据本发明的一个实施方案的活性膜301的安装端，即臂区域303。

在此实施方案中，安装件305沿着膜的周界散布。在图8a中例示了四个安装件305，但是应理解，在不同实施方案中可以使用不同数目的安装件。应力重分布缝701被定位在安装件前方。在此实施方案中，缝被定位成使得，针对相邻的安装结构之间的每个间隙，存在一个缝701，缝701在朝向膜的中心的方向上定位在间隙的前方。在此实施方案中，缝被定位在臂区域303中，且每个缝的宽度至少与相关的间隙一样大。缝通常弯曲约180度或更大的角度。

这些U形缝701可以被布置为使得，由虚线801例示的两个不同且平行的切线可以被绘制到每个缝的路径，所述路径将与前方定位有缝的安装结构交叉。应理解，可以使用不同形状的缝和/或缝可以被有区别地定位。应理解，可以添加更多缝，以进一步改进应力分布。例如，可以在图8a中已经存在的缝701之间添加附加的缝。这样的实施方案被例示在图8b中。在此实施方案中，应力重分布缝中的至少一些可以在朝向活性膜的中心的方向上基本上完全定位在安装件305前方。替代地或附加地，在此实施方案中交错的另一层缝可以更靠近膜的中心添加，如图8c中示出的。

这样的应力重分布缝对于所描述的活性膜301被不同的臂303支撑的实施方案特别有用。然而，这样的原理同样可以被应用于图1a和图1b中示出的常规换能器结构，在所述常规换能器结构中，连续的膜被多个安装结构围绕膜的周界支撑。

因此，应力重分布缝允许这样的实施方案：在该实施方案中，在臂区域303中没有过度应力集中的情况下实施活性膜301，应力可以是膜层101的固有应力和/或可以是在活性膜偏转时诱发的应力。

返回参考图7，在此实施方案中，膜电极103的形状共形到膜的总体形状。换句话说，膜电极103的周界可以是非圆形的形状。在此实施方案中，膜电极103的周界包含活性膜301的相当大比例的内部部分(即，臂区域303内部的区域)。在这样相对宽的范围以内设置膜可以有助于提供良好的灵敏度。在此实施方案中，在活性膜中可以不需要可变通气部孔或排出孔，从而电极可以在此区域上延伸，而不需要为这样的特征留出空间。在一些实施方案中，膜电极103可以在膜材料内的整个区域上是大体上连续的。然而，在一些实施方案中，在膜的周界内可能存在缺乏电极材料的区域，例如，在膜电极内可能存在多个孔。

当膜由于入射的声学压力波而偏转时，用于膜电极的金属材料可以表现出一程度的塑性变形。在一些情况下，这会导致膜在平衡位置处的逐渐永久变形，且导致不期望的偏移或灵敏度损失。使用较少的金属可以减小此问题的发生，但是通常会被认为减小了灵敏度。然而，应理解，由于存在声学孔112，所以背板电极中存在孔。换能器的灵敏度主要受膜和背板电极的重叠量的影响，从而应理解，在对应于背板声学孔的位置中可以省略膜电极材料，而不会显著影响灵敏度。

在一些实施方案中，背板的元件可以附加地或替代地共形到总体换能器形状。例如，图9以平面视图例示了换能器700的背板104。在此实施方案中，背板与膜一样被相同的安装结构305和306支撑。背板电极102的周界也由虚线例示，且可以对应于背板电极的形状和/或换能器的总体形状，例如，活性膜的内部部分(即，活性膜的、被臂部分303所支撑的部分)的形状。

图9还例示的是，穿过背板的声学孔112可以与活性膜共形，从而例如可以被形成在这样一个区域中，该区域具有大体上对应于活性膜的、被臂部分303支撑的部分的形状。

图9还例示的是，较大的孔可以被定位成对应于通气部307的位置。

因此，在这样的实施方案中，经由背板所接收的任何入射声波将基本上被入射在活性膜301上。

从上文的讨论将理解的是，非活性膜区域302可以由与活性膜301的材料相同的材料形成。因此，响应于压力差，会存在非活性膜的一程度的偏转。

虽然在一些实施方案中非活性膜的这样有限的偏转可能没有问题，但是可以存在连接在非活性膜与基底或背板中的任一个或这两者之间的至少一个支撑元件。此支撑元件应被定位在任何可变通气部区域外部，可以防止非活性膜的显著移动，但是可以不影响活性膜。

图7和图9例示的是，可以存在这样的支撑元件702，该支撑元件702从背板连接到非活性膜302的内边缘附近。图10例示了穿过图7中所示的线Y-Y’的横截面。

根据上文描述的实施方案中的任何一个实施方案的一个或多个换能器可以被纳入一个封装件中。图11a至图11g例示了多种不同的封装布置。图11a至图11g中的每个示出了定位在封装件中的换能器元件，但是应理解，在一些实施方案中，可以存在不止一个换能器(例如，换能器阵列)，且多种换能器可以被形成在相同的换能器基底(即，单片换能器基底)上，或可以被形成为具有分立的换能器基底的分立的换能器，每个分立的换能器基底被接合到封装件基底。

图11a示出第一布置，其中换能器1100被定位位于封装件基底1102上的盖1101内，盖1101形成壳体的至少一部分。在此实施例中，盖可以是接合到基底的金属壳体。封装件基底可以包括至少一个绝缘层。封装件基底还可以包括至少一个导电层。封装件基底可以是半导体材料，或可以由诸如PCB、陶瓷等的材料形成。在盖1101是金属的或盖1101本身包括导电层的情况下，盖可以被电联接到基底的导电层，例如，以使得壳体提供针对电磁干扰(EMI)的屏蔽。接合线1103可以将换能器连接到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)可以定位在壳体内，所述壳体被形成在封装件基底中或连接到封装件基底。穿过封装件基底的通孔(未示出)可以连接到触点(即，焊料焊盘)1104，用于将外部电路系统(未示出)电连接到封装件，以允许将电信号传输到换能器1100/传输来自换能器1100的电信号。在图11a中示出的实施例中，在盖1101中存在一个声音端口或声学端口，以允许声音进入封装件，且换能器被布置在顶部端口布置中。

图11b例示了一个替代布置，其中声音端口被设置在封装件基底1102中并且可以在使用时被密封。环1105可以是密封环或焊料焊盘环(在形成焊料环时使用)，可以围绕封装件的外侧上的声音端口的周界设置，以允许在使用时，在例如将封装件连接到另一PCB时，对通向声音端口的声音路径进行密封。在此实施方案中，换能器被布置在底部端口布置中，且由壳体1101所限定的容积形成换能器的后容积的一部分。

图11c例示了一个实施例，在该实施例中，代替将换能器连接到封装件基底的接合线，换能器结构被倒置，且经由连接部1106而被倒装(flip-chip)接合至封装件基底。在此实施例中，声音端口在封装件基底中，使得封装件被布置在底部端口布置中。

图11d例示了图11b的实施例的一个替代实施例，其中壳体1107由多种材料面板(例如，PCB等)形成。在此情形下，壳体1107可以包括一个或多个导电层和/或一个或多个绝缘层。图11d示出了封装件基底中的声音端口。图11e示出了图11b的布置的一个替代布置，其中壳体1107由多种材料面板(例如，如关于图11d所描述的PCB等)形成。图11f示出了另一实施方案，其中换能器结构经由连接部1106被接合至壳体上部层，该壳体上部层例如可以是PCB或分层的导电材料/绝缘材料。然而，在此实施例中，与封装件的电连接部仍然是经由封装件基底上的触点(焊料焊盘)1404，例如封装件基底中的通孔(未示出)以及在壳体的内侧上至换能器的导电迹线(trace)。图11g例示了图11c的实施例的一个替代实施例，其中换能器被倒装接合至壳体1107中的封装件基底，该壳体1107由材料面板(例如，如关于图11d描述的PCB等)形成。

一般而言，如图11h中例示的，一个或多个换能器可以被定位在一个封装件中，然后该封装件被操作性地互连到另一基底(诸如母板(mother board))，如本领域已知的。

虽然多个实施方案描述了MEMS电容式麦克风，但是本发明也可应用于除麦克风之外的任何形式的MEMS换能器，例如压力传感器或超声波发射器/接收器。

可以在一系列不同材料系统中有用地实施本发明的实施方案，然而，本文所描述的实施方案对于具有包括氮化硅的膜层的MEMS换能器是特别有利的。

虽然上文已经关于MEMS电容式麦克风描述了多个实施方案，但是本发明也可应用于除麦克风之外的任何形式的MEMS换能器，例如压力传感器或超声波发射器/接收器。

可以在一系列不同材料系统中有用地实施本发明的实施方案，然而，本文所描述的实施方案对于具有包括氮化硅的膜层的MEMS换能器是特别有利的。

所述MEMS换能器可以被形成在一个换能器管芯上，且在一些情况下可以与用于换能器的操作的至少一些电子器件集成。在上文描述的实施方案中，注意，对换能器元件的引用可以包括多种形式的换能器元件。例如，换能器元件可以包括单个膜和背板组合。在另一实施例中，一个换能器元件包括多个个体换能器，例如多个膜/背板组合。一个换能器元件的个体换能器可以是类似的，或可以被有区别地配置以使得它们有区别地响应于声学信号，例如换能器元件可以具有不同的灵敏度。一个换能器元件也可以包括被定位成从不同的声学通道接收声学信号的不同的个体换能器。

注意，在本文描述的实施方案中，一个换能器元件可以包括例如一个麦克风设备，该麦克风设备包括一个或多个膜，其中用于读出/驱动的电极被沉积在所述膜和/或基底或背板上。在MEMS压力传感器和麦克风的情况下，可以通过测量与电极之间的电容有关的信号来获得电输出信号。然而，注意，所述实施方案还意在包含通过监测压阻元件或压电元件或事实上光源来导出输出信号。所述实施方案还意在包括换能器元件是电容式输出换能器，其中通过静电力来移动所述膜，所述静电力是通过使跨所述电极施加的电位差变化生成的，包括其中压电元件是使用MEMS技术制造的并且被激励以导致柔性构件动作的输出换能器的实施例。

注意，上文描述的实施方案可以被用在一系列设备中，所述设备包括但不限于：模拟麦克风、数字麦克风、压力传感器或超声换能器。本发明也可以被用在多种应用中，所述应用包括但不限于：消费品应用、医疗应用、工业应用和汽车应用。例如，典型的消费品应用包括便携式音频播放器、可穿戴设备、膝上型计算机、移动电话、PDA和个人电脑。实施方案还可以被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(acoustic crashsensor)和有源噪声消除。

应注意，上文提及的实施方案例示而非限制本发明，在不偏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出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以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不应被解释为限制它们的范围。

Claims (24)

1.一种MEMS换能器，包括相对于一个基底被支撑的一个膜，所述膜包括第一区域和第二区域，所述第一区域用于感测，所述第二区域通过一个或多个通道与所述第一区域分离，其中所述第一区域包括一个中心区域和多个应力分布臂，所述多个应力分布臂从所述中心区域横向延伸，且其中至少一个可变通气部结构设置在所述膜的所述第二区域中。

2.根据权利要求1所述的MEMS换能器，每个应力分布臂包括一个或多个安装结构，所述安装结构以与所述基底成固定关系来支撑膜层。

3.根据权利要求2所述的MEMS换能器，其中所述安装结构被设置在所述膜的周界处或附近。

4.根据任一项前述权利要求所述的MEMS换能器，其中所述应力分布臂围绕所述膜的所述中心区域被均匀地间隔开。

5.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中所述换能器包括一个电极，所述电极被联接到所述膜的所述第一区域。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS换能器，其中所述膜的形状是大体上正方形的或矩形的。

7.根据权利要求2或3所述的MEMS换能器，还包括一个或多个应力重分布结构，所述一个或多个应力重分布结构被设置为使所述膜中、在所述安装结构的区域中出现的应力重分布。

8.一种MEMS换能器，包括：

一个膜层，包括：

一个活性膜区域，活性膜区域包括多个臂，用于支撑所述活性膜区域；和

多个非活性膜区域，所述多个非活性膜区域未被直接连接到所述活性膜区域，其中每个非活性膜区域通过一个延伸穿过所述膜层的通道与活性膜区域分离，且其中至少一个可变通气部结构被设置在非活性膜区域中。

9.根据权利要求8所述的MEMS换能器，其中所述臂能够围绕所述活性膜区域的周界被基本上均匀地散布。

10.根据权利要求8或9所述的MEMS换能器，其中所述活性膜区域的所述臂包括一个或多个安装件。

11.根据权利要求10所述的MEMS换能器，其中每个臂的所述安装件与所述活性膜区域的中心基本上等距。

12.根据权利要求10所述的MEMS换能器，其中具有由所述安装件限定的周界的形状的基本上所有区域都包括膜材料。

13.根据权利要求8或9所述的MEMS换能器，其中所述活性膜区域处于内在应力下。

14.根据权利要求8所述的MEMS换能器，其中所述至少一个可变通气部被定位成使得所述通气部的、响应于压力差而打开的一部分覆盖一个基底腔的开口。

15.根据权利要求8或9所述的MEMS换能器，其中所述换能器包括形成在所述膜层中的至少一个可变通气部结构，其中所述活性膜区域不包括任何可变通气部结构。

16.根据权利要求8或9所述的MEMS换能器，其中用于低频压力均衡的至少一个孔被形成在一个非活性膜区域中。

17.根据权利要求16所述的MEMS换能器，其中所述用于低频压力均衡的至少一个孔被定位成不覆盖一个基底腔的开口。

18.根据权利要求8或9所述的MEMS换能器，其中每个臂包括多个安装件，所述多个安装件沿着所述活性膜区域的周界边缘彼此间隔开。

19.根据权利要求18所述的MEMS换能器，在每个臂中包括一个或多个应力重分布结构。

20.根据权利要求19所述的MEMS换能器，其中所述应力重分布结构包括位于膜材料中的弯曲缝或弓形缝。

21.根据权利要求19所述的MEMS换能器，其中至少一个应力重分布结构相对于一个臂的一对相邻的安装件定位，以便被定位在该对安装件之间的间隙前方。

22.根据权利要求20所述的MEMS换能器，其中至少一个应力重分布结构相对于一个臂的一对相邻的安装件定位，以便被定位在该对安装件之间的间隙前方。

23.根据权利要求22所述的MEMS换能器，其中所述至少一个应力重分布结构被定位成使得，在所述膜层上源于所述活性膜区域的中心并且穿过相邻的安装件之间的间隙的任何线将与所述缝交叉。

24.根据权利要求20所述的MEMS换能器，其中每个缝描述一个弯曲路径，所述弯曲路径相对于所述膜层的中心是凹的并且弯曲至少180°，其中所述膜层形成柔性膜。

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