CN112261526A - Mems声传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MEMS声传感器，其包括具有背腔的基底、定子及活动悬臂，所述定子具有悬置于所述背腔的中心部及自所述中心部延伸至所述基底并固定在所述基底上的至少两个固定臂，所述活动悬臂位于相邻两所述固定臂之间，所述活动悬臂固定在所述基底上，且所述活动悬臂至少部分正对所述背腔。其中，所述活动悬臂具有固定于所述基底的固定端以及与所述固定臂相对且间隔设置的自由边，所述自由边上形成有多个移动梳齿，所述定子具有形成在所述固定臂上的多个固定梳齿，所述移动梳齿和所述固定梳齿彼此配合以形成具有重叠区域的电容器。与相关技术相比，本发明的MEMS声传感器可提高灵敏度。

Description

MEMS声传感器
【技术领域】
本发明涉及麦克风，尤其涉及一种MEMS声传感器。
【背景技术】
相关技术公开了一种梳齿驱动MEMS装置的系统和方法。该梳齿驱动MEMS装置具有一个悬臂和一个定子,悬臂可在声压波驱动下上下振动。悬臂包括连接其边缘的转子梳齿定子包括固定梳齿。然而，这种由一个悬臂和一个定子形成的MEMS装置灵敏度低。
因此，实有必要提供一种新的MEMS声传感器解决上述技术问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种MEMS声传感器，以解决相关技术中的MEMS声传感器灵敏度低的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种MEMS声传感器，包括：
一种MEMS声传感器，其包括具有背腔的基底、定子以及可振动的活动悬臂，所述定子具有悬置于所述背腔的中心部及自所述中心部延伸至所述基底并固定在所述基底上的至少两个固定臂，所述活动悬臂位于相邻两个所述固定臂之间，所述活动悬臂固定在所述基底上，且所述活动悬臂至少部分正对所述背腔，所述活动悬臂具有固定于所述基底的固定端以及与所述固定臂相对且间隔设置的自由边，所述自由边上形成有多个移动梳齿，所述定子具有形成在所述固定臂上的多个固定梳齿，所述移动梳齿和所述固定梳齿彼此配合以形成具有重叠区域的电容器。
优选地，所述MEMS声传感器，还包括四个所述活动悬臂，所述定子具有四个所述固定臂。
优选地，所述MEMS声传感器还包括衬垫，所述衬垫固定在所述基底上，所述固定端固定在所述衬垫远离所述基底的一侧上。
优选地，所述活动悬臂在振动方向上的高度等于所述固定臂在振动方向上的高度。
优选地，所述活动悬臂的自由边沿所述活动悬臂的振动方向上的高度小于所述定子在振动方向上的高度，所述活动悬臂还包括自所述自由边沿所述活动悬臂的振动方向延伸的突出部；所述突出部的高度等于所述固定臂的高度。
优选地，所述固定臂具有顶层和底层，所述顶层和所述底层彼此间隔并电隔离。
优选地，所述定子还包括形成在所述顶层和所述底层之间的绝缘层。
优选地，在所述顶层和所述底层之间形成气隙。
优选地，所述MEMS声传感器还包括安装在所述基底上的背板，所述背板与所述活动悬臂沿所述活动悬臂的振动方向间隔设置，且所述背板与所述活动悬臂之间电容耦合；所述背板还包括贯穿其上的多个通孔。
优选地，所述定子的中心部悬置于所述背腔的中心位置，所述定子与所述活动悬臂共同构成轴对称图形，所述移动梳齿、固定梳齿均为矩形梳齿状且相互对应间隔设置形成电容。
与相关技术相比，本发明的MEMS声传感器通过在相邻两固定臂之间设有活动悬臂，并在活动悬臂的自由边上设置多个移动梳齿以及在固定臂上设置多个固定梳齿，移动梳齿和固定梳齿彼此配合以形成具有重叠区域的电容器。这样配置MEMS声传感器的结构可以提高其灵敏度。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1至图3为本发明的MEMS声传感器实施例一的俯视图；
图4为图1所示MEMS声传感器沿A-A方向的剖视图；
图5为图1所示MEMS声传感器沿B-B方向的剖视图；
图6为图1所示MEMS声传感器中受到声波作用情况下某一状态的结构示意图；
图7为本发明的MEMS声传感器实施例二的剖视图；
图8至图11为本发明的MEMS声传感器实施例三的剖视图；
图12至图13为本发明的MEMS声传感器实施例四的剖视图；
图14至图15为本发明的MEMS声传感器实施例五的剖视图；
图16为本发明的MEMS声传感器实施例六的俯视图；
图17为本发明的MEMS声传感器实施例七的俯视图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1至图6所示，MEMS声传感器100包括具有背腔110的基底11、定子13及固定在基底11上且至少部分正对背腔110的活动悬臂121。定子13具有悬置于背腔110的中心部130及自中心部130延伸至基底11并固定在基底11上的至少两个固定臂132。活动悬臂121位于相邻两个固定臂132之间且与固定臂132间隔设置。活动悬臂121具有固定于基底11的固定端1210以及与固定臂132相对且间隔设置的自由边1211。L方向为活动悬臂121的振动方向。如图5所示，固定臂132沿L方向的表面与自由边1211沿l方向的表面间隔相对且共同形成具有重叠区域10的电容器。在本实施例中，定子13具有形成在固定臂132上的多个固定梳齿131，并且自由边1211也形成有多个移动梳齿1213。固定梳齿131、移动梳齿1213呈矩形梳齿状且相互对应间隔设置形成电容。如图4所示，沿L方向，固定梳齿131的表面与移动梳齿1213的表面间隔相对共同形成具有重叠区域10的电容器。优选地，活动悬臂121在振动方向L上的高度等于固定臂132在振动方向L上的高度。可以理解的是，在其他实施例中，活动悬臂121在振动方向L上的高度可以不等于固定臂132在振动方向L上的高度。
具体地说，定子13具有四个固定臂132，定子13的中心部130悬置于背腔110的中心位置，MEMS声传感器100具有四个活动悬臂121。如图1所示，四个固定臂132分别自中心部130向基底11的四边延伸，呈对称的十字形状，四个活动悬臂121位于相邻两个固定臂132之间，呈三角形，定子13与活动悬臂121共同形成呈轴对称的正方形。如图2所示，四个固定臂132分别自中心部130向基底11的四角延伸，呈对称的十字形状，活动悬臂121位于相邻两个固定臂132之间，呈三角形，定子13与活动悬臂121共同形成呈轴对称的八边形。如图3所示，四个固定臂132分别自中心部130向基底11的四边延伸，活动悬臂121呈矩形。定子13与活动悬臂121共同形成呈轴对称的正方形。当MEMS声传感器100受到来自活动悬臂121顶部或基底11底部的声压波的影响时，活动悬臂121沿振动方向L上下振动。
活动悬臂121可直接由硅基图案化形成。固定端1210可锚定在基底11朝向背腔110的内侧。
活动悬臂121可由单一材料或多种材料组合制成。例如，制成活动悬臂121的材料可以是单晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅、氧化硅、金属等。可替换地，活动悬臂121可由叠层制成，叠层可以由相同的材料制成，也可以由不同的材料制成。
实施例二
如图7所示，MEMS声传感器200的大部分元件与实施例一相同。实施例二与实施例一的区别如下：在实施例二中，MEMS声传感器200还包括衬垫205，衬垫205固定在基底21上。活动悬臂221可作为独立元件制成，且包括固定端2210，固定端2210可以通过粘合等方式固定到衬垫205远离所述基底21的一侧上，活动悬臂221具有与固定臂232相对且间隔并延伸至背腔210的自由边2211。
实施例三
如图8-10所示，MEMS声传感器300的大部分元件与实施例一相同。实施例三与实施例一的区别如下：在实施例三中，活动悬臂321的自由边3211沿L方向的高度小于固定臂332的高度。为了增加沿L方向重叠区域30的面积，每个活动悬臂321还包括突出部3212，突出部3212自自由边3211沿活动悬臂321的振动方向L向下延伸或向上延伸或同时向上下延伸以增加重叠区域30的面积。优选地，突出部3212的高度等于固定臂332的高度。
可以理解的是，在其它实施例中，突出部3212在振动方向L上的高度可以不等于固定臂332在振动方向L上的高度。
在本实施例中，如图11所示，固定梳齿331可以设置在固定臂332的内部。
实施例四
如图12,13所示，MEMS声传感器400的大部分元件与实施例三相同。实施例四与实施例三的区别如下：在实施例四中，固定臂432包括底层4321和顶层4322，底层4321和顶层4322之间电隔离。如图12所示，固定臂432包括位于底层4321和顶层4322之间的气隙4327。如图13所示，固定臂432包括位于底层4321和顶层4322之间的绝缘体层4326。突出部4212的侧表面4215的一部分面向顶层4322的侧表面4323以形成上部重叠区域401，并且突出部4212的侧面4215的一部分面向底层4321的侧面4325以形成下重叠区域402。在这种配置下，MEMS声传感器可以是差分声传感器。所述活动悬臂被配置成当处于静止位置时，突出部4212与固定臂432在L方向上的重叠区域不覆盖顶层或底层的整个表面积。所述活动悬臂的位置控制可以通过控制和优化构成活动悬臂的材料的应力来实现。这样的位置是首选的，以便允许重叠区域在活动悬臂振动期间增加或减少。具体地，当受到声压波时，活动悬臂向上移动，顶层4322和活动悬臂之间的上重叠区域401的面积增大，电容增大；同时，底层4321和活动悬臂之间的下重叠区域402的面积减小，电容减小，反之亦然。根据这种行为，比较两个信号变化(相对于参考信号，一个电容增大和另一个电容减小)，就能够获得提高信噪比的差分输出。
实施例五
如图14,15所示，实施例五与实施例一的结构相同。实施例五与实施例一的区别如下：实施例五中的MEMS声传感器700还包括固定于基底的背板76，背板76和活动悬臂721在振动方向L上彼此间隔。背板76和活动悬臂721构成电容耦合。背板76具有贯穿其上的多个通孔760。利用这种结构，可以控制活动悬臂721的位置，以便将活动悬臂721的边缘和定子73的边缘布置在最佳位置，以便进行信号处理。
如图14所示，背板76固定在基底71上并收容于背腔710中。
或者，如图15所示，MEMS声传感器700还包括支撑构件77，支撑件77位于背板76与基底71之间，且背板76设置在活动悬臂721的上方。
实施例六
如图16所示，实施例六与实施例一的结构相同。实施例六与实施例一的区别如下：在实施例六中，定子83具有自中心部830向相反方向延伸的两个固定臂832。定子83整体大致呈长条形。MEMS声传感器800具有两个活动悬臂821，且两个活动悬臂821设置在定子83的两侧并且关于定子83对称，活动悬臂821呈矩形，定子83与活动悬臂821共同形成轴对称的正方形。
实施例七
如图17所示，实施例七与实施例一的结构相同。实施例七与实施例一的区别如下：在实施例七中，定子93具有自中心部930向不同方向延伸形成的三个固定臂932。MEMS声传感器900具有三个活动悬臂921，活动悬臂921呈三角形且与定子93共同构成一个轴对称的三角形。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种MEMS声传感器，其包括具有背腔的基底、定子以及可振动的活动悬臂，所述定子具有悬置于所述背腔的中心部及自所述中心部延伸至所述基底并固定在所述基底上的至少两个固定臂，所述活动悬臂位于相邻两个所述固定臂之间，所述活动悬臂固定在所述基底上，且所述活动悬臂至少部分正对所述背腔，其特征在于：所述活动悬臂具有固定于所述基底的固定端以及与所述固定臂相对且间隔设置的自由边，所述自由边上形成有多个移动梳齿，所述定子具有形成在所述固定臂上的多个固定梳齿，所述移动梳齿和所述固定梳齿彼此配合以形成具有重叠区域的电容器。
2.根据权利要求1所述的MEMS声传感器，还包括四个所述活动悬臂，所述定子具有四个所述固定臂。
3.根据权利要求1所述的MEMS声传感器，还包括衬垫，所述衬垫固定在所述基底上，所述固定端固定在所述衬垫远离所述基底的一侧上。
4.根据权利要求1所述的MEMS声传感器，其特征在于，所述活动悬臂在振动方向上的高度等于所述固定臂在振动方向上的高度。
5.根据权利要求1所述的MEMS声传感器，其特征在于，所述活动悬臂的自由边沿所述活动悬臂的振动方向上的高度小于所述定子在振动方向上的高度，所述活动悬臂还包括自所述自由边沿所述活动悬臂的振动方向延伸的突出部；所述突出部的高度等于所述固定臂的高度。
6.根据权利要求1所述的MEMS声传感器，其特征在于，所述固定臂具有顶层和底层，所述顶层和所述底层彼此间隔并电隔离。
7.根据权利要求6所述的MEMS声传感器，其特征在于，所述定子还包括形成在所述顶层和所述底层之间的绝缘层。
8.根据权利要求6所述的MEMS声传感器，其特征在于，在所述顶层和所述底层之间形成气隙。
9.根据权利要求1所述的MEMS声传感器，还包括安装在所述基底上的背板，所述背板与所述活动悬臂沿活动悬臂的振动方向间隔设置，且所述背板与所述活动悬臂之间电容耦合，所述背板还包括贯穿其上的多个通孔。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的MEMS声传感器，其特征在于，所述定子的中心部悬置于所述背腔的中心位置，所述定子与所述活动悬臂共同构成轴对称图形，所述移动梳齿、固定梳齿均为矩形梳齿状且相互对应间隔设置形成电容。
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