CN112970272A - 力反馈补偿的绝对压力传感器 - Google Patents

Abstract

用于麦克风的MEMS换能器包括封闭腔室、导电引脚阵列、介电网格和振膜。封闭腔室的压力低于大气压力。导电引脚阵列在封闭腔室中处于固定位置，呈二维分布，且在导电引脚阵列之间形成有间隙。介电网格位于封闭腔室内，包括位于导电引脚阵列的间隙之间的介电材料网格，并且被配置为平行于导电引脚移动。该振膜被配置成形成该封闭腔室的一部分并且响应于该封闭腔室内的压力与该换能器的外部的压力之间的压差的变化而偏转。该振膜被配置为响应于压差的变化相对于导电引脚阵列移动介电网格。

Description

力反馈补偿的绝对压力传感器

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月19日提交的序列号为62/769,468的美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请的全部公开通过引用并入本文。

背景技术

麦克风被部署在各种类型的装置中，诸如个人计算机、蜂窝电话、移动装置、耳机、头戴式耳机和助听器装置。然而，随着装置变得更小，它们需要更小的麦克风。更小的麦克风遭受由装置内的空气流引起的更高的声学噪声，并且通常具有比较大麦克风更低的信噪比。

附图说明

图1是根据本公开的实现方式的麦克风装置的示意性表示。

图2是根据本公开的实现方式的包括介电致动器的麦克风装置的示意性表示的截面图。

图2A是根据本公开的实现方式的基本介电致动器的示意性表示的截面图。

图3是根据本公开的实现方式的图2的麦克风装置的介电致动器的截面图。

图4是根据本公开的实现方式的图2的麦克风装置的介电致动器的截面图。

图5是根据本公开的实现方式的用于图2的麦克风装置的介电致动器。

图6是图5的介电致动器沿线6-6的截面图。

图7是图5的介电致动器的截面细节图。

图8是根据本公开的实现方式的图5的介电致动器的顶视图。

图9是根据本公开的实现方式的图2的麦克风装置的介电致动器的立体图。插图9A示出了介电致动器的详细视图。

图10是根据本公开的实现方式的根据图2的麦克风装置的介电致动器的立体图。

图11是根据本公开的实现方式的图2的麦克风的集成电路的表示。

在以下具体实施方式中，参考形成该具体实施方式的一部分的附图。在附图中，类似的符号通常表示类似的部件，除非上下文另有规定。在具体实施方式、附图和权利要求中描述的说明性实现方式并不意味着是限制性的。在不脱离在此呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实现方式，并且可以做出其他附图。将容易理解，如本文中大体描述且在图中示出的本公开的多个方面可以多种不同配置来布置、替代、组合和设计，所有这些配置均被明确预期且构成本公开的一部分。

具体实施方式

压力麦克风是目前最普遍使用的形式，其通过使振膜响应于振膜的第一侧和振膜的第二侧之间的压力差而移动来操作。第一侧暴露于大气压加上声学压力信号，第二侧暴露于大气参考压力。大气参考压力由后部容积提供，该后部容积在后部容积和外部环境之间具有大气均衡通风口。该大气均衡通风口的尺寸设置成防止音频进入后部容积。因此，发生在后部容积内的压力变化是低频压力变化。因此，压力麦克风的振膜响应高于排气截止频率的声学压差，该排气截止频率通常为几十赫兹(Hz)。

麦克风中特别是微机电系统(MEMS)麦克风中的性能损失是由于装置内气流阻力带来的粘性损失而产生的。在小型MEMS电容式麦克风中，通过背板和通过大气均衡通风口的气流可能是主要的噪声源。粘性损失对麦克风性能的不利影响随着麦克风尺寸的减小而增加。可以通过在低压下或理想地在真空条件下封装MEMS装置来显著降低粘性损失。然而，在低压或真空条件下的封装使得MEMS装置响应大气压力变化，这通常覆盖期望的声学信号。海平面大气压力为100kPa，其超过最大声学压力(200Pa)约3个数量级。对噪声基底的现代要求是10^-4Pa量级的。先前已经考虑将绝对压力传感器用作麦克风，然而迄今为止，制造动态范围为10亿(例如，范围在0.0001Pa-100kPa之间)的这种装置是不切实际的。本公开涉及通过产生抵消静电力来抵消大气压力。因此，后部容积的功能由力反馈信号代替，以减去大气压力的影响，并使振膜仅响应期望的声学压力信号。

本公开提供一种具有压力振膜的MEMS换能器，所述压力振膜具有暴露于环境的第一侧，而第二侧暴露于封闭腔室，封闭腔室被密封处于接近真空的低压。在一些实现方式中，该封闭腔室具有小于或基本上等于30Pa的压力。在一些实现方式中，该封闭腔室具有小于或基本上等于10Pa的压力。在封闭腔室内有与用于MEMS换能器的导电引脚阵列接合的介电网格。介电网格具有两种功能。第一功能是作为致动器操作以向压力振膜提供力反馈，以便抵消由大气压力产生的相反力。当电压施加到相邻引脚时，在介电网格上产生力，从而平行于引脚拉动介电网格，进一步接合引脚，由此增加引脚之间的电容。介电网格的第二功能是作为传感器。感测信号的低频部分提供了一种调节力反馈电压以补偿大气压力变化的方法，而感测信号的高频部分表示期望的声学信号。

如图1所示，一种实现方式涉及麦克风装置10，其包括压力振膜14、抽空的参考腔室15、力反馈致动器16、感测装置18和处理电路22。与抽空的参考腔室15相互支持的压力振膜14有效地形成所谓的绝对压力传感器。压力振膜14响应于任何压力变化，该压力变化包括大气压力和声学(例如声音)压力的变化。压力振膜14设计成与致动器16物理接触，并设计成在大气压力条件下在致动器16上施加力。大气压力根据海拔高度和天气条件的变化而变化。因此，如本文所用，术语“大气压”是指范围在30kPa(例如在珠穆朗玛峰的峰顶处)与110kPa(例如在死海水平处)之间的压力。由压力振膜14施加在致动器16上的力响应于压力变化而变化。压力振膜14可以是构造成使得压力振膜14的至少一部分响应于压力变化而移动并改变施加在致动器16上的力的任何类型的装置。在一些实现方式中，压力振膜14被配置成响应于压力变化而偏转，使得压力振膜14的一部分接触致动器16而压力振膜14的另一部分保持固定。压力变化可以是环境大气压力的变化和/或由声学压力(例如声音)引起的压力变化。致动器16构造成当与被压力振膜14接触时(例如，响应于由压力振膜14施加的力)移动。

感测装置18被配置成使得致动器16响应于压力变化(例如，由于大气压力的变化或由于诸如声音的声学活动引起的压力变化)的偏转引起感测装置18的电容变化。

处理电路22被配置成监测感测装置18的电容变化并且基于感测装置18的电容生成电信号(例如，该信号指示电容变化)。处理电路22产生指示声学活动的数据和/或信号(即，声学信号和/或数据)和指示大气压力的数据和/或信号(即，大气压力信号和/或数据)。处理电路22然后被配置为处理电信号以产生偏置信号和声学信号。偏置信号表示大气压力的变化，并且被配置为补偿由于大气压力的变化而引起的感测装置18的偏转。例如，在一些实现方式中，偏置信号可以命令联接到致动器装置16的电压源以改变施加到致动器装置16的偏置电压，以重新定位致动器装置16来补偿大气压力的变化。声学信号表示由于声学压力(例如，由于一个或多个声音)引起的压力变化。声学信号和/或数据可以存储在存储器(例如，处理电路的存储器和/或与处理电路22有线或无线通信的存储器装置)中。声学信号和/或数据还可以经由无线或有线连接发送到接收装置，例如扬声器、CODEC、电话等。在一些实现方式中，可以校正声学信号和/或数据以补偿感测装置的非线性、在制造期间发生的变化和/或温度。在这种实现方式中，用于补偿的补偿系数可以存储在存储器中。

图2示出了根据本公开的实现方式的麦克风装置100的截面图。虽然在图2和本公开的后续附图中示出的麦克风装置100表示本公开的特征的说明性实现方式，但是应当理解，在一些实现方式中，可以使用其他结构特征来实现以上关于图1描述的并且以下进一步详细描述的特征。

麦克风装置100包括壳体104、MEMS换能器108和集成电路(IC)112。壳体104包括装置衬底116和盖120。壳体104包括外表面。盖120固定到装置衬底116，使得盖120和装置衬底116在二者之间限定内部部分124。在一些实施方式中，盖120包括大气均衡通风口126。大气均衡通风口126被配置成在壳体104的外部与内部部分124之间提供流体连通。大气均衡通风口126保护壳体104免受极端温度和/或压力的影响。MEMS换能器108和IC 112位于内部部分124内。装置衬底116包括声音端口128。声音端口128通常与MEMS换能器108对准，使得MEMS换能器108通过声音端口128暴露于压力变化。在一些实施例中，MEMS换能器108可以邻近声音端口128安装。在一些实施例中，声音端口128可以形成在盖120中。在这些情况下，MEMS换能器108可以与图中所示的相反。MEMS换能器108的至少一个部门通过声端口128与壳体104的外部流体连通。MEMS换能器108可以基于压力变化产生电信号。压力变化可以是环境大气压力(例如，麦克风装置100的外部环境的压力)的变化，或者可以是由诸如声音的声学刺激引起的压力变化。IC 112可以处理由MEMS换能器108产生的电信号。在所示的实施例中，IC 112可以给音频处理电路提取电信号的基于声学压力变化的声学部分。IC 112可以提取电信号的基于环境大气压力变化的大气部分，并基于电信号的大气部分产生偏置信号。如下面更详细讨论的，偏置信号可以补偿大气压力变化的影响。

MEMS换能器108联接至IC 112。更具体地，在一些实现方式中，MEMS换能器108可以使用引线和迹线130硬连线到IC 112，以形成MEMS换能器108和IC 112之间的电连接。IC112也电连接到装置衬底116和焊盘118，用于与连接麦克风100的装置通信。IC112可以包括声学信号和大气信号处理电路和/或软件，如下面进一步详细讨论的。

图2A示出了包括平行板电容器109的基本介电致动器，平行板电容器109包括第一电极111、第二电极113和介电元件115。介电元件115至少部分地插入电极111、113之间的间隙117中。介电元件115可以相对于电极111、113移动。当在电极111、113之间施加电压时，在介电元件115上产生力，该力沿箭头方向将介电元件115拉入间隙117中，从而增加电容。这个概念可以在二维中复制，其中引脚阵列作为电极，并且介电网格被形成为装配在引脚之间，如下面进一步解释的。

图3示出了MEMS换能器108的示意性表示的截面图。MEMS换能器108以从图2所示的取向旋转大约180°的取向示出。如图3所示，MEMS换能器108包括柔性压力振膜132和包括介电网格140和导电引脚144的力反馈致动器和感测装置或介电致动器136。介电致动器136形成在第一衬底148中，柔性振膜132形成在第二衬底152中。第一衬底148和第二衬底152固定在一起以形成MEMS换能器108。第一衬底148和第二衬底152定位成使得压力振膜132邻近介电致动器136。当MEMS换能器108处于大气压力条件下时，压力振膜132通过大气压力保持与介电致动器136接触。在一些实施例中，第一衬底148和第二衬底152是硅衬底。在一些实施例中，第一衬底148和/或第二衬底152是绝缘体上硅(SOI)晶片。

第一衬底148包括第一表面156和相对的第二表面160。第一绝缘层164和第一导电层168形成在第一衬底148的第一表面156上。导电引脚144形成在(例如蚀刻到)第一导电层168中，其中蚀刻部分地继续到第一绝缘层164中。因此，每个导电引脚144位于与导电引脚144尺寸大致相同的绝缘突起174上。导电引脚144形成在绝缘部分174上以将导电引脚144与第一衬底148电隔离。多个通道192邻近导电引脚144延伸。通道192的一部分邻近导电引脚144，而通道192的一部分邻近绝缘突起174。介电网格140位于多个通道192内。介电网格140包括用于容纳导电引脚144的多个通孔。介电网格140中的通孔的宽度大于导电引脚144的宽度，从而允许介电网格140移动。介电网格140可移动地安装(例如，通过弹簧)到第一衬底148。如前所述，介电致动器的必要条件是电介质至少部分地插入导电引脚144之间的电容间隙中。因此，介电网格140的底表面204低于导电引脚144的底表面210，并且介电网格140的顶表面208低于导电引脚144的顶表面211。

第二衬底152包括第一表面176和相对的第二表面180。空腔184形成在第一表面176中并朝向第二衬底152的第二表面180延伸穿过第二衬底152的一部分。空腔184不延伸穿过第二表面180。第二表面180的邻近腔184的部分形成柔性振膜132，柔性振膜132可响应于压力变化而偏转。

第二衬底152的第二表面180固定到第一衬底148的第一表面156(例如，通过一个或多个中间层/材料，如图3所示)，从而在二者之间形成抽空的参考腔室188。参考腔室188包括通道192。在一些实施例中，第二衬底152的第二表面180可以通过共晶焊料194、第一导电层168和第一绝缘层164固定到第一衬底148的第一表面156。介电网格140包括通孔和致动器突起200。当不工作时，大气压力使振膜132压在突起200上，从而迫使介电网格140在通道192中“触底”，其中介电网格140的底面204与通道192的底面212接触。触底防止该结构在非常高的大气载荷下断裂。在操作中，电压被施加到相邻的导电引脚144，从而在介电网格140上产生力，将介电网格140提升离开通道192的底部，并且当振膜暴露于声学信号时允许介电网格140响应于振膜中的非常小的移动而移动。

振膜132被配置成将压力变化转换成介电致动器136的物理运动，该物理运动改变介电致动器136的电容。振膜132固定到第一衬底148以形成参考腔室188的一部分。振膜132具有暴露于大气压力和声学压力(例如，声音)的第一侧和暴露于参考腔室188的第二侧。在所示的实施例中，参考腔室188是真空的并形成抽空的参考腔室。振膜132、介电致动器136和参考腔室188形成绝对压力传感器，因为介电致动器136可用于感测大气压力的变化并可被偏置以补偿这种变化。在图3所示的实现方式中，振膜132是柔性的。在大气压力条件下，振膜132通过大气压力保持与介电网格140物理接触并在介电网格140上施加力。更具体地，振膜132保持与介电网格140的致动器突起200物理接触。压力的变化(例如，大气压力的变化和/或声学压力的变化)导致振膜132偏转(例如，向上或向下)并增加或减少施加在介电网格140的致动器突起200上的力，导致介电网格140相对于导电引脚144偏转。介电网格140的偏转改变相邻导电引脚144之间的重叠面积，这导致相邻导电引脚144之间的电容变化。相邻导电引脚144之间的电容变化由IC 112感测。IC112可以提取电信号的由声学活动引起的声学部分，并处理信号的声学部分以产生表示声学活动的输出。IC 112可以提取电信号的基于环境大气压力的变化引起的大气部分，并基于电信号的大气部分产生反馈信号。反馈信号可以补偿大气压力变化的影响。

在一些实现方式中，介电致动器136的参考腔室188具有小于大气压力的压力(例如，是真空)。在一些实现方式中，参考腔室188具有比大气压力小至少四个数量级的压力。在一些实施方式中，参考腔室的压力小于30Pa，例如小于10Pa。在一些实施方式中，术语“真空”用于表示小于或等于10Pa的压力。在一些实施方式中，术语“真空”用于表示小于或等于30Pa的压力。缺少空气(由于低压区域/真空的存在)通过减小参考腔室188内的所有移动元件上的空气阻尼来减小噪声。虽然图3所示的实施例包括一个致动器突起200，但是在其他实施例中，可以使用多于一个致动器突起。

图4示出了与具有正端子220和负端子224的电压源216接合的介电致动器136的截面示意图。每对相邻导电引脚144形成联接到电压源216的电容单元。所有电容单元并联连接。更具体地，每个导电引脚144可以使用引线和迹线硬连线到电压源216以形成电连接。如下文更详细地描述，电压源216被配置成向导电引脚144提供偏置电压以抵消由大气压力施加在振膜132上的力。电压源216可被配置成调节提供给相邻导电引脚144的偏置电压的量，以重新定位介电网格140，从而基本上抵消大气压力的变化。

施加在相邻导电引脚144a和144b之间的电压偏置产生静电力F，该静电力将介电网格140向上(例如，朝向第一导电层168的顶表面238)拉入位于导电引脚144之间的通道192中。在所示出的实现方式中，增加重叠面积(例如，在箭头236所示的方向上移动介电网格140)增加相邻导电引脚144之间的电容。电容器中的能量由以下等式确定：

其中E是存储在电容器中的能量，C是电容器的电容(例如，相邻导电引脚144之间的电容)，V是由电压源216提供的电压。当介电网格140相对于相邻导电引脚144移动时，介电网格140上的力F由以下等式确定：

其中F是介电网格上的力，E是存储在电容器中的能量，C是电容器的电容(例如，相邻导电引脚144之间的电容)，V是由电压源216提供的电压，并且z是介电网格140移动的竖直距离。如果介电网格140的端部至少是介电网格144和导电引脚144之间的横向间隙远离导电引脚144的端部的宽度，则边缘电容可以忽略，因此相邻导电引脚144之间的电容随介电网格位移近似线性地变化。因此，力F在该位移范围内几乎恒定(对于给定电压)。此外，不同于通常使用的致动器(其中两组导电指是相互交叉的：一组是固定的，一组是可移动的)，在介电网格上存在非常小的横向力。这是因为横向(x)方向上的电容变化非常小，因为在该装置中仅存在小的边缘场。

图5示出了MEMS换能器的简化力反馈致动器或介电致动器136部分的立体图。在所示实施例中，介电网格140通过多个弹簧264悬挂。弹簧264允许介电网格140在大致垂直于由衬底148限定的平面的方向上偏转。图5示出了处于中性位置的弹簧264，在该中性位置，弹簧264未偏转。通过调节提供给导电引脚144的电压量，可以将介电网格140保持在中性位置或中性位置附近。每个弹簧264固定到介电网格140的拐角，使得当介电网格140偏转时，介电网格140保持基本垂直于导电引脚144。弹簧264的取向使得当介电网格140偏转时，介电网格140保持平行于由衬底148限定的平面。

介电网格140包括孔，每个孔容纳一个导电引脚144。因此，导电引脚144呈二维分布并具有在其(例如，介电材料的连续网格)之间形成的间隙(例如，通道192)的导电引脚144的阵列。介电网格140可以包括致动器突起200，其在由导电引脚144的顶表面限定的平面上方延伸，如上关于图3所述的。图6示出沿图5所示的剖面线6-6截取的介电致动器136的截面图。

图7示出了与导电引脚144接合的介电网格140的一部分的截面图。如图7所示，每个导电引脚144位于由绝缘层164形成的多个突起或绝缘部分174之一上。多个绝缘部分174将多个导电引脚144与第一衬底148电隔离。

导电引脚144具有大约5μm的长度L_c。通道具有约2μm的宽度W_C。在图7所示的实施例中，导电引脚144是由硅材料制成的实心引脚。在其他实施例中，导电引脚144可由电镀金属(例如，通过在由介电材料制成的突起上电镀金属层)形成。介电网格140具有大约5μm的厚度T_DL。在相邻导电引脚144之间延伸的介电网格140的宽度W_DG大约为1.5μm。在所示实施例中，介电网格140由氮化硅制成。介电网格140的第一表面204和通道192的封闭端212之间的间距T_S约为0.25μm。介电网格140中的每个孔的侧面与每个导电引脚144间隔大约0.25μm。介电网格的底表面204比导电引脚144的底表面210低约2μm。由介电网格140的致动器突起200围绕的导电引脚144的顶表面362具有与致动器突起200间隔大约0.25μm的间距S_DG。因此，介电网格140可以在与箭头356所指示的方向相反的方向上相对于导体偏转高达0.25μm，并且在箭头356所指示的方向上偏转高达1μm。在图7所示的实施例中，导电引脚144是多晶硅，第一绝缘体164是氧化硅。

图8示出了导电引脚144的二维阵列如何与两组交叉指型对角定向的引线互连。图8示出了多个第一导电引脚144a和多个第二导电引脚144b。多个第一导电引脚144a通过第一组交叉指型引线324连接。多个第二导电引脚144b通过第二组交叉指型引线328连接。

图9示出了根据另一实施例的介电致动器136的截面图。图9所示的介电致动器136是与图3所示的换能器类似的换能器的更详细的示例性实现方式，因此，使用与图3中的对应元件相同的附图标记来描述相同的部件。

图9示出了用于将导电引脚144连接到电压源的电连接。以与图8一致的方式，导电引脚144与相对于导电引脚144的阵列对角定向的交叉指型引线互连。每个引线接触引线下面的导电引脚144的顶部。导电引脚144可以互连成既用作致动器又用作传感器的单个电容单元，或者导电引脚144可以互连成两个电容单元，如图9所示，其中，一个单元用作致动器，而另一个单元用作传感器。介电致动器136包括多个导电焊盘。导电焊盘连接到交叉指型引线中的每一者以提供导电引脚144与ASIC 122之间的电通信。多个焊盘包括被配置为连接到ASIC 122的第一焊盘308、第二焊盘312、第三焊盘316和第四焊盘(未示出)。多个第一交叉指型引线324从第一焊盘308延伸，多个第二交叉指型引线328从第二焊盘312延伸，多个第三交叉指型引线332从第三焊盘316延伸，多个第四交叉指型引线336从第四焊盘延伸。在一些实现方式中，焊盘308、312、316和交叉引线324、328、332、336基本上类似。用于形成交叉指型引线324、328、332、336的材料的电隔离部分形成在致动器突起200的顶部上。交叉指型引线324、328、332、336位于导电引脚144上方但在致动器突起200的上表面下方(引线材料272除外)，使得当压力振膜132最大量地压下致动器突出部200(使介电网格140在通道192中降到最低)时，压力振膜132不接触交叉指型引线324、328、332、336。

插图9A示出了交叉引线324、328、332、336和导电引脚144之间的电连接。导电引脚144包括多个第一导电引脚144a、多个第二导电引脚144b、多个第三导电引脚144c和多个第四导电引脚144d。多个导电引脚144a、144b、144c、144d中的每一个分别连接到焊盘308、312、316、320中的一个。焊盘308、312、316、320独立地连接到ASIC 122。所示实施例包括基本上相等数量的第一导电引脚144a、第二导电引脚144b、第三导电引脚144c和第四导电引脚144d。在其他实施例中，导电引脚144a、144b、144c、144d的比例可以不同。相邻导电引脚144之间的电容随着压力变化引起振膜移动并接触致动器突起200而变化。至少一些相邻导体之间的电容可由集成电路感测。在一些实施例中，可以在第一导电引脚144a和第二导电引脚144b上感测电容变化，并且可以在第三导电引脚144c和第四导电引脚144d两侧施加用于控制介电网格的位置的偏置电压。在一些实现方式中，在其两侧施加偏置电压的导电引脚的数目可以不同于在其两侧感测压力变化的导电引脚的数目(例如，该设计可以包括比在其两侧施加偏置信号的致动器导体更多(或更少)的感测导体)。

图10示出了包括介电致动器136和振膜132的MEMS换能器108的截面图。振膜132固定到第二衬底152。在一些实施例中，如关于图3所描述，振膜可由第二衬底形成，例如作为一种邻接材料。在所示实施例中，振膜132通过锚固件336固定到第二衬底152，锚固件336还用于密封空腔188的边缘。第一衬底148固定到第二衬底152，使得振膜132邻近介电致动器136定位。在大气压力条件下，振膜132通过大气压力保持与介电致动器136接触。第一衬底148的第一表面156固定到麦克风装置100的装置衬底116(图2)。在固定位置，空腔188通常与麦克风装置100的声音端口128对准。因此，声音端口128附近的大气压力和/或声学压力的变化引起振膜132的偏转。振膜132的偏转引起介电致动器136的介电网格140的偏转，从而产生电信号，该电信号可如本文所述进行处理。或者，第二衬底152的表面176可以固定到装置衬底136且邻近声音端口128，或者声音端口128可以形成在盖120中。对焊盘308、312、316、320的访问可以以诸如穿透硅通孔(TSV)的若干公知方式中的任一种来提供。第二方式包括：将锚固件336定位在包含焊盘308、312、316、320的区域内；并使第二衬底152小于第一衬底148，使得焊盘308、312、316、320暴露。

继续参考图10，振膜132的可选的致动器凸片370位于空腔188中，并且与介电网格140的致动器突起200大致对准。电压源向导电引脚144的至少一部分提供偏置电压，以将介电网格140悬挂在中性位置(例如，弹簧264未偏转且介电网格140与通道192的端部间隔开的位置)。中性位置如图10所示。当振膜132响应于声学和/或大气压力的变化而在空腔188内延伸和缩回时，由致动器凸片370施加在介电网格140上的力改变，使得介电网格140朝向通道192的端部移动或远离通道192的端部移动。当偏置电压未被施加到导电引脚144时(例如，当电压源216被断开时)，大气压力推动介电网格140抵靠通道192的端部。因此，通道192的端部用作介电网格140的机械止挡件。空腔188中缺少空气(由于低压区域/真空的存在)通过在介电网格140在空腔188内延伸和缩回时减小振膜132和介电网格140的空气阻尼来减小噪声。

图11示出根据本公开的实现方式的麦克风装置100的处理电路或集成电路(IC)112的一部分。IC 112包括(以分立的硬件、软件或两者的组合中)参考电容器382、运算放大器386、低通滤波器394、带通滤波器398和积分器402。电容器374是跨越用于感测压力变化的导电引脚(例如，第一导电引脚和第二导电引脚)的部分的电容的示意性表示。电容器378是跨导电引脚(例如，第三导电引脚和第四导电引脚)的部分的电容的示意性表示，偏置信号被施加到所述导电引脚以控制介电网格的移动。压力感测电容器374和致动器位置感测电容器378的值与介电网格的运动直接相关。压力感测电容器374和参考电容器电连接成半桥结构。如图11所示，半桥由高频正弦波390的相反相位驱动。在所示实施例中，正弦波可以在大约1MHz和3MHz之间。IC 112被配置为导出与介电致动器的感测部分的感测电容C_S和参考电容器382的电容C₀之间的差成比例的信号V_m。半桥的输出与以下项成比例：

当电容C_S和C₀相等时，等式3等于零。在所示实施例中，当介电网格处于静止位置时，电容基本上相等。

将等式3乘以sin(ωt)并简化该等式得到以下等式：

解调信号V_d可以被进一步处理以产生偏置信号或表示声学压力变化的信号，如下面更详细描述的。

可以处理信号V_d以产生表示大气压力变化的信号。大气压力的变化是缓慢的低频变化。由于大气压力的变化引起的介电网格的移动引起低于大约5Hz的信号V_d的变化。指示大气压力变化的信号可以通过使用低通滤波器394与信号V_d隔离。低通滤波器394还滤除信号的cos(2ωt)部分。低通滤波器394允许低频信号通过并滤除高频信号。在所说明的实施例中，低通滤波器394被配置成传递具有高达约5Hz的频率的信号且滤出具有较高频率的信号。然后将信号的表示大气压力变化的通过低通滤波器394的部分发送到积分器402。可以由积分器402对表示大气压力变化的信号进行积分，以生成偏置信号，该偏置信号被配置为保持C_S和C₀的值基本相等，从而将介电网格保持在中性位置。偏置信号可以命令电压源以足够慢地调节提供给第三导电引脚和第四导电引脚的电压，使得在介电网格被重新定位时导电引脚两侧出现的电容变化足够慢，不会在声学信号中产生噪声。

信号V_d可以被进一步处理以产生表示声学压力的信号。由于声学活动引起的介电网格的移动可以在大约50Hz和大约20,000Hz之间。带通滤波器398用于隔离信号V_d的对应于声学信号的部分。在所示实施例中，带通滤波器398阻挡信号的具有低于大约50Hz的频率的部分(大气压力信号)，并且阻挡信号的具有高于大约20,000Hz的频率的部分，包括处于几兆赫兹的cos(2ωt)，允许音频信号传递到输出。

一种实现方式涉及用于麦克风的微机电(MEMS)换能器。MEMS换能器包括封闭腔室、导电引脚阵列、介电网格和振膜。封闭腔室的压力低于大气压力。导电引脚阵列在封闭腔室中处于固定位置。固定的导电引脚阵列呈二维分布，并在导电引脚之间形成间隙。介电网格位于封闭腔室内。介电网格包括位于固定的导电引脚阵列的间隙之间的介电材料网格。介电网格被配置成平行于导电引脚移动。该振膜被配置成形成该封闭腔室的一部分并且响应于该封闭腔室内的压力与该换能器外部的压力之间的压差的变化而偏转。该振膜还被配置为响应于压差的变化相对于固定的导电引脚阵列移动介电网格。

另一种实现方式涉及一种麦克风，其包括壳体、微机电系统(MEMS)换能器和处理电路。壳体具有内部、外部和允许壳体的内部和壳体的外部之间流体连通的端口。MEMS换能器位于壳体的内部内。MEMS换能器的至少一个部分通过端口与壳体的外部流体连通。MEMS换能器包括封闭腔室、导电引脚阵列、介电网格和振膜。封闭腔室的压力低于大气压力。导电引脚阵列在封闭腔室中处于固定位置。固定的导电引脚阵列呈二维分布，并在导电引脚之间形成间隙。导电引脚阵列包括第一组导电引脚和第二组导电引脚。介电网格位于封闭腔室内。介电网格包括位于固定的导电引脚阵列的间隙之间的介电材料网格。介电网格被配置成平行于导电引脚移动。该振膜被配置成形成该封闭腔室的一部分并且响应于该封闭腔室内的压力与该换能器的外部的压力之间的压差的变化而偏转。所述振膜进一步被配置成响应于所述压差的变化而相对于固定的所述导电引脚阵列移动所述介电网格，借此改变所述导电引脚阵列的至少所述第一组导电引脚与所述第二组导电引脚之间的电容。处理电路位于壳体内，处理电路包括参考电容器并联接到导电引脚阵列。所述处理电路被配置成接收指示导电引脚阵列的至少第一组导电引脚与第二组导电引脚之间的电容的信号，且基于导电引脚阵列的至少第一组导电引脚与第二组导电引脚之间的电容的变化而产生指示压差的变化的电信号。

本文描述的主题有时示出包含在不同的其他部件内或与不同的其他部件连接的不同部件。应当理解，所描述的这种体系结构是说明性的，并且实际上可以实现达到相同功能的许多其他体系结构。在概念意义上，实现相同功能的组件的任何布置被有效地“关联”，使得达到期望的功能。因此，本文中被组合以达到特定功能的任何两个部件可被视为彼此“相关联”，使得达到所需功能，而与架构或中间部件无关。同样地，如此关联的任何两个部件可以被视为彼此“可操作地连接”或“可操作地联接”以达到期望的功能，并且能够如此关联的任何两个部件也可以被视为彼此“可操作地联接”以达到期望的功能。“可操作地联接”的具体示例包括但不限于物理上可匹配的和/或物理上交互的部件和/或无线地可交互的和/或无线地交互的部件和/或逻辑上交互的和/或逻辑上可交互的部件。

关于基本上任何复数和/或单数术语在本文中的使用，本领域技术人员像适于上下文和/或应用那样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/复数排列

本领域技术人员应当理解，一般而言，在本文中并且尤其在所附权利要求书(例如，所附权利要求书的主体)中使用的术语通常旨在作为“开放”术语(例如，术语“包括有”应该被解释为“包括有但不限于”，术语“具有”应该被解释为“具有至少”，术语“包括”应该被解释为“包括但不限于”等)

本领域技术人员还应当理解，如果介绍的权利要求记载的具体数量是预定的，则将在权利要求书中明确地记载这种意图，并且在不存在这种记载的情况下这种意图是不存在的例如，作为对理解的帮助，以下所附权利要求书可以包含介绍性短语“至少一个”和“一个或更多个”的用法以介绍权利要求记载然而，即使当同一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”应该被解释为意指“至少一个”或“一个或更多个”)时，这些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”对权利要求记载的介绍将包含这样引入的权利要求记载的任何特定权利要求限于包含仅一个这种记载的实施方式；对于用于介绍权利要求记载的不定冠词的使用来说情况也是如此此外，即使明确地记载了介绍的权利要求记载的具体数量，本领域技术人员也将认识到，这种记载应该被解释为意指至少表示所记载的数量(例如，没有其他修饰词的“两个功能件”的仅有记载意指至少两个记载或两个或更多个记载)

此外，在使用类似于“A、B和C中的至少一个等”的惯例的那些实例中，一般而言这种构造在意义上意指本领域技术人员将理解该惯例(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于具有仅A、仅B、仅C、A和B一起、A和C一起、B和C一起和/或A、B和C一起等的系统)在使用类似于“A、B或C中的至少一个等”的惯例的那些实例中，一般而言这种构造在意义上意指本领域技术人员将理解该惯例(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于具有仅A、仅B、仅C、A和B一起、A和C一起、B和C一起和/或A、B和C一起等的系统)本领域技术人员还应当理解，实际上呈现两个或更多个另选的术语的任何析取词和/或短语(无论在本说明书、权利要求书还是附图中)都应该被理解成设想到包括术语中的一个、术语中的任何一个或两个术语的可能性例如，短语“A或B”将被理解成包括“A”或“B”或“A和B”的可能性此外，除非另有说明，词语“近似”，“约”，“大约”，“基本上”等的使用是指加或减百分之十。

出于说明和描述的目的，已经呈现了示例元件的上述说明。该说明并非旨在穷举或限制所公开的精确形式，并且根据上述教导可以进行修改和变化，或者可以从所公开的实现方式的实践中获得修改和变化。本发明的范围由所附权利要求及其等同物所限定。

Claims (21)

1.一种用于麦克风的微机电换能器即MEMS换能器，所述MEMS换能器包括：

封闭腔室，其中，所述封闭腔室的压力低于大气压力；

导电引脚阵列，所述导电引脚阵列在所述封闭腔室中处于固定位置，固定的所述导电引脚阵列呈二维分布并且在所述导电引脚阵列之间形成有间隙；

介电网格，所述介电网格位于所述封闭腔室内，所述介电网格包括位于固定的所述导电引脚阵列的间隙之间的介电材料网格，所述介电网格被配置成平行于固定的所述导电引脚阵列移动；以及

振膜，所述振膜被配置成形成所述封闭腔室的一部分并且响应于所述封闭腔室内的压力与所述换能器外部的压力之间的压差的变化而偏转，所述振膜进一步被配置成响应于所述压差的变化而使所述介电网格相对于固定的所述导电引脚阵列移动。

2.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中，固定的所述导电引脚阵列包括第一组导电引脚，所述第一组导电引脚互连以形成第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极之间的电容响应于所述介电网格的移动而改变。

3.根据权利要求2所述的MEMS换能器，其中，当电压源在至少所述第一电极和所述第二电极之间施加电压时，平行于所述导电引脚的力被施加在所述介电网格上。

4.根据权利要求2所述的MEMS换能器，其中，固定的所述导电引脚阵列进一步包括第二组导电引脚，所述第二组导电引脚互连以形成连接到所述电压源的第三电极和连接到所述电压源的第四电极，且当电压源在所述第三电极和所述第四电极之间施加电压时，平行于固定的所述导电引脚阵列的力被施加在所述介电网格上。

5.根据权利要求2所述的MEMS换能器，其中，所述第一电极包括多个第一电极，所述第二电极包括多个第二电极，所述多个第一电极通过多个第一引线连接到第一焊盘，并且所述多个第二电极通过多个第二引线连接到第二焊盘，并且其中，所述多个第一引线和所述多个第二引线相互交叉。

6.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中，所述介电网格悬挂在所述封闭腔室内。

7.根据权利要求6所述的MEMS换能器，其中，所述介电网格通过弹簧安装在所述封闭腔室内。

8.根据权利要求1所述的MEMS换能器，其中，所述封闭腔室具有小于30Pa的压力。

9.根据权利要求8所述的MEMS换能器，其中，所述封闭腔室具有小于10Pa的压力。

10.一种麦克风，所述麦克风包括：

壳体，所述壳体具有内部、外部和允许所述壳体的内部与所述壳体的外部之间的流体连通的端口；

微机电换能器即MEMS换能器，所述MEMS换能器定位在所述壳体的内部内，所述MEMS换能器的至少一部分通过所述端口与所述壳体的外部流体连通，所述MEMS换能器包括：

封闭腔室，其中，所述封闭腔室的压力低于大气压力；

导电引脚阵列，所述导电引脚阵列在所述封闭腔室中处于固定位置，固定的所述导电引脚阵列呈二维分布并且在所述导电引脚阵列之间形成有间隙，固定的所述导电引脚阵列包括第一组导电引脚和第二组导电引脚；

介电网格，所述介电网格位于所述封闭腔室内，所述介电网格包括位于固定的所述导电引脚阵列的间隙之间的介电材料网格，所述介电网格被配置成平行于固定的所述导电引脚阵列移动；以及

振膜，所述振膜被配置成形成所述封闭腔室的一部分并且响应于所述封闭腔室内的压力与所述换能器外部的压力之间的压差的变化而偏转，所述振膜进一步被配置成响应于所述压差的变化而使所述介电网格相对于固定的所述导电引脚阵列移动，由此改变固定的所述导电引脚阵列的至少所述第一组导电引脚和所述第二组导电引脚之间的电容；以及

处理电路，所述处理电路定位在所述壳体内，所述处理电路包括参考电容器并且联接到固定的所述导电引脚阵列，所述处理电路被配置成接收指示固定的所述导电引脚阵列的至少所述第一组导电引脚和所述第二组导电引脚之间的电容的信号，且基于固定的所述导电引脚阵列的至少所述第一组导电引脚和所述第二组导电引脚之间的电容的变化而产生指示所述压差的变化的电信号。

11.根据权利要求10所述的麦克风，其中，所述第一组导电引脚互连以形成至少一个第一电极和至少一个第二电极，并且其中，固定的所述导电引脚阵列两侧的电容是至少所述第一电极和所述第二电极之间的电容。

12.根据权利要求11所述的麦克风，其中，所述处理电路被配置成处理所述电信号以产生：

表示大气压力变化的偏置信号；以及

表示由声学活动引起的压力变化的声学信号。

13.根据权利要求12所述的麦克风，其中，所述第二组导电引脚互连以形成至少第三电极和第四电极，且所述麦克风进一步包括连接到至少所述第三电极和所述第四电极的电压源，所述电压源被配置为接收所述偏置信号并向至少所述第三电极和所述至少第四电极提供电压，以在所述介电网格上施加平行于固定的所述导电引脚阵列的力。

14.根据权利要求13所述的麦克风，其中，所述力被配置为定位所述介电网格，使得所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极之间的电容与所述参考电容器的电容基本上相同。

15.根据权利要求12所述的麦克风，其中，所述处理电路通过用低通滤波器对所述电信号进行滤波来产生所述偏置信号。

16.根据权利要求15所述的麦克风，其中，所述低通滤波器的截止频率为大约5Hz。

17.根据权利要求12所述的麦克风，其中，所述处理电路通过用带通滤波器对所述电信号进行滤波来产生所述声学信号。

18.根据权利要求17所述的麦克风，其中，所述带通滤波器被配置成使具有在约50Hz与约20,000Hz之间范围内的频率的信号通过。

19.根据权利要求10所述的麦克风，其中，所述介电网格通过弹簧安装在所述封闭腔室内，使得所述介电网格悬挂在所述封闭腔室内。

20.根据权利要求10所述的麦克风，其中，所述封闭腔室具有小于30Pa的压力。

21.根据权利要求10所述的麦克风，其中，所述封闭腔室具有小于10Pa的压力。

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