CN112219410B - Mems麦克风系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种微机电系统（MEMS）麦克风，包括基座单元和设置在基座单元上的驱动系统。驱动系统包括第一膜片、与第一膜片间隔开的第二膜片以及包括移动电极构件的梳齿反电极组件，反电极组件机械地联接到第一和第二膜片。驱动系统还包括侧壁，侧壁将第一膜片机械地联接到第二膜片，从而限定密封的电极区域，并且密封的电极区域具有封装的气体压力，并且梳齿反电极组件被设置在密封的电极区域内。
Description
技术领域
本公开一般地涉及微机电系统（MEMS）装置，并且更特别地，涉及用于麦克风的电极组件。
发明内容
在下面阐述了对本文公开的特定实施例的概述。应当理解，呈现这些方面仅仅是为了向读者提供对这些特定实施例的简要概述，并且这些方面并不旨在限制本公开的范围。事实上，本公开可以涵盖下文可能没有阐述的各种方面。
与MEMS麦克风相关的本公开的实施例包括：基座单元；设置在基座单元上的驱动系统，该驱动系统包括第一膜片和与第一膜片间隔开的第二膜片。该驱动系统还包括：梳齿反电极组件，该梳齿反电极组件包括移动电极构件，反电极组件被机械地联接到第一和第二膜片；以及侧壁，该侧壁将第一膜片机械地联接到第二膜片，从而限定密封的电极区域，其中，密封的电极区域具有封装的气体压力，并且梳齿反电极组件被设置在密封的电极区域内。梳齿反电极组件可以包括或可以不包括固定电极构件。第一膜片基本上由具有低导电性的材料制成，并且第二膜片基本上由具有低导电性的材料制成。梳齿反电极组件包括具有导电性的材料。可移动电极构件基本上由具有导电性的材料制成。固定电极构件由具有导电性的材料制成。膜片中的一个或多个基本上由具有拉伸残余应力的材料制成。梳齿反电极组件包括具有拉伸残余应力的材料。该MEMS麦克风还包括将反电极组件机械地联接到第一膜片和第二膜片的至少一个或多个连接构件，以及形成在驱动系统内的一个或多个柱。泄漏孔形成在柱或连接构件中的至少一者上。梳齿反电极组件包括形成在密封的电极区域内的至少两个反电极。
在本公开的另一方面中，驱动系统包括电极组件和梳齿反电极组件。电极组件包括第一膜片、与第一膜片间隔开的第二膜片以及形成在第一膜片和第二膜片之间的间隙。形成在第一和第二膜片内的梳齿反电极组件包括移动电极构件、至少两个反电极构件、以及将两个反电极构件机械地联接到第一和第二膜片从而限定密封的电极区域的侧壁，其中，密封的电极区域具有封装的气体压力，并且梳齿反电极组件设置在密封的电极区域内。第一膜片基本上由具有低导电性的材料制成，并且第二膜片基本上由具有低导电性的材料制成。可移动电极构件基本上由具有导电性的材料制成。所述膜片中的一个或多个基本上由具有拉伸残余应力的材料制成。梳齿反电极组件包括具有拉伸残余应力的材料。该MEMS麦克风还包括将反电极组件机械地联接到第一和第二膜片的至少一个或多个连接构件，以及形成在驱动系统内的一个或多个柱。泄漏孔形成在柱或连接构件中的至少一者上。梳齿反电极组件包括形成在密封的电极区域内的至少两个反电极。
附图说明
当参考随附附图阅读以下对特定示例性实施例的详细描述时，将会更好地理解本公开的这些和其它特征、方面和优点，在附图中，贯穿附图相似的附图标记表示相似的技术，其中：
图1是根据本公开的所描述的实施例的麦克风系统的立体图；
图2A是根据本公开的所描述的实施例的图1的麦克风系统的横截面图；
图2B是根据本公开的所描述的实施例的具有底部端口的图1的另一麦克风系统的横截面图；
图2C是根据本公开的所描述的实施例的具有侧面端口的图1的另一麦克风系统的横截面图；
图3A-3I是根据本公开的各种描述的实施例的安装在图1的麦克风系统内的麦克风管芯的横截面图；
图4是根据本公开的所描述的实施例的驱动系统的横截面图；
图5A和5B是根据本公开的各种描述的实施例的驱动系统的横截面图；
图6是根据本公开的各种实施例的驱动系统的横截面图；
图7A-7C是根据本公开的各种描述的实施例的驱动系统的横截面图；
图8是根据本公开所描述的实施例的驱动系统的横截面图；
图9A和9B是根据本公开的各种描述的实施例的驱动系统的横截面图；
图10是根据本公开的所描述的实施例的驱动系统的横截面图；
图11A和11B是根据本公开的各种描述的实施例的驱动系统的横截面图；
图12是根据本公开的所描述的实施例的驱动系统的横截面图；以及
图13是根据本公开的所描述的实施例的驱动系统的横截面图。
具体实施方式
呈现下面的描述是为了使本领域中的任何技术人员能够制造和使用所描述的实施例，并且是在特定应用及其要求的上下文中提供下面的描述。对所描述的实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是容易明白的，并且在不脱离所描述的实施例的精神和范围的情况下，本文限定的一般原理可以应用于其它实施例和应用。因此，所描述的实施例不限于所示出的实施例，而是被赋予与本文公开的原理和特征一致的最宽范围。
本公开是一种用于客户端机器的麦克风系统。若干个其它电子部件位于客户端机器内，所述电子部件诸如是传感器装置、扬声器、图形处理器单元、计算机处理器单元、主机系统、摄像机以及直接地抑或间接地联接到麦克风系统的任何合适的计算机实施的装置。客户端机器可以是语音控装置、语音助理装置、个人计算机或台式计算机、膝上型电脑、蜂窝或智能电话、平板电脑、个人数字助理（PDA）、游戏控制台、音频装置、视频装置、娱乐装置（诸如电视、车辆信息娱乐节目、可穿戴装置、娱乐或信息娱乐节目遥控器）、瘦客户端系统、胖客户端系统等。其它合适的客户端机器（无论大小、移动性或配置如何）可以被建议包括任何数量的麦克风系统。
麦克风系统包括用于容纳任何数量的传感器装置/管芯、内部部件或其组合的包装壳体或外壳。传感器装置/管芯可以是诸如MEMS换能器、扬声器、接收器、麦克风、压力传感器、热传感器、光学传感器、成像传感器、化学传感器、陀螺仪、惯性传感器、湿度传感器、加速度计、气体传感器、环境传感器、运动传感器、导航传感器、生命力传感器（vitalsensor）、隧道磁致电阻（TMR）传感器、接近度传感器、辐射热测量计或其组合。麦克风可以是驻极体麦克风、电容麦克风、石墨烯麦克风、压电麦克风、硅麦克风、光学麦克风或任何合适的声学麦克风。
图1是根据本公开的实施例的MEMS麦克风系统10的立体图。MEMS麦克风系统10包括包装壳体20，包装壳体20具有盖12、间隔件14以及通过任何合适的附接方法附接到间隔件14的基底16。麦克风系统10内可以安装多于一个的传感器装置/管芯。传感器装置/管芯可以是MEMS换能器、扬声器、接收器、麦克风、压力传感器、热传感器、光学传感器、成像传感器、化学传感器、陀螺仪、湿度传感器、惯性传感器、生命力传感器、TMR传感器、加速度计、气体传感器、环境传感器、运动传感器、导航传感器、接近度传感器、辐射热测量计或其组合。可选部件（诸如ASIC、集成电路、处理器、控制器、能量存储装置、致动器、传感器电路或任何合适的电路系统）可以安装在麦克风系统10内。取决于应用，可以通过蚀刻、刺穿、钻孔、冲孔或任何合适的方法在包装壳体20的任何位置上形成任何数量的开口22，诸如用于从环境接收属性的端口或通道。例如，开口22可以形成在盖12、基底16抑或间隔件14上。在一些实施例中，开口22可以形成在包装壳体20的多个位置上。所述属性可以是声学信号、压力信号、光学信号、气体信号和任何合适的信号。在开口22内可以形成可选的屏障。屏障被配置并用作过滤器，以去除碎屑、污染物、颗粒、蒸汽、流体等。在一些实施例中，屏障可以形成在壳体20的外表面上以覆盖开口22，使得碎屑、污染物、颗粒等不能穿透到壳体中。在又一实施例中，屏障可以形成在开口22下方，其中屏障的一部分附接到壳体20的内表面，以用于过滤或去除碎屑、污染物、颗粒等。在又一实施例中，屏障可以直接制造到可移动构件（诸如膜片）上。在又一实施例中，屏障形成为分层的膜或分层的材料，并且可以在制造期间集成到壳体20中，抑或设置在壳体20的外表面或内表面上。在进一步的又一实施例中，如图3C中所图示，形成为刚性壁45的屏障将顶部电极构件38联接到底部电极构件40，以用于保护麦克风免受碎屑的影响。刚性壁45将在下面进一步描述。尽管描述了一个屏障，但是取决于应用，可以在MEMS包装上实施多层屏障或任何合适数量的屏障。屏障不仅在经由开口22暴露于环境时起到颗粒去除的作用，屏障还能够用于其它目的，诸如减震器或振动阻尼器或其组合。
尽管如所描绘的麦克风系统10包括多结构包装壳体20，但是可以使用在单结构包装壳体、两件式结构包装壳体抑或多结构包装壳体中的各种方面和配置来封装至少一个内部部件。作为示例，盖12和间隔件14可以形成为单结构，其限定盖或帽。一个或多个接合焊盘18可以通过任何合适的方法形成在基底18、盖12、间隔件14或包装壳体20的多个位置上。一旦引入接合焊盘18，麦克风系统10就能够容易地安装到客户端机器的外部印刷电路板或另一支撑构件。在一些实施例中，包装壳体还包括将盖12联接到间隔物14抑或基底16的内插件。
图2A-2C图示了根据本公开的所描述的实施例的图1的麦克风系统10的横截面图，该麦克风系统10具有形成在包装壳体20的不同位置上的至少一个开口22。麦克风系统10包括安装在包装壳体20的任何位置内的传感器装置/管芯30和部件26。形成在包装壳体20的任何位置上的开口22接收来自外部环境的属性或刺激，所述开口邻近于传感器装置30或部件26中的至少一者。可以引入连接链路24来将传感器装置30通信地联接到部件26。连接链路24可以是引线接合、焊料凸块、焊料微凸块、焊料球或任何合适的连接器。在一些实施例中，连接链路24可以是无线通信链路，并且传感器装置30利用形成在传感器装置30和部件26两者中的内置接口通信地联接到部件26。无线通信链路例如可以是WiFi、近场通信（NFC）、Zigbee、智能WiFi、蓝牙（BT）、Qi无线通信、超宽带（UWB）、蜂窝协议频率、射频或任何合适的通信链路。取决于应用，可以使用任何数量的传感器装置30、部件26或传感器装置和部件之间的连接链路24。尽管在图1中图示了部件26和传感器装置30的并排配置，但是任何合适的配置都可以是可能的。例如，传感器装置30可以被放置或安装在部件26的顶部上，以形成堆叠配置。在另一示例中，可选的孔形成在部件26内，并且被配置成接收传感器装置30并围绕传感器装置30。
图3A-3I图示了根据本公开的各种实施例的安装在图1的麦克风系统10内的麦克风管芯30的视图。麦克风管芯30包括安装在基座单元34（诸如基底）上的驱动系统32。在驱动系统32内包括电极组件50和与电极组件50绝缘的梳齿反电极组件36。在一个实施例中，电极组件50是可移动电极构件组件（诸如膜片），并且梳齿反电极组件36是组合式膜片和背板梳齿反电极组件。膜片电极组件50包括顶部膜片38和与顶部膜片38间隔开的底部膜片40。尽管图示了两个膜片38、40，但是任何数量的膜片38、40都可以被移除或添加到麦克风管芯30，而不会牺牲麦克风管芯30的性能。梳齿反电极组件36在顶部膜片38和底部膜片40之间，并且包括顶部梳齿反电极元件44、底部梳齿反电极元件46和中间梳齿反电极元件42。提供了将中间梳齿反电极元件42与顶部梳齿反电极元件44分开的静电间隙64。提供了将中间梳齿反电极元件42与底部梳齿反电极元件46分开的静电间隙64’。在一些实施例中，提供仅一个外部梳齿反电极元件。顶部梳齿反电极元件44和底部梳齿反电极元件46也可以被称为顶部固定电极构件44和底部固定电极构件46。中间梳齿反电极元件42可以或可以不被称为移动电极构件42。如图3B中所图示，提供了底部梳齿反电极元件46，其被限定为外部梳齿反电极元件。在另一实施例中，诸如图3C中所图示的麦克风，提供了被限定为外部梳齿反电极元件的顶部梳齿反电极元件44。提供了将顶部梳齿反电极元件44和底部梳齿反电极元件46分开的间隙52。在一些实施例中，顶部梳齿反电极元件44和底部梳齿反电极元件46通过在梳齿反电极元件44、46的一个表面上沉积充当绝缘体的任何合适的材料而彼此绝缘。为了使梳齿反电极元件44、46绝缘，梳齿反电极元件44、46中的至少一者的表面的仅一部分覆盖有绝缘材料。然而，梳齿反电极元件44、46中的至少一者的整个表面也能够覆盖有绝缘材料或膜。在另一实施例中，绝缘层或膜可以作为单独的层或膜引入，并且设置在梳齿反电极元件44、46之间。在一些实施例中，一旦绝缘材料被引入在梳齿反电极元件44、46之间，在麦克风管芯30中就不需要间隙52来分开和隔离梳齿反电极元件44、46。在一定程度上，间隙52可以仍然存在于梳齿反电极元件44、46之间，其中，绝缘材料在梳齿反电极元件44、46的外围边缘处存在于麦克风管芯30。
梳齿反电极元件42、44、46中的每一个包括梳齿结构42a、44a、46a，其具有分别从梳齿反电极元件42、44、46的一部分图案化出来的一系列梳齿。梳齿结构44a、46a从梳齿反电极元件44、46的所述一部分突出，并朝向梳齿反电极元件42延伸。类似地，梳齿反电极元件42的梳齿结构42a从梳齿反电极元件42的所述一部分突出，并朝向梳齿反电极元件44、46延伸。梳齿结构42a的顶部部分被梳齿结构44a围绕，并且梳齿结构42a的底部部分被梳齿结构46a围绕。出于若干种原因，可以引入具有各种极性配置的MEMS传感器。在一个实施例中，MEMS传感器包括具有不同电势的极性配置，以用于偏压顶部电极元件44和底部电极元件46。在另一实施例中，MEMS传感器包括具有不同或相反极性的极性配置，并且被配置成收集噪声信号，同时由顶部电极元件44和底部电极元件46产生的信号被抵消、组合从顶部电极元件44和底部电极元件46接收的结果信号值抑或减去从顶部电极元件44和底部电极元件46接收的结果信号值。在进一步的另一实施例中，MEMS传感器包括具有相同极性的极性配置，并且被配置成读出由顶部电极元件44和底部电极元件46产生的信号。在进一步的又一实施例中，MEMS传感器包括具有相同抑或不同/相反极性的交替极性配置，以执行上述功能中的至少一个。因为梳齿结构42a的梳齿和梳齿结构44a、44a中的至少一者的梳齿处于不同的电势，所以用于绝缘目的的间隙52位于它们之间。虽然梳齿反电极元件42、44、46的梳齿结构42a、44a、46a具有相等的长度和相等的宽度，但是梳齿反电极元件42的梳齿结构42a、44a、46a的长度可以不同于梳齿反电极元件44、46的梳齿结构42a、44a、46a的长度。也就是说，为了应用的目的，可以选择对梳齿反电极元件42、44、46的梳齿的测量。取决于应用，梳齿反电极元件42、44、46的梳齿的配置和几何形状可以不同。尽管梳齿反电极组件36形成如图3I中所描绘的六边形形状，但是在不脱离本公开的精神的情况下，可以在各种测量中使用其它几何形状。
在图3A-3E和3G-3I中图示了将中间梳齿反电极元件42联接到第一膜片38和第二膜片40的连接构件48。在一个实施例中，连接构件48能够被制造为中间梳齿反电极元件42的一部分，其中，连接构件48包括顶部部分和底部部分。顶部部分连接构件从中间梳齿反电极元件42的顶部表面朝向顶部膜片38向上延伸并连接到顶部膜片38。底部部分连接构件从中间梳齿反电极元件42的底部表面朝向底部膜片40向下延伸并连接到底部膜片40。在另一实施例中，连接构件能够被制造为第一膜片38和第二膜片40的一部分，其中，顶部连接构件从顶部膜片38朝向中间梳齿反电极元件42向下延伸并连接到中间梳齿反电极元件42，并且底部连接构件从底部膜片40朝向中间梳齿反电极元件38向上延伸并连接到中间梳齿反电极元件38。在又一实施例中，连接构件48包括顶部连接构件和底部连接构件。每个构件包括第一端和第二端。顶部连接构件的第一端附接到顶部膜片38的内表面，并且顶部连接构件的第二端附接到中间梳齿反电极元件42的顶部表面。底部连接构件的第一端附接到底部膜片40的内表面，并且顶部连接构件的第二端附接到中间梳齿反电极元件42的底部表面。
与图3A-3E和3G-3I不同，图3F的麦克风管芯30不需要连接构件。电介质组件50用作屏障，该屏障具有形成在电介质组件中以接收声波的开口54，而梳齿反电极组件36用作膜片梳齿反电极组件。
现在返回到图3C，刚性壁45将顶部电极构件38联接到底部电极构件40，它们共同形成内部区域或电极区域60。这种构造将内部区域60与位于驱动系统32外部的外部区域或环境区域62分开。这样，形成了由内部区域60限定的密封空腔。
在一个实施例中，内部区域60和外部区域62通过使用气体可透过且碎屑不可透过的材料来形成38、40或45而成为气体可透过且碎屑不可透过的。所述材料例如包括允许气体在区域60、62内容易地/自由地流动同时阻挡或防止碎屑穿透的孔隙率。内部区域60中的压力与外部区域62中的压力基本上相同。
在另一实施例中，内部区域60和外部区域62通过使用用于38、40和45的气体不可透过且碎屑不可透过的材料而成为气体不可透过且碎屑不可透过的。内部区域60中的压力可以与外部区域62基本上相同或不同。例如，内部区域60中的压力能够高于或低于外部区域62中的压力。取决于周边环境，电极区域60和环境区域62中的压力可以基本上等于、高于或低于大气压力。在一些其它周围环境中，电极区域60中的压力可以低于环境区域62中的压力，而区域60、62两者中的压力可以低于或高于大气压力。在又一周边环境中，电极区域60中的压力可以高于环境区域62中的压力，而区域60、62两者中的压力可以低于或高于大气压力。
驱动系统32被组装在具有限定的气氛的封闭室内。限定的气氛包括处于一定压力和温度下的一定气体混合物。所述气体可以是单原子气体或双原子气体。例如，所述气体是氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氢气、氧气、氮气、一氧化碳。在一些示例中，所述气体可以具有低粘度，诸如甲烷、乙烷和氨气。在组装阶段期间可以引入至少一种或多种组合的气态物质或气体。在电极区域60内，在组装完成之后，封装限定状态的气体。例如，电极区域60中存在的气体的压力能够在0.0001-1.1巴之间、在0.001 - 0.05巴之间、低于0.0001巴、高于0.05巴。现在，具有所述范围的压力的限定状态的气体在电极区域60中被引入，人为噪声被显著降低，这然后改进了由驱动系统32产生的声学信号。
驱动系统32可以由诸如硅、氮化硅、碳化硅、氧化硅、石墨烯、电介质、聚合物、金属或任何其它合适的材料形成。在一个实施例中，膜片38和40基本上由低导电材料或绝缘材料（例如1 - 1E18 Ohm*cm）制成，诸如，例如氮化硅，刚性壁45基本上由低导电材料或绝缘材料制成，诸如，例如二氧化硅或氮化硅，连接构件48基本上由低导电材料或绝缘材料制成，诸如，例如二氧化硅或氮化硅，梳齿反电极元件42、44和44a基本上由导电材料制成，诸如，例如硅或掺杂硅，基座34基本上由导电材料或半导体材料或低导电材料或绝缘材料制成，诸如硅或二氧化硅。
在一个实施例中，膜片38和40基本上由具有例如0.1-2000 MPa或0.1-10 MPa或10-50 MPa或50-100 MPa或100-300 MPa或300-2000 MPa的拉伸应力或拉伸残余应力的材料制成或包含该材料。在一个实施例中，膜片38和40基本上由具有1-100 MPa的拉伸残余应力的低应力氮化物（LSN）制成。在一个实施例中，膜片38和40的厚度在0.1 - 5微米的范围内。在一个实施例中，膜片38和40以及连接元件48包含由导电材料制成的滑道（runner），以将梳齿反电极42电接触到MEMS芯片的外围处的接合焊盘。
当声波穿过图1和2A-2C的麦克风系统10的开口22时，声波撞击在驱动系统32上而引起驱动系统32挠曲，即上下振动。驱动系统32的这种移动产生电极之间的重叠面积的量的变化，该变化被转换成电容的变化，电容的变化被部件26（即，ASIC）转换成电信号。然后，ASIC测量当电容由于驱动系统32响应于声波的运动而改变时所引起的电压/电荷/电流变化中的至少一者。
在图3A-3E和3G-3I的麦克风30中，声波撞击在膜片38、40中的一者上，以使其响应于由声波引起的气压的变化而上下振动。膜片38、40中的一者的移动进而经由连接构件48引起中间梳齿反电极元件42的移动。中间梳齿反电极元件42的这种移动产生电极之间的重叠面积的变化，该变化被转换成中间梳齿反电极元件42的梳齿与顶部梳齿反电极元件44和底部梳齿反电极元件46的梳齿之间的电容的量的变化，该电容的量的变化转换成电信号。
在图3F的麦克风30中，声波穿过顶背板38、40中的一者的开口50并撞击在中间膜片梳齿反电极元件42上，该中间膜片梳齿反电极元件42进而响应于由声波引起的空气压力的变化而上下振动。中间膜片梳齿反电极元件42的移动在中间梳齿反电极元件48的梳齿与顶部梳齿反电极元件44和底部梳齿反电极元件46的梳齿之间产生电容的量的变化，该变化被转换成电信号。
图4是根据本公开的各种实施例的驱动系统132的横截面图。与图3A的驱动系统32不同，顶部梳齿反电极元件144和底部梳齿反电极元件146分别被集成且形成为顶部膜片138和底部膜片140的一部分。如能够看到的，顶部梳齿反电极元件144和顶部膜片138形成C形。类似地，底部梳齿反电极元件146和底部膜片140形成倒C形。顶部梳齿反电极元件144和底部梳齿反电极元件146中的每一者包括从顶部梳齿反电极元件144和底部梳齿反电极元件146的主体朝向中间梳齿反电极元件142突出的一系列梳齿144a、146a。间隙152、绝缘层抑或其组合位于顶部梳齿反电极元件144和底部梳齿反电极元件146之间。如所图示的，绝缘层156形成在顶部梳齿反电极元件144和底部梳齿反电极元件146之间，以限制由声波引起的在顶部膜片138和底部膜片140的边缘处的移动。
当声波撞击在膜片138、140中的一者上时，除了膜片138、140中的一者的边缘处于非移动运动中之外，膜片138、140中的一者的中心响应于由声波引起的空气压力的变化而上下振动。膜片138、140中的一者的移动进而经由连接构件148引起中间梳齿反电极元件142的移动。中间梳齿反电极元件142的这种移动在中间梳齿反电极元件142的梳齿142a与顶部梳齿反电极元件144和底部梳齿反电极元件146的梳齿之间产生电容的量的变化，该变化被转换成电信号。
图5A和5B是根据本公开的各种实施例的驱动系统232的横截面图。不同于图3A的驱动系统32，顶部膜片238和底部膜片240、连接构件248和中间梳齿反电极元件242形成为作为单个组件的一部分。当声波撞击在膜片238、240中的一者上时，膜片238、240中的一者响应于由声波引起的空气压力的变化而上下振动。膜片238、240中的一者的移动进而经由连接构件248引起中间梳齿反电极元件242的移动。中间梳齿反电极元件242的这种移动在中间梳齿反电极元件242的梳齿与顶部梳齿反电极元件244和底部梳齿反电极元件246的梳齿之间产生电容的量的变化，该变化被转换成电信号。现在在图5B中图示，形成在绝缘体壁或刚性壁256上的如虚线所示的可选开口O被配置成接收梳齿反电极元件244和246中的至少一者或多者。在替代实施例中，可选的空腔O可以形成在梳齿反电极元件244和246上，以用于接收刚性壁256。
图6是根据本公开的各种实施例的驱动系统332的横截面图。不同于图3A的驱动系统32，顶部梳齿反电极元件344和底部梳齿反电极元件346的边缘用层356绝缘。当声波撞击在膜片338、340中的一者上时，除了顶部梳齿反电极元件344和底部梳齿反电极元件346的边缘处于非移动运动中之外，膜片338、340中的一者响应于由声波引起的空气压力的变化而上下振动。膜片338、340中的一者的移动进而经由连接构件48引起中间梳齿反电极元件342的移动。中间梳齿反电极元件342的这种移动在中间梳齿反电极元件342的梳齿342a与顶部梳齿反电极元件344和底部梳齿反电极元件346的梳齿344a、346a之间产生电容的量的变化，该变化被转换成电信号。
图7A-7C是根据本公开的各种实施例的各种驱动系统432的横截面图。不同于图6的驱动系统332，开口458可选地形成在中间梳齿反电极元件442中，以便形成柱448。提供了将中间梳齿反电极元件442联接到顶部膜片438和底部膜片440的两个附加的连接构件448’、448”。如图7B和7C中所图示的可选间隙452可以形成在邻近于梳齿电极元件组件436的任何位置上，并将梳齿电极元件组件436分成上部梳齿电极元件组件和下部梳齿电极元件组件。当声波撞击膜片438、440中的一者时，膜片438、440中的一者响应于由声波引起的空气压力的变化而上下振动。膜片438、440中的一者的移动进而经由连接构件448、448’和448”引起中间梳齿反电极元件442的移动。中间梳齿反电极元件442的这种移动在中间梳齿反电极元件442的梳齿442a与顶部梳齿反电极元件444和底部梳齿反电极元件446的梳齿444a、446a之间产生电容量的变化，该变化被转换成电信号。
图8是根据本公开的各种实施例的驱动系统532的横截面图。不同于图6的驱动系统332，泄漏孔558形成在中间梳齿反电极元件542中，以平衡由于天气变化、高度、海拔或任何环境变化而在前体积和后体积中形成的压力。泄漏孔558可以形成在并位于中间梳齿反电极元件542内。在一个实施例中，泄漏孔558形成在中间梳齿反电极元件542的中心部分处或中心部分附近。在另一实施例中，泄漏孔558形成在中间梳齿反电极元件542的圆周部分处或其附近。系统中可以形成多于一个的泄漏孔558。替代地，可以在系统中形成多个刺穿的孔。如能够看到的，开口558的两端都使用连接构件548覆盖或密封。连接构件548的相对端进而联接到膜片538、540。当声波撞击在膜片538、540中的一者上时，膜片538、540中的一者响应于由声波引起的空气压力的变化而上下振动。膜片538、540中的一者的移动进而经由连接构件548、548’和548”引起中间梳齿反电极元件542的移动。中间梳齿反电极元件542的这种移动在中间梳齿反电极元件542的梳齿542a与顶部梳齿反电极元件544和底部梳齿反电极元件546的梳齿544a、546a之间产生电容的量的变化，该变化被转换成电信号。
图9A和9B是根据本公开的各种实施例的驱动系统632的横截面图。不同于图1的驱动系统32，两个中间梳齿反电极元件642、642’形成在梳齿反电极组件636中，该梳齿反电极组件636具有分别将中间梳齿反电极元件642、642’联接到顶部膜片638和底部膜片640的单独的连接构件648、648’。中间梳齿反电极元件642、642’中的每一个包括围绕中间梳齿反电极元件642、642’的圆周形成的一系列梳齿642a、642’a。梳齿642a、642’a朝向梳齿反电极元件644、646的梳齿644a、646a突出并延伸。连接构件648、648’的一端附接到顶部膜片638抑或底部膜片640，并且连接构件648、648’的相对端附接到中间梳齿反电极元件642、642’的中心部分。当声波撞击在膜片638、640中的一者上时，膜片638、640中的一者响应于由声波引起的空气压力的变化而上下振动。膜片638、640中的一者的移动进而经由连接构件648、648’引起中间梳齿反电极元件642、642’的移动。中间梳齿反电极元件642、642’的这种移动在中间梳齿反电极元件642、642’的梳齿642a、642’a与顶部梳齿反电极元件644和底部梳齿反电极元件646的梳齿644a、646之间产生电容的量的变化，该变化被转换成电信号。在一个实施例中，元件644和642是穿孔板。元件656能够是可选的，并且在某些应用中不需要。如图9B中所描绘的，位于驱动系统的中心处以用于接收连接构件656的可选开口O’可以由任何合适的几何形状形成。替代地，开口O’的位置能够是在644或646上的任何位置。
图10是根据本公开的各种实施例的驱动系统732的横截面图。不同于先前的驱动系统，其中，顶部和底部梳齿反电极元件被构建为单独的层。驱动系统732中的顶部和底部梳齿反电极元件与梳齿电极组件736一起形成为单个单元。驱动系统732包括顶部膜片738和底部膜片740，其中集成的一系列梳齿738a、740a彼此面对和相对。梳状驱动反电极组件736包括外围边缘部分和中间部分。在中间部分内包括彼此邻接的第一组梳齿736a和第二组梳齿736b，它们配置成接收膜片738、740的梳齿738a、740a。在一个实施例中，贯通通道形成在第一组梳齿736a和第二组梳齿736b上，以接收膜片738、740的连接连杆或梳齿738a、740a中的至少一者。在另一实施例中，第一组梳齿736a和第二组梳齿736b使面向膜片738、740的外端部分终止于梳齿驱动反电极组件736的顶部表面和底部表面上，并且相对的内端部分终止于梳齿驱动反电极组件736内的与第一组梳齿736a和第二组梳齿736b的内端部分相对的点处且不相互接触。可选的连接构件738可以形成在第一梳齿736a和第二组梳齿736b的梳齿736a、736b之间。梳齿驱动反电极组件736和膜片738、740通过形成在它们之间的材料756绝缘。
膜片738、740包括一系列梳齿38a、40a，这些梳齿朝向第一组梳齿736a和第二组梳齿736b延伸并向内突出到第一组梳齿736a和第二组梳齿736b。当声波撞击在膜片738、740中的一者上时，膜片738、740中的一者响应于由声波引起的空气压力的变化而上下振动。膜片738、740中的一者的移动进而引起梳齿736a、736b的移动，即在上下运动中朝向梳齿736a和梳齿736a的外侧的移动。膜片738、740的这种移动产生膜片738、740的梳齿736a、736b和梳齿736a之间的电容的量的变化。
图11是根据本公开的各种实施例的驱动系统832的横截面图。除了电极组件包括从膜片838、840悬置并经由桥861、861’连接到膜片838、840的第一构件838’和第二构件840’之外，驱动系统832类似于图10的驱动系统732。第一构件838’和第二构件840’的外围边缘包括向外突出的一系列梳齿838’、840’。梳齿反电极组件836包括向内且朝向第一构件838’和第二构件840’的梳齿838’a、840’a突出的一系列梳齿836a。可选的连接构件848可以设置在悬置的第一构件838’和第二构件840’之间。当声波撞击在膜片838、840中的一者上时，膜片838、840中的一者响应于由声波引起的空气压力的变化而上下振动。膜片838、840中的一者的移动进而引起悬置的第一膜片838’和第二膜片840’的移动。悬置的第一膜片838’和第二膜片840’的这种移动引起梳齿838’a、840’a进出梳齿836a，这然后在梳齿838’a和梳齿840’a与梳齿836a之间产生电容的量的变化。
图12是根据本公开的各种实施例的驱动系统932的横截面图。除了用于将第一构件938’和第二构件940’连接到膜片938、940的桥861、861’被连接组件948代替之外，驱动系统932类似于图10的驱动系统732。第一构件938’和第二构件940’以及膜片938、940现在被构建为单独的构件。第一连接构件948a将膜片938联接到第一构件938’。第二连接构件948b联接在第一构件938’和第二构件940’之间。第三连接构件948c将膜片940联接到第二构件940’。代替将梳齿反电极组件936制造为如图11中描绘的单独组件，梳齿反电极组件936形成为顶部膜片938和底部膜片940的一体部分。一系列梳齿936a形成在梳齿反电极组件936中，并向内且朝向第一构件938’和第二构件940’的梳齿938’a、940’a突出。当声波撞击在膜片938、940中的一者上时，膜片938、940中的一者响应于由声波引起的空气压力的变化而上下振动。膜片938、940中的一者的移动进而经由连接组件948引起第一构件938’和第二构件940’的移动。第一构件938’和第二构件940’的这种移动引起梳齿938’a、940’a进出梳齿936a，这然后在梳齿938’a、940’a与梳齿936a之间产生电容的量的变化。
为了在电极区域960中形成一定压力，膜片938包含至少部分地覆盖膜片938的密封元件930。密封元件930在驱动系统932的制造期间形成，以密封的电极区域960。在密封电极区域960之前，存在开口而不是密封元件930。
在一个实施例中，驱动系统932是MEMS麦克风或MEMS压力传感器的一部分。电极区域960在制造期间形成，其包括释放步骤，在此之后，在930的位置处存在开口。电极区域960中的压力（例如，真空）通过开口形成，例如通过排空电极区域960。目标压力通过在电极区域正具有合适的压力时密封开口来实现。该密封通过在合适的压力下用密封元件930封闭开口来进行。
图13是根据本公开的各种实施例的驱动系统1032的横截面图。驱动系统1032的配置形成图12的驱动系统932的第一构件938’和第二构件940’以及图11的驱动系统832的电极组件836的组合配置。当声波撞击在膜片1038、1040中的一者上时，膜片1038、1040中的一者响应于由声波引起的空气压力的变化而上下振动。膜片1038、1040中的一者的移动进而经由连接组件1048引起第一构件1038’和第二构件1040’的移动。第一构件1038’和第二构件1040’的这种移动引起梳齿1038’a、1040’a进出梳齿1036a，这然后在梳齿1038’a、梳齿1040’a与梳齿1036a之间产生电容的量的变化。
已经通过示例的方式示出了上面描述的实施例，并且应当理解，这些实施例可以容易地进行各种修改和替代形式。还应当理解，权利要求不旨在限于所公开的特定形式，而是覆盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代方案。
虽然已经参考各种实施例描述了本专利，但是应当理解，这些实施例是说明性的，并且本公开的范围不限于这些实施例。许多变型、修改、添加和改进都是可能的。更一般地，已经在上下文或特定实施例中描述了根据本专利的实施例。功能可以在本公开的各种实施例中被不同地分开或以块组合，或者利用不同的术语来描述。这些和其它变型、修改、添加和改进可以落入如所附权利要求限定的本公开的范围内。
Claims (18)
1.一种微机电系统（MEMS）麦克风，包括：
基座单元；
设置在所述基座单元上的驱动系统，所述驱动系统包括：
第一膜片；
与所述第一膜片间隔开的第二膜片；
包括移动电极构件的梳齿反电极组件，所述反电极组件机械地联接到所述第一膜片和所述第二膜片；以及
侧壁，所述侧壁将所述第一膜片机械地联接到所述第二膜片，从而限定密封的电极区域；
其中，所述密封的电极区域具有封装的气体压力，并且所述梳齿反电极组件设置在所述密封的电极区域内。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述第一膜片基本上由具有低导电性的材料制成，并且所述第二膜片基本上由具有低导电性的材料制成。
3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述移动电极构件基本上由具有导电性的材料制成。
4.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其中，所述膜片中的一个或多个基本上由具有拉伸残余应力的材料制成。
5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述梳齿反电极组件包括具有拉伸残余应力的材料。
6.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，还包括将所述反电极组件机械地联接到所述第一膜片和所述第二膜片的连接构件。
7.根据权利要求6所述的MEMS麦克风，还包括形成在所述驱动系统内的一个或多个柱。
8.根据权利要求7所述的MEMS麦克风，还包括形成在所述柱或所述连接构件中的至少一者上的泄漏孔。
9.根据权利要求5所述的MEMS麦克风，其中，所述梳齿反电极组件包括形成在所述密封的电极区域内的至少两个反电极。
10.一种用于微机电系统（MEMS）麦克风的驱动系统，包括：
电极组件，所述电极组件包括：
第一膜片；
与所述第一膜片间隔开的第二膜片；以及
形成在所述第一膜片和所述第二膜片之间的间隙；
形成在所述第一膜片和所述第二膜片内的梳齿反电极组件，所述梳齿反电极组件包括：
移动电极构件；
至少两个反电极构件；以及
侧壁，所述侧壁将两个反电极构件机械地联接到所述第一膜片和所述第二膜片，从而限定密封的电极区域；
其中，所述密封的电极区域具有封装的气体压力，并且所述梳齿反电极组件设置在所述密封的电极区域内。
11.根据权利要求10所述的驱动系统，其中，所述第一膜片基本上由具有低导电性的材料制成，并且所述第二膜片基本上由具有低导电性的材料制成。
12.根据权利要求10所述的驱动系统，其中，所述移动电极构件基本上由具有导电性的材料制成。
13.根据权利要求11所述的驱动系统，其中，所述膜片中的一个或多个基本上由具有拉伸残余应力的材料制成。
14.根据权利要求10所述的驱动系统，其中，所述梳齿反电极组件包括具有拉伸残余应力的材料。
15.根据权利要求10所述的驱动系统，还包括将所述反电极组件机械地联接到所述第一膜片和所述第二膜片的连接构件。
16.根据权利要求15所述的驱动系统，还包括形成在所述驱动系统内的一个或多个柱。
17.根据权利要求16所述的驱动系统，还包括形成在所述柱或所述连接构件中的至少一者上的泄漏孔。
18.根据权利要求14所述的驱动系统，其中，所述梳齿反电极组件包括形成在所述密封的电极区域内的至少两个反电极。
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