CN108141678B - 具有固定的内部区域的微机电麦克风 - Google Patents

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Abstract

微机电麦克风具有固定区域或另一类型的机械支撑的区域，其可以减轻或避免微机电麦克风中的机械不稳定性。固定区域可以通过经由刚性电介质构件将膜片的内部部分刚性地附接到微机电麦克风的背板而形成在微机电麦克风的膜片中。刚性电介质构件可以在背板和膜片之间延伸。在某些实施方案中，电介质构件可以是中空的，形成中心对称或具有另一种对称类型的外壳。在其它实施方案中，电介质构件可以界定芯‑壳结构，其中第一电介质材料的外部外壳界定用第二电介质材料填充的内部开口。多个电介质构件可以将膜片刚性地附接到背板。延伸的电介质构件可以将非平面膜片刚性地附接到背板。

Description

具有固定的内部区域的微机电麦克风
优先权要求
本专利要求2015年12月8日提交的名称为“MICROMECHANICAL MICROPHONE HAVINGA STATIONARY INNER REGION”的序列号为14/962,182的美国专利申请的优先权，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。
背景
微机电麦克风(microelectromechanical microphone)中膜片的机械不稳定性对装置的性能和功能可能是有害的。在具有大的膜片的微机电麦克风中，响应于声波的应力和/或大跨度位移矢量(large span of displacement vector)可导致膜片塌陷或以其它方式朝向或远离背板变形。因此，表示声波的电容信号可能会失真，使微机电麦克风的保真度降低，或者以其它方式导致声波的感测中的伪像。
概述
为了提供对一个或更多个实施方案的基本理解，以下呈现了一个或更多个实施方案的简化的概述。该概述并非本文中描述的实施方案的穷尽的综述。并非意图识别实施方案的关键或必要元素，也并非意图划定实施方案或权利要求的任何范围。该概述的唯一目的是以简化的形式呈现实施方案的一些概念，作为稍后呈现的更详细的描述的前序。还应理解的是，详细描述可以包括除了在该概述部分中所描述的实施方案之外的另外的或可选的实施方案。
在至少某些实施方案中，本公开认识到并解决了微机电麦克风中的膜片的屈曲不稳定性的问题。本公开提供了具有固定的内部区域的微机电麦克风的实施方案，该固定的内部区域在声学上是非活动性的并且提供机械稳定性。更具体地，但不是排他地，固定的内部区域可以经由电介质构件(dielectric member)形成在微机电麦克风的膜片处，该电介质构件将膜片的内部部分刚性地附接到微机电麦克风的背板。
在一个实施方案中，本公开提供了一种微机电麦克风，该微机电麦克风包括固定板和活动板(movable plate)，固定板界定多个开口，活动板界定外部部分以及大体上以活动板的几何中心为中心的内部开口。在某些实施方式中，活动板可以经由从固定板的表面延伸到活动板的表面的中空的电介质构件在内部开口附近刚性地附接到固定板。包含活动板与中空的电介质构件之间的界面的区域在声学上是非活动性的。
在某些实施方式中，中空的电介质构件界定大体上中心对称的外壳，该大体上中心对称的外壳具有厚度，该厚度比大体上中心对称的外壳的横截面的宽度小约一个数量级。在一个示例中，大体上中心对称的外壳的厚度和大体上中心对称的外壳的横截面的宽度可以至少由形成活动板的材料和形成中空的电介质构件的材料来确定。
下面更详细地描述了其它实施方案和各种示例、方案和实施方式。以下描述和附图阐述了说明书的某些说明性实施方案。然而，这些实施方案仅仅指示可以被本说明书的原理采用的各种方式中的一些方式。根据说明书的以下详细描述，当结合附图理解时，所描述的实施方案的其它优点和新颖特征将变得明显。
附图简要说明
图1图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风的示例。
图2图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的膜片和背板的示例的透视图。
图3图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的膜片的示例的俯视图。
图4A图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风管芯的示例的横截面图。
图4B图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的电介质构件的示例的透视图。
图4C图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的电介质构件的另一示例的透视图。
图4D图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的电介质构件的又一示例的透视图。
图4E图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风管芯的示例的横截面图。
图5A-5B图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的具有相应边界条件的膜片的示例的俯视图。
图6图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风管芯的示例的横截面图。
图7图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的膜片的示例的透视图和俯视图。
图8图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的膜片的另一示例的透视图和俯视图。
图9图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风管芯的示例的横截面图。
图10图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的电介质构件的相应示例的透视图。
图11-14图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的膜片的其它示例的透视图。
图15图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的膜片的另一个示例的透视图。
图16图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风管芯的示例的横截面图。
图17A图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的膜片的示例的顶部透视图。
图17B图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的膜片的示例的顶部透视图。
图18A图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的具有微机电麦克风管芯的封装的麦克风的顶部透视图。
图18B图示了图18A中所示的封装的麦克风的底部透视图。
图18C图示了图18A中所示的封装的麦克风的横截面图。
图18D图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的具有微机电麦克风管芯的封装的麦克风的另一个示例的横截面图。
详细描述
在至少某些实施方案中，本公开意识到并解决了微机电麦克风中的膜片的屈曲不稳定性的问题。在不受本文中所使用的理论和/或模型的束缚的情况下，“不稳定性”是指变形模式或位移值的突然变化，之后结构不回到其原始平衡状态，其中这种变化响应结构的任何小的扰动(或摄动)。另外，“屈曲不稳定性”是指由屈曲载荷导致的不稳定性，屈曲载荷是结构元件或结构的当前的平衡状态从稳定状态突然变化为不稳定状态的载荷，屈曲载荷同时是平衡状态从以前的稳定构造变化到另一个稳定的构造，具有或不具有伴随的大的反应(例如，变形或挠曲)的载荷。因此，屈曲载荷是结构元件或结构的平衡稳定性存在于初始平衡构造中的最大载荷。因此，可以理解的是，膜片的屈曲不稳定性可能导致膜片塌陷，从而导致微机电麦克风中的功能和/或性能问题。在某些情况下，由于微机电麦克风中的膜片和背板物理接触，过度变形或塌陷可导致性能下降。例如，对声波的敏感度和/或信噪比(SNR)可能降低。又例如，声波的电表示(例如，指示话语或其它类型的语音的波)的保真度也可能降低。
本公开的实施方案提供了具有可减轻或避免机械不稳定性的固定区域或另一类型的机械支撑区域的微机电麦克风。固定区域在声学上是非活动性的，例如，它可以响应于撞击在固定区域上的声波而保持固定。然而，由固定区域提供的机械稳定性可以允许增加微机电麦克风内的膜片或另一类型的活动板的尺寸，从而增加灵敏度和/或保真度。在不意图受理论和/或模型的束缚的情况下，这样的机械稳定性可以源于允许膜片和背板共同地或以其它同步的方式移动，和/或源于对于包括膜片和背板的结构避免达到临界载荷。
如下面更详细描述的，本公开的微机电麦克风内的固定区域可以形成在包括在微机电麦克风中的膜片或其它类型的活动板内。为此，在某些实施方案中，膜片的内部区域可以刚性地附接到背板或另一种类型的穿孔固定板。从背板的表面延伸到膜片的表面的刚性电介质构件可以将膜片刚性地附接到背板。在一个示例中，电介质构件可以是中空的，形成中心对称的外壳。在另一个示例中，电介质构件可以是中空的，并且可以界定内部横截面(例如，圆形横截面)和外部横截面(例如，八边形横截面)。在又一示例中，电介质构件可以具有芯-壳结构，其中第一绝缘材料的外部外壳界定用第二绝缘材料填充的内部开口。
在某些实施方案中，本公开的微机电麦克风的膜片可以在膜片的内部中界定开口，并且麦克风的固定区域可以形成在开口的周边处(称为内周边)或靠近周边形成。膜片可以包括外部区域，外部区域包括外周边。在本公开中，在内周边到外周边之间延伸的区域可以被称为这样的周边之间的“跨度”。在一个示例中，膜片可以是环形的，其中膜片的外部部分包括具有外半径的外周边，并且开口界定具有内半径的内周边。这样，外周边和内周边之间的跨度由内半径和外半径确定。本公开不限于环形膜片，也可以设想具有第一几何形状的内部部分(例如，第一多边形或圆形)和第二几何形状的外部部分(例如，第二多边形)的其它膜片。第一几何形状或第二几何形状中的一个或两个可以实现为圆形、方形、五边形、六边形、七边形、八边形、十边形或任何其它类型的多边形。在其它实施方案中，根据本公开的微机电麦克风的固定区域可以在不依赖于麦克风的膜片的开口的情况下来界定。应理解的是，虽然本公开的实施方案是参考固定的背板和活动的背板来描述的，但是本公开不限于此。具体而言，本公开的其它实施方案可以包括背板和膜片，两者都是活动的，其中背板可以比膜片更固定(或者移动更少)，并且其中膜片可以响应于压力波而移动。这样，可以理解的是，膜片和背板中的每一个可以具有由与形成膜片和背板的相应材料相关联的载荷引起的变形(例如，曲率)。
当与常规技术相比时，本公开的微机电麦克风提供更大的机械稳定性，并且可以允许增加膜片的尺寸而不会达到临界应力，并且因此避免膜片的一部分塌陷。
参考附图，图1图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风管芯100的示例。如所图示的，微机电麦克风管芯可以包括机械地联接到活动板110的固定板104。活动板110可以实现为或可以构成微机电麦克风的膜片，并且可以包括半导体或者导电材料(例如，掺杂的半导体或者金属)或者可以由半导体或者导电材料形成。例如，活动板110可以由以下形成或可以包括以下：硅(非晶的、多晶的或结晶的)；锗；来自第III族的半导体化合物；由第III族中的元素和第V族中的另一元素形成的半导体化合物(通常被称为III-V半导体)；由第II族中的元素和第VI族中的元素形成的半导体化合物(通常称为II-VI半导体)；或前述中的两种或更多种的组合(例如合金)。另外，导电材料可以包括金、银、铂、钛、其它类型的贵金属、铝、铜、钨、铬、或者前述中的两种或更多种的合金。在某些实施方案中，活动板110可以由以下形成或可以包括以下：包含电介质(例如，二氧化硅、氮化硅或类似物)和如本文中公开的半导体的复合材料。在其它实施方案中，活动板110可以完全由电介质形成。
如所图示的，四个柔性的或其它方式的弹性实心构件120a-120d可以将固定板104机械地联接到活动板110。因此，在一个方面中，活动板110的外周边可以至少基于四个柔性构件120a-120d中的每一个的刚度而移动。应理解的是，在某些实施方案中，其它数量(大于或小于四个)的弹性实心构件可以提供机械联接。不管弹性实心构件的数量如何，这种联接提供了机械边界条件，在此将其称为弹簧支撑的边界条件。在其它实施方案中，活动板110可以在不依赖于弹性实心构件的情况下在某些区域附接到固定板104。例如，刚性构件可以在活动板110的外周边上的相应位置处将活动板110固定。四个刚性构件可以在一个实施方案中使用，而在其它实施方案中可以使用多于四个或少于四个的刚性构件。又例如，活动板110和固定板104可以在活动板110的整个外周边处或在这样的周边的某些部分处结合。因此，活动板110可以被称为由固定板104和在固定板104下面的另一个板或延伸构件夹持。
活动板110可以包括外部部分，外部部分界定了圆形横截面，圆形横截面包括具有半径R0的外部圆形周边112。活动板110还可以界定具有半径为Ri的内圆形周边116的圆形开口118。相应地，活动板110界定环形区域114。在一个示例中，R0和Ri之间的比可以在约2至约15的范围内。在一个示例中，比率ρ＝R0/Ri(其中ρ是实数)可以是约3。在另一个示例中，ρ可以是约7。在另外的其它示例中，ρ可以大于约3且小于约7。在还有的其它示例中，ρ可以大于约2且小于约10。在另一个示例中，ρ可以是约2、约3、约4、约6、约7、约8、约9或约10中的一个。
包括内圆形周边116的活动板110的一部分可以机械地联接(例如，刚性地附接)到电介质构件130，电介质构件130从这样的部分的表面延伸到固定板150的表面，该固定板150还可以被称为背板。如所图示的，电介质构件130可以界定具有圆柱对称性的弯曲表面，例如圆形截面。在某些实施方案中，电介质构件130可以界定中心对称的表面，例如该表面可以界定方形截面、五边形截面、六边形截面、七边形截面、八边形截面或者任何其它多边形截面。电介质构件130还可以界定具有圆柱对称性或其它类型的对称性的第二弯曲表面(未示出)。因此，电介质构件130可以实现为具有所界定厚度的中空的电介质构件(例如，中空外壳或另一类型的中空结构)。可以理解，电介质构件130的一部分与活动板110的一部分一起形成界面。因此，除非形成电介质构件130的材料与形成活动板110的该部分的材料是晶格匹配的和/或具有大体上相同的热膨胀系数，否则这样的界面可以在电介质构件130和活动板110之间产生应变。这样的应变可导致弹性能量的累积，其可以通过控制电介质构件130的厚度来控制。还可以理解的是，电介质构件130与固定板150的一部分形成界面。因此，应变也可能在电介质构件130和固定板150之间产生。在一种情况下，这样的应变可能源于形成电介质构件130的材料与形成固定板150的材料之间的晶格参数的不匹配和/或热膨胀系数的不匹配。由这样的应变导致的弹性能量可以通过控制电介质构件130的厚度来控制。应认识到，虽然电介质构件130被用于描述本公开的实施方案，但是本公开在这方面不受限制。具体而言，在某些实施方案中，可以使用包括电介质材料和非电介质材料的刚性构件，提供与电介质构件130的功能相同的功能。
应理解的是，对于特定的半径Ri，无限地增加外半径R0可能产生屈曲不稳定性。在一个方面，固定板150与活动板110之间的相对变形可以随着外半径R0而增加。这样，包括具有相同功能的电介质构件130或其它类型的刚性构件可以允许固定板150和活动板110共同移动。在另一方面，至少基于(i)形成或以其它方式构成活动板110、固定板150和电介质构件130的相应厚度和材料，以及(ii)由活动板110和固定板104(参见例如图1)之间的特定机械联接确定的外部边界条件，由固定板150和活动板110形成的结构可以达到临界载荷——例如由于材料的不匹配，在临界载荷下结构变得不稳定。当固定板150的尺寸增加时，存在类似的方面。因此，比率ρ不可以无限增加。为了避免这种不稳定性，根据构成微机电麦克风的材料中存在的应力，外半径R0和内半径Ri之间的比率可以被限定或者以其它方式可以降低到一定值以下，构成微机电麦克风的材料包括与活动板110、固定板150以及可以形成或被包括在电介质构件130中的电介质材料相关联的材料类型和/或厚度。
电介质构件130是刚性的，并且因此可以使包括内周边116的活动板110的至少一部分固定。在图示的实施方案中，电介质构件130可以是中空的，并且可以由非晶硅、半导体氧化物(例如二氧化硅)、氮化物或其它类型的绝缘体形成或可以包括非晶硅、半导体氧化物(例如二氧化硅)、氮化物或其它类型的绝缘体。在其它实施方案中，电介质构件130可以由诸如硅、锗、硅和锗的合金、III-V半导体化合物、II-VI半导体化合物或类似物的半导体形成或者可以包括诸如硅、锗、硅和锗的合金、III-V半导体化合物、II-VI半导体化合物或类似物的半导体。在某些实施方案中，电介质构件130实现为或包括具有至少基于形成活动板110的材料和形成电介质构件130的材料的厚度的中空外壳。
固定板150界定开口(在图1中未示出)，该开口构造成允许传播声波的空气通过，声波可以包括可听见的声波和/或超声波声学信号。应认识到，更一般地，这样的开口可以允许传播压力波的流体通过。在某些实施方案中，固定板150和活动板110可以包括相同的导电材料(例如，掺杂的半导体或金属)或可以由相同的导电材料(例如，掺杂的半导体或金属)形成。更一般地，固定板150可以由与活动板110相同或类似的材料形成或可包括与活动板110相同或相似的材料。这样，例如，固定板150可以由以下形成或包括以下：非晶硅、多晶硅、晶体硅、锗、硅和锗的合金、III-V半导体、II-VI半导体、电介质(二氧化硅，氮化硅等)或前述中的两种或更多种的组合(例如，合金或复合物)。固定平板104和固定板150通过电介质平板140机械地联接(例如，附接)。在某些实施方案中，电介质构件130和电介质平板140可以包括相同的电绝缘材料(例如，非晶硅、二氧化硅、氮化硅等)或可以由相同的电绝缘材料((例如，非晶硅、二氧化硅、氮化硅等))形成。
微机电麦克风管芯100还包括将固定板150与基板170机械地联接的电介质平板160。虽然在图1中未以透视图示出，但是基板170可以界定构造成接收压力波例如声波的开口。在某些实施方案中，基板170可以包括半导体(本征的或掺杂的)或电介质或可以由半导体(本征或掺杂)或电介质形成。例如，基板170可以包括以下或可以由以下形成：非晶硅、多晶硅、晶体硅、锗、或硅与锗的合金、III族半导体、V族半导体、II族半导体、VI族半导体、或前述中的两种或更多种的组合。
图2图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的活动板110和固定平板150的部分210的透视图。如本文中所描述，部分210界定开口。在某些实施方案中，开口可以以规则的格状或不规则的格状来布置。开口中的每一个可以构造成允许传播压力波220的流体通过，该压力波220可以包括声波或可以体现为声波，声波可以包括可听见的声波或超声波声波。压力波220的传播可引起活动板110移动。活动板110的移动可以由一组位移矢量来表示或者以其它方式来指示，每个位移矢量具有取决于活动板110内的位置的大小和定向。位移矢量可以引起活动板110的变形，例如改变活动板110的曲率。在不意图受到理论和/或建模的束缚的情况下，环形区域114内的位移矢量可以根据压力波220是有限的和/或等于零。然而，由于电介质构件130使得这样的部分固定，所以在活动板110的靠近并且包括内周边116的一部分处的位移矢量是等于零的，描绘为u＝0。如所图示的，图3表示活动板110的俯视图，其中内周边116独立于压力波220的特性是固定的(用粗线表示)，并且环形区域114可以具有至少基于该特性的位移矢量{u}。应理解的是，在外周边112处的特定位移矢量可以基于由膜片110和相邻的固定平板之间的机械联接类型(例如，由弹性构件提供的柔性联接)赋予的边界条件。
如本文中所描述的，使活动板110的一部分固定的电介质构件130从固定平板150的表面延伸到活动板110的表面。图4A以根据本文中描述的一个或更多个实施方案的微机电麦克风管芯100的横截面视图示出了这样的机械联接。活动板110界定了圆形截面和直径2Ri的开口，并且可以布置在覆盖在固定平板150上面的距离h(实数)处。如所图示的，电介质构件130可以布置(例如，制造)成从邻近并且包括位于这样的开口下面的固定平板150的一部分的边缘的区域延伸。此外，电介质构件130可以延伸到邻近并包括内周边116的区域。应理解的是，本公开不限于这样的布置，并且还可以设想将固定板150的某一部分机械地联接到活动板110的某一部分的其它布置(例如，参见图4E)。在这样的示例性布置中，电介质构件130可以界定例如具有厚度t和高度h的中空的电介质外壳，其中t和h都是实数。如图4B中所图示的，这样的外壳可以具有圆柱形对称性，界定半径为Ri的圆形横截面的开口。在某些实施方案中，2Ri和t之间的比率可以在约3至约300的范围内。同样地，在这样的实施方案中，开口410的直径可以大于电介质构件130的厚度约一个到约两个数量级。
应理解的是，在某些实施方案中，电介质构件130可以界定中空的电介质外壳，中空的电介质外壳界定中心对称的横截面。在一个示例中，中空的电介质外壳的厚度可以比中心对称的横截面的宽度小约一个数量级。厚度和中心对称的横截面的宽度中的每一个可以至少基于形成活动板110的材料和形成电介质构件130的材料来确定。作为示例，图4C表示了这种中空的电介质外壳的一个示例的透视图。中空的电介质外壳界定具有半径为Ri的内圆形周边440的开口420。中空的电介质外壳还界定了中心对称的外八边形周边430。在某些实施方案中，2Ri和t之间的比率可以在约3至约300的范围内。同样地，在这样的实施方案中，开口420的直径可以大于电介质构件130的厚度约约一个到约两个数量级。
图4D图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的电介质构件的又一示例的透视图。在某些实施方案中，2Ri和t之间的比率可以在约3至约300的范围内。同样地，在这样的实施方案中，开口460的直径可以大于电介质构件130的厚度约约一个到约两个数量级。
在某些实施方案中，代替电介质构件130，可以使用其它类型的刚性构件以将活动板110联接到固定平板150。根据本公开，这样的刚性构件可以允许活动板的内部部分的不同类型的边界条件。图4E表示了在活动板480的内部部分中具有弹簧支撑边界条件的微机电麦克风管芯100的示例的横截面图。如所图示的，活动板480的外部部分经由至少柔性构件120b和120d机械地联接到固定板104。另外，活动板480的内部部分经由至少弹性构件490a和弹性构件490b机械地联接到刚性构件495。在所示实施方案中，刚性构件495被实现为由电介质材料(例如，二氧化硅、氮化硅等)形成的中空外壳。中空的电介质外壳具有厚度t(实数)和内径Ri(实数)。在其它实施方案中，刚性构件495可以包括电介质材料和非电介质材料或者可以由电介质材料和非电介质材料形成。类似于本公开的其它实施方案，活动板480界定了圆形截面和直径2Ri的开口，并且可以布置在覆盖在固定平板150上面的距离h(实数)处。如所图示的，刚性构件495可以布置(例如，制造)成从邻近并包括固定平板150的位于开口下方的一部分的边缘的区域延伸。另外，刚性构件495可以延伸到活动板480的内周边附近的区域，并且可以经由弹性构件490a和弹性构件490b柔性地联接到内周边的相应部分。
图5A表示了根据本公开的一个或更多个实施方案的在外周边112和内周边116处的示例性边界条件下的活动板110的俯视图。内周边116是固定的，例如位移矢量等于零，并且外周边112在用实心点表示的四个位置处被固定。在这些位置处的位移矢量等于零，例如，u＝0。尽管为了说明而描绘了四个位置，但是应理解的是，本公开在这方面不受限制，并且也可以设想少于四个或多于四个的多个位置。在Ro比Ri大得多的实施方案中(例如，Ro比Ri大约三倍至约五倍)，外周边112的这种边界条件可以被使用或以其它方式利用。在这样的实施方案中，活动板110的外部部分的屈曲不稳定性或塌陷可能更可能发生。
图5B表示了根据本公开的一个或更多个实施方案的在外周边112和内周边116处的其它示例性边界条件下的活动板110的俯视图。内周边116和外周边112各自是固定的，例如位移矢量等于零，而环形区域114内的不包括这两个周边的位移矢量至少可以通过例如冲击在微机电麦克风管芯100上的压力波(例如，压力波220)来确定。例如，在Ro比Ri大得多的实施方案中(例如，Ro比Ri大约五倍到约十倍)，可以使用或以其它方式利用外周边112的这种边界条件。在这样的实施方案中，活动板110的外部部分的屈曲不稳定性或塌陷可能更可能发生。
图6图示了根据本发明的一个或更多个实施方案的微机电麦克风管芯600的示例的横截面图。固定平板610覆盖在活动板620上面，并且与活动板620的顶表面隔开距离h'。活动板620可以实现为形成在管芯600中的微机电麦克风的膜片。如所图示的，活动板620经由相应的柔性构件634a和634b柔性地联接到固定部分，柔性构件634a和634b各自表示为弹簧。柔性构件634a和634b至少部分地允许活动板620响应于撞击到活动板620上的声波而移动。电介质平板640机械地联接固定板610(其也可以被称为背板610)和活动板620。电介质构件630从固定板610的表面延伸到活动板620的表面。在某些实施方案中，电介质构件630可以界定由厚度t'的层相互隔开的内表面和外表面。活动板620覆盖在基板660上面并且通过电介质平板650机械地联接到基板660。类似于基板170，基板660界定开口，该开口构造成接收声波，声波可以包括可听见的波和/或超声波。
图7图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风中的膜片710的示例的透视图700。在某些实施方式中，微机电麦克风管芯100可以包括替代活动板110的膜片710。如所图示的，膜片710界定八边形外周边720和圆形内周边740，圆形内周边740界定圆形截面的开口750。膜片710包括区域730，区域730由圆形内周边740到八边形外周边720界定。类似于本公开的其它膜片，电介质构件760从膜片710的一部分的表面延伸到实现为或包括背板的固定板210的表面。电介质构件760是刚性的并且与膜片710的该部分形成界面，使得至少该界面和圆形内周边740是固定的。相比之下，区域730可以响应于撞击在其上的压力波而弹性变形。因此，响应于压力波，位移矢量{u}表示区域730的变形，而至少在圆形内周边740处的膜片710的位移矢量可以等于零(在图7中表示为u＝0)。膜片710实现为活动板或者构成活动板。
在某些实施方案中，根据本公开的微机电麦克风可以包括具有内固定区域而不界定开口的膜片。具体而言，在一个示例中，图8图示了具有固定的部分830(被描绘为交叉影线)的膜片810，并因此响应于压力波，这样的部分的位移矢量可以等于零(由u＝0表示)。膜片810具有第二部分820，第二部分820可以响应于压力波而弹性变形。膜片810实现为活动板或者构成活动板。
类似于在本文中描述的固定的内周边，可以通过借助于电介质构件将膜片810机械地联接到固定板210来形成膜片810的固定部分830。如所图示的，图9表示了可将膜片810附接到固定板920的中空的电介质构件910的示例。如所图示的，膜片810经由相应的柔性构件904a和904b柔性地联接到固定部分，柔性构件904a和904b各自表示为弹簧。柔性构件940a和940b至少部分地允许活动板810响应于撞击在膜片810上的声波而移动。中空的电介质构件910从膜片810的表面延伸到固定板920的表面。中空的电介质构件910可以是刚性的，并且在一个示例中，可以界定圆形截面的开口，该开口产生图8中所示的固定部分830。如本文中所描述的，中空的电介质构件910可以包括非晶硅、半导体氧化物(例如，二氧化硅)或氮化物(例如，氮化硅)或者可以由非晶硅、半导体氧化物(例如，二氧化硅)或氮化物(例如，氮化硅)形成。更具体地说，在图10中所示的一个示例中，中空的电介质构件910可以实现为中空的电介质外壳1010，电介质外壳1010界定圆形开口1015并具有厚度t'。中空的电介质外壳1010的长度h'可以通过膜片810与固定板920之间的间距来确定。类似于本公开的其它中空的电介质外壳，在某些实施方案中，圆形开口的直径D＝2Ri与t'之间的比率可以在约3至约300的范围内。例如，t'可以是约0.5μm，并且D可以是约50μm。同样地，在这样的实施方案中，开口1015的直径D可以大于电介质构件130的厚度约一个到约两个数量级。在某些实施方案中，电介质构件130的直径D和厚度之间的比率可以在约10至25的范围内。应理解的是，这种薄的中空的电介质外壳可以限制施加到活动板110和/或固定板150上的应力，从而避免可能导致屈曲不稳定性的临界载荷或应力。
可以将膜片810机械联接到微机电麦克风中的固定板210的电介质构件可以实现为不同于中空的电介质外壳1010的结构。例如，如图10中所示，电介质构件可以实现为具有中空的电介质外壳1030和电绝缘材料的芯部1020的芯-壳结构。添加芯部1020可以为膜片810提供更大的稳定性，这可以允许增加其尺寸，从而增加微机电麦克风的灵敏度。另外地或可选地，芯部1020的材料可以是大体上与膜片810的材料晶格匹配的，和/或可以具有与膜片810的材料相匹配的热膨胀系数。在任一情况下，这样的匹配可以减轻应变，随之而来增加微机电麦克风的耐久性。尽管示出了单个芯部，但是应认识到，本公开在这方面不受限制，并且可以设想多于一个芯部结构。
另外或在其它实施方案中，可以利用多个电介质构件来将膜片810机械联接到微机电麦克风中的固定板。电介质构件的具体布置可以使得膜片810的一部分固定。在一个示例中，如图10中所示，电介质构件的组1040可以以圆形布置设置到固定板的表面上，并且可以延伸到膜片810，从而与其一起形成相应的界面。依赖于组1040可以允许降低与电介质构件和膜片810之间的界面的形成相关联的弹性能量，由此允许在包含存在于微机电麦克风中的应变量的同时，使膜片810稳定。可以使用大于或小于八个的任何数量的电介质构件来将膜片810附接到固定板。
本公开的微机电麦克风中的膜片的固定的内部部分可以跨越圆形部分830旁边的其它区域。图11-14示出了具有不同横截面的相应固定的内部部分的膜片的示例。具体地说，图11中所示的膜片1110包括响应于撞击在膜片1110的表面上的压力波可弹性变形的部分1120。另外，膜片1110包括界定方形截面的固定的内部部分1130。响应于压力波，固定的内部部分1130的位移矢量{u}等于零(表示为{u}＝0)。另外，图12中所示的膜片1210包括响应于撞击在膜片1210的表面上的压力波可弹性变形的部分1220。另外，膜片1210包括界定六边形截面的固定的内部部分1230。响应于压力波，固定的内部部分1230的位移矢量{u}等于零(表示为{u}＝0)。此外，图13中所示的膜片1310包括响应于撞击在膜片1310的表面上的压力波可弹性变形的部分1320。另外，膜片1310包括界定八边形截面的固定的内部部分1330。响应于压力波，固定的内部部分1330的位移矢量{u}等于零(表示为{u}＝0)。更进一步地，图14中所示的膜片1410包括响应于撞击到膜片1410的表面上的压力波可弹性变形的部分1420。另外，膜片1410包括界定长圆形截面的固定的内部部分1430。响应于压力波，固定的内部部分1430的位移矢量{u}等于零(表示为{u}＝0)。
在某些实施方案中，根据本公开的微机电麦克风可以包括非平面并具有固定的内部部分的膜片。图15图示了根据本公开的一个或更多个实施方案的非平面膜片1510的示例。非平面膜片1510具有部分1530，部分1530界定具有圆形横截面的腔1540。腔1540可以成形为，例如截头漏斗形并且可以具有底部表面1550。在某些实施方案中，底部表面1550可以机械地联接到固定板，由此实现非平面膜片1510的固定的内部部分。因此，响应于撞击到非平面膜片1510上的压力波，底部表面1550可以保持固定(表示为零位移矢量u＝0)，并且部分1530的其它区域可以弹性变形(表示为位移矢量{u})。
作为示例，在图16中所示的微机电麦克风1600中，底部表面1550可以经由电介质构件1630刚性地机械联接(例如，附接)到固定板1620。在一个示例中，电介质构件1630可具有与本文中所描述的其它电介质构件的厚度相当的厚度。如此，尽管电介质构件1630延伸而不是升高(例如，如电介质构件910一样)，但由电介质构件1630与膜片1510和固定板1620之间的界面引入的应力和/或应变可以被遏制。如本文中所描述，以本文中所描述的方式遏制应力和/或应变可以允许固定板1620和膜片1510共同移动。另外，遏制应力和/或应变可以避免达到临界载荷和随之而来的屈曲不稳定性。因此，腔1540可以比升高的电介质构件提供更大的机械稳定性。另外，膜片1510的一部分可以柔性地机械联接(用弹簧线标记示出)到电介质构件140，电介质构件140覆盖在固定板1620的一部分上面并联接到固定板1620的一部分。类似于本文中描述的其它实施方案，电介质构件1630和电介质构件140可以包括以下或可以由以下形成：相同的电绝缘材料，例如非晶硅、半导体氧化物、氮化物(例如，氮化硅)或类似物。此外，固定板1620可以界定开口并且可以机械地联接到电介质构件160。另外，电介质构件160可以机械地联接到基板170，基板170界定构造成接收声波的开口，声波包括可听见声波和/或超声波声波。
根据本公开的方面的膜片的机械稳定化可通过引入，例如多于一个固定的内部部分而被放大到更大的膜片(例如，直径范围从约400μm到约2000μm)。为了实现增加的灵敏度和/或保真度，多个固定的内部部分可以提供更大的机械支撑和/或关于选择膜片和背板的材料和布置的设计灵活性。在某些实施方案中，例如图17A中所示的实施方案中，膜片1710可以界定具有周边1714的外部部分。另外，膜片1710可以包括部分1720并且可以进一步界定四个开口1730a-1730d，每个开口1730a-1730d界定相应的圆形周边1734a-1734d。膜片1710的各自包括圆形周边1734a-1734d中的一个的部分可以机械地联接到相应的电介质构件1740a-1740d。电介质构件1740a-1740d中的每一个可以从膜片1710的表面延伸到固定板1745的表面。虽然为了说明起见描述了四个开口，但是应理解的是，本公开在该方面不受限制，也可以设想少于四个或大于四个的多个开口。
如所图示的，每个电介质构件1740a-1740d可以界定具有圆柱对称性的内部弯曲表面。应理解，这样的电介质构件可以界定其它类型的内部表面，并且在某些实施方案中，电介质构件1740a-1740d中的每一个可以界定中心对称的内部表面——例如，内部表面可以界定方形截面、五边形截面、六边形截面、八边形截面或类似截面。
在其它实施方案中，例如图17B中所示的实施方案中，膜片1760可以界定具有周边1764的外部部分。膜片1710可以包括部分1770并且可以进一步界定四个开口1780a-1780d，每个开口1780a-1780d界定相应的圆形周边1784a-1784d。膜片1760的各自包括圆形周边1784a-1784d中的一个的部分可以机械地联接(例如附接)到相应的电介质构件1790a-1790d。电介质构件1740a-1740d中的每一个可以从膜片1760的表面延伸到固定平板1745的表面。另外，在图示的示例中，电介质构件1790a-1790d中的每一个可以界定具有圆柱对称性的内部弯曲表面。应理解，这样的电介质构件可以界定其它类型的内部表面，并且在某些实施方案中，电介质构件1790a-1790d中的每一个可以界定中心对称的内部表面。例如，内部表面可以界定方形截面、五边形截面、六边形截面、八边形截面或类似截面。
根据本公开的具有固定部分的微机电麦克风可被封装以用于在电子设备或其它类型的器具内操作。如所图示的，图18A表示了封装的麦克风1810的俯视透视图，麦克风1810可以包括根据本公开的一个或更多个实施方案的微机电麦克风管芯(例如，图1中所示和本文讨论的微机电麦克风管芯100)。另外，图18B表示了封装的麦克风1810的底部透视图。
如所图示的，封装的麦克风1810具有封装基座1812和盖子1814，封装基座1812和盖子1814形成容纳微机电麦克风芯片组1816的内部室或壳体。另外或在其它实施方案中，这样的室可以包括单独的麦克风电路芯片组1818。芯片组1816和芯片组1818在图18C和图18D中被示出并在下文中讨论。在所示的实施方案中，盖子1814是腔型的盖子，它具有从顶部内表面大致正交地延伸的四个壁，以形成腔。在一个示例中，盖子1814可以由金属或其它导电材料形成，以使微机电麦克风管芯1816屏蔽电磁干扰。盖子1814固定到大体上平坦的封装基座1812的顶面以形成内部室。
如所图示的，盖子1814可以具有音频输入端口1820，音频输入端口1820构造成为接收音频信号(例如，可听见的信号和/或超声波信号)，并且可以允许这样的信号进入由封装基座1812和盖子1814形成的室中。在另外的或可选的实施方案中，音频输入端口1820可以放置在另一个位置处。例如，音频输入端口1820可以放置在封装基座1812处。又例如，音频输入端口1820可以放置在盖子1814的侧壁中的一个侧壁上。不管音频输入端口1820的位置如何，进入内部室的音频信号可以与微机电麦克风芯片组1816相互作用，以产生表示所接收到的音频信号的至少一部分的电信号。通过经由外部部件(例如，扬声器和伴随电路)的附加处理，电信号可以产生输出的可听见的信号，其对应于包含在所接收的音频信号中的输入的可听见的信号。
图18B表示了封装基座1812的底面1822的示例。如所图示的，底面1822具有四个触点1824，用于将微机电麦克风芯片组1816与诸如印刷电路板或其它电互连装置的基板电连接(以及在物理上，在许多使用情况下)。虽然示出了四个触点1824，但是应理解，本公开在这方面不受限制，并且其它数量的触点可以在底面1822中实施。封装的麦克风1810可以在各种应用中的任何一种应用中使用。例如，封装的麦克风1810可以与移动电话、地面线路电话、计算机设备、视频游戏、助听器、助听工具、生物测定安全系统、双向无线电话、公告系统以及转换声学信号的其它装置一起使用。在特定而非排他性的实施方式中，封装的麦克风1810可以在扬声器内使用以从电信号产生可听见的信号。
在某些实施方案中，图18A和图18B中所示的封装基座1812可以实现为或可以包含印刷电路板材料，例如FR-4，或者预成型的引线框型封装(也称为“预成型封装”)。其它实施方案可以使用或以其它方式利用不同的封装类型，例如陶瓷腔封装。因此，应理解，本公开不限于特定类型的封装。
图18C图示了穿过图18A中的线18C-18C的封装的麦克风1810的横截面图。如本文中所图示的和所讨论的，盖子1814和基座1812形成内部室或壳体，内部室或壳体容纳微机电麦克风芯片组1816和用于控制和/或驱动微机电麦克风芯片组1816的麦克风电路芯片组1818(也称为“麦克风电路1818”)。在某些实施方案中，电子器件可以被实现为第二独立式集成电路，诸如专用集成电路(例如，“ASIC管芯1818”)或现场可编程门阵列(例如“FPGA管芯1818”)。应理解，在某些实施方案中，微机电麦克风芯片组1816和麦克风电路芯片组1818可以形成在单个管芯上。
粘合剂或其它类型的紧固机构可以将微机电麦克风芯片组1816和麦克风电路芯片组1818固定或以其它方式机械联接到封装基座1812。结合线或其它类型的电导管可以将微机电麦克风芯片组1816和麦克风电路芯片组1818电连接到封装基座1812的内部上的接触垫(未示出)。
虽然图18A-18C示出了顶部端口封装的麦克风设计，但是某些实施方案可以将音频输入端口1820定位在其它位置处，诸如穿过封装基座1812。例如，图18D示出了封装的麦克风1810的另一示例的横截面图，其中微型机电麦克风芯片组1816覆盖音频输入端口1820，从而产生大的后音量(back volume)。在其它实施方案中，微机电麦克风芯片组1816可放置成使得其不穿过封装基座1812覆盖音频输入端口1820。
应理解的是，本公开不限于图18A-18D中所示的封装的麦克风1810。而是，讨论特定的封装的麦克风仅仅是为了说明的目的。如此，在本文中可设想其它麦克风封装，包括具有根据本公开的固定区域的微机电麦克风。
在本说明书中，术语“或”旨在表示包含性的“或”，而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有规定，或者从上下文中是清楚的，“X采用A或B”意在表示任何自然的包含性排列。也就是说，如果X采用A；X采用B；或者X采用A和B两者，则在上述任何情况下都满足“X采用A或B”。此外，在本说明书和附图中使用的冠词“一(a)”和“一(an)”通常应当被解释为表示“一个或更多个”，除非另有说明或根据上下文清楚地针对单数形式。
另外，术语“示例”和“诸如”在本文中用于意指用作实例或说明。本文中描述为“示例”或结合“诸如”从句所提及的任何实施方案或设计不必然被解释为与其它实施方案或设计相比是优选或有利的。而是，使用术语“示例”或“诸如”旨在以具体的方式呈现概念。如权利要求和说明书中使用的术语“第一”、“第二”、“第三”等，除非通过上下文中是清楚必然，否则仅仅是为了清楚起见，并不表示或暗示任何时间上的顺序。
以上所已经描述的内容包括本公开的一个或更多个实施方案的示例。当然，不可能为了描述这些示例而描述部件或方法的每个可能想到的组合，并且可以认识到，本文中的实施方案的许多进一步的组合和排列是可能的。因此，本文中公开和/或要求保护的实施方案旨在涵盖落入详细描述和所附权利要求的精神和范围内的所有这样的替换、修改和变化。此外，就在详细描述或权利要求书中使用术语“包括(includes)”而言，这样的术语旨在以类似于术语“包含(comprising)”的方式是包含性的，如同“包含”当在权利要求中用作过渡性词所被解释的那样。

Claims (29)

1.一种微机电麦克风，包括：
固定板，其具有多个开口；和
活动板，其具有外部部分和大体上以所述活动板的几何中心为中心的内部开口；和
中空的电介质构件，其包含具有圆柱对称性的弯曲表面，所述中空的电介质构件在所述内部开口附近将所述固定板的表面刚性地附接至所述活动板的另一表面，其中所述活动板与所述中空的电介质构件之间的区域在声学上是非活动性的；
其中，所述中空的电介质构件界定大体上中心对称的外壳，所述大体上中心对称的外壳具有厚度并且界定横截面，并且其中所述横截面的宽度与所述厚度之间的比率在3至300的范围内。
2.根据权利要求1所述的微机电麦克风，其中所述横截面的所述宽度与所述厚度之间的比率在10至25的范围内。
3.根据权利要求2所述的微机电麦克风，其中，所述固定板包括硅，并且其中所述活动板包括硅，并且另外其中所述中空的电介质构件包括二氧化硅。
4.根据权利要求2所述的微机电麦克风，其中，所述大体上中心对称的外壳的所述厚度和所述大体上中心对称的外壳的横截面的宽度中的每一个至少基于形成所述活动板的第一材料和形成所述中空的电介质构件的第二材料。
5.根据权利要求1所述的微机电麦克风，其中，所述外部部分界定第一横截面，并且其中所述开口界定第二横截面。
6.根据权利要求5所述的微机电麦克风，其中，所述第一横截面是第一八边形横截面或第一圆形横截面中的一种，并且其中所述第二横截面是第二八边形横截面或第二圆形横截面中的一种。
7.根据权利要求6所述的微机电麦克风，其中，所述第一圆形横截面的第一半径与所述第二圆形横截面的第二半径之间的比率在2至10的范围内。
8.根据权利要求7所述的微机电麦克风，其中，所述中空的电介质构件界定所述第一圆形横截面、椭圆形横截面、方形横截面、五边形横截面、六边形横截面、七边形横截面、所述第一八边形横截面或十边形横截面中的一种。
9.根据权利要求7所述的微机电麦克风，其中，所述中空的电介质构件界定具有多边形周界的另一第一横截面或具有非多边形周界的另一第二横截面中的一种。
10.根据权利要求1所述的微机电麦克风，其中，所述中空的电介质构件是第一电介质构件，所述活动板机械地联接到邻近所述外部部分的层，并且其中附接到所述固定板的第二电介质构件覆盖在所述层上面。
11.根据权利要求1所述的微机电麦克风，其中，所述中空的电介质构件是第一电介质构件，所述活动板机械地联接到邻近所述外部部分的层，并且其中所述层覆盖在附接到所述固定板的第二电介质构件上面。
12.根据权利要求11所述的微机电麦克风，其中，所述外部部分与所述层一起形成界面。
13.根据权利要求11所述的微机电麦克风，其中，所述外部部分柔性地联接到所述层。
14.根据权利要求1所述的微机电麦克风，其中，所述固定板包括以下中的一种：非晶硅；多晶硅；晶体硅；锗；硅和锗的合金；含有硅、锗和氧的化合物；III-V半导体；II-VI半导体；电介质材料；或前述中的两种或更多种的组合。
15.根据权利要求1所述的微机电麦克风，其中，所述活动板包括以下中的一种：非晶硅；多晶硅；晶体硅；锗；硅和锗的合金；含有硅、锗和氧的化合物；III-V半导体；II-VI半导体；电介质材料；或前述中的两种或更多种的组合。
16.根据权利要求1所述的微机电麦克风，其中，所述中空的电介质构件包括二氧化硅或氮化硅中的一种。
17.一种微机电麦克风，包括：
固定板，其具有多个开口；和
活动板，其具有外部部分和大体上以所述活动板的几何中心为中心的内部开口；和
中空的电介质构件，其包含具有圆形横截面的弯曲表面，所述中空的电介质构件在所述活动板的所述几何中心附近从所述固定板的表面延伸到所述活动板的另一表面，并且所述中空的电介质构件在所述几何中心附近将固定板刚性地附接至所述活动板；
其中，所述中空的电介质构件界定大体上中心对称的外壳，所述大体上中心对称的外壳具有厚度并且界定横截面，并且其中所述横截面的宽度与所述厚度之间的比率在3至300的范围内。
18.根据权利要求17所述的微机电麦克风，其中，所述外部部分界定所述圆形横截面。
19.根据权利要求17所述的微机电麦克风，其中，所述中空的电介质构件具有至少基于形成所述活动板的材料和形成所述中空的电介质构件的另一材料的厚度。
20.一种微机电麦克风，包括：
固定板，其具有多个开口；和
活动板，其具有外部部分以及大体上以活动板的几何中心为中心的内部开口；和
中空的电介质构件，其包含具有圆形横截面的弯曲表面，所述中空的电介质构件在所述活动板的所述几何中心附近将所述固定板的表面刚性地附接至所述活动板的另一表面，并且所述中空的电介质构件包括芯-壳结构，所述芯-壳结构具有第一材料的外壳和第二材料的芯部，所述芯部由所述外壳限定；
其中，所述第一材料的所述外壳是大体上中心对称的，并且所述芯-壳结构的横截面的宽度与所述外壳的厚度之间的比率在3至300的范围内。
21.根据权利要求20所述的微机电麦克风，其中，所述第一材料的所述外壳具有比所述芯-壳结构的所述横截面的所述宽度小约一个数量级的厚度。
22.根据权利要求21所述的微机电麦克风，其中所述宽度是第一宽度，其中所述横截面是第一横截面，其中所述活动板包括具有第二横截面的外部部分，并且其中所述第二横截面的第二宽度与所述芯-壳结构的所述第一横截面的所述第一宽度之间的比率小于10。
23.根据权利要求21所述的微机电麦克风，其中，所述厚度和所述芯-壳结构的所述横截面的宽度中的每一个至少基于形成所述活动板的活动板材料和形成所述中空的电介质构件的中空的电介质材料。
24.根据权利要求21所述的微机电麦克风，其中，所述第一材料是第一本征半导体材料、第一掺杂半导体材料或第一电介质材料中的一种，并且其中所述第二材料是第二本征半导体材料、第二掺杂半导体材料或第二电介质材料中的一种。
25.一种包括微机电麦克风的装置，其中
所述微机电麦克风包括：
基板，其界定构造成接收声波的第一开口；
固定板，其机械地联接到所述基板并界定多个开口；
活动板，其具有外部部分和大体上以所述活动板的几何中心为中心的第二开口；和
中空构件，其包含具有圆形截面的弯曲表面，所述中空构件在所述第二开口附近刚性地附接至所述固定板的表面和所述活动板的另一表面，并且
其中，所述装置还包括电路，所述电路联接到所述微机电麦克风并且构造成接收指示所述固定板和所述活动板之间的电容的信号，所述信号表示所述声波的振幅；
其中，所述中空构件界定大体上中心对称的外壳，所述大体上中心对称的外壳具有厚度并且界定横截面，并且其中所述横截面的宽度与所述厚度之间的比率在3至300的范围内。
26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述中空构件界定具有圆形横截面、方形横截面、五边形横截面、六边形横截面、七边形横截面或者八边形横截面中的一种的中空构件开口中的一个，并且其中所述中空构件包括由电介质材料形成的电介质部分。
27.根据权利要求25所述的装置，其中，所述活动板机械地联接到邻近所述外部部分的层，并且其中所述层覆盖在附接到所述固定板的电介质构件上面。
28.根据权利要求25所述的装置，还包括壳体，所述壳体包括所述微机电麦克风和所述电路。
29.根据权利要求28所述的装置，其中，所述微机电麦克风形成在第一管芯上，并且所述电路形成在电联接至所述第一管芯的第二管芯上。
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