CN108702574A - 差分mems麦克风 - Google Patents

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Abstract

本公开主要涉及麦克风和相关组件。一个示例微机电系统(MEMS)马达包括：第一振膜；第二振膜，该第二振膜被设置为与所述第一振膜成大体平行关系，所述第一振膜和所述第二振膜之间形成气隙；以及背板，该背板被设置在所述第一振膜与所述第二振膜之间的所述气隙中并且与所述第一振膜和所述第二振膜成大体平行关系。

Description

差分MEMS麦克风
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年2月4日提交的美国临时申请No.62/291,152“DIFFERENTIALMEMS MICROPHONE”的优先权和益处，其内容通过引用整体地并入本文。
技术领域
本申请涉及麦克风，并且更具体地，涉及提供差分信号的微机电系统(MEMS)。
背景技术
多年以来使用不同类型的声学装置。一种类型的设备是麦克风。在微机电系统(MEMS)麦克风中，MEMS管芯包括振膜和背板。MEMS管芯由基板支撑并且由外壳(例如，罩杯或具有壁的盖)封闭。开口可以穿过基板(用于底部开口装置)或者穿过外壳的顶部(用于顶部开口装置)。在任何情况下，声能穿过开口，使振膜移动并且创建背板的变化电位，其创建电信号。麦克风被部署在诸如个人计算机或蜂窝电话的各种类型的装置中。
差分信号通常是用户所期望的。在一个示例中，第一换能器获得第一信号并且第二换能器获得第二信号。信号彼此相减(或相加)以产生输出。减法操作从信号中去除噪声和其它不希望的效果并且可产生较大且较强的信号。然而，这些方法需要使用两个换能器，这可能是昂贵的并且增加整个装置的尺寸。
随着封装尺寸继续缩小，在较小封装尺寸内维持高SNR性能变得更困难。如所提及的，已使用双并联马达设计，但是这些不能被用于非常小的封装尺寸。
先前方法的问题已经导致一些用户对这些先前方法不满意。
发明内容
本公开的一个方面涉及一种微机电系统(MEMS)马达。MEMS马达包括第一振膜、第二振膜和背板。所述第二振膜被设置为与所述第一振膜成大体平行关系，所述第一振膜和所述第二振膜之间形成气隙。所述背板被设置在所述第一振膜与所述第二振膜之间的所述气隙中并且与所述第一振膜和所述第二振膜成大体平行关系。
本公开的另一方面涉及一种微机电系统(MEMS)麦克风。所述MEMS麦克风包括基部以及设置在所述基部上的MEMS装置。所述MEMS装置包括第一振膜、第二振膜和背板。所述第二振膜被设置为与所述第一振膜成大体平行关系，所述第一振膜和所述第二振膜之间形成气隙。所述背板被设置在所述第一振膜与所述第二振膜之间的所述气隙中并且与所述第一振膜和所述第二振膜成大体平行关系。所述MEMS麦克风还包括联结到所述基部并且封闭所述MEMS装置的盖。开口穿过所述基部或所述盖。
上述发明内容仅是例示性的，而不旨在以任何方式限制。除了上述的例示性方面、实施方式和特征之外，另外的方面、实施方式和特征将通过参照以下附图和详细描述而变得显而易见。
附图说明
理解这些附图仅描绘根据本公开的多个实施方式并且因此将不被认为限制其范围，将通过使用附图来以附加详情和细节描述本公开。
图1是根据本公开的各种实施方式的麦克风的侧剖视图。
图2是根据本公开的各种实施方式的堆叠式马达的视图。
图3是根据本公开的各种实施方式的麦克风/马达设备的电路图。
图4是根据本公开的各种实施方式的MEMS马达的侧视图。
图5是根据本公开的各种实施方式的另一MEMS马达的侧视图。
图6是根据本公开的各种实施方式的另一MEMS马达的侧视图。
图7是示出了根据本公开的各种实施方式的用于构造MEMS马达的一种方法的流程图。
图8是根据本公开的各种实施方式的根据图7的方法构造的MEMS马达设备的一部分的视图。
图9是根据本公开的各种实施方式的根据图7的方法构造的MEMS马达设备的一部分的视图。
图10是根据本公开的各种实施方式的根据图7的方法构造的MEMS马达设备的一部分的视图。
图11是根据本公开的各种实施方式的根据图7的方法构造的MEMS马达设备的一部分的视图。
图12是根据本公开的各种实施方式的根据图7的方法构造的MEMS马达设备的一部分的视图。
图13是根据本公开的各种实施方式的根据图7的方法构造的MEMS马达设备的一部分的视图。
图14是根据本公开的各种实施方式的根据图7的方法构造的MEMS马达设备的一部分的视图。
图15是根据本公开的各种实施方式的根据图7的方法构造的MEMS马达设备的一部分的视图。
图16是根据本公开的各种实施方式的根据图7的方法构造的MEMS马达设备的一部分的视图。
图17是根据本公开的各种实施方式的根据图7的方法构造的MEMS马达设备的一部分的视图。
图18是根据本公开的各种实施方式的根据图7的方法构造的MEMS马达设备的一部分的视图。
在以下详细描述中，参照形成其一部分的附图。在附图中，除非上下文另外规定，否则相同符号通常标识相同组件。在具体实施方式、附图和权利要求中描述的例示性实施方式不旨在为限制性的。在不脱离这里呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其它实施方式，并且可以做出其它变化。应容易地理解，可按照各式各样的不同配置布置、取代、组合并设计如本文通常描述的并在图中例示的本公开的各方面，所有这些被明显地想到并且构成本公开的一部分。
具体实施方式
本公开提供差分且紧凑的双振膜微机电系统(MEMS)马达。如本文所使用的，“马达”包括将声能变换成电信号的组件，诸如振膜和背板。根据各种实施方式，与先前方法相比，本文公开在较小尺寸的装置中提供更好的信噪比(SNR)性能。
现在参照图1，描述MEMS麦克风100的一个示例。麦克风100包括基部102(例如，印刷电路板)、微机电系统(MEMS)装置104(包括振膜和背板)、集成电路106(例如，专用集成电路)以及封闭MEMS装置104和集成电路106的盖或罩108。开口110穿过基部102，从而使麦克风成为底部开口麦克风。然而，应想到的是，开口110可以穿过盖108，从而使麦克风100成为顶部开口麦克风。
前部体积130形成在MEMS装置104的一侧上，同时背部体积132形成在MEMS装置104的另一侧。一般地说，背部体积132由盖108、基部102、MEMS装置104和集成电路106界定。前部体积130通常包括MEMS装置104的背孔和开口孔。
在一个示例中，MEMS装置104包括第一振膜和第二振膜。第二振膜被设置为与第一振膜成大体平行关系。第一振膜和第二振膜之间形成气隙。背板被设置在第一振膜与第二振膜之间的气隙中并且与第一振膜和第二振膜成大体平行关系。在此示例中，第一振膜是在围绕(about)第一振膜的周边设置的第一约束件内自由移动的自由板振膜。第二振膜也是在围绕第二振膜的周边设置的第二约束件内自由移动的自由板振膜。
在一些方面中，在不使用机械联结部件的情况下，第一振膜隔着气隙机械地联结到第二振膜。例如，气隙从第一振膜到第二振膜可以是约3-10微米。其它示例是可能的。
在一些示例中，一个通气孔或多个通气孔刺穿第一振膜和/或第二振膜。多个较小的通气孔可以起双重作用作为释放孔，以帮助氧化物蚀刻剂进入间隙并且在MEMS管芯制造处理结束时释放该结构。在一些示例中，第一振膜具有顶面并且限制件(例如，罩或盖)被构造为限制第一振膜的顶面的至少部分移动。
在其它示例中，MEMS装置104包括第一振膜和第二振膜。第二振膜被设置为与第一振膜成大体平行关系。第一振膜和第二振膜之间形成气隙。背板被设置在第一振膜与第二振膜之间的气隙中并且与第一振膜和第二振膜成大体平行关系。一个通气孔或多个通气孔形成在第一振膜和第二振膜中的至少一个中，并且通气孔有效地提供气压均衡。在不使用机械联结部件的情况下，第一振膜隔着气隙机械地联结到第二振膜。
在一些方面中，气隙从第一振膜到第二振膜约为3-10微米。其它示例是可能的。
在一些示例中，第一振膜和第二振膜是自由板振膜。在其它示例中，第一振膜具有顶面并且MEMS马达包括限制第一振膜的顶面的至少部分移动的限制件。在一些方面中，第一振膜具有第一外周并且围绕该第一外周被约束，而第二振膜具有第二外周并且围绕该第二外周被约束。
现在参照图2，MEMS装置或马达200包括第一振膜202、第二振膜204、背板206和基板208。第二振膜204被设置为与第一振膜202成大体平行关系，并且第一振膜202和第二振膜204之间形成气隙203。背板206被设置在第一振膜202与第二振膜204之间的气隙203中并且与第一振膜202和第二振膜204成大体平行关系。在此示例中，第一振膜202是在围绕第一振膜202的周边设置的第一约束件(例如，柱)内自由移动的自由板振膜。第二振膜204也是在围绕第二振膜204的周边设置的第二约束件(例如，柱)内自由移动的自由板振膜。
振膜202、204可以是膜片并且由多晶硅构造。背板206可以由氮化硅构造。背板206通过电压Vbias被偏置。随着振膜202、204在声压下移动，引线208和210获得电压信号Ain1和Ain2。Ain1和Ain2是差分信号。通过“差分信号”并且如本文所使用的，意味着这些信号在幅度上类似但是在极性上相反。
有利地，图2的示例在MEMS装置是先前的一半大的情况下提供与先前相同的工作电容。图2的结构提供固有差分电压架构。在一些方面中，与堆叠式背板装置相比，图2的示例提供约3dB以下的背板声学阻尼噪声。
在操作中，声压220在通过箭头222指示的方向上使振膜202、204移动。此动作在引线208处产生电压波形226并且在引线210处产生电压波形228。可以添加两个波形以创建波形230。可以在麦克风处或者在外部消费者装置处执行添加操作。
现在参照图3，描述示出了本文描述的方法的声学集总模型的电路图(例如，图2)。图3表示麦克风/MEMS马达组件的等效声学电路。
在图3的示例中，Pin是传入声压；Rin是开口(例如，图1中的开口110)中的空气的粘度；并且Cfv是开口的前腔的顺应性(可压缩性)。
Md1是第一振膜(例如，振膜202)的质量；Cd1是第一振膜(例如，振膜202)的顺应性(即，它在声压下移动多少)；并且Rbp1是背板阻尼(例如，背板206使空气挤过背板中的孔)。
Rvent1是第一振膜(例如，振膜202)中的通气孔的阻力。Rvent2是第二振膜(例如，振膜204)中的通气孔的阻力。Md2是第二振膜(例如，振膜204)的质量。
Min是开口(例如，图1中的开口110)中的空气的质量。Cd2是第二振膜(例如，振膜204)的顺应性。Cbv是麦克风的背部体积的顺应性。
与先前方法相比，因为使用了两个振膜，所以振膜的刚度加倍。这可以在一些情况下改进麦克风的线性、总谐波失真(THD)和可靠性。附加地，与先前方法相比，具有一个背板减少阻力并且在一些方面中提供一半阻尼。
现在参照图4，MEMS装置或马达400包括第一振膜402、第二振膜404、背板406(具有孔407)和基板408。第二振膜404被设置为与第一振膜402成大体平行关系并且第一振膜402和第二振膜404之间形成气隙403。背板406被设置在第一振膜402与第二振膜404之间的气隙403中并且与第一振膜402和第二振膜404成大体平行关系。在此示例中，第一振膜402是在围绕第一振膜402的周边设置的第一约束件(例如，柱)内自由移动的自由板振膜。第二振膜404也是在围绕第二振膜404的周边设置的第二约束件(例如，柱)内自由移动的自由板振膜。
振膜402、404可以是膜片并且由多晶硅构造。背板406可以由氮化硅构造。背板406通过电压Vbias被偏置。随着振膜402、404在声压下移动，振膜402、404中的每个上的单独引线(未示出)获得为差分信号的电压信号。被构造并调整大小以提供压力均衡的通气孔也可以延伸通过振膜402、404中的一个或两个。
例如由多晶硅构造的盖或限制结构411可以被设置在背板406之上。盖结构411限制第一振膜402的运动(在通过标记为413的箭头指示的方向上)并且防止吹出MEMS装置404。
气隙403具有距离405(例如，3-10微米)。此距离被选择为非常小，使得在间隙403中捕获的空气的刚度非常高(高于某个预定阈值)。即使振膜402、404的顺应性未很好地匹配，此构造也确保振膜402、404将移位相同量。总有效顺应性将是每个振膜的顺应性的总和。这改进麦克风的总谐波失真(THD)和可靠性。与先前方法相比，具有一个背板减少阻力，并且在一些方面中提供一半阻尼。
现在参照图5，双约束MEMS装置或马达500包括第一振膜502、第二振膜504、背板506和基板508。第二振膜504被设置为与第一振膜502成大体平行关系。第一振膜502和第二振膜504之间形成气隙503。背板506(具有孔或开孔507)被设置在第一振膜502与第二振膜504之间的气隙503中并且与第一振膜502和第二振膜504成大体平行关系。
振膜502、504可以是膜片并且由多晶硅构造。背板506可以由氮化硅构造。背板506通过电压Vbias被偏置。随着振膜502、504在声压下移动，引线获得为差分信号的电压信号。
气隙503具有距离505(例如，3-10微米)。此距离被选择为非常小，使得在间隙503中捕获的空气的刚度非常高(高于某个预定阈值)。即使振膜502、504的顺应性未很好地匹配，此构造也确保振膜502、504将移位相同量。总有效顺应性将是每个振膜的顺应性的总和。顺应性的该增加量改进麦克风的线性、总谐波失真(THD)和可靠性。与先前方法相比，具有一个背板减少阻力，并且在一些方面中提供一半阻尼。
通气孔517可以刺穿第一振膜502和第二振膜504中的至少一个。通气孔517被构造并调整大小以在麦克风(装置500部署在其中)的前部体积520与背部体积522之间提供气压均衡。
应想到，在不使用机械联结部件的情况下，第一振膜502隔着气隙503机械地联结到第二振膜504。在图5的示例中，两个振膜502、504沿着其外周被约束并且不是自由板振膜。也就是说，振膜的外周不能自由移动，而是固定的。然而，应想到，振膜502、504中的一个或两个也可以是如在本文中别处描述的自由板振膜。
现在参照图6，振膜被永久地附接或固定到柱的MEMS装置或马达600包括第一振膜602、第二振膜604、背板606和基板608。第二振膜604被设置为与第一振膜602成大体平行关系。第一振膜602和第二振膜604之间形成气隙603。背板606(具有孔或开孔607)被设置在第一振膜602与第二振膜604之间的气隙603中并且与第一振膜602和第二振膜604成大体平行关系。
振膜602、604可以是膜片并且由多晶硅构造。背板606可以由氮化硅构造。背板606通过电压Vbias被偏置。随着振膜602、604在声压下移动，引线获得为差分信号的电压信号。
气隙603具有距离605(例如，8-10微米)。此距离被选择为非常小，使得在间隙603中捕获的空气的刚度非常高(高于某个预定阈值)。即使振膜602、604的顺应性未很好地匹配，此构造也确保振膜602、604将移位相同量。总有效顺应性将是每个振膜的顺应性的总和。这改进麦克风的总谐波失真(THD)和可靠性。与先前方法相比，具有一个背板减少阻力，并且在一些方面中提供一半阻尼。
通气孔617可以刺穿第一振膜602和第二振膜604中的至少一个。通气孔617被构造并调整大小以在麦克风(装置600部署在其中)的前部体积620与背部体积622之间提供气压均衡。
应想到，在不使用机械联结部件的情况下，第一振膜602隔着气隙603机械地联结到第二振膜604。在图6的示例中，两个振膜602、604联结到柱619，该柱619将振膜602、604连接到背板606。也就是说，振膜602、604的外周不能自由移动，而是固定的，因为振膜经由柱619固定到背板606。然而，应想到，振膜602、604中的一个或两个也可以是如在本文中别处描述的自由板振膜。
现在参照图7至图18，描述用于组装MEMS马达的处理。应想到，此处理可用于构造关于图4所描述的装置。具有类似步骤的其它处理可以用于构造图5和图6的装置。
在步骤702处，获得或者形成要用于基部或基板802的硅晶片。参见图8。
在步骤704处，在基部802上沉积并且图案化牺牲氧化物(saccox)层804。参见图9。牺牲氧化物是在构建MEMS结构的处理中被沉积并稍后去除的牺牲二氧化硅。此步骤的目的是提供支撑件(即，牺牲氧化物)以临时支撑正在构造的其它组件。
在步骤706处，在牺牲氧化物804之上沉积并图案化用于第一振膜的振膜多晶硅806。参见图10。
在步骤708处，沉积另一层808牺牲氧化物。层808的目的是随着它被构造而支撑背板。参见图11。
在步骤710处，沉积并图案化用于背板的氮化硅层810。参见图12。
在步骤712处，沉积另一个牺牲氧化物812。可以对该层执行诸如化学机械抛光(CMP)的平整化步骤以去除由底层产生的拓扑结构。参见图13。
在步骤714处，在通过标记为814的箭头指示的位置处蚀刻牺牲氧化物。参见图14。
在步骤716处，沉积用于顶部或第二振膜的振膜多晶硅层716。参见图15。
在步骤718处，沉积并图案化牺牲氧化物层718。参见图16。
在步骤720处，沉积多晶硅层720以用于包含或者限制顶部振膜的移动的盖或限制件。参见图17。可以可选地执行此步骤(即，可以在有或没有盖或限制件的情况下形成装置)。
在步骤722处，执行穿晶片蚀刻(through-wafer etching)以创建背孔822。参见图18。牺牲氧化物层被去除并且该去除产生如图4所示的结构。
本文描述的主题有时例示了包含在不同其它组件内或者与不同其它组件连接的不同组件。应当理解的是，这样描绘的架构仅是示例性的，并且实际上可实现实现相同功能的许多其它架构。
关于大体上任何复数和/或单数术语在本文中的使用，本领域技术人员可根据上下文和/或应用从复数转化为单数和/或从单数转化为复数。为了清楚起见，可以在本文中明确地阐述各种单数/复数置换。
本领域技术人员应理解的是，一般而言，在本文中并且尤其在所附权利要求(例如，所附权利要求的主体)中使用的术语通常旨在作为“开放”术语(例如，术语“包括”应该被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应该被解释为“至少具有”，术语“包含”应该被解释为“包含但不限于”等)。
本领域技术人员应进一步理解的是，如果预期特定数量的所引入权利要求叙述，则将在权利要求中明确地叙述这种意图，并且在不存在这种叙述的情况下这种意图不存在。例如，为了帮助理解，以下所附权利要求可以包含用于引入权利要求叙述的介绍性短语“至少一个”和“一个或更多个”的用法。然而，即使当相同权利要求包括介绍性短语“一个或更多个”或“至少一个”以及诸如“一”或“一个”的不定冠词(例如，“一”和/或“一个”通常应该被解释为意指“至少一个”或“一个或更多个”)时，此类短语的使用也不应该被解释为暗示通过不定冠词“一”或“一个”对权利要求叙述的引用将包含这样引入的权利要求叙述的任何特定权利要求限于包含仅一个这种叙述的发明；对于用于引入权利要求叙述的定冠词的使用来说同样适用。另外，即使显式地叙述了特定数量的所引入权利要求叙述，本领域技术人员也将认识到，这种叙述通常应该被解释为意指至少所叙述的数量(例如，没有其它修饰语的“两个叙述”中的仅有叙述通常意指至少两个叙述或两个或更多个叙述)。
已经出于例示和描述的目的呈现了例示性实施方式的上述描述。它不旨在相对于所公开的精确形式为详尽的或限制性的，并且修改和变化鉴于以上教导是可能的或者可以从对所公开的实施方式的实践中获取。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (20)

1.一种微机电系统MEMS马达，所述MEMS马达包括，
第一振膜，
第二振膜，所述第二振膜被设置为与所述第一振膜成大体平行关系，所述第一振膜和所述第二振膜之间形成气隙；以及
背板，所述背板设置在所述第一振膜与所述第二振膜之间的所述气隙中并且与所述第一振膜和所述第二振膜成大体平行关系。
2.根据权利要求1所述的MEMS马达，其中，所述第一振膜和所述第二振膜被构造为响应于声压而移动并且生成差分信号。
3.根据权利要求1所述的MEMS马达，其中，所述第一振膜是在第一约束件内自由移动的自由板振膜，并且其中，所述第二振膜是在第二约束件内自由移动的自由板振膜。
4.根据权利要求3所述的MEMS马达，其中，所述第一约束件包括围绕所述第一振膜的周边设置的柱，并且其中，所述第二约束件包括围绕所述第二振膜的周边设置的柱。
5.根据权利要求3所述的MEMS马达，其中，所述第一约束件包括设置在所述背板之上的限制结构，其中，所述第一振膜设置在所述限制结构与所述背板之间，并且其中，所述限制结构限制所述第一振膜远离所述背板的至少部分移动。
6.根据权利要求1所述的MEMS马达，其中，所述第一振膜沿着所述第一振膜的外周被约束，并且其中，所述第二振膜沿着所述第二振膜的外周被约束。
7.根据权利要求1所述的MEMS马达，其中，所述第一振膜的外周通过设置在所述第一振膜的外周处的第一柱被固定到所述背板，并且其中，所述第二振膜的外周通过设置在所述第二振膜的外周处的第二柱被固定到所述背板。
8.根据权利要求1所述的MEMS马达，其中，在不使用机械联结部件的情况下，所述第一振膜隔着所述气隙与所述第二振膜机械地联结。
9.根据权利要求1所述的MEMS马达，其中，所述气隙在所述第一振膜与所述第二振膜之间是约3-10微米。
10.根据权利要求1所述的MEMS马达，其中，所述第一振膜和所述第二振膜中的至少一个具有通气孔。
11.一种微机电系统MEMS麦克风，所述MEMS麦克风包括：
基部；
设置在所述基部上的微机电系统MEMS装置，所述MEMS装置包括：
第一振膜；
第二振膜，所述第二振膜被设置为与所述第一振膜成大体平行关系，所述第一振膜和所述第二振膜之间形成气隙；以及
背板，所述背板设置在所述第一振膜与所述第二振膜之间的所述气隙中并且
与所述第一振膜和所述第二振膜成大体平行关系；
盖，所述盖联结到所述基部并且封闭所述MEMS装置；
其中，开口穿过所述基部或所述盖。
12.根据权利要求11所述的MEMS麦克风，其中，所述第一振膜和所述第二振膜被构造为响应于声压而移动并且生成差分信号。
13.根据权利要求11所述的MEMS麦克风，其中，所述第一振膜是在第一约束件内自由移动的自由板振膜，并且其中，所述第二振膜是在第二约束件内自由移动的自由板振膜。
14.根据权利要求13所述的MEMS麦克风，其中，所述第一约束件包括围绕所述第一振膜的周边设置的柱，并且其中，所述第二约束件包括围绕所述第二振膜的周边设置的柱。
15.根据权利要求13所述的MEMS麦克风，其中，所述第一约束件包括设置在所述背板之上的限制结构，其中，所述第一振膜设置在所述限制结构与所述背板之间，并且其中，所述限制结构限制所述第一振膜远离所述背板的至少部分移动。
16.根据权利要求11所述的MEMS麦克风，其中，所述第一振膜沿着所述第一振膜的外周被约束，并且其中，所述第二振膜沿着所述第二振膜的外周被约束。
17.根据权利要求11所述的MEMS麦克风，其中，所述第一振膜的外周通过设置在所述第一振膜的外周处的第一柱被固定到所述背板，并且其中，所述第二振膜的外周通过设置在所述第二振膜的外周处的第二柱被固定到所述背板。
18.根据权利要求11所述的MEMS麦克风，其中，在不使用机械联结部件的情况下，所述第一振膜隔着所述气隙与所述第二振膜机械地联结。
19.根据权利要求11所述的MEMS麦克风，其中，所述气隙在所述第一振膜与所述第二振膜之间是约3-10微米。
20.根据权利要求11所述的MEMS麦克风，其中，所述第一振膜和所述第二振膜中的至少一个具有通气孔。
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