CN112689228B - Mems换能器、mems器件和麦克风组件 - Google Patents

Mems换能器、mems器件和麦克风组件 Download PDF

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Abstract

本公开涉及MEMS换能器、MEMS器件和麦克风组件。一种MEMS换能器，该MEMS换能器包括换能器基板、对电极以及振膜。对电极联接至换能器基板。振膜大致平行于对电极定向，并且与对电极间隔开以形成间隙。MEMS换能器的后腔容积是位于对电极与振膜之间的封闭容积。在MEMS换能器的音频频带的上限处，对电极与振膜之间的间隙的高度小于后腔容积内的热边界层厚度的两倍。

Description

MEMS换能器、MEMS器件和麦克风组件
技术领域
本公开涉及包括微机电系统(MEMS)的麦克风组件。
背景技术
包括微机电系统(MEMS)声换能器的麦克风组件将声能转换为电信号。麦克风组件可以用于移动通信设备、膝上型计算机和家电以及其它设备和机器。麦克风组件的重要参数是声信噪比(SNR)，声SNR将期望的信号电平(例如，由于麦克风组件捕获的声干扰而引起的信号幅度)与背景噪声电平进行比较。在包括MEMS声换能器的麦克风组件中，SNR通常限制可以实现的最小尺寸以及麦克风组件的整体封装大小。
发明内容
本公开的第一方面涉及一种MEMS换能器。所述MEMS换能器包括换能器基板、对电极以及振膜。所述对电极联接至所述换能器基板。所述振膜大致平行于所述对电极定向，并且与所述对电极间隔开以形成间隙。所述MEMS换能器的后腔容积是位于所述对电极与所述振膜之间的封闭容积。在所述MEMS换能器的音频频带的上限处，所述对电极与所述振膜之间的所述间隙的高度小于所述后腔容积内的热边界层厚度的两倍。
本公开的第二方面涉及一种MEMS器件。所述MEMS器件包括集成电路和MEMS换能器，所述MEMS换能器形成在所述集成电路上。所述MEMS换能器包括对电极和振膜，所述振膜大致平行于所述对电极定向，并且与所述对电极间隔开以形成间隙。所述MEMS换能器的后腔容积是位于所述对电极与所述振膜之间的封闭容积。在所述MEMS换能器的音频频带的上限处，所述对电极与所述振膜之间的所述间隙的高度小于所述后腔容积内的热边界层厚度的两倍。
本公开的第三方面涉及一种MEMS换能器。所述MEMS换能器包括：换能器基板；对电极，所述对电极联接至所述换能器基板；以及振膜，所述振膜大致平行于所述对电极定向，并且与所述对电极间隔开。所述MEMS换能器的后腔容积是位于所述振膜与所述换能器基板之间的封闭容积。
本公开的第四方面涉及一种麦克风组件。所述麦克风组件包括换能器基板以及振膜，所述振膜与所述换能器基板间隔开以形成后腔容积。所述后腔容积具有表面边界，所述后腔容积至少包括所述振膜和所述换能器基板。在音频频带的上限处，所述后腔容积内的任何位置距所述表面边界的距离在单个热边界层厚度内。
前述发明内容仅仅是例示性的，而不旨在以任何方式进行限制。除了上述例示性方面、实施方式以及特征以外，另外的方面、实施方式以及特征将通过参照下列附图和详细描述变得显而易见。
附图说明
结合附图，根据以下描述和所附权利要求，本公开的前述特征和其它特征将变得更加完全显而易见。这些附图仅描绘了根据本公开的多个实施方式，因此不应视为对本公开的范围的限制。下面结合附图更详细地描述各种实施方式。
图1是根据例示性实施方式的MEMS麦克风的侧截面视图。
图2是根据例示性实施方式的图1的MEMS麦克风的信号集总元件模型。
图3是根据例示性实施方式的MEMS麦克风的侧截面视图，该侧截面视图示出了MEMS麦克风的后腔容积内的热边界层。
图4是根据例示性实施方式的图3的MEMS麦克风的信号集总元件模型。
图5是根据例示性实施方式的超微型MEMS声换能器的侧截面视图。
图6是图5在超微型MEMS声换能器的后腔容积附近的再现。
图7是根据例示性实施方式的超微型压电MEMS换能器的侧截面视图。
图8是根据另一例示性实施方式的超微型压电MEMS换能器的侧截面视图。
图9是根据例示性实施方式的声噪声作为MEMS换能器的后腔容积的函数的图表。
图10是根据例示性实施方式的示出了热边界层厚度的变化作为声频的函数的图表。
图11是根据例示性实施方式的示出了声阻尼作为麦克风组件和超微型麦克风组件两者的频率的函数并且作为MEMS声换能器内的间隙高度的函数的图表。
图12是根据例示性实施方式的声SNR作为MEMS声换能器内的间隙高度的函数的图表。
图13是根据例示性实施方式的声SNR和灵敏度作为超微型MEMS声换能器内的间隙高度的函数的图表。
图14是根据另一例示性实施方式的超微型MEMS声换能器的侧截面视图。
图15是根据例示性实施方式的在超微型MEMS声换能器的不同振膜穿孔直径范围内声SNR作为超微型MEMS声换能器内的间隙高度的函数的图表。
图16是根据另一例示性实施方式的超微型MEMS声换能器的立体图和截面视图。
图17是图16的超微型MEMS声换能器的侧截面视图。
图18是根据另一例示性实施方式的超微型MEMS声换能器的立体图和截面图。
图19是根据另一例示性实施方式的超微型MEMS声换能器的侧截面视图。
图20是根据例示性实施方式的一体地形成在集成电路上的超微型MEMS声换能器的侧截面视图。
图21是根据例示性实施方式的超微型麦克风组件的侧截面视图。
图22是根据另一例示性实施方式的超微型麦克风组件的侧截面视图。
图23是根据另一例示性实施方式的超微型麦克风组件的侧截面视图。
在下面的详细描述中，参照附图描述了各种实施方式。技术人员将理解，附图是示意性的并且为了清楚而被简化，因此附图仅示出了对于理解本公开必不可少的细节，而省略了其它细节。贯穿全文，相同的附图标记指代相同的元件或部件。因此，将不必关于各个附图详细描述相同的元件或部件。
具体实施方式
压力式麦克风通常包括振膜，该振膜响应于其任一侧上的压力差。在全向麦克风10中，参见图1，振膜12的一侧联接至外部环境14，并且振膜12的该侧上的压力是大气压(Patm)与期望的声信号(Pac)之和。振膜12的另一侧上的压力由后腔容积16提供，该后腔容积16与外部环境14在声学上隔离，但仍通过小的声泄漏15在该后腔容积中保持大气压。
图2示出了图1的全向麦克风10的小信号集总元件模型。振膜12和后腔容积16的顺应性分别由CD和CBV表示。声泄漏15的电阻由RLeak表示。振膜12上的压力PD使振膜12移动。注意，在振膜12两侧上存在的大气压不是振膜移动的因素，并且没有被包括在该小信号模型中。还应注意，当后腔容积顺应性(CBV)比振膜的顺应性(CD)大时，多部分声压存在于振膜12上。如果后腔容积顺应性(CBV)比振膜的顺应性(CD)小，则振膜12上存在极少的声压。声泄漏电阻(RLeak)协同后腔容积顺应性(CBV)和振膜顺应性(CD)的并联组合起作用，以形成高通滤波器。因此，只有特定频率以上的声压信号将存在于振膜12上。
作为真正电阻的声泄漏生成热噪声。这种噪声表现为振膜12上的噪声压力。但是，后腔容积顺应性(CBV)和振膜顺应性(CD)的并联组合将噪声限制为低频，使得当在音频频率范围内对噪声积分时(噪声是受频带限制的，因此这等效于从零到无穷大积分)，结果是众所周知的量kT/C，其中k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，并且C是两个顺应性(CD和CBV)的并联组合。因此，针对特定的低频截止，由于声泄漏而导致的噪声通常随着更小的麦克风而增加。减少该噪声的唯一选项是降低更小的麦克风的截止频率。传统的A加权降低了低频泄漏噪声的显著性，即使针对具有足够低的截止频率的小型麦克风也是如此。
这是大于特定大小的麦克风的传统观点。然而，针对小型麦克风，另一因素变得显著。正如Kuntzman等人(以下称为“Kuntzman”)的“Thermal Boundary Layer Limitationson the Performance of Micromachined Microphones,”J.Acoust.Soc.Am.144(5),2018(其通过引用并入本文)指出的，热边界层是该因素。Kuntzman公开了麦克风组件的后腔容积内的空气的声学压缩和膨胀的影响作为麦克风组件外壳的尺寸的函数(例如，作为麦克风组件的后腔容积的函数)。Kuntzman指出：“针对热边界层相对于外壳尺寸变得足够大的情况(针对小的外壳和低频发生这种情况)，外壳内的空气的压缩和膨胀从绝热转变为等温，并且对绝热腔室阻抗的校正变得必要。外壳壁处的热传递耗散系统的能量，并产生声阻尼，根据涨落耗散定理，这会产生热声噪声”。Kuntzman还指出：“由于外壳中的热弛豫损失而产生的声阻尼可能是很大的噪声贡献者，特别是针对损耗最突出的小外壳大小而言。”概括地说，Kuntzman教导了增加麦克风组件的后腔容积以减小热声噪声是可取的。
如Thompson等人(以下称为“Thompson”)的“Thermal Boundary Layer Effectson the Acoustical Impedance of Enclosures and Consequences for AcousticalSensing Devices,”J.Acoust.Soc.Am.123(3),2008(其通过引用并入本文)所述，在低工作频率下，热声噪声的影响最显著。Thompson指出：“由于热效应而导致的麦克风灵敏度的变化是由[麦克风]外壳在低频下的顺应性变化引起的……如果由该电阻导致的噪声可能与麦克风中的其它热噪声源相当或大于该热噪声源，那么热阻可能会影响麦克风的内部噪声。”针对具有小外壳容积和低工作频率的MEMS换能器，热声噪声贡献预计最大，其中固体表面之间的距离约为后腔容积内的热边界层的厚度的数量级(该热边界层的厚度随着工作频率的减小而增大)。可以将热边界层厚度近似确定为：
Figure GDA0003497285990000051
其中ω是麦克风的工作角频率，并且其中κ是热导率，ρ0是密度，并且Cp是麦克风组件内部(例如，麦克风组件的后腔容积内)的气体在恒定压力下的比热)。上面的关系证实了热边界层厚度与麦克风的工作频率之间的依赖性。
例如包括麦克风、金属和塑料的材料都具有比空气大得多的热容量。因此，在后腔容积的各个表面处，存在与边界材料的热交换，并且这些表面基本上是等温的。热交换是频率相关的，并且有助于后腔容积的阻抗。实际上，当后腔容积中的空气被压缩时，其温度会升高。在给定频率下，边界扩散长度内的空气部分将这种热量释放至边界材料。当后腔容积中的空气稀少时，空气的温度下降，但是边界扩散长度内的空气部分从边界材料获取热量。
图3描绘了图1的全向麦克风10的热边界层18。在该图中，热边界层18被阴影化，以描绘热边界层18的厚度20如何随频率变化。较深的阴影对应于较高频率下的厚度20。因此，在高频下，热边界层18相当薄，而在低频下，热边界层18更厚。热边界层18对模型的影响如图4所示。现在，后腔容积的顺应性用复数阻抗代替。复数阻抗的实部取决于频率和麦克风大小，因此产生针对振膜上的压力的噪声贡献。这种噪声影响的分析很复杂，但在Kuntzman中进行了介绍。实际上，随着麦克风变小，热边界层膨胀，以消耗更多的总后腔容积，并且当集成时，随着麦克风尺寸减小，对振膜上的压力的总噪声影响会增大。这是另一预期的kT/C效应。发明人发现了与常规观点相反的意外尺寸区域。在非常小的尺寸下，热边界层消耗整个后腔容积，尤其针对低于音频的频率(<20kHz)，在总后腔容积内存在很大一部分热边界层容积的情况下，噪声增加的趋势会逆转。这是因为噪声频带现在超过了音频频带。如果我们将噪声从零到无穷大频率进行积分，我们仍然会得到kT/C，其随着尺寸的减小而增大。然而，我们只需要在音频频带上进行积分，随着尺寸的减小，这会导致较小的总噪声功率部分。
关于用于从振膜移动提取电信号的转导方法，该整个讨论是不可知的。该转导方法可以是任何已知方法(诸如光学的、压阻的、压电的或电容性的)。
通常，本文公开了用于为超微型麦克风组件中的MEMS声换能器提供高声信噪比(SNR)性能的系统和设备。具体地，本文公开了MEMS声换能器，其中在用于MEMS换能器的音频频带的上限处，后腔容积内的任何点与最接近该点的固体表面之间的距离小于单个热边界层厚度。由于热边界层厚度随频率的降低而增加(如上所述)，因此该限制确保了在MEMS换能器的大部分音频频带上，后腔容积内的任何点与最接近的固体表面之间的距离小于单个热边界层厚度。如下文所使用的，上限是音频信号被MEMS换能器检测到的音频频带的上限频率。例如，上限可以是集成电路正在监测音频信号的频带的上限(例如，20kHz)。
在各种例示性实施方式中，MEMS声换能器包括换能器基板、联接至换能器基板的固定的对电极以及能够移动的振膜。振膜大致平行于对电极定向并且与对电极间隔开以形成间隙(例如，对电极与振膜之间的间隔)。对电极是实心的无孔结构，使得MEMS换能器的后腔容积是位于对电极与振膜之间的封闭容积。换句话说，整个后腔容积位于沿着在相对于对电极的表面大致垂直的取向上延伸的直线的两个点之间的区域中，第一点在对电极的表面上，并且第二点在振膜的表面上。如本文所使用的，短语“封闭容积”是指大致封闭但可以不被完全封闭的容积。例如，封闭容积可以指经由振膜中的穿孔或开口与围绕MEMS换能器的环境流体连接的容积。后腔容积不包括对电极的相反侧上的任何附加容积(例如，在MEMS换能器与麦克风组件的外部壳体、盖等之间形成的内部腔室)。在一些实施方式中，对电极可以形成用于MEMS换能器的背板。然而，为了避免与被穿孔的传统背板混淆，贯穿本公开，我们将使用术语对电极来强调电极可以是实心的未穿孔结构。在MEMS换能器的大部分音频频带上，后腔容积内的相邻固体表面之间的尺寸(例如，平行于MEMS换能器的中心轴线的、振膜与对电极之间的距离等)小于两倍的热边界层厚度。具体地，在MEMS换能器的大部分音频频带(例如，20Hz至20kHz)上，对电极与振膜之间的(例如轴向的)间隙大小小于后腔容积内的热边界层厚度的两倍。
在一些实施方式中，对电极的整个表面(例如，下表面)联接至换能器基板，这有利地增加了对电极的整体刚度(例如，使得对电极的刚度远大于对电极与振膜之间的容积内的空气的刚度)。因为对电极是不允许气流通过的实心结构，所以MEMS换能器可以形成(例如，或安装)在麦克风组件的其它部件上。例如，MEMS换能器可以形成在麦克风组件的集成电路上，这可以进一步减小麦克风组件的整体大小(例如，封装大小、占地面积等)。上面提供的总体描述的细节将参照图5至图23进行更全面的解释。
图5至图6示出了超微型麦克风组件的超微型MEMS换能器100的侧截面视图。超微型MEMS换能器100被配置为电容性声换能器，其被构造成响应于入射在超微型MEMS换能器100上的声干扰生成电信号。在其它实施方式中，MEMS换能器100可以是另一类型的换能器(诸如压电换能器、压阻换能器或光学换能器)。超微型MEMS换能器100包括换能器基板102、固定的对电极104以及能够移动的振膜106。换能器基板102支撑对电极104和振膜106。如图5所示，对电极104沿着对电极104的整个下表面108直接联接至换能器基板102。换能器基板102相对于振膜106(和对电极104)较大，以确保对电极104被刚性支撑。具体地，换能器基板102和对电极104的组合厚度109比振膜106的厚度112大一个数量级。在其它实施方式中，换能器基板102与振膜106之间的相对厚度可以不同。
对电极104直接沉积在换能器基板102的第一表面(例如，如图5所示的上表面)上。在一些实施方式中，如图5所示，对电极104沉积在或以其它方式连接至绝缘体114。绝缘体114可以由氮化硅或另一介电材料制成。对电极104可以由多晶硅或另一合适的导体制成。如图5所示，对电极104被“夹在”或以其它方式设置在换能器基板102与绝缘体114之间。对电极104至少部分地嵌入在绝缘体114的下表面内并且直接联接至换能器基板102。在其它实施方式中，对电极104的位置可以是不同的(例如，对电极104可以嵌入在绝缘体114的上表面内或形成在绝缘体114的上表面上)。在其它实施方式中，对电极104可以延伸至对电极104与振膜106之间的容积的外周(例如，对电极104的直径可以与振膜106的直径近似相同)。
振膜106平行(或大致平行)于对电极104定向，并且与对电极104间隔开以形成间隙。在各种例示性实施方式中，间隙表示圆柱形腔室(例如，对电极104与振膜106之间的圆柱形容积)的高度118。如将进一步描述的，对电极104与振膜106之间的容积形成麦克风组件的整个后腔容积103。振膜106通过中间层120(例如，介入层)间接地联接至对电极104，并且与对电极104间隔开至少中间层120。换句话说，振膜106通过中间层120连接至对电极104。中间层120的第一侧122联接至绝缘体114，该绝缘体114进而联接至对电极104。中间层120的第二侧124沿着振膜106的外围的至少一部分联接至振膜106。中间层120的高度126(例如，中间层120的平行于超微型MEMS换能器100的中心轴线128的轴向高度)加上绝缘体114的位于对电极104与中间层120之间的高度/厚度大约等于振膜106与对电极104之间的距离(例如，高度118)。在其它实施方式中，振膜106与对电极104之间的距离大约等于中间层120的高度。在各种例示性实施方式中，中间层120包括牺牲层(例如，氧化物层、硅酸磷玻璃(PSG)层、氮化物层或任何其它合适的材料)，该牺牲层沉积或以其它方式形成在对电极104上。在一些实施方式中，中间层120可以由氧化硅或可以被刻蚀而不会对换能器基板102、对电极104或振膜106产生影响的其它材料制成。
振膜106由多晶硅或另一导电材料制成。在其它实施方式中，振膜106包括绝缘层和导电层两者。如图6所示，振膜106的第一侧132面向后腔容积103。振膜106的与第一侧132相反的第二侧134面向麦克风组件的前部容积105。从前部容积105入射在振膜106的第二侧134上的声能131(例如，声波、声干扰等)使振膜106朝向或远离对电极104移动。对电极104与振膜106之间的距离的变化(例如，高度118的变化)导致电容的对应变化。可以生成表示电容变化的电信号，并将该电信号传输至麦克风组件的其它部分(诸如集成电路(未示出))，以进行处理。
对电极104是实心的无孔结构，使得对电极104与振膜106之间的容积形成麦克风组件的整个后腔容积103。相反，针对包括带孔的对电极(例如，具有多个通孔开口的背板)的MEMS换能器，后腔容积包括对电极104与振膜106之间的容积以及对电极104的相反侧上的任何附加流体(例如，空气)容积，对电极104与振膜106之间的空间流体地连接至该任何附加流体容积。
本公开的实施方式还可以包括其它类型的MEMS换能器。例如，超微型MEMS换能器可以是压电换能器、压阻换能器或光学换能器。图7示出了超微型压电MEMS换能器175的实施方式。超微型压电MEMS换能器175包括换能器基板177和振膜179，该振膜179联接至换能器基板177并且与换能器基板177间隔开。超微型压电MEMS换能器175还包括连接至振膜179的压电层181。如图7所示，压电层181可以连接(例如，沉积或以其它方式联接)至振膜179的下表面183。在其它实施方式中，如图8所示，压电层181可以连接至振膜179的上表面185。在任一种情况下，换能器基板177与振膜179之间的容积都形成了超微型压电MEMS换能器175的整个后腔容积187。
图9示出了MEMS换能器的20Hz至20kHz的音频频带(例如，范围)中的A加权声噪声200(下文称为“声噪声”)作为MEMS换能器的后腔容积大小的函数的曲线图。具体地，图9示出了声噪声200与具有对电极以及固定大小的振膜(例如，具有固定直径的振膜)的MEMS换能器的后腔容积之间的模拟关系。在模拟中，通过在0.5μm至8mm之间改变间隙大小(例如，高度118)，后腔容积103(也参见图5)在大约0.0006mm3至10mm3的范围内改变。如图9所示，声噪声200在大约9mm3至0.1mm3的范围内随着后腔容积(例如，高度118)的减小而增大。声噪声200在大约9mm3至0.1mm3之间的趋势与Kuntzman和Thompson两者中提供的讨论一致，Kuntzman和Thompson两者教导了声噪声随后腔容积103大小的减小而增大。令人惊讶地，在后腔容积103为大约0.1mm3(在超微型MEMS换能器的大小范围内)以下的位置，观察到了趋势的逆转(针对模拟的振膜直径)。如图9所示，在后腔容积103为大约0.0006mm3的位置，声噪声200已返回到大约等于在4mm3的位置所达到的电平(例如，总后腔容积103减少了大约7500倍)。
图10示出了热边界层厚度300与MEMS换能器(例如，图9中建模的MEMS换能器，并且假定在对电极与振膜之间的容积内提供了空气)之间的关系的曲线图。热边界层厚度300被示出为随着工作频率的增大而减小。在图10中，在MEMS声换能器的音频频带内(例如，在大约20Hz至20kHz之间的人类可听频率范围内)的工作频率范围内以图表方式示出了这种依赖性。
如图10所示，当对电极与振膜之间的间隙大小(例如，高度)较大时(例如，当间隙大于500μm时)，在MEMS声换能器的大部分音频频带上，热边界层厚度300小于间隙大小。随着间隙减小，在较大比例的音频频带上，热边界层厚度300变得等于或大于间隙大小。在该间隙大小范围内，热声噪声贡献最大，并且MEMS声换能器(例如，超微型MEMS换能器)的总SNR降低。
由朝向图10的底部的水平线302标识与改善的SNR性能相对应(例如，与图9的后腔容积相对应，针对该后腔容积观察到了声噪声趋势的逆转)的间隙大小的近似范围。如图所示，在超微型MEMS换能器100的大部分音频频带(例如，20Hz至20kHz之间)上，间隙大小(例如，图6所示的高度118)小于后腔容积103内的边界层厚度300的大约两倍。换句话说，按照使得后腔容积103内的任何点或位置与接触该后腔容积103的最接近的固体表面之间的距离小于单个热边界层厚度300的方式确定后腔容积103的尺寸。例如，如图6所示，在振膜106与绝缘体114之间的大约一半处的点119与振膜106和绝缘体114两者的后腔容积面向表面(后腔容积的最接近点119的固体表面)间隔开小于一个热边界层厚度300。
基于该数据(以及来自图9的数据)，根据间隙大小(例如，高度118)是1)在大部分音频频带上大于两倍的热边界层厚度还是2)在大部分音频频带上小于两倍的热边界层厚度，似乎存在两种不同热状况和机制。在非常小的间隙高度(比大多数现有麦克风组件小不到两个数量级)下声噪声减小的事实是不可预见的益处，这是以前尚未发现的。
图11示出了后腔容积阻尼(以下称为“阻尼”)作为在这两种不同热状况下工作的MEMS声换能器的频率的函数。上部曲线集400示出了具有大于热边界层厚度的间隙大小的MEMS换能器的阻尼。曲线400的间隙大小的减小方向由虚线箭头402指示。如图11所示，随着间隙大小减小，阻尼(和相关的热噪声)增大(例如，MEMS换能器的音频频带上的总噪声增大)。下部曲线集404示出了超微型MEMS换能器的阻尼响应，其中间隙大小小于热边界层厚度(例如，小于两倍的热边界层厚度，类似于图5至图6的超微型MEMS换能器100)。图11中的曲线404的间隙大小的减小方向由虚线箭头406指示。阻尼(以及相关的热噪声)被示出为随着间隙大小的减小而减小。另外，与上部曲线集400所表现的趋势不同，下部曲线集404表现出作为频率的函数的近似平坦的阻尼响应。针对诸如信号处理的波束形成的应用以及在低频下MEMS换能器的灵敏度降低的其它应用，这种特性可能尤其有利。
图12示出了针对超微型麦克风组件的振膜表面积的三个不同值(例如，振膜的直径，以及对应的后腔容积的直径)，声SNR作为间隙大小的函数。在对电极与振膜的不同表面积范围内提供了声SNR曲线。声SNR被示出为随着间隙的减小而增大。声SNR被示出为随着表面积的减小而减小。尽管SNR关于表面积的趋势与SNR关于间隙大小(例如，对电极与振膜之间的高度)的趋势相反，但是已经观察到，间隙的影响占主导。
图9至图12所示的结果是在假定活塞状振膜移位(例如，假定振膜没有弯曲或不具有弓度(bow)，并且沿着振膜表面的所有点移动相同量)的情况下模拟的。实际上，振膜106(参见图5)将不会以活塞状移动均匀地移位，而是将在施加到超微型MEMS换能器100的偏压下(并且还由于入射在振膜106上的声压)具有弓度或弯曲。因此，振膜106的移动将使间隙内的空气沿着轴向方向(例如，如图5所示的垂直向上和向下)和沿径向方向(例如，如图5所示的水平向左和向右)两者移动。后腔容积103内的空气的径向速度分量将导致粘滞损失，这将使超微型MEMS换能器的声噪声增大到图12所示的值以上。
图13示出了声SNR作为电极与振膜之间的间隙(对电极与振膜之间的垂直间距)的大小的函数的曲线图。曲线500示出了在假定活塞状振膜移动的情况下被建模的超微型MEMS换能器的声SNR。曲线502示出了假定在向超微型MEMS换能器施加偏压的情况下振膜屈曲(例如，弯曲)而被建模的超微型MEMS换能器的声SNR。如图13所示，在小的间隙大小(例如，在这种情况下低于5μm)的情况下，实际的振膜屈曲和移动的影响占主导。在5μm至11μm之间的间隙大小的情况下，与振膜移动相关联的粘滞效应大大降低。如图13所示，抵消振膜移位/移动影响的一种方法是将间隙的大小限制在大约5μm至12μm之间的范围内，或者根据后腔容积的几何形状将间隙的大小限制在另一合适的范围内。另选地或组合地，可以调节(例如，增大)超微型MEMS换能器的偏置电压，以增大麦克风组件的灵敏度，进而至少部分地弥补由粘滞损失引起的附加声噪声的影响。
还可以调节对电极的几何形状，以减小由于非活塞状振膜移动而导致的后腔容积内的空气的径向速度分量。例如，图14示出了包括弯曲的对电极604的MEMS换能器600。具体地，对电极604的上表面632(例如，第一表面、后腔容积面向表面等)成形为大约匹配于施加偏压的情况下的振膜606的曲率，使得在工作期间，振膜606与对电极604之间的距离在整个后腔容积611中(例如，在横向方向上，远离MEMS换能器的中心轴线)大约相等。为实现这一点，在静止状态下(例如，当去除偏置电压时)，对电极604和振膜606不平行。如图14所示，对电极604沉积或以其它方式形成在超微型MEMS换能器600的换能器基板602的凹入部分636上。对电极604的曲率是施加到超微型MEMS换能器600的偏置电压、后腔容积611的尺寸以及振膜606的厚度的函数。
返回图6，超微型MEMS换能器100被示出为包括开口或穿孔138，该开口或穿孔138延伸穿过振膜106(例如，从振膜106的第一侧132到振膜106的第二侧134)。穿孔138相对于超微型MEMS换能器100的中心轴线128以同轴结构设置在振膜106上的中心位置处。穿孔138是振膜106中的圆形通孔。在其它实施方式中，振膜106中的开口的大小、形状、位置和/或数量可以不同。
图15示出了针对一系列不同的穿孔138直径，声SNR作为间隙大小的函数。如图15所示，穿孔138将声噪声引入到超微型MEMS换能器100(也参见图5)中，特别是在小的间隙大小(例如，低于5μm)的情况下。声噪声的变化(例如，增大)的速率也随着穿孔138的直径而增大。在图5的超微型MEMS换能器100中，穿孔138的直径140在大约0.25μm至2μm的范围内，以减小穿孔138对整体声SNR的影响。应理解，穿孔138的直径的最佳范围将取决于振膜106的厚度和后腔容积103的几何形状而变化。
还可以通过增大后腔容积103中的空气的顺应性(例如，通过减小后腔容积103中包含的空气的刚度)来提高超微型MEMS换能器100的灵敏度。参照图16至图17，超微型MEMS换能器700被示出为包括对电极704和换能器基板702，该换能器基板702包括形成在对电极704和换能器基板702中的多个通道742。更具体地，超微型MEMS换能器700构造有通道742，该通道742形成有如下尺寸，使得通道742内的任何点距最接近的边界表面小于单个热边界层厚度。在图16的实施方式中，多个通道742中的各个通道沿相对于振膜706大致垂直的取向(例如，平行于超微型MEMS换能器700的中心轴线)远离振膜706延伸。通道742延伸穿过对电极704。在其它益处中，通道742在不完全穿透换能器基板702的情况下增大了超微型MEMS换能器700内的空气的整体顺应性(例如，通过远离对电极704与振膜706之间的空间增加空气量)。
换能器基板702中的通道742的大小被确定成减小超微型MEMS换能器700内的热声噪声。具体地，在超微型MEMS换能器700的大部分音频频带上，多个通道742中的各个通道的宽度744(例如，直径)小于后腔容积内的热边界层厚度的两倍，使得在大部分音频频带上，后腔容积内的任何点或位置与换能器基板或振膜的最接近的固体表面之间的距离都位于单个热边界层厚度内。通道742中的各个通道742的深度745大约等于被示出为高度718(例如，对电极704与振膜706之间的距离)的间隙大小。将理解，在各种例示性实施方式中，通道742的几何形状可以不同。例如，在其它实施方式中，深度745可以与间隙大小不同。
参照图18，超微型MEMS换能器750被示出为包括对电极754和形成腔室756(例如，后腔容积)的换能器基板752，在腔室756中设置有多个柱758。柱758是圆柱体，其沿相对于下表面大致垂直的取向从腔室756的下表面向上延伸(柱758朝向振膜706延伸)。在其它实施方式中，柱758的形状可以不同。柱758可以形成为超微型MEMS换能器750的换能器基板752。电极715沉积在或以其它方式连接至柱758中的各个柱的上表面。电极715一起形成超微型MEMS换能器750的对电极。在超微型MEMS转换器750的大部分音频频带上，相邻柱758之间的横向距离(例如，相对于柱758中的各个柱的中心轴线的径向距离)小于两倍的热边界层厚度。
在其它实施方式中，通道(图16至图17)或柱(图18)的几何形状可以不同。在一些实施方式中，可以使用多孔硅换能器基板代替沟道或柱。在其它好处中，使用多孔硅换能器基板可以在不需要附加的制造操作来将通道、柱或其它几何形状形成到换能器基板中的情况下增大后腔容积内的空气的有效顺应性。
如针对图19中的超微型MEMS换能器770所描绘的，可以通过在基板中形成多孔硅区域来限制基板的结构以增大后腔容积。通过由硅形成，基板772可以被掺杂以使其导电，使得多孔区域774的表面有效地成为电容换能器的对电极。孔776的大小远小于单个热边界层厚度，并且仍然允许空气在所有方向上流动。多孔区域774中的开放容积的百分比可以通过公知的电化学方法来控制，并且可以做得相当大。多孔区域774(例如，对电极)的上表面与振膜780之间的间隙大小(被示出为高度778)仍必须小于两个热边界层厚度，但是在该实施方式中，间隙大小并不支配后腔容积782的大小以及因此并不支配超微型MEMS换能器770的灵敏度。
在其它好处中，超微型MEMS换能器所需的后腔容积的减小允许麦克风组件的总占地面积(例如，封装大小等)大大减小。此外，因为对电极是实心的无孔结构，所以超微型MEMS换能器可以与麦克风组件的其它部件集成，以进一步减小麦克风组件的封装大小。例如，图20示出了超微型MEMS换能器800与集成电路(IC)802的单片集成。IC 802可以是专用集成电路(ASIC)。另选地，IC 802可以包括另一类型的半导体管芯，该半导体管芯集成有各种模拟、模数和/或数字电路。如图20所示，IC 802形成超微型MEMS换能器800的换能器基板。超微型MEMS换能器800作为单个整体结构一体地形成在IC 802上。超微型MEMS换能器800的对电极804沿着对电极804的整个下表面808直接联接至IC 802。
对电极804的几何形状可以与参照图5描述的对电极104的几何形状相同或相似。如图20所示，对电极804直接联接至IC 802(例如，形成在IC 802的上表面上)。IC 802包括IC基板810和联接至IC基板810的第一表面(例如，上表面等)的上部812。IC 802附加地包括嵌入在IC基板810的在IC基板810与上部812之间的上表面中的多个晶体管813。上部812被构造为将对电极804电联接(例如，连接等)至IC 802和/或麦克风的其它部分(未示出)。具体地，上部812包括嵌入在上部812内的多个金属层814。金属层814将对电极804电连接至设置在上部812的外表面处的触点(例如，连接至组合的超微型MEMS换能器800和IC 802管芯的外表面)。
根据例示性实施方式，如图21所示，组合的超微型MEMS换能器800和IC 802管芯被配置为装配在如组件900所示的超微型麦克风组件内。如图21所示，组件900包括壳体，该壳体包括麦克风基座902、盖904(例如，壳体盖)和声音端口(sound port)906。在一些实施方式中，麦克风基座902是印刷电路板。盖904联接至麦克风基座902(例如，盖904可以被安装在麦克风基座902的外围边缘上)。盖904和麦克风基座902一起形成组件900的封闭容积(例如，超微型MEMS换能器800的前部容积910)。如图21所示，声音端口906设置在盖904上，并且被构造成将声波传送到位于封闭容积内的超微型MEMS换能器800。另选地，声音端口906可以设置在麦克风基座902上。声波(例如，声压等)移动超微型MEMS换能器800的振膜806，这改变了振膜806与对电极804之间的间隙大小(例如，高度818)。对电极804与振膜806之间的容积形成了超微型MEMS换能器800的整个后腔容积911，这有利地减小了超微型麦克风组件900的总占地面积，而不限制可以实现的声SNR。
如图21所示，IC基板810联接至麦克风基座902、封闭容积908内的麦克风基座902的第一表面。在一些实施方式中，组件可以形成紧凑型计算设备(例如，便携式通信设备、智能电话、智能扬声器、物联网(IoT)设备等)的一部分，其中可以集成一个、两个、三个或更多个组件以拾取和处理各种类型的声信号(诸如语音和音乐)。
在图21的实施方式中，MEMS换能器800被配置为响应于入射在声音端口906上的声活动而在换能器输出端处生成电信号(例如，电压)。如图21所示，换能器输出端包括超微型MEMS换能器800的焊盘或端子，该焊盘或端子经由一个或更多个接合导线912电连接至电路。组件900还可以包括电触点，该电触点设置在盖904外部的麦克风基座902的表面上。触点可以电联接至电路(例如，经由嵌入在麦克风基座902内的接合导线或电迹线)，并且可以被配置为将超微型麦克风组件900电连接至各种主机设备中的一种主机设备。
图21的超微型麦克风组件的部件的布置不应被认为是限制性的。在不脱离本文公开的发明构思的情况下，许多另选方案是可能的。例如，图22示出了包括超微型MEMS换能器1100的超微型麦克风组件1000，该超微型MEMS换能器1100倒装接合至超微型麦克风组件1000的基座1002。超微型MEMS换能器1100通过焊锡球1003与基座1002分离(并电连接至基座1002)。超微型MEMS换能器1100被布置为通过设置在基座1002中央的声音端口1006接收声能。超微型MEMS换能器1100悬挂在形成于超微型麦克风组件1000的基座1002与盖1004之间的腔室内。
图23示出了类似于图22的超微型麦克风组件1000的超微型麦克风组件1200，但是其中盖已被包围超微型MEMS换能器1300的密封剂1201代替。在其它好处中，密封剂1201使MEMS换能器1300绝缘，并有助于将超微型MEMS换能器1300支撑在超微型麦克风组件1200的基座1202上方的位置。密封剂可以包括可固化的环氧树脂或任何其它合适的材料。
在本文描述的主题有时例示了包含在不同的其它部件内或与其相连接的不同部件。将理解，这样描绘的架构仅仅是示例性的，而事实上，可以实现获得相同功能的许多其它架构。在概念意义上，用于实现相同功能的部件的任何布置都有效地“关联”，以使实现期望功能。因而，在本文为获得特定功能而组合的任何两个部件都可以被视作彼此“相关联”，以使实现期望功能，而与架构或中间部件无关。同样地，这样关联的任何两个部件还可以被视作彼此“在工作上连接”，或“在工作上联接”，以实现期望功能，并且能够这样关联的任何两个部件也可以被视作能够彼此“在工作上联接”，以实现期望功能。在工作上联接的具体示例包括但不限于，物理上可配合和/或物理上相互作用的部件和/或可无线地交互和/或无线地交互的部件和/或逻辑上交互和/或逻辑上可交互的部件。
关于本文中复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据上下文和/或申请在适当时候从复数翻译成单数和/或从单数翻译成复数。为清楚起见，可以在本文中明确地阐述各种单数/复数置换。
本领域技术人员将理解，通常，本文尤其是所附权利要求(例如，所附权利要求的主体)使用的术语通常旨在作为“开放”术语(例如，用语“包括”应被解释为“包括但不限于”，用语“具有”应被解释为“至少具有”，用语“包括”应解释为“包括但不限于”等)。
尽管附图和描述可以例示方法步骤的特定顺序，但是除非上文另外指定，否则这些步骤的顺序可以与所描绘和所描述的步骤不同。另外，除非上文另外指定，否则可以同时或部分同时执行两个或更多个步骤。这种变型可以例如取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这些变型都在本公开的范围内。同样，可以利用具有基于规则的逻辑和其它逻辑的标准编程技术来完成所描述的方法的软件实现，以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。
本领域技术人员将进一步理解，如果意图陈述特定数量的引用的权利要求，则将在权利要求中明确地陈述这样的意图，并且在没有这样的陈述的情况下，不存在这样的意图。例如，为了帮助理解，以下所附权利要求可以包含介绍性短语“至少一个”和“一个或更多个”的使用以引入权利要求陈述。然而，这些短语的使用不应被解释为暗示由不定冠词“一”或“一个”引述权利要求的引用将包含这种引用的权利要求陈述的任何特定权利要求限制于仅包含一个这样的陈述的发明，即使相同的权利要求包括介绍性短语“一个或更多个”或“至少一个”，并且诸如“一”或“一个”的不定冠词(例如，“一”和/或“一个”通常应被解释为意指“至少一个”或“一个或更多个”)；对于使用用于引用权利要求陈述的定冠词也是如此。另外，即使明确地陈述了特定数量的引用的权利要求陈述，本领域技术人员也将认识到，这种陈述通常应该被解释为至少意指所陈述的数目(例如，没有其它修饰语的“两个陈述”的详细陈述通常意指至少两个陈述，或两个或更多个陈述)。
此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的惯例的那些情况下，一般而言，这样的构造意图在本领域技术人员将理解该惯例的意义上(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于以下系统：单独具有A，单独具有B，单独具有C，一起具有A和B，一起具有A和C，一起具有B和C，和/或一起具有A、B和C等)。在使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的惯例的那些情况下，一般而言，这样的构造意图在本领域技术人员将理解该惯例的意义上(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于以下系统：单独具有A，单独具有B，单独具有C，一起具有A和B，一起具有A和C，一起具有B和C，和/或一起具有A、B和C等)。本领域技术人员将进一步理解，实际上呈现两个或更多个另选术语的任何析取词和/或短语，无论是在说明书、权利要求书还是在附图中，都应该被理解为考虑包括这些术语中的一者、术语中的任一者或两个术语的可能性。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
此外，除非另有说明，否则使用词语“大约”、“约”、“近似”、“大致”等意指加或减百分之十。
已经出于例示和描述的目的呈现了例示性实施方式的前述描述。并非旨在穷举或限制于所公开的精确形式，并且根据上述教导可以进行修改和变型，或者可以从所公开实施方式的实践中获得修改和变型。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (14)

1.一种MEMS换能器，所述MEMS换能器包括：
换能器基板；
对电极，所述对电极联接至所述换能器基板；以及
振膜，所述振膜平行于所述对电极而定向，并且与所述对电极间隔开以形成间隙，
其中，所述MEMS换能器的后腔容积是位于所述对电极与所述振膜之间的封闭容积，并且其中，在所述MEMS换能器的音频频带的上限20kHz处，所述对电极与所述振膜之间的所述间隙的高度小于所述后腔容积内的热边界层厚度的两倍。
2.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中，所述对电极嵌入在所述换能器基板内。
3.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中，在所述对电极与所述振膜之间不存在偏置电压的情况下，所述对电极与所述振膜不平行。
4.一种MEMS器件，所述MEMS器件包括：
集成电路；以及
MEMS换能器，所述MEMS换能器形成在所述集成电路上，其中，所述MEMS换能器包括：
对电极；
振膜，所述振膜平行于所述对电极而定向，并且与所述对电极间隔开以形成间隙，
其中，所述MEMS换能器的后腔容积是所述对电极与所述振膜之间的封闭容积，并且其中，在所述MEMS换能器的音频频带的上限20kHz处，所述对电极与所述振膜之间的所述间隙的高度小于所述后腔容积内的热边界层厚度的两倍。
5.根据权利要求4所述的MEMS器件，其中，所述对电极形成在所述集成电路的上表面上。
6.根据权利要求4所述的MEMS器件，其中，所述对电极通过嵌入在所述集成电路内的金属层而连接至所述集成电路。
7.根据权利要求4所述的MEMS器件，其中，在所述对电极与所述振膜之间不存在偏置电压的情况下，所述对电极与所述振膜不平行。
8.一种麦克风组件，所述麦克风组件包括：
换能器基板；
振膜，所述振膜与所述换能器基板间隔开以形成后腔容积，所述后腔容积具有表面边界，所述后腔容积至少包括所述振膜和所述换能器基板，
其中，在音频频带的上限20kHz处，所述后腔容积内的任何位置距所述表面边界的距离在单个热边界层厚度内。
9.根据权利要求8所述的麦克风组件，所述麦克风组件还包括设置在所述振膜上的压电层。
10.根据权利要求8所述的麦克风组件，其中，所述换能器基板包括远离所述振膜延伸的多个通道。
11.根据权利要求8所述的麦克风组件，其中，所述换能器基板包括腔室，在所述腔室中设置有多个柱。
12.根据权利要求8所述的麦克风组件，其中，所述换能器基板和所述振膜一起形成MEMS器件，其中，所述麦克风组件还包括壳体，所述壳体包括：基座；盖，所述盖联接至所述基座；以及声音端口，所述声音端口设置在所述基座和所述盖中的一者内，其中，所述壳体规定了封闭容积，并且其中，所述MEMS器件联接至所述基座并且设置在所述封闭容积内。
13.根据权利要求12所述的麦克风组件，其中，所述声音端口设置在所述基座内，其中，所述MEMS器件按照使得所述振膜面向所述基座的方式倒装接合至所述基座。
14.根据权利要求12所述的麦克风组件，所述麦克风组件还包括集成电路，所述集成电路联接至所述基座并且设置在所述封闭容积内，其中，所述MEMS器件形成在所述集成电路上。
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